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从TD-SCDMA系统链路预算分析覆盖能力
 
慧聪网   2005年2月25日15时30分   信息来源:泰尔网    

    莫莉 张志强

    1、如何把握TD-SCDMA系统的覆盖能力?

    TD-SCDMA是IMT-2000的三大标准之一,一些业内外人士对其无线网覆盖能力不甚了解,有的没有与其它标准进行深入比较,就怀疑TD-SCDMA的覆盖能力差于WCDMA,特别是由此又认为TD-SCDMA不适合单独组网。

  蜂窝无线网的覆盖能力的大小是通过系统链路预算得出,它需要链路仿真和系统仿真互相初步确认,再通过实际建站和电测最终而确认。即一般在网络规划中,首先确定覆盖、容量、质量三大目标,包括所要覆盖的区域、每个区域所支持的业务类型和业务量、每个区域内每种业务所要达到的覆盖概率等等。初始布局阶段,根据具体要求和覆盖区内的无线传播环境,进行各有关链路预算,以估计基站间距离,可以从覆盖受限方面估计基站站点的大致数目。TD-SCDMA系统独特的帧结构,采用智能天线和联合检测、接力切换等新技术,相比WCDMA系统的链路预算有较大区别,从这些关键点进行链路预算分析,才能把握TD-SCDMA的覆盖能力。

  2、TD-SCDMA系统链路预算的特点

  TD-SCDMA系统中包括TDD制式,使它在传输中能设置一个上行和下行链路的转换点,针对不同类型的业务灵活调整,除了语音业务,最佳适应于无线上网,WWW浏览、收发E-mail,网上银行、娱乐音乐等的上下行传输需求差异。加上智能天线和联合检测的应用,对降低干扰和提高系统容量的作用,很好地扩大了小区的覆盖范围。下面分别展开讨论:

  2.1 TD-SCDMA系统独特的帧结构

  TD-SCDMA帧长度为10ms,1Oms帧分为两个5ms的子帧。图1为TD-SCDMA无线帧子帧结构,一子帧中的业务时隙总共为7个,除时隙Ts0必须用于下行、时隙Ts1必须用于上行方向外,其余时隙的方向可以变化。DwPTS和UpPTS分别对应下行和上行同步时隙,GP为上下行间保护时间间隔。BCH信道映射到主公共控制物理信道(P-CCPCHl和P-CCPCH2),P-CCPCHs以扩频因子16映射到时隙Ts0的前两个码道。

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图1 TD-SCDMA无线帧子帧结构图


  从该帧结构看出,导频信道和BCH信道工作在独立的时隙,它们的干扰情况与业务时隙不同;同时,导频信道和BCH信道采用普通全向波束或定向波束,与业务信道的智能天线波束赋形增益不同。所以,根据TD-SCDMA独特的帧结构,导频信道、BCH信道等公共信道和业务信道的链路预算中的功率分配、干扰储备和天线增益要分别考虑。对于公共信道,TD-SCDMA在功率分配上可以独占基站的发射功率,干扰储备只需考虑公共信道带来的噪声上升,在天线增益上,下行公共信道没有赋形增益;而WCDMA的公共信道和业务信道共享基站的发射功率;干扰储备也需要综合考虑公共信道与业务信道带来的噪声上升。

  2.2 智能天线

  它的基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射,在TDD模式下,上行链路和下行链路使用同一个频带,基站端可根据在上行链路上得到的接收信号来估测信道信息,就能较准确地判断下行链路的多径信道的衰落特性,实现良好的下行波束成形,同时采用了很低成本的低输出功率放大器。通过多波束形成使期望用户接收的信号功率最大,而使其他位置上的非期望用户收到的干扰最小。这将大大降低多址干扰,增加基站侧等效接收灵敏度和等效发射功率,增加最大等效增益为9dB左右,它对提高TD-SCDMA的覆盖起了关键作用。由于WCDMA上下行的保护频带很宽,以上行信号来估测,判断下行链路的多径信道的衰落特性非常困难,只有破解这一难关,才能引入智能天线。

  2.3 联合检测

  在CDMA通信系统中,由于多个用户的随机接入,所使用的扩频码集一般并非严格正交,同时由于用户离基站远近不同,基站接收到的各用户信号功率可能相差很大,而即使各用户到基站距离相等,多径衰落的存在也会使到达基站信号各不相同,到达接收机的各用户信号将会互相干扰,这样强信号会淹没弱用户信号,产生远近效应。

  联合检测是把所有用户的信号都当作有用信号,而不是干扰信号来处理,这样就可以充分利用各用户信号的码号、幅度、定时和延迟等信息,从而大幅度地降低多径多址干扰。TD-SCDMA是一个时域和帧控的TDMA方案,因此,每载波的用户大都被分布到每个帧的各传输方向的时隙,最终使每时隙中并行用户的数量很少。可通过较低的计算量和较低的信干比要求即可被有效地检测到。联合检测已应用在从8kbps到384kbps等多种传输速率的TD-SCDMA技术中。智能天线和联合检测降低了小区干扰,从而大大提高了系统容量。

  2.4 软切换与接力切换

  WCDMA采用了软切换,这是CDMA系统提高容量的一个主要手段,实施软切换的核心是宏分集技术。宏分集可以给系统带来软切换增益,但是其需要冗余地占用信道资源,会降低系统可用容量。此外,软切换还有一大特点就是只能在同载波上实现软切换。

  接力切换使用上行预同步技术,在切换过程中,UE从源小区接收下行数据,向目标小区发送上行数据,即上下行通信链路先后转移到目标小区,提高切换的成功率;它既有一般CDMA系统切换成功率高的优点,又不需要占用过多的资源,从而使得系统容量有明显提高。

  3、TD-SCDMA链路预算与WCDMA链路预算的区别

  3.1 波束成形增益

  TD-SCDMA波束赋形增益最大按9dB计算,而WCDMA此增益为0。

  3.2 接力切换/软切换增益

  当移动台处于两个(或三个)小区的交界处进行软切换时,会有两个(或三个)基站在同时向它发送相同的信息,移动台搜索并解调这些信号,即可按一定的方式(如最大比方式)进行分集合并。即软切换通过减少所需的对数正态衰落储备,带来一个对抗慢衰落的增益。这是因为基站间的慢衰落是部分不相关的。由于宏分集合并的作用,软切换减少了相对于单个无线链路所需的Eb/No值,带来一个对抗快衰落的附加宏分集增益。

  WCDMA有软切换增益约加3dB,TD-SCDMA虽无软切换增益,但采用接力切换,不需要同时和两个甚至三个基站联系,它的高资源利用率能提高容量。

  3.3 扩频处理增益

  扩频就是将每一个数据用户比特与一个包括N个比特的码序列(码片)相乘。最后得到的扩展后的数据速率为原来数据速率的N倍,这时,扩频因子为N。将信号速率乘以N相当于用户数据信号的带宽扩展,在相关检测中,用户的信号幅度比其他干扰系统的其它用户信号幅度平均增大了N倍。这种增强抗干扰的效果简称为“扩频增益”。对于WCDMA系统,采用码分多址方式(CDMA),数据速率主要与扩频因子有关。

  对于TD-SCDMA系统,采用码分多址(CDMA)和时分多址(TDMA)相结合的方式,高业务数据速率可通过用几个时隙并行传输得到,因此不能简单地象WCDMA那样由数据速率得到处理增益,处理增益与扩频因子,编码方式,调制方式有关,根据规范3GPP TR25.928,得到处理增益:

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  其中,Rc信道编码器速率(取决于服务)

  M:数据符号表的大小

  B:用户带宽

  Q:每符号码片数

  Tc:码片时长

  若考虑12.2kbps话音业务,TD-SCDMA用户带宽为1.6M,M=4,Tc=1/1.28M,Rc=0.3971,Q=8,则处理增益为11dB;WCDMA处理增益约为21dB。

  3.4 基站功率分配

  TD-SCDMA系统部分公共信道与专用信道采用时分方式隔离:DwPCH在DwPTS中,BCH信道映射到主公共控制物理信道(P-CCPCH1和P-CCPCH2),P-CCPCHs以扩频因子16映射到时隙Ts0的前两个码道,PCH和FACH可以映射到一个或多个辅助公共控制物理信道(S-CCPCH),这种方法可PCH和FACH的数量可以满足不同的需要,S-CCPCH可以在TSO中与P-CCPCH分配不同的码道,也可以在同一码道上进行时分复用,也可以将它分配到其它任一下行时隙上,DPCH在TS1~TS6中。这样,部分公共信道的发射功率与专用信道的发射功率相对独立,而同时时分技术将用户分配到不同的时隙上,时分复用保证了业务信道也有很好的功率分配,并且使影响自干扰的因素显著降低,加上TD-SCDMA采用智能天线和联合检测来抑制CDMA自干扰,使得TD-SCDMA呼吸效应很小,有类似GSM的特性。

  WCDMA系统的公共信道与专用信道采用码分方式隔离,公共信道的发射功率与专用信道的发射功率共享基站的总发射功率,稳定地成比例地消耗功率,将导致功率分配受限,特别是高速数据业务功率分配将导致覆盖下降—呼吸效应明显,市内站距有平均化倾向。

  以县城来分析,TD-SCDM对普通县城可以类似2G发展初期的一个高大天线的基站,形成广域覆盖,码道受限则采取增加载频来解决;而WCDMA则一般需要3个基站来覆盖普通县城,以减小呼吸效应带来的外围覆盖漏洞。以覆盖100个县的省来估算,TD-SCDMA有可能减少基站上百个;在地级市城区3G建设初期因此方面的优势,TD-SCDMA也能减少些基站,站址位置要求也比WCDMA宽松。

  3.5 基站馈线损耗

  TD-SCDMA系统中,智能天线的功放直接安装在楼顶天线口,较准天线系统可以补偿部分馈线损耗,一般情况下不需要考虑馈线损耗,而WCDMA的天线建塔安装,馈线损耗与天线挂高有关,通常要增加损耗3dB左右。

  3.6 移动台发射功率等级

  TD-SCDMA移动台功率等级见下表1[1],WCDMA移动台功率等级如下表2[2]所示,

  表1 TD-SCDMA移动台功率等级

Power Class

Nominal maximum output power

Tolerance

1

+30 dBm

+1 dB / -3 dB

2

+24 dBm

+1 dB / -3 dB

3

+21 dBm

+2 dB / -2 dB

4

+10 dBm

+4 dB / -4 dB



  表2 WCDMA移动台功率等级

Power Class

Nominal maximum output power

Tolerance

1

+33 dBm

+1/-3 dB

2

+27 dBm

+1/-3 dB

3

+24 dBm

+1/-3 dB

4

+21 dBm

±2 dB



  3.7 汇总分析和试验结果

  根据对TD-SCDMA的链路预算的分析和大唐公司的试验网实测,概略得出:TD-SCDMA覆盖仍是上行受限,表3分析了在连续覆盖的12.2K业务信道的典型条件下,TD-SCDMA与WCDMA系统的同等传播条件下的差异比较,可以看出,12.2kbps业务TD-SCDMA的覆盖还优于WCDMA,在其它情况下,覆盖至少基本一致。两系统的五点关键区别,列于表3。

  表3 12.2kbps业务.TD-SCDMA与WCDMA系统的同等传播条件下的差异比较

差别项目

TD-SCDMA

WCDMA

扩频系数和处理增益

8

128(+10dB)

热噪声带宽

1.28MHz(+5dB)

3.8MHz

智能天线赋形增益

有(+9dB)

无(0)

天线馈线损耗

有(-3dB)

接力切换/软切换增益

考虑接力切换

软(+3dB)

概略总增益小计

14dB

10dB



  4、结束语

  分析表明,TD-SCDMA的覆盖小区半径和WCDMA的完全可比,甚至TD-SCDMA还占有一定优势。也就是说,TD-SCDMA系统,从覆盖能力的角度是完全可以独立组网的。
 
 
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