基于TD-SCDMA R4路測數(shù)據(jù)評估HSUPA系統(tǒng)吞吐量的方法研究

方媛 梁雙春

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司 北京 100080）

隨著我國TD-SCDMA技術(shù)的不斷發(fā)展，在未來幾年內(nèi)，TD-SCDMA數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將會取得大幅度增長。為了適應(yīng)多媒體服務(wù)對高速數(shù)據(jù)傳輸日益增長的需要，3GPP對空中接口作了改進(jìn)，在R5版本中引入了高速下行分組接人（HSDPA）技術(shù)。然而，HSDPA技術(shù)不能解決上行數(shù)據(jù)速率問題，為滿足要求更高的上行速率業(yè)務(wù)發(fā)展需要，3GPP R6版本開始，開展了對高速上行分組接入（HSUPA）的研究和標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

1 研究內(nèi)容

目前對于無線系統(tǒng)性能的評估通常是使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)級仿真的方式。無線通信系統(tǒng)中的系統(tǒng)級仿真通過模擬無線傳播環(huán)境，終端的運(yùn)動(dòng)速率和方向，業(yè)務(wù)模型，通信過程中的功率變化和可能引起的干擾，計(jì)算出信噪比，根據(jù)信噪比查找出相應(yīng)鏈路級仿真的結(jié)果從而得到網(wǎng)絡(luò)性能。系統(tǒng)級仿真通常用于檢驗(yàn)無線接入系統(tǒng)的性能和系統(tǒng)規(guī)劃、優(yōu)化。系統(tǒng)級仿真通常采用蒙特卡羅(Monte Carlo)方法，將整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行行為視作多個(gè)時(shí)間片斷內(nèi)所表現(xiàn)出來的行為樣本的統(tǒng)計(jì)平均，每個(gè)時(shí)間片斷稱為一個(gè)快照，它體現(xiàn)了系統(tǒng)在短期內(nèi)相對穩(wěn)定的行為。經(jīng)過大量仿真樣本的運(yùn)行，用統(tǒng)計(jì)的方法分析所有樣本內(nèi)的數(shù)據(jù)記錄，可以得到所需的關(guān)鍵性能參數(shù)的均值和方差。

系統(tǒng)級仿真的方式是建立仿真模型，盡量的貼近網(wǎng)絡(luò)中的實(shí)際情況。然而這種方式不能準(zhǔn)確地反映現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中復(fù)雜多變的地理和自然環(huán)境，因此對TD-SCDMA HSUPA網(wǎng)絡(luò)性能的評估不是十分準(zhǔn)確，并且仿真方法復(fù)雜，需要一定仿真時(shí)長。本文中提出的這種方法利用實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的通過車載測試得到的路測數(shù)據(jù)，考慮了實(shí)際的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及自然傳播環(huán)境，并且實(shí)現(xiàn)方法簡單，具有一定的可擴(kuò)展性，同樣適用于與后3G系統(tǒng)，如HSPA+和LTE系統(tǒng)的性能評估。

2 HSUPA吞吐量的評估方法

本方法的核心思想是利用實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的通過進(jìn)行車載測試得到的CPICH信道的RSCP值，可以計(jì)算出在一定發(fā)射功率下的上行E-DCH信道接收到的有用信號功率，通過干擾預(yù)算的方式得到HSUPA系統(tǒng)E-DCH信道的信噪比，最終結(jié)合鏈路級性能得到系統(tǒng)吞吐量。具體方法見以下幾個(gè)部分。

2.1 傳輸損耗預(yù)算

通過在現(xiàn)網(wǎng)中進(jìn)行車載測試，可以得到的單個(gè)UE接收到來自周圍多個(gè)小區(qū)的CPICH信道的RSCP值，即RSCPi＝TXCPICH－PathLossi。因此，可以反推出該UE到周圍第i個(gè)小區(qū)傳輸損耗PathLossi＝TXCPICH－RSCPi。

2.2 干擾預(yù)算

根據(jù)前面的介紹，計(jì)算吞吐量的前提是首先要對基站接收機(jī)端接收到的干擾進(jìn)行預(yù)算。基站接收機(jī)接收到的干擾主要包括以下幾個(gè)部分，接收機(jī)熱噪聲功率N0、小區(qū)外干擾Ioc和小區(qū)內(nèi)干擾Ior。

I0＝Ior＋I(xiàn)oc＋N0

為了便于簡化，我們假設(shè)小區(qū)在某一時(shí)隙只服務(wù)一個(gè)用戶，因此小區(qū)內(nèi)干擾為零。該用戶會對其他小區(qū)產(chǎn)生小區(qū)外干擾，同理，其他小區(qū)的用戶也會對本用戶產(chǎn)生干擾。在這里我們將該用戶對其他小區(qū)的干擾之和等效為該用戶的小區(qū)外干擾。通過上文中計(jì)算出的傳輸損耗可以計(jì)算出該用戶對其他小區(qū)的干擾，將這些干擾累加便可等效為該用戶的小區(qū)外干擾。

2.3 HSUPA有用信號功率計(jì)算

TDD系統(tǒng)上、下行信道具有良好的相關(guān)性，如果已知上行E-DCH信道的發(fā)射功率，通過增加相對于導(dǎo)頻信道的智能天線的增益，可以估算出基站接收到來自目標(biāo)用戶的有用信號的功率值。HSUPA系統(tǒng)對于E-DCH進(jìn)行基于RoT（Rise over Thermal Noise)的功率控制，UE的最大發(fā)射功率會受到RoT門限的限制。

假設(shè)RoT門限為RoTMAX＝6dB，那么基站出接收到的來自目標(biāo)HSUPA用戶的功率可作如下推導(dǎo)，

IHSUPA＝RoTMAX＋N0

其中， IHSUPA為RoT門限的限制條件下，收到的來自目標(biāo)HSUPA用戶的最大接收功率。

計(jì)算過程中假設(shè)所有UE先以終端最大發(fā)射功率進(jìn)行發(fā)射，經(jīng)過鏈路上的傳輸損耗后得到接收功率，與前面計(jì)算出的該HSUPA用戶的最大接收功率相比，取兩者中較小者。該方式導(dǎo)致以下兩種影響，一方面，即使UE距離基站很近，由于RoT門限的制約，UE不能以滿功率發(fā)射；另一方面，隨著UE趨于小區(qū)邊緣，即使UE以滿功率發(fā)射，由于鏈路損耗變大，接收功率降低。

2.4 E-DCH信道信號干擾比計(jì)算

基站接收機(jī)處的干擾包括以下幾個(gè)部分，接收機(jī)熱噪聲N0、小區(qū)外干擾Ioc、小區(qū)內(nèi)干擾Ior。由于TDSCDMA使用智能天線，可以有效降低系統(tǒng)內(nèi)干擾。這里我們引入一個(gè)具體的因子α來表示由于使用智能天線相對于廣播信道使用的定向天線帶來的增益。α取值的大小可以通過TD-SCDMA系統(tǒng)級仿真來獲得。對比仿真中使用智能天線相對于定向天線，在同樣的系統(tǒng)容量下所需要的目標(biāo)Eb/N0的差異。

因此可以通過如下公式對HSUPA的EDCH信道SINR進(jìn)行計(jì)算，

通過計(jì)算出的SINR來查找相應(yīng)的鏈路級仿真結(jié)果，最終得到吞吐量。

圖1 車載測試場景及數(shù)據(jù)

圖2 路測RSCP數(shù)據(jù)CDF曲線

3 評估方法應(yīng)用實(shí)例

3.1 車載測試場景及數(shù)據(jù)

車載測試數(shù)據(jù)來自于某移動(dòng)公司的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，測試路線為該市朝陽公園南門外的一條東西走向的街道，測試環(huán)境屬于城區(qū)環(huán)境。測試距離大約在3500m左右，其中途徑公園、商業(yè)區(qū)和體育場。8個(gè)測試基站全部位于該測試路徑南北兩側(cè)，基站都為三扇區(qū)宏蜂窩結(jié)構(gòu)，天線全部采用智能天線。將測試基站數(shù)據(jù)及測試點(diǎn)的CPICH信道RSCP值導(dǎo)入APOX規(guī)劃軟件顯示，測試場景如圖1所示。

測試數(shù)據(jù)主要包含了途徑各地點(diǎn)的經(jīng)緯度信息及CPICH信道的RSCP值等。通過對車載測試進(jìn)行整理，大約得到了15000個(gè)有效的樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)，其RSCP分布的積累分布如圖2所示。從圖2可以看出， RSCP樣本數(shù)據(jù)范圍在-102～-57dBm，并且大多數(shù)測試點(diǎn)的數(shù)據(jù)值都集中在-65～-85dBm之間，這說明測試所經(jīng)過的區(qū)域都處于覆蓋良好的狀態(tài)。

圖3 HSUPA吞吐量的評估結(jié)果

3.2 評估結(jié)果

圖3是利用現(xiàn)網(wǎng)路測數(shù)據(jù)根據(jù)以上介紹方法計(jì)算出的HSUPA吞吐量。為方便顯示，將其根據(jù)與經(jīng)緯度的對應(yīng)關(guān)系導(dǎo)入APOX規(guī)劃軟件中。從圖3可以看出，在這條測試路徑上，絕大多數(shù)測試點(diǎn)的信號條件都比較好，如圖中深色點(diǎn)吞吐量大于512kbit/s的地段較多。通過與圖1對比，這些深色的地點(diǎn)大都本身的RSCP信號條件也較為良好。在一些地點(diǎn)，如朝陽公園南側(cè)HSUPA吞吐量相對較差，經(jīng)分析是由于存在湖面反射所導(dǎo)致。另外，在一些基站覆蓋邊緣處，如工體場西側(cè)路測得到的RSCP信號強(qiáng)度較弱，因此信干比情況較差，吞吐量較低。通過文中提出的評估方法可以很直觀反映網(wǎng)絡(luò)中存在的問題，在現(xiàn)網(wǎng)中優(yōu)化人員應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況加以調(diào)整。