TD-SCDMA單載頻小區信道容量計算

　　 

    作者：蘇華鴻  梁天恩  熊金州

    0  前言

    TD-SCDMA作為TDD模式技術，比FDD更適用于上下行不對稱的業務環境，是多時隙TDMA與直擴CDMA技術合成的新技術。

    同時，TD-SCDMA標準建議所采用的空中接口技術作為當前業界最為先進的傳輸技術之一，通過與智能天線技術、同步CDMA等技術的融合，形成了目前頻譜使用率最高、成本最低的第三代無線網絡技術。

    現有TD-SCDMA規范主要是針對1個小區對應1個單載頻的情形，空中接口對于無線資源的操作、配置都是針對1個載頻來進行的。在Iub接口小區建立的過程中1個Cell只需配置1個絕對頻點號。

    如果1個基站配置了多載頻，則每個載頻被當作1個邏輯小區，每個邏輯小區各自獨立地維護1套導引信息和廣播信息。因此，當1個扇區有幾個載頻時，其容量應是幾個單載頻小區容量之和。隨著TD-SCDMA規范的不斷完善，將會推出多載頻小區，其突出優勢是僅在主載頻上發射導引信息，有利于減少導頻信號干擾，提高系統效率。

    1  TD-SCDMA物理信道

    TD-SCDMA系統的物理信道采用4層結構:系統幀號、無線幀、子幀、時隙/碼。依據資源分配方案的不同，子幀或時隙/碼的配置結構也可能有所不同。系統使用時隙和擴頻碼在時域和碼域上來區分不同的用戶信號。

    TDD模式下的物理信道由突發（Burst）構成，這些Burst僅在所分配的無線幀中的特定時隙發射。無線幀的分配可以是連續的（即每一幀的時隙都分配給物理信道），也可以是不連續的（即僅有部分無線幀中的時隙分配給物理信道）。

    除下行導頻（DwPTS）和上行接入（UpPTS）突發外，其他所有用于信息傳輸的突發都具有相同的結構，即由2個數據部分、1個訓練序列碼和1個保護時間片組成。數據部分對稱地分布于訓練序列的兩端。1個突發的持續時間就定義為1個時隙。1個發射機可以在同一時刻、同一頻率上發射多個突發以對應同一時隙中的不同信道，不同信道使用不同的OVSF信道化碼來實現物理信道的碼分。

    在TD-SCDMA系統中，每個小區一般使用1個基本的訓練序列碼。對這個基本的訓練序列碼進行等長的循環移位（長度取決于同一時隙的用戶數），又可以得到一系列的訓練序列。同一時隙的不同用戶將使用不同的訓練序列位移。因此，1個物理信道是由頻率、時隙、信道碼、訓練序列位移和無線幀分配等諸多參數來共同定義的。

    1.1幀結構

    3GPP定義的1個TDMA幀長度為10ms。TD-SCDMA系統為了實現快速功率控制和定時提前校準以及對一些新技術的支持（如智能天線），將1個10ms的幀分成2個結構完全相同的子幀，每個子幀的時長為5ms。每個5 ms的子幀由3個特殊時隙和7個常規時隙（TS0～TS6）組成。常規時隙用作傳送用戶數據或控制信息。在這7個常規時隙中，TS0總是固定地用作下行時隙來發送系統廣播信息（在單載頻小區，通常不承載業務），而TS1總是固定地用作上行時隙。其他的常規時隙可以根據需要靈活地配置成上行或下行，以實現不對稱業務的傳輸，如分組數據。每個子幀總是從TS0開始。用作上行鏈路的時隙和用作下行鏈路的時隙之間由1個轉換點分開。每個5 ms的子幀有2個轉換點，第一個轉換點固定在TS0結束處，而第二個轉換點則取決于小區上、下行時隙的配置，可位于TS1～TS6結束處。

    1.2時隙結構

    時隙結構也就是突發的結構。TD-SCDMA系統共定義了4種時隙類型，它們是DwPTS、UpPTS、GP和TS0～TS6。其中DwPTS和UpPTS分別用作上行同步和下行同步，不承載用戶數據，GP用作上行同步建立過程中的傳播時延保護，TS0～TS6用于承載用戶數據或控制信息。

    1.2.1DwPTS時隙

    DwPTS時隙用來發送下行同步碼（SYNC_DL），其時隙長度為96chip，其中同步碼長為64chip，前面有32chip用作TS0時隙的拖尾保護。Node B必須在每個小區的DwPTS時隙發送下行同步碼。不同的下行同步碼標識了不同的小區，其發送功率必須保證全方向覆蓋整個小區。按物理信道來劃分，發送下行同步碼的信道也叫做下行同步信道（DwPCH）。在DwPTS時隙沒有碼分復用，也就是說，該時隙僅有1個物理信道DwPCH。

    1.2.2UpPTS時隙

    UpPTS時隙被UE用來發送下行同步碼（SYNC_UL），以建立和NodeB的上行同步。UpPTS時隙長度為160chip，其中同步碼長為128chip，另有32 chip用作拖尾保護。多個UE可以在同一時刻發起上行同步建立。Node B可以在同一子幀的UpPTS時隙識別多達8個不同的上行同步碼。按物理信道劃分，用于上行同步建立的信道也叫做上行同步信道（UpPCH）。1個小區中最多可有8個UpPCH同時存在。

    1.2.3TS0～TS6時隙

    TS0～TS6共7個常規時隙被用作用戶數據或控制信息的傳輸，它們具有完全相同的時隙結構。每個時隙被分成了4個域：2個數據域、1個訓練系列域（Midamble）和1個用作時隙保護的空域（GP）。

    1.3數據域

    數據域對稱地分布于Midamble碼的兩端，每域的長度為352chip，所能承載的數據符號數取決于所用的擴頻因子。每一數據域所能容納的數據符號數S與擴頻因子SF的關系為：S×SF＝352。在TD-SCDMA系統中，上行方向SF可取的值為：1、2、4、8、16，其對應的S值為：352、176、88、44、22，而在下行方向，SF可取的值僅為1和16兩種，對應的S值為352和22。

    數據域用于承載來自傳輸信道的用戶數據或高層控制信息，除此之外，在專有信道和部分公共信道上，數據域的部分數據符號還被用來承載3種類型的物理層信令：TFCI、TPC和SS，詳見參考文獻1。

    2  TD-SCDMA單載頻小區容量

    2.1信道與BRU

    在TD-SCDMA系統中，現有規范規定1個小區對應1個載頻，1個信道就是載波、時隙、擴頻碼的組合，也叫1個資源單位。其中，1個時隙內由1個16位擴頻碼劃分的信道有16個，它是最基本的資源單位，即BRU。1個信道占用的BRU個數是不一樣的，1個RU（RUSF1）占用了16個BRU，1個RUSF8則占用2個BRU，通常1個語音業務信道需占用2個BRU，而在1個載波上，所能提供的BRU的最大個數是固定的。在每個RU中，即在1個常規時隙中含有2個數據符號字段，其中每個數據符號字段有352chip，則在1個RU中有352×2=704chip。當擴頻因子為16時（對應1個BRU），在1個RU中所包含的數據符號數為704/16=44bit。如果采用QPSK調制方式，則在1個碼道中所包含的數據比特數為44×2=88 bit；如果采用8PSK調制方式（此種調制方式一般應用于2M的業務），則在1個碼道中所包含的數據比特數為44×3=132 bit。因為1個子幀的長度為5 ms，因此，當采用QPSK調制方式時，1個BRU的速率為88 bit/5 ms=17.6 kbit/s；當采用8PSK調制方式時，1個BRU的速率為132 bit/5 ms=26.4 kbit/s。

    2.2多碼道傳輸與單碼道傳輸

    在TD-SCDMA中，OVSF碼的使用使得信道可以傳輸各種速率的數據：對于低速的數據可以采用較大的擴頻因子（擴頻增益大）；而高速的數據可以用較小的擴頻因子（擴頻增益?。?。這樣對于1個高速的（需要多個資源單元）承載業務，可以有2種信道分配方式：一是為該業務分配多個碼道，其中每個碼道都采用較大的擴頻因子（較低的單信道數據速率），進行多碼道傳輸，以達到較高的數據速率（如分配2個SF=16的碼道）；二是僅為該業務分配1個（或者較少）碼道，并使用較小的擴頻因子（較高的單信道數據速率，如分配1個SF=8的碼道）。

    2.3時域集中分配與碼域集中分配

    對于多碼道傳輸，也有2種不同的碼道分配方式需要考慮：“碼域集中分配”和“時域集中分配”，當然，也可以采用兩者的結合。碼域集中分配是首先將1個時隙內的多個碼道集中分配給用戶，如果該時隙內可用碼道不夠，再考慮分配其他時隙內的碼道；而時域集中分配是同時將多個時隙分配給用戶，但每個時隙可能分配更少的BRU給該用戶。碼域集中分配減少了每個時隙內的平均用戶數，但由于在同一時隙可能同時需要多個碼道，阻塞概率將高于時域集中分配原則。如下行128k數據業務，既可以使用每子幀1個時隙，每個時隙分配16個BRU（碼域集中分配，簡稱方案一），也可以采用每個子幀2個時隙，每個時隙8BRU（偏向于時域集中，簡稱方案二）。假設系統能滿碼道工作，采用方案一，每個時隙平均可能有2個用戶，而方案二則只可能有1個用戶。同樣，在系統不進行資源整合時，每個時隙有1個小業務量用戶（譬如話音業務），則128k業務采用方案一的資源分配策略將被阻塞，而采用方案二則不會。同時，采用方案二，由于同一時隙支持的用戶數較多，因此在空間上可以隔離，結合智能天線的波束賦形，小區內干擾較低，基于干擾的接納控制時，方案二被阻塞的概率也降低了。從系統性能來看，時域集中分配總體上優于碼域集中分配，但對RRM算法的要求和終端的設計要求也更高。因此，在覆蓋受限的業務可以考慮時域集中分配，將所需的BRU分散到不同時隙，增大小區覆蓋，而其他業務則主要考慮碼域集中分配，降低RRM調度的復雜性。

    2.4BRU需求量計算

    在2G系統中，根據無線信道呼叫阻塞率指標和預測的話務量數據，可以直接查找ErlangB、ErlangC或PoissoN表得到所需的話音頻道數。對應于TD-SCDMA系統，借助于愛爾蘭呼損公式及計算表，也可以得到系統BRU的需求量，但計算相對復雜。下面通過1個實際的例子，介紹一下TD-SCDMA系統BRU需求量的計算方法。假設某城市支持的業務，同一種業務類型的不同速率有不同的業務ID，按不同業務處理。根據某種預測模型得到該區域的語音業務（業務1）為640Erl，業務2的通道速率為6400kbit/s，業務3的通道速率為10 666 kbit/s，業務4的通道速率為4 800 kbit/s；對于數據業務，在給定承載的前提下，可以將其轉換成等效愛爾蘭，即數據業務等效信道數=通道速率/承載速率，再查愛爾蘭表，。要求的無線信道的呼叫阻塞率為2%。

    根據不同業務的BRU分配方案，業務1每載扇需要2BRU，業務2和業務3每載扇需要8BRU，業務4每載扇需要16BRU。

    業務量預期在3∶3時隙比例配置中，同1個載扇只能提供24個業務1的用戶（3×16BRU每載扇/2BRU，即24用戶每載扇），或6個業務2的用戶，或6個業務3的用戶，或3個業務4的用戶。通過查找ErlangB表，得到在2%呼叫阻塞率時，1個小區支持的不同業務的等效愛爾蘭數分別為：16.6、2.276、2.276和0.602Erl。通過簡單的分析，該區域需要的載扇總數為：640/16.6+87.97/2.276+72.53/2.276+25.53/0.6=123，需要123個單載頻小區。

    3  TD-SCDMA多載頻小區

    考慮到單個TD-SCDMA載頻所能提供的用戶數量有限，要提高熱點地區的系統容量覆蓋，必須增加系統的載頻數量。TD-SCDMA系統中，多載頻系統是指1個小區可以配置多于1個載波頻段的系統，并稱這樣的小區為多載頻小區。

    3.1TD-SCDMA多載頻系統

    為了提高TD-SCDMA單載頻系統的性能，中國通信標準化協會（CCSA）在制定TD-SCDMA系統通信行標時，充分考慮了多載頻系統的特殊性，在保持現有單載頻系統規范最大程度穩定性的前提下，保持TD-SCDMA多載頻系統的簡單、易實現性。TD-SCDMA多載頻系統將相同地理覆蓋區域的多個小區（每個載頻為1個小區）合并到一起，共享同1套公共信道資源，從而構成1個多載頻小區。對TD-SCDMA多載頻系統特作如下約定：

    1個小區可配置多個載頻，僅在小區/扇區的1個載頻上發送DwPTS和廣播信息（TSO），多個頻點使用1個共同廣播。針對每一小區，從分配到的n個頻點中確定1個作為主載頻，其他載頻為輔助載頻。在同1個小區內，僅在主載頻上發送DwPTS和廣播信息。

    a）對支持多頻點的小區，承載P-CCPCH的載頻稱為主載頻，不承載P-CCPCH的載頻稱為輔載頻。對支持多頻點的小區，有且僅有1個主載頻。

    b）主載頻和輔助載頻使用相同的擾碼和基本Midamble。

    c）公共控制信道DwPCH、P-CCPCH、PICK、S-CCPCH、PRACH等規定配置在主載頻上，信標信道總在主載頻上發送。至于UpPCH、FPACH在輔載頻上是否使用，以及如何使用將有待進一步確認。

    d）多時隙配置應限定為在同一載頻上。

    e）同一用戶的上下行配置在同一載頻上。

    f）輔載頻的TSO不使用。

    g）主載頻和輔載頻的時隙轉換點建議配置為相同。

    3.2多載頻特性對現有標準的影響

    根據上述對TD-SCDMA多頻載系統的約定，多載頻特性將對單載頻系統中的Uu接口和Iub接口標準產生細微的影響，見參考文獻3。

    3.3多載頻系統的優點

    在實際組網時，如果采用上述多載頻系統方案，可以有效地降低對基站發射機功率的要求，特別是當1個終端處于小區交界處時，它將具有如下優點：

    a）加快小區搜索。各小區由于僅在主載頻上發送DwPTS導引信息，移動終端在進行小區搜索時，可有效地克服相同基站的相鄰小區DwPTS，以及相鄰基站的各個小區的DwPTS的干擾，從而提高終端接收導引信號的信噪比，加快移動終端的初始搜索速度。

    b）簡化終端測量。由于小區數量的減少，終端無需在多個鄰近小區中陷入可能的復雜、難以判別的測量過程。

    c）切換簡單。當測量結果送到RNC時，簡化的測量將導致切換判定上的易于實現，從而使系統負荷減輕。

    4  結束語

    通過上面的分析，目前3GPPLCRTDD標準適合于獨立組網，屬單載頻小區系統，信道和BRU局限在1個載頻內。規范進一步發展的重點將是多載頻小區，網絡性能將會有較大提高。TD-SCDMA多載頻系統的相關規范目前已在中國通信標準化協會（CCSA）討論獲得通過，并已報批國家3G移動通信技術行業標準。

    參考文獻

    1  李小文等.TD-SCDMA第三代移動通信系統、信息及實現.北京：人民郵電出版社，2003

    2  陳鴻剛.第三代移動通信的小區規劃.郵電設計技術，2001（12）

    3  馬志鋒等.TD-SCDMA系統中的多載頻特性分析.移動通信，2005（3）

原文轉自：http://www.kjueaiud.com