面向视频流业务的TD-HSUPA系统仿真模型研究*

唐 颖 ，邝育军 ，2，张伟男 ，代改荣 ，朱 江 ，姜伟丽 ，夏 佳

（1.重庆邮电大学 移动通信重点实验室，重庆 400065；2.电子科技大学 光互联网及移动信息网络研究中心，四川 成都 610054）

1 引言

随着3G业务的迅猛发展，用户对上行传输速率提出更高的要求，在继TD-HSDPA技术之后，3GPP在R7中引入了高速上行分组接入（HSUPA）技术，使 TDSCDMA系统的上行速率最高可达到2.2 Mbit/s。TDHSUPA作为TD系统的增强技术，对提高系统的吞吐量、减小传输延迟及误帧率等都起着至关重要的作用[1-2]。随着TD四期建网的进行，TD-HSUPA的一些关键技术和算法对整个TD-SCDMA通信系统的影响需要进一步研究。本文正是对TD-HSUPA系统的仿真方法研究，文中给出了TD-HSUPA系统仿真平台的框架及搭建方法，并详细介绍了仿真平台的核心模块。此仿真平台可用于验证和优化各种无线资源管理算法及参数，为未来的网络规划优化及测试提供相关辅助参考。

2 HSUPA协议体系结构

HSUPA对系统的主要变动是在TD-SCDMA的基础上引入了E-DCH信道，其协议体系结构[3]如图1所示。在UE，Node B和RNC的MAC层引入MAC-es/MAC-e实体。UE侧新增的MAC-es/MAC-e主要负责处理HARQ 重传、调度信息（SI）、MAC-es复用、E-DCH TFC选择。Node B引入MAC-e主要处理HARQ重传、资源调度、MAC-e解复用。SRNC新增的MAC-es实现接收数据包的重排序。

3 系统模型

根据3GPP中的协议规范以及对TD-HSUPA通信系统的研究，按照移动通信网的需求功能进行分割，TD-HSUPA系统框架主要分为两大部分[4]：无线接入网的公共结构和HSUPA模块。图2是TD-HSUPA系统平台示意图。

笔者采用离散事件时间驱动机制的方法，通过拟合用户在网络中的移动性和其他特性，模拟实现TDHSUPA的系统仿真环境。此外，还需要配合相应链路仿真的支持，为系统仿真提供必要的输入参数。

4 模块设计

基于离散事件时间驱动机制的方法对上述框架进行建模，来模拟现实网络的行为。

4.1 公共模块

4.1.1 网络模型

根据覆盖范围以及所处地域，一般可以把3G系统的仿真场景分为：宏小区（Macro）、微小区（Manhattan-Grid）和微微小区（Pico）[5]。本文是在 Macro 仿真场景下，使用wrap-around技术，采用3圈19个小区的部署模型。图3是仿真中采用的小区拓扑模型图。

图 3中，“*”代表 UE，圆圈代表 Node B位置，其最大发射功率为43 dBm。箭头是1000 m的小区半径。系统带宽设置为1.6 MHz，码片速率为1.28 Mchip/s（兆片/秒），上下行时隙采用3∶3的配置。仿真时将UE均匀随机分布到小区中，且用户的密度与地理位置无关，其方向在初始化时随机选定。

4.1.2 移动模型

移动模型可以描述用户的位置和运动方向。仿真时假设用户在整个服务区自由移动，并且不考虑切换。用户移出仿真区域时，则自动弹回所设定的场景。

图3中UE的位置由x和y唯一确定。随着仿真进行，根据式（1）进行周期性更新，即

式中：x（t-1）代表上次位置更新时UE的横坐标（单位：m）；s代表UE的移动速度（单位：m/s）；t代表UE的更新周期（单位：s）；θ为 0°～360°的随机选择；x（t）代表当前时刻UE的横坐标（单位：m）。

每隔一定时间，移动台的位置更新一次，图4是服务区内某2个用户的移动路径。

4.1.3 视频流业务模型

视频流业务是3G中一项重要业务，移动用户可通过无线接入网接入Internet上的视频服务器[6-7]。如图5[8]所示，Tb是防抖动缓冲区窗口的长度，用来保证视频流数据连续播放。视频流会话定义为整个视频流呼叫的时间，在这个模型中为整个仿真时间。视频数据的每一帧以间隔T到达，每一帧分解为固定数目的片段，每个片段以一个分组包的方式传输。

基于离散事件时间驱动机制的方法，结合业务的特点，借鉴文献[9]中所采用的ON/OFF模型对视频流业务进行建模，如图6所示。处于ON时，模型按一定的概率分布产生分组流，反之不产生。

建模时需要的参数分布函数如表1[8]所示。

表1 视频流业务参数设置

4.1.4 路损模型

根据3GPP TR 25.942，Macro小区传播模型一般适用在城市和郊区的测试场景。因此，仿真考虑了路径损耗和慢衰落，使用的传播损耗模型[10]为

式中：R为Node B与UE之间的距离（单位：km）；f为载波频率，取值2000 MHz；Dhb为基站天线高度，取15 m；L是路径损耗（单位：dB）。 式（2）可简化为

仿真中每隔一个TTI（5 ms）更新一次L。

4.2 HSUPA模块

4.2.1 UE模块

根据新增的实体以及UE实现的基本功能，UE主要模块[3]包括：

1）业务发起模块，主要功能为在仿真时间内，根据不同业务模型产生时间间隔的数组，并将逻辑信道映射成MAC-d流，再根据逻辑信道的优先级、缓冲区的大小等信息向Node B发起调度请求。

2）HARQ模块，由UE侧新增的MAC-e实体来完成，负责存储MAC-e数据并重传。UE根据收到的ACK/NACK命令确定是否重发数据，重发数据由HARQ模块来实现。

3）E-TFC选择模块，根据收到的调度信息，UE根据一定的算法选择合适的E-TFC。

4.2.2 Node B模块

Node B模块处于UE和RNC模块之间，在TDHSUPA系统中负责接收UE模块发送的数据，并完成AG和ACK/NACK等反馈信息确认，以及RoT的测量等工作，并且上报给RNC正确接收的数据。Node B主要功能[3]模块包括：

1）调度模块，在多个UE间进行E-DCH的小区资源的调度，E-DCH调度实体基于UE发送的调度信息，进行调度的分配和传输，E-DCH控制实体负责接收调度请求以及传输分配的调度信息。

2）HARQ模块，与UE模块中的HARQ不同，主要接收合并多次重传的TTI数据，并负责生成ACK/NACK。

3）资源分配模块，按照一定的算法，对用户进行资源分配，如码道、时隙及功率等。

4）RoT估算模块，主要是根据资源分配模块中的资源分配方式，估算此时系统的RoT。根据RoT的定义，在包含N个UE的小区j处，当前干扰程度RoTj[11]为

式中：powi为 UEi的上行发射功率；PLij为 UEi到小区j的路径损耗；Noise为热噪声。

4.2.3 RNC模块

RNC模块主要用来统计系统的一些性能，以及对无线资源进行管理。主要模块[3]为：

1）统计模块，对数据业务的吞吐量和时延、小区的RoT等系统性能进行统计。

2）RoT限定模块，定义系统RoT的门限，可以扩展为其他类似门限值的定义。

3）无线资源管理（RRM）模块，主要是TD-HSUPA的无线资源管理算法的接口，方便以后对接纳控制、调度等算法进行仿真验证。

5 仿真流程

仿真时定义一个模拟时钟，并初始化到0或下一事件发生的时间。仿真进行时，时钟推进到最临近的下一事件发生的时间，时钟每次推进，系统状态都相应发生改变。时钟不断推进，系统状态也随之不断更新，以此类推直到仿真结束。整个系统是以时间来驱动的，每个TTI按照用户的业务状态来触发各个模块，然后对发生的离散事件进行处理。图7为TD-HSUPA系统仿真流程。

由图7可知，系统仿真的具体流程为：

1）设置系统参数，选取仿真场景及小区模型；

2）用户随机分布在小区中，并确定Node B及UE的位置；

3）根据路损模型计算路径损耗；

4）业务模块产生数据，并由移动模块来确定UE的运动轨迹；

5）进行无线资源管理算法，包括接纳控制、调度、切换等算法；

6）统计仿真结果并分析统计结果合理性并反馈给UE和Node B；

7）转到步骤3）进入下一次主循环，直到仿真时间结束。

6 小结

给出了TD-HSUPA系统平台的框架，并介绍了采用离散事件时间驱动机制在Matlab环境下的建模方法，接着详细介绍了核心模块，最后简述了基于视频流业务下该平台的仿真流程。从而可以更加深入地理解TDHSUPA系统，使用户享受到更好的QoS。随着用户对上行业务需求的日趋增长，HSUPA技术逐渐引入到网络中，研究TD-SCDMA系统中的HSUPA技术对其商用具有现实意义。继续完善该平台，加入各种无线资源管理算法是下一步要进行的工作。

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