原创 TD-SCDMA多载波系统性能研究

导读】TD-SCDMA系统采用了智能天线和联合检测技术，通常情况下，系统是码道受限的，具有很高的频谱效率。但是，由于TD-SCDMA系统上下行时分占用1.6MHz带宽，仅为WCDMA系统上下行带宽10MHz的1/6，所以，尽管TD-SCDMA系统频谱利用率较高，但TD-SCDMA系统单载波容量有限。TD-SCDMA多载波系统解决了这个问题，大大提高了TD-SCDMA单基站的容量和接纳能力。
    一、TD-SCDMA多载波系统概述
    TD-SCDMA系统采用了智能天线和联合检测技术，通常情况下，系统是码道受限的，具有很高的频谱效率。但是，由于TD-SCDMA系统上下行时分占用1.6MHz带宽，仅为WCDMA系统上下行带宽10MHz的1/6，所以，尽管TD-SCDMA系统频谱利用率较高，但TD-SCDMA系统单载波容量有限。TD-SCDMA多载波系统解决了这个问题，大大提高了TD-SCDMA单基站的容量和接纳能力。
    TD-SCDMA多载波方案的主要思想是：在一个小区提供多个连续的载波，每个小区以其中一个载波为主载波，系统在主载波上提供BCH，UpPCH，DwPCH以及其他公共信道，用于系统信息广播和终端接入，而在其他载波（下称辅载波）上，只提供业务信道。终端通过主载波接入后，接纳控制模块根据各个载波资源情况，统一分配的资源。终端接纳进入主载波或者辅载波进行业务数据收发，辅载波上的终端需要周期性的调频到主载波接收广播信息和进行相关测量。图1所示为3载波系统的帧结构：

    二、TD-SCDMA多载波系统优点
    1．通过合理的规划，降低导频和广播信道干扰，提高系统稳定性
多载波系统可以灵活配置各个小区的主载波频点，由于辅载波PCCPCH，UpPCH，DwPCH信道对应时隙为空，通过合理的主载波频率复用方案，可以降低以上3个信道的干扰，从而提高业务接入成功率和系统稳定性。以3载波系统为例，采用下面图1所示的频率复用系数为3的主载波频率配置方案，不难看出，任何小区的相邻小区主载波频点都不同。

    2．提高系统频谱效率
以12.2Kbps话音业务为例，由于TD-SCDMA系统采用了智能天线和联合检测，有效抑制了用户间干扰，系统是码道受限的。
    一个3载波的TD-SCDMA系统，上下行各3个时隙，每个时隙16个RU（资源单元），1路话音业务占用2个RU，除去RACH信道占用2个RU，系统能够提供的最大信道数为(16*3*3-2)/2 = 71。
此时，一个小区最大的频谱效率为：71*12.2Kbps/5MHz = 173.24Kbps/MHz/Cell
根据Erlang-B公式，当呼损率为2%时，一个小区能够提供的系统容量为60.1 Erl，对于12.2Kbps业务，系统吞吐量为60.1*(1-2%)*12.2Kbps =718.56 Kbps/Cell，系统频谱效率为：143.711 Kbps/MHz/Cell。
同样的方法，可以计算出对于单载波（1.6MHz）、3载波（5MHz）、6载波(10MHz)、9载波(15MHz)以及15载波(25MHz)时的频谱效率如下表1所示：

     
（*以上比较没有考虑小区间资源共享调度的效应，本文其它部分做了同样处理）
下面图3为频谱效率随着载波数变化曲线：

    从图和表可以看出，随着载波数的增加，系统频谱效率明显提高。如：6载波系统的频谱效率为单载波系统效率的1.32倍。
    3．增加单基站容量，减少站址
采用多载波系统，由于频谱效率提高，单基站吞吐量提高倍数甚至超过载波数。所以，能够减少站址，降低网络建设和维护成本。举例说明：
    1个40万用户的城市，假设如果全都为12.2Kbps话音业务，用户均匀分布，平均每用户忙时话务量为0.02Erl。下面计算不考虑覆盖受限，计算覆盖话音业务所需3载波3扇区基站数目：
    1）该城市总的话务量为400000*0.02 = 8000Erl；
    2）按照上面计算，2%阻塞率下，每个3载波扇区提供的话务容量为60.1，一个3载波3扇区的基站提供的话务量为180.3；
    3）可以计算得到该城市所需的3载波3扇区基站数目为45。
同样的方法，可以计算出对于单载波（1.6MHz），6载波(10MHz)，9载波(15MHz)以及15载波(25MHz)3扇区结构基站数目如下表2所示：

    表2 多载波系统基站数目比较
    从表可见，采用多载波系统，能够成倍减少站址数，大大降低网络建设和维护成本。例如：6载3扇基站数目仅为单载3扇基站数目的1/8（低于1/6）。
    三、TD-SCDMA多载波系统仿真结果
    1．仿真内容概述
上面理论分析了只有话音业务时，多载波和单载波系统爱尔兰容量和吞吐量的差异。3G网络能够支持话音、流媒体、WWW、EMAIL等各种业务，混合业务下，很难建立简单的排队模型来分析，下面通过动态系统仿真，给出在混合业务模型下，单载波和3载波系统性能比较。
    2．仿真假设
    1） 网络结构
    全向单载波，全向3载波，2种网络结构，网络采用Wrap Around模型，用户在19小区范围内均匀随机分布。小区半径：1000米。
    2）传播模型
    阴影衰落：相关对数正态分布， =8.0，相关距离d=40米。
    UE—NodeB传播模型：
    cost231_hata模型的市区环境路径损耗模型
    基站高度Hb： 30米
    UE高度Hm： 1.5米
    3）基站天线模型
    单天线增益8dBi。
    智能天线增益：9（8天线）＋ 5－7（赋形增益）
    4）业务模型
    各种业务比例和配置如下表

    5）呼叫强度
分为3个等级，调整呼叫强度，使呼叫阻塞率在0.5%、2%、10%左右，分别对应系统轻负荷、平均负荷、重负荷时的情况。
    6）射频指标
     基站每根天线最大发射功率：25dBm
    基站每码道发射最大功率：13dBm
    基站每用户功率控制范围：30dB
    UE最大发射功率：21dBm（语音用户），27dBm（流用户），24dBm(交互类、背景类用户),27dBm(信令)
    UE最小发射功率：-49dbm
    上行系统噪声：-106dBm
    下行系统噪声：-104dBm
    3 仿真结果
    如图4所示，为3载波系统和单载波系统在达到不同阻塞率指标时，单小区支持的业务呼叫到达频率（业务模型和比例如表3）。

   

    从图可以看出，在系统阻塞率为2％时，单载波系统每小区支持的混合业务呼叫到达率为0.36次/秒，而3载波系统每个小区支持的呼叫到达率为1.434次/秒，约为单载波系统的4倍，频谱效率为单载波的1.3278倍。
如图5所示，为3载波系统和单载波系统在达到不同呼叫阻塞率指标时，系统全网掉话率。

    从图可以看出，在各种呼叫阻塞率时，单载波系统与3载波系统的全网掉话率基本相同。在2％呼叫阻塞率时，系统掉话率都低于0.2％。
如图6所示，为3载波系统和单载波系统在达到不同呼叫阻塞率指标时，系统平均每小区每载波的码道资源利用数。

    从图可以看出，在呼叫阻塞率为2％时，单载波系统每小区每载波码道资源利用数为25.3BRU(BRU为基本资源单元，相当于1个SF＝16的码资源)，而3载波系统每小区每载波码道资源利用数为33.9BRU，频谱效率为单载波的1.3399倍。
综上，在混合业务下，3载波系统相对单载波带来的频谱效率提高为约1.33倍；纯12.2Kbps话音时约1.23倍，在混合业务下，多载波系统带来的频谱效率提高更加明显。
四、结论
1．TD-SCDMA系统由于单频点带宽窄，适合采用多载波系统组网方案。
2．采用多载波系统方案，有利于降低公共信道干扰，提供系统稳定性
3．采用多载波系统方案，频谱效率进一步提高。
4．采用多载波系统方案，单基站容量大大提高，从而成倍减少基站数量，从而降低了网络建设与维护的难度和成本。
综上，在进行网络建设时，多载波TD-SCDMA系统具有明显的优势。特别是在业务密集地区，推荐使用更多的载波数。