TD-SCDMA 與TD-LTE 協(xié)同優(yōu)化理論研究

文/陳桂樹

2008年，TD-SCDMA 開始在中國商用，但是由于當(dāng)時移動設(shè)備普及的局限性以及國內(nèi)移動通信發(fā)展的局限性，3G 網(wǎng)絡(luò)用戶并沒有達(dá)到全民使用的規(guī)模，3G 網(wǎng)絡(luò)從2008年到2014年六年時間內(nèi)峰值客戶量才達(dá)到2.5 億。2013年底中國工信部給國內(nèi)三大運(yùn)營商頒發(fā)了TD-LTE 的4G 牌照，經(jīng)過了半年的發(fā)展到了2014年六月份，僅中國移動運(yùn)營商的部署建設(shè)的TD-LTE 基站已經(jīng)達(dá)到了四十多萬個，TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)覆蓋了中國三百多個城市。僅經(jīng)過了兩年，在2015年4G 的用戶就已經(jīng)達(dá)到了三億，超過了3G 網(wǎng)絡(luò)的最大用戶量，時至今日，3G 時代已經(jīng)成為過去，4G 時代主導(dǎo)著我國的移動通信網(wǎng)絡(luò)。

3G 網(wǎng)絡(luò)所在的F 頻段和A 頻段，4G 網(wǎng)絡(luò)所在的F 頻段與3G 所在的A 頻段的覆蓋能力相似。為了降低成本和提高部署4G 網(wǎng)絡(luò)的速度，利用TD-SCDMA 的資源來部署TDLTE 成為了一個行之有效的方法。為了使3G與4G 有相同的覆蓋目標(biāo)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一般采用共基站、共天饋組網(wǎng)的方法來部署4G 網(wǎng)絡(luò)。但是共天饋的方法只有在4G 與3G 保持協(xié)調(diào)時才能達(dá)到兩網(wǎng)的最佳性能，因此兩網(wǎng)的協(xié)同優(yōu)化在4G 網(wǎng)絡(luò)部署時至關(guān)重要。協(xié)同優(yōu)化是指在部署4G 網(wǎng)絡(luò)時，首先要保證原有的3G網(wǎng)絡(luò)保持良好性能和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，在不影響4G性能前提下，對與3G 共基站、共天饋組網(wǎng)方式的3G 進(jìn)行優(yōu)化，消除3G 和4G 之間的干擾，最后使得4G 和3G 同時達(dá)到最佳性能。

1 TD-SCDMA與TD-LTE之間干擾分析

TD-SCDMA 與TD-LTE 兩網(wǎng)之間的干擾可以從兩個方面分析，首先是TD-SCDMA 與TD-LTE 幀結(jié)構(gòu)的差異造成的兩網(wǎng)互相干擾，然后是3G 與4G 工作頻段部署造成的兩網(wǎng)之間的干擾。

1.1 幀結(jié)構(gòu)造成的兩網(wǎng)間干擾

TD-SCDMA 與TD-LTE 幀結(jié)構(gòu)的設(shè)計會讓使得TD-LTE 與TD-SCDMA 共基站共天饋時存在上行時隙與下行時隙交叉碰撞的情況，進(jìn)而會給TD-LTE 和TD-SCDMA 都引入射頻干擾，嚴(yán)重影響兩網(wǎng)的性能。為了做到TDSCDMA 與TD-LTE 的協(xié)同優(yōu)化保證兩網(wǎng)的最佳性能，本文首先介紹下TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)與TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)的幀結(jié)構(gòu)。

1.1 TD-SCDMA系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

TD-SCDMA 無線幀是由兩個子幀構(gòu)成的，子幀又可以劃分為主時隙和特殊時隙，特殊時隙包括保護(hù)間隙、上行導(dǎo)頻slot 和下行導(dǎo)頻slot。其中主時隙為0.675ms，子時隙為5ms，無線幀長度是子時隙的兩倍為10ms。

1.2 TD-LTE系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)

與TD-SCDMA 系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)相似，TDLTE 無線幀也是由兩個長度為5ms 的半幀構(gòu)成的，無線幀長度為10ms。半幀由常規(guī)子幀（常規(guī)時隙）、特殊子幀以及特殊時隙構(gòu)成。其中特殊slot 包含三個部分，分別是dwptds、upputs、gp。三個特殊slot 構(gòu)成的幀的總長度是1ms；常規(guī)slot 的長度為0.5ms。組成完整的半幀需要4 個常規(guī)子幀、1 個特殊子幀和3個特殊slot，其中4 個常規(guī)子幀也可以替換為八個常規(guī)時隙。

由上文提出的3G 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)和4G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)可以看出，由于3G 網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)和4G 網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)的業(yè)務(wù)slot 寬度不一樣，因此在部署TD-LTE 時會造成與TD-SCDMA之間的時隙干擾，進(jìn)而造成兩網(wǎng)之間的干擾。TD-SCDMA 與TD-LTE 干擾情況有三種：兩網(wǎng)間基站對終端的干擾或者終端對基站的干擾，TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)中的移動終端設(shè)備和TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)中移動終端設(shè)備由于時隙碰撞產(chǎn)生的干擾，TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)和與之共站、共天饋的TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)之間由于時隙碰撞產(chǎn)生的干擾。

1.3 頻段部署造成的兩網(wǎng)間干擾

根據(jù)3GPP 對工作頻段的定義，TDD 系統(tǒng)的工作頻段如下：A 頻段工作在2010MHz到2025MHz 之間；D 頻段工作在2570MHz到2620MHz 之間；F 頻段工作在1880MHz到1920MHz 之 間；E 頻 段 在2300MHz 到2400MHz 之間工作。由于幀結(jié)構(gòu)的不同，在部署TD-LTE 頻段時也會造成兩網(wǎng)之間的干擾。在TDD 系統(tǒng)工作頻段的部署中，F(xiàn) 頻段和A 頻段用于TD-SCDMA，E 頻段用于TDLTE 在室內(nèi)工作時的頻段，D 頻段用于TDLTE 在室外工作時的頻段。由上面介紹的TDD 系統(tǒng)工作頻段可以知道F 和A 頻段距離D 和E 頻段較遠(yuǎn)，這是為了合理的分配頻帶資源。但是發(fā)射機(jī)和接受機(jī)的頻率系統(tǒng)非線性都不是完美理想的，因此在信號傳輸過程中雜散、阻塞、互調(diào)失真必然會產(chǎn)生，同時由于兩網(wǎng)之間幀結(jié)構(gòu)設(shè)計的不同造成的時隙碰撞，必然會使得距離TD-SCDMA 較遠(yuǎn)的D 頻段對TDSCDMA 系統(tǒng)造成雜散和帶外阻塞干擾。

2 協(xié)同優(yōu)化方法

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

協(xié)同優(yōu)化的目的是使得TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)和TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)達(dá)到最佳性能，為確保兩網(wǎng)都達(dá)到最佳，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化必不可少。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是要合理的分配網(wǎng)絡(luò)，從而保證TDLTE 網(wǎng)絡(luò)和TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)的最佳性能。

TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)采用與TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)共基站、共天饋的方法，會產(chǎn)生大批兩網(wǎng)共用的基站。因此在TD-LTE 鋪建之前，應(yīng)該先分析當(dāng)前TD-SCDMA 的網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，對現(xiàn)有的TDSCDMA 進(jìn)行評估。通過分析3G 的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，來確定以后部署的4G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的高站點情況、重疊覆蓋情況和覆蓋盲區(qū)情況，進(jìn)而規(guī)劃以及優(yōu)化TD-LTE 站點分布，提前規(guī)避風(fēng)險降低成本。

在規(guī)劃TD-LTE 站點分布時，需要注意多小區(qū)的重疊覆蓋區(qū)域和超高站點對TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)的影響。重疊覆蓋區(qū)域是相鄰兩個小區(qū)都覆蓋的地方。在移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中，重疊覆蓋區(qū)域是必須存在的，因為重疊覆蓋區(qū)域用于小區(qū)之間移動通信網(wǎng)絡(luò)的切換，保證了網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)性。但是過度的過大的重疊覆蓋區(qū)域會帶來成本提升，同時也會影響到用戶感知，進(jìn)而對TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)性能帶來很大的影響，因此保持合理的重的覆蓋區(qū)域?qū)τ赥D-LTE 網(wǎng)絡(luò)特別重要。同時TD-LTE 與TD-SCDMA 之間的重疊覆蓋區(qū)域也會互相影響，因此在規(guī)劃TDLTE 網(wǎng)絡(luò)站點時需要通過TD-SCDMA 重疊區(qū)域分析TD-LTE 站點分布，還需要考慮到TDSCDMA 重疊覆蓋區(qū)域與TD-LTE 重疊覆蓋區(qū)域之間的互相影響。

覆蓋范圍受站點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、站點高度、天線下傾角和方位角等多方面因素的影響。因此在設(shè)計4G 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)時需要考慮到3G 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有的盲區(qū)，通過站點的高度和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，進(jìn)而滿足更好的性能。

同時總結(jié)TD-SCDMA 設(shè)計中的經(jīng)驗用于TD-LTE 系統(tǒng)設(shè)計中。如站點高度，站點高度對網(wǎng)絡(luò)性能影響通常受到地形影響。超高站點在平坦開闊地帶并沒有增益效果，反而會降低TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)傳輸性能；在山地高層樓宇存在較好的增益效果。因此可以把3G 網(wǎng)絡(luò)中類似超高站的經(jīng)驗用于TD-LTE 中提高TD-LTE 性能，同時降低TD-LTE 部署成本。

2.2 功率繼承

功率繼承是指，在TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)工作頻段與TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)工作頻段在共基站和共天饋組網(wǎng)方式的預(yù)設(shè)場景時，保證TD-SCDMA與TD-LTE 的共同覆蓋目標(biāo)區(qū)域一致。這就要求TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)與TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路損耗要保持一致。

TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)與TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路損耗公式如下：

其中PLmax代表兩網(wǎng)的下行最大鏈路損耗；PTx代表基站輸出功率，在TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)中，PTx為參考信號的發(fā)射功率，在TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)中，PTx代表主公共控制物理信道的發(fā)射功率；GTx是指發(fā)射端基站天線的發(fā)射增益；GRx是指接受端基站天線的接受增益；Lf、Lb、Lp分別代表饋線造成的損耗、人體造成的損耗和穿透建筑物造成的損耗；Mf和MI 分別代表陰影衰落快衰落余量以及干擾余量；SRx代表接收機(jī)的靈敏度。

優(yōu)化的目的是讓信號的強(qiáng)度達(dá)到計劃優(yōu)化的指標(biāo)。規(guī)劃優(yōu)化指標(biāo)為接受機(jī)靈敏的、干擾余量、建筑物損耗以及人體損耗的和，其公式如下：

此時TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)和TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路損耗可以表示為：

同時，因為TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)和TD-SCDMA為共基站、共反饋組網(wǎng)方式，TD-LTE 與TDSCDMA 所處的環(huán)境一樣，因此兩網(wǎng)饋線的損耗一致，同理兩網(wǎng)陰影衰落余量也一致。由式（3）可以得出，只要基站的輸出功率、基站發(fā)射端和接收端的天線增益和式（2）中的規(guī)劃指標(biāo)一致就可以滿足，則TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)與TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)的下行鏈路損耗也可以保持一致，即兩網(wǎng)絡(luò)的保持一致時，兩網(wǎng)的鏈路損耗也保持一致。

針對基站輸出功率PTx，TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)中的參考信號發(fā)射功率與TD-SCDMA 中的主公共控制物理信號的雙碼道發(fā)射功率存在著一種線性關(guān)系。在功率繼承中定義了一個功率偏移量，為TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)中的參考信號發(fā)射功率與TD-SCDMA 中的主公共控制物理信號的雙碼道發(fā)射功率的差值。

功率偏移量由基站發(fā)射端天線的增益、基站接收端天線的增益、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化指標(biāo)有關(guān)。TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)的站點發(fā)射端天線增益為15dBi，TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)的站點發(fā)射端天線增益為14.5dBi，兩網(wǎng)之間發(fā)射端天線增益存在0.5dBi的差異。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃優(yōu)化指標(biāo)受到所處環(huán)境的影響較大，不同的場景規(guī)劃優(yōu)化指標(biāo)不同。一般情況下TD-LTE 的指標(biāo)在-105dBm 到-100dBm之間，而TD-SCDMA指標(biāo)一般在-85dBm左右。TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)中的與TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)中發(fā)射功率的偏移量一般在17dB 到23dB 之間。

2.3 鄰區(qū)參數(shù)繼承

鄰區(qū)參數(shù)繼承是為了滿足小區(qū)邊緣的終端小區(qū)切換。在小區(qū)邊緣移動的移動終端設(shè)備通常要變換到另一個小區(qū)，而鄰近小區(qū)參數(shù)可以讓移動設(shè)備終端實時高效的變換到信號最優(yōu)的隔壁小區(qū)，從而確保了網(wǎng)絡(luò)效率和網(wǎng)絡(luò)性能。

通過功率繼承，在共基站和共天饋組網(wǎng)的情況下，可以保證3G 網(wǎng)絡(luò)與4G 網(wǎng)絡(luò)的共同覆蓋目標(biāo)區(qū)域一致，從而使得TD-LTE 與TDSCDMA 覆蓋的區(qū)域一致。因此TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)可以繼承與之共基站共天饋的TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)的鄰區(qū)參數(shù)，從而可以讓TD-LTE 能直接達(dá)到TD-SCDMA 鄰區(qū)高效切換的環(huán)境。但是在TD-LTE 實際部署過程中，TD-SCDMA 可能有自身的不足，不能很好的進(jìn)行鄰區(qū)切換，也因為TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建設(shè)程度不一樣。因此如果TD-LTE 完全繼承了TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)的鄰區(qū)參數(shù)的話，可能會達(dá)不到TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)鄰區(qū)切換的效果，仍然會出現(xiàn)鄰區(qū)匹配失敗的情況，造成TDLTE 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)性能的下降。因此在做TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)鄰區(qū)參數(shù)繼承的過程中，也要先對現(xiàn)有的TD-SCDMA 進(jìn)行規(guī)化，在現(xiàn)有TDSCDMA 網(wǎng)絡(luò)鄰區(qū)參數(shù)的基礎(chǔ)上，帶入TDLTE 網(wǎng)絡(luò)鄰區(qū)的特點，從而提升鄰區(qū)更新的性能，達(dá)到TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)和TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)的最佳性能。

3 結(jié)束語

本文分析了TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)與TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)共基站共天饋組網(wǎng)情況下互相干擾的原因，主要是由于兩網(wǎng)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計不同造成的時隙寬度不同進(jìn)而引發(fā)的系統(tǒng)間不同時隙碰撞造成的系統(tǒng)間干擾，同時也存在由于TDD 系統(tǒng)工作頻段對TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的D 頻段距離TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)工作的頻段較遠(yuǎn)造成的帶外阻塞和雜散干擾。通過對TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)與TDSCDMA 干擾的分析，引入了TD-LTE 與TDSCDMA 協(xié)同優(yōu)化的概念，也就是在保證現(xiàn)有TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)性能最佳的同時，調(diào)節(jié)優(yōu)化TD-LTE 網(wǎng) 絡(luò)，使 得TD-LTE 與TD-SCDMA同時達(dá)到最佳性能。詳細(xì)的介紹了兩網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化的幾種方法。首先是通過分析TD-SCDMA系統(tǒng)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從重疊覆蓋區(qū)域和超高基站上對TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行規(guī)劃和優(yōu)化，合理的部署TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基站使之達(dá)到最優(yōu)性能。然后闡述了功率繼承的方法，TDLTE 網(wǎng)絡(luò)中的參考信號發(fā)射功率可以由TDSCDMA 中的主公共控制物理信號的雙碼道發(fā)射功率偏移17-23dB 得到。最后介紹了鄰區(qū)繼承方法，繼承了TD-SCDMA 的鄰區(qū)參數(shù)，同時對現(xiàn)有鄰區(qū)參數(shù)進(jìn)行規(guī)劃和優(yōu)化，可以高效快速的部署基站使TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)的終端設(shè)備可以在小區(qū)邊緣時完美換區(qū)。