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摘要：该文在分析TD-SCDMA系统无线资源管理机制的基础上，对该系统的动态信道分配算法进行研究。首先对现有的TDD-CDMA系统中的各种动态信道分配算法进行分类总结和分析比较，并在此基础了给出针对TD-SCDMA系统的慢速信道分配算法、快速信道分配算法以及考虑空间分布信息的信道分配方案，阐明了各自的特点和适用范围。研究了在TDD CDMA系统中如何进一步提高信道利用率的问题。
关键词：TDD/CDMA；动态信道分配；智能天线；时隙
中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)36-2591-03
Investigation of Dynamic Channel Allocation Technology in TDD/CDMA Systems
JIANG Lun, HUI Xiao-wei,WU Hong-rui
(Electronics and Information Engineering Department, Liaoning Technical University Liaoning, Huludao 125105,China)
Abstract: In this paper, we systematic discuss the dynamic channel assignment algorithms base on the TD-SCDMA system radio resource management strategy. We first summarize and compare the exiting dynamic channel assignment methods in TDD-CDMA system. Base on the TD-SCDMA system, the slow DCA algorithm, fast DCA algorithm and space distributing DCA algorithm are proposed,and their features and applicabilities are respectivelv illuminated. In this paper, the problem of how to improve the channel usability of TDD CDMA system is discussed.
Key words: TDD/CDMA; dynamic channel allocation；smart antenna；time slot
1 引言
目前，TD-SCDMA己经成为国际电联(ITU)采纳的第三代移动通信三个标准之一。TD-SCDMA系统是基于同步码分多址技术(SCDMA }，使用时分双工(TDD)方式的未来通信系统。该系统采用了联合检测、智能天线、上行同步、接力切换、动态信道分配等技术。
其中动态信道分配是TDD/CDMA系统中重要的研究领域之一。TD-SCDMA系统中的任何一条物理信道都是通过它的载频/时隙/扩频码的组合来标记的，采用动态分配信道（DCA)的方式将信道资源分配给用户。在DCA技术中，信道并不是固定地分给某个小区，而是被集中在一起进行分配。只要能提供足够的链路质量，任何小区都可以将空闲信道分给呼叫。在实际运行中，无线网络控制器(RNC)集中管理一些小区的可用资源，根据各个小区的网络性能参数、系统负荷情况和业务的QoS参数，动态地将信道分配给用户。因此,要充分发挥TDD技术的优势,关键在于其信道分配算法的有效性。
2 动态信道分配技术全过程
TD-SCDMA中的DCA可分为两个实施阶段，一个阶段是慢速DCA，指对小区的资源分配，包括对不同小区的时隙分配以及在上/下行之间的时隙分配和预先为各小区按照时隙优先级排列的时隙优先级列表。另一个阶段是快速DCA，快速DCA算法就是将时隙、扩频码、频率这些信道资源分配给具体不同业务呼叫的用户，并根据系统对已分配的信道资源进行调整或重新分配。整个动态信道分配过程见图1。
慢速DCA主要根据小区内业务不对称性的变化，动态地划分上下行时隙，使上下行时隙的比例和上下行业务负载的比例关系相匹配，以获得最佳的频谱效率。TD-SCDMA系统可以灵活地划分上下行时隙，从而提升系统容量，但是交叉时隙干扰较大时（即一个小区处于上行同时邻近小区处于下行传输的时隙），会导致系统容量损失。这就需要综合考虑业务量之比动态分配各个小区上下行的资源，产生最小呼损率，又要使系统的容量最大化。
图1 TD-SCDMA系统动态信道分配实现全过程
信道优先级排队算法是为接入控制算法做准备的，一般根据各时隙的干扰水平的不同来设置各时隙的优先级，当新呼叫到来时，通过查找时隙的优先级列表（上下行分开），按优先级从高到低的时隙顺序开始接入系统。
信道选择即为承载业务选择频率/时隙和码道。当用户终端申请一项业务或者需要进行切换时用户根据小区选定频率，然后根据信道优先级排队算法找到优先级最高的时隙，如果时隙的空余资源满足呼叫业务的资源要求，且通过了接纳控制过程，则接入此时隙;如果此时隙不满足资源要求，刚检测优先级次之的时隙;如果所有的时隙均不满足时，则触发资源整合过程。当频率、时隙都确定好后，就调用码分配算法进行扩频码的选择，扩频码的选择还要综合考虑扩频码的利用效率和本时隙已用扩频码之间的相关性，对于同频组网的系统还要考虑与相邻小区的同时隙上所用扩频码的相关性。
信道调整过程是指RNC根据承载业务的要求、终端的移动和干扰的变化等因素，在链路质量恶化、系统负荷过大，不满足用户业务服务质量的情况下，触发DCA算法执行信道调整过程，调整用户占用的时隙和码道，以均衡负荷、避免强干扰的出现、维持链路质量、减少掉话率，从而保证服务质量。
资源整合过程通过信道调整或压缩低优先级业务占用的信道等于段把可用的资源单元（RU）尽量集中在一个时隙，目的是提高系统的资源利用率、业务（尤其是高速率业务）接入成功率和切换成功率。
3动态信道分配技术研究现状
当前对TD-SCDMA系统中的DCA的算法多种多样，但多数算法都是围绕着以下几个研究关键问题进行：支持上下行不对称的多种业务；小区上/下行时隙比例的确定；合适地分配时隙，提高时隙的利用率；尽量地降低各种干扰，提高系统容量。为了解决以上问题，TD-SCDMA系统采用了包括慢速信道分配算法、快速信道分配算法以及考虑空间分布信息的信道分配方案三种分配方式。但每种方法都只是一种所谓的理想信道分配方案,只存在某种特定环境下,满足某种要求的最优信道分配方案。
3.1基于慢速DCA分配方式
慢速DCA主要的目的是根据业务量之比，提高系统容量利用率，降低交叉时隙干扰。一种方法是采用小区簇分配方法避免交叉时隙干扰[1]，每一簇推选一个业务量最高的小区为“热点小区”，热点小区根据自身的业务状况调整上/下行比例，整个簇采用和热点小区相同的上/下行比例分配。即使存在交叉时隙干扰，那么也发生在话务量较小的边缘小区，不会太大的影响系统性能。文献[1]仿真表明小区簇个数为7，系统仿真性能最佳。另一種方式所有小区上/下行时隙分配都不同的DCA[2]。每个小区都可以根据自身的业务情况来改变上/下行时隙的分配比例，使单小区的性能理论上可能达到最大。这种方法明显优于前面相同上/下行时隙分配的方案，但是由于引入了交叉时隙的干扰，系统的总容量达不到最佳。
文献[3]结合了热点小区方案和非热点小区方案各自的优点,充分考虑了交叉时隙干扰和系统单向时隙资源受限问题,找到了一个非热点小区是否服从热点小区时隙比例分配的不等式条件。基于此条件，提出了一种改进的热点小区慢速DCA方案，在满足不等式条件时采用热点小区方案，如果不满足不等式，采用无热点小区方案。由此，可以保证在任何业务场景的情况下都可以得到较高的系统资源利用率。
3.2基于快速DCA分配方式
对于快速DCA，主要的方法有时隙优先权法[4]，可变边界法[5]等。时隙优先权法是按照各时隙干扰值的大小进行优先级排序，按照业务要求分配资源，并且优先级列表应能够连续地进行更新。但由于3G网络支持的各种业务有不同的QoS要求，仅仅依靠时隙所受干扰大小还不能够很好地反映时隙所能提供的通信质量。一个改进方案是按时隙内承载的不同业务的QoS要求，计算时隙内所能容忍的干扰极限，把这个干扰极限称作干扰容量，减去时隙现在所受的干扰得到剩余干扰容量，按照剩余干扰容量的大小为时隙赋不同的优先权，按优先权的大小对时隙进行排队。此种方案能更准确的提供通信链路质量。
图2 小区间的交叉时隙干扰
移动边界策略和资源预留策略是在混合业务固定资源分配的算法之上，动态的调整用于语音业务和用于数据业务的资源单元数在传输过程中，如果语音业务信道有空闲而数据业务信道满负荷时，将语音信道借用给数据信道，在新的语音业务到达时还给语音业务，从而提高资源利用率，改善系统性能。另外，在不同业务资源分配时，考虑用户所占用的资源如果在一个时隙下能够得到满足尽量不占用多时隙资源的原则，需要为具有高优先级的业务预留资源。分配码资源也采用预留的方法，而不把某时隙下的资源全预分配给相同业务。从而更灵活的分配系统资源，提高资源利用率。
3.3 考虑空间分布信息的信道分配算法
TD-SCDMA是基于智能天线技术而设计的，对智能天线技术与信道分配算法结合的研究是TD-SCDMA系统的特色，也是我们将来研究的重点。采用智能天线进行波束赋形后，只有来自主瓣和较大旁瓣方向的干扰才会对用户产生干扰，因此信道可以进行复用。
文献[6]中介绍了一种基于均匀空间分布的快速DCA算法，改进了传统DCA方法，它不但要考虑干扰的大小，还要考虑同时隙中用户空间分布的情况。DCA在进行信道分配时，能够尽量地把相同方向上的用户分散到不同的时隙中，使得在一个时隙内的用户分布在不同的方向上，这样可以充分智能天线的空分功效，使多址干扰降到最小。具体算法是首先通过干扰测量，动态的确立几个具有相同或相似干扰强度的时隙，然后将这几个时隙按方位角划分，如果对4个时隙进行划分，当有新用户提出信道需求时，首先测量用户方位，然后按照时隙的方位划分分配相应的时隙信道。例如,4个时隙有32个用户接入，如果系统不采用这种DCA方法，用户随机接入，同一时隙码分用户的分布也是随机的；采用这种DCA方法后，同时隙用户的空间分布将得到明显改善。此种改进方法，无论实际组网还是仿真验证，系统链路性能都有一定的改善
另外，基于智能天线的交叉时隙分配法可以提高信道资源利用率。文献[7]中基于小区分区的慢速DCA方案利用智能天线的定位作用，将小区分为内小区和外小区两层区域，只将交叉时隙分配给靠近基站的内小区用户，外小区的业务将不再受交叉时隙的干扰，从而减小系统中的交叉时隙干扰，提高系统容量。根据传播损耗和交叉时隙占总时隙比例分区的方法，祢补了由BS-BS,MS-MS交叉时隙干扰所带来的时隙资源损失。但相对于BS-BS，MS-MS交叉时隙干扰发生概率小（只有在业务量大，小区业务差别较大时发生），传播损耗大，移动台发射功率小等原因，MS-MS交叉时隙干扰容易克服；而基站发射功率大，基站间的无线传播环境较好,路径损耗指数较小,那么需要设置的隔离距离达到几十公里,才能保证基
站间干扰在可接受的范围内,这显然是不实际的。文献[8]利用智能天线特点,可以巧妙地解决相邻基站间干扰过大的问题,通过合理设置具有基站间干扰的两个小区的时隙优先级，避免把交叉时隙分配给处于两基站连线附近的移动台。
4 结束语
总之，TD-SCDMA系统的动态信道分配以及整个无线资源管理的算法研究是第三代移动通信系统中的关键技术。目前提出的任何一种解决方案总是不同矛盾折中的结果，在实际的组网中到底采用何种方案才是合理、可行，要根据具体的情况而定。而且现在关于TDD模式的无线资源管理的研究相对于FDD模式来说还很少，要给出TDD模式下无线资源管理算法完备的解决方案，还需要不断深入研究，另外如何在优化分配方案的是同时，提高算法的执行效率，还是进一步研究的主要课题。随着3G移动通信系统的不断发展，TD-SCDMA标准的发牌和商用，无线资源管理必将获得更广泛的关注和更深入的发展。
参考文献
[1] T Kriengchaiyapruk, et al. Adaptive switching point allocation in TD/CDMA systems. Proc, VTC 2002:1456-1460.
[2] 毛磊,谢永斌,李楠.TD-SCDMA系统中的慢速动态信道分配技术.数据通信.2004 (1):11-13.
[3] 殷传涛,范平志.TD-SCMDA系统动态信道资源分配研究.硕士学位论文.西南交通大学.2006.
[4] 刘洋,马军.TD-SCDMA系统中的动态信道分配.无线电工程.2002 (10):38-41,45.
[5] Y. Cao, et al. Dynamic channel allocation in TD-SCDMA. Proc, ICCT 2003:1129-1132.
[6] 昆仑,李世鹤,张中兆.一种对TD-SCDMA系统动态信道分配方法的改进.通信技术.2003(5) :50-51,54.
[7] S. H. Wie, et al. Time slot allocation scheme based on region division in CDMA/TDD systems. Proc. VTC 2001-Spring:2445-2449.
[8] 曹晏波,周彬,李承恕.采用交叉時隙定位提高CDMA/TDD系统容量.铁道学报.2003 (2):52-56.
关键词：TDD/CDMA；动态信道分配；智能天线；时隙
中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2008)36-2591-03
Investigation of Dynamic Channel Allocation Technology in TDD/CDMA Systems
JIANG Lun, HUI Xiao-wei,WU Hong-rui
(Electronics and Information Engineering Department, Liaoning Technical University Liaoning, Huludao 125105,China)
Abstract: In this paper, we systematic discuss the dynamic channel assignment algorithms base on the TD-SCDMA system radio resource management strategy. We first summarize and compare the exiting dynamic channel assignment methods in TDD-CDMA system. Base on the TD-SCDMA system, the slow DCA algorithm, fast DCA algorithm and space distributing DCA algorithm are proposed,and their features and applicabilities are respectivelv illuminated. In this paper, the problem of how to improve the channel usability of TDD CDMA system is discussed.
Key words: TDD/CDMA; dynamic channel allocation；smart antenna；time slot
1 引言
目前，TD-SCDMA己经成为国际电联(ITU)采纳的第三代移动通信三个标准之一。TD-SCDMA系统是基于同步码分多址技术(SCDMA }，使用时分双工(TDD)方式的未来通信系统。该系统采用了联合检测、智能天线、上行同步、接力切换、动态信道分配等技术。
其中动态信道分配是TDD/CDMA系统中重要的研究领域之一。TD-SCDMA系统中的任何一条物理信道都是通过它的载频/时隙/扩频码的组合来标记的，采用动态分配信道（DCA)的方式将信道资源分配给用户。在DCA技术中，信道并不是固定地分给某个小区，而是被集中在一起进行分配。只要能提供足够的链路质量，任何小区都可以将空闲信道分给呼叫。在实际运行中，无线网络控制器(RNC)集中管理一些小区的可用资源，根据各个小区的网络性能参数、系统负荷情况和业务的QoS参数，动态地将信道分配给用户。因此,要充分发挥TDD技术的优势,关键在于其信道分配算法的有效性。
2 动态信道分配技术全过程
TD-SCDMA中的DCA可分为两个实施阶段，一个阶段是慢速DCA，指对小区的资源分配，包括对不同小区的时隙分配以及在上/下行之间的时隙分配和预先为各小区按照时隙优先级排列的时隙优先级列表。另一个阶段是快速DCA，快速DCA算法就是将时隙、扩频码、频率这些信道资源分配给具体不同业务呼叫的用户，并根据系统对已分配的信道资源进行调整或重新分配。整个动态信道分配过程见图1。
慢速DCA主要根据小区内业务不对称性的变化，动态地划分上下行时隙，使上下行时隙的比例和上下行业务负载的比例关系相匹配，以获得最佳的频谱效率。TD-SCDMA系统可以灵活地划分上下行时隙，从而提升系统容量，但是交叉时隙干扰较大时（即一个小区处于上行同时邻近小区处于下行传输的时隙），会导致系统容量损失。这就需要综合考虑业务量之比动态分配各个小区上下行的资源，产生最小呼损率，又要使系统的容量最大化。
图1 TD-SCDMA系统动态信道分配实现全过程
信道优先级排队算法是为接入控制算法做准备的，一般根据各时隙的干扰水平的不同来设置各时隙的优先级，当新呼叫到来时，通过查找时隙的优先级列表（上下行分开），按优先级从高到低的时隙顺序开始接入系统。
信道选择即为承载业务选择频率/时隙和码道。当用户终端申请一项业务或者需要进行切换时用户根据小区选定频率，然后根据信道优先级排队算法找到优先级最高的时隙，如果时隙的空余资源满足呼叫业务的资源要求，且通过了接纳控制过程，则接入此时隙;如果此时隙不满足资源要求，刚检测优先级次之的时隙;如果所有的时隙均不满足时，则触发资源整合过程。当频率、时隙都确定好后，就调用码分配算法进行扩频码的选择，扩频码的选择还要综合考虑扩频码的利用效率和本时隙已用扩频码之间的相关性，对于同频组网的系统还要考虑与相邻小区的同时隙上所用扩频码的相关性。
信道调整过程是指RNC根据承载业务的要求、终端的移动和干扰的变化等因素，在链路质量恶化、系统负荷过大，不满足用户业务服务质量的情况下，触发DCA算法执行信道调整过程，调整用户占用的时隙和码道，以均衡负荷、避免强干扰的出现、维持链路质量、减少掉话率，从而保证服务质量。
资源整合过程通过信道调整或压缩低优先级业务占用的信道等于段把可用的资源单元（RU）尽量集中在一个时隙，目的是提高系统的资源利用率、业务（尤其是高速率业务）接入成功率和切换成功率。
3动态信道分配技术研究现状
当前对TD-SCDMA系统中的DCA的算法多种多样，但多数算法都是围绕着以下几个研究关键问题进行：支持上下行不对称的多种业务；小区上/下行时隙比例的确定；合适地分配时隙，提高时隙的利用率；尽量地降低各种干扰，提高系统容量。为了解决以上问题，TD-SCDMA系统采用了包括慢速信道分配算法、快速信道分配算法以及考虑空间分布信息的信道分配方案三种分配方式。但每种方法都只是一种所谓的理想信道分配方案,只存在某种特定环境下,满足某种要求的最优信道分配方案。
3.1基于慢速DCA分配方式
慢速DCA主要的目的是根据业务量之比，提高系统容量利用率，降低交叉时隙干扰。一种方法是采用小区簇分配方法避免交叉时隙干扰[1]，每一簇推选一个业务量最高的小区为“热点小区”，热点小区根据自身的业务状况调整上/下行比例，整个簇采用和热点小区相同的上/下行比例分配。即使存在交叉时隙干扰，那么也发生在话务量较小的边缘小区，不会太大的影响系统性能。文献[1]仿真表明小区簇个数为7，系统仿真性能最佳。另一種方式所有小区上/下行时隙分配都不同的DCA[2]。每个小区都可以根据自身的业务情况来改变上/下行时隙的分配比例，使单小区的性能理论上可能达到最大。这种方法明显优于前面相同上/下行时隙分配的方案，但是由于引入了交叉时隙的干扰，系统的总容量达不到最佳。
文献[3]结合了热点小区方案和非热点小区方案各自的优点,充分考虑了交叉时隙干扰和系统单向时隙资源受限问题,找到了一个非热点小区是否服从热点小区时隙比例分配的不等式条件。基于此条件，提出了一种改进的热点小区慢速DCA方案，在满足不等式条件时采用热点小区方案，如果不满足不等式，采用无热点小区方案。由此，可以保证在任何业务场景的情况下都可以得到较高的系统资源利用率。
3.2基于快速DCA分配方式
对于快速DCA，主要的方法有时隙优先权法[4]，可变边界法[5]等。时隙优先权法是按照各时隙干扰值的大小进行优先级排序，按照业务要求分配资源，并且优先级列表应能够连续地进行更新。但由于3G网络支持的各种业务有不同的QoS要求，仅仅依靠时隙所受干扰大小还不能够很好地反映时隙所能提供的通信质量。一个改进方案是按时隙内承载的不同业务的QoS要求，计算时隙内所能容忍的干扰极限，把这个干扰极限称作干扰容量，减去时隙现在所受的干扰得到剩余干扰容量，按照剩余干扰容量的大小为时隙赋不同的优先权，按优先权的大小对时隙进行排队。此种方案能更准确的提供通信链路质量。
图2 小区间的交叉时隙干扰
移动边界策略和资源预留策略是在混合业务固定资源分配的算法之上，动态的调整用于语音业务和用于数据业务的资源单元数在传输过程中，如果语音业务信道有空闲而数据业务信道满负荷时，将语音信道借用给数据信道，在新的语音业务到达时还给语音业务，从而提高资源利用率，改善系统性能。另外，在不同业务资源分配时，考虑用户所占用的资源如果在一个时隙下能够得到满足尽量不占用多时隙资源的原则，需要为具有高优先级的业务预留资源。分配码资源也采用预留的方法，而不把某时隙下的资源全预分配给相同业务。从而更灵活的分配系统资源，提高资源利用率。
3.3 考虑空间分布信息的信道分配算法
TD-SCDMA是基于智能天线技术而设计的，对智能天线技术与信道分配算法结合的研究是TD-SCDMA系统的特色，也是我们将来研究的重点。采用智能天线进行波束赋形后，只有来自主瓣和较大旁瓣方向的干扰才会对用户产生干扰，因此信道可以进行复用。
文献[6]中介绍了一种基于均匀空间分布的快速DCA算法，改进了传统DCA方法，它不但要考虑干扰的大小，还要考虑同时隙中用户空间分布的情况。DCA在进行信道分配时，能够尽量地把相同方向上的用户分散到不同的时隙中，使得在一个时隙内的用户分布在不同的方向上，这样可以充分智能天线的空分功效，使多址干扰降到最小。具体算法是首先通过干扰测量，动态的确立几个具有相同或相似干扰强度的时隙，然后将这几个时隙按方位角划分，如果对4个时隙进行划分，当有新用户提出信道需求时，首先测量用户方位，然后按照时隙的方位划分分配相应的时隙信道。例如,4个时隙有32个用户接入，如果系统不采用这种DCA方法，用户随机接入，同一时隙码分用户的分布也是随机的；采用这种DCA方法后，同时隙用户的空间分布将得到明显改善。此种改进方法，无论实际组网还是仿真验证，系统链路性能都有一定的改善
另外，基于智能天线的交叉时隙分配法可以提高信道资源利用率。文献[7]中基于小区分区的慢速DCA方案利用智能天线的定位作用，将小区分为内小区和外小区两层区域，只将交叉时隙分配给靠近基站的内小区用户，外小区的业务将不再受交叉时隙的干扰，从而减小系统中的交叉时隙干扰，提高系统容量。根据传播损耗和交叉时隙占总时隙比例分区的方法，祢补了由BS-BS,MS-MS交叉时隙干扰所带来的时隙资源损失。但相对于BS-BS，MS-MS交叉时隙干扰发生概率小（只有在业务量大，小区业务差别较大时发生），传播损耗大，移动台发射功率小等原因，MS-MS交叉时隙干扰容易克服；而基站发射功率大，基站间的无线传播环境较好,路径损耗指数较小,那么需要设置的隔离距离达到几十公里,才能保证基
站间干扰在可接受的范围内,这显然是不实际的。文献[8]利用智能天线特点,可以巧妙地解决相邻基站间干扰过大的问题,通过合理设置具有基站间干扰的两个小区的时隙优先级，避免把交叉时隙分配给处于两基站连线附近的移动台。
4 结束语
总之，TD-SCDMA系统的动态信道分配以及整个无线资源管理的算法研究是第三代移动通信系统中的关键技术。目前提出的任何一种解决方案总是不同矛盾折中的结果，在实际的组网中到底采用何种方案才是合理、可行，要根据具体的情况而定。而且现在关于TDD模式的无线资源管理的研究相对于FDD模式来说还很少，要给出TDD模式下无线资源管理算法完备的解决方案，还需要不断深入研究，另外如何在优化分配方案的是同时，提高算法的执行效率，还是进一步研究的主要课题。随着3G移动通信系统的不断发展，TD-SCDMA标准的发牌和商用，无线资源管理必将获得更广泛的关注和更深入的发展。
参考文献
[1] T Kriengchaiyapruk, et al. Adaptive switching point allocation in TD/CDMA systems. Proc, VTC 2002:1456-1460.
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[6] 昆仑,李世鹤,张中兆.一种对TD-SCDMA系统动态信道分配方法的改进.通信技术.2003(5) :50-51,54.
[7] S. H. Wie, et al. Time slot allocation scheme based on region division in CDMA/TDD systems. Proc. VTC 2001-Spring:2445-2449.
[8] 曹晏波,周彬,李承恕.采用交叉時隙定位提高CDMA/TDD系统容量.铁道学报.2003 (2):52-56.