TD-SCDMA基站能力分析

0、前言

　　2006年1月20日，TD-SCDMA[1]正式成为中国3G行业标准。作为中国具有自主知识产权的3G标准，TD-SCDMA成为国家标准后，中国的整个通信产业链都会受到良性的促进和刺激。毕竟，TD-SCDMA对中国电信界的意义已经超越了这项技术本身，它是中国电信史上第一个完整的通信技术标准，它的出现打破了欧美在高技术领域内的标准垄断。其成功与否直接关系到中国在未来国际高技术领域的发言权。

　　然而，TD-SCDMA目前的发展仍存在一些问题，主要可以总结为：产业链需要进一步完善、国际化有待进一步努力，以及没有成熟的规模商用网络。直接原因在于TD-SCDMA的技术研发进程比其他3G通信系统，如WCDMA、CDMA2000要晚许多。这也使得当前业界对于TD-SCDMA设备技术能力不了解。以致于TD-SCDMA的商用进程严重受到影响。

　　基于这种情况，本文从覆盖和容量两方面全面分析了TD-SCDMA基站的能力，为TD-SCDMA后期大规模的试验及商用提供理论指导依据。而智能天线、联合检测等关键技术大大降低了TD-SCDMA系统的干扰，从而使得TD-SCDMA小区呼吸效应不像WCDMA系统这样明显。相对于WCDMA的覆盖和容量关系紧密，TD-SCDMA在覆盖和容量上相对独立，两者相互关联性较弱，因此，在分析基站能力时，完全可以单独考虑TD-SCDMA的覆盖能力及容量大小。

1、覆盖能力分析

　　TD-SCDMA基站覆盖能力跟链路预算指标息息相关，链路预算也是无线网规划的一个重要环节。链路预算分为上行和下行，下行链路预算非常复杂，从无线电波传输的角度来看，一般基站的发射功率远大于手机的发射功率，因而小区的有效覆盖半径一般都取决于上行链路的最大允许路径损耗，所以一般通过计算上行链路来确定小区覆盖半径。因此，本文只给出TD-SCDMA的上行链路预算，以作为TD-SCDMA的覆盖能力依据。

　　1.1　基站设备参数[2]

　　先给出TD-SCDMA基站的一些设备参数。

　　a）解调门限（见表1）。

　　b）最大发射功率：2 W。

　　c）基站噪声系数：4 dB。

　　d）基站接收天线增益。

表1　基站设备解调门限

业务类型AMR12.2CS64PS64PS128PS384
Eb/No值（dB）10.515131313

　　考虑到实际情况，取定向智能天线的增益为14 dBi，全向智能天线的增益为8 dBi。

　　1.2　终端设备参数[3]

　　a）最大发射功率。数据业务：24 dBm，话音业务：21 dBm

　　b）终端天线增益：取0 dBi。

　　c）噪声系数：取7 dB。

　　1.3　损耗余量

　　a）穿透损耗。穿透损耗与具体的建筑物类型、电波入射角度等因素有关。在链路预算中假设穿透损耗服从对数正态分布，用穿透损耗均值及标准差描述。建议按表2取值。

表2　典型区域的穿透损耗均值

区域类型穿透损耗均值（dB）
市区15
郊区农村6

　　b）人体损耗。语音业务的人体损耗取3 dB，由于使用数据业务时UE距离人体较远，故数据业务取0 dB。

　　c）馈缆损耗。包括从功放到天线接头之间跳线、连接器的损耗，取值为1 dB。

　　d）干扰余量。TD-SCDMA也是同频码分系统，联合检测无法消除小区外其他用户干扰。干扰余量取值为1 dB。

　　e）功控余量（快衰落余量）：1 dB。

　　f）阴影衰落余量。阴影衰落符合对数正态分布，阴影衰落标准差与电磁波传播环境相关，根据电测结果和覆盖概率要求，建议按表3取值。

表3　阴影衰落标准差

区域类型阴影衰落标准差（dB）面积覆盖概率（%）阴影衰落余量（dB）
市区8958.3
郊区农村8750.0

　　1.4　其他参数

　　a）波束成形增益。TD-SCDMA 8天线波束赋形增益最大9 dB，一般取6-8 dB。

　　b）处理增益。TD-SCDMA处理增益由编码增益与扩频增益两部分组成。
　　
　　式中：

　　RC——信道编码速率

　　M——扩频调制方式

　　PL——打孔限制

　　SF——扩频因子

　　1.5　链路预算

　　市区不同数据业务的上行链路预算如表4所示。与市区不同环境链路预算参数的农村差异如表5所示。不同环境和速率下的最大允许路径损耗和最大覆盖半径如表6所示。

表4　市区上行链路预算表

参数AMR12.2CS64PS64PS128PS384
噪声功率谱密度（dBm/Hz）-174-174-174-174-174
码片速率（Kcps）12801280128012801280
底噪（dBm）-113-113-113-113-113
Eb/No（dB）10.515131313
业务速率（Kbit/s）12.26464128384
处理增益（dB）1312121212
基站噪声系数（dB）55555
接收灵敏度（dBm）-110.5-105-107-107-107
终端天线增益（dBi）00000
基站天线增益（dBi）1414141414
赋形增益（dB）77777
所有增益（dB）2124242424
馈线损线（dB）11111
人体损耗（dB）30000
穿透损耗（dB）1515151515
面积覆盖概率（%）9898989898
阴影衰落余量（dB）8.38.38.38.38.3
快衰落余量（dB）11111
干扰余量（dB）11111
所有损耗+余量（dB）29.326.326.326.326.3
移动台发射功率（dBm）2124242424
最大允许路径损耗（dB）123.2126.7128.7128.7128.7

表5　不同环境链路预算参数差异

差异参数市区郊区农村
穿透损耗（dB）156
面积覆盖概率（%）9075
阴影衰落余量（dB）8.30

表6　不同环境和速率下的最大上行链路表

上行链路预算市区郊区农村
覆盖要求室内室内车内车内
基站小区配置三扇区全向三扇区全向
基站挂高（m）3550
最大允许路径损耗（dB）话音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
最大覆盖半径（km）话音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

　　根据码分多址（CDMA）系统特征，影响系统容量的因素非常多，比如，当传播环境和业务模型发生变化时，将直接影响系统的容量大小。由于CDMA系统是自干扰系统，当系统的质量要求降低时，相当于系统允许干扰在某种程度上的增加，因此也会影响系统的容量。另外，用户分布情况也影响智能天线赋形和联合检测的效果，从而影响系统容量。

　　因此，严格意义上说来，很难用一个简单的公式来计算TD-SCDMA系统的容量。建网初期，在没有完善的业务模型作为支撑的情况下，即使运用系统仿真的手段，也不可能完全正确地预测出系统容量，而且仿真结果不具有普遍意义，无法直接运用到其他规划中。在工程中，为了便于计算和容量控制，对TD-SCDMA容量估算做简化处理。

　　a）TD-SCDMA采用的多项技术使得其上下行容量接近码道极限。

　　b）系统无线资源按理想方式调配，不浪费任何时隙和码道的无线资源。

　　c）在某一片区域内，TD-SCDMA系统上下时隙分配可以进行灵活的设置。

　　d）TD-SCDMA各种业务对资源的占用是以时隙和码道为单位的。定义一个时隙的扩频因子为16的码道为一个BRU，所有业务对资源的占用都用BRU来衡量。

　　本文对容量分析做下述假设：

　　a）按用户使用数据业务的需求和行为的不同将需要覆盖的区域进行划分。

　　b）取定各区域/模型中可能使用数据业务（使用64k CS/PS、128k PS、384k PS）的用户比例Ka，该值与数据用户的渗透率有关。

　　c）取定可能使用数据业务的用户在忙时实际使用非语音的比例Kb，该值取决与用户的行为。

　　d）由于下行数据业务的用户行为通常较易于描述，因此先取定用户使用下行64k CS/PS、128k PS、384k PS RAB的比例Kc1～Kc4。

　　e）市区部分区域能够提供PS384kbit/s数据业务，其他区域最大只支持PS64kbit/s数据业务。

　　f）上下行数据业务比例为1:4。

　　g）上下行时隙分配方式为3:3。

　　h）为了确保系统容量和网络安全，数据业务按实时业务处理。数据业务分为实时与非实时两种，其中非实时数据业务业务是以"尽力而为"的方式进行传送的，在容量估算时可以不为非实时业务预留系统容量。

　　i）多载波基站中，同一扇区不同载频之间的干扰可以忽略。

　　j）为了确保系统容量和网络安全，市区话务容量按照网络负荷70%设计，郊区道路话务容量按照网络负荷50%设计。

　　将区域类型分为市区和郊区道路两种，业务模型如表7所示。

表7　典型区域业务模型

区域/模型市区郊区道路
Ka80%20%
kb10%1%
kc1（64k CS）30%80%
kc2（64k PS）50%20%
kc3（128k PS）19%0%
kc4（384k PS）1%0%

　　根据TD-SCDMA无线资源分配原理，当上下行时隙分配为3:3时，每一种业务的资源占用情况如表8所示。

表8　单业务资源占用情况

业务CS12.2 kbit/sCS64 kbit/sPS64 kbit/sPS128 kbit/sPS384 kbit/s
数据速率（kbit/s）12.26464128384
上下行BRU总数量48 BRU
下行公共信道消耗2 BRU
下行单业务BRU使用量2 BRU8 BRU8 BRU16 BRU40 BRU
下行单业务负荷0.0430.1740.1740.3470.870
上行单业务BRU使用量2BRU8 BRU8 BRU16 BRU40 BRU
上行单业务负荷0.0420.1670.1670.3330.833

　　注：所有数据业务中，上行只支持64 kbit/s数据业务

　　由于上下行业务非对称性，在3:3的正常时隙分配情况下，导致系统下行资源首先受限，基站容量按照下行资源受限进行计算。根据每一种业务无线资源占用情况和假定的业务模型，可以得到典型区域的单载扇信道容量（见表9）。

表9　典型区域单载扇信道容量

单载扇业务市区（下行）郊区（下行）
话务模型话音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
设计负荷（%）70.0050.00
话务信道12.2511.41
数据吞吐率（Kbit/s）62.031.46

　　多载波多扇区基站的数据吞吐量和载扇数具有线性比例关系，话务信道数则根据Erl B表得到各种站型的话音容量（见表10）。

表10　典型区域单载扇业务容量

单扇区载波数/区域容量市区郊区
忙时拥塞率（%）2.005.00
单载波话音容量（Erl）6.157.44
数据吞吐量（Kbit/s）77.541.83
双载波话音容量（Erl）15.6017.90
数据吞吐量（Kbit/s）155.093.66
三载波话音容量（Erl）25.7034.23
数据吞吐量（Kbit/s）232.635.49

3、结束语

　　通过仔细分析TD-SCDMA基站的能力，可以发现TD-SCDMA设备在覆盖及容量存在的优势及不足。为了提高TD-SCDMA基站的覆盖能力，可以考虑降低TD-SCDMA基站的底噪、提高其处理增益和智能天线的赋形增益。而为了提高基站的数据吞吐量，可以考虑引入多载波或者一些新技术，比如N频点等。

　　对TD-SCDMA基站能力有了定性的了解以后，也可以为今后TD-SCDMA的无线规划提供强有力的保证，为促进TD-SCDMA的产业化，加快3G网络在我国的实施添砖加瓦。

　　参考文献

　　1　彭木根，王文博等.TD-SCDMA移动通信系统.北京：机械工业出版社，2005

　　2　TD-SCDMA基站设备无线收发性能技术规范》中华人民共和国信息产业部

　　3　TD-SCDMA用户终端无线收发性能技术规范》中华人民共和国信息产业部