WCDMA與HSDPA共站時系統的容量分析

【關鍵字】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)是第三代移動通信中非常重要的增強技術，特別適用于多媒體、遠程會議、Internet等大量下載信息的業務。HSDPA是在R5協議中為了滿足上／下行數據業務不對稱的需求而提出的，它可以在不改變已經建設的WCDMA網絡結構的情況下，把下行數據業務速率提高到10Mb/s。該技術是WCDMA網絡建設后期提高下行容量和數據業務速率的一種重要技術。為了達到提高下行分組數據速率和減少時延的目的，HSDPA主要采用了自適應的編碼和調制（AMCadaptivemodulationandcoding）、混合自動重傳（HARQHybridARQ）和快速分組調度等技術。其實，上述三種技術都屬于鏈路自適應技術，也可以看成是WCDMA技術中可變擴頻技術和功率控制技術的進一步提升。

由于在系統級仿真中我們側重于容量分析以及系統間干擾分析，我們采用的是靜態系統級仿真方法。首先我們會分別對WCDMA和HSDPA的單系統進行仿真，以獲得WCDMA獨立運行時的系統容量以及HSDPA系統獨立運行時的數據吞吐量。然后我們運行雙系統仿真，研究這兩個系統共存時的相互干擾情況以及共存時的系統容量和吞吐量。單系統和雙系統仿真均在宏蜂窩環境下進行。建立的系統模型及其參數參照了3GPP規范中的TR25.950、25.848、25.996、25.942，及UMTS30.03等協議。

2系統建模

靜態系統仿真既可以進行單個無線網絡環境的仿真，也可以進行多個移動網絡的仿真。主要采用MonteCarlo統計方法，系統生成隨機分布于一定地理區域的用戶，然后保持這些用戶位置固定不變，進行切換和功率控制。下面我們從小區拓撲、信道模型、切換、功率控制等五個方面來說明系統建模方法。

2.1小區拓撲

網絡拓撲為宏蜂窩，每個小區采用3扇區，采用48扇區/16個小區結構，扇區半徑為577米，小區半徑為1000米，如圖1所示。相鄰扇區干擾情況，只考慮相鄰第一層基站所有的扇區和第二層基站的主方向相對扇區的干擾，其它扇區的干擾忽略不計。這也是根據實際情況所做的模擬。

2.2 信道建模

路徑損耗的計算方面，我們選用車載傳播模型。車載傳播模型主要應用于一個天線高于平均屋頂高度，而另外一個天線低于平均屋頂高度的情況。其傳播模型計算公式為：
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是基站天線高度(m)，以平均屋頂高度為基準，LogF是標準偏差為10dB的對數正態分布。該模型適用于城市或郊區鏈路間隔距離從幾百米到數公里的情況。

　　用戶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，對系統的平均性能影響不大，所以靜態仿真一般不考慮快衰落對系統的影響。而陰影衰落通常使用正態分布的隨機變量來進行模擬，而且每個用戶與每個扇區之間的陰影衰落相互獨立。本文的陰影衰落標準差選取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：

　　(1)每次抓拍每個扇區最多只有一個用戶。因為靜態仿真無法包含時間概念。

　　(2)假定基于maxC/I調度原則，只有信噪比最大的當前在被服務。

2.4 功率控制

　　對WCDMA進行功率控制，而不對HSDPA做功率控制。

3 仿真機制
　　
　　蒙特卡羅法是通過對隨機變量或隨機過程進行獨立多次的抽樣，根據抽樣結果統計該隨機變量或隨機過程的統計特性的一種方法。整個仿真系統的基本過程就是由Snapshot構成的，采用Monte Carlo仿真方法，經過充分多的Snapshot過程(對于話音業務需要104次，對于數據業務需要105次)，我們就可得到系統容量的統計數據。

　　我們假定WCDMA與HSDPA系統共站，則可將總功率分為三個部分：公共信道，WCDMA用戶，HSDPA用戶。具體的仿真過程如下：

　　(1)輸入必要的系統初始化參數和要求；

　　(2)對于單系統仿真，給定一個預定義的單系統容量值Nsingle，Nsingle是系統內所有扇區內的用戶數目的總和；對于HSDPA系統，Nsingle=48。

　　(3)根據這個預定義的單系統容量值，啟動一次仿真，包括充分多的Snapshot，例如話音業務104次，數據業務105次，在每一次Snapshot過程中，進行如下操作：

　　a)首先將Nsingle個用戶按照均勻分布的方式分配到各個扇區中，然后在每一個扇區內隨機生成各個用戶的位置；

　　b)計算移動臺和可能通信的基站/扇區之間鏈路的路徑損耗，再添加對數正態分布的陰影衰落

　　c)選擇通信質量最好的鏈路所屬的扇區作為移動臺的邏輯歸屬扇區；

　　d)初始化所有鏈路對應的發送功率、接收功率和干擾功率以及基站端的總發射或總接收功率；

　　e)對所有移動臺同時進行功率控制，功控每迭代一步，根據改變之后的鏈路發射功率更新相應的接收功率和干擾功率；

　　f)退出功率控制環后，統計各條鏈路的載干比，更新移動臺的狀態，依據6dB噪聲抬升準則或5%準則記錄總干擾功率或Outage/Satisfied用戶數目；

　　(4)上述第(4)步中的Snapshot過程反復進行，根據上下行容量準則，判定這一系統容量Nsingle是否滿足，如果符合準則，則轉(5)，否則增加或減少Nsingle，轉(3)重新開始的仿真過程。

　　(5)對于另外一個系統，重復(3)、(4)的過程，直至得到兩個單系統的系統容量；

　　(6)對于雙系統仿真，給定兩個預定義或已計算得到的單系統容量值：啟動一次仿真，該仿真包括充分多的Snapshot；

　　(7)加入干擾系統進行仿真，根據單系統容量值 ，進行第(3)步的操作；

　　(8)根據雙系統仿真結果進行分析。

4 仿真結果

　　基本參數設定如表1所示：

　　表1 仿真基本參數設定

　　仿真結果分析：WCDMA單系統仿真時，上行鏈路根據6dB抬升準則，得到用戶數為1298，下行根據5%溢出率準則，得到用戶數為2400。

　　在HSDPA單系統仿真中，吞吐量是作為評估HSDPA性能的指標，它只用來評估下行業務。在仿真中得出的宏蜂窩環境的系統平均吞吐量約為16Mbps。

　　在雙系統仿真中，我們把HSDPA的用戶加入到WCDMA系統中去，再根據5%準則重新調整WCDMA的用戶數，并重新計算了HSDPA的平均吞吐量和WCDMA的容量損失。圖2是雙系統仿真的仿真結果，顯示了HSDPA吞吐量與WCDMA系統容量損失的對應關系。可以看出，在雙系統共存情況下，當WCDMA系統容量損失為30%左右的時候，我們可以的到折中的，比較滿意的結果。當WCDMA系統容量損失為30%~50%之間時，HSDPA吞吐量增長緩慢，得不償失。當WCDMA系統容量損失超過50%（對W系統來說不能接受）后，HSDPA吞吐量快速增長。

　　圖3和圖4給出了W用戶為560，3km/h的運動模型情況下，不同HSDPA小區半徑r情況下的HSDPA吞吐量。X軸代表不同調制方式的頻譜利用率。1和1.5為QPSK調制的頻譜利用率，2.9為16QAM調制，4.3為64QAM。從圖可以得出，在仿真中QPSK是最主要的調制方式，這也與實際環境相似。

　　當HSDPA小區半徑r變為原來的一半0.5R,但站址不變時，也就相當于移動臺距離HSDPA基站>0.5R時，不予接入H系統。此時與r=R相比，16QAM的調制方式明顯增加，也顯然會帶來吞吐量的提高。采取這種策略會得到更好的效果。這說明HSDPA系統比較適合覆蓋半徑較小的區域，比如用于微蜂窩或者混合蜂窩系統。