ＴＤ－ＳＣＤＭＡ和ＷＣＤＭＡ系統以及ＨＳＤＰＡ的容量覆蓋分析

摘 要：作為3G的增強型技術的HSDPA已經越來越受到重視，在WCDMA系統網絡規劃中HSDPA的規劃方法研究的較多。由于TD-SCDMA標準出現較晚，對應其引入HSDPA后的規劃還不太成熟。本文分別闡述了兩系統的網絡規劃的基本方法，分析探討了其中的異同，從而更好地指導下一步TD-SCDMA無線網絡規劃。

關鍵詞：TD-SCDMA;HSDPA;覆蓋;容量

中圖分類號：TN915 文獻標識碼：B

文章編號：1004373X(2008)0506603

Analysis of Capacity and Coverage in TD-SCDMA and WCDMA System and HSDPA

ZHANG Hang

(Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China)

Abstract：As an advanced technology of 3G，HSDPA has been treated more and more important.There are many ways to study the network planning of WCDMA system introducing HSDPA.Since the standard of TD-SCDMA is brought up later，it is not as completable as WCDMA.This paper elaborates the basic method of network planning in TD-SCDMA and WCDMA respectively.It also analyzes the differences between them in order to direct the next step of network planning of TD-SCDMA system introducing HSDPA.

Keywords：TD-SCDMA;HSDPA;capacity;coverage

第三代移動通信系統是以CDMA技術為基礎，對網絡建設運營期間的規劃、優化，以及關鍵技術研究等方面提出了更高的要求。合理的網絡規劃可以滿足運營商對覆蓋、容量和質量的需求，以WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA為代表的第三代移動通信發展對無線網絡建設帶來了全方位的沖擊，隨著HSDPA的引入，從話務模型、網規方案、優化手段到網絡KPI等都發生了很大變化，本文分別闡述了兩系統的網絡規劃的基本方法，并分析探討了其中的異同。

1 覆蓋分析

覆蓋規劃的前提就是通過計算業務的最大允許損耗，可以求得一定傳播模型下的小區覆蓋半徑?？梢钥闯鲆M行覆蓋規劃需要知道業務的最大允許損耗和傳播模型。

1.1 傳播模型

在傳播模型方面都使用cost 231-Hata模型，用于1 500~2 000 MHz宏蜂窩預測。使用的公式為:

其中Lb為城市市區的基本傳播損耗中值；d為UE到基站天線的距離，單位km；f為工作頻率，單位MHz;hb，hm為基站，UE天線有效高度，單位m；a(hm)，Cm為修正因子。

在傳播模型上面TD-SCDMA和WCDMA是相同的。

1.2 鏈路預算

通常覆蓋需要從上行和下行兩個方向進行，并實現上下行鏈路的平衡。一般而言，基站發射功率都是滿足下行覆蓋需求的，覆蓋往往是受限于上行終端最大發射功率，因此覆蓋以上行鏈路為主。

鏈路預算是覆蓋規劃的前提，是通過考慮天線的功率，接收機的靈敏度，以及系統的一些余量等眾多參數估算出鏈路上最大允許損耗的過程。

1.3 WCDMA鏈路預算

在WCDMA鏈路預算中需要用到的基本參數如下：

發射/接收機功率;人體損耗;發射/接收天線增益;饋線損耗;接收機靈敏度（由接收機噪聲，業務解調品質Eb/N0，處理增益決定）;干擾余量;軟切換增益;功率控制余量;穿透損耗;陰影衰落余量。

通過鏈路預算可求得UE與基站之間最大允許的路徑損耗后，結合無線傳播模型，即可估算基站覆蓋半徑。事實上，無線傳播模型描述的正是路徑傳播損耗和覆蓋距離之間的關系。獲得小區覆蓋半徑R后，可以求出基站的覆蓋面積S，S= K×R2，K根據基站扇區取值不同而不同。用規劃區域面積除以單站覆蓋面積就可以得到覆蓋該區域內滿足覆蓋要求大致需要的站點數。

圖1是下行覆蓋基站的距離與滿足鏈路預算后的基站信號強度的關系圖，這里取了合適的參數。

參數設置如下:

發射機功率:最大43 dBm(20w);發射天線增益:15 dBi;人體損耗:3 dB;饋線損耗:3 dB;接收機噪聲系數:6 dB;Eb/No業務解調信噪比要求:5 dB;業務速率:3 840 000 chip/s;干擾余量:3 dB;接收機天線增益:15 dBi;接收饋線損耗:3 dB;接收人體損耗:3 dB;功率控制余量:3 dB;軟切換增益:2 dB;陰影衰落余量:0;穿透損耗:20 dB;f:1 800 m;基站高度:50 m;UE高度:2 m;d:待求;Cm:3 dB。

從圖1中可以看出覆蓋半徑為7-5 km。

1.4 HSDPA鏈路預算

HSDPA在R99基礎上引入了HS-PDSCH，HS-SCCH下行信道，以及HS-DPCCH上行信道，這些都會對原有的鏈路預算產生一定的影響。

這體現在上行HS-DPCCH功率開銷影響，下行HSDPA功率分配，下行干擾余量攀升，功率控制和切換等參數上面。

一般情況下小區20 W功率，公共信道開銷4 W，HS-SCCH功率開銷2 W，剩下的R99業務配置2~8 W ，HS-PDSCH配置4~8 W。

在接收靈敏度上面，由于引入了HARQ重傳軟合并增益，即使不提高Eb/N0，也可以在重傳時正確接收，所以采用Es/N0來衡量其解調性能。

Ec/N0表示每碼片能量與干擾功率譜密度之比，I0包含了噪聲和干擾兩部分，根據實際情況是干擾起主導還是噪聲起主導近似表示為Ec/I0或Ec/N0。Es/N0表示每符號能量與噪聲功率譜密度之比，1個符號被擴為多個碼片進行發送。而Eb/N0表示每比特用戶數據能量與噪聲功率譜密度之比。

相對于WCDMA系統的軟切換，HSDPA沒有軟切換，因此該部分增益為0 dB。HSDPA依靠AMC而非快速功率控制來克服信道快衰落，因此其功率控制余量為0 dB。

上行鏈路預算方面ACK/NACK/CQI對保持HSDPA通信至關重要，因此HS-DPCCH對誤碼率要求較苛刻，需要占用一定的UE發射功率來確保NodeB接收正確，從理論分析和測試結果看出引入HSDPA原有規劃不會發生上行覆蓋受限。

下行鏈路預算方面，其采用AMC技術不斷調整其吞吐率以適應無線環境，因此對HSDPA進行鏈路預算需要和邊緣吞吐率緊密結合。HSDPA沒有固定下行服務速率，鏈路預算需要確定需求從而確定Es/N0。Es/N

下面分析TD-SCDMA的鏈路預算：在發射/接收天線增益，接收機噪聲，處理增益，切換增益等方面和WCDMA是有所區別的。

TD基站采用智能天線，對不同的信道其增益是不同的，上行業務信道基站接收天線增益由兩部分組成：天線增益和賦形增益，對下行廣播信道（PCCPCH），由于全扇區輻射就沒有賦形增益了，對于下行業務信道當承載較高速業務時也存在賦形增益。

接收機噪聲由熱噪聲功率譜密度，噪聲系數和系統帶寬決定。TD的噪聲系數取7 db（BS）9 db（UE），系統帶寬為1-28 MHz。處理增益也是如此，Gp=(B×Q×Tc)/(Rc×log2M)這和WCDMA都是不一樣的，B為用戶帶寬，Q為擴頻因子，Tc為單位碼片持續時間，Rc為編碼器速率，M為調制方式符號表大小。

TD采用接力切換，實質上面屬于硬切換，但是又不同于傳統上面的硬切換，具有高切換的成功率較小的上行干擾。因此與WCDMA不同不存在軟切換增益。

從上面的分析比較可以看出來，HSDPA和TD-SCDMA的鏈路預算的基本方法還是和WCDMA是一樣的，都可以按照上述例子算出最大允許損耗從而得到覆蓋半徑，不過由于其特有的技術和特點進行預算時的參數還是會有一些不同，這在對其進行覆蓋規劃時是必須要考慮到的。

2 容量分析

2.1 WCDMA 容量估算

容量估算的目的是根據規劃網絡的業務模型和業務量需求，估算出滿足容量大致所需的基站數目。同鏈路預算一樣，容量估算也應從上行和下行兩個方向進行。WCDMA系統容量在上行方向主要受限于干擾，在下行方向主要受限于基站發射功率。上下行分別由兩個公式所決定。

上行方面，當基站接入一個呼叫，Pj表示用戶j信號，Itotal 接收總功率（包括熱噪聲在內總的寬帶接收功率），W碼片速率3-84 Mchip/s，Vj用戶j激活因子，該呼叫業務解調要求(Eb/N0)j

在這里ηUL為上行鏈路負荷因子，通常給定為50%，所以在設定用戶(Eb/N0)j等參數后，可以求出用戶數N，進而求出小區所能提供的信道數，進而求出滿足上行容量需求的總基站數。

下行方面，當一個基站使其全部用戶正常運行而發送的總功率超過基站額定功率，下行鏈路就達到功率受限容量上限。UE總接收功率Itotal=(1-γ)P+Pother+PN，P為基站總發射功率，Pother為小區外總干擾功率，PN為UE熱噪聲功率，γ為下行鏈路正交因子，為1對應完全正交用戶。參考上行，下行負荷因子為:

總的基站發射功率BS[CD#*2]TxP=NrfWL∑Nj=1(Eb/N0)jRjvjW1－ηDL，其中都取均值，L是各個用戶Lj路徑損耗均值，Nrf=KT+NF是UE接收前端噪聲功率譜密度。在單一業務情況下，通過上式可以求出最大允許發射功率下每個小區所能提供的信道數，進而求出滿足下行容量需求所需要的總基站數。

2.2 TD-SCDMA 容量估算

智能天線，聯合檢測大大降低了TD-SCDMA系統內干擾，從而使得TD-SCDMA小區系統呼吸效應不像WCDMA系統那樣明顯，相對于WCDMA覆蓋和容量間緊密關系，TD-SCDMA在覆蓋和容量上的相互關聯性較弱，可以單獨分析。TD-SCDMA干擾分三部分:小區內，小區間，熱噪聲。這里主要考慮上行方面。下式就說明了基站側目標用戶接收功率S0和用戶數M之間的一個關系。

P0為熱噪聲功率，Ior為本小區所有用戶信號的總的歸一化功率譜密度，Ioc為其他小區用戶信號到達本小區基站接收機時的歸一化噪聲譜密度，(Eb/N0)req為所需解調門限，PG為處理增益。對于某一業務，(Eb/N0)req在一定信道條件下確定，PG由編碼調制確定，P0由噪聲功率譜密度和載波帶寬計算，IocIor根據網絡情況確定。代入(Eb/N0)reqPG=14-42，IocIor=0.55，可得圖2。

可以看出當M接近某個值時基站接收到的用戶信號功率S0趨于無窮大，因此手機發射功率也趨于無窮大，這時M接近值就是用戶峰值容量。

2.3 HSDPA網絡規模估算

在HSDPA網絡中，由于多個用戶之間的共享特性使得接入用戶數越多，用戶所得平均吞吐量越小，因此HSDPA網絡容量的衡量指標應該是給定中斷概率條件下的系統吞吐量。影響HSDPA容量的因素有上行鏈路傳輸速率，終端移動速率，多徑環境，小區結構，發射功率，終端能力以及HS-SCCH信道功率。由于HSDPA的AMC，HARQ等復雜特性，目前還不存在很好的HSDPA容量估算公式可以使用，因此關于這方面的估算多是通過大量的仿真實驗得到的仿真數據來獲得。

目前HSDPA多采用混合組網，下面以R99+HSDPA組網方案為例。原來承載在PS128k，PS384k上的大部分數據業務均轉用HSDPA承載，其他少量低速數據仍采用R99承載，見表1。

HSDPA業務的上行承載仍采用傳統的R99 PS64k承載，因此在做上行容量估算時，還需考慮HSDPA上行流量的影響。由于HSDPA用戶在上行方向一般用PS64k上行業務，考慮到將HS-DPCCH的影響與R99 PS64k業務估算相結合，相當于原有R99 PS64k業務的Eb/N0目標值有所上升，到達與CS64k相同水平。這樣根據匯總上行容量需求，計算出滿足該區域的上行容量需求，即需求的小區數，基站數。接下來將基于下行R99業務量計算滿足下行R99容量需要的基站數，由于HSDPA與R99共載波混合組網，需要分配部分功率給HSDPA使用，因此在進行R99的下行容量估算時，需要預留部分功率給HSDPA。預留的比例不同，對R99 下行容量估算產生不同影響。

從技術角度來看，與WCDMA HSDPA相同，TD-SCDMA HSDPA也是通過引入高速下行共享信道（HS-DSCH）來增強空中接口的傳輸能力，并且需要在UTRAN中增強相應的功能實體。從協議、網元來看，兩者非常一致，差異多是物理層結構上面。

3 結 語

本文從網絡規劃的鏈路預算，覆蓋分析，容量分析的角度對WCDMA系統、TD-SCDMA系統以及HSDPA做了一個比較，可以看出關于WCDMA的規劃以及結合HSDPA的應用的分析方法比較成熟，但是關于TD-SCDMA在結合HSDPA的研究還需要進行大量的仿真工作才能得到一個更科學的分析方法。

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注：“本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文?！?/p>