TD-SCDMA远程覆盖与室内覆盖技术要点分析.doc

TD-SCDMA远程覆盖与室内覆盖技术要点分析1、引言 在中国政府高姿态支持TD-SCDMA标准产业化之后，高通、北电、西门子、阿尔卡特、三星等跨国公司纷纷加强了对TD-SCDMA的投入，加上国内原有的TD-SCDMA联盟成员，TD-SCDMA产业链开始日趋完善，TD-SCDMA系统设备及手机的商用程度也不断提高，特别是TD-SCDMA预商用网的规模实施，使得TD-SCDMA独立运营组网的可行性也愈加清晰可见。 作为全球三大3G标准之一，TD-SCDMA需要提供话音、数据和多媒体业务（车载通信速率为144kb/s、步行通信速率为384kb/s、室内通信速率为2Mb/s）。因此TD-SCDMA必须提供良好的室内外通信业务与信号覆盖。由于TD-SCDMA采用了一些特有技术，如上行同步、智能天线、动态信道分配等，这些新技术的采用给传统的移动通信远程覆盖与室内覆盖方式带来了一定的影响，本文通过对TD-SCDMA所采用的一系列特有技术的分析，提出了TD-SCDMA远程覆盖与室内覆盖中有关问题的解决思路；同时也简要分析了直放站的加入给无线接入网带来的影响。 2、TD-SCDMA远程覆盖的实现 由于TD-SCDMA采用了一些特有的技术，因此相对于GSM、CDMA2000、WCDMA等技术标准而言，进行TD-SCDMA远程覆盖需要考虑更多的因素。 2.1保护时隙对远程覆盖的影响 TD-SCDMA采用时分双工、上行同步技术，在远程覆盖需要考虑上、下行时隙的保护时间。如图1所示，G为保护时隙，用于保护和区分上、下行时隙，使距离较远的终端能够实现上行同步，该时隙宽度为75us。电磁波在75us的时间段内在空气中传播的距离为22.5千米，从Node B发射携带DwPTS时隙信息电磁波到UE接收需要一段时间，从UE发射携带UpPTS时隙信息电磁波到Node B接收也需要一段时间，因此TD-SCDMA在不修改物理帧结构的情况下，室外Node B的理论直接覆盖半径为11.25千米。实际组网要考虑各类传播环境和损耗，ITU认可的TD-SCDMA的Node B语音业务最大覆盖距离为10千米，但考虑到上、下行链路受限等因素，Node B在使用定向天线时，在市区环境下的覆盖距离为800米1200米（因为上行链路受限）。 图1TD-SCDMA物理信道帧结构2.2智能天线对远程覆盖的影响 （1）无线直放站 从Node B接收UE1发射信号的角度看，Node B利用智能天线对来自UE1的多径电波方向进行波达方向（Direction Of Arrival，简称DOA）估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台和多径干扰；从Node B向UE1发送信号的角度看，由于TD-SCDMA采用了时分双工，因此DOA估计可以用于下行波束成型，使Node B发给该UE1的信号能够沿着UE1电波的来波方向发送回该UE1，从而降低发射功率减少对其它UE的干扰。 图2Node B、无线直放站、UE组网图图2为在距离TD-SCDMA Node B一段距离的地方采用直放站施主天线来提取无线信号，然后通过重发天线将信号进行转发。我们从智能天线的角度来考虑无线转发直放站的可行性，UE2、UE5发射上行信号，直放站将UE2、UE5发射的信号进行中继转发给Node B，Node B的智能天线对直放站的信号进行DOA判断，以及上行波束赋形，提取出UE2、UE5的信号；Node B发射下行信号时，智能天线通过下行波束赋形将天线方向图对准直放站的施主天线，直放站接收到信号后将该信号转发给UE2、UE5。因此在采用DOA时从UE2、UE5到Node B上、下行链路均可正常建立。 （2）光纤直放站 采用普通光纤直放站后，将很难继续使用智能天线的空间滤波功能，但将Node B的智能天线中8根射频电缆中的一根直接与光纤直放站连接后，在Node B侧虽然不能对光纤直放站覆盖区内的用户进行空间区分，但通过对该射频信号解码，Node B仍然可以与光纤直放站覆盖区内的用户进行正常通信。 3、直放站覆盖区UE同步实现分析 在TD-SCDMA移动通信中，同步是一项极为重要的技术，通过上行同步，可以让使用正交扩频码的各个码道在解扩时实现完全正交，相互之间不会产生多址干扰，大大提高了TD-SCDMA的系统容量以及频谱利用率。 在UE开机后其要首先与小区建立下行同步，只有建立了下行同步，UE才能开始建立上行同步。 3.1直放站覆盖区UE下行同步的实现原理分析 UE下行同步的具体实现方法有多种，如果UE的数字信号处理能力较低时，可以采用“特征窗搜索算法”来确定DwPTS的接收时刻，进而实现与Node B的下行同步。“特征窗搜索算法”的原理基于在DwPTS中，SYNC的长度为4个Symbol，其前面有3个Symbol的GP（48chips），而后面有6个Symbol的GP（96chips）。在GP期间，基本上没有信号或信号的功率非常小，这种特性就可以实现DwPTS的搜索和定位。如果UE的数字信号处理能力较强，即可通过“相关法”来进行下行同步，“相关法”的原理基于使用一个与下行引导序列相关的窗函数（窗函数是与Node B发送的训练序列紧密相关的已知序列）与接收到的一个TD-SCDMA帧数据做相关运算，当输出最大值时，即认为这一时刻就是Dw-PTS。 无论是采用“特征窗搜寻算法”还是“相关法”，在经过直放站进行信号中继后，它们各自的特性并不会发生变化，因此UE确定DwPTS的接收时刻并不会因直放站对Node B发射功率的放大而受到影响，直放站的加入虽然带来了功率的变化，但并不会影响到UE的下行同步。 3.2Node B上行同步的实现原理分析 Node B的上行同步包括上行同步的建立和上行同步的保持，下面分别从上行同步的建立与保持两个方面来分析各自具体的实现过程。 （1）上行同步的建立 与UE的下行同步类似，在Node B的上行同步中，Node B也可以采用逐个相关运算的办法，判断Node B接收到的UE上行同步码的时刻，通过此时刻与Node B固有同步时刻的差值，确定下发给UE的“发射时刻偏移值”，UE根据接收到的“发射时刻偏移值”调整自己的发射时刻，从而建立上行同步。在上行同步的建立过程中，UE初始进行SYNC_UL序列发射时刻的估计是根据接收到的DwPTS或P-CCPCH功率大小进行的，通过对功率的估计来粗略推算距离值，从而通过距离值推出时间提前量，这种估计是很不精确的，正是因为这种方法的不准确性，UE的第一次发射才会在上行导频时隙中进行，以避免造成对业务时隙的干扰。 （2）上行同步的保持 在上行同步的保持阶段，Node B同样也可采用逐个相关运算，通过判断Node B接收到的midamble码来确定与Node B固有同步时刻的差值，从而确定UE发射的调整步长（1/8chip1chip）。为了让使用各个正交扩频码的各个码道在解扩时达到完全正交，Node B对上行同步提出了很高的要求，即在Node B侧要实现精确的上行同步（1/8码片内），因为Node B采取通常的功率估计的方法来调整“上行发射提前量”是无法实现精确的上行同步的，因此一般应该采用“相关法”实现上行同步。“相关法”对数字信号的处理能力有较高的要求，但对于Node B而言，这种要求是能够得到满足的，也只有这样实现的上行同步系统在有直放站加入时，才不会影响Node B精确的上行同步。 4、TD-SCDMA室内覆盖的可行性分析 按照第三代移动通信系统的要求，室内通信速度为2Mb/s，而且大部分优质用户在室内环境中会大量使用移动通信功能，因此TD-SCDMA无论是何种组网形式，都必须解决好室内覆盖问题。 4.1保护时隙对室内覆盖的影响 由于室内覆盖的距离一般较短，射频信号在经过直放站、馈线、耦合器、干线放大器、室内天线等器件传输后，产生的传输时延一般很小，因而与室外一样UE也可正常建立上、下行链路。 4.2智能天线对室内覆盖的影响 在前面的论述中，已经对智能天线的工作方式进行了介绍，由于在室内覆盖的环境中，智能天线的使用模式已经完全不能适用，因此针对TD-SCDMA的室内覆盖，如果是采用微蜂窝Node B，该室内微蜂窝也将不能采用智能天线技术。由于无法采用智能天线技术，因此在该微蜂窝的配置中也无需DOA（波达方向估计）功能、无需上行波束成型功能、无需下行波束成型功能，从而大大简化了TD-SCDMA的室内微蜂窝Node B的设计，当然该微蜂窝的容量也相对变小。 如果在室内覆盖中采用直放站来引入室外Node B的信号，这种模式基本等同于前面远程覆盖的直放站，虽然智能天线已经无法对室内用户进行空间区分，但直放站覆盖区内的用户仍然可以与Node B正常通信。 4.3上、下行同步技术对室内覆盖的影响 在前面的论述中，已经详细描述了Node B与UE的上、下行同步实现原理，因此在经过室内分布系统的传输后，Node B与UE的上、下同步是可以正常建立的。 5、直放站TDD切换的实现分析 TD-SCDMA的子帧定义为5ms，每一个5ms的子帧内有两个转换点，第一个转换点固定在DwPTS之后，由于采用了动态信道分配（DCA）技术，TD-SCDMA Node B可以灵活的选择第二个切换点位置。 相应的直放站TDD切换归纳起来即是，下行时隙转上行时隙的时间点固定为DwPTS之后，直放站只要与Node B实现下行同步之后，就可以得到该转换点的固定时刻，该转换点的切换周期为5ms；而上行时隙转下行时隙的时间点并不是固定的，因为TD-SCDMA采取了动态信道分配的方法来支持非对称业务，因此上、下行时隙的分配会根据当前该Node B的业务承载情况灵活配置，如果上行业务量相对大于下行业务量，则分配给上行时隙的个数较多，直放站必须根据Node B的时隙分配实时调整自己的上行转下行时间点，从而使自己的工作节奏与Node B一致。 图3中，第一、三个矩形框为直放站上行链路工作时间；第二、四个矩形框为直放站下行链路工作时间。确定直放站上、下行转换的过程如下：图3直放站上、下行工作时间段（1）可计算出直放站下行链路工作时段为：下行工作时间宽度T=75+675N（单位：us）。 说明：N等于下行时隙的个数（包括Ts0），只要知道当前Node B的下行时隙的个数N，即可获知直放站的下行工作时间宽度T。 （2）按照下行同步的原理，直放站可以计算出直放站上行功放工作时段的起始时刻。 具体实现方法为，直放站启动后，通过对Node B的广播信号中找到DwPTS，从而确定接收到DwPTS的准确时间，进而确定上行功放工作时段的起始时刻。确定了时段的起始时刻后，由于时段起始始刻与时段起始始刻之间的时间宽度为5000us，而时段宽度为T，因此可以推算出下行链路的工作时段起始时刻的计算方法为：起始时刻=起始始刻+5000-T（单位：us）。至此，直放站上行链路的工作时段的起始时刻和直放站下行链路的工作时段的起始时刻均已获得，直放站可以正常的进行上下行切换，由于Node B可能会中途自行变更上下行时隙的个数，因此直放站也必须实时对Node B的下发信息进行实时解码，即对Node B的BCH信道进行解码后，获得下行时隙的个数N，进而与Node B同步调整上、下行时隙转换点。 6、网络影响分析 由于TD-SCDMA中采用了CDMA技术，TD-SCDMA直放站作为有源的双向RF放大设备，在放大有用信号的同时，也引入了一定的噪声干扰，另外即使在没有任何输入信号的情况下，直放站也会发出杂散信号，而CDMA技术的特性决定了系统的覆盖范围、容量大小、服务质量都与系统的各类干扰紧密相关。 6.1对下行链路的影响 在下行链路中，由于TD-SCDMA基站下行链路的信噪比很高，选择合适的安装地点可使到达直放站的下行链路信号强度大于-80dbm，而外界环境噪声功率为-112dbm（-144dbm/kHz，1.6M载频带宽），直放站的下行链路接收信号的信噪比将大于32dB，有用信号电平远远高于外界环境噪声，由于直放站的噪声系数一般不超过5dB，经过TD-SCDMA直放站单向下行链路放大后，直放站覆盖区内的下行信号信噪比仍大于27dB，远高于TD-SCDMA系统中各种业务的信噪比要求，因此直放站正常覆盖区的下行链路质量不会受到影响。 另外对于同一施主基站的其它下行链路，由于此时直放站的上行链路关闭，虽然上下行链路处于同一频率，但对同一施主基站原有覆盖区内的移动用户不会受到TD-SCDMA直放站的干扰。 因此，在TD-SCDMA系统的下行链路中，直放站带来的负面影响可不予考虑。 6.2对上行链路的影响 由于直放站本身存在的热噪声，以及CDMA技术决定了直放站在上行链路给施主基站引入的噪声，将降低施主基站接收机的接收灵敏度，对TD-SCDMA基站系统性能带来了一定影响。 直放站噪声经过放大和一定的路径损耗进入基站，与基站接收机的噪声叠加就会提高接收机的噪声电平，假设直放站反向链路的噪声系数为Nfrep-rev，直放站反向链路的增益为Grep-rev，环境温度T=290K，直放站产生的热噪声功率谱密度为Nrep，则：Nrep=10lg（KT）+Nfrep-rev。 热噪声经放大后通过空间链路进入基站接收机，在基站接收机处产生的噪声功率谱密度定义为Ni，则：Ni=10lg（KT）+Nfrep-rev+Grep-rev-Lrep+Grep-ant-Lpath+Gbts-ant-Lbts；其中：Lrep为直放站施主端馈线的损耗，Grep-ant为直放站施主天线的增益，Lpath为施主基站和直放站之间的空中损耗，Gbts-ant为基站前向天线的增益，Lbts为基站发射机与前向天线间馈线的损耗。对于具体的工程而言，Ni只与Grep-rev有关，其余的参数均是固定的常量，由此可见，直放站增益的大小直接关系到施主基站噪声电平的大小；假设工程中直放站的上行增益使得基站噪声电平提高了5dB，接收机灵敏度则下降5dB，则上行链路的最大允许路径损耗减少5dB，在相应的传播模型中，通过上行链路的路径损耗预算，则可以计算出施主基站覆盖范围收缩程度。例如用Okumura传播模型，在没有增加直放站时如果上行链路的覆盖距离为1.3km时，由于直放站的加入使得基站的上行链路覆盖距离减小为0.9km，因此基站的上行覆盖范围有一定的收缩，而该收缩范围与传统CDMA系统中使用直放站后造成的收缩效果基本相同。 同时，CDMA技术也决定了TD-SCDMA的上行链路同样是一个自干扰系统，系统的容量取决于系统内用户的干扰情况，直放站引入了噪声，相当于增加了系统内部自干扰，使得原有TD-SCDMA基站的容量有所降低。但是由于TD-SCDMA系统采用了一些特有技术，使得TD-SCDMA直放站相对于传统的CDMA直放站而言，整个系统因为直放站的加入而带来的负面影响要小。 由于TD-SCDMA基站中使用了智能天线，智能天线对上行信号进行波束成型后，使得只有来自主瓣和较大副瓣方向的信号才会对有用信号形成干扰，因此无