TD-SCDMA系統中GPS失步對網絡性能的影響

摘要:時分-同步碼分多址(TD-SCDMA)系統中經常會出現全球定位系統(GPS)信號被干擾或者遮擋，導致搜索不到GPS衛星后同步失效的現象。長期同步失效會導致基站間出現定時偏差，定時偏差過大將影響手機搜索鄰區、小區切換、DwPTS對上行導引時隙(UpPTS)的干擾等。這些將進一步影響網絡質量，造成切換失敗、切換掉話、呼通率下降，嚴重影響用戶在網絡中的感受。研究發現GPS失步4碼片(chip)以上時，網絡質量出現顯著下降;GPS失步10 chip以上時，出現手機搜不到鄰區;在GPS失步16 chip以下時，DwPTS對UpPTS的干擾在GPS失步小區的第一、第二圈小區表現不明顯。研究結果表明:為了不影響網絡性能，TD-SCDMA系統允許的GPS失步最大定時偏差為4 chip。

關鍵詞: 全球定位系統失步;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，TD-SCDMA系統是全網同步系統，要求所有基站之間嚴格保持時間同步，小區間切換、漫游等都需要精確的時間控制，因此同步問題對于TD-SCDMA通信系統的重要性不言而喻。由于缺乏先進的網絡同步技術，TD-SCDMA基站普遍采用全球定位系統(GPS)同步[1-14]。目前TD-SCDMA網絡中，由于一些原因，基站無法收到GPS衛星信號，同步失效的現象。

(1)GPS信號收到外界的干擾

GPS工作頻段為1 575 MHz，由于GPS信號從衛星發射到地面之后，已經非常微弱，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，接收機接收衛星的信號質量會變差，信噪比降低，誤碼率上升，某些時候就會導致接收不到衛星信號。

(2)工程施工原因

在現實大規模建站時，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，使得基站側接收到的GPS信號較弱。

長期同步失效會導致基站間出現定時偏差，定時偏差過大將影響手機鄰區搜索、小區切換、下行導引時隙(DwPTS)對上行導引時隙(UpPTS)干擾和業務時隙交叉。這些將進一步影響網絡質量，造成切換失敗、切換掉話、呼通率下降，嚴重影響用戶在網絡中感受。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絡性能和質量的影響，從而確定TD-SCDMA系統能夠容忍的GPS失步的定時偏差，進一步為選擇替代GPS同步系統的方案提供依據。

1 理論分析

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

(1)切換及小區重選相關的鄰區測量(或鄰區搜索)

用戶終端(UE)在正常狀態下，都需要以當前小區DwPTS的定時為基準進行鄰區DwPTS搜索，如果相鄰小區定時偏差過大，則UE無法在DwPTS搜索窗內搜索到臨小區的DwPTS，或者即使可以搜到鄰區但搜索到得鄰區主公共控制信道(PCCPCH)信號差，信干比(SIR)低，嚴重影響網絡的關鍵參數指標(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(終端在專用信道發送特殊的突發數據，基站收到后確認，表示上行同步成功，然后基站發送特殊的突發數據，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系統中電路交換域64k可視電話業務(CS64k)業務的覆蓋最小，因此UpPTS業務信道的覆蓋至少要保證和CS64k同覆蓋)，影響單小區邊緣用戶的上行接入，但是在實際網絡中由于PCCPCH接受信號碼功率(RSCP)小于-95 dBm的區域所占的比例極少，因此對呼通率的影響相對較小。

(3)業務時隙的交叉干擾

TD-CDMA系統的每個時隙末尾有一個16 chip長的GP用以上下行轉換，但是如果小區定時偏差過大，則會產生小區間業務時隙的交叉干擾。如圖3所示。

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

2 測試設計

為了定量分析GPS失步對網絡性能和質量的影響，我們在真實網絡環境中進行測試驗證。

(1)測試環境的選擇

在真實網絡中選擇一個高站點，加載可以進行GPS失步設定的基站軟件，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定

小區模擬加載規定:75%模擬加載，即單時隙加載75%碼道，功率為27 dBm。

(4)測試用例的設計

根據上述的理論分析，共設計了8個測試用例。

(a)基站GPS定時向前偏差

●GPS失步基站小區的鄰區搜索測試

●GPS失步基站小區的UpPTS干擾變化測試

●GPS失步基站小區的鄰小區業務時隙干擾測試

●網絡的KPI性能測試

(b)基站GPS定時向后偏差

●GPS失步基站小區的鄰區搜索測試

●GPS失步基站小區的鄰小區UpPTS干擾變化測試

●GPS失步基站小區的業務時隙干擾測試

●網絡的KPI性能測試

3 測試數據分析

3.1 GPS失步基站小區的鄰區搜索

測試數據分析

GPS失步基站小區的鄰區搜索測試數據分析(對應測試用例GPS失步基站小區的鄰區搜索測試、GPS失步基站小區的UpPTS干擾變化測試)。在GPS失步基站小區中選擇PCCPCH_RSCP為-65 dBm～-75 dBm的測試點，選擇該小區的其中一個鄰小區作為觀察對象，路測終端開關機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的PCCPCH_RSCP值的變化，求取平均值，測試結果如圖4所示。

(1)鄰小區PCCPCH_RSCP值隨著偏移值的增大都呈現從大到小的趨勢，表明終端對鄰小區信號強度的測量出現了誤差，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造成影響的最大允許臨界值。

3.2 UpPTS的干擾變化測試數據分析

GPS失步基站小區和鄰小區的UpPTS的干擾變化測試數據分析(對應測試用例GPS失步基站小區的UpPTS干擾變化測試、GPS失步基站小區的鄰小區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的DwPTS干擾GPS失步基站小區的UpPTS;GPS失步基站向后偏移失步，GPS失步基站小區的DwPTS干擾除GPS失步基站外的其他基站小區的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。

按照鏈路預算，為了保證UpPTS時隙和CS64k業務具有相同的覆蓋，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業務的覆蓋，此時將不滿足TD-SCDMA系統的網絡規劃原則。從本文測試結果看，GPS偏移16 chip內，UpPTS干擾低于-103.3 dBm，偏移超過16 chip，干擾進一步抬升，不滿足網絡設計原則。測試結果表明GPS偏移16 chip為UpPTS受到干擾不滿足網絡規劃原則的最大臨界值。

3.3 業務時隙干擾的測試數據分析

GPS失步基站小區和鄰小區的業務時隙干擾的測試數據分析(對應測試用例GPS失步基站小區的鄰小區業務時隙干擾測試和GPS失步基站小區的業務時隙干擾測試)。測試中，小區的業務時隙配置為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失步基站小區的下行時隙3干擾除GPS失步基站外的其他基站小區的上行時隙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的下行時隙3干擾GPS失步基站小區的上行時隙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絡環境的業務量。在此前提下進行被干擾上行時隙2的業務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 網絡KPI性能測試數據分析

網絡KPI性能測試數據分析(對應測試用例網絡的KPI性能測試和網絡的KPI性能測試)。在實際網絡中，我們進行了CS12.2k業務的網絡KPI測試，兩個終端手機，CS12.2k呼叫保持2 min，掛斷間隔15 s，起呼次數不小于50次，切換次數不小于100次。測試結果如圖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，影響網絡KPI指標。

(2)GPS偏移4 chip內的切換成功率在98%以上，可以保證正常網絡的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 結束語

通過本次實際測試表明:

(1)GPS基站失步后對終端鄰區測量(搜索)，UpPTS時隙干擾，業務時隙交叉干擾和網絡KPI性能指標影響中，對網絡KPI的影響最大。終端鄰區測量(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，業務時隙干擾在上述失步偏移量下都沒有測試出干擾抬升，網絡KPI允許的最大的失步偏移量為4 chip。

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

(3)目前TD-SCDMA時間同步完全依賴于美國GPS系統實現，存在一定的安全隱患，中國的CDMA網絡，曾經因為美國GPS未授時，出現過癱瘓事件，為此TD-SCDMA系統尋求GPS同步系統的替代同步系統顯得尤為必要，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。

5 參考文獻

[1] HOLMA H， TOSKALA A. HSDPA/HSUPA技術與系統設計:第三代移動通信系統寬帶無線接入[M]. 葉銀法， 陸健賢， 周勝， 等譯. 北京: 機械工業出版社，2007.

[2] 常永宇. TD-HSPA移動通信技術[M]. 北京: 人民郵電出版社， 2008.

[3] 彭木根， 王文博. TD-SCDMA移動通信系統-增強和演進[M]. 北京: 機械工業出版社， 2008.

[4] 彭木根， 王文博. TD-SCDMA移動通信系統[M]. 2版. 北京: 機械工業出版社， 2007.

[5] 謝顯中. TD-SCDMA第三代移動通信系統技術與實現[M]. 北京:電子工業出版社， 2004.

[6] 李世鶴. TD-SCDMA第三代移動通信系統標準[M]. 北京: 人民郵電出版社， 2004.

[7] 段玉宏， 夏國忠， 胡劍， 等. TD-SCDMA無線網絡設計與規劃[M]. 北京: 人民郵電出版社， 2007.

[8] 朱東照， 羅建迪， 汪丁鼎， 等. TD-SCDMA無線網絡規劃設計與優化[M]. 2版. 北京: 人民郵電出版社， 2008.

[9] 張傳福， 彭燦， 李巧玲， 等. TD-SCDMA通信網絡規劃與設計[M]. 北京: 人民郵電出版社， 2009.

[10] 朱近康. 無線Mesh技術和網絡[J]. 中興通訊技術， 2008，14(2):1-4.

[11] 吳蒙， 季麗娜， 王堃. 無線異構網絡的關鍵安全技術[J]. 中興通訊技術， 2008，14(3): 32-35.

[12] 呂應權， 周沖. WCDMA系統有效提高切換成功率的方法[J]. 中興通訊技術， 2008，14(3): 56-60.

[13] 糜正琨. 移動IP技術[J]. 中興通訊技術， 2008，14(4): 59-62.

[14] 闞凱力. 無線城市的運行模式[J]. 中興通訊技術， 2008，14(6): 50-52.

[15] 3GPP TS 25.123 V6.11.0. 3rd Generation partnership project:Technical specification group radio access network: Requirements for support of radio resource management (TDD) (Release 4)[S]. 2007.

收稿日期:2009-07-28

姬舒平，哈爾濱工業大學博士畢業，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TD-SCDMA的無線技術研究，已發表文章30余篇，擁有專利3個。

劉志堅，大連輕工業學院畢業，現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，上海工業大學畢業，現工作于中興通訊股份有限公司，主管TD-SCDMA產品系統測試工作，已發表文章5篇，擁有專利5個。