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TDSCDMA无线网络设计
TD-SCDMA无线网络设计
摘要 笔者基于TD-SCDMA外场试验中无线网络设计的实际情况,提出了在无线网络设计中关于网络覆盖、无线干扰、共站址等方面的问题以及解决方法。
关键词 TD-SCDMA 干扰 下行同步码
O、概述
在2004年中国国际通信设备与技术展览会上,TD-SCDMA技术联盟的成员(普天集团、大唐电信、西门子-华为合资公司等)在其研发计划中都将完成产业化、商用、系统化的时间定在了2005年6月,波导预计在2005年推出TD-SCDMA商用手机。
中国提出的3G标准TD-SCDMA已经拥有从系统到终端的完整产业链,其技术优势正在逐步显现。
2004年11月召开的“3G在中国”全球峰会上,公布了TD-SCDMA第二阶段外场测试的结果,通过了3G专家组规定的测试项目。
从外场试验的总体情况来看,TD-SCDMA的外场测试进程已经明显加快,功能业务上也有明显的进展,初步形成了多厂家参与的局面,已经进入到了更加实质化的产业化阶段。
信息产业部电信研究院承担的3G模拟试验建设工程日前正式启动,这也是TD-SCDMA研究开发和产业化项目之一,建成的TD-SCDMA技术测试中心包括系统设备级的集成、联测、调试、IOT测试,以及与2G系统、3G的另外两种制式系统间的漫游测试,为TD-SCDMA的业务研发和验证提供高层应用平台,为TD-SCDMA系统和终端提供更为全面的技术验证。
届时,必将会给TD-SCDMA的产业化创造出更加良好的研发和测试环境。
发展TD-SCDMA将有利于促进我国经济的发展,带动我国电信业自身的发展。
另外,TD-SCDMA能够为我国电信企业顺利实施技术标准战略,最终赢得国际竞争优势创造了良好的前提条件。
同时,它对解决3GIPR问题具有促进作用。
1、TD-SCDMA技术特点
TD-SCDMA的技术特点主要表现在:
时分双工:
时分双工模式是TD-SCDMA与FDD系统的根本区别。
工作在TDD模式下的TD-SCDMA系统在同一载波上进行上、下行链路传输,而不需要像FDD系统所必须的上、下行对称频谱。
除了充分利用频率资源,极大地提高了频谱利用率以外,TDD模式的优势还在于系统可以根据不同的业务类型来灵活调整上、下行转换点,从而提供最佳的业务容量和频谱利用率。
智能天线:
智能天线系统由一组天线阵及相连的收发机和先进的数字信号处理算法构成。
在发送端,智能天线根据接收到达的信号在天线阵上产生的相位差,提取出终端的位置信息,有效地产生多波束赋形,每个波束指向一个特定终端并自动地跟踪终端移动,从而有效地减少了同信道干扰,提高了下行容量。
空间波束赋形的结果使得在保持小区覆盖不变的情况下,极大地降低总的射频发射功率,一方面改善了空间电磁环境,另一方面也降低了无线基站的成本。
在接收端,智能天线通过空间选择分集,可大大提高接收灵敏度,减少不同位置同信道用户的干扰,有效合并多径分量,抵消多径衰落,提高上行容量。
联合检测:
联合检测技术即“多用户干扰”抑制技术,是消除和减轻多用户干扰的主要技术,它把所有用户的信号都当作有用信号处理,这样可充分利用用户信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息,从而大幅度降低多径多址干扰。
与智能天线技术相结合,联合检测技术可获得更加理想的效果。
上行同步:
上行同步是指在上行链路各终端发出的信号在基站解调器处完全同步,它通过软件及物理层设计来实现,这样可以使正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交,相互间不会产生多址干扰,克服了异步CDMA多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同,造成码道非正交所带来的干扰问题,提高了TD-SCDMA系统的容量和频谱利用率,还可以简化硬件电路,降低成本。
动态信道分配:
TD-SCDMA所采用的动态信道分配技术可实现在时域、空域和码域对无线的灵活配置。
采用动态信道分配技术使得TD-SCDMA系统能够较好地避免干扰,使信道重用距离最小化,从而高效率地利用有限地无线资源,提高系统容量。
此外,通过使用时域地动态信道分配,可以灵活分配时隙资源,动态地调整上、下行时隙的个数,从而灵活地支持对称和非对称的业务。
频谱利用率高:
TD-SCDMA采用TDD方式和CDMA和TDMA的多址技术,在传输中很容易针对不同类型的业务设置上、下行链路转换点,因而可以使总的频谱效率更高。
TD-SCDMA对于解决我国目前面临的频谱资源日益短缺问题有很大的优势。
频谱灵活性强:
TD-SCDMA第三代移动通信系统频谱灵活性强,仅需单一1.6M的频带就可提供速率达2M的3G业务需求,而且非常适合非对称业务的传输。
适合数据应用:
在TDD的工作模式中,上下行数据的传输通过控制上、下行的发送时间长短来决定,可以灵活控制和改变发送和接收的时段长短比例,这尤其适合今后的移动因特网、多媒体视频点播等非对称业务的高效传输。
由于因特网业务中查询业务的比例较大,而查询业务中,从终端到基站的上行数据量很少,只需传输网址的代码,但从基站到终端的数据量却很大,收发信息量严重不对称。
TDD可以通过自适应的时隙调整将上行的发送时间减少,将下行的接收时间延长,来满足非对称业务的高效传输。
这种优势是FDD模式所不具备的。
TD-SCDMA在不对称业务需求量比较大、用户移动性又比较小的高密度地区具有不可比拟的优势。
2、TD-SCDMA无线网络设计
笔者参加了TD-SCDMA外场试验的无线网络设计,对TD-SCMDA无线网络设计中遇到的问题进行讨论。
2.1 无线网络覆盖分析
在建网初期,网络覆盖考虑以下因素。
(1)业务支持能力
在初期建网时期,为了保证服务质量,应考虑进行热点覆盖和室内覆盖。
在室内和某些热点地区(用户多处于静止和低速移动的环境),应同时考虑数据速率的覆盖范围,逐步扩大覆盖范围。
网络初期要求64K的数据业务能要能达到连续覆盖。
(2)覆盖区域通信概率
要求在TD-SCDMA网无线覆盖区90%位置内,99%的时间移动台可接入网络。
(3)无线信道呼损
在话务密度高的地区,由于无线信道引起的阻塞率为2%,其它情况应不大于5%。
通过全向智能天线的上行链路预算计算最大允许的路径损耗。
参数设置:
移动台:
最大发射功率21dBm,天线增益0dBi,对于话音业务,身体损耗3dB,对于数据业务,最大发射功率24dBm,身体损耗0dB。
基站:
接收机的噪声系数5dB,对于全向天线,天线增益按照8dBi考虑,天线赋形增益按照9dB考虑;对于定向天线,天线增益按照14dBi考虑,天线赋形增益按照9dB考虑。
对数正态衰落余量7dB。
Eb/No:
对于12.2K的话音业务,要求6dB,对于64Kbps的数据业务,要求4dB。
表1 典型情况上行无线链路预算
链路参数
业务
业务
话音
数据
业务速率
12.2k
64k
发送方(移动终端)
终端发射功率
21(dBm)
24(dBm)
发射天线数
1
1
发射天线增益
0(dBi)
O(dBi)
人体损耗
3
0
发射馈线损耗
O(dB)
0(dB)
EIRP
18(dBm)
24(dBm)
接收方(基站)
接收天线增益
8(dBi)
8(dBi)
接收天线馈线损耗
0(dB)
0(dB)
接收天线赋形增益
9(dB)
9(dB)
噪声指数
5(dB)
5(dB)
背景噪声
-108(dBm)
-108(dBm)
干扰储备
0(dB)
0(dB)
噪声干扰总量
-108(dBm)
-108(dBm)
目标Eb/N0
6(dB)
4(dB)
扩频处理增益
9(dB)
3(dB)
接收机灵敏度
-111(dBm)
-107(dBm)
对数正态衰落余量
7(dB)
4.9(dB)
建筑物穿透损耗
16(dB)
16(dB)
车辆穿透损耗
0(dB)
0(dB)
最大容许路径损耗
123(dB)
127.1(dB)
在全向天线情况下,考虑建筑物穿透损耗后最大容许路径损耗123-127dB,若采用定向天线,定向天线较全向天线增益高6dB,则考虑建筑物穿透损耗后最大容许路径损耗129-133dB。
针对允许的路径损耗,采用COST231-Hata模型进行覆盖半径估算,参见表2。
表2 小区覆盖半径估算表
话音
数据
业务速率
Bps
12.2k
64k
密集市区
m
313
409
市区
m
380
497
郊区
m
848
1109
农村
m
2298
3005
(注:
小区覆盖半径以基站天线高度30米,手机1.5米,2GHz为参考)
在全向天线情况下,市区环境下基站间距为500-800米。
若采用定向天线,定向天线较全向天线增益高6dB,相当于基站覆盖半径增加1.5倍。
因此定向天线基站站间距在市区环境下800-1200米。
2.2 频率和下行同步码分配
根据分配的频段考虑采用何种频率复用方式,按照频率复用方式给每一个载扇指定频点。
在TD-SCDMA系统中,标识小区的码称为下行同步码(SYNC-DL)序列,在下行导频时隙(DwPTS)发射。
SYNC-DL用来区分相邻小区,与之相关的过程是下行同步、码识别和PCCPCH信道的确定。
整个系统有32组长度为64的基本SYNC-DL码,一个SYNC-DL惟一标识一个基站和一个码组,每个码组包含4个特定的扰码,每个扰码对应一个特定的基本中间码。
将下行同步码分配到每个小区。
2.3 无线网络干扰
干扰包括3G技术内的干扰、3G技术间的干扰、3G与2G之间的干扰以及与PHS技术的干扰。
当WCDMA网络在1920-1980MHz/2110-2170MHz频段部署,而TD-SCDMA网络在2010-2025MHz频段部署时,并且WCDMA基站与TD-SCDMA基站共站址时,需考虑两个网络的共存问题。
同样的问题也存在于cdma2000系统以及PHS系统。
无线网络干扰将影响无线网络性能以及基站建设的天线隔离度等问题。
刚刚结束的第二阶段外场试验专门搭建了一个进行无线干扰测试的环境,包括的系统有WCDMA、TD-SCDMA、cdma2000、PHS、DCSl800。
中国通信标准化协会也正在进行3G无线网络干扰方面的研究。
2.4 共站址及机房
在3G无线网络的建设中,和2G共站址不仅是可行的而且是必须的。
在多运营商的情况下,天面作为一种资源显得更加稀缺。
在3G站址的选择过程中,主要是要特别考虑到诸如电源、传输(高速数据业务尤为突出)、机房空间以及原有2G站址的合理性等因素。
由于机房屋顶情况比较复杂,民用建筑设计承重大多不能直接满足3G机房条件,必须灵活进行基站建设。
当空间、承重等条件满足的前提下,充分利用2G机房。
在共站址的情况下,TD-SCDMA自身以及其与其它系统间的天线隔离度问题正在进行研究,需要根据技术试验以及其它措施确定。
TD-SCDMA采用智能天线技术,并且天线放大器放在室外,通过跳线与智能天线连接。
由于智能天线阵重量较大,同时考虑天线放大器,因此需要轻型塔来固定智能天线,在条件不具备的地方,对天线抱杆的要求也比较高。
另外,TD-SCDMA采用GPS信号进行同步,必须保证有足够的空间安装GPS天线。
图1 TD-SCDMA全向智能天线示意图
3、总结
无线网络规划与设计是3G运营商提供3G业务之前面临的首要问题,笔者根据TD-SCDMA外场试验中无线网络设计的实际情况,提出了在无线网络设计中关于网络覆盖、无线干扰、共站址等方面的问题并给出了相应的解决方法。
TD-SCDMA技术对无线网络规划的影响
【摘要】文章通过分析TD-SCDMA系统中与无线网络规划相关的关键技术特点,讨论了TD-SCDMA系统无线网络覆盖、容量规划及同频、异频组网需要研究的问题。
通过合理的无线网络规划,可以有效地保障快速稳定的无线网络建设。
随着预商用实验网的建设和技术的不断进步,TD-SCDMA系统能够更好地立足于未来3G市场。
1引言
TD-SCDMA作为目前我国可能采用的3G标准中唯一的TDD双工方式标准,上下行使用同样的载频无需成对频段,容易获得频率资源,其目标是要建立一个具有高频谱效率和高经济效益的先进移动通信系统。
因此,TD-SCDMA综合了FDMA、TDMA、CDMA和TDD模式下的智能天线、联合检测、动态信道分配等先进技术,期望提供业务和无线资源的最佳适配,提高频率效率0。
然而,TD-SCDMA系统融合了以上多种技术的主要原因在于从最大程度上减少TDD系统本身带来的系统内部干扰(在无线网侧包括基站与基站间,基站与用户间,用户与用户间,用户与基站间的干扰),采用上述多种先进算法的结果造成TD-SCDMA系统中基站处理算法比较复杂,因此目前系统商用化进程不足,技术上还需要进一步的完善。
根据目前TD-SCDMA实验网络的测试结果,2006年春节前夕,信息产业部正式将TD-SCDMA列为我国通信行业标准,这意味着这一标准技术方案已经成熟,同时,业界传闻已久的3G预商用也有望于春节后开始搭建,可以看出,从国家层面,政府已经坚定了支持TD-SCDMA的决心错误!
未找到引用源。
。
为了保证TD-SCDMA独立组网时无线网络的稳健性,需要根据TD-SCDMA技术的发展现状,针对其技术本身的关键技术特点分析无线网络规划中必须考虑的问题。
本文通过对TD-SCDMA系统中关键技术特点进行的分析,研究了无线网络规划中关键技术特点与网络覆盖、容量和频率资源等因素的相关性。
2TD-SCDMA关键技术分析
2.1智能天线与联合检测
(1)智能天线优缺点分析
由于TD-SCDMA系统采用TDD双工方式,上、下行链路使用相同频率传输信号,且间隔时间短,因此上下行链路无线传播环境差异不大,可以有效的使用智能天线技术。
智能天线基本思想是,天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户,在接收模式下,来自窄波束之外的信号被抑制,在发射模式下,能使期望用户接收的信号功率最大,同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小;智能天线是利用用户空间位置的不同来区分不同用户,在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下,仍然可以根据信号不同的空间传播路径而区分。
因此智能天线的主要优点在于从空间上抑止干扰和噪声,在链路预算上带来了赋型增益,改善系统覆盖、容量等各方面的效果。
但是智能天线的主要缺点在于两个方面:
◆由于一个码片时间外多径时延引起的干扰:
当不同多径时延信号进入主波束波瓣范围内,且功率相当时,多径信号将是强干扰,智能天线技术无法克服。
◆用户高速移动时,在时速为100km/h时,多普勒频移接近200Hz,移动信道相干时间为5ms左右,和一个TD-SCDMA子帧持续时间相同。
因此,当移动速度进一步增加时,由于移动信道的时变性增强,智能天线上下行波束转换时,由于用户快速移动造成的波达角估计误差会影响智能天线的算法性能。
(2)联合检测算法优缺点分析
由于TD-SCDMA扩频增益较小,为了进一步解决智能天线主波束内多用户干扰问题及不能克服多径时延干扰的问题,TD-SCDMA引入了联合检测算法。
联合检测算法的核心是利用智能天线空域滤波的结果以及小区内用户的已知信息、信号估计的结果对小区内所有用户数据进行联合检测,得到多个用户数据信息,从而提取有用用户信息,并利用所有用户的信道化码和信道信息,消除符号间干扰(ISI)和用户间多址干扰(MAI),从而达到提高用户信号质量的目的。
因此,从降低干扰的角度来看,联合检测具有提高系统容量、覆盖范围,减小呼吸效应、远近效应等优点。
从理论上说,联合检测算法能够有效的消除符号间干扰和用户间干扰,但是,联合检测的最大缺点在于其运算量较大,随着用户数目的增加,系统处理能力需要指数级提高,因此,目前联合检测仅仅支持本小区内的多用户检测,对邻小区的同频干扰无法克服。
(3)同频干扰对系统性能的影响
通过以上分析可以发现,只有同时利用智能天线和联合检测技术,才能够有效的克服多径干扰和多用户干扰的问题。
但是,由于联合检测算法复杂度较高,目前联合检测技术不能支持邻小区多用户检测,难以克服同频邻小区的干扰。
在一般城区中,出现同频小区重叠覆盖是比较普遍的情况,当同频邻小区干扰信号进入智能天线波束主瓣宽度内时,干扰不能消除;极端情况下,当两小区智能天线波束同时指向切换区域内用户时,干扰程度较高,容易引起掉话和切换失败。
因此,随着同频邻小区干扰的增加,智能天线+联合检测接收机性能不断下降,同频干扰的程度将直接影响网络性能。
在进行无线网络规划时,需要考虑采用有效的方式减少同频干扰对系统造成的影响。
2.2可变切换点分配
TD-SCDMA采用了可变切换点技术,能够更好的对非对称业务进行适配,提高频谱利用率。
由于全网初期肯定是以语音业务为主,数据业务比例很小,对语音业务来说,需要的是上下行对称切换点分配,因此,全网主要是以上下行时隙为3:
3的对称切换点分配方式进行组网。
随着网络的发展,出现了某些数据业务需求量较大的地区,此时如果要在该区域进行非对称切换点分配方式组网,需要考虑以下问题:
(1)语音信道数目由此减少,如果语音信道不足,只有通过增加载频方式进行扩容,在该区域内需要详细规划能够支持的语音载扇数目。
(2)非对称和对称两种小区的切换区域需要详细规划,避免上下行业务互相干扰的情况。
(3)为了有效的进行非对称切换点分配方式组网,应考虑使用单独载频专门支持该方式组网。
然而,对同小区内多载频组网情况,由于目前同一基站的不同载频之间只能采用相同时隙结构配置,因此,采用单独载频支持非对称分配方式需要考虑采用不同的天馈系统。
2.3动态信道分配
TD-SCDMA系统采用了动态信道分配(DCA)技术,在终端接入和链路持续期间,根据小区之间和本小区内的干扰情况,进行信道的分配和调整,可以有效分配空、时、频、码分信道资源。
从DCA的技术特点来看,DCA的实现需要根据干扰情况,利用剩余的信道资源进行信道分配,因此DCA技术可以看作TD-SCDMA系统的抗干扰措施。
在实际通信网络中,如果出现信道资源不足情况,DCA将不能有效发挥作用,因此需要在网络规划时根据厂商设备情况,综合考虑系统容量与DCA之间的关系。
3TD-SCDMA无线网络规划中的问题
通过对TD-SCDMA系统关键技术的分析,需要根据其技术特点研究无线网络规划中必须考虑的问题。
3.1覆盖规划
与WCDMA技术相比,由于TD-SCDMA的码片速率比WCDMA低,所以其扩频增益较低,但TD-SCDMA通过引入智能天线和联合检测带来了赋形增益和干扰抑制,理论上可以认为其覆盖不会象WCDMA那样受负荷影响明显。
根据目前实验网的测试结果,TD-SCDMA的覆盖和WCDMA是基本一致的。
但是,在覆盖规划中,还需要考虑下述问题:
(1)智能天线赋型增益的取值需要进一步通过商用实验网的验证;
(2)由于对不同业务需要的信噪比Eb/No要求不同,不同厂商实现参数也利用需要商用实验网的结果。
因此,对TD-SCDMA的网络覆盖目前可以参考WCDMA覆盖的结果,并进一步根据未来商用实验网的测试结果确定不同区域类型下系统的覆盖范围。
3.2容量规划
TD-SCDMA系统容量规划需要结合关键技术特点进行。
在TD-SCDMA系统中,不同速率业务的承载是通过资源单元(RU)来计算的,一个时隙中一个扩频因子为16的码道为一个RU,根据协议典型速率承载的实现配置,对于语音12.2kbps业务单向需要占用的资源单元数量为2,对于其它业务64kb/s、144kb/s、384kb/s、2Mb/s占用的资源单元数量分别为8、16、40、80,而一个5ms子帧TS1:
TS6六个时隙上下行总共可以提供96个资源单元RU。
由于TD-SCDMA引入智能天线和联合检测后基本上是码资源受限,因此在对TD-SCDMA容量规划过程中的主要问题在于需要根据不同的时隙配置可提供的上下行资源单元数量进行系统可以提供的容量的计算。
其中,需要根据3G业务模型的情况,进行不同业务对资源单元RU的需求比例的折算,并通过对不同区域中需求业务量的情况分析,最后进行该区域中基站所需容量能力计算。
3.3同频及异频组网规划
通过对TD-SCDMA系统中同频干扰对系统性能的影响可以看出,目前系统组网的最大问题在于相邻小区间的同频干扰,为了减少同频干扰的影响,需要对组网策略中存在问题进行分析。
(1)同频组网
如果全网采用同频组网,同频干扰将是严重影响系统性能的因素。
从系统容量的角度考虑,如果对每时隙都进行满码道(最大码道数=8)规划,可以在容量上最大程度满足系统的需求。
但是,由于目前在技术上还不能实现邻小区联合检测,如果在两相邻同频小区间存在大量用户,两相邻小区智能天线波束方向都指向同一区域,此时会引起严重邻小区干扰,联合检测算法不能解决同频干扰问题,DCA算法也没有可以利用的信道资源进行信道分配,造成系统性能恶化。
为了减少同频干扰的影响,一个有效的解决方案就是在系统容量规划时考虑一定的裕量,对每时隙不进行满码道规划(如最大码道数=6),虽然该方案减少了基站的单载扇容量,但是可以通过增加载频的方式满足系统容量要求,同时由于存在预留信道资源,可以有效的利用DCA的优点,在一定程度上缓解同频干扰对系统性能造成的影响。
该方案是以损失部分容量为代价得到系统性能的改善,规划中的裕量的取定数目和系统同频干扰程度有关。
因此,同频干扰在同频组网中对系统容量的影响还需要通过商用实验网的测试结果进一步分析,并确定合理的同频组网方案。
(2)异频组网
如果考虑同频组网风险较大,可以采用更加保守的异频组网方案。
采用异频组网可以有效的减少邻小区同频干扰的影响,并进行满码道系统容量规划。
进行异频组网时,需要根据可以利用的系统频率资源,研究一种适应现状的频率复用方案,既能满足不同业务需要的载干比要求,也能够保证有效的利用现有频率资源。
因此,需要重点研究核心频段的15MHz内的9个频点上的频率规划方案。
采用异频组网,虽然能够有效的降低同频邻小区干扰的影响,但是频谱利用率却低于同频组网,在网络发展初期,用户较少,异频组网可以满足系统需要,随着网络用户增加,系统容量需求提高,核心频段的9个频点很有可能不能满足未来容量的需求,因此网络扩容时一方面利用可扩展频段的频率资源进行异频组网,同时开始考虑异频组网向同频组网发展的方案。
在网络发展远期,异频组网应通过合理的方式过渡到同频组网。
(3)小结
从频谱利用率的角度来看,同频组网是最优的方案,同频组网是TD-SCDMA网络发展的最终目标,但是由于TD-SCDMA系统难以解决邻小区同频干扰
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