TDD方式無線通信中保護(hù)間隔與基站覆蓋半徑關(guān)系研究

石 炯 （安徽郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信工程系，安徽 合肥 230031）

自1968年貝爾實(shí)驗(yàn)室提出蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)概念以來，移動(dòng)通信已經(jīng)經(jīng)歷了3代系統(tǒng)的演變，并正向第4代系統(tǒng)邁進(jìn)。在具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD＿SCDMA標(biāo)準(zhǔn)及目前正發(fā)展并推廣的準(zhǔn)4G標(biāo)準(zhǔn)TDD-LTE系統(tǒng)中，由于采用時(shí)分雙工方式，為了避免上下行之間的干擾，其無線幀結(jié)構(gòu)中均設(shè)置了相應(yīng)的特殊時(shí)隙用作保護(hù)間隔。下面，筆者對(duì)TDD方式無線通信中保護(hù)間隔與基站覆蓋半徑的關(guān)系進(jìn)行探討。

1 TD-SCDMA系統(tǒng)中的保護(hù)間隔與基站覆蓋半徑的關(guān)系

3GPP從幀、子幀、時(shí)隙3個(gè)概念定義了TD-SCDMA物理層結(jié)構(gòu)，TDMA幀 （Frame）長度為10ms，為了實(shí)現(xiàn)快速功率控制、智能天線、上行同步等新技術(shù)，又將1個(gè)10ms的幀分成2個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的子幀 （Sub-fram），每個(gè)子幀5ms。每個(gè)子幀可分為7個(gè)常規(guī)時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙。7個(gè)常規(guī)時(shí)隙分別是：TS0～TS6，用作傳送用戶數(shù)據(jù)和控制信息。3個(gè)特殊時(shí)隙分別是DwPTS（下行導(dǎo)頻間隔）、GP（保護(hù)間隔）和UpPTS（上行導(dǎo)頻間隔）。

保護(hù)間隔是在基站側(cè)由發(fā)射功能向接收功能轉(zhuǎn)換時(shí)的時(shí)間間隔，時(shí)長為75μs（96chips），主要用于下行到上行轉(zhuǎn)換的保護(hù)：在小區(qū)搜索時(shí)，確保DwPTS可靠接收，防止干擾上行；在隨機(jī)接入時(shí)，確保UpPTS可以提前發(fā)射，防止干擾下行。從理論上說，GP確定了基站覆蓋半徑。

基站占用下行時(shí)隙發(fā)射信號(hào)，到達(dá)用戶終端將產(chǎn)生一個(gè)時(shí)延t。距離基站最遠(yuǎn)的用戶即處于小區(qū)覆蓋邊緣，下行信號(hào)到達(dá)小區(qū)覆蓋邊緣時(shí)所產(chǎn)生的時(shí)延即最大時(shí)延，設(shè)為Δt。反之，上行信號(hào)從用戶側(cè)到達(dá)基站也將產(chǎn)生時(shí)延Δt?？梢?，要使上、下行時(shí)隙不產(chǎn)生混淆，DwPTS和UpPTS之間的保護(hù)間隔的時(shí)長應(yīng)該等于2Δt[1]。無線電波在真空中的傳播速度等于光速c（3×108m／s），在空氣中的傳播速度略小于光速，通常認(rèn)為其等于光速，因而以光速c來近似替代無線電波在空氣中的傳播速度，由此最大時(shí)延Δt可計(jì)算如下：

式中，R為小區(qū)半徑，m；c為無線電波傳播速度，即3×108m／s。

因?yàn)椋篏P＝75μs且GP＝2Δt，代入式（1）有：

因此，TD-SCDMA系統(tǒng)從理論上確定其基本的基站覆蓋半徑 （理想小區(qū)最大半徑）為11.25km。當(dāng)然，實(shí)際的小區(qū)半徑不僅取決于保護(hù)間隔這一項(xiàng)參數(shù)，還受到多種因素的綜合影響，現(xiàn)網(wǎng)中的小區(qū)實(shí)際半徑通常遠(yuǎn)小于11.25km。

在工程實(shí)踐中，針對(duì)某些特定應(yīng)用場(chǎng)景，可能通過擴(kuò)大保護(hù)間隔的時(shí)值，使基站得到更大的覆蓋半徑。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，UpPTS包括了128chips的上行同步碼和32chips的保護(hù)間隔，如果允許略微增大UE初始小區(qū)的搜索時(shí)間，通過調(diào)整基站參數(shù)，將UpPTS中的32chips也用作保護(hù)間隔，此時(shí)GP＝96＋32＝128chips（對(duì)應(yīng)100μs），則基站所支持的最大覆蓋半徑為：

進(jìn)一步地，TD-SCDMA基站理論上的覆蓋距離仍可擴(kuò)大，通過動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)DCA （Dynamic Channel Allocation）來鎖住第1個(gè)上行時(shí)隙TS1，將TS1的時(shí)值 （864chips）也用作保護(hù)間隔。根據(jù)TD-SCDMA的的信息速率1.28Mchips／s：

即GP對(duì)應(yīng)的能夠接受的2Δt達(dá)到了750μs，則：

可見，這種情況下最大支持的小區(qū)覆蓋半徑理論上達(dá)到112.5km。

2 TDD-LTE幀結(jié)構(gòu)中的保護(hù)間隔與覆蓋半徑的關(guān)系

圖1 TDD-LTE幀結(jié)構(gòu) （Type2）

LTE在空中接口上支持2種幀結(jié)構(gòu)，即Type1和Type2，其中Type1用于FDD模式，Type2用于TDD模式，2種無線幀長度均 為 10ms[2]。 在 TDD 模 式 下，10ms的無線幀包含2個(gè)長度為5ms的半幀，每個(gè)半幀由5個(gè)長度為1ms的子幀組成，其中有4個(gè)普通子幀和1個(gè)特殊子幀。TDD-LTE幀結(jié)構(gòu) （Type2）如圖1所示。

DwPTS的長度為3至12個(gè)OFDM符號(hào)，UpPTS的長度為1至2個(gè)OFDM符號(hào)，相應(yīng)的GP長度為 （1～10個(gè)OFDM 符號(hào)）。

在TDD模式下，10ms的無線幀包含10個(gè)子幀 （subframes），1個(gè)子幀的時(shí)長為1ms。1個(gè)子幀中包含14個(gè)OFDMA符號(hào) （symbols），即：

當(dāng)GP取10個(gè)symbols，與TDD同理，其時(shí)值相當(dāng)于2倍的最大傳輸時(shí)延，即2Δt：

當(dāng)GP取1個(gè)symbols：

可見，TDD-LTE幀結(jié)構(gòu)中保護(hù)間隔從理論上確定其基本的基站覆蓋半徑在10～100km之間。選擇不同的特殊子幀結(jié)構(gòu)，GP的取值在1～10個(gè)symbols之間變化，這就決定了理論基站覆蓋半徑的最大值。

3 結(jié) 論

（1）TD-SCDMA系統(tǒng)中的保護(hù)間隔從理論上確定其基本的基站覆蓋半徑在11.25～112.5km之間。

（2）TDD-LTE幀結(jié)構(gòu)中保護(hù)間隔從理論上確定其基本的基站覆蓋半徑在10～100km之間。

（3）可以通過擴(kuò)大保護(hù)間隔來增加基站的覆蓋半徑。

[1]沈嘉，索世強(qiáng)，全海洋，等.3GPP長期演進(jìn) （LTE）技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2]王映民，孫韶輝.TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì) [M].北京：人民郵電出版社，2010.