WCDMA與HSDPA共站時(shí)系統(tǒng)的容量分析

【關(guān)鍵字】WCDMA HSDPA 蒙特卡羅 吞吐量 容量損失

1概述

高速下行分組接入HSDPA(HighSpeedDownlinkPackageAccess)是第三代移動(dòng)通信中非常重要的增強(qiáng)技術(shù)，特別適用于多媒體、遠(yuǎn)程會(huì)議、Internet等大量下載信息的業(yè)務(wù)。HSDPA是在R5協(xié)議中為了滿(mǎn)足上／下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不對(duì)稱(chēng)的需求而提出的，它可以在不改變已經(jīng)建設(shè)的WCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，把下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率提高到10Mb/s。該技術(shù)是WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)后期提高下行容量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率的一種重要技術(shù)。為了達(dá)到提高下行分組數(shù)據(jù)速率和減少時(shí)延的目的，HSDPA主要采用了自適應(yīng)的編碼和調(diào)制（AMCadaptivemodulationandcoding）、混合自動(dòng)重傳（HARQHybridARQ）和快速分組調(diào)度等技術(shù)。其實(shí)，上述三種技術(shù)都屬于鏈路自適應(yīng)技術(shù)，也可以看成是WCDMA技術(shù)中可變擴(kuò)頻技術(shù)和功率控制技術(shù)的進(jìn)一步提升。

由于在系統(tǒng)級(jí)仿真中我們側(cè)重于容量分析以及系統(tǒng)間干擾分析，我們采用的是靜態(tài)系統(tǒng)級(jí)仿真方法。首先我們會(huì)分別對(duì)WCDMA和HSDPA的單系統(tǒng)進(jìn)行仿真，以獲得WCDMA獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)容量以及HSDPA系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)吞吐量。然后我們運(yùn)行雙系統(tǒng)仿真，研究這兩個(gè)系統(tǒng)共存時(shí)的相互干擾情況以及共存時(shí)的系統(tǒng)容量和吞吐量。單系統(tǒng)和雙系統(tǒng)仿真均在宏蜂窩環(huán)境下進(jìn)行。建立的系統(tǒng)模型及其參數(shù)參照了3GPP規(guī)范中的TR25.950、25.848、25.996、25.942，及UMTS30.03等協(xié)議。

2系統(tǒng)建模

靜態(tài)系統(tǒng)仿真既可以進(jìn)行單個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的仿真，也可以進(jìn)行多個(gè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的仿真。主要采用MonteCarlo統(tǒng)計(jì)方法，系統(tǒng)生成隨機(jī)分布于一定地理區(qū)域的用戶(hù)，然后保持這些用戶(hù)位置固定不變，進(jìn)行切換和功率控制。下面我們從小區(qū)拓?fù)?、信道模型、切換、功率控制等五個(gè)方面來(lái)說(shuō)明系統(tǒng)建模方法。

2.1小區(qū)拓?fù)?/strong>

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錇楹攴涓C，每個(gè)小區(qū)采用3扇區(qū)，采用48扇區(qū)/16個(gè)小區(qū)結(jié)構(gòu)，扇區(qū)半徑為577米，小區(qū)半徑為1000米，如圖1所示。相鄰扇區(qū)干擾情況，只考慮相鄰第一層基站所有的扇區(qū)和第二層基站的主方向相對(duì)扇區(qū)的干擾，其它扇區(qū)的干擾忽略不計(jì)。這也是根據(jù)實(shí)際情況所做的模擬。

2.2 信道建模

路徑損耗的計(jì)算方面，我們選用車(chē)載傳播模型。車(chē)載傳播模型主要應(yīng)用于一個(gè)天線(xiàn)高于平均屋頂高度，而另外一個(gè)天線(xiàn)低于平均屋頂高度的情況。其傳播模型計(jì)算公式為：
L=40×(1－4×10-3×hb)lg(d)－18lg(hb)＋21lg(fc)＋80＋LogF (1)

其中d是間隔距離(km)，fc是載波頻率(MHz)，hb是基站天線(xiàn)高度(m)，以平均屋頂高度為基準(zhǔn)，LogF是標(biāo)準(zhǔn)偏差為10dB的對(duì)數(shù)正態(tài)分布。該模型適用于城市或郊區(qū)鏈路間隔距離從幾百米到數(shù)公里的情況。

　　用戶(hù)和基站之間的傳播損耗除了路徑損耗外，還包括陰影衰落和快衰落。由于快衰變化很快，對(duì)系統(tǒng)的平均性能影響不大，所以靜態(tài)仿真一般不考慮快衰落對(duì)系統(tǒng)的影響。而陰影衰落通常使用正態(tài)分布的隨機(jī)變量來(lái)進(jìn)行模擬，而且每個(gè)用戶(hù)與每個(gè)扇區(qū)之間的陰影衰落相互獨(dú)立。本文的陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差選取8dB。

2.3 切換

　　WCDMA的切換為軟切換，而HSDPA的切換為硬切換。本次仿真中，HSDPA的切換有以下特點(diǎn)：

　　(1)每次抓拍每個(gè)扇區(qū)最多只有一個(gè)用戶(hù)。因?yàn)殪o態(tài)仿真無(wú)法包含時(shí)間概念。

　　(2)假定基于maxC/I調(diào)度原則，只有信噪比最大的當(dāng)前在被服務(wù)。

2.4 功率控制

　　對(duì)WCDMA進(jìn)行功率控制，而不對(duì)HSDPA做功率控制。

3 仿真機(jī)制
　　
　　蒙特卡羅法是通過(guò)對(duì)隨機(jī)變量或隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行獨(dú)立多次的抽樣，根據(jù)抽樣結(jié)果統(tǒng)計(jì)該隨機(jī)變量或隨機(jī)過(guò)程的統(tǒng)計(jì)特性的一種方法。整個(gè)仿真系統(tǒng)的基本過(guò)程就是由Snapshot構(gòu)成的，采用Monte Carlo仿真方法，經(jīng)過(guò)充分多的Snapshot過(guò)程(對(duì)于話(huà)音業(yè)務(wù)需要104次，對(duì)于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需要105次)，我們就可得到系統(tǒng)容量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

　　我們假定WCDMA與HSDPA系統(tǒng)共站，則可將總功率分為三個(gè)部分：公共信道，WCDMA用戶(hù)，HSDPA用戶(hù)。具體的仿真過(guò)程如下：

　　(1)輸入必要的系統(tǒng)初始化參數(shù)和要求；

　　(2)對(duì)于單系統(tǒng)仿真，給定一個(gè)預(yù)定義的單系統(tǒng)容量值Nsingle，Nsingle是系統(tǒng)內(nèi)所有扇區(qū)內(nèi)的用戶(hù)數(shù)目的總和；對(duì)于HSDPA系統(tǒng)，Nsingle=48。

　　(3)根據(jù)這個(gè)預(yù)定義的單系統(tǒng)容量值，啟動(dòng)一次仿真，包括充分多的Snapshot，例如話(huà)音業(yè)務(wù)104次，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)105次，在每一次Snapshot過(guò)程中，進(jìn)行如下操作：

　　a)首先將Nsingle個(gè)用戶(hù)按照均勻分布的方式分配到各個(gè)扇區(qū)中，然后在每一個(gè)扇區(qū)內(nèi)隨機(jī)生成各個(gè)用戶(hù)的位置；

　　b)計(jì)算移動(dòng)臺(tái)和可能通信的基站/扇區(qū)之間鏈路的路徑損耗，再添加對(duì)數(shù)正態(tài)分布的陰影衰落

　　c)選擇通信質(zhì)量最好的鏈路所屬的扇區(qū)作為移動(dòng)臺(tái)的邏輯歸屬扇區(qū)；

　　d)初始化所有鏈路對(duì)應(yīng)的發(fā)送功率、接收功率和干擾功率以及基站端的總發(fā)射或總接收功率；

　　e)對(duì)所有移動(dòng)臺(tái)同時(shí)進(jìn)行功率控制，功控每迭代一步，根據(jù)改變之后的鏈路發(fā)射功率更新相應(yīng)的接收功率和干擾功率；

　　f)退出功率控制環(huán)后，統(tǒng)計(jì)各條鏈路的載干比，更新移動(dòng)臺(tái)的狀態(tài)，依據(jù)6dB噪聲抬升準(zhǔn)則或5%準(zhǔn)則記錄總干擾功率或Outage/Satisfied用戶(hù)數(shù)目；

　　(4)上述第(4)步中的Snapshot過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，根據(jù)上下行容量準(zhǔn)則，判定這一系統(tǒng)容量Nsingle是否滿(mǎn)足，如果符合準(zhǔn)則，則轉(zhuǎn)(5)，否則增加或減少Nsingle，轉(zhuǎn)(3)重新開(kāi)始的仿真過(guò)程。

　　(5)對(duì)于另外一個(gè)系統(tǒng)，重復(fù)(3)、(4)的過(guò)程，直至得到兩個(gè)單系統(tǒng)的系統(tǒng)容量；

　　(6)對(duì)于雙系統(tǒng)仿真，給定兩個(gè)預(yù)定義或已計(jì)算得到的單系統(tǒng)容量值：?jiǎn)?dòng)一次仿真，該仿真包括充分多的Snapshot；

　　(7)加入干擾系統(tǒng)進(jìn)行仿真，根據(jù)單系統(tǒng)容量值 ，進(jìn)行第(3)步的操作；

　　(8)根據(jù)雙系統(tǒng)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

4 仿真結(jié)果

　　基本參數(shù)設(shè)定如表1所示：

　　表1 仿真基本參數(shù)設(shè)定

　　仿真結(jié)果分析：WCDMA單系統(tǒng)仿真時(shí)，上行鏈路根據(jù)6dB抬升準(zhǔn)則，得到用戶(hù)數(shù)為1298，下行根據(jù)5%溢出率準(zhǔn)則，得到用戶(hù)數(shù)為2400。

　　在HSDPA單系統(tǒng)仿真中，吞吐量是作為評(píng)估HSDPA性能的指標(biāo)，它只用來(lái)評(píng)估下行業(yè)務(wù)。在仿真中得出的宏蜂窩環(huán)境的系統(tǒng)平均吞吐量約為16Mbps。

　　在雙系統(tǒng)仿真中，我們把HSDPA的用戶(hù)加入到WCDMA系統(tǒng)中去，再根據(jù)5%準(zhǔn)則重新調(diào)整WCDMA的用戶(hù)數(shù)，并重新計(jì)算了HSDPA的平均吞吐量和WCDMA的容量損失。圖2是雙系統(tǒng)仿真的仿真結(jié)果，顯示了HSDPA吞吐量與WCDMA系統(tǒng)容量損失的對(duì)應(yīng)關(guān)系?？梢钥闯觯陔p系統(tǒng)共存情況下，當(dāng)WCDMA系統(tǒng)容量損失為30%左右的時(shí)候，我們可以的到折中的，比較滿(mǎn)意的結(jié)果。當(dāng)WCDMA系統(tǒng)容量損失為30%~50%之間時(shí)，HSDPA吞吐量增長(zhǎng)緩慢，得不償失。當(dāng)WCDMA系統(tǒng)容量損失超過(guò)50%（對(duì)W系統(tǒng)來(lái)說(shuō)不能接受）后，HSDPA吞吐量快速增長(zhǎng)。

　　圖3和圖4給出了W用戶(hù)為560，3km/h的運(yùn)動(dòng)模型情況下，不同HSDPA小區(qū)半徑r情況下的HSDPA吞吐量。X軸代表不同調(diào)制方式的頻譜利用率。1和1.5為QPSK調(diào)制的頻譜利用率，2.9為16QAM調(diào)制，4.3為64QAM。從圖可以得出，在仿真中QPSK是最主要的調(diào)制方式，這也與實(shí)際環(huán)境相似。

　　當(dāng)HSDPA小區(qū)半徑r變?yōu)樵瓉?lái)的一半0.5R,但站址不變時(shí)，也就相當(dāng)于移動(dòng)臺(tái)距離HSDPA基站>0.5R時(shí)，不予接入H系統(tǒng)。此時(shí)與r=R相比，16QAM的調(diào)制方式明顯增加，也顯然會(huì)帶來(lái)吞吐量的提高。采取這種策略會(huì)得到更好的效果。這說(shuō)明HSDPA系統(tǒng)比較適合覆蓋半徑較小的區(qū)域，比如用于微蜂窩或者混合蜂窩系統(tǒng)。