专利名称：一种td－cdma系统的性能优化方法
技术领域：
本发明涉及移动通信技术领域，具体涉及TD-CDMA系统的性能优化方法。
背景技术：
作为UMTS空中接口增强技术，3GPP的R5版本提出了高速下行分组接入(HSDPA)方案。作为3G标准之一的时分双工码分多址(TDD-CDMA)系统同样需要支持未来以IP分组为传输形式的各类业务承载。TDD-HSDPA是TDD模式与HSDPA技术结合的产物，其系统中各关键技术与频分双工(FDD)系统类似，但TDD系统特有的物理层帧结构及传输特性使TDD-HSDPA独具特色，如TDD系统的上下行信道互易性更有利于智能天线技术的引入，从而提高无线链路质量，进一步提高系统吞吐量，但同时也增加了无线资源管理的复杂度。
智能天线的原理是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向DOA(Direction of Arrival)，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。同时，智能天线技术利用各个移动用户间信号空间特征的差异，通过阵列天线技术在同一信道上接收和发射多个移动用户信号而不发生相互干扰，使无线电频谱的利用和信号的传输更为有效。在不增加系统复杂度的情况下，使用智能天线可满足服务质量和网络扩容的需要。智能天线技术需要较为及时的用户位置和信道信息反馈，进一步加大了TDD-HSDPA系统上行信息反馈在资源占用和信息反馈有效性方面的要求。
在CDMA系统(TDD或FDD方式)中，采用智能天线和波束赋形技术，能够大大改善通信系统的性能提高基站接收机的灵敏度、基站发射机的等效发射功率，降低系统的干扰，增加CDMA系统的容量，改进小区的覆盖，降低无线基站的成本。
采用智能天线后，应用波束赋形技术可显著提高基站的接收灵敏度和等效发射功率，能够大大降低系统内部的干扰和相邻小区之间的干扰，从而使系统容量扩大一倍以上；同时也可以使业务高密度的市区和郊区所需的基站数目减少。
当前，传统HSDPA系统有关信道质量信息反馈只是简单的周期性反馈信道质量指示(CQI，Channel Quality Indicator)并触发性反馈混合自动重传请求(HARQ，Hybrid Automatic Repeat Request)技术所需确认正确/不正确(ACK/NAK)指示。这只能满足信道质量信息反馈的基本要求，可通过在这种简单反馈基础上进行改进，在某些情况下增加有效而及时的“附加反馈”，进一步提高信道质量信息反馈有效性和及时性。
在文献“Study of channel quality feedback in UMTS HSDPA”，IEEEproceeding 14thPIMRC，2003以及“Efficient channel quality feedbackschemes for adaptive modulation and coding of packet data”，Vehicular Technology Conference，2004.VTC2004-Fall.2004 IEEE60thVolume 2中，对基于UMTS标准的HSDPA方案中信道质量反馈进行了较为全面而深入的研究，文中提出信道质量反馈性能与周期是一对矛盾。采用短周期反馈虽然可以为高速下行信息调度和传输提供更为及时而有效的信息，但将增大上行传输的码间干扰，从而影响反馈信息传输的可靠性；采用长周期反馈虽然上行码间干扰小但不能及时提供信道状况的变化，将产生较多的MCS误选择，体现为调制方式和传输块大小的组合，导致出错，增加重传次数，降低系统吞吐量。因此如何合理选择反馈周期就成了有待解决的核心问题。
如前所述，智能天线技术更容易在TDD-CDMA系统中实现，而且智能天线已作为必要选项列入TD-SCDMA标准。虽然智能天线可以较大程度上提高发射增益并在一定程度上抑制小区内外多用户间干扰，但需要较大的信令和反馈信息为代价，以保障上行DoA估计和下行波束赋形(Beamforming)的准确性。
在电路交换业务为主的TDD-CDMA系统中，这些信息主要是由物理帧结构中与数据比特时分复用的Midamble码来实现的。这是因为电路交换业务通常对上下行无线资源的要求基本相等，相同频带上传输的上下行链路间存在信道互易特性或称为较强的信道相关性，并且电路交换业务的数据传输是连续的，网络侧能够实时获知用户的位置信息，得到较高的DoA估计和波束赋型精度。但是在TDD-HSDPA系统中分组交换业务的上下行资源要求严重不对称，而且分组数据的传输具有突发性，因此需要以时分共享调度方式而非固定分配方式管理有限的无线资源，此时上下行信道均为非连续传输，相关性较弱，给TDD-HSDPA后向兼容智能天线技术带来了难度。只有通过及时而有效的反馈方式提供智能天线技术所需信息，才能使TDD-HSDPA实现智能天线波束赋型成为可行。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种TD-CDMA系统的性能优化方法，在周期反馈的基础上，动态调节反馈的周期，以及时、有效地反馈所需的信道质量指示信息，增大用户方位信息更新频率，并且有效降低系统上行干扰和负荷，提高系统中智能天线上行到达角估计和下行波束赋形的精度。
本发明提供的一种TD-CDMA系统的性能优化方法，包括步骤周期性地测量下行物理信道质量并反馈信道质量指示信息CQI，反馈移动终端UE所接收到的数据正确与否的信息ACK/NAK，并反馈智能天线波束赋形所需Midamble码信息；根据用户信道的相关性和/或智能天线波束赋形所需Midamble码精度，动态调整所述反馈的周期设置第一预定反馈周期T1，当用户终端处于数据传输的静默期，以该第一预定周期T1进行信道质量指示信息反馈；设置第二预定反馈周期T2，当用户终端在进行数据传送期间，以该周期T2进行信道质量指示信息反馈；其中T2＜T1。
该方法进一步包括设置上行Midamble码反馈因子(Midamble反馈的最小时间间隔，为TTI的整数倍)增大用户方位信息更新频率，提高系统中智能天线上行到达角估计和下行波束赋形的精度。
其中所述用户信道的相关性包括信道环境和网络负荷、干扰因素，其特征在于，当信道环境越差和/或网络负荷越重和/或干扰越大时，将第一预定反馈周期T1的值设置得越小。
所述T1和T2的值均可动态调整，且为传输时间间隔TTI的整数倍。
当数据误块率BLER大于预定的门限值时，减小所述第二预定反馈周期T2的值，当数据误块率BLER小于预定的门限值时，增大所述第二预定反馈周期T2的值。
当下行信道传输的数据出错时，加大上行信道反馈CQI信息的频率。
若下行数据传输错误，则随接收数据错误指示信息NAK在上行加传信道质量指示信息。
综上所述，本发明通过将周期性和触发性信道质量指示(CQI)反馈相结合并通过自适应调节Midamble码信息反馈频率来保障TDD系统中智能天线上行到达角(DoA)估计和下行波束赋形所需信息的有效性。
利用本发明的方法，可在不增加软硬件要求和物理层信令开销基础上，以尽可能小的上行无线资源利用来保障信道质量反馈的及时性和有效性。同时，本发明通过自适应调节Midamble码反馈速率来支持TD-CDMA系统所广泛采用的智能天线技术，灵活地调节了TD-CDMA系统中传统CQI反馈信息保障和信道质量恶化时调整反馈频率与增加“附加反馈”的传输，实现同时获得下行高吞吐量和上行低码间干扰的目的。很好地解决了上行联合检测/下行波束赋型精度要求与分组数据传输突发特性之间的矛盾，增强TD-CDMA系统空中接口方案的后向兼容能力，更好地发挥TDD系统与智能天线技术结合的优势，从而进一步提高系统吞吐量、传输正确率，降低传输时延。
图1为本发明的系统性能优化方法中的信道质量信息反馈具体流程图；图2A、2B分别是为全向天线、智能天线下所得归一化系统BLER仿真结果；图3A、3B分别为全向天线、智能天线下所得小区吞吐量曲线仿真结果为；图4A、4B分别为全向天线、智能天线下所得反馈周期的比例分布的仿真结果；图5A、5B分别为全向天线、智能天线下所得资源利用情况的仿真结果；图6为根据本发明的TDD-HSDPA上行信息反馈示意图。
具体实施例方式
为了进一步理解本发明的特性和优点，下面对本发明进行详细说明。
本发明的主要思想是通过动态调整高速下行分组接入HSDPA中上行信息反馈的频率，及时有效地反馈信道质量信息，以反映高速下行物理信道HS-DSCH上的数据传输情况，以及依据上行Midamble码反馈因子，即Midamble反馈的最小时间间隔，为TTI的整数倍，及时反馈上行信息，提高系统中智能天线上行到达角(DoA)估计和下行波束赋形精度，以提供更为精确的用户方位信息。反馈的信道质量信息包括周期性下行物理信道质量测量反馈，即通常所说的CQI反馈；用于指示移动终端UE所接收到的HS-DSCH数据正确与否的确认ACK/未确认NAK信息反馈，该反馈为触发性反馈；用于实现TDD系统中智能天线技术而进行的Midamble码反馈。本发明通过将周期性和触发性信道质量指示(CQI)反馈相结合并通过自适应调节Midamble码信息反馈频率来保障TDD系统中智能天线上行到达角(DoA)估计和下行波束赋形的有效性。
在高速分组码分多址接入系统中，通常周期性地测量下行物理信道质量并反馈信道质量指示信息CQI。高层(相对于物理层)信令对所有已通过分组接入的移动台根据其处理能力确定一个CQI反馈频率，一般为传输时间间隔(TTI)的整数倍，并为其指定相应的上行信道化码。移动台则依据此频率进行CQI信息反馈；快速混合自动重传(HARQ，Hybrid Automatic Repeat Request)是指接收方在解码失败的情况下，保存接收到的数据，并要求发送方重传数据；接收方将重传的数据和先前接收到的数据在解码之前进行组合。混合自动重传技术可显著地提高系统性能，并可灵活地调整有效码元速率，还可解决由于采用链路适配所带来的误码问题。因此在高速分组码分多址接入系统中，通常采用HARQ技术。为支持混合自动重传请求(HARQ，)技术，移动台UE在接收到HS-DSCH上的传输数据后，根据其采用的HARQ类型对其进行解码/合并判决本次传输是否正确，并产生ACK/NAK指示信息，并在下一可用HS-SICH上反馈该信息。该类反馈为触发性反馈，反馈信息为ACK/NAK，只有当该反馈与CQI反馈在时间片上重合时才会同时传输这两类信息。
本发明中涉及的有关UMTS-HSDPA的现有技术内容参见文献Study ofchannel quality feedback in UMTS HSDPA，IEEE proceeding 14thPIMRC，2003以及“Efficient channel quality feedback schemes for adaptivemodulation and coding of packet data”，Vehicular TechnologyConference，2004.VTC2004-Fall.2004 IEEE 60thVolume 2。
为了更为及时、有效地支持高速下行分组业务接入，在考虑到不增加软硬件设备并不影响当前其他规范的基础上，在周期性地反馈CQI的基础上引入触发CQI反馈机制，并且为支持智能天线技术引入了Midamble码反馈保障机制，本发明提出了一种自适应调整信道质量信息反馈频率的方案，该方案按如下步骤执行根据用户信道的相关性和/或智能天线波束赋形所需要Midamble码信息精度，设置第一预定周期T1，当用户终端处于数据传输的静默期，以该第一预定周期T1进行信道质量指示信息反馈；在数据传输的静默(IDLE)时期，以T1为周期进行反馈。该参数的设置主要考虑用户信道的相关性与波束赋形所需要Midamble码信息的精度以及上行资源的合理分配，T1值的具体设置与实际网络的负荷和信道环境密切相关，如在恶劣信道环境和网络负荷较重、干扰较重的情况下，则需要将该值设置较小。具体的T1值需要依据不同的情况灵活调整，需要在网络规划和优化过程中对该值进行仿真结合实际测试结果获得最优解。
设置第二预定周期T2，当用户终端在进行数据传送期间，以该周期T2进行信道质量指示信息反馈；其中T2＜T1；对于进行数据传送的用户，则以T2为周期进行CQI信息反馈，然后每N个TTI更新一次T2的值。更新方法如下如果N个TTI内的BLER(误块率)大于BLER门限Threshold，则减小T2的值，否则增大T2的值，并且T2值增减幅度亦可调节。T2的最小值可为1，即每个TTI均反馈，以提高信道质量达到系统设计的最高精度并提高更为准确的用户方位信息；若下行(HS-DSCH信道)传输的数据出错，则在上行HS-SICH信道加传CQI信息，以及时反馈有关信息。由于CQI信息和Midamble码所承载信息可以随着NACK一起反馈，并不占用多余资源；对于CQI信息只包含MCS(Modulation and Coding Set)建议方案的情况，当本次MCS与上次发送的MCS方案一致时不进行反馈，数据传输仍按照原CQI信息建议的MCS方案进行。
图1为本发明的系统性能优化方法中的信道质量信息反馈具体流程图。
在上述方案中，将T1、T2、T3均设置为TTI的整数倍。该方案综合考虑了分组数据业务的突发性和数据传输的可靠性要求，结合前者以减少上行资源利用为目的，从而降低上行干扰并保证反馈信息传输可靠性；后者则主要考虑保障反馈信息的及时性以保障下行数据发送所选MCS的正确性。该方案对系统的性能优化主要表现为首先，相对于传统方案，在数据传输的静默(IDLE)时期以较小的频率进行反馈，可以显著降低反馈的频率，从而可以降低上行干扰，在数据传输开始后，由于基站侧需要获得较精确的CQI信息，需要加大信道质量的反馈频率，以及时地提供用户信道质量信息，为下行的自适应调制编码(AMC)、分组调度等技术的实现提供更为精确的信息。特别的，考虑由于无线信道质量波动比较厉害，在方案中，当误块率大于一定的门限，表明基站侧用户的信道质量信息不够精确，数据的传输出现错误，就需要加大反馈频率，以提供更为精确的用户信道质量信息。当误块率降低到一定门限以下后，表明数据传输较准确，基站侧的用户信息较为准确，即可以降低CQI的反馈频率，这样可以显著降低上行干扰，保障信道质量信息传输的准确性。如果先后两次反馈的CQI信息一致的话，可以不需要反馈，这样可以减少反馈的数据量，降低系统上行负载和干扰。
智能天线的应用依赖于上行DoA估计和下行波束赋型技术，基站首先使用训练序列(Midamble码)估计出各个天线阵元上的信道特性，然后依据各个天线阵元上的信道信息，使用DoA估计算法测算出用户信号的来波方向，从而确定用户的方位，产生加权矩阵，调节各个天线阵元激励的幅度和相位值，产生下行波束赋型。
智能天线系统中用户的位置移动，特别是在高速情况下，会严重影响上行DoA估计和下行波束赋型的准确度，从而使系统BLER变大，该问题在用户数据传输停止一段时间后重新开始新的数据传输时最为严重。通过增加用于DoA估计和波束赋型的Midamble码反馈频率以提供更为精确的用户的方位信息即可解决此问题。
为了对上述方案性能与可行性进行评估，搭建了一个动态系统级仿真平台对其进行了仿真研究，表1所示为一种典型例子的有关设置，给出了该典型例子下的本自适应方案的性能优化结果。
反馈信息是否及时且正确与否将主要体现为MCS选择是否合适如果MCS选择过高，则会导致传输出错可能性加大，系统BLER将增大，所以评价该方案的主要性能指标是系统BLER，另外考虑到上行干扰和上行资源利用情况，反馈周期的PDF也需要进行重点分析对比，以下是仿真结果系统BLER图2A、2B分别是为全向天线、智能天线下所得归一化系统BLER仿真结果。传统反馈方案T＝3、4、5、10和自适应方案相对于T＝1这种最理想方案的归一化系统BLER，从图中可看出，自适应方案性能与T＝4的传统反馈方案性能类似，而且在系统负载较大时，由于干扰加剧，BLER将增大，这样自适应方案处于T＝1或者T＝4的概率加大，这样使得其性能相比用户数少时更接近T＝1的传统反馈方案性能。
小区平均吞吐量图3A、3B分别为全向天线、智能天线下所得小区吞吐量曲线仿真结果。从上图的小区吞吐量曲线可看出，自适应方案性能与T＝4的传统反馈方案性能相近；智能天线下由于天线增益和干扰消除的作用使得各方案性能差别不大。
反馈周期的比例分布图4A、4B分别为全向天线、智能天线下所得反馈周期的比例分布的仿真结果。随着用户数增加，系统负载加大，自适应方案中选择T＝30的比例降低，选择T＝4和1的比例上升。随系统负载增大，系统干扰加剧，这样传输的有效性得不到保障，BLER加大将导致选择T＝1的概率加大。由于智能天线引入的天线增益和干扰消除作用使得智能天线下传输有效性和可靠性升高，相比全向天线而言，其反馈周期为4和30的概率要大。反馈周期为4的概率大是因为传输的可靠性高，而反馈周期为30概率较大是因为传输有效性高使得数据很快就能够被传输结束，从而进入到IDLE状态的时间增多。
资源利用情况图5A、5B分别为全向天线、智能天线下所得资源利用情况的仿真结果。
从图5可看出，自适应方案在系统负载较大时(每小区21.1个用户)其资源占用仍相当于T＝12的传统反馈方案的资源占用情况。该方案减少上行反馈的频率，可显著降低上行干扰，确保CQI信息的正确性。同样由于智能天线所带来的系统性能增益，即使是在重负荷情况下，其资源占用相当于T＝18的传统反馈方案的资源占用情况。
从上述典型例子的仿真结果来看在轻度和重度负荷下，该方案以大约低于传统反馈方案3-4倍的资源利用获得了相应的性能。即使是在超重负荷下，该方案的资源利用也低于传统反馈方案，这一点说明本方案可以以较低资源利用保证反馈信息的及时性和有效性。另外正是由于降低了资源利用从而降低了反馈频率，从而显著降低了上行干扰以确保反馈信息传输的准确性。本方案相比于传统方案而言，可以获得明显的性能优化。
由于一旦发现数据传输可靠性变差，该方案立即提高反馈频率，这样可显著提高关于用户方位的更精确信息，从而使得下行波束赋型的精度更高。而且由于资源利用大大降低，可通过加传Midamble信息增大用户方位信息更新频率。为此我们设定了一个剩余Midamble码反馈因子Mf，该因子的设定主要依据下行波束赋型所需上行反馈Midamble码的精度，具体做法是如果某个处于业务激活状态的用户在连续Mf个TTI没有任何上行信息反馈，则加传一次上行反馈，已提供用于DoA估计和波束赋型的Midamble码信息，从而获得用户最新的方位信息。最终方案的做法可以参见图6。
图6中 表示依据传统方案需要反馈的CQI反馈信息，包括Midamble码； 表示ACK的反馈刚好和传统反馈CQI重合， 表示由于传输出错而反馈NACK，与此同时加传CQI给Node-B，以便重传改变MCS以便更好的适应当前的信道情况。 表示反馈ACK，但并不是用户CQI反馈的时间，所以仅仅反馈ACK。 表示没有任何反馈信息。需要注意的是，图中每个用户周期性反馈的反馈频率不固定，需要依据下行数据传输的BLER来调整，用户1可能处在数据传输的静默期，其反馈周期为8，而用户4可能信道变化比较剧烈，数据传输可靠性较差，其反馈周期为1。用户1由于很长时间没有上行反馈信息，其加传了一次Midamble信息(图中 所示，剩余Midamble码反馈因子Mf设为5)。
以上所述仅为本发明的示范性实施例，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、更改等，均包含在本发明的保护范围内。
权利要求
1.一种TD-CDMA系统的性能优化方法，其特征在于，包括步骤周期性地测量下行物理信道质量并反馈信道质量指示信息CQI，反馈移动终端UE所接收到的数据正确与否的信息ACK/NAK，以及智能天线波束赋形所需Midamble码；根据用户信道的相关性和/或智能天线波束赋形所需Midamble码精度，动态调整所述反馈的周期设置第一预定反馈周期T1，当用户终端处于数据传输的静默期，以该第一预定周期T1进行信道质量指示信息反馈；设置第二预定反馈周期T2，当用户终端在进行数据传送期间，以该周期T2进行信道质量指示信息反馈；其中T2＜T1。
2.如权利要求1所述的性能优化方法，其特征在于，该方法进一步包括设置上行Midamble码反馈因子，增大用户方位信息更新频率，提高系统中智能天线上行到达角估计和下行波束赋形的精度。
3.如权利要求1所述的性能优化方法，其中所述用户信道的相关性包括信道环境和网络负荷、干扰因素，其特征在于，当信道环境越差和/或网络负荷越重和/或干扰越大时，将第一预定反馈周期T1的值设置得越小。
4.如权利要求1或2所述的性能优化方法，其特征在于，所述T1和T2的值均可动态调整，且为传输时间间隔TTI的整数倍。
5.如权利要求1所述的性能优化方法，其特征在于，当数据误块率BLER大于预定的门限值时，减小所述第二预定反馈周期T2的值，当数据误块率BLER小于预定的门限值时，增大所述第二预定反馈周期T2的值。
6.如权利要求5所述的性能优化方法，其特征在于，当下行信道传输的数据出错时，加大上行信道反馈CQI信息的频率。
7.如权利要求1所述的性能优化方法，其特征在于，若下行数据传输错误，则随接收数据错误指示信息NAK在上行加传信道质量指示信息。
全文摘要
本发明涉及一种TD－CDMA系统的性能优化方法，包括周期性地测量下行物理信道质量并反馈信道质量指示信息CQI，反馈移动终端所接收的数据正确与否的信息ACK/NAK以及智能天线波束赋形所需上行信息；根据用户信道的相关性和/或智能天线波束赋形所需Midamble码精度，动态调整反馈周期，当用户终端处于数据传输的静默期，以预定周期T1进行信道质量指示信息反馈；当用户终端在进行数据传送期间，以预定周期T2进行信道质量指示信息反馈；其中T2＜T1。本发明通过自适应调节Midamble码信息反馈频率来保障智能天线上行到达角(DoA)估计和下行波束赋形所需信息的有效性，更好地发挥TD－CDMA系统与智能天线技术结合的优势，从而进一步提高系统吞吐量、传输正确率，降低传输时延。
文档编号H04L1/00GK101060389SQ200610076419
公开日2007年10月24日 申请日期2006年4月20日 优先权日2006年4月20日
发明者彭涛, 堵久辉, 陈书平, 王文博 申请人:大唐移动通信设备有限公司