第1期
2oo6年2月
嗣像‘|_f謦研I蠢：豫哥机
JournAl 0f CAEIT
V01．1 No．1
Feb．2006
TDD CDMA系统无线资源管理
算法的建模与仿真
堵久辉，王文博
(北京邮电大学电信工程学院，北京 lOO~6)
摘 要： 无线资源管理是第三代移动通信系统中的重要组成部分，用于对业务需求、资源分配、系统
容量和稳定性进行控制，而TDD CDMA系统特性及其中引入的智能天线技术使得无线资源管理算法
需重新建模设计。本文利用OPNET仿真软件对TDD CDMA系统进行了建模，并且对我们提出的几种
适用于TDD CDMA系统的新无线资源管理算法进行了仿真，与传统算法获得的仿真结果对比，验证了
其性能增益。
关键字： 个人通信；时分双工；码分多址；无线资源管理
中图分类号： 929．533 文献标识码：A 文章编号：1673—5672【2oo6)01—044—06
Modefing and simulation of radio resource management of
TDD-CDMA systems with smart antennas
DU Jiu—hui．WANG Wen．bo
(Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100876)
Abstract： Radio l'eaolzrce m鲫lalIeI删 is an impo~ant comtxment of file third generation mobile conmlmication sys—
tems，used to control the query of services，the a]]oc~on ofradio res0u啪 and syst~n capacity and stability．The sys—
tern characteristics and smart anlP_llnas of TDD CDMA，however，埘Iake its RRM need to remode1．'Ibis paper does it by
OPNgI'and silllXl~ several our now RRM al 璐 for TDD CDMA．1he results show these novel algorithms by
o0nsi ng beam load is more suitable to the TDD CDMA system with smart antonRa$．
Keywords： Personal corranunication；11)D：CDMA；RRM
1 引 言
随着移动通信技术的发展及其用户需求的提
高，移动通信网络所需提供的服务业务类型和服务
用户数量与日俱增，并且需要一套稳健而有效的无
线资源管理(砒 )机制来对业务通信流程进行控
制。这一需求在第三代移动通信(3 G)系统中体现
的尤为明显。本文研究内容为3 G标准分支之一的
收稿日期：2005，05．11 修改日期：2006-01．10
国家“863计划”项目，项目编号：2AKI4AAI23160
时分双工码分多址(rⅡ)D cDMA)系统 RRM算法的建
模与仿真。
与频分双工(FDD)系统相比，TDD系统具有很多
优势，如：终端发射功率低，设计和制造成本较低，物
理层帧结构支持不对称数据业务，频谱利用率高
等⋯1。另外，上下行链路间存在的互易性问题易于
采用智能天线技术来实现。但另一方面，TDD CDMA
系统中无线资源分配的灵活性使得 RRM算法设计
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2OO6年第1期 TDD CI)MA系统无线资源管理算法的建模与仿真 45
和实现变得更为复杂[2J。尽管当前已发表的RRM
算法很多，但大多基于FI)D标准，如UMIS。这些算
法在某种程度上对TDD标准系统 m 算法研究具
有一定的借鉴意义。但由于TDD和FDD操作模式、
无线资源单元(Ru)及其分配规则存在本质区别，因
此有必要对其进行重新建模，从而提出了更适用于
TDD系统特性的无线资源管理机制。
本文基于时分同步码分多址(TD—sCDMA)标
准[3]，在考虑到移动通信网络复杂性的基础上，采用
通用的计算机辅助建模仿真方法，对 TDD CI)MA系
统中RRM算法进行了研究。内容涉及对移动通信
系统中逻辑实体、业务模型、无线链路模型、终端移
动性等的模拟，所研究 RRM算法包括功率控制、负
载控制、接纳控制、动态信道分配、切换控制等，采用
了目前大型通信系统仿真通用软件OPlYET，并结合
VC编程实现仿真系统内容的具体功能。
2 ⅡID CDMA中的ⅢIM算法建模
作为当前业界著名的网络仿真软件，OPNET
Modeler为国内外移动通信教学和工程提供了强大的
仿真功能，获得了广泛应用。oI，NEI'Modeler的特
点[4]如下。
(1)提供了网络层、节点层和进程层的三层建模
机制，使得系统仿真建模更为清晰，并加快了开发速
度。平台的整体架构是通过网络层各逻辑实体来体
现的，而具体功能则通过节点中各进程模块来模拟，
事件流程是通过进程模块中的具体代码来实现的；
(2)基于事件驱动仿真时间推进；
(3)基于包的通信，通过包的字段设计来实现对
仿真通信协议的模拟，通信就是靠包及包中携带的
承载信息来实现的。
本文对3G标准之一的11)一$CDMA或LCRTDD
(低码片速率时分双工)系统中RRM算法所进行的
仿真建模参考了OPNET Modeler三层建模机制思想，
仿真平台中各通信逻辑实体及其中包含的 RRM算
法如图 l、图2所示：RNC(Radio Network Controller基
站控制器)、Node B、UE分别对应仿真系统中的无线
网络控制器、基站、移动终端逻辑实体，根据功能将
各RRM子功能模块置于不同逻辑实体内。通信过
程中各逻辑实体问通过规范中定义的Iub和Uu接口
进行信令和数据流的交互。平台中用户移动、信道
和业务类型均为辅助模块，与被研究 RRM算法模块
独立，为TDD CDMA系统仿真提供了一个模拟仿真
环境。
圈1 仿真平台中模块
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豳2 RRM算法在各通信实体中的分布
对通信系统而言，理想的仿真方法莫过于尽可
能真实模拟系统中每一个细节流程，即根据仿真假
设计算各单条无线链路的信道质量，并将计算结果
提交网络端进行判决和处理。但这种仿真方法存在
设计复杂度高、仿真运算量巨大、仿真时间长等限制
因素，因此通过此方法实现大型网络仿真几乎不可
实现。通常的仿真方法是将无线链路和通信系统分
开进行仿真，将大量无线链路仿真结果经过统计后
作为系统仿真输入，本平台也采用此种方法。无线
链路通过 Matlab软件根据协议规定实现，其结果以
外部文件形式提供给系统仿真平台，包括无线信道
中与用户移动或多普勒频移相关的Rayleigh小尺度
衰落模型、智能天线的波束形状、不同信噪比对应的
误块率或误帧率等。
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TDD CDMA系统无线资源管理算法的建模与仿真 2OO6年第1期
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仿真螬柬
图3 跗珊算法仿真平台事件处理流程
图3给出了 删 算法仿真平台仿真事件处理
流程，仿真开始后首先进行用户接口参数和业务分
布初始化，以及仿真环境的初始化和建立工作；之后
进行与无线链路相关的天线增益、路径损耗、快慢衰
落的初始化和建立工作；初始化进程完成后，全局系
统定时器通过 OPNET提供的广播中断函数触发系统
内所有节点，进入 RRM事件处理进程；业务源产生
业务流，各级通信逻辑实体间进行信令和数据的传
输，整个过程在 OPNET后台时间驱动机制的控制下
进行，当仿真时间到达后仿真过程终止。
图4给出了TD—SCDMA系统 RRM仿真平台网
络架构示意图，实际的网络模型采用了Wraparound
技术，但图4没有显示相应的虚小区和虚移动台。
平台的时间推进机制位于RNC实体内，但与RNC实
体内的RRM模块相独立；业务源产生模块位于 UE
端，从而更好地模拟呼叫产生，但与 UE实体内的
RRM模块相独立，如图5所示。
图4 TD—SCDMA系统RRM仿真平台网络架构
图5 节点模型示意图(左：基站；右：移动台)
TD—SCDMA系统属于 TDD CDMA标准范畴，其
物理层帧结构如图6所示，信号的接收和发送是在相
同的频率或载波上的不同时隙内操作的，通过保护
时隙进行隔离，保障在基站同步前提下，基站和移动
台的收发状态是互斥的。上下行信号在同频内传播
所产生的信道互易性可使功率控制、智能天线和预
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2006年第 1期 TDD CDMA系统无线资源管理算法的建模与仿真 47
RAKE接收技术实现中相关参数都更容易获得。天
线是无线通信系统中负责信号收发的重要组成部
分，平台中除全向天线外，还采用了固定波束切换和
空间匹配滤波两类智能天线。系统可通过终端移动
性模型获得用户分布，从而得到上行链路各用户的
DoA(到达角)估计值，辅助同一帧内固定波束切换型
智能天线的波束选择或空间匹配滤波型智能天线的
下行波束赋形。
TDD CDMA系统中可控无线资源单元(RU)包括
频率、时隙、扩频码，在采用智能天线技术后还有空
间角度，因此该类系统的无线资源的分配和管理要
比其他3G系统灵活，但也复杂。这一问题是通过在
RRM算法集合中引入 DCA(动态三信道分配)E5]来解
决的。其他RRM子功能算法也根据TDD CDMA系统
特性进行相应修改，如用户分布不再可以简单假设
为均匀分布_6 J，以及链路信噪比计算公式变化引起
RRM算法的改变l2，7l。
图6 TD—SCDMA系统物理帧结构
3 rⅢD CDMA中的RRM算法
及其仿真
上节讨论了TDD CDMA系统RRM算法建模和搭
建系统级仿真平台的相关内容，本节将介绍TDD CD．
MA系统无线资源及其管理算法的特点，并提出一套
适用于该类系统的 RRM算法，最后将通过前文介绍
的仿真平台对新算法与传统算法进行了性能对比。
TDD操作模式及 TDD CDMA系统中引人的智能
天线、多用户检测技术等将给 RRM算法带来以下影
响。
(1)TDD CDMA系统功控速率与物理帧结构密
切相关，如 TD—SCDMA子帧长度为 5 ITIB，因此功控
速率为200 Hz，对高速移动用户的小尺度衰落进行跟
踪和消除的效果不好；
(2)智能天线的sDMA(空分多址)技术对同信道
干扰的消除作用可以在某种程度上弱化功控功能，
但同时天线增益的变化也将使功率控制平衡点方程
求解变得更复杂；
(3)智能天线为系统提供了控制用户空问角度
信息的可能[8]8，因此可实现基于空间信息的切换算
法，从而提高切换成功率、缩短切换时间、减少信
令l9J等优点；
(4)TDD CDMA系统负载预测需针对每个时隙
进行，各时隙内用户分布不同且不能简单假设为均
匀分布，需重新进行建模_6_6。智能天线系统负载预
测又需以波束作为基本计算单位，而天线增益的变
化也将增加波束负载的波动；
(5)由于信噪比计算公式发生了变化，因此在判
决是否允许用户接人网络时，需要基于方向性干扰
的负载计算结果来进行判决。有效而鲁棒的接人控
制算法将为切换预留部分资源，智能天线技术的引
人将使这种资源预留机制变得复杂；
(6)动态信道分配(DCA)技术是 TDD CDMA系
统所特有的RRM算法，其功能是为了实现灵活而有
效的资源分配方案，以适应3G系统中不同QoS要求
和资源需求非对称的业务。智能天线使空间角度信
息成为可控资源，扩展无线资源的同时也增加了
DCA算法管理资源的难度。
基于以上TDD CDMA系统 RRM算法的特点，我
们提出了一套使用与采用智能天线 TDD CDMA系统
的无线资源管理解决方案。
(1)功率控制采用传统的分布式算法，在上下行
功率控制中引人智能天线增益；
(2)重新推导了系统信噪比计算公式，提出了基
于单时隙、单波束系统负载预测算法，并据此与接人
负载门限相结合，提出了基于方向性干扰的上行接
人控制算法【7 ；
(3)利用智能天线系统可利用小区内空间角度
信息，提出了一个双小区判决切换算法 ；
(4)基于3GPP TS25．922中对慢速 DCA和快速
DCA的定义，结合前面所提出的方向性干扰和负载
计算，提出了相应的DCA算法。
利用前文介绍的RRM算法仿真平台对以上算法
进行了仿真，并与传统算法进行了对比，仿真参数假
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TDD CDMA系统无线资源管理算法的建模与仿真 20O6年第 1期
设如表1所示，图7一图l0为仿真结果。
(1)图7显示了TD—SCDMA系统功控对上行基站
接收干扰的控制作用，图中左上角两条短线为全向天
线下基站接收到小区内外干扰值，下面四条曲线为智
能天线的结果，可见由于智能天线具有在空间对信号
进行隔离的作用，因此平均接入用户数要大于全向天
线系统，可实现无线资源的最优利用。图中最下面两
条线为引入慢速动态信道分配算法的小区内外接收干
扰，可见小区外干扰得到了明显抑制；
裹1 仿真参数假设
参 数 假 设 备 注
系统 TD—SCDMA 载频：1 920 MHz；码片速率：1．28 B
环境 宏小区 l9个蜂窝半径为577 m小区，并采用Wmpmund技术
Mobility <120 km／h Comrtmn 3．6 — 36 km／h
全向天线
天线类型 波束切换天线 固定波束切换型智能天线方向图和波束方向固定，导向型天线的天线
导向智能天线 方向图固定，而且波束方向一致指向目标服务用户
智能天线 8天线阵元 圆阵分布由BFN产生。单天线阵元增益 14 dBi
业务速率 12．2 kbps 占用扩频因子为8的一个码子资源；c／(I+N)f3限为一2．5 dB
传播模型 L=15+3+37．6×lg(R)
I『MIS 30．o3
慢衰落模型 对数正态分布
快衰落模型 Jakes模型或独立Rayleigh分布
功率范围 基站：6<P·<43(dBm)；移动台：一49<P<21(diSh)
热噪声功率 BS：一106．0 dB；UE：一l04．0 dB
功率控制 分布式 开环功控；内环功控：200 汐 环功控
负载控制 新算法 时隙重调整，调整不成功则强制掉话
接纳控制 新算法 基于资源接入；基于小区和基于波束两种干扰计算方法接入
DCA 新算法 随机分配或基于最小波束干扰算法
切换控制 新算法 参见表2
(2)图8给出了基于小区干扰和波束干扰的接入
控制算法掉话率的对比，可以看出，随着小区负荷的
增加，基于小区干扰算法的掉话率呈直线上升的趋
势，而基于波束干扰算法的掉话率则保持在一个较
低水平上。这说明基于方向性干扰计算的接入控制
算法更能真实反映出该用户在智能天线系统下对系
统稳定性的影响l7 ；
(3)图9，为智能天线下TD—SCDMA系统中采用
不同接入控制和资源分配算法的系统容量比较。可
以看出：在系统负荷较小的情况下接人控制和 DCA
算法对系统容量影响不大，当系统负荷继续增加好
15 erlang／cell以上时，基于方向性干扰计算的 DCA
分配方案比随机分配方案具有更好性能。系统负荷
为最大即 24 erlang／cell时，容量增益达到 12％左
右[7]；
(4)图lO为不同移动速度下采用不同切换控制
算法获得的呼叫完成概率，仿真结果显示：优先队列
和HFO队列的基于双小区时隙选择的切换算法性
能较好[11]。
一 80
- ●一 m i—intracel1
— 85 ~ omnt
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：一105
2—110
一 115
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一 125
0 2 4 6 8
avg admitted UE number
圈7 全向天线和导向智能天线系统的功控性能对比
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2006年第1期 TDD CDMA系统无线资源管理算法的建模与仿真 49
图8 智能天线TD—SCDMA系统中采用
不同接入控制的掉话率比较
5m／s
1
O-95
i 豳 靥 l 鞠国 ■Nqs SCDCA即NQS DCDCA
。·9 曼 口FQS—SCDCA团FQS DCDCA 圈 ■ l qS SCDCA 咖PQS DCDCA
0 85 ；
0．8 l 言0 i
O·7
O-65
0 6
0 55
u ．
9 12 l 5 18
offered load(erlang／e e儿)
6 9 12 l5 l8 2l 24 27
offered traffic (erlang per cel1)
图9 智能天线TD—SCDMA系统中采用不同接入
控制和资源分配算法的系统窖量比较
图 1O 不同移动速度的呼叫完成概率
表2 平台中进行性能对比的切换控制算法
戮—■———一 ——一 一 一—— —— ■■■■■●■■_- ■■■■00。一
基于单小区时隙选择机制的无队列切换控制 NQS——SCDCA
基于双小区时隙选择机制的无队列切换控制 NQS——DCDCA
基于单小区时隙选择机制的FIFO队列切换控制 FQS——SCDCA
基于双小区时隙选择机制的FIFO队列切换控制 FQS——DCDCA
基于单小区时隙选择机制的优先队列切换控制 VQS——SCDCA
基于双小区时隙选择机制的优先队列切换控制 PQS——DCDCA
3 结 语
本文首先讨论了无线资源管理在第三代移动通
信系统中的重要作用，并通过对TDD CDMA系统特
性进行分析，在OPNET仿真软件中对该类系统无线
资源管理算法进行了建模设计和实现。由于TDD模
式及智能天线技术在TDD CDMA系统中的应用使得
无线资源单元及其使用都发生了本质变化，对此我
们提出了基于方向性干扰或波束负载的接入控制、
动态信道分配算法，以及基于双小区信息排队的切
换控制算法，通过与传统算法的对比，验证了新算法
的性能增益。 (下转第43页)
6 5 4 3 2 l 0 9 8 7 6
^Ia0缸A∞嗣 ∞一扫 譬旨。矗ls努
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2OO6年第 1期 转换开关不完全可靠的热贮备系统可靠性模型 43
Bl=1
B2=1／( 2+ )一1／(1+ 2+ )
B3=1／( 3+2g )一1／(1十 3+2g )一1／( 2+ 3+2 )十1／(1十 2十 3+2g )
B4=l／( 4+3 )一1／(1+ 4十3 )一1／( 2+ 4+3 )一1／( 3+ 4+3 )+ (3o)
1／(1十 2+ 4+3g )+1／(1+ 3十 4十3g )+1／( 2+ 3+ 4+3g )一
1／(1+ 2+ 3+ 4十3g )
从(3O)式可见，鉴于 ≥ ≥ ≥1，以及 >0，
更加可以得出，从平均寿命的角度，组成热贮备系统
的不同设备数也是取小于等于4是比较合适的。
5 结 语
本文对转换开关不完全可靠的相同设备和不同
设备两种热贮备系统进行了可靠性模型的建立和分
析，热贮备系统设备数目的增加，对系统平均寿合相
对增加的百分比是递减的，也就是所增加的平均寿
命会不明显，组成贮备系统的设备数小于等于4是
较合适的。
本文给出的在热备系统可靠性模型中计入转换
开关不完全可靠的方法，亦适用于冷贮备系统以及
温贮备系统。
(上接第 49页)
参考文献
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5 梅启智，廖炯生，孙惠中．系统可靠性工程基础，科学出版
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作者简介
章治本(1940一)，男，研究员，1962年
毕业于复旦大学数学系。一直致力于大
型电子信息系统工程总体工作。曾获电
子工业部优秀科技成果奖。在多种期刊
和会议发表论文 3o余篇，出版编、译著 3
部。
8 Shakheela H．Marikar，Resource Manl3~ment In 3G s)，目；I脚lls
Employing Smart Antenna，Ph．D dissertation，Virginia Tech，
B~ k,a,urg．VA，2OO2
9 李世鹤．rid—SCDMA第三代移动通信系统标准．北京：人
民邮电出版社，2003
10 Holma H．and Toskala A．，7~'CDMA for IIM ，2rid edition，
John Wiley&Sons Ltd．2OO2．
11 Xiaoying Shen，Jiuhui Du，7~'enbo Wang，Dual cell ba8ed Re—
flo1．,u'ce Allocation for Handover optimization in Beanfforming
TDD CDMA systems，IEEE．ISCC’05，under r ew
作者简介
_ 堵久辉，(1977一)男，籍贯河北唐山， 北京邮电大学博士研究生，主要研究3G 和B3G系统无线资源管理厦其系统仿真， 厦天线技术，已在国内外期刊和会议上发 表论文近2o篇。
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