TD-SCDMA系统切换算法研究与仿真

发布: 2010-10-19 00:54 | 作者: | 来源: | 字体: 小中大

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摘要　第三代移动通信系统TD-SCDMA引入了智能天线技术，这对切换技术提出了新的挑战，由于智能天线具有的指向性特点及其带来的系统增益，以及TDD通信系统时隙化的特征，仅仅考虑对导频信道强度测量来触发切换的传统策略，已明显无法适应TD-SCDMA系统。本文提出了一种新的切换触发策略，并根据此算法进行了动态系统仿真，结果表明新算法明显提高了系统的切换性能。

一、引言

由于现代的移动通信系统采用蜂窝结构，用户在跨越空间划分的小区时，必然要进行越区切换，而对于第三代移动通信系统而言，智能天线技术的引入由于增加了空间这一维度的资源，将会对传统的硬切换技术的测量准则、切换触发、切换执行等过程产生巨大的影响。由于智能天线具有的指向性特点及其带来的系统增益，仅仅考虑对导频信道强度测量来触发切换的传统策略，已经明显无法适应引入智能天线的第三代移动通信系统。本文针对使用智能天线的TD-SCDMA系统，提出了一种修正的基于导频信道测量强度和基于通信业务质量相结合的切换触发策略。

二、智能天线下切换算法的设计

在实际的切换实现过程中，需要如一定的时间延迟△T和信号强度冗余来补偿因为传播条件的复杂性、信息处理速度和能力的限制、命令传递的时间延迟等原因造成的误差，减少不必要的切换，避免“乒乓效应”的出现。同时，针对TDD系统对干扰敏感的问题，只有当相邻小区基站信号强度优于本小区信号强度一定程度（即差值大于信号强度冗余）并且本小区信号强度小于某一特定门限之下时才启动切换过程。在有的文献中，明确的给出了基于上述思想的切换策略，因此传统的切换触发策略可简略的用公式表示为：

式中，RXLev-DLmonintor为UE接收到的监测集中基站信号强度的测量值，以dB表示；RXLev_DL是UE接收到的当前服务基站的信号强度的测量值，以dB表示；hoMarginLev代表接收电平的切换储备，以dB表示；hoThresholdsLevDL为服务基站的信号强度门限，以dB表示。上述算法中，hoThresholdsLevDL，hoMarginLev，时间延迟△T都是需仔细选择的参数。hoThresho1dsLevDL是由当前UE所处的传播模型、与服务基站之间距离等因素决定的，而hoMarginLev选择太小，会增大不必要切换发生的概率，而过大则会使正常和必要的切换受阻。对于时间延迟△T的选择，则主要考虑避免乒乓效应，取值过小效果不明显，而若取值过大则可能导致UE的掉话。

由于智能天线的引入，切换触发的准则需要进行重新考虑。目前UE大都测量各个基站的PCCPCH信号强度，而PCCPCH信道在引入智能天线的系统中仍采用全方向的方式发射，即不使用智能天线（如图1所示）。在此情况下，切换测量忽略了业务信道上由于应用智能天线而带来的对专用信道信号的增益，而以尽量维持当前业务连接，尽可能减少切换发生的原则下，适当的增加hoMarginLev(n)/Qual(n)的取值大小，充分利用智能天线所带来的增益和益处将是一个明智的选择。经过修正后，符合的准则如下：

图1　PCCPCH有效覆盖及智能天线有效覆盖示意图

式中引入新的修正项hoMargin_SA，代表因为加入智能天线而带来的接收信号电平的切换储备的附加值，以dB表示。关于hoMargin_SA的选择，其取值大小不能过于接近智能天线所带来的增益，以免当前服务基站信号过弱，从而由于通信过程中信号强度的突发变化对通信带来不稳定性甚至造成掉话，同时考虑到UE不应距离服务基站过远，致使其发射功率增大过多，对其他用户造成较强干扰。

传统的切换触发策略主要考虑信号强度，但在TD-SCDMA中导频信道与业务信道处于不同时隙，而且业务信道采用了智能天线技术，因此，仅仅测量PCCPCH的信号强度已不能适应智能天线条件下对切换性能的要求。为了获得切换更高的准确性和系统的更好性能，我们必须引入新的触发切换请求的判断依据与原有切换触发策略相结合。于是我们在公式（3），（4）的基础上还提出了下面的要求：

式中，QualityTrafficThreshold_DL/UL是UE的业务信道质量门限，它对应于业务通信质量优劣的表征值。

在具体实现上，我们采用了基于帧错误率的业务质量指示依据来体现用户通信质量，因为从业务角度而言，针对TDD特点，对每一个帧统计错误率足以反映当前服务质量的优劣。而出于消除不稳定性和突发的考虑，我们使用平均误帧率作为当前业务质量的判断依据，因此在切换请求发起时增加一个判断条件：当前业务平均误帧率是否大于门限值，若大于则通信质量不能满足业务要求，需要发起切换。即满足：

综上，公式（3），（4），（6）概括了本文提出的修正的基于导频信道测量强度和基于通信业务质量相结合的切换触发策略。

三、切换算法仿真实现

切换流程如图2所示，在UE与基站进行通信的过程中，UE需要对当前服务基站及相邻小区基站导频信道信号强度进行测量。测量方式由RNC的测量控制信息进行制定。同时UE需要实时的测量自身业务的质量特性，统计误帧率情况，进而计算获得平均误帧率。

图2　切换流程图

切换的发起是根据上述测量信息的综合，依据上述算法和判决准则而得出。若RNC判断需要发起切换，则UE向RNC发送测量报告消息，告知RNC当前UE需要发起切换。

RNC在收到UE发来的切换请求后，会对切换请求进行判决，若判决允许切换，RNC则会向UE发送物理信道重配置消息命令，指示UE执行切换操作。随后，UE根据物理信道重配置命令中的配置参数和信息进行切换操作，待切换过程完成后，UE恢复正常通信，将重新开始进行切换所需测量值的统计，周而复始的重复上面的操作流程，直至UE通信结束。

四、切换仿真和性能分析

1.仿真环境模型

为了验证切换算法的性能，使用OPENT仿真工具搭建了适用于TD-SCDMA的动态系统级仿真平台。仿真平台中模拟了3种节点：RNC，NodeB和UE，分别对应无线网络控制器，基站和移动台。其中传播模型，移动性模型和业务模型的定义均遵照参考文献中的规定。具体的网络模型设计为典型的六边型宏蜂窝小区结构，共布设了16个基站，每个基站均位于小区的中心，小区半径为577米，每个小区的覆盖相同如图3所示。用户的位置服从均匀分布。在仿真中考虑了智能天线的引入并模拟了智能天线的功能。计算接收信号强度时考虑了快衰和慢衰的影响。

图3　仿真场景—Macro环境

用户的业务类型为12.2kb/s的电路交换域语音业务，移动速度为36km/h，并且规定若用户连续接收200帧错误的数据则认为用户掉话。

2.性能指标定义和说明

针对本文中提出的切换出发策略，所需要关注的性能指标设计如下：

●切换请求次数。发起的总的同频切换请求次数（Event 1A的总次数）。

●切换掉话次数。在切换过程中，因为切换操作失败，时延因素或者长时间切换请求得不到满足，切换机制释放与当前用户的通信以免影响整个系统的稳定而产生的用户掉话次数。

●下行GoS。即业务等级。由（7）给出：

（7）

其中Ngood，Nbad，Ndrop，Nblock分别为满意的，不满意的，掉话和阻塞的呼叫数；为体现掉话对满意度影响的因子，目前取值为2。因为对于通信用户来说，掉话远比接入请求被拒绝更令人无法接收，所以掉话次数对于用户满意度的负面影响应加权考虑。

3.仿真结果与分析

（1）验证引入hoMargin_SA的有效性

在使用智能天线的前提假设下，场景中使用PCCPCH电平测量值的冗余度hoMarginLev为3dB，切换的PCCPCH电平门限hoThresholdsLevDL为113dB。hoMargin_SA取3dB，仿真时间取5分钟。

本场景中，切换请求次数在引入和不引入hoMargin_SA下的对比如图4所示。图4分别为不引入和引入hoMargin_SA下切换请求的总次数，即Event 1A的总事件数。可以看出，由于没有加入hoMargin_SA，切换请求次数明显大于加入hoMargin_SA后的统计值。由此，hoMargin_SA的加入对于减少不必要的切换发生，具有比较显著的作用。

图4　切换请求次数比较

本场景中，系统下行GoS在引入和不引入hoMargin_SA下的对比如图5所示。图5分别为不引入和引入hoMargin_SA下，系统下行GoS的性能曲线。出于性能结果准确性的考虑，数据统计从30秒开始。可以看到在智能天线下，hoMargin_SA的加入是必要的。它减少了不必要的切换，避免了因此出现的通信质量下降和过多掉话，从而提高了系统GoS性能。

图5　下行GoS比较

（2）两种切换策略的性能比较

仿真场景中使用传统切换策略和修正的基于导频信道测量强度和基于通信业务质量相结合的切换触发策略两种不同的切换请求发起算法，仿真假设和参数除引入hoMargin_SA取3dB外，与（1）中相同。

本场景中不同切换请求发起算法下切换请求次数的比较如图6所示。图6分别为基于传统切换策略和新的切换触发策略下切换发起次数（Event 1A）的对比。可以看到使用新算法时，Event 1A数量显著减少，通信系统的信令负荷也将随之下降。通过随后的下行GoS的比较能更清楚地看到：新算法减少了不必要的切换，切换的准确性和有效性得到了明显提高。

图6　切换请求次数对比

本场景中不同切换请求发起算法下行GoS的比较如图7所示。图7分别为应用基于传统切换策略和新的切换触发策略时下行GoS的对比。出于性能结果准确性的考虑，数据统计从30秒开始。当系统趋于稳定（仿真时间两分钟后）时，新算法由于其更佳的准确性和有效性，减少了不必要的切换发起，在切换执行过程中，切换掉话数大大减少，更好的保证了通信在满足质量要求下的正常进行，其GoS较前者有大约10个百分点的提升。