TD-SCDMA無線網絡規劃的特點

　　 

    作者：張健明   楊大成

    ０  概述

    2000年5月，在土耳其伊斯坦布爾舉行的WARC會議上，正式確立了FDDWCDMA、cdma2000和TD-SCDMA為國際公認的第三代移動通信（3G）3大主流標準，從而進入3G的高速發展階段。

    目前，國內3G市場的啟動已經成為業界關注的焦點，由我國主導提出的3G標準——TD－SCDMA的商用化進程，更是吸引了眾多業內人士的眼球。

    為了推動TD-SCDMA技術標準在即將到來的3G商業化高潮中的廣泛應用，急需建立一個能夠與其他2個3G技術標準抗衡的完整的TD-SCDMA產業鏈。TD-SCDMA產業鏈應該包括上、中、下游3個部分,上游的基本內容為技術標準的確立和基礎技術內容的研究，中游的基本內容為網絡及終端設備的研究開發和生產制造，下游的基本內容為網絡的建設和業務的運營。經過幾年的發展，TD-SCDMA在產業化方面取得了令人鼓舞的重大進展，從芯片、終端到網絡設備等各方面均達到了商用化的要求。網絡建設的各個環節已經成為必須考慮的問題。2005年由信產部相關研究院負責的在全國范圍內進行的外場測試表明，3G網絡設計規劃和優化將作為未來3G的第一挑戰，網絡規劃、系統仿真和網絡優化在3G的發展中具有十分重要的意義。

    移動通信系統的基礎設施的成本非常巨大，尤其是無線接入網部分。3G網絡規劃要以競爭優勢和效益為導向，其中成本是一個非常重要的要素。未來圍繞3G的競爭非常激烈，設法降低成本應該成為保持競爭優勢的一個重要目標。TD-SCDMA成為國際標準的時間還不長，目前還沒有真正的商用網，任何規劃技術仍然是紙上談兵，把它從基本的技術原理上升為可以支持實際應用的實用技術還有待實踐檢驗。從無線接入的特點來看，TD-SCDMA的組網和規劃技術將在以下幾個方面發生重要改變。

    1  傳播模型

    在無線網絡規劃中，無線傳播損耗是一個非常關鍵的參數，它決定著規劃結果的正確性。由于實際應用中的無線傳播環境是非常復雜的，需要通過理論研究與實際測試的方法歸納出無線傳播損耗與頻率、距離、天線高度等參量的數學關系式，稱之為傳播模型。常用的傳播模型可分為3類：經驗模型、半經驗（或半確定性）模型、確定性模型。其中，經驗模型是根據大量的測量結果統計分析后歸納導出的公式；確定性模型則是對具體現場環境直接應用電磁理論計算的方法得到的公式；半經驗（或半確定性）模型是基于把確定性方法應用于一般的市區或室內環境中導出的公式。鑒于無線網絡規劃的復雜性，目前，仍然只能使用經驗或半經驗模型。

    然而，經驗模型和半經驗模型通常具有預測誤差大、適應性差的缺點。為了提高預測的準確性，通常采用分段傳播模型和進行傳播模型的校準的方法來減小預測的誤差。

    1）分段傳播模型

    對于不同的傳播距離，電磁波在空中傳播的特性也是不同的。企圖用單一的傳播模型進行大范圍的預測將會造成很大的誤差。為此，對不同的傳播距離應調整不同的模型系數或采用不同的模型，這對于WCDMA和cdma2000來說尤其重要。因為FDD模式的CDMA系統是一個自干擾系統，網絡的覆蓋、容量和服務質量主要受系統內的干擾限制。一個用戶受到的干擾可以來自距離幾百米到幾公里不等的基站。為了對干擾進行準確的預測，必須對8～10km以內的傳播損耗進行準確預測，因此必須采用分段模型。

    對于TD-SCDMA系統來說，它的時分特性和智能天線帶來的空分特性，使得干擾源與有用信號在時間上或空間上錯開。干擾在TD-SCDMA系統中顯得并不太重要，更重要的是對有用信號的預測。而有用信號通常來自距離很近的宿主基站，因此，在TD-SCDMA系統中，短距傳播模型對規劃結果的正確性影響將更為重要。

    2）傳播模型的校準

    傳播模型的校準是提高預測準確度的另一個重要手段。由于每個地方的傳播環境是不一樣的，需要對傳播模型進行本地校準，然后再進行無線傳播損耗的預測。然而，在實際工程中，每對一個地區進行規劃，就進行大量的CW測試是不可行的。這樣不僅使規劃成本提高了很多，而且耽誤了工程進度。為了減少校準的工作量，在工程中，常常在某些地方進行校準，得到1～2個傳播模型，然后應用于幾乎所有的地區和基站。這樣的規劃模式仍然給規劃帶來了很大的誤差。

    一般來說，模型的準確性和適用范圍是一對矛盾，模型越準確，其適用范圍就越小?？梢赃x取若干典型區域進行校準，得到一系列適用于這些區域的傳播模型。這些傳播模型對于各自的典型區域來說，是比較準確的。但因為準確度提高了，其適用范圍就變小了。如果應用的傳播環境不匹配，就會帶來很大的誤差。因此，在實際使用時，應該以小區為單位，通過數字電子地圖，依據小區的傳播環境選擇相匹配的傳播模型，從而提高預測的準確度。

    2  業務模型

    第一代和第二代移動通信系統是為話音業務設計的，而3G系統則是為多媒體通信而設計的，通過該系統提供的高質量圖像和視頻，使人與人之間的通信能力進一步增強。目前TD-SCDMA所支持的最高傳輸速率為384kit/s，3GPP在R5引入了HSDPA技術，單載波的峰值速率可以達到2.8Mbit/s。這樣高的傳輸速率使得業務的接入能力大大增強了，支持更為廣泛的業務類型，包括各種視頻和音頻業務。因此，業務模型的預測將是3G網絡規劃的一個重點和難點。

    眾所周知，TD-SCDMA系統的一個很大特點是它的時分雙工模式。它的優點是可以為上下行時隙分配不同的比例，從而更好地支持不對稱業務。這個優點使得TD-SCDMA更適合承載非對稱的數據業務。然而，如果組網和規劃不合理，這一優點非但不能夠得到體現，相反還可能出現反作用。

    首先，上下行時隙比例的規劃必須建立在一個準確的業務模型的基礎上。這在現階段仍然很困難。由于經濟水平和技術水平的制約，用戶還不習慣于利用無線接入的方式上網，目前還沒有現成的無線數據網絡可供統計分析，許多無線數據業務模型是參考互聯網的數據模型而建立的。這樣，很難得到準確的無線數據業務模型。隨著經濟水平的提高和TD-SCDMA商用網的建立，用戶的行為習慣可能會發生改變。我們應該對無線數據業務始終進行跟蹤分析，及時修正時隙比例規劃。

    其次，目前的時隙比例規劃大多依據上下行的業務流量來制定。僅僅這樣是不夠的，必須考慮業務的優先級。如一個話音業務的流量為12.2kbit/s，一個視頻點播業務的流量為幾十或幾百kbit/s。話音業務是上下行對稱的，而視頻點播業務則是以下行業務為主的。如果完全按照流量進行規劃，則視頻點播業務的大流量會導致時隙比例規劃的不平衡，從而使許多話音業務沒有足夠的信道資源。由于話音業務的容量必須首先保證，建議在建網初期先采用對稱的時隙比例，同時跟蹤業務流量變化，逐步調整上下行時隙。

    另外，在依據業務模型制定時隙方案時，要同時考慮系統的干擾。數據業務在地理上分布的不均勻性容易使我們傾向于不同的小區采用不同的時隙方案。但是，相鄰小區的上下行時隙不一致會產生干擾，而如果所有小區都采用統一的時隙方案則會犧牲容量。相應的也有一些方法來解決這個問題，比如犧牲某些邊緣小區的交叉時隙。這些方法有待在應用中驗證。

    3  干擾分析

    基于CDMA的系統有一個典型的特征，就是網絡容量和服務質量由干擾水平決定。在已經得到廣泛應用的cdma20001x網絡中，常?？梢钥吹竭@樣的現象：某些區域的無線信號電平值比較高，掉話仍有可能發生；而某些地區的電平值比較低，通話質量卻很好?？梢?，碼分多址的無線網絡的服務質量主要取決于干擾水平。無線網絡規劃的重要任務就是預測網絡的干擾，并盡可能控制干擾，使網絡的性能得到充分發揮。

    TD-SCDMA系統由于具有時分和空分的特點，在干擾方面與其他2種3G系統（WCDMA和cdma2000）并不完全相同。在TDD模式下，通過空分（智能天線的波束賦形）和時分（在不同的時隙分配信道）方式，可以使系統的自干擾非常輕，系統容量不再受限于干擾，而是主要受限于碼字。另外，對于FDD系統來說，當用戶數增加時，干擾加大，小區半徑收縮，小區邊緣的用戶可能處于覆蓋盲區或弱區，小區呼吸現象非常明顯。在TDD模式下，新增的用戶通過智能天線賦形和發射時隙的分隔，減輕對已激活用戶的干擾，小區呼吸作用不明顯。這樣，TD-SCDMA的小區覆蓋范圍比較穩定，切換區域不易受系統負荷影響。因此，在TD-SCDMA的網絡規劃中，干擾比較容易估計，可以認為接近于0，只在某些特殊情況下需要考慮。

    4  擾碼規劃

    依據協議規定，cdma2000的導頻相位共有512個，相鄰2個導頻相位相差64chip。WCDMA有8192個擾碼，分為512個集合，每個集合包含1個主擾碼和15個輔擾碼?？梢钥吹?，cdma2000和WCDMA的擾碼資源是比較豐富的。另外，cdma2000和WCDMA的導頻/擾碼之間具有比較好的相關性，需要產生很大的位移才會發生混淆。而產生足夠大的位移需要信號在空中傳播很長的距離，這時，信號的電平通常已經弱到不足以產生混淆。因此，cdma2000和WCDMA的導頻/擾碼規劃是相對比較容易的。

    TD-SCDMA系統共有128個長16chip的基本擾碼序列，這128個基本擾碼按編號順序分為32個組，每組4個，每個基本擾碼用于下行UE區分不同的小區。TD-SCDMA的擾碼是PN碼，具有很好的相關性。但是由于碼序列比較短，當碼經過位移后，碼之間的相關性會隨之不同。實驗可得，擾碼移位后，碼字之間的相關性會發生變化，并且不同的碼，其變化的程度也不同。

    可以看到，TD-SCDMA系統中的擾碼具有擾碼資源少、碼長度短、經過位移后碼之間的互相關性變差等特點。這些特點在很大程度上增加了系統擾碼分配的難度。在規劃時，應該考慮位移導致相關性能惡化的影響，在鄰近的小區中應該盡量選用相關性比較好的擾碼，并且應為新小區預留一定的擾碼。

    5  規劃工具

    目前，在規劃工具市場上，還沒有出現公認的比較成熟的TD-SCDMA規劃工具。而對于TD-SCDMA這樣一個技術性很強的通信系統，沒有一個好的計算機軟件來輔助設計是無法做好的。與WCDMA和cdma2000相比，TD-SCDMA的規劃軟件工具的開發和選擇要更困難。

    首先，規劃工具必須貫穿整個規劃設計過程的始終。在前期準備階段，規劃工具提供傳播模型校正、業務預測等功能；在預規劃階段，提供鏈路預算和容量估算等功能；在詳細規劃階段，提供仿真分析等功能。另外，TD-SCDMA規劃工具還要提供上下行時隙規劃和擾碼規劃等功能。

    其次，規劃工具必須適應大計算量的要求。在現實的網絡中，基站和模擬用戶的數目是非常大的，這使得仿真分析的計算量很大，同時，輸出高精度分析圖也使得規劃軟件必須面對海量計算的要求。另外，TD-SCDMA的智能天線賦形和分時隙規劃，也給規劃軟件的計算帶來了非常大的負擔。龐大的計算量對TD-SCDMA規劃工具的開發是一個巨大的挑戰。

    天線模型的建立也是TD-SCDMA規劃工具的一個難點。傳統的天線只需給出360°的水平增益和垂直增益，即可近似算出空間任意一點的增益。天線模型比較簡單，不同廠家的天線只要給出水平增益圖和垂直增益圖即可為其建立天線模型。而智能天線是一種自適應的天線，其空間的增益與用戶的具體位置、天線的自適應調整算法等有關，是一個動態模型。不同廠家的實現方法可能會不一樣，規劃軟件應該建立一個智能天線的備品庫和算法庫。當一種新的智能天線生產出來時，還必須能以某種手段錄入到規劃軟件中。

    關于業務模型，根據QoS要求和數據流特征，目前標準里建議分為4類，即會話類、瀏覽類、流類和后臺類。TD-SCDMA的一個優勢在于對數據業務的支持非常靈活。隨著應用的深入，新興的業務會不斷涌現。規劃工具除了支持目前劃分的4類業務模型外，對業務建模還應提出如下要求：

    a）良好的擴展性，使用戶在無需修改代碼的基礎上簡單快捷地加入新的業務模型；

    b）靈活的配置性，提供方便的修改和定制新的業務模型的途徑；

    c）準確地反映具體業務的特征，要求對每個具體業務都能夠定義與實際情況符合的該業務的QoS和GoS需求及具體業務特征。

    另外，對規劃軟件的另一個重要要求是要有友好的操作界面。規劃軟件的使用貫穿整個規劃過程，使用者眾多，水平不等，友好的操作界面是規劃軟件得以推廣的重要條件。目前，開發規劃軟件的廠家比較多，不同規劃軟件的使用方法也不一樣。規劃是一個復雜的過程，規劃軟件的操作流程通常也比較復雜，沒有友好的操作界面和操作規范，很容易導致軟件操作不當，從而產生不正確的規劃結果。

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