TD-SCDMA系統(tǒng)中GPS失步對網(wǎng)絡(luò)性能的影響

摘要:時分-同步碼分多址(TD-SCDMA)系統(tǒng)中經(jīng)常會出現(xiàn)全球定位系統(tǒng)(GPS)信號被干擾或者遮擋，導致搜索不到GPS衛(wèi)星后同步失效的現(xiàn)象。長期同步失效會導致基站間出現(xiàn)定時偏差，定時偏差過大將影響手機搜索鄰區(qū)、小區(qū)切換、DwPTS對上行導引時隙(UpPTS)的干擾等。這些將進一步影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，造成切換失敗、切換掉話、呼通率下降，嚴重影響用戶在網(wǎng)絡(luò)中的感受。研究發(fā)現(xiàn)GPS失步4碼片(chip)以上時，網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量出現(xiàn)顯著下降;GPS失步10 chip以上時，出現(xiàn)手機搜不到鄰區(qū);在GPS失步16 chip以下時，DwPTS對UpPTS的干擾在GPS失步小區(qū)的第一、第二圈小區(qū)表現(xiàn)不明顯。研究結(jié)果表明:為了不影響網(wǎng)絡(luò)性能，TD-SCDMA系統(tǒng)允許的GPS失步最大定時偏差為4 chip。

關(guān)鍵詞: 全球定位系統(tǒng)失步;時分-同步碼分多址;碼片

Abstract: There often occurs Global Positioning System (GPS) loss of synchronization in Time Division Synchronous Code Division Multiple Access (TD-SCDMA) system because GPS signals may be disturbed by other system signals and sheltered from some buildings. Long-time loss of synchronization will lead to time deviation between NodeBs. When this time deviation is big enough， neighboring cell searching of mobile phones and intercell handover may fail and Downlink Pilot Time Slot (DwPTS) interfere with Uplink Pilot Time Slot (UpPTS)， which will make network quality bad with handover failure， call dropping and low call succeeding ratio. In such a case， user experience will be badly affected. With our tests and analysis， we find that the TD-SCDMA network quality has obvious decrease when the GPS loss of synchronization goes over 4 chips， that the mobile phone fails to search a neighboring cell when the loss of synchronization goes over 10 chips， and that there is little UpPTS interference in the first-circle and second-circle neighboring cells when the loss of synchronization goes below 16 chips. The study results show that the allowable GPS loss of synchronization should be below 4 chips in TD-SCDMA system.

Key words: global positioning system loss of synchronization; TD-SCDMA; chip

在3G三大標準中，CDMA2000和時分-同步碼分多址(TD-SCDMA)均是基站同步系統(tǒng)，TD-SCDMA系統(tǒng)是全網(wǎng)同步系統(tǒng)，要求所有基站之間嚴格保持時間同步，小區(qū)間切換、漫游等都需要精確的時間控制，因此同步問題對于TD-SCDMA通信系統(tǒng)的重要性不言而喻。由于缺乏先進的網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，TD-SCDMA基站普遍采用全球定位系統(tǒng)(GPS)同步[1-14]。目前TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中，由于一些原因，基站無法收到GPS衛(wèi)星信號，同步失效的現(xiàn)象。

(1)GPS信號收到外界的干擾

GPS工作頻段為1 575 MHz，由于GPS信號從衛(wèi)星發(fā)射到地面之后，已經(jīng)非常微弱，所以很容易受到外界干擾的影響，很多因素都會對GPS信號造成干擾，比如外太空太陽耀斑的干擾、電離層和大氣環(huán)境的干擾、雷電等異常天氣的影響等。在存在干擾的情況下，接收機接收衛(wèi)星的信號質(zhì)量會變差，信噪比降低，誤碼率上升，某些時候就會導致接收不到衛(wèi)星信號。

(2)工程施工原因

在現(xiàn)實大規(guī)模建站時，如果GPS天線安裝位置附近存在遮擋或者施工工藝問題造成饋線阻抗過大、饋線頭工藝有問題、饋線進水等因素，使得基站側(cè)接收到的GPS信號較弱。

長期同步失效會導致基站間出現(xiàn)定時偏差，定時偏差過大將影響手機鄰區(qū)搜索、小區(qū)切換、下行導引時隙(DwPTS)對上行導引時隙(UpPTS)干擾和業(yè)務(wù)時隙交叉。這些將進一步影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，造成切換失敗、切換掉話、呼通率下降，嚴重影響用戶在網(wǎng)絡(luò)中感受。為此，我們通過測試研究基站由于GPS失步造成的定時偏差對網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量的影響，從而確定TD-SCDMA系統(tǒng)能夠容忍的GPS失步的定時偏差，進一步為選擇替代GPS同步系統(tǒng)的方案提供依據(jù)。

1 理論分析

GPS失步造成基站間的GPS定時偏差過大，從TD-SCDMA的幀結(jié)構(gòu)、終端和系統(tǒng)的實現(xiàn)方式分析，GPS失步主要在3個方面造成對系統(tǒng)的影響。

(1)切換及小區(qū)重選相關(guān)的鄰區(qū)測量(或鄰區(qū)搜索)

用戶終端(UE)在正常狀態(tài)下，都需要以當前小區(qū)DwPTS的定時為基準進行鄰區(qū)DwPTS搜索，如果相鄰小區(qū)定時偏差過大，則UE無法在DwPTS搜索窗內(nèi)搜索到臨小區(qū)的DwPTS，或者即使可以搜到鄰區(qū)但搜索到得鄰區(qū)主公共控制信道(PCCPCH)信號差，信干比(SIR)低，嚴重影響網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參數(shù)指標(KPI)性能，造成終端的重選和切換問題，如圖1所示。

此外TD-SCDMA中接力切換由于減少了終端上行UpPTS的接入過程，加快了切換過程，增加切換的成功率，但是對于基站間的同步要求比較高，因此一旦基站間GPS失去了同步，終端在專用信道上同步不上(終端在專用信道發(fā)送特殊的突發(fā)數(shù)據(jù)，基站收到后確認，表示上行同步成功，然后基站發(fā)送特殊的突發(fā)數(shù)據(jù)，終端收到，表示下行同步成功)，就很容易切換失敗。

(2)DwPTS對UpPTS時隙的干擾

TD-SCDMA為了避免小區(qū)之間下行DwPTS對UpPTS的干擾，在兩個時隙間留出了一個96碼片(chip)的保護(GP)時隙。在GPS失步的情況下，會導致DwPTS時隙和UpPTS時隙間的有效保護時間減少。如圖2所示。

UpPTS時隙干擾的抬升，會造成上行UpPTS信道的覆蓋收縮(在TD-SCDMA系統(tǒng)中電路交換域64k可視電話業(yè)務(wù)(CS64k)業(yè)務(wù)的覆蓋最小，因此UpPTS業(yè)務(wù)信道的覆蓋至少要保證和CS64k同覆蓋)，影響單小區(qū)邊緣用戶的上行接入，但是在實際網(wǎng)絡(luò)中由于PCCPCH接受信號碼功率(RSCP)小于-95 dBm的區(qū)域所占的比例極少，因此對呼通率的影響相對較小。

(3)業(yè)務(wù)時隙的交叉干擾

TD-CDMA系統(tǒng)的每個時隙末尾有一個16 chip長的GP用以上下行轉(zhuǎn)換，但是如果小區(qū)定時偏差過大，則會產(chǎn)生小區(qū)間業(yè)務(wù)時隙的交叉干擾。如圖3所示。

在TD-SCDMA中，每個業(yè)務(wù)時隙的864個chip長度，因此GPS失步造成的交叉時隙在業(yè)務(wù)時隙只會干擾部分chip時段，只有GPS失步很大時才會造成明顯的干擾。

2 測試設(shè)計

為了定量分析GPS失步對網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量的影響，我們在真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進行測試驗證。

(1)測試環(huán)境的選擇

在真實網(wǎng)絡(luò)中選擇一個高站點，加載可以進行GPS失步設(shè)定的基站軟件，造成人為的GPS失步，GPS失步定時偏差可控制和可修改，周圍有1到2圈基站GPS同步正常，30～40個連片小區(qū)覆蓋。

(2)測試終端的選擇

軟件用鼎力路測軟件，路測終端用中興通訊U85兩部、大唐8120一部，支持可視電話。

(3)測試中模擬加載的規(guī)定

小區(qū)模擬加載規(guī)定:75%模擬加載，即單時隙加載75%碼道，功率為27 dBm。

(4)測試用例的設(shè)計

根據(jù)上述的理論分析，共設(shè)計了8個測試用例。

(a)基站GPS定時向前偏差

●GPS失步基站小區(qū)的鄰區(qū)搜索測試

●GPS失步基站小區(qū)的UpPTS干擾變化測試

●GPS失步基站小區(qū)的鄰小區(qū)業(yè)務(wù)時隙干擾測試

●網(wǎng)絡(luò)的KPI性能測試

(b)基站GPS定時向后偏差

●GPS失步基站小區(qū)的鄰區(qū)搜索測試

●GPS失步基站小區(qū)的鄰小區(qū)UpPTS干擾變化測試

●GPS失步基站小區(qū)的業(yè)務(wù)時隙干擾測試

●網(wǎng)絡(luò)的KPI性能測試

3 測試數(shù)據(jù)分析

3.1 GPS失步基站小區(qū)的鄰區(qū)搜索

測試數(shù)據(jù)分析

GPS失步基站小區(qū)的鄰區(qū)搜索測試數(shù)據(jù)分析(對應(yīng)測試用例GPS失步基站小區(qū)的鄰區(qū)搜索測試、GPS失步基站小區(qū)的UpPTS干擾變化測試)。在GPS失步基站小區(qū)中選擇PCCPCH_RSCP為-65 dBm～-75 dBm的測試點，選擇該小區(qū)的其中一個鄰小區(qū)作為觀察對象，路測終端開關(guān)機5次，每次開機后保持2 min，觀察路測終端測量得的該鄰小區(qū)的PCCPCH_RSCP值的變化，求取平均值，測試結(jié)果如圖4所示。

(1)鄰小區(qū)PCCPCH_RSCP值隨著偏移值的增大都呈現(xiàn)從大到小的趨勢，表明終端對鄰小區(qū)信號強度的測量出現(xiàn)了誤差，誤差隨偏移值增大而增大。

(2)當GPS的向前偏移小于等于12 chip，向后偏移小于等于10 chip時，鄰小區(qū)的PCCPCH_RSCP值和沒有偏移時比較，變化在3 dB左右，考慮到無線信號的波動，屬于正常范圍。

(3)測試表明GPS向前偏移小于等于12 chip和基站向后偏移小于等于10 chip為終端對鄰區(qū)搜索不受影響的必要條件，因此，10 chip作為GPS基站失步不對終端搜索鄰區(qū)造成影響的最大允許臨界值。

3.2 UpPTS的干擾變化測試數(shù)據(jù)分析

GPS失步基站小區(qū)和鄰小區(qū)的UpPTS的干擾變化測試數(shù)據(jù)分析(對應(yīng)測試用例GPS失步基站小區(qū)的UpPTS干擾變化測試、GPS失步基站小區(qū)的鄰小區(qū)UpPTS干擾變化測試)。GPS失步基站向前偏移失步，除GPS失步基站外的其他基站小區(qū)的DwPTS干擾GPS失步基站小區(qū)的UpPTS;GPS失步基站向后偏移失步，GPS失步基站小區(qū)的DwPTS干擾除GPS失步基站外的其他基站小區(qū)的UpPTS。通過后臺觀察兩種情況下的干擾情況，干擾情況如圖5所示。

按照鏈路預(yù)算，為了保證UpPTS時隙和CS64k業(yè)務(wù)具有相同的覆蓋，UpPTS時隙的干擾余量為3 dB，即當UpPTS時隙干擾抬升超過-103.3 dBm(-103.3 dBm=-106.3 dBm+3 dBm)后，UpPTS時隙的覆蓋將小于CS64k業(yè)務(wù)的覆蓋，此時將不滿足TD-SCDMA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則。從本文測試結(jié)果看，GPS偏移16 chip內(nèi)，UpPTS干擾低于-103.3 dBm，偏移超過16 chip，干擾進一步抬升，不滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)計原則。測試結(jié)果表明GPS偏移16 chip為UpPTS受到干擾不滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則的最大臨界值。

3.3 業(yè)務(wù)時隙干擾的測試數(shù)據(jù)分析

GPS失步基站小區(qū)和鄰小區(qū)的業(yè)務(wù)時隙干擾的測試數(shù)據(jù)分析(對應(yīng)測試用例GPS失步基站小區(qū)的鄰小區(qū)業(yè)務(wù)時隙干擾測試和GPS失步基站小區(qū)的業(yè)務(wù)時隙干擾測試)。測試中，小區(qū)的業(yè)務(wù)時隙配置為2:4(2個上行時隙分別為時隙1和時隙2，4個下行時隙分別為時隙3、時隙4、時隙5和時隙6)，GPS失步基站向前偏移失步，GPS失步基站小區(qū)的下行時隙3干擾除GPS失步基站外的其他基站小區(qū)的上行時隙2。GPS失步基站向后偏移失步，除GPS失步基站外的其他基站小區(qū)的下行時隙3干擾GPS失步基站小區(qū)的上行時隙2。本文在測試中對干擾時隙3進行了75%碼道，功率27 dBm模擬加載來模擬真實網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的業(yè)務(wù)量。在此前提下進行被干擾上行時隙2的業(yè)務(wù)CS12.2k(電路交換域)撥打測試，并記錄被干擾時隙2的RTWP值。變化圖如圖6所示。

測試結(jié)果表明CS12.2k的呼通率為100%，上行被干擾時隙2的RTWP沒有明顯抬升。

3.4 網(wǎng)絡(luò)KPI性能測試數(shù)據(jù)分析

網(wǎng)絡(luò)KPI性能測試數(shù)據(jù)分析(對應(yīng)測試用例網(wǎng)絡(luò)的KPI性能測試和網(wǎng)絡(luò)的KPI性能測試)。在實際網(wǎng)絡(luò)中，我們進行了CS12.2k業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)KPI測試，兩個終端手機，CS12.2k呼叫保持2 min，掛斷間隔15 s，起呼次數(shù)不小于50次，切換次數(shù)不小于100次。測試結(jié)果如圖7所示。

(1)隨著GPS偏移值的變大，切換成功率和呼通率下降，掉話率抬升，影響網(wǎng)絡(luò)KPI指標。

(2)GPS偏移4 chip內(nèi)的切換成功率在98%以上，可以保證正常網(wǎng)絡(luò)的KPI指標要求。

(3)GPS偏移在5 chip以上時，切換成功率和呼通率下降，掉話率明顯抬升。

(4)GPS偏移會導致終端的重選效率降低，從而造成呼通率的下降。

4 結(jié)束語

通過本次實際測試表明:

(1)GPS基站失步后對終端鄰區(qū)測量(搜索)，UpPTS時隙干擾，業(yè)務(wù)時隙交叉干擾和網(wǎng)絡(luò)KPI性能指標影響中，對網(wǎng)絡(luò)KPI的影響最大。終端鄰區(qū)測量(搜索)允許的最大失步偏移量為10 chip(12 chip和10 chip中取最小值)，UpPTS時隙干擾允許的最大失步偏移量為16 chip，業(yè)務(wù)時隙干擾在上述失步偏移量下都沒有測試出干擾抬升，網(wǎng)絡(luò)KPI允許的最大的失步偏移量為4 chip。

(2)3GPP協(xié)議25.123[15]規(guī)定基站需要滿足同步在3 μs范圍的要求，測試結(jié)果表明4 chip為基站間失步的最大允許值，4 chip(即3.125 μs)，測試結(jié)果和協(xié)議表現(xiàn)為一致性。

(3)目前TD-SCDMA時間同步完全依賴于美國GPS系統(tǒng)實現(xiàn)，存在一定的安全隱患，中國的CDMA網(wǎng)絡(luò)，曾經(jīng)因為美國GPS未授時，出現(xiàn)過癱瘓事件，為此TD-SCDMA系統(tǒng)尋求GPS同步系統(tǒng)的替代同步系統(tǒng)顯得尤為必要，本文研究對選擇新的TD-SCDMA同步方案提供了時間同步的精度要求參考。

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收稿日期:2009-07-28

姬舒平，哈爾濱工業(yè)大學博士畢業(yè)，中興通訊股份有限公司高級工程師，主要從事第三代移動通信系統(tǒng)TD-SCDMA的無線技術(shù)研究，已發(fā)表文章30余篇，擁有專利3個。

劉志堅，大連輕工業(yè)學院畢業(yè)，現(xiàn)工作于中興通訊股份有限公司，主要從事TD無線測試工作。

董暉，上海工業(yè)大學畢業(yè)，現(xiàn)工作于中興通訊股份有限公司，主管TD-SCDMA產(chǎn)品系統(tǒng)測試工作，已發(fā)表文章5篇，擁有專利5個。