TD-SCDMA单载频小区信道容量计算

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    作者：苏华鸿  梁天恩  熊金州

    0  前言

    TD-SCDMA作为TDD模式技术，比FDD更适用于上下行不对称的业务环境，是多时隙TDMA与直扩CDMA技术合成的新技术。

    同时，TD-SCDMA标准建议所采用的空中接口技术作为当前业界最为先进的传输技术之一，通过与智能天线技术、同步CDMA等技术的融合，形成了目前频谱使用率最高、成本最低的第三代无线网络技术。

    现有TD-SCDMA规范主要是针对1个小区对应1个单载频的情形，空中接口对于无线资源的操作、配置都是针对1个载频来进行的。在Iub接口小区建立的过程中1个Cell只需配置1个绝对频点号。

    如果1个基站配置了多载频，则每个载频被当作1个逻辑小区，每个逻辑小区各自独立地维护1套导引信息和广播信息。因此，当1个扇区有几个载频时，其容量应是几个单载频小区容量之和。随着TD-SCDMA规范的不断完善，将会推出多载频小区，其突出优势是仅在主载频上发射导引信息，有利于减少导频信号干扰，提高系统效率。

    1  TD-SCDMA物理信道

    TD-SCDMA系统的物理信道采用4层结构:系统帧号、无线帧、子帧、时隙/码。依据资源分配方案的不同，子帧或时隙/码的配置结构也可能有所不同。系统使用时隙和扩频码在时域和码域上来区分不同的用户信号。

    TDD模式下的物理信道由突发（Burst）构成，这些Burst仅在所分配的无线帧中的特定时隙发射。无线帧的分配可以是连续的（即每一帧的时隙都分配给物理信道），也可以是不连续的（即仅有部分无线帧中的时隙分配给物理信道）。

    除下行导频（DwPTS）和上行接入（UpPTS）突发外，其他所有用于信息传输的突发都具有相同的结构，即由2个数据部分、1个训练序列码和1个保护时间片组成。数据部分对称地分布于训练序列的两端。1个突发的持续时间就定义为1个时隙。1个发射机可以在同一时刻、同一频率上发射多个突发以对应同一时隙中的不同信道，不同信道使用不同的OVSF信道化码来实现物理信道的码分。

    在TD-SCDMA系统中，每个小区一般使用1个基本的训练序列码。对这个基本的训练序列码进行等长的循环移位（长度取决于同一时隙的用户数），又可以得到一系列的训练序列。同一时隙的不同用户将使用不同的训练序列位移。因此，1个物理信道是由频率、时隙、信道码、训练序列位移和无线帧分配等诸多参数来共同定义的。

    1.1帧结构

    3GPP定义的1个TDMA帧长度为10ms。TD-SCDMA系统为了实现快速功率控制和定时提前校准以及对一些新技术的支持（如智能天线），将1个10ms的帧分成2个结构完全相同的子帧，每个子帧的时长为5ms。每个5 ms的子帧由3个特殊时隙和7个常规时隙（TS0～TS6）组成。常规时隙用作传送用户数据或控制信息。在这7个常规时隙中，TS0总是固定地用作下行时隙来发送系统广播信息（在单载频小区，通常不承载业务），而TS1总是固定地用作上行时隙。其他的常规时隙可以根据需要灵活地配置成上行或下行，以实现不对称业务的传输，如分组数据。每个子帧总是从TS0开始。用作上行链路的时隙和用作下行链路的时隙之间由1个转换点分开。每个5 ms的子帧有2个转换点，第一个转换点固定在TS0结束处，而第二个转换点则取决于小区上、下行时隙的配置，可位于TS1～TS6结束处。

    1.2时隙结构

    时隙结构也就是突发的结构。TD-SCDMA系统共定义了4种时隙类型，它们是DwPTS、UpPTS、GP和TS0～TS6。其中DwPTS和UpPTS分别用作上行同步和下行同步，不承载用户数据，GP用作上行同步建立过程中的传播时延保护，TS0～TS6用于承载用户数据或控制信息。

    1.2.1DwPTS时隙

    DwPTS时隙用来发送下行同步码（SYNC_DL），其时隙长度为96chip，其中同步码长为64chip，前面有32chip用作TS0时隙的拖尾保护。Node B必须在每个小区的DwPTS时隙发送下行同步码。不同的下行同步码标识了不同的小区，其发送功率必须保证全方向覆盖整个小区。按物理信道来划分，发送下行同步码的信道也叫做下行同步信道（DwPCH）。在DwPTS时隙没有码分复用，也就是说，该时隙仅有1个物理信道DwPCH。

    1.2.2UpPTS时隙

    UpPTS时隙被UE用来发送下行同步码（SYNC_UL），以建立和NodeB的上行同步。UpPTS时隙长度为160chip，其中同步码长为128chip，另有32 chip用作拖尾保护。多个UE可以在同一时刻发起上行同步建立。Node B可以在同一子帧的UpPTS时隙识别多达8个不同的上行同步码。按物理信道划分，用于上行同步建立的信道也叫做上行同步信道（UpPCH）。1个小区中最多可有8个UpPCH同时存在。

    1.2.3TS0～TS6时隙

    TS0～TS6共7个常规时隙被用作用户数据或控制信息的传输，它们具有完全相同的时隙结构。每个时隙被分成了4个域：2个数据域、1个训练系列域（Midamble）和1个用作时隙保护的空域（GP）。

    1.3数据域

    数据域对称地分布于Midamble码的两端，每域的长度为352chip，所能承载的数据符号数取决于所用的扩频因子。每一数据域所能容纳的数据符号数S与扩频因子SF的关系为：S×SF＝352。在TD-SCDMA系统中，上行方向SF可取的值为：1、2、4、8、16，其对应的S值为：352、176、88、44、22，而在下行方向，SF可取的值仅为1和16两种，对应的S值为352和22。

    数据域用于承载来自传输信道的用户数据或高层控制信息，除此之外，在专有信道和部分公共信道上，数据域的部分数据符号还被用来承载3种类型的物理层信令：TFCI、TPC和SS，详见参考文献1。

    2  TD-SCDMA单载频小区容量

    2.1信道与BRU

    在TD-SCDMA系统中，现有规范规定1个小区对应1个载频，1个信道就是载波、时隙、扩频码的组合，也叫1个资源单位。其中，1个时隙内由1个16位扩频码划分的信道有16个，它是最基本的资源单位，即BRU。1个信道占用的BRU个数是不一样的，1个RU（RUSF1）占用了16个BRU，1个RUSF8则占用2个BRU，通常1个语音业务信道需占用2个BRU，而在1个载波上，所能提供的BRU的最大个数是固定的。在每个RU中，即在1个常规时隙中含有2个数据符号字段，其中每个数据符号字段有352chip，则在1个RU中有352×2=704chip。当扩频因子为16时（对应1个BRU），在1个RU中所包含的数据符号数为704/16=44bit。如果采用QPSK调制方式，则在1个码道中所包含的数据比特数为44×2=88 bit；如果采用8PSK调制方式（此种调制方式一般应用于2M的业务），则在1个码道中所包含的数据比特数为44×3=132 bit。因为1个子帧的长度为5 ms，因此，当采用QPSK调制方式时，1个BRU的速率为88 bit/5 ms=17.6 kbit/s；当采用8PSK调制方式时，1个BRU的速率为132 bit/5 ms=26.4 kbit/s。

    2.2多码道传输与单码道传输

    在TD-SCDMA中，OVSF码的使用使得信道可以传输各种速率的数据：对于低速的数据可以采用较大的扩频因子（扩频增益大）；而高速的数据可以用较小的扩频因子（扩频增益小）。这样对于1个高速的（需要多个资源单元）承载业务，可以有2种信道分配方式：一是为该业务分配多个码道，其中每个码道都采用较大的扩频因子（较低的单信道数据速率），进行多码道传输，以达到较高的数据速率（如分配2个SF=16的码道）；二是仅为该业务分配1个（或者较少）码道，并使用较小的扩频因子（较高的单信道数据速率，如分配1个SF=8的码道）。

    2.3时域集中分配与码域集中分配

    对于多码道传输，也有2种不同的码道分配方式需要考虑：“码域集中分配”和“时域集中分配”，当然，也可以采用两者的结合。码域集中分配是首先将1个时隙内的多个码道集中分配给用户，如果该时隙内可用码道不够，再考虑分配其他时隙内的码道；而时域集中分配是同时将多个时隙分配给用户，但每个时隙可能分配更少的BRU给该用户。码域集中分配减少了每个时隙内的平均用户数，但由于在同一时隙可能同时需要多个码道，阻塞概率将高于时域集中分配原则。如下行128k数据业务，既可以使用每子帧1个时隙，每个时隙分配16个BRU（码域集中分配，简称方案一），也可以采用每个子帧2个时隙，每个时隙8BRU（偏向于时域集中，简称方案二）。假设系统能满码道工作，采用方案一，每个时隙平均可能有2个用户，而方案二则只可能有1个用户。同样，在系统不进行资源整合时，每个时隙有1个小业务量用户（譬如话音业务），则128k业务采用方案一的资源分配策略将被阻塞，而采用方案二则不会。同时，采用方案二，由于同一时隙支持的用户数较多，因此在空间上可以隔离，结合智能天线的波束赋形，小区内干扰较低，基于干扰的接纳控制时，方案二被阻塞的概率也降低了。从系统性能来看，时域集中分配总体上优于码域集中分配，但对RRM算法的要求和终端的设计要求也更高。因此，在覆盖受限的业务可以考虑时域集中分配，将所需的BRU分散到不同时隙，增大小区覆盖，而其他业务则主要考虑码域集中分配，降低RRM调度的复杂性。

    2.4BRU需求量计算

    在2G系统中，根据无线信道呼叫阻塞率指标和预测的话务量数据，可以直接查找ErlangB、ErlangC或PoissoN表得到所需的话音频道数。对应于TD-SCDMA系统，借助于爱尔兰呼损公式及计算表，也可以得到系统BRU的需求量，但计算相对复杂。下面通过1个实际的例子，介绍一下TD-SCDMA系统BRU需求量的计算方法。假设某城市支持的业务，同一种业务类型的不同速率有不同的业务ID，按不同业务处理。根据某种预测模型得到该区域的语音业务（业务1）为640Erl，业务2的通道速率为6400kbit/s，业务3的通道速率为10 666 kbit/s，业务4的通道速率为4 800 kbit/s；对于数据业务，在给定承载的前提下，可以将其转换成等效爱尔兰，即数据业务等效信道数=通道速率/承载速率，再查爱尔兰表，。要求的无线信道的呼叫阻塞率为2%。

    根据不同业务的BRU分配方案，业务1每载扇需要2BRU，业务2和业务3每载扇需要8BRU，业务4每载扇需要16BRU。

    业务量预期在3∶3时隙比例配置中，同1个载扇只能提供24个业务1的用户（3×16BRU每载扇/2BRU，即24用户每载扇），或6个业务2的用户，或6个业务3的用户，或3个业务4的用户。通过查找ErlangB表，得到在2%呼叫阻塞率时，1个小区支持的不同业务的等效爱尔兰数分别为：16.6、2.276、2.276和0.602Erl。通过简单的分析，该区域需要的载扇总数为：640/16.6+87.97/2.276+72.53/2.276+25.53/0.6=123，需要123个单载频小区。

    3  TD-SCDMA多载频小区

    考虑到单个TD-SCDMA载频所能提供的用户数量有限，要提高热点地区的系统容量覆盖，必须增加系统的载频数量。TD-SCDMA系统中，多载频系统是指1个小区可以配置多于1个载波频段的系统，并称这样的小区为多载频小区。

    3.1TD-SCDMA多载频系统

    为了提高TD-SCDMA单载频系统的性能，中国通信标准化协会（CCSA）在制定TD-SCDMA系统通信行标时，充分考虑了多载频系统的特殊性，在保持现有单载频系统规范最大程度稳定性的前提下，保持TD-SCDMA多载频系统的简单、易实现性。TD-SCDMA多载频系统将相同地理覆盖区域的多个小区（每个载频为1个小区）合并到一起，共享同1套公共信道资源，从而构成1个多载频小区。对TD-SCDMA多载频系统特作如下约定：

    1个小区可配置多个载频，仅在小区/扇区的1个载频上发送DwPTS和广播信息（TSO），多个频点使用1个共同广播。针对每一小区，从分配到的n个频点中确定1个作为主载频，其他载频为辅助载频。在同1个小区内，仅在主载频上发送DwPTS和广播信息。

    a）对支持多频点的小区，承载P-CCPCH的载频称为主载频，不承载P-CCPCH的载频称为辅载频。对支持多频点的小区，有且仅有1个主载频。

    b）主载频和辅助载频使用相同的扰码和基本Midamble。

    c）公共控制信道DwPCH、P-CCPCH、PICK、S-CCPCH、PRACH等规定配置在主载频上，信标信道总在主载频上发送。至于UpPCH、FPACH在辅载频上是否使用，以及如何使用将有待进一步确认。

    d）多时隙配置应限定为在同一载频上。

    e）同一用户的上下行配置在同一载频上。

    f）辅载频的TSO不使用。

    g）主载频和辅载频的时隙转换点建议配置为相同。

    3.2多载频特性对现有标准的影响

    根据上述对TD-SCDMA多频载系统的约定，多载频特性将对单载频系统中的Uu接口和Iub接口标准产生细微的影响，见参考文献3。

    3.3多载频系统的优点

    在实际组网时，如果采用上述多载频系统方案，可以有效地降低对基站发射机功率的要求，特别是当1个终端处于小区交界处时，它将具有如下优点：

    a）加快小区搜索。各小区由于仅在主载频上发送DwPTS导引信息，移动终端在进行小区搜索时，可有效地克服相同基站的相邻小区DwPTS，以及相邻基站的各个小区的DwPTS的干扰，从而提高终端接收导引信号的信噪比，加快移动终端的初始搜索速度。

    b）简化终端测量。由于小区数量的减少，终端无需在多个邻近小区中陷入可能的复杂、难以判别的测量过程。

    c）切换简单。当测量结果送到RNC时，简化的测量将导致切换判定上的易于实现，从而使系统负荷减轻。

    4  结束语

    通过上面的分析，目前3GPPLCRTDD标准适合于独立组网，属单载频小区系统，信道和BRU局限在1个载频内。规范进一步发展的重点将是多载频小区，网络性能将会有较大提高。TD-SCDMA多载频系统的相关规范目前已在中国通信标准化协会（CCSA）讨论获得通过，并已报批国家3G移动通信技术行业标准。

    参考文献

    1  李小文等.TD-SCDMA第三代移动通信系统、信息及实现.北京：人民邮电出版社，2003

    2  陈鸿刚.第三代移动通信的小区规划.邮电設计技术，2001（12）

    3  马志锋等.TD-SCDMA系统中的多载频特性分析.移动通信，2005（3）

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