TD-SCDMA远程覆盖及室内覆盖的技术分析

TD-SCDMA作为国际电信联盟接受的3G三大标准之一，其运营组网的可能性在中国政府以及TD-SCDMA联盟成员的不断推动下愈加现实可见，根据标准，TD-SCDMA必须提供良好的室外和室内通信服务。文章分析了TD-SCDMA采用的特有技术对远程覆盖和室内覆盖带来的影响，并提出了针对TD-SCDMA远程覆盖与室内覆盖中有关问题的解决方案。1、引言在中国政府高姿态支持TD-SCDMA标准产业化之后，高通、北电、西门子、阿尔卡特、三星等跨国公司纷纷加强了对TD-SCDMA的投入，加上国内原有的TD-SCDMA联盟成员，TD-SCDMA产业链开始日趋完善，TD-SCDMA系统设备及手机的商用程度也不断提高，特别是TD-SCDMA预商用网的规模实施，使得TD-SCDMA独立运营组网的可行性也愈加清晰可见。作为全球三大3G标准之一，TD-SCDMA需要提供话音、数据和多媒体业务（车载通信速率为144kb/s、步行通信速率为384kb/s、室内通信速率为2Mb/s）。因此TD-SCDMA必须提供良好的室内外通信业务与信号覆盖。由于TD-SCDMA采用了一些特有技术，如上行同步、智能天线、动态信道分配等，这些新技术的采用给传统的移动通信远程覆盖与室内覆盖方式带来了一定的影响，本文通过对TD-SCDMA所采用的一系列特有技术的分析，提出了TD-SCDMA远程覆盖与室内覆盖中有关问题的解决思路；同时也简要分析了直放站的加入给无线接入网带来的影响。2、TD-SCDMA远程覆盖的实现由于TD-SCDMA采用了一些特有的技术，因此相对于GSM、CDMA2000、WCDMA等技术标准而言，进行TD-SCDMA远程覆盖需要考虑更多的因素。2.1保护时隙对远程覆盖的影响TD-SCDMA采用时分双工、上行同步技术，在远程覆盖需要考虑上、下行时隙的保护时间。如图1所示，G为保护时隙，用于保护和区分上、下行时隙，使距离较远的终端能够实现上行同步，该时隙宽度为75us。电磁波在75us的时间段内在空气中传播的距离为22.5千米，从NodeB发射携带DwPTS时隙信息电磁波到UE接收需要一段时间，从UE发射携带UpPTS时隙信息电磁波到NodeB接收也需要一段时间，因此TD-SCDMA在不修改物理帧结构的情况下，室外NodeB的理论直接覆盖半径为11.25千米。实际组网要考虑各类传播环境和损耗，ITU认可的TD-SCDMA的NodeB语音业务最大覆盖距离为10千米，但考虑到上、下行链路受限等因素，NodeB在使用定向天线时，在市区环境下的覆盖距离为800米～1200米（因为上行链路受限）。图1TD-SCDMA物理信道帧结构2.2智能天线对远程覆盖的影响（1）无线直放站从NodeB接收UE1发射信号的角度看，NodeB利用智能天线对来自UE1的多径电波方向进行波达方向（DirectionOfArrival，简称DOA）估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台和多径干扰；从NodeB向UE1发送信号的角度看，由于TD-SCDMA采用了时分双工，因此DOA估计可以用于下行波束成型，使NodeB发给该UE1的信号能够沿着UE1电波的来波方向发送回该UE1，从而降低发射功率减少对其它UE的干扰。图2NodeB、无线直放站、UE组网图图2为在距离TD-SCDMANodeB一段距离的地方采用直放站施主天线来提取无线信号，然后通过重发天线将信号进行转发。我们从智能天线的角度来考虑无线转发直放站的可行性，UE2、UE5发射上行信号，直放站将UE2、UE5发射的信号进行中继转发给NodeB，NodeB的智能天线对直放站的信号进行DOA判断，以及上行波束赋形，提取出UE2、UE5的信号；NodeB发射下行信号时，智能天线通过下行波束赋形将天线方向图对准直放站的施主天线，直放站接收到信号后将该信号转发给UE2、UE5。因此在采用DOA时从UE2、UE5到NodeB上、下行链路均可正常建立。（2）光纤直放站采用普通光纤直放站后，将很难继续使用智能天线的空间滤波功能，但将NodeB的智能天线中8根射频电缆中的一根直接与光纤直放站连接后，在NodeB侧虽然不能对光纤直放站覆盖区内的用户进行空间区分，但通过对该射频信号解码，NodeB仍然可以与光纤直放站覆盖区内的用户进行正常通信。3、直放站覆盖区UE同步实现分析在TD-SCDMA移动通信中，同步是一项极为重要的技术，通过上行同步，可以让使用正交扩频码的各个码道在解扩时实现完全正交，相互之间不会产生多址干扰，大大提高了TD-SCDMA的系统容量以及频谱利用率。在UE开机后其要首先与小区建立下行同步，只有建立了下行同步，UE才能开始建立上行同步。3.1直放站覆盖区UE下行同步的实现原理分析UE下行同步的具体实现方法有多种，如果UE的数字信号处理能力较低时，可以采用“特征窗搜索算法”来确定DwPTS的接收时刻，进而实现与NodeB的下行同步。“特征窗搜索算法”的原理基于在DwPTS中，SYNC的长度为4个Symbol，其前面有3个Symbol的GP（48chips），而后面有6个Symbol的GP（96chips）。在GP期间，基本上没有信号或信号的功率非常小，这种特性就可以实现DwPTS的搜索和定位。如果UE的数字信号处理能力较强，即可通过“相关法”来进行下行同步，“相关法”的原理基于使用一个与下行引导序列相关的窗函数（窗函数是与NodeB发送的训练序列紧密相关的已知序列）与接收到的一个TD-SCDMA帧数据做相关运算，当输出最大值时，即认为这一时刻就是Dw-PTS。无论是采用“特征窗搜寻算法”还是“相关法”，在经过直放站进行信号中继后，它们各自的特性并不会发生变化，因此UE确定DwPTS的接收时刻并不会因直放站对NodeB发射功率的放大而受到影响，直放站的加入虽然带来了功率的变化，但并不会影响到UE的下行同步。3.2NodeB上行同步的实现原理分析NodeB的上行同步包括上行同步的建立和上行同步的保持，下面分别从上行同步的建立与保持两个方面来分析各自具体的实现过程。（1）上行同步的建立与UE的下行同步类似，在NodeB的上行同步中，NodeB也可以采用逐个相关运算的办法，判断NodeB接收到的UE上行同步码的时刻，通过此时刻与NodeB固有同步时刻的差值，确定下发给UE的“发射时刻偏移值”，UE根据接收到的“发射时刻偏移值”调整自己的发射时刻，从而建立上行同步。在上行同步的建立过程中，UE初始进行SYNC_UL序列发射时刻的估计是根据接收到的DwPTS或P-CCPCH功率大小进行的，通过对功率的估计来粗略推算距离值，从而通过距离值推出时间提前量，这种估计是很不精确的，正是因为这种方法的不准确性，UE的第一次发射才会在上行导频时隙中进行，以避免造成对业务时隙的干扰。（2）上行同步的保持在上行同步的保持阶段，NodeB同样也可采用逐个相关运算，通过判断NodeB接收到的midamble码来确定与NodeB固有同步时刻的差值，从而确定UE发射的调整步长（±1/8chip～±1chip）。为了让使用各个正交扩频码的各个码道在解扩时达到完全正交，NodeB对上行同步提出了很高的要求，即在NodeB侧要实现精确的上行同步（1/8码片内），因为NodeB采取通常的功率估计的方法来调整“上行发射提前量”是无法实现精确的上行同步的，因此一般应该采用“相关法”实现上行同步。“相关法”对数字信号的处理能力有较高的要求，但对于NodeB而言，这种要求是能够得到满足的，也只有这样实现的上行同步系统在有直放站加入时，才不会影响NodeB精确的上行同步。4、TD-SCDMA室内覆盖的可行性分析按照第三代移动通信系统的要求，室内通信速度为2Mb/s，而且大部分优质用户在室内环境中会大量使用移动通信功能，因此TD-SCDMA无论是何种组网形式，都必须解决好室内覆盖问题。4.1保护时隙对室内覆盖的影响由于室内覆盖的距离一般较短，射频信号在经过直放站、馈线、耦合器、干线放大器、室内天线等器件传输后，产生的传输时延一般很小，因而与室外一样UE也可正常建立上、下行链路。4.2智能天线对室内覆盖的影响在前面的论述中，已经对智能天线的工作方式进行了介绍，由于在室内覆盖的环境中，智能天线的使用模式已经完全不能适用，因此针对TD-SCDMA的室内覆盖，如果是采用微蜂窝NodeB，该室内微蜂窝也将不能采用智能天线技术。由于无法采用智能天线技术，因此在该微蜂窝的配置中也无需DOA（波达方向估计）功能、无需上行波束成型功能、无需下行波束成型功能，从而大大简化了TD-SCDMA的室内微蜂窝NodeB的设计，当然该微蜂窝的容量也相对变小。如果在室内覆盖中采用直放站来引入室外NodeB的信号，这种模式基本等同于前面远程覆盖的直放站，虽然智能天线已经无法对室内用户进行空间区分，但直放站覆盖区内的用户仍然可以与NodeB正常通信。4.3上、下行同步技术对室内覆盖的影响在前面的论述中，已经详细描述了NodeB与UE的上、下行同步实现原理，因此在经过室内分布系统的传输后，NodeB与UE的上、下同步是可以正常建立的。5、直放站TDD切换的实现分析TD-SCDMA的子帧定义为5ms，每一个5ms的子帧内有两个转换点，第一个转换点固定在DwPTS之后，由于采用了动态信道分配（DCA）技术，TD-SCDMANodeB可以灵活的选择第二个切换点位置。相应的直放站TDD切换归纳起来即是，下行时隙转上行时隙的时间点固定为DwPTS之后，直放站只要与NodeB实现下行同步之后，就可以得到该转换点的固定时刻，该转换点的切换周期为5ms；而上行时隙转下行时隙的时间点并不是固定的，因为TD-SCDMA采取了动态信道分配的方法来支持非对称业务，因此上、下行时隙的分配会根据当前该NodeB的业务承载情况灵活配置，如果上行业务量相对大于下行业务量，则分配给上行时隙的个数较多，直放站必须根据NodeB的时隙分配实时调整自己的上行转下行时间点，从而使自己的工作节奏与NodeB一致。图3中，第一、三个矩形框为直放站上行链路工作时间；第二、四个矩形框为直放站下行链路工作时间。确定直放站上、下行转换的过程如下：图3直放站上、下行工作时间段（1）可计算出直放站下行链路工作时段②为：下行工作时间宽度T=75+675×N（单位：us）。说明：N等于下行时隙的个数（包括Ts0），只要知道当前NodeB的下行时隙的个数N，即可获知直放站的下行工作时间宽度T。（2）按照下行同步的原理，直放站可以计算出直放站上行功放工作时段①的起始时刻。具体实现方法为，直放站启动后，通过对NodeB的广播信号中找到DwPTS，从而确定接收到DwPTS的准确时间，进而确定上行功放工作时段①的起始时刻。确定了①时段的起始时刻后，由于①时段起始始刻与③时段起始始刻之间的时间宽度为5000us，而②时段宽度为T，因此可以推算出下行链路的工作时段②起始时刻的计算方法为：②起始时刻=①起始始刻+5000-T（单位：us）。至此，直放站上行链路的工作时段①的起始时刻和直放站下行链路的工作时段②的起始时刻均已获得，直放站可以正常的进行上下行切换，由于NodeB可能会中途自行变更上下行时隙的个数，因此直放站也必须实时对NodeB的下发信息进行实时解码，即对NodeB的BCH信道进行解码后，获得下行时隙的个数N，进而与NodeB同步调整上、下行时隙转换点。6、网络影响分析由于TD-SCDMA中采用了CDMA技术，TD-SCDMA直放站作为有源的双向RF放大设备，在放大有用信号的同时，也引入了一定的噪声干扰，另外即使在没有任何输入信号的情况下，直放站也会发出杂散信号，而CDMA技术的特性决定了系统的覆盖范围、容量大小、服务质量都与系统的各类干扰紧密相关。6.1对下行链路的影响在下行链路中，由于TD-SCDMA基站下行链路的信噪比很高，选择合适的安装地点可使到达直放站的下行链路信号强度大于-80dbm，而外界环境噪声功率为-112dbm（-144dbm/kHz，1.6M载频带宽），直放站的下行