TD-SCDMA无线网络多层网规划研究.doc

TD-SCDMA无线网络多层网规划研究田 勇1，蔡 希2，章 莹1，李晖晖2(1.中国移动通信集团广东有限公司深圳分公司 深圳 518048；2.中国移动通信集团广东有限公司 广州 510100)摘要 本文探讨了TD-SCDMA无线网络多层网的组网策略，仿真了微蜂窝在宏小区连续覆盖区域中的盲区、“热点”进行同频、异频分层组网时的网络性能，并提出具有实际指导意义的宏微基站组网技术，然后详细研究多层网的无线资源管理策略，最后考察实际组网的各种情况，分析了各种具体场景下TD-SCDMA系统之间的干扰情况，并给出了避免干扰所需的隔离值。关键词TD-SCDMA；HCS；干扰1引言目前在中国移动TD-SCDMA扩大的试验网中，TD-SCDMA站点利用GSM站点的比例较高，但单基站的TD-SCDMA覆盖能力较GSM差，导致出现：高层建筑覆盖的“盲点”，以及相对于GSM覆盖产生的TD-SCDMA覆盖盲区；TD-SCDMA分流GSM系统的话务量以及承载各种新业务产生“热点”。为了解决上述问题，与GSM类似，可采用小区分层结构（hierarchical cell structure, HCS）引入层之间的优先级，优先级低的层提供覆盖，而优先级高的层提供容量，即室外覆盖可以考虑使用微蜂窝作为宏蜂窝的补充，即通过宏蜂窝满足大部分区域的覆盖和容量，微蜂窝来对部分区域“补盲”和“补热”。2TD-SCDMA多层组网可行性分析本节主要通过系统仿真研究TD-SCDMA多层组网的可行性。TD-SCDMA系统仿真的核心是干扰的计算，仿真中通过计算上/下行信噪比来确定能否接入网络。功控过程考虑基站发射功率是否过载，当出现过载时，优先衰减所需功率较大的用户功率。仿真中密集城区室外宏蜂窝传播模型采用双折线模型：公式(1)中PL表示传播损耗(dB)，dc为拐点距离，d为UE到基站的距离。在工作频率为2.0 GHz、基站高度30 m、UE高度1.5 m的假设前提下，公式(1)中的参数建议值为：A取33 dB，B1取31.2，B2取47.8，dc取380 m。微蜂窝采用COST231-Walfish-Ikegami传播模型，仿真中采用低基站天线情况，此时，基站天线低于周围建筑物的平均高度，信号在街道形成的峡谷中传播，传播损耗模型如下： 公式(2)中d为UE到基站的距离（单位为km），f为工作频率（单位为MHz）。在宏小区覆盖场景下模拟盲区，需要确定盲区的中心位置坐标和半径。仿真中的基站均为三扇区定向站，选择3个典型位置仿真不同盲区的影响。图1中A、B、C 3点分别为模拟盲区的中心位置。A点是中心小区主瓣正前方0.5倍半径的位置，B点是0.8倍半径的位置，C点是3个宏小区交界处。对于4通道天线微基站和单个全向微基站，微基站的位置与中心位置重合，对于单扇区定向微基站，放置在图中三角形表示的位置，主瓣朝向正东，并加一定的下倾角。仿真中假设盲区是由于物理间隔造成宏小区信号大幅衰减而产生的，在宏小区和微小区撒布用户时，由于存在物理间隔造成的盲区，在给定微蜂窝半径范围内的用户到宏小区的路损以及非盲区的用户到微基站的路损都增加物理隔离。对于热点地区的建模，仍将微基站放置在给定的A、B、C 3点位置上，适当地增加相关小区的用户数，考察此时系统的中断率情况（仿真中中断率不大于2%）。经过系统仿真，得出如下结果。 当宏小区覆盖区域中存在盲区时，会使系统上/下行中断率增加。对于上行，落于盲区的部分用户由于物理隔离的原因使得发射最大上行功率时仍无法达到目标SIR，使得上行中断率增加；对于下行，基站需要分配更多的功率给盲区中的用户，由此导致基站功率受限，同时盲区用户下行功率的增加给其他用户带来的干扰增大，增加中断率。 比较不同位置的盲区，若盲区完全处于一个宏小区扇区内，则越靠近宏小区边缘对系统性能影响越大；若盲区处于小区的交界处，一方面距离基站较远导致干扰增大， 另一方面，盲区中的用户可以选择接入不同的宏小区使得下行功率受限、干扰等影响降低，最终的系统性能为两方面因素综合作用的结果。 对于4通道天线微基站，有盲区时由于微蜂窝分担了宏基站的部分话务量，使得整体的性能有所改善；若盲区完全处于一个宏小区扇区内，则盲区靠近小区边缘时性能提高得更明显，因此可在盲区中引入同频4通道天线微基站。 在宏小区的盲区中引入全向单天线微基站后，微基站吸纳的用户相比于4通道天线情况要多些，这主要是由于全向单天线本身没有下倾角或者下倾角很小，微基站的功率会散布较远，易产生越区覆盖。从仿真结果来看，微基站分担的用户较多，虽然全向单天线微基站中的用户没有波束赋形，但宏基站本身智能天线的抗干扰能力较强，因此宏基站的中断率比较理想，但由于全向单天线相比于多天线自身的劣势，抗干扰能力很弱，使得接入微基站的用户的中断率很高，系统整体性能也明显下降，因此在盲区中不宜引入同频全向单天线微基站。 对于定向单天线，同频有盲区时需要视具体情况而定，尽量将微基站放置于小区边缘，异频时有盲区可以引入定向站。 在宏小区仅存在热点的情况下，若热点的话务量中等时（每时隙23个用户），引入4通道天线微基站能够吸纳大部分话务量，系统性能良好，热点越靠近宏小区干扰越大，则系统性能越差，当容量需求高于中等话务量时，为了保证网络性能，建议异频组网。总体来说，宏蜂窝系统中存在盲区时，引入定向同频小区和4通道天线微基站补盲是可行的，实际组网和优化时需要注意定向补盲小区的站高、天线朝向以及方位角的调整，总体原则就是定向补盲天线要尽量避免朝着宏蜂窝天线方向覆盖，适当调整下倾角，使得微蜂窝尽量只覆盖盲区，不要产生过大的越区覆盖，4天线同频组网补盲时靠近宏小区边缘时整体中断率更好。至于补热，通过仿真可以看出，采用4天线同频组网微蜂窝只能够满足中等话务量的容量需求，采用单天线补热时微蜂窝也只能达到2个用户/时隙的容量，均无法实现高话务热点的容量需求，因此为了满足高容量的话务需求，补热微蜂窝应进行异频组网。需要说明的是，如果在TD-SCDMA系统中需要构建广覆盖的高层站(umbrella cell)，其覆盖与低层的宏基站覆盖区有大量重迭（即高层站非严格的补盲），并且部分高层站覆盖区也有较大的话务量，根据仿真结果，这种情况下高层站与中层站必须采用异频覆盖。根据中国移动GSM网的运营经验，TD-SCDMA网络建设初期，为了提供完善的覆盖，可以在小范围内构建多层网络，此时高层站与中层站必须采用异频组网。由于目前TD-SCDMA主频段2 0102 025 MHz 9个频点分配原则中，F1F3用于室内，F7F9用于室外，F4F6原则上根据实际情况合理设置，因此建议高层小区可以使用F4F6，或者国家分配给TD-SCDMA系统的扩展频段的频率。3TD-SCDMA多层网RRM算法研究HCS分层网络结构采用优先级较高的微小区吸收话务，而采用低优先级的宏小区完成覆盖。在使用HCS组网时，需要根据业务的调整以及不同层设计目的设置优先级。下面从小区选择及小区重选、切换和负荷均衡3个方面来阐述HCS网络的无线资源管理算法。3.1小区选择及小区重选在HCS网络中，微小区主要用于吸收话务以解决热点地区的容量问题，因而UE驻留时，应优先选择微小区。只有在微小区覆盖较弱的区域，才驻留在宏小区上。TDD系统中，UE对于小区的驻留条件遵从S准则： 其中Qrxlevmeas表示被测小区的P-CCPCH RSCP，Qrxlevmin表示驻留该小区所需的最小信号强度，Pcompensation=max(UE_TXPWR_MAX_RACH - P_MAX, 0)，UE_TXPWR_ MAX_RACH是UE在随机接入时在RACH上可以使用的最大发射功率，在系统消息中广播，P_MAX是UE的最大RF输出功率。因此，为使UE优先驻留在微小区上，可将其对应的参数Qrxlevmin配置为更小的取值。当UE 驻留在小区并登记成功后，随着UE 的移动，当前小区和邻近小区的信号强度都在不断变化，UE 就要选择一个最合适的小区，即小区重选过程。HCS网络根据UE的移动状态进行小区重选时采用下面的测量规则。（1）UE处于非高速移动时的测量规则如图2所示，SsearchHCS表示不同HCS级别小区重选测量启动门限。如果系统使用了HCS，但当前服务小区的SsearchHCS没有发送给UE，则UE将测量所有的频内、频间邻区。从上面的测量规则可知，如果SsearchHCS设置过小，会导致UE未及时进行测量，使得UE不能及时重选，该参数设置过大，会导致UE频繁重选，浪费电池资源。（2）UE处于高速移动时的测量规则当UE检测到在时间TCRmax 内小区重选的次数超过NCR次，UE进入高速移动状态，此时UE的测量规则如图3所示。当UE在时间TCRmax内小区重选的次数不再超过NCR时，继续测量TCRmaxHyst 时长，如果在这段时间内检测到处于非高速移动状态，UE将退出高速移动状态，返回到非高速移动时的测量规则。HCS小区重选准则如下。 UE根据其移动状态，按照高速和非高速的测量规则进行测量，筛选出满足S准则的邻区。 对满足S准则的邻区（含服务小区本身）将采用H准则进行计算2。 HsQmeas,s-Qhcss Hn=Qmeas,n-Qhcsn-TOnLn其中：TOn=TEMP_OFFSETnW(PENALTY_TIMEn-Tn)； Ln=0，若HCS_PRIOn=HCS_PRIOs； Ln=1，若HCS_PRIOnHCS_PRIOs；W(x)=0，若x0； W(x)=1，若x0。各参数的具体含义见参考文献2。UE将根据其移动状态按照图4、5所示的规则选择部分小区。 对上面筛选出的小区再采用R准则进行排序，当排序后的最优小区的迟滞时间超过Treselections后，UE将重选到该小区上。R准则即小区重选排队算法，具体见参考文献2。由于上述各规则的计算涉及到小区的优先级HCS_PRIO（取值为07，7对应最高优先级），为确保微小区吸收话务，需将其设置较高的优先级。3.2切换HCS网络中，宏小区为微小区的同覆盖小区，为减少彼此间的干扰，一般配成异频小区，其总体原则如下。 如果检测到UE处于高速移动状态，而UE处于微小区中，将UE优先切换至其同覆盖的宏小区。 当UE处于高速移动状态时，且UE处于宏小区中，如果切换触发事件报告微小区，此时可不考虑切换，而如果切换触发事件报告宏小区，则执行切换。 当UE处于非高速移动状态时，无论切换触发事件报告微小区还是宏小区都执行切换。根据触发源的不同，对HCS网络的切换，大致可分为3种不同的情况。 第1种情况：基于UE移动速度的切换，当UE处于微小区中，如果RNC检测到UE移动速度较快（UE在设定时间内切换的次数超过某一门限值），为避免频繁切换导致的资源浪费及可能的掉话，可将UE优先切换至其同覆盖的宏小区中。 第2种情况：基于无线信号强度的切换，此时需要保证UE处于非高速移动状态。在HCS网络中，如果UE处于微小区，切换时尽可能向微小区切换；如果UE处于宏小区，切换迟滞参数的配置优先切往微小区，这种情况下，应将微小区的切换迟滞参数H2a配置为较小的取值。 第3种情况：基于小区负荷的切换，当UE处于微小区时，可触发基于小区负荷的切换，即当UE所处微小区因负荷过高发生拥塞时，可将其切往异频同覆盖的宏小区。其中，第1种情况的优先级要高于第2种和第3种，即HCS网络切换时优先考虑基于UE移动速度的切换。需要说明的是，TD-SCDMA中常用的DCA算法是基于小区内的信道负荷和载波负荷的资源调整，而该HCS场景的切换是基于小区间的负荷分担，是在DCA调整完成后小区资源仍不能满足要求的情况下进行的负荷分担方式。根据HCS网络的切换策略，在进行TD-SCDMA与GSM互操作时，为了减少UE测量的小区数和系统间频繁的切换次数，邻区定义可采用如下策略：微小区不定义GSM邻区，用于吸收TD-SCDMA系统的话务，保证其不与GSM发生切换；宏小区定义GSM邻区，用于保障覆盖，作为TD-SCDMA系统与GSM切换的桥梁。需要注意的是，上面的邻区设置策略将会使得宏小区比较繁忙，需要在参数设置上加以控制，保证宏小区的话务在适当的水平上。3.3负荷均衡HCS小区间负荷均衡包括如下内容。RRC（无线资源控制）连接过程中的负荷均衡：当用户在微小区中，发起RRC连接建立请求，如果微小区负载较重，例如已经处于过载状态或接纳不成功，而宏小区负载水平较低，则RNC（无线网络控制器）直接将RRC链接建立在宏小区。RAB（无线接入承载）指派过程中的负荷均衡：当用户在微小区中，发起了RAB指派过程，如果微小区负载较重，而宏小区负载水平较低，则RNC直接将RB（无线承载）建立在宏小区中，这种策略可有效分摊负荷，提高系统接入成功率。系统切换过程中的负荷均衡：当用户由于移动需要切换至微小区覆盖范围，如果微小区负荷较重，而宏小区负荷较轻，则RNC直接将UE切换至宏小区。4TD-SCDMA多层网干扰分析在实际TD-SCDMA系统组网时，可能存在各种各样的干扰,下面对实际组网中存在的干扰情况进行具体分析，采用的频率均为2 015 MHz。4.1交错时隙干扰分析当同一区域的BS不同载波时隙比分别配置为33和24，既满足数据的需求也满足语音话务需求，这样，在第3时隙存在交错情况，产生上/下行链路之间的干扰（存在基站对基站和手机对手机的干扰），此时需要判断不同时隙比例配置的BS能否共址/共存，如果能够共址或者共存，则需要计算具体的隔离度和隔离距离。根据理论分析，系统邻频时的邻信道干扰功率比（ACIR）达到45 dB，可以满足全向和扇区天线基站的共存要求。仿真中配置为邻频的TD-SCDMA基站之间的MCL取50 dB，通过仿真结果可知此时不需要额外的隔离措施可满足共存/共站，其互不干扰所需距离隔离估算见表1。从仿真结果来看，交错时隙配置时，需要一定的隔离措施才可以共站。如果采用频率隔离，则至少需1.6 MHz的保护间隔，即邻频设置，但需要说明的是，仿真中假设智能天线和动态DCA算法能够很好地规避干扰，并且用户随机产生，两个基站主瓣正对产生强干扰的几率非常小。当方向正对和在一个TD-SCDMA智能天线主瓣之外时，需要隔离的水平距离较大。因此，实际工程中为了实现共址，建议采用垂直隔离，垂直隔离距离大于37 cm。4.2相邻层基站之间的干扰分析中层站采用N频点配置，高层站采用不同于N频点小区的频点，并且与中层站相同时隙比例配置，或者微基站采用不同于N频点小区的频点，并且与中层站相同时隙比例配置，那么满足系统共存所需要的ACIR应小于邻频不同时隙配置的情况，所需要的ACIR为27 dB1。而ACLR1.6 MHz为72 dB(共存)/116 dB（共站），ACS1.6 MHz为45 dB，得到系统邻频时的ACIR为45 dB，可见间隔一个频点，邻频配置满足共站条件所需要的MCL约为50（4527） dB32 dB。隔离距离估算见表2。从计算结果来看，当方向正对时，需要隔离的水平距离较大，而在非方向正对的情况下，水平隔离的结果均属于近区场范围，误差较大，需要在工程实践中进一步确认。因此，实际工程中为了实现共址，应采用垂直隔离，垂直隔离距离大于13 cm。4.3中层站之间的干扰分析在GSM高层建筑中，信号杂乱，且无法形成主导信号，为了解决这个问题，目前采用的主要方法之一是新增一个中层站，将天线上倾用于覆盖高层建筑。在TD-SCDMA系统中，这种方式也是解决高层建筑覆盖的方法之一，需要说明的是，这种结构不是多层网络。上倾站采用相同时隙比例配置，满足系统共存所需要的ACIR应小于邻频不同时隙配置的情况，所需要的ACIR为27 dB1。而ACLR1.6 MHz为72 dB(共存)/116 dB（共站），ACS1.6 MHz为45 dB，得到系统邻频时的ACIR为45 dB，可见间隔一个频点即邻频配置满足共站条件所需要的MCL约为50（4527）dB32 dB。这种情况下需要注意天线上倾的影响，此时，天线后瓣的增益等于天线增益减去前后比。通常天线的前后比大于20 dB（按照现在TD-SCDMA的天线规范，23 dB或25 dB），实际设备能达到30 dB。加网罩隔离能进一步增大天线的前后比。上倾的天线与其他扇区天线之间的隔离距离估算见表3。从计算结果来看，如前所述，水平隔离的结果均属于近区场范围，误差较大，需要在工程实践中进一步确认。在3种前后比的情况下，所需要的垂直隔离距离容易在工程中实现，而且理论计算的误差较小。因此，为了实现共址，建议采用垂直隔离，垂直隔离距离大于13 cm。5结束语本文研究了TD-SCDMA系