WCDMA与HSDPA共站时系统的容量分析

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        【摘要】文章描述了当HSDPA与WCDMA双系统共存时,WCDMA的容量损失与HSDPA的吞吐量变化情况。文章进行了静态蒙特卡罗系统级仿真,给出了两个系统的容量分析以及系统间干扰分析,得到了包括不同的HSDPA用户数所对应的HSDPA数据吞吐量以及WCDMA系统容量等一系列数据。

        【关键字】WCDMA HSDPA 蒙特卡罗 吞吐量 容量损失

1概述

        高速下行分组接入HSDPA(HighSpeedDownlinkPackageAccess)是第三代移动通信中非常重要的增强技术,特别适用于多媒体、远程会议、Internet等大量下载信息的业务。HSDPA是在R5协议中为了满足上/下行数据业务不对称的需求而提出的,它可以在不改变已经建设的WCDMA网络结构的情况下,把下行数据业务速率提高到10Mb/s。该技术是WCDMA网络建设后期提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。为了达到提高下行分组数据速率和减少时延的目的,HSDPA主要采用了自适应的编码和调制(AMCadaptivemodulationandcoding)、混合自动重传(HARQHybridARQ)和快速分组调度等技术。其实,上述三种技术都属于链路自适应技术,也可以看成是WCDMA技术中可变扩频技术和功率控制技术的进一步提升。

        由于在系统级仿真中我们侧重于容量分析以及系统间干扰分析,我们采用的是静态系统级仿真方法。首先我们会分别对WCDMA和HSDPA的单系统进行仿真,以获得WCDMA独立运行时的系统容量以及HSDPA系统独立运行时的数据吞吐量。然后我们运行双系统仿真,研究这两个系统共存时的相互干扰情况以及共存时的系统容量和吞吐量。单系统和双系统仿真均在宏蜂窝环境下进行。建立的系统模型及其参数参照了3GPP规范中的TR25.950、25.848、25.996、25.942,及UMTS30.03等协议。

2系统建模

        静态系统仿真既可以进行单个无线网络环境的仿真,也可以进行多个移动网络的仿真。主要采用MonteCarlo统计方法,系统生成随机分布于一定地理区域的用户,然后保持这些用户位置固定不变,进行切换和功率控制。下面我们从小区拓扑、信道模型、切换、功率控制等五个方面来说明系统建模方法。

2.1小区拓扑

        网络拓扑为宏蜂窝,每个小区采用3扇区,采用48扇区/16个小区结构,扇区半径为577米,小区半径为1000米,如图1所示。相邻扇区干扰情况,只考虑相邻第一层基站所有的扇区和第二层基站的主方向相对扇区的干扰,其它扇区的干扰忽略不计。这也是根据实际情况所做的模拟。


图1 采用Wrap技术的宏蜂窝网络结构

2.2 信道建模

        路径损耗的计算方面,我们选用车载传播模型。车载传播模型主要应用于一个天线高于平均屋顶高度,而另外一个天线低于平均屋顶高度的情况。其传播模型计算公式为:
L=40×(1-4×10-3×hb)lg(d)-18lg(hb)+21lg(fc)+80+LogF (1)

        其中d是间隔距离(km),fc是载波频率(MHz),hb是基站天线高度(m),以平均屋顶高度为基准,LogF是标准偏差为10dB的对数正态分布。该模型适用于城市或郊区链路间隔距离从几百米到数公里的情况。

  用户和基站之间的传播损耗除了路径损耗外,还包括阴影衰落和快衰落。由于快衰变化很快,对系统的平均性能影响不大,所以静态仿真一般不考虑快衰落对系统的影响。而阴影衰落通常使用正态分布的随机变量来进行模拟,而且每个用户与每个扇区之间的阴影衰落相互独立。本文的阴影衰落标准差选取8dB。

2.3 切换

  WCDMA的切换为软切换,而HSDPA的切换为硬切换。本次仿真中,HSDPA的切换有以下特点:

  (1)每次抓拍每个扇区最多只有一个用户。因为静态仿真无法包含时间概念。

  (2)假定基于maxC/I调度原则,只有信噪比最大的当前在被服务。

2.4 功率控制

  对WCDMA进行功率控制,而不对HSDPA做功率控制。

3 仿真机制
  
  蒙特卡罗法是通过对随机变量或随机过程进行独立多次的抽样,根据抽样结果统计该随机变量或随机过程的统计特性的一种方法。整个仿真系统的基本过程就是由Snapshot构成的,采用Monte Carlo仿真方法,经过充分多的Snapshot过程(对于话音业务需要104次,对于数据业务需要105次),我们就可得到系统容量的统计数据。

  我们假定WCDMA与HSDPA系统共站,则可将总功率分为三个部分:公共信道,WCDMA用户,HSDPA用户。具体的仿真过程如下:

  (1)输入必要的系统初始化参数和要求;

  (2)对于单系统仿真,给定一个预定义的单系统容量值Nsingle,Nsingle是系统内所有扇区内的用户数目的总和;对于HSDPA系统,Nsingle=48。

  (3)根据这个预定义的单系统容量值,启动一次仿真,包括充分多的Snapshot,例如话音业务104次,数据业务105次,在每一次Snapshot过程中,进行如下操作:

  a)首先将Nsingle个用户按照均匀分布的方式分配到各个扇区中,然后在每一个扇区内随机生成各个用户的位置;

  b)计算移动台和可能通信的基站/扇区之间链路的路径损耗,再添加对数正态分布的阴影衰落

  c)选择通信质量最好的链路所属的扇区作为移动台的逻辑归属扇区;

  d)初始化所有链路对应的发送功率、接收功率和干扰功率以及基站端的总发射或总接收功率;

  e)对所有移动台同时进行功率控制,功控每迭代一步,根据改变之后的链路发射功率更新相应的接收功率和干扰功率;

  f)退出功率控制环后,统计各条链路的载干比,更新移动台的状态,依据6dB噪声抬升准则或5%准则记录总干扰功率或Outage/Satisfied用户数目;

  (4)上述第(4)步中的Snapshot过程反复进行,根据上下行容量准则,判定这一系统容量Nsingle是否满足,如果符合准则,则转(5),否则增加或减少Nsingle,转(3)重新开始的仿真过程。

  (5)对于另外一个系统,重复(3)、(4)的过程,直至得到两个单系统的系统容量;

  (6)对于双系统仿真,给定两个预定义或已计算得到的单系统容量值:启动一次仿真,该仿真包括充分多的Snapshot;

  (7)加入干扰系统进行仿真,根据单系统容量值 ,进行第(3)步的操作;

  (8)根据双系统仿真结果进行分析。

4 仿真结果

  基本参数设定如表1所示:

  表1 仿真基本参数设定


  仿真结果分析:WCDMA单系统仿真时,上行链路根据6dB抬升准则,得到用户数为1298,下行根据5%溢出率准则,得到用户数为2400。

  在HSDPA单系统仿真中,吞吐量是作为评估HSDPA性能的指标,它只用来评估下行业务。在仿真中得出的宏蜂窝环境的系统平均吞吐量约为16Mbps。

  在双系统仿真中,我们把HSDPA的用户加入到WCDMA系统中去,再根据5%准则重新调整WCDMA的用户数,并重新计算了HSDPA的平均吞吐量和WCDMA的容量损失。图2是双系统仿真的仿真结果,显示了HSDPA吞吐量与WCDMA系统容量损失的对应关系。可以看出,在双系统共存情况下,当WCDMA系统容量损失为30%左右的时候,我们可以的到折中的,比较满意的结果。当WCDMA系统容量损失为30%~50%之间时,HSDPA吞吐量增长缓慢,得不偿失。当WCDMA系统容量损失超过50%(对W系统来说不能接受)后,HSDPA吞吐量快速增长。


图2 宏蜂窝容量损失与HSDPA吞吐量关系图

  图3和图4给出了W用户为560,3km/h的运动模型情况下,不同HSDPA小区半径r情况下的HSDPA吞吐量。X轴代表不同调制方式的频谱利用率。1和1.5为QPSK调制的频谱利用率,2.9为16QAM调制,4.3为64QAM。从图可以得出,在仿真中QPSK是最主要的调制方式,这也与实际环境相似。

  当HSDPA小区半径r变为原来的一半0.5R,但站址不变时,也就相当于移动台距离HSDPA基站>0.5R时,不予接入H系统。此时与r=R相比,16QAM的调制方式明显增加,也显然会带来吞吐量的提高。采取这种策略会得到更好的效果。这说明HSDPA系统比较适合覆盖半径较小的区域,比如用于微蜂窝或者混合蜂窝系统。