TD-SCDMA基站能力分析

摘要　在給定話務(wù)模型以及合理假設(shè)的情況下，給出不同業(yè)務(wù)占用信道資源的情況，以及TD-SCDMA基站單載波情況下所能提供的話務(wù)量及數(shù)據(jù)吞吐量。

0、前言

　　2006年1月20日，TD-SCDMA[1]正式成為中國3G行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。作為中國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的3G標(biāo)準(zhǔn)，TD-SCDMA成為國家標(biāo)準(zhǔn)后，中國的整個通信產(chǎn)業(yè)鏈都會受到良性的促進(jìn)和刺激。畢竟，TD-SCDMA對中國電信界的意義已經(jīng)超越了這項技術(shù)本身，它是中國電信史上第一個完整的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，它的出現(xiàn)打破了歐美在高技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)壟斷。其成功與否直接關(guān)系到中國在未來國際高技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)言權(quán)。

　　然而，TD-SCDMA目前的發(fā)展仍存在一些問題，主要可以總結(jié)為：產(chǎn)業(yè)鏈需要進(jìn)一步完善、國際化有待進(jìn)一步努力，以及沒有成熟的規(guī)模商用網(wǎng)絡(luò)。直接原因在于TD-SCDMA的技術(shù)研發(fā)進(jìn)程比其他3G通信系統(tǒng)，如WCDMA、CDMA2000要晚許多。這也使得當(dāng)前業(yè)界對于TD-SCDMA設(shè)備技術(shù)能力不了解。以致于TD-SCDMA的商用進(jìn)程嚴(yán)重受到影響。

　　基于這種情況，本文從覆蓋和容量兩方面全面分析了TD-SCDMA基站的能力，為TD-SCDMA后期大規(guī)模的試驗及商用提供理論指導(dǎo)依據(jù)。而智能天線、聯(lián)合檢測等關(guān)鍵技術(shù)大大降低了TD-SCDMA系統(tǒng)的干擾，從而使得TD-SCDMA小區(qū)呼吸效應(yīng)不像WCDMA系統(tǒng)這樣明顯。相對于WCDMA的覆蓋和容量關(guān)系緊密，TD-SCDMA在覆蓋和容量上相對獨立，兩者相互關(guān)聯(lián)性較弱，因此，在分析基站能力時，完全可以單獨考慮TD-SCDMA的覆蓋能力及容量大小。

1、覆蓋能力分析

　　TD-SCDMA基站覆蓋能力跟鏈路預(yù)算指標(biāo)息息相關(guān)，鏈路預(yù)算也是無線網(wǎng)規(guī)劃的一個重要環(huán)節(jié)。鏈路預(yù)算分為上行和下行，下行鏈路預(yù)算非常復(fù)雜，從無線電波傳輸?shù)慕嵌葋砜?，一般基站的發(fā)射功率遠(yuǎn)大于手機(jī)的發(fā)射功率，因而小區(qū)的有效覆蓋半徑一般都取決于上行鏈路的最大允許路徑損耗，所以一般通過計算上行鏈路來確定小區(qū)覆蓋半徑。因此，本文只給出TD-SCDMA的上行鏈路預(yù)算，以作為TD-SCDMA的覆蓋能力依據(jù)。

　　1.1　基站設(shè)備參數(shù)[2]

　　先給出TD-SCDMA基站的一些設(shè)備參數(shù)。

　　a）解調(diào)門限（見表1）。

　　b）最大發(fā)射功率：2 W。

　　c）基站噪聲系數(shù)：4 dB。

　　d）基站接收天線增益。

表1　基站設(shè)備解調(diào)門限

業(yè)務(wù)類型AMR12.2CS64PS64PS128PS384
Eb/No值（dB）10.515131313

　　考慮到實際情況，取定向智能天線的增益為14 dBi，全向智能天線的增益為8 dBi。

　　1.2　終端設(shè)備參數(shù)[3]

　　a）最大發(fā)射功率。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：24 dBm，話音業(yè)務(wù)：21 dBm

　　b）終端天線增益：取0 dBi。

　　c）噪聲系數(shù)：取7 dB。

　　1.3　損耗余量

　　a）穿透損耗。穿透損耗與具體的建筑物類型、電波入射角度等因素有關(guān)。在鏈路預(yù)算中假設(shè)穿透損耗服從對數(shù)正態(tài)分布，用穿透損耗均值及標(biāo)準(zhǔn)差描述。建議按表2取值。

表2　典型區(qū)域的穿透損耗均值

區(qū)域類型穿透損耗均值（dB）
市區(qū)15
郊區(qū)農(nóng)村6

　　b）人體損耗。語音業(yè)務(wù)的人體損耗取3 dB，由于使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時UE距離人體較遠(yuǎn)，故數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)取0 dB。

　　c）饋纜損耗。包括從功放到天線接頭之間跳線、連接器的損耗，取值為1 dB。

　　d）干擾余量。TD-SCDMA也是同頻碼分系統(tǒng)，聯(lián)合檢測無法消除小區(qū)外其他用戶干擾。干擾余量取值為1 dB。

　　e）功控余量（快衰落余量）：1 dB。

　　f）陰影衰落余量。陰影衰落符合對數(shù)正態(tài)分布，陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差與電磁波傳播環(huán)境相關(guān)，根據(jù)電測結(jié)果和覆蓋概率要求，建議按表3取值。

表3　陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差

區(qū)域類型陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差（dB）面積覆蓋概率（%）陰影衰落余量（dB）
市區(qū)8958.3
郊區(qū)農(nóng)村8750.0

　　1.4　其他參數(shù)

　　a）波束成形增益。TD-SCDMA 8天線波束賦形增益最大9 dB，一般取6-8 dB。

　　b）處理增益。TD-SCDMA處理增益由編碼增益與擴(kuò)頻增益兩部分組成。
　　
　　式中：

　　RC——信道編碼速率

　　M——擴(kuò)頻調(diào)制方式

　　PL——打孔限制

　　SF——擴(kuò)頻因子

　　1.5　鏈路預(yù)算

　　市區(qū)不同數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的上行鏈路預(yù)算如表4所示。與市區(qū)不同環(huán)境鏈路預(yù)算參數(shù)的農(nóng)村差異如表5所示。不同環(huán)境和速率下的最大允許路徑損耗和最大覆蓋半徑如表6所示。

表4　市區(qū)上行鏈路預(yù)算表

參數(shù)AMR12.2CS64PS64PS128PS384
噪聲功率譜密度（dBm/Hz）-174-174-174-174-174
碼片速率（Kcps）12801280128012801280
底噪（dBm）-113-113-113-113-113
Eb/No（dB）10.515131313
業(yè)務(wù)速率（Kbit/s）12.26464128384
處理增益（dB）1312121212
基站噪聲系數(shù)（dB）55555
接收靈敏度（dBm）-110.5-105-107-107-107
終端天線增益（dBi）00000
基站天線增益（dBi）1414141414
賦形增益（dB）77777
所有增益（dB）2124242424
饋線損線（dB）11111
人體損耗（dB）30000
穿透損耗（dB）1515151515
面積覆蓋概率（%）9898989898
陰影衰落余量（dB）8.38.38.38.38.3
快衰落余量（dB）11111
干擾余量（dB）11111
所有損耗+余量（dB）29.326.326.326.326.3
移動臺發(fā)射功率（dBm）2124242424
最大允許路徑損耗（dB）123.2126.7128.7128.7128.7

表5　不同環(huán)境鏈路預(yù)算參數(shù)差異

差異參數(shù)市區(qū)郊區(qū)農(nóng)村
穿透損耗（dB）156
面積覆蓋概率（%）9075
陰影衰落余量（dB）8.30

表6　不同環(huán)境和速率下的最大上行鏈路表

上行鏈路預(yù)算市區(qū)郊區(qū)農(nóng)村
覆蓋要求室內(nèi)室內(nèi)車內(nèi)車內(nèi)
基站小區(qū)配置三扇區(qū)全向三扇區(qū)全向
基站掛高（m）3550
最大允許路徑損耗（dB）話音12.2 kbit/s123.2117.2140.5134.5
CS64 kbit/s126.7120.7144138
PS64 kbit/s128.7122.7146140
PS128 kbit/s128.7122.7146140
PS384 kbit/s128.7122.7146140
最大覆蓋半徑（km）話音12.2 kbit/s0.400.272.551.70
CS64 kbit/s0.510.343.241.94
PS64 kbit/s0.580.393.722.22
PS128 kbit/s0.580.393.722.22
PS384 kbit/s0.580.393.722.22

2、容量能力分析

　　根據(jù)碼分多址（CDMA）系統(tǒng)特征，影響系統(tǒng)容量的因素非常多，比如，當(dāng)傳播環(huán)境和業(yè)務(wù)模型發(fā)生變化時，將直接影響系統(tǒng)的容量大小。由于CDMA系統(tǒng)是自干擾系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)的質(zhì)量要求降低時，相當(dāng)于系統(tǒng)允許干擾在某種程度上的增加，因此也會影響系統(tǒng)的容量。另外，用戶分布情況也影響智能天線賦形和聯(lián)合檢測的效果，從而影響系統(tǒng)容量。

　　因此，嚴(yán)格意義上說來，很難用一個簡單的公式來計算TD-SCDMA系統(tǒng)的容量。建網(wǎng)初期，在沒有完善的業(yè)務(wù)模型作為支撐的情況下，即使運(yùn)用系統(tǒng)仿真的手段，也不可能完全正確地預(yù)測出系統(tǒng)容量，而且仿真結(jié)果不具有普遍意義，無法直接運(yùn)用到其他規(guī)劃中。在工程中，為了便于計算和容量控制，對TD-SCDMA容量估算做簡化處理。

　　a）TD-SCDMA采用的多項技術(shù)使得其上下行容量接近碼道極限。

　　b）系統(tǒng)無線資源按理想方式調(diào)配，不浪費任何時隙和碼道的無線資源。

　　c）在某一片區(qū)域內(nèi)，TD-SCDMA系統(tǒng)上下時隙分配可以進(jìn)行靈活的設(shè)置。

　　d）TD-SCDMA各種業(yè)務(wù)對資源的占用是以時隙和碼道為單位的。定義一個時隙的擴(kuò)頻因子為16的碼道為一個BRU，所有業(yè)務(wù)對資源的占用都用BRU來衡量。

　　本文對容量分析做下述假設(shè)：

　　a）按用戶使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求和行為的不同將需要覆蓋的區(qū)域進(jìn)行劃分。

　　b）取定各區(qū)域/模型中可能使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（使用64k CS/PS、128k PS、384k PS）的用戶比例Ka，該值與數(shù)據(jù)用戶的滲透率有關(guān)。

　　c）取定可能使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶在忙時實際使用非語音的比例Kb，該值取決與用戶的行為。

　　d）由于下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶行為通常較易于描述，因此先取定用戶使用下行64k CS/PS、128k PS、384k PS RAB的比例Kc1～Kc4。

　　e）市區(qū)部分區(qū)域能夠提供PS384kbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其他區(qū)域最大只支持PS64kbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

　　f）上下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)比例為1:4。

　　g）上下行時隙分配方式為3:3。

　　h）為了確保系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)安全，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)按實時業(yè)務(wù)處理。數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)分為實時與非實時兩種，其中非實時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)是以“盡力而為”的方式進(jìn)行傳送的，在容量估算時可以不為非實時業(yè)務(wù)預(yù)留系統(tǒng)容量。

　　i）多載波基站中，同一扇區(qū)不同載頻之間的干擾可以忽略。

　　j）為了確保系統(tǒng)容量和網(wǎng)絡(luò)安全，市區(qū)話務(wù)容量按照網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷70%設(shè)計，郊區(qū)道路話務(wù)容量按照網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷50%設(shè)計。

　　將區(qū)域類型分為市區(qū)和郊區(qū)道路兩種，業(yè)務(wù)模型如表7所示。

表7　典型區(qū)域業(yè)務(wù)模型

區(qū)域/模型市區(qū)郊區(qū)道路
Ka80%20%
kb10%1%
kc1（64k CS）30%80%
kc2（64k PS）50%20%
kc3（128k PS）19%0%
kc4（384k PS）1%0%

　　根據(jù)TD-SCDMA無線資源分配原理，當(dāng)上下行時隙分配為3:3時，每一種業(yè)務(wù)的資源占用情況如表8所示。

表8　單業(yè)務(wù)資源占用情況

業(yè)務(wù)CS12.2 kbit/sCS64 kbit/sPS64 kbit/sPS128 kbit/sPS384 kbit/s
數(shù)據(jù)速率（kbit/s）12.26464128384
上下行BRU總數(shù)量48 BRU
下行公共信道消耗2 BRU
下行單業(yè)務(wù)BRU使用量2 BRU8 BRU8 BRU16 BRU40 BRU
下行單業(yè)務(wù)負(fù)荷0.0430.1740.1740.3470.870
上行單業(yè)務(wù)BRU使用量2BRU8 BRU8 BRU16 BRU40 BRU
上行單業(yè)務(wù)負(fù)荷0.0420.1670.1670.3330.833

　　注：所有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中，上行只支持64 kbit/s數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

　　由于上下行業(yè)務(wù)非對稱性，在3:3的正常時隙分配情況下，導(dǎo)致系統(tǒng)下行資源首先受限，基站容量按照下行資源受限進(jìn)行計算。根據(jù)每一種業(yè)務(wù)無線資源占用情況和假定的業(yè)務(wù)模型，可以得到典型區(qū)域的單載扇信道容量（見表9）。

表9　典型區(qū)域單載扇信道容量

單載扇業(yè)務(wù)市區(qū)（下行）郊區(qū)（下行）
話務(wù)模型話音12.2 Kbit/s（%）92.0099.80
CS64 Kbit/s（%）2.400.16
PS64 Kbit/s（%）4.000.04
PS128 Kbit/s（%）1.520.00
PS384 Kbit/s（%）0.080.00
設(shè)計負(fù)荷（%）70.0050.00
話務(wù)信道12.2511.41
數(shù)據(jù)吞吐率（Kbit/s）62.031.46

　　多載波多扇區(qū)基站的數(shù)據(jù)吞吐量和載扇數(shù)具有線性比例關(guān)系，話務(wù)信道數(shù)則根據(jù)Erl B表得到各種站型的話音容量（見表10）。

表10　典型區(qū)域單載扇業(yè)務(wù)容量

單扇區(qū)載波數(shù)/區(qū)域容量市區(qū)郊區(qū)
忙時擁塞率（%）2.005.00
單載波話音容量（Erl）6.157.44
數(shù)據(jù)吞吐量（Kbit/s）77.541.83
雙載波話音容量（Erl）15.6017.90
數(shù)據(jù)吞吐量（Kbit/s）155.093.66
三載波話音容量（Erl）25.7034.23
數(shù)據(jù)吞吐量（Kbit/s）232.635.49

3、結(jié)束語

　　通過仔細(xì)分析TD-SCDMA基站的能力，可以發(fā)現(xiàn)TD-SCDMA設(shè)備在覆蓋及容量存在的優(yōu)勢及不足。為了提高TD-SCDMA基站的覆蓋能力，可以考慮降低TD-SCDMA基站的底噪、提高其處理增益和智能天線的賦形增益。而為了提高基站的數(shù)據(jù)吞吐量，可以考慮引入多載波或者一些新技術(shù)，比如N頻點等。

　　對TD-SCDMA基站能力有了定性的了解以后，也可以為今后TD-SCDMA的無線規(guī)劃提供強(qiáng)有力的保證，為促進(jìn)TD-SCDMA的產(chǎn)業(yè)化，加快3G網(wǎng)絡(luò)在我國的實施添磚加瓦。

　　參考文獻(xiàn)

　　1　彭木根，王文博等.TD-SCDMA移動通信系統(tǒng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005

　　2　TD-SCDMA基站設(shè)備無線收發(fā)性能技術(shù)規(guī)范》中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部

　　3　TD-SCDMA用戶終端無線收發(fā)性能技術(shù)規(guī)范》中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部