TD-SCDMA无线网络规划中若干问题的探讨

　摘要 本文结合相关研究和试验成果，在深入分析TD-SCDMA技术特点的基础上，总结了TD-SCDMA系统内干扰的5个特点，提出了TD-SCDMA组网容量与覆盖规划中应当注意的若干问题和TD-SCDMA R4与HSDPA、MBMS系统混合组网中互干扰协调方法。本文认为做好TD-SCDMA无线资源综合管理与调度是抑制系统内同频干扰、提高网络性能和用户感受的主要手段，并给出了若干干扰抑制解决思路。

　　关键词TD-SCDMA;系统内干扰;容量与覆盖;无线网络规划;无线资源管理

　　1 引言

　　TD-SCDMA技术近年来在社会各界的共同努力下，产业化进程不断加快。中国移动的TD-SCDMA网络和业务已进入了大规模建设和发展时期。本文结合笔者研究和参与试验的实践与思考，对TD-SCDMA无线网络规划优化中的几个技术问题进行了探讨，旨在说明做好TD-SCDMA网络规划不是一蹴而就的，需要厘清关键技术问题，集中、持续地结合实践开展攻关，为TD-SCDMA网络质量的提升以及后续演进技术TD-LTE的发展奠定基础。

　　2 对TD-SCDMA技术特点的认识

　　TD-SCDMA的技术特点可以概括为：TDD双工方式、智能天线的采用和短码字CDMA技术。

　　TDD与FDD是通信系统实现双向通信的两种不同方式，各有优缺点[1~3]。传统观点从降低技术和设备复杂度的角度出发，认为FDD方式适合连续覆盖，TDD方式仅适合热点且用户低速运动场景的覆盖[1]。但在频率资源日益紧张、载波带宽不断增加的今天，TDD方式以其具有的双向信道性能互易、频率配置灵活等优势促使业界不断推动相关技术和产业的发展[3,4]。对于我国这样人均频率资源占有率低下的人口大国，TDD方式更具有特别的战略和现实意义。但TDD方式在降低终端发射信号峰均比、提升时间效率、复杂环境下保证发射端的信道状态信息CSIT(channelstateinformation at the transmitter)准确性等方面存在一定的技术挑战[2, 4, 5]。笔者认为，相比FDD方式而言，采用TDD方式规模组网最大的技术挑战之一就是交错时隙干扰(cross-slot interference)抑制。虽然同一运营商的网络内可以实现基站同步和邻小区采用相同的上下行时隙分配比例，但是仍会出现信号传播时延造成的基站与基站之间以及终端与终端之间的同信道干扰。例如，2006年厦门等三地规模试验网中曾出现距离22.5 km的基站下行导频信号(DwPTS)干扰本小区上行导频信号(UpPTS)基站接收，造成小区内所有用户起呼困难的情况，后引入UpPTS滑动功能解决。随着TD-SCDMA网络和业务的深入发展，预计将出现其他形式的“交叉时隙干扰”故障，如可能出现对流层散射、大气波导效应导致的超远距离基站间干扰等。这需要我们在控制基站功率避免“过覆盖”的同时，积极探索各种灵活、有效的无线资源管理算法(如时隙分组[2]、频率分组等)来有效应对。

　　智能天线与MIMO技术同属于多天线预编码技术，其技术原理是：将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准目标用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的。把智能天线引入移动通信领域源于20世纪90年代，目前处于技术和产业走向成熟阶段[5]。智能天线技术的引入有效弥补了TDD方式接收机灵敏度较低以及覆盖范围相对FDD方式偏小的缺点，使其规模连续组网成为可能[6]。有专家甚至认为TD-SCDMA是以智能天线为中心的第三代移动通信系统[7]。但是，从组网的角度来看，智能天线能够发挥干扰抑制作用至少需要具备两个前提条件：一是用户分布分散，以便智能天线发挥“空间滤波”作用;二是信道多径信号的角度扩散要求较小(15°以内)，在室内、闹市区甚至山区这些多径信号角度扩散较大的场景中，智能天线不能充分发挥甚至不能发挥干扰抑制作用。另外，智能天线在有效抑制系统内干扰的同时，改变了网络系统内干扰的分布结构，增加了干扰的波动性，使得系统内的干扰值离散化。在网络规划与优化中应充分考虑到以上条件限制，从而采取适宜的措施，需要注意的主要有以下几个方面：

　　·在规划中预留足够的资源，为多种无线资源的联合调度优化提供可能;

　　·恰当选择基站高度，防止站址过低，导致多径信号角度扩散过大;

　　·尽量把站址选择在话务热点;

　　·注意智能天线电气和机械性能指标，妥善处理降低工程实施难度和保证网络性能之间的关系，尽量采用标准8阵元天线。

　　TD-SCDMA是一种比较特殊的CDMA技术，一方面继承了CDMA的固有特点(如远近效应和呼吸效应)，另一方面采用扩频因子为16的信道化码和扰码，小于CDMA常用扩频因子[8]。短码的使用带来了如下结果。

　　·便于实现计算量大的联合检测技术。试验表明，加上TDD要求的上行同步技术增益，在基站侧采用最小均方误差-线性块均衡(MMSE-BLE)联合检测算法后，小区内60%～80%的码间干扰(ISI)和多址干扰(MAI)可以消除。

　　·短码扩频导致信号扩频后白化性能下降。TD-SCDMA所采用的扰码是历史原因形成的特殊128个16位码字，不是通过移位寄存器产生的PN码。研究表明两个不同复合码(复合码为扰码与信道化码的乘积，其互相关特性如图1所示)序列相关值在多径传播环境下甚至出现完全相关的情况[9]，这意味着位于不同小区采用相同的扩频码的两个用户将会因不同小区扰码强相关而出现数据无法解调的现象。外场实测表明基站复合扰码扩频后的TD-SCDMA信号频谱白化特性相对较弱，多址干扰值离散性强、平稳性弱。

　　

　　(a)复合码2、4互相关性好 (b)复合码3、7互相关性差

　　图1复合码的互相关特性

　　为了有效解决小区内OVSF短码多径传播时延导致码间正交性变差问题，在网络规划中邻小区间码字选择必须结合研究和试验结果。关于大规模组网条件下相关扰码规划方法及扰码可用数量尚无定论，还需要专题研究，并在大网实际加载环境下验证。

　　应当澄清的是，仅因为采用短扩频码而不是长扩频码就认为TD-SCDMA系统抗干扰能力较其他CDMA系统差的观点是片面的、不准确的，移动通信系统的抗干扰能力是多种因素综合作用的结果。试验表明，通过应用智能天线和联合检测技术，在很多场合下TD-SCDMA较其他CDMA系统具有更强的抗干扰能力。

　　3 TD-SCDMA系统内干扰的特点

　　根据TD-SCDMA的固有技术特点和相关研究、试验，我们发现TD-SCDMA系统内干扰具有以下5个显著特点。

　　(1)TDD方式引入了交错时隙干扰，一旦发生下行信号干扰上行导频信号，信号就会阻断;一旦发生下行信号干扰上行业务信号，该上行时隙解调性能就会显著下降甚至无法使用。导频信道与业务信道的时域自适应滑动虽然可以减小控制信道的交叉时隙干扰，但会降低系统频率和时间利用率。

　　(2)控制信道采用广播方式，无法进行波束赋形，所受到的同频干扰较业务信道恶劣。根据蜂窝小区拓扑学公式(n为传播指数，R为小区半径，D为使用同频主载波的小区基站间最小距离)和相关参数计算，当主载波复用系数为6～7，且0时隙用到8个左右BRU时，网络最小载干比可以满足1dB的PCCPCH解调要求(见表1);对于业务信道，研究和试验表明，当智能天线正常工作时，基本可以做到同频复用。表1中N表示主载波复用系数，即每N个频点作为一组，分别对应N个相邻小区的主载波频点;Q=D/R，表示同频信道复用比。

　　表1不同主载波复用系数与信号质量关系

　　NQS/I(dB)S/I-9.5(dB)1S/I-8.4(dB)2

　　n=3n=3.5n=4n=3n=3.5n=4n=3n=3.5n=4

　　334.49386.28628.027-5.0062-3.2138-1.4730-3.9062-2.1138-0.3730

　　43.466.89799.148911.3564-2.6021-0.35111.8564-1.50210.74892.9564

　　74.5811.204814.253517.27341.70484.75357.77342.80485.85358.8734

　　12615.073818.814322.53665.57389.314313.03666.673810.414314.1366

　　136.2415.633319.472223.29436.13339.972213.79437.233311.072214.8943

　　197.5418.249222.543826.82668.749213.043817.32669.849214.143818.4266

　　1：控制信道最多加载9个BRU，这样最大发射功率为34+10×lg10(9/16)=31.5 dB，则相应的S/I应该减少31.5-22=9.5 dB。

　　2：控制信道最多加载7个BRU，这样最大发射功率为34+10×lg10(7/16)=30.4 dB，则相应的S/I应该减少30.4-22=8.4 dB。

　　(3)TD-SCDMA系统内干扰具有一定的波动性。首先，智能天线的引入在抑制干扰的同时也改变了系统干扰的分布结构，用户密集区域，智能天线的空间滤波作用减弱甚至完全不起作用，用户分布变化将导致干扰发生较大的波动，如图2所示。另外，参考文献[10]亦提出并分析了作为短码CDMA系统的TD-SCDMA在用户数较少时的干扰波动性问题。

　　

　　(a)用户平均分布

　　

　　(b)用户集中分布

　　图2智能天线系统小区内干扰分布示意

　　(4)传统CDMA系统的小区间与小区内干扰比值一般认为是0.6左右[8,11]，而TD-SCDMA采用了联合检测和智能天线技术，小区间干扰一般会明显高于小区内干扰。图3是在用户均匀分布场景(每时隙4个用户)和常用条件假设下邻小区干扰与本小区干扰比值的概率密度曲线，其均值达到8左右。另外，仿真表明当用户集中在小区边缘而其他条件不变时，邻小区与本小区干扰比值的均值大于10，超过100的概率达到5%左右。这也就是说，决定本小区系统内总干扰的一般不是本小区干扰，而是邻小区干扰，这与其他CDMA系统迥然不同。

　　

　　图3小区间与小区内干扰比

　　(5)TD-SCDMA系统内干扰情况复杂，干扰值与用户数量、用户分布及行为、智能天线性能、功率控制、地理环境等因素密切相关。图4所示为用户在小区内均匀分布、用户集中在小区边缘(图中标示为场景一)和用户集中在小区中心(图中标示为场景二)3种场景下，TD-SCDMA系统的上行底噪抬升与用户加载之间的关系(ρ为集中区域与其他区域用户密度之比)。从图4可以看出，当单时隙接入6个用户时，3种场景上行底噪抬升的平均值分别是12dB、22dB和3dB;当单时隙用满所有码字资源即接入8个用户时，3种场景上行底噪抬升的平均值分别是16 dB、28 dB和6 dB。参考文献[12]详细分析了智能天线旁瓣抑制、功率控制等因素对系统干扰和容量的影响。

　　

　　图43种场景下上行底噪抬升与用户加载关系

　　另外，值得说明的是TD-SCDMA的邻频抑制能力远高于GSM，邻频信道干扰抑制比(ACIR)达到35dB以上(GSMACIR为18dB)。理论和试验证明，TD-SCDMA邻频干扰远远低于同频干扰(保证小区间上/下行时隙切换点相同的情况下)，传统GSM网络规划设计中对邻频干扰的抑制方法(如邻小区一般不应使用邻频等)在TD-SCDMA网络规划设计中无需考虑。

　　4 TD-SCDMA系统的容量与覆盖

　　系统内干扰决定了系统容量。TD-SCDMA系统容量估算必须放到大规模网络的角度进行考量，小规模组网测试结果并不具有通用性。目前，对于规模网络环境下TD-SCDMA的容量估算虽然有一些研究[12~14]，但尚无定论，需要紧密结合工程实际和具体场景探索。

　　研究和试验证明，TD-SCDMA在一定的无线环境和覆盖范围内确实表现出无线码道资源受限的特性。TD-SCDMA系统内干扰或者说容量与智能天线性能、覆盖面积、用户分布、终端发射功率、电波传播环境等因素密切相关。这里给出一个以TD-SCDMA工作原理为依据相对简单的容量估算公式推导。

　　智能天线对干扰的抑制作用可以等效为一个空间滤波器，该滤波器对其他用户的干扰起到抑制作用。通过大量测试统计能够得到一个平均的干扰抑制因子，联合检测能够消除本小区其他用户的干扰，通过大量测试统计得到一个平均的联合检测干扰消除因子，则TD-SCDMA系统上行平衡方程为：

　　 (1)

　　其中，分母的第一项为本小区其他用户干扰;第二项为邻小区干扰，为邻小区干扰与本小区干扰比，与传播模型和小区半径等因素相关;第三项为热噪声功率。由式(1)可得：

　　(2)

　　当系统的干扰远远大于热噪声时，得系统极限容量为：

　　 (3)

　　当智能天线干扰抑制能力强，信道传播环境较好时，系统的极限容量超过8个语音用户;当智能天线性能下降，邻小区干扰较强时，系统的极限容量小于8个语音用户;当不采用智能天线时，即便联合检测消除了本小区80%的干扰，系统容量仅有2个左右语音用户。需要指出，公式中仅考虑了理想功率控制，假设所有用户的上行信号在基站接收机都能达到所要求的目标信噪比，并且没有考虑联合检测因子以及智能天线的干扰抑制因子在不同条件下所发生的变化，故估算结果存在比实际值理想的可能[14]。笔者建议在TD-SCDMA建网初期按照满码道容量的50%～60%进行网络规划设计，不必追求过高的频谱利用率。

　　图5是在一定假设条件下通过计算机仿真得到的TD-SCDMA系统容量与覆盖曲线，与外场试验结果大体相符。参考文献[13]中亦通过仿真得出基本相同的结论。

　　

　　图5TD-SCDMA容量与覆盖的关系

　　从图5可以看出，当小区覆盖半径达到1100m左右时，系统可以支持12.2kbit/s语音业务到满码道，即1 100 m半径以内系统无呼吸效应;当小区半径超过1 100 m时，系统支持的12.2 kbit/s语音业务随半径增大而减少，呈现出一定的呼吸效应。或者说，在覆盖受限的场景下，用户数增加导致覆盖半径迅速下降，存在呼吸效应;而在一定的覆盖范围内，用户数增加不会使小区的覆盖明显变化，或者说呼吸效应不明显，这主要得益于智能天线和联合检测技术的应用。图5中的曲线还表现出TD-SCDMA码资源受限的特点。根据TD-SCDMA容量与覆盖关系的特点，规划TD-SCDMA的覆盖半径不宜过大，笔者建议在链路预算中将干扰储备值设为15 dB以上，以应对呼吸效应影响。同时，小区覆盖半径过小，或者说站距过近亦导致小区内和小区间同频干扰增大。图6和图7是在单时隙接入6个用户和一定仿真条件下的小区半径与TD-SCDMA系统上、下行掉话率关系，可以看出，站距过疏或过密都会导致TD-SCDMA系统内干扰和掉话率的提升。笔者建议站间距一般应在400 m以上。厦门等地规模外场试验基本验证了以上关系，各地网络建设还需要结合以上分析和当地实际情况摸索。

　　

　　图63种场景小区半径与上行通信中断率关系

　　

　　图73种场景小区半径与下行通信中断率关系

　　5 R4、HSDPA与MBMS共存问题

　　目前，现网中已经存在R4与HSDPA共存的情况，估计很快将会出现R4、HSDPA与MBMS3种版本共存的情况。由于HSDPA与MBMS没有采用功率控制技术，并且通常以最大功率发射信号，因此TD-SCDMA网内干扰将进一步增加。

　　已在现网部署的TD-HSDPA采用智能天线，由此带来的干扰的波动性和离散性将进一步增强。相关研究和2008年上海、深圳等地试验表明[15]，R4与HSDPA在同一地理区域内同频同时隙且不存在交叉时隙干扰的情况下，HSDPA基站发射干扰同频邻小区R4下行导致的容量损失为20%～40%，表现为R4小区边缘用户掉话;同时R4基站发射也会对同频邻小区HSDPA的下行产生干扰，导致HSDPA的容量损失10%～35%。两者之间实现共存，需要设置一个扇区的隔离带，在隔离扇区中该时隙闭锁不用。研究和试验还证明，R4与HSDPA邻频存在交叉时隙干扰时，两者之间干扰剧烈。根据3GPP标准要求的射频(RF)指标分析，两者之间的隔离带宽须为3.2MHz以上，并且需要通过工程措施额外增加35dB的ACIR才能实现共存[16]。这样的隔离要求给工程实现和网络优化带来了较大的困难，一般不予推荐。

　　即将在现网部署的TD-MBMS不采用智能天线，所以对R4的干扰相比HSDPA对R4的干扰要略小。相关研究表明[16,17]，R4与MBMS在同一地理区域内同频同时隙且不存在交叉时隙干扰的情况下，MBMS基站发射干扰同频邻小区R4下行导致的R4容量损失为15%～30%，表现为R4小区边缘用户掉话;同时R4基站发射也会对同频邻小区MBMS的下行产生干扰，导致MBMS的容量损失25%～50%。当R4与MBMS邻频存在交叉时隙干扰时，两者共存所需要的隔离带宽和措施与上述R4与HSDPA邻频存在交叉时隙干扰共存条件基本一致，工程实施和网络优化的难度同样较大。

　　相关研究表明，HSDPA与MBMS之间在同频同时隙且不存在交叉时隙干扰的情况下互干扰较小，可以共存。

　　综上所述，考虑到R4、HSDPA与MBMS之间的互干扰情况，笔者认为可以考虑未来将HSDPA/MBMS系统置于A频段，R4系统置于B频段，以减少HSDPA/MBMS与R4系统的互干扰。

　　6 利用TD-SCDMA无线资源管理抑制系统内干扰

　　做好无线资源管理，一方面是有效降低TD-SCDMA系统内干扰以提高网络性能鲁棒性的需要，另一方面是发挥TD-SCDMA特有优势的需要。TD-SCDMA具有时隙、码字、频点、空间、功率等相对丰富的无线资源切割平台，可以通过联合优化多维无线资源来适应无线信道衰落、网络负载变化，从而达到减小干扰、满足用户不同业务的服务质量需要和提高频率利用率的目的。

　　实际上，近两三年来，产业界已经开始了相关的研究和试验工作，并取得了一定的成果。如2006年厦门等地试验发现，虽然多码字传输可以克服OVSF码阻塞，理论上采用多码字传输结合多时隙配置可以改善覆盖性能，但在实际应用过程中发现单码传输能够克服多码间因多径时延带来的码道间互干扰问题，如128kbit/s的分组数据业务不再采用16个SF16的OVSF码传输，而采用单个SF1码字传输;另外，广东、河南公司开展的TD-SCDMA软频率复用技术试验，采用类似GSM中同心圆技术，小区内/外层采用不同的频率复用方案，试验结果证明可以明显降低掉话率和切换失败率，提升用户感受;北京公司则在2008年奥运区覆盖解决方案中尝试采用“分层网”方案，将话务负载按照一定策略分摊到两层网络，较好地应对了奥运期间的高业务量挑战。

　　另一方面，由于TD-SCDMA近年来发展迅速，产业界需要解决快速发展中的多种问题。TD-SCDMA无线资源管理与调度的研究、试验和产业化推进的系统性、活跃性不强，未引起足够的重视，亟待加强。笔者相信，随着网络从初期建设到维护优化阶段的转移，利用TD-SCDMA无线资源综合管理与调度将成为抑制系统内同频干扰、提高网络性能和用户感受的主要手段。如针对智能天线在用户密集场景无法获得空间滤波带来的方向性增益情况，需尽快开发智能天线波束内快速信道调度，将同一波束内用户通过频点、时间资源分割;通过TD-SCDMA使用A、B频段分层组网将用户负载根据运动方式、业务特征和相关性进行分配，从而降低各层网络的用户密度，提高网络应对用户分布变化等对网络性能的影响，提升网络的鲁棒性和资源利用率;借鉴WCDMA经验在TD-SCDMA数据卡增加天线数目，获得分集增益以提高网络覆盖和容量性能;探索小区间覆盖边缘采用时隙分组、频率分组的方法(如图8所示)，平衡资源利用率与网络性能之间的关系，降低同信道干扰，提高网络越区切换成功率等。

　　

　　图8时隙分组、频率分组示意

　　7 结束语

　　如上所述，TD-SCDMA网络规划和优化需要应对相关技术挑战，做好这一工作绝不是一蹴而就的。迄今为止，在全球范围内未见TDD大规模组网的成功案例。在有限的时间窗口内，我们应当发扬“求实、求是”精神，正确处理继承与创新的关系，区分问题主次，集中有限的精力，牢牢抓住TD-SCDMA网络规划中同频干扰协调这一主要问题，集中力量做好诸如射频标准一致性等基础性工作，避免引入更多的不确定性因素，逐步提高多种无线资源综合调度本领和网络性能，系统推进TD-SCDMA技术和产业的发展，为后续TD-LTE的引入和发展奠定比较坚实的技术和工程基础。

　　“社会一旦有技术上的需求，则这种需求要比10所大学更能把科学推向前进”(恩格斯语)，相信中国移动巨大的TD-SCDMA网络和业务发展需求一定能动员国内外更多的有识之士投身于TD-SCDMA无线网络规划和优化工作，迎接并战胜TD-SCDMA无线网络规划与优化中的技术挑战，使TD-SCDMA潜在的技术优势得以不断发挥，相信我国移动通信产业的创新能力和技术水平一定会随之有一个巨大的提升，从而为TD-LTE及TDDIMT-Advanced技术和产业的科学发展打下坚实的基础。

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　　[作者简介]周猛，工学博士，高工，现任中国移动通信集团公司技术部副经理、IEEE会员、工业和信息化部TD-SCDMA专家组成员。进入中国移动以来，曾获中国通信学会科技进步奖、信息产业部优秀电联文稿奖、企业科技进步奖等10余项，在国际国内核心刊物、会议等发表学术论文30余篇，申请专利多项。

　　DiscussionsonSomeTechnical Issues Related to the TD-SCDMA Wireless Network Planning

　　ZhouMeng

　　(ChinaMobileCommunicationsCorporation, Beijing 100032, China)

　　AbstractBasedonthe deep analysis about the technical characters of TD-SCDMA system within the some results of concerning research works and trials, the paper summarizes and concludes systematically 5 main characteristics on the intrasystem interference in TD-SCDMA wireless networks, puts forward some principles and issues should be concerned in the capacity and coverage planning of the TD-SCDMA wireless networks, interference coordinate methods for the coexistence of TD-SCDMA R4、HSDPA and MBMS in the same area. The paper regards that wireless resources management is a effective approach to reduce the co-channel interference, improve the performance of TD-SCDMA network , mobile user’s experience level and then some examples are illustrated.

　　KeywordsTD-SCDMA,intrasysteminterference, capacity and coverage, wireless network planning, wireless resource management