面向視頻流業務的TD-HSUPA系統仿真模型研究*

唐 穎 ，鄺育軍 ，2，張偉男 ，代改榮 ，朱 江 ，姜偉麗 ，夏 佳

（1.重慶郵電大學 移動通信重點實驗室，重慶 400065；2.電子科技大學 光互聯網及移動信息網絡研究中心，四川 成都 610054）

1 引言

隨著3G業務的迅猛發展，用戶對上行傳輸速率提出更高的要求，在繼TD-HSDPA技術之后，3GPP在R7中引入了高速上行分組接入（HSUPA）技術，使 TDSCDMA系統的上行速率最高可達到2.2 Mbit/s。TDHSUPA作為TD系統的增強技術，對提高系統的吞吐量、減小傳輸延遲及誤幀率等都起著至關重要的作用[1-2]。隨著TD四期建網的進行，TD-HSUPA的一些關鍵技術和算法對整個TD-SCDMA通信系統的影響需要進一步研究。本文正是對TD-HSUPA系統的仿真方法研究，文中給出了TD-HSUPA系統仿真平臺的框架及搭建方法，并詳細介紹了仿真平臺的核心模塊。此仿真平臺可用于驗證和優化各種無線資源管理算法及參數，為未來的網絡規劃優化及測試提供相關輔助參考。

2 HSUPA協議體系結構

HSUPA對系統的主要變動是在TD-SCDMA的基礎上引入了E-DCH信道，其協議體系結構[3]如圖1所示。在UE，Node B和RNC的MAC層引入MAC-es/MAC-e實體。UE側新增的MAC-es/MAC-e主要負責處理HARQ 重傳、調度信息（SI）、MAC-es復用、E-DCH TFC選擇。Node B引入MAC-e主要處理HARQ重傳、資源調度、MAC-e解復用。SRNC新增的MAC-es實現接收數據包的重排序。

3 系統模型

根據3GPP中的協議規范以及對TD-HSUPA通信系統的研究，按照移動通信網的需求功能進行分割，TD-HSUPA系統框架主要分為兩大部分[4]：無線接入網的公共結構和HSUPA模塊。圖2是TD-HSUPA系統平臺示意圖。

筆者采用離散事件時間驅動機制的方法，通過擬合用戶在網絡中的移動性和其他特性，模擬實現TDHSUPA的系統仿真環境。此外，還需要配合相應鏈路仿真的支持，為系統仿真提供必要的輸入參數。

4 模塊設計

基于離散事件時間驅動機制的方法對上述框架進行建模，來模擬現實網絡的行為。

4.1 公共模塊

4.1.1 網絡模型

根據覆蓋范圍以及所處地域，一般可以把3G系統的仿真場景分為：宏小區（Macro）、微小區（Manhattan-Grid）和微微小區（Pico）[5]。本文是在 Macro 仿真場景下，使用wrap-around技術，采用3圈19個小區的部署模型。圖3是仿真中采用的小區拓撲模型圖。

圖 3中，“*”代表 UE，圓圈代表 Node B位置，其最大發射功率為43 dBm。箭頭是1000 m的小區半徑。系統帶寬設置為1.6 MHz，碼片速率為1.28 Mchip/s（兆片/秒），上下行時隙采用3∶3的配置。仿真時將UE均勻隨機分布到小區中，且用戶的密度與地理位置無關，其方向在初始化時隨機選定。

4.1.2 移動模型

移動模型可以描述用戶的位置和運動方向。仿真時假設用戶在整個服務區自由移動，并且不考慮切換。用戶移出仿真區域時，則自動彈回所設定的場景。

圖3中UE的位置由x和y唯一確定。隨著仿真進行，根據式（1）進行周期性更新，即

式中：x（t-1）代表上次位置更新時UE的橫坐標（單位：m）；s代表UE的移動速度（單位：m/s）；t代表UE的更新周期（單位：s）；θ為 0°～360°的隨機選擇；x（t）代表當前時刻UE的橫坐標（單位：m）。

每隔一定時間，移動臺的位置更新一次，圖4是服務區內某2個用戶的移動路徑。

4.1.3 視頻流業務模型

視頻流業務是3G中一項重要業務，移動用戶可通過無線接入網接入Internet上的視頻服務器[6-7]。如圖5[8]所示，Tb是防抖動緩沖區窗口的長度，用來保證視頻流數據連續播放。視頻流會話定義為整個視頻流呼叫的時間，在這個模型中為整個仿真時間。視頻數據的每一幀以間隔T到達，每一幀分解為固定數目的片段，每個片段以一個分組包的方式傳輸。

基于離散事件時間驅動機制的方法，結合業務的特點，借鑒文獻[9]中所采用的ON/OFF模型對視頻流業務進行建模，如圖6所示。處于ON時，模型按一定的概率分布產生分組流，反之不產生。

建模時需要的參數分布函數如表1[8]所示。

表1 視頻流業務參數設置

4.1.4 路損模型

根據3GPP TR 25.942，Macro小區傳播模型一般適用在城市和郊區的測試場景。因此，仿真考慮了路徑損耗和慢衰落，使用的傳播損耗模型[10]為

式中：R為Node B與UE之間的距離（單位：km）；f為載波頻率，取值2000 MHz；Dhb為基站天線高度，取15 m；L是路徑損耗（單位：dB）。 式（2）可簡化為

仿真中每隔一個TTI（5 ms）更新一次L。

4.2 HSUPA模塊

4.2.1 UE模塊

根據新增的實體以及UE實現的基本功能，UE主要模塊[3]包括：

1）業務發起模塊，主要功能為在仿真時間內，根據不同業務模型產生時間間隔的數組，并將邏輯信道映射成MAC-d流，再根據邏輯信道的優先級、緩沖區的大小等信息向Node B發起調度請求。

2）HARQ模塊，由UE側新增的MAC-e實體來完成，負責存儲MAC-e數據并重傳。UE根據收到的ACK/NACK命令確定是否重發數據，重發數據由HARQ模塊來實現。

3）E-TFC選擇模塊，根據收到的調度信息，UE根據一定的算法選擇合適的E-TFC。

4.2.2 Node B模塊

Node B模塊處于UE和RNC模塊之間，在TDHSUPA系統中負責接收UE模塊發送的數據，并完成AG和ACK/NACK等反饋信息確認，以及RoT的測量等工作，并且上報給RNC正確接收的數據。Node B主要功能[3]模塊包括：

1）調度模塊，在多個UE間進行E-DCH的小區資源的調度，E-DCH調度實體基于UE發送的調度信息，進行調度的分配和傳輸，E-DCH控制實體負責接收調度請求以及傳輸分配的調度信息。

2）HARQ模塊，與UE模塊中的HARQ不同，主要接收合并多次重傳的TTI數據，并負責生成ACK/NACK。

3）資源分配模塊，按照一定的算法，對用戶進行資源分配，如碼道、時隙及功率等。

4）RoT估算模塊，主要是根據資源分配模塊中的資源分配方式，估算此時系統的RoT。根據RoT的定義，在包含N個UE的小區j處，當前干擾程度RoTj[11]為

式中：powi為 UEi的上行發射功率；PLij為 UEi到小區j的路徑損耗；Noise為熱噪聲。

4.2.3 RNC模塊

RNC模塊主要用來統計系統的一些性能，以及對無線資源進行管理。主要模塊[3]為：

1）統計模塊，對數據業務的吞吐量和時延、小區的RoT等系統性能進行統計。

2）RoT限定模塊，定義系統RoT的門限，可以擴展為其他類似門限值的定義。

3）無線資源管理（RRM）模塊，主要是TD-HSUPA的無線資源管理算法的接口，方便以后對接納控制、調度等算法進行仿真驗證。

5 仿真流程

仿真時定義一個模擬時鐘，并初始化到0或下一事件發生的時間。仿真進行時，時鐘推進到最臨近的下一事件發生的時間，時鐘每次推進，系統狀態都相應發生改變。時鐘不斷推進，系統狀態也隨之不斷更新，以此類推直到仿真結束。整個系統是以時間來驅動的，每個TTI按照用戶的業務狀態來觸發各個模塊，然后對發生的離散事件進行處理。圖7為TD-HSUPA系統仿真流程。

由圖7可知，系統仿真的具體流程為：

1）設置系統參數，選取仿真場景及小區模型；

2）用戶隨機分布在小區中，并確定Node B及UE的位置；

3）根據路損模型計算路徑損耗；

4）業務模塊產生數據，并由移動模塊來確定UE的運動軌跡；

5）進行無線資源管理算法，包括接納控制、調度、切換等算法；

6）統計仿真結果并分析統計結果合理性并反饋給UE和Node B；

7）轉到步驟3）進入下一次主循環，直到仿真時間結束。

6 小結

給出了TD-HSUPA系統平臺的框架，并介紹了采用離散事件時間驅動機制在Matlab環境下的建模方法，接著詳細介紹了核心模塊，最后簡述了基于視頻流業務下該平臺的仿真流程。從而可以更加深入地理解TDHSUPA系統，使用戶享受到更好的QoS。隨著用戶對上行業務需求的日趨增長，HSUPA技術逐漸引入到網絡中，研究TD-SCDMA系統中的HSUPA技術對其商用具有現實意義。繼續完善該平臺，加入各種無線資源管理算法是下一步要進行的工作。

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