软切换对WCDMA 下行链路容量的影响

广东通信技术

GUANGDONGCOMMUNICATIONTECHNOLOGY

无线网络

软切换对WCDMA下行链路容量的影响

ImpactofSoftHandoveronWCDMADownlinkCapacity

卢斌陆健贤

(广东省电信公司科学技术研究院)

摘要介绍了WCDMA系统中软切换模型,并在此基础上深入分析了下行容量影响因素,和软切换在下行链路

软切换下行容量宏分集增益频率干扰网络规划

容量的影响,推导出下行容量计算公式,为进一步研究和仿真WCDMA下行容量提供理论基础。

关键词

1引言

软切换作为CDMA的关键技术,对系统性能具有重要影响。软切换增益在上行链路体现在覆盖和容量两方面:通过降低一定通信可靠性要求的阴影衰落余量增加覆盖范围;通过减少处于软切换移动台对相邻小区的干扰增大容量。大量文献[1～3]对软切换对于上行链路容量和覆盖的影响作了系统分析。对于上行链路,软切换并不会在空中接口引入新的干扰,因此,上行链路的容量并不会随软切换比例的增加而下降,但当软切换的比例达到一定程度以后,软切换增益趋于平稳[4]。由于软切换需占用大量的设备资源,包括信道单元、声码器和传输链路等,制约上行链路软切换比例的因素主要是投资成本。

与上行链路不同,虽然软切换的宏分集增益提高了下行链路的容量,但由于软切换时激活集中的小区同时发射,引入了额外干扰。当软切换的宏分集增益不足以抵消多个基站同时发射引入的干扰时,下行链路容量不是增加而是减少。3G应用的一个重点是多媒体数据业务,而数据业务具有上行性不对称的特性,必然要求下行链路提供充裕的容量。因此,软切换的比例必需控制在一个合理的比例以避免过度影响下行链路容量。

通过分析软切换机制和WCDMA系统下行链路的容量,本文推导出软切换条件下下行链路容量的计算方法。本文结构如下:第2节描述了软切换的模型及影响软切换比例的因素,第3节分析下行链路容量的

卢斌无线通信研究部,室主任,硕士。陆健贤无线通信研究部,硕士。

计算方法,第4节分析了不同软切换比例对应下行链路容量,最后是本文的结论。

2软切换模型

软切换可分为不同基站间的软切换和相同基站不同扇区间的更软切换,如图1所示。在上行链路,系统根据软切换的类型采用不同的信号合并方式。基站对更软切换中的多路信号进行最大比合并,由于实现的复杂性,RNC对于不同基站间的软切换采取选择性合并。在下行链路,UE对来自多个小区的信号进行最大比合并。

图1软切换与更软切换

与其他切换流程相似,软切换包括测量、平滑、上报、判决和执行等基本步骤。在WCDMA中,UE将小区分为3类。

(1)激活集小区:用户信息从这些小区发送,它们同时进行解调制并密切相结合。在FDD中,这些小区涉及到软切换。

(2)监测集小区:不在激活集中,但根据UTRAN

分配的相邻节点列表而被监测的小区,这些小区属于

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监测集。

(3)检测集小区:不在激活集中,没有从UTRAN

应。增加迟滞用于防止切换中的“乒乓”效应,当激活集已满,替换迟滞用于激活集和候选导频替换的比较。软切换比例除了与小区参数有关,还与阴影衰落标准差、基站天线波瓣、下倾等因素有关。在其它条件相同的情况下,对于不同的软切换容限,系统具有不同的软切换比例,如表1所示[6]。

网络优化过程中,通过适当地调整软切换的各种参数,能够比较有效地控制软切换的比例。每用户平均占用无线链路的数量CH可用下式表示:

收到相邻节点列表,但被UE检测到的,属于检测集。非列表集频率内测量只能由UE在CELLDCH状态提出请求。

WCDMA采用相对门限,在不同的应用环境中,加入或删除激活集中的小区导频的门限与激活集中最好和最弱导频的信号强度相关。当监测集小区的导频信号足够强,即可成为候选导频,加入或替代激活集中最弱的导频;当激活集中的导频低于去掉门限时,该导频将从激活集中去掉。软切换过程的一个实例可参见[5],在这一过程中,软切换受诸多参数的控制,包括各种激活集的大小、门限、迟滞(Hysteresis)和定时器,对于软切换算法和参数设置的评估有多个指标,如切换成功率、切换率等。由于本文目的在于考察软切换比例对WCD2MA下行链路容量的影响,因此,本节仅对其中与软切换比例密切相关的参数作简化说明,如图2所示。

软切换容限为激活集中最强和最弱导频信号的差,在实际系统中可与增加导频门限及迟滞的和相对

式中SHO为软切换的比例,SHOi为i路软切换的比例,MaxAS为激活集的大小。[6]中的仿真结果表明,绝大部分情况下,UE支持的激活集大小不需大于4。

3下行链路容量

与上行链路不同,下行链路的干扰集中来源于周围几个小区,如图3所示。由于多个用户共享基站的发射功率和正交信道码,因此,下行链路容量的因素主要有两个:正交信道码的数量和基站发射功率。此外,基站发射功率和信道码的分配策略也直接影响下行链路容量。在很多情况下,对于宏蜂窝,在信道码耗尽前,基站已达到最大发射功率,即功率受限,但在一些条件下,由于与其他小区有良好的隔离和正交系数,也有可能是信道码受限。此外,下行链路容量还与用户及业务分布密切相关。

图2软切换容限及迟滞

注:图2中信号强度单位为dBm,采用负值,原点为0dBm。

表1软切换容限和软切换比例的关系

注:数据来自TR25.942-213,11.3.5～11.3.7

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第11期

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发射功率为:

(3)

由于用户分布对于下行链路容量具有重要影响,为简化分析,假设用户在小区内均匀分布。若从基站到小区边缘的路径损耗为L,路径损耗指数为r,则根据[7]中功率控制因子的定义,每个业务信道平均发射功率为

图3其他基站对本小区的干扰

基站的发射功率分配到各公共控制信道和业务信道,公共控制信道功率包括导频、同步、广播和寻呼等信道的功率之和,用Pcch表示,业务信道i的功率为Ptch,i。如果一个小区中同时有M个用户正在进行通信,则由于部分用户处于软切换状态,该小区下行链路的无线连接数量为M×CH>M,因此,基站的发射功率Ptot为:

(1)

(4)

其中K为功率控制因子。将式(4)代入式(1),可解出Ptot为:

(5)

对于小区k中的任意无线连接i,其SIRi为

(2)

与上行链路相似,在下行链路的极点容量定义为当基站发射功率达到无穷大时下行链路容量的理论最大值。当式的分母为0时,Ptot为无穷大,因此满足式(6)的M即为下行链路的极点容量Mpole:

(6)

假设提供S种业务类型,业务i的分布为PSi,使用同一业务类型i的用户要求的SIRi目标值ρi有相

式(2)中N为底噪,α表示正交因子,f表示其他小区与本小区干扰比的均值,C为分析中需考虑的相邻小区数量,Li为路径损耗。在下行链路,同一小区的不同用户采用了正交的信道码,理论上并不存在本小区内用户间的干扰,但由于多径效应,本小区将有一部分发射功率变为干扰,式中用α表示下行链路受多径干扰的程度。

为保证一定的通信质量,UE通过闭环功率控制使接收到的SIRi保持在SIRi的目标值ρi,在理想功率控制条件下,应有SIRi=ρi。在实际应用中,ρi与无线信道特性、业务类型和服务质量要求等因素有关。设所有基站的发射功率均有Ptot,根据式(2),业务信道i的

等,对于无线链路j而言,需通过业务类型和软切换状态确定所需的ρj。若小区k中的某一使用业务i用户处于l路软切换状态,则经过UE的最大比合并后的SIRi为:

(7)

处于软切换状态的用户获得宏分集增益,因此,激活集中的每个小区只需更小的发射功率即可使UE达到相同的SIR。对当前考察的小区k,设该小区的在本次软切换中使用了业务信道n,且ρi=Gn×ρn,将M×CH个无线链路的SIR按业务类型和软切换状态重新分类,则有:

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链路容量增大,而宏分集增益不足以补偿容量损失时,下行链路容量将下降。宏分集增益和容量损失随软切换比例变化的趋势并非单纯的线性变化,在不同的UE

(8)

式(8)中A为非软切换状态无线链路的数量,B为软切换状态无线链路的数量。实际中,任何的基站设备发射功率均为有限值,设基站最大发射功率为Pmax,则根据式(5)、(8),下行链路容量即为满足条件Ptot移动速率和负载条件下,软切换对下行链路容量的影响有很大变化。若单纯考虑获得最大的下行链路容量,则M达到最大时,应有Y最小,但考虑到质量和容量的折衷,根据[8],可取软切换容限为2～3dB,此时软切换比例在30%左右。

5结论

4软切换对下行链路容量的影响

本文通过分析了影响软切换比例的参数及WCDMA下行链路的容量,给出了不同软切换条件下下行链路容量的计算方法。软切换对下行链路的影响包括宏分集增益和多路发射引入的干扰两方面,下行链路容量取决于两者相互关系的变化。当宏分集增益大于容量损失时,下行链路容量增大,而宏分集增益不足以补偿容量损失时,下行链路容量将下降。在下行链路中应考虑通信质量和容量的折衷,获得最佳的软切换比例。在今后的研究中,我们将对不同条件下的宏分集增益进行仿真,并将其应用到无线网络规划中。

参考文献

1

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对于最大比合并,若存在M路信号,当各路信号

强度相等时,增益为10log(M)dB。可见,软切换的宏分集增益正比于激活集中的连接数。根据第2、3节对软切换和下行链路容量的分析,为进一步明确软切换比例对于下行链路容量的影响,简化分析,将式按激活集中连接数量重新组织,可得:

上式中E(Gj)为j路软切换的平均宏分集增益。将式(10)代入式(5)可解出M:

M=

Ptot-Pcch

K・Y・[(a+f)Ptot+N/L]

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社,2000

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(11)

(10),软切换对下行链路容量的体现在由式(9)、

两方面:软切换引起的容量损失DCL和软切换产生的宏分集增益MDG。显然,MDG是软切换比例的函数,

册”.人民邮电出版社,2000

MagnusKarlsson,NicolasGuerin,NiinaLaaksonen,Ger2aldOstermayer.“EvaluationofHandoverAlgorithmsforPacketTransmissionsinWCDMA”.

(收稿日期:2002-06-18)

将随软切换比例不断变化,下行链路容量取决于两者相互关系的变化。当宏分集增益大于容量损失时,下行

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