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摘要 本文基于TD系統所賦予的技術特色，就頻點布置、覆蓋設計、容量配置等無線網規要點與WCDMA系統進行逐項對比解析，其思路及結果可供實際TD-SCDMA網絡設計參考。同時，本文所提及的TD網規遺留課題還留待業界共同思考、解決。 1、引言 對于未來TD-SCDMA（以下簡稱TD）網絡運營商而言，由于其為目前ITU唯一支持的采取TDD（時分雙工）的CDMA系統，與WCDMA等FDD（頻分雙工）系統相比，采用了TDMA（時分復用）、聯合檢測、智能天線、接力切換、DCA（動態信道分配）等先進技術[1]，使其組網更為靈活和復雜，原WCDMA系統所取網規方法不盡適用，因此，本文旨在基于TD關鍵技術及系統性能所賦予其的無線網規特色，與讀者較為熟知的WCDMA系統進行逐項對比、分析，以期獲得對TD網絡更深層次的理解。 概括而言，TD與WCDMA無線網規差異集中在頻點布置、覆蓋設計及容量配置這三點，未來還有其各自演進版本HSDPA的網規考慮，而此外的例如規劃流程、接入網配置核算等在理念上較為一致，僅存有細節差別，在此則不一一盡述。 2、頻點布置 對于WCDMA而言，其系統同頻組網為業界共識，先期單頻點5MHz帶寬已足可滿足需求，后期引入HSDPA后可考慮升至2載頻以負荷分擔。而TD系統則由于其單頻點1.6MHz承載容量有限，且業界對其同頻組網能力眾說紛紜，不同廠商各執一詞，因此，實際組網時小區多頻點的應用及先期異頻直至后期混頻或同頻組網模式則更為可取。 TD小區多頻點特性已被CCSA及3GPP等標準化組織采納[2]，其設備業已具備商用能力，在進一步提升單載頻TD系統容量的同時更好地提供了TD系統獨立組網能力，目前為各系統廠商的主推組網方式。小區多頻點即為一個小區可配置多個載頻，其中確定一個為主載頻，則其余均為輔載頻。DwPTS導頻信息及P-PCCPCH等公共控制信道信息只在主載頻的特定時隙上發送，而輔載頻僅承載業務信道，且其承載DwPTS與P-PCCPCH信道的下行導頻及TSO時隙空置，如圖1所示。?
小區多頻點概念優勢不僅在于提供系統更高容量及資源利用率，且對TD系統同頻組網時的公共與業務信道覆蓋匹配及干擾消除等性能亦為極大增強。 2.1 公共與業務信道覆蓋匹配 在單頻點TD系統內，P-PCCPCH及DwPTS等公共信道是與業務信道時分共享基站功率資源的，由于其包含有廣播及導頻等公共信息，需向全小區用戶發射，因此這些公共信道發射采用的是全向賦形，沒有智能天線的波束賦形增益，由此造成TD小區覆蓋可能受限于公共信道的情況。而小區多頻點配置時，N個Carrier共用一套2W射頻功放，如目前大唐可做到3載頻共用一套，3頻點業務信道平均分配2W功率資源，而公共信道則由于僅在一個Carrier上發射而獨享2W功率，由此無形中為公共信道提供了約5dB的附加增益，彌補了其全向賦形的缺憾，提升其與業務信道覆蓋的匹配性。 2.2 干擾消除 TD單載頻組網時，缺少智能天線抗干擾特性的公共信道易引起小區間干擾，而多頻點的引入可通過頻率資源的有效分配而降低該干擾的影響程度。例如啟用5MHz的頻譜資源，包含3個TD頻點，其可用站型配置為O1～O3、S1/1/1～S3/3/3：O1～O3為包含1～3載頻的全向站，S1/1/1～S3/3/3則為每小區分別容納1～3載頻的三扇區定向站型，其可通過在不同小區內設置相隔的主載頻來規避公共信道干擾，即分別對應于異頻、混頻及同頻組網模式。各定向站型主載頻配置如圖2所示。?
多頻點小區的良好性能致使其成為TD系統商用的主推站型，由于現階段TD的主用頻段2010～2025MHz包含15MHz頻率資源，因此城區環境內TD網絡推薦組網方案為采用其中5MHz頻段進行宏蜂窩同頻組網，同時預留10MHz頻段作分層網絡、微蜂窩補盲與室內覆蓋之用。 3、覆蓋設計 TD系統由于引入了TDD模式、智能天線、聯合檢測及接力切換等關鍵技術，其覆蓋有其特殊性，且表現出與WCDMA等系統獨有的覆蓋與容量相制約的呼吸效應所不同的特點，兩者相關性較弱，因而可將其覆蓋與容量獨立考慮，以鏈路預算方式來考察TD系統覆蓋能力，并注重其系統特色技術對預算關鍵參數的影響，以更為確切的描述TD覆蓋特性，供實際商用網設計借鑒。 3.1 關鍵參數選取 3.1.1 擴頻處理增益 擴頻處理增益即為考慮擴頻調制及經信道編碼、基帶調制處理后所得增益的總合，對于WCDMA系統而言，其擴頻處理增益的算式為：G=W/R，其中W為信道帶寬，R則為各等級業務速率。而在TD系統中，由于采用CDMA/TDMA相結合的方式，高等級業務速率可通過在同一個時隙上多碼傳輸或幾個時隙的并行傳輸得到，因此不能簡單地像WCDMA那樣由數據速率得到擴頻處理增益，其與擴頻因子、編碼和調制方式等均有關，依據3GPP TR25.928協議，可得TD系統擴頻處理增益的算法如下式[4]：
表1 TD各速率等級業務擴頻處理增益計算表
表2 TD-SCDMA與WCDMA相應速率等級業務擴頻處理增益對比 擴頻處理增益AMR12.2KCS64kPS64KPS144kPS384k WCDMA24.9817.7817.7814.2610.00 |
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可見在擴頻性能上TD系統是略低于WCDMA的，但也正是由于該增益算法不同，以及TD系統獨特多址接入方式，使得就業務覆蓋方面來說，TD較之WCDMA不同速率等級業務覆蓋差異較小，不同業務的連接能力有較好的一致性，因此在預規劃確定了一種目標業務后，亦容易實現其它業務的連續覆蓋能力，從而提升TD系統的服務品質。
3.1.2 干擾余量
WCDMA有自干擾特性，其干擾影響程度在鏈路預算中是由干擾余量L指標來反映的，定義為由于干擾引起在熱噪聲之上的噪聲抬升，與小區負荷因子η可相互轉換：L=10×lg（1/（1-η）），如小區負荷η=50%時，L=3dB。
而對于TD系統，由于其獨特的多址及雙工方式，單時隙最多存在8個語音用戶，高速率業務則更少，且通過智能天線、聯合檢測及DCA等技術更有效的抑制同時隙互干擾用戶，因而理論上TD為一碼道受限系統，呼吸效應較弱，同時隙即使滿負荷，系統底噪也不會有明顯抬升。從這個角度看，TD網規鏈路預算時可不預留干擾余量。但這僅為理論上的說法，事實上依2006年試驗網表現分析，隨用戶數增加干擾亦有一定程度上升，只是沒有WCDMA那樣明顯呼吸效應。
廠商給出的TD系統理論負荷因子為：
式中：β表示聯合檢測的多址干擾消除因子；j為鄰本干擾比；N為小區內業務連接數；PG與βEb/No分別為該速率等級業務的擴頻處理增益和接收信噪比；Vi則為該業務的業務激活因子；A則為智能天線的抗干擾因子。
就現實性而言，由上式如此復雜的運算去獲取干擾余量值并不可取，而在TD系統晉升至多頻點模式后，其干擾受限特性表現更為微弱，因此實際鏈路預算中，采用廠商建議，在上下行僅固定預留2dB/3dB干擾儲備值即可，而無需類似WCDMA網規時復雜的上下行鏈路負荷迭代過程。
3.1.3 相關增益與損耗值
智能天線及聯合檢測技術的引入帶給TD系統無線側較大的性能提升，尤其智能天線技術，目前多為8天線陣列形式，反映在鏈路預算中，除自身射頻增益外，理論上還可提供最高9dB的波束賦形增益，改善接收信號質量。但受限于實際傳播環境，性能有所偏差，因而以廠商建議，取城區6dB和郊區8dB的波束賦形能力值。
智能天線每天線陣設置一個最高2W發射功率的小功放，且與塔放一起直接安裝于天線下端，推薦相隔距離為3.5m，其校準天線及塔放可以補償部分上行饋線損耗，因此一般情況下鏈路預算中無須考慮上行饋線損耗（下行仍需考慮1dB損耗）。而WCDMA系統天線通常位于塔頂，饋線損耗取為3dB。
第三個較特殊的值為接力切換引入后，在保證高切換成功率的同時規避了軟切換所導致的低資源利用率。其不足是在鏈路預算時，相比于WCDMA少了3dB的軟切換增益，但考慮到結合上行同步后的接力切換方式的高成功率，因此可采用1dB的大唐推薦增益值。
3.1.4 各業務Eb/No目標值
3GPP TR 25.94規范中僅列出TD系統設備及終端在各多徑環境下各承載業務的鄰本比Ior/Ioc之值[4]，可參照廠商推薦算法轉換為各業務所需信噪比Eb/No目標值，如下式：
式中：Nuser_BRU與NTS_BRU分別表征指定業務所需單時隙BRU數及TD單時隙總共容納的BRU資源數，后者一般取為16，僅針對CS64k可視電話業務時取為10。
城區環境中以Multipath fading Case 2衰落環境下所得Eb/No值為準，其中CS及PS域業務BLER分別取為0.01與0.1，如表3所示。
表3 Multipath fading Case 2衰落環境下各業務Eb/No目標值 
這里需指出的是，實際廠商在仿真計算其設備針對各業務的Eb/No要求時，所采用信道模型與3GPP并非完全一致，如會考慮多徑信號的相關性、實際功控局限性及各廠商設備數目對解調產生的影響等，取值一般會存在差異，因而實際網規需依據各廠商設備性能的差異性慎重選取。
3.2 覆蓋設計案例分析
3.2.1 規劃參數取定
以地處上海市中心城區的黃埔、盧灣及靜安三區為目標規劃區域，總面積28km2，預測用戶數達12萬，且以AMR 12.2k/CS64k/PS64k為上下行連續覆蓋目標業務，區域及邊緣可靠度分別為95%與85%。
業務模型定義如表4和表5所示，其中3GPP定義5種基本業務為[4]：AMR12.2k、CS64k、PS64k、PS144k及PS384k，考慮到PS域業務的上下行非對稱性，電路域CS業務與分組域PS業務的上下行業務比例分別定義為1:1和1:4。
表4 CS域業務模型
表5 PS域業務模型
3.2.2 鏈路預算
與WCDMA系統類似，TD無線覆蓋亦基本受限于上行[5]，因此由上行鏈路預算可得各無線環境下的小區平衡覆蓋半徑。TD與WCDMA上行鏈路預算參數如表6所示。
表6 TD與WCDMA上行鏈路預算參數
結合取自適用于2GHz頻段的COST231-HATA電波預測模型，且其k值參數經校正后符合上海市本地無線傳播環境，由此可得TD與WCDMA系統上行鏈路預算結果，對比如表7所示。
表7 TD與WCDMA上行鏈路預算結果
由表7輸出目標區域覆蓋設計結果為：若以TD系統覆蓋，小區半徑0.35km，其受限于可視電話CS64k業務，站距控制在0.53km左右，規劃區內所需S3/3/3宏蜂窩站型115個；而WCDMA系統其覆蓋半徑達0.42km，規劃區內僅需S1/1/1宏站84個。
隨著3G網絡建設形勢的逐漸明朗，我國各大電信運營商均從事過3G網規工作，其中多數基于R99/R4版的WCDMA網絡，而由于TD與WCDMA先天的關聯性致使運營商十分關注于原WCDMA網規方案是否同樣適用于TD系統，尤其在其無線側。基于此，我們在取定一致的業務模型及規劃參數后，得到各典型覆蓋環境下TD與WCDMA無線網覆蓋性能比較，其中所用傳播模型為針對上海市各典型無線環境的校正模型，如表8所示。
表8 WCDMA與TD-SCDMA無線覆蓋性能比較
可見相比于WCDMA，TD系統相應速率等級業務覆蓋距離略小，而預規劃小區半徑約為WCDMA的85%左右，由此可認為，依目前所掌握的技術資料及信息來看，若要大規模的進行TD系統的獨立組網，須對原基于R99/R4版的WCDMA系統無線側網規進行適當調整，以更好適應TD網絡技術特色。同時，我們也可看到TD系統各業務間的覆蓋距離相差不大，理論分析結果與我們外場測試結果較為一致，即各業務間覆蓋性一致，利于未來業務開展及網絡分步建設。
3.2.3 公共信道覆蓋核算
在WCDMA中，下行業務信道及導頻信道均可能出現功率受限現象，規劃時通常采用核算方式為：針對業務信道，將上行鏈路預算所確定最大路徑損耗代入下行鏈路預算中，進而反推出所需各單業務發射功率，并結合業務模型得出基站下行總耗費功率，取其與基站最大發射功率的比值來衡量下行業務信道是否過載；導頻信道類似，且將反推值與初始設定導頻最大功率（WCDMA中通常取為基站最大發射功率的20%）相比較，判決其是否受限；
而對于TD系統，公共信道及業務信道時分獨享基站功率資源，且業務信道擁有智能天線與聯合檢測抑制干擾能力的優勢，由此下行業務信道功率受限概率極小，從2006年試驗網數據觀測亦印證該論點，因而TD網規時針對下行業務信道功率核算可不予進行但對于P-CCPCH、DwPTS等公共信道而言，為全向賦形，無業務信道所獨具的波束賦形增益及聯檢能力，極有可能發生下行功率受限情形，產生與業務信道相互覆蓋適配差異，導致網絡建鏈失敗。因此與WCDMA類似，TD網規時需核算公共信道功率值，尤其是P-CCPCH（主公共控制信道）功率，其值的設定是建網伊始所需重點確定的。
TD智能天線的引入使得其設備發射功率的概念擁有與以往普通天線系統迥異的特點，即單天線最大發射功率、用戶每天線最大發射功率及用戶多天線最大發射功率這3個新增量值。以TD主薦S3/3/3站型為例，采用8天線線陣列的定向智能天線，每扇區每天線陣帶一個最高2W功放（源于上下行匹配因素，進行業務傳輸時大唐推薦僅放大1W，而公共信道則可全部開放），3個頻點合用該功放資源，則得：
3.2.4 對于業務信道
單天線最大發射功率為25dBm（1/3W）。而TD系統獨特的TDMA+CDMA多址方式使得僅在單時隙上用戶共享基站功率，因此用戶每天線最大發射功率：單天線最大發射功率+10×lg（單用戶占用BRU資源數/該時隙總BRU資源數）+功控余量（通常為2dB），例如對于語音用戶，其用戶每天線最大發射功率=25+10×lg（2/16）+2=18dBm。最后，考慮智能天線的多天線陣列因素，需轉化為用戶多天線最大發射功率=用戶每天線最大發射功率+10×lg（智能天線陣列數），即針對8陣列天線來說，其用戶多天線最大發射功率=18+10×lg（8）=27dBm，而最終反映到下行鏈路預算中的即為用戶多天線最大發射功率。
3.2.5 對于公共信道
由于N頻點模式時其僅在主載頻上發射，因而將占有全部的33dBm（2W）的功率，如此最終推得公共信道的多天線最大發射功率為35dBm。
基于上述功率概念，采用與WCDMA類似的反推算法去依次推導3個功率量值，最終以單天線發射功率為判決依據，其值小于33dBm即可。由3GPP定義P-CCPCH信道速率為12.3kbit/s，其接收Eb/No要求等同于同速率的AMR12.2k語音業務。依表7所得損耗值反推所得市區環境內P-CCPCH用戶多天線功率為32dBm，其與試驗網時廠商所設定的33dBm幾乎一致，可從一定程度論證上述功率核算方法具備較好的適用性。
4、容量配置
WCDMA系統由于業務多樣性，資源占用特性及QoS不一，致使其容量規劃較為復雜，不同于以往單一業務2G系統，業界多基于坎貝爾模型理論采用資源等效的方法核算混合業務容量[5]，遵循由極限容量→坎貝爾信道→坎貝爾信道數→坎貝爾業務量→所需信道配置的流程，而其根本觀點依然是從系統干擾受限角度出發分析。TD系統有別于WCDMA的是其為碼道受限而非干擾受限，因此針對TD的容量配置更多是基于其碼信道資源占用狀況。
TD系統獨特的TDD方式結合動態信道分配DCA技術，可動態調整物理幀中上下行時隙配置比例以靈活適應3G業務上下行非對稱要求：如初期話音為主，可將比例配為均衡的3:3；而后期數據業務比例上升甚至占主導，此時可調整至2:4或1:5，以更好適應非對稱數據業務的開展。因此，上下行時隙比例配置亦為TD網規的重要內容，需依據業務區的地理劃分來成片規劃該比例，并合理設置邊界區域的DCA參數，以盡量規避交叉時隙干擾產生的影響，而該時隙比例配置同樣建立于碼信道資源配置上。
對于3GPP規定的TD系統5種典型承載業務碼道配置如表9[6]。
表9 TD各典型承載業務碼道配置表
表9中，例如SF16×2code×1TS/QPSK的碼道配置，可理解為：SF16～擴頻因子為16；2code～單時隙上需這樣的碼道數為2；1TS～無線子幀中需占用1個時隙；QPSK則為該業務的基帶調制方式。通常我們將一個擴頻因子為16的碼道定義為一個BRU（Basic Radio Unit，基本信道單元），在TD系統5ms的無線子幀中上下行業務信道共含96個BRU資源。而上下行各業務擴頻因子雖不同，但其占用資源均可折算為BRU的倍數，例如：上下行AMR12.2k業務分別占用的BRU數均為2個，而PS144k上行占用BRU為24（QPSK）/16（8PSK）個，下行則占用為18個BRU。因此，容量配置及時隙比例規劃均可轉化為對BRU資源占用情況的分析上。而由于CS域及PS域業務QOS不同，通常PS域為“盡力而為”的非實時業務，因此其容量配置策略為：首先依據CS域實時業務的實際愛爾蘭容量，按呼損要求，通過Erlang B公式計算出信道需求，再將該信道數對應的總BRU數減去CS域業務實際容量所需BRU，而該部分BUR差值則可用于PS域數據業務，并根據需要增補必要的BRU資源給PS域業務[5]。
由此，基于前述覆蓋設計結論及業務模型，可得TD小區單載扇上下行所需BRU資源，如表10、表11所示。
表10 各業務BRU需求核算 
表11 單載扇上下行BRU資源占用情況
如表11，TD小區單載扇上下行BRU需求數為39:41，則上下行時隙比例應規劃為3:3；同時，BRU利用率分別為81.3%及85.4%取其下行受限方向為容量配置依據，因此，TD系統S3/3/3型宏站信道板配置需做到滿配。
5、TD網規遺留問題思考
TD系統就其技術本身而言，領先性已為業界共識，且特殊背景亦使其成為關注核心，但受制于發展歷程的時限，稍許有待改進之處也未可避免，反映在其網規一項，表現為：
（1）廠商設備性能及測試數據未公開，造成業界概念較模糊，無法形成統一認識。如各業務Eb/No值，其對覆蓋設計極為關鍵，本文引述值為規范所得，而實際設備所達性能亦未可知；其次，如智能天線，其波束賦形及射頻指標（如半功率角僅為120°）等應用于密集城區時性能還有待改善；
（2）各運營商原WCDMA網規方案對于TD無線網適用性有待考證，需基于不同覆蓋及業務區分類詳盡驗證，不可一概而論，枉下定義。僅就筆者自身核算及仿真結果看，密集城區規劃站距一般較之實際鏈路預算結果更密，其方案對TD適用性較強，而郊區、農村所需大范圍覆蓋區域內則適用性較差，且隨3G網建設日程臨近又使得該項核算工作迫在眉睫；
（3）同頻組網能力廠商各執一詞，多頻點小區配置雖可有效避免公共信道覆蓋及干擾問題，但業務信道干擾仍為組網問題癥結所在，而未來尤其在HSDPA引入后容量需求提升必將同頻組網一事提上日程，須提升其實現能力，以滿足TD大規模組網要求；
（4）目前商用TD網規軟件已具雛形，但亦存有置疑及欠缺之處，須結合廠商系統及技術發展同步改進，以適應實際網規需求。
上述問題需業界共同努力予以解決，相信隨著TD產業鏈的完善，其必將會以成熟、領先的姿態呈現于世人。
參考文獻
[1] 彭木根，王文博著.TD-SCDMA移動通信系統技術.北京：機械工業出版社
[2] 馬志鋒，張銀成等.TD-SCDMA系統中的多載頻特性分析.移動通信，2005，3
[3] Harri Holma，Antti Toskala著，付景興等譯.WCDMA技術與系統設計第三版.北京：機械工業出版社
[4] 3GPP Technical Peport 25.928 V4.0.0（2001-03）1.28Mcps functionality for UTRA TDD Physical Layer （Release 4）
[5] 張長鋼等.WCDMA無線網絡規劃原理與實踐.北京：人民郵電出版社
[6] 上海百林通信.TD-SCDMA規劃軟件技術手冊
[7] 劉虎，曾召華等.TD-SCDMA系統中HSOPA的性能分析.中興通訊技術
工商網監
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