TDD方式無線通信中保護間隔與基站覆蓋半徑關系研究

石 炯 （安徽郵電職業技術學院通信工程系，安徽 合肥 230031）

自1968年貝爾實驗室提出蜂窩移動通信系統概念以來，移動通信已經經歷了3代系統的演變，并正向第4代系統邁進。在具有我國自主知識產權的TD＿SCDMA標準及目前正發展并推廣的準4G標準TDD-LTE系統中，由于采用時分雙工方式，為了避免上下行之間的干擾，其無線幀結構中均設置了相應的特殊時隙用作保護間隔。下面，筆者對TDD方式無線通信中保護間隔與基站覆蓋半徑的關系進行探討。

1 TD-SCDMA系統中的保護間隔與基站覆蓋半徑的關系

3GPP從幀、子幀、時隙3個概念定義了TD-SCDMA物理層結構，TDMA幀 （Frame）長度為10ms，為了實現快速功率控制、智能天線、上行同步等新技術，又將1個10ms的幀分成2個結構完全相同的子幀 （Sub-fram），每個子幀5ms。每個子幀可分為7個常規時隙和3個特殊時隙。7個常規時隙分別是：TS0～TS6，用作傳送用戶數據和控制信息。3個特殊時隙分別是DwPTS（下行導頻間隔）、GP（保護間隔）和UpPTS（上行導頻間隔）。

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

基站占用下行時隙發射信號，到達用戶終端將產生一個時延t。距離基站最遠的用戶即處于小區覆蓋邊緣，下行信號到達小區覆蓋邊緣時所產生的時延即最大時延，設為Δt。反之，上行信號從用戶側到達基站也將產生時延Δt。可見，要使上、下行時隙不產生混淆，DwPTS和UpPTS之間的保護間隔的時長應該等于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，由此最大時延Δt可計算如下：

式中，R為小區半徑，m；c為無線電波傳播速度，即3×108m／s。

因為：GP＝75μs且GP＝2Δt，代入式（1）有：

因此，TD-SCDMA系統從理論上確定其基本的基站覆蓋半徑 （理想小區最大半徑）為11.25km。當然，實際的小區半徑不僅取決于保護間隔這一項參數，還受到多種因素的綜合影響，現網中的小區實際半徑通常遠小于11.25km。

在工程實踐中，針對某些特定應用場景，可能通過擴大保護間隔的時值，使基站得到更大的覆蓋半徑。在TD-SCDMA系統中，UpPTS包括了128chips的上行同步碼和32chips的保護間隔，如果允許略微增大UE初始小區的搜索時間，通過調整基站參數，將UpPTS中的32chips也用作保護間隔，此時GP＝96＋32＝128chips（對應100μs），則基站所支持的最大覆蓋半徑為：

進一步地，TD-SCDMA基站理論上的覆蓋距離仍可擴大，通過動態信道分配技術DCA （Dynamic Channel Allocation）來鎖住第1個上行時隙TS1，將TS1的時值 （864chips）也用作保護間隔。根據TD-SCDMA的的信息速率1.28Mchips／s：

即GP對應的能夠接受的2Δt達到了750μs，則：

可見，這種情況下最大支持的小區覆蓋半徑理論上達到112.5km。

2 TDD-LTE幀結構中的保護間隔與覆蓋半徑的關系

圖1 TDD-LTE幀結構 （Type2）

LTE在空中接口上支持2種幀結構，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個長度為5ms的半幀，每個半幀由5個長度為1ms的子幀組成，其中有4個普通子幀和1個特殊子幀。TDD-LTE幀結構 （Type2）如圖1所示。

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

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

當GP取10個symbols，與TDD同理，其時值相當于2倍的最大傳輸時延，即2Δt：

當GP取1個symbols：

可見，TDD-LTE幀結構中保護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構，GP的取值在1～10個symbols之間變化，這就決定了理論基站覆蓋半徑的最大值。

3 結 論

（1）TD-SCDMA系統中的保護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幀結構中保護間隔從理論上確定其基本的基站覆蓋半徑在10～100km之間。

（3）可以通過擴大保護間隔來增加基站的覆蓋半徑。

[1]沈嘉，索世強，全海洋，等.3GPP長期演進 （LTE）技術原理與系統設計 [M].北京：人民郵電出版社，2008.

[2]王映民，孫韶輝.TD-LTE技術原理與系統設計 [M].北京：人民郵電出版社，2010.