TD-SCDMA系统外环功控分析

摘要：TD-SCDMA系统的闭环功控可以分为内环功控和外环功控。其中内环功控是一种快速功控，频率为200Hz，主要用来补偿lognormal慢衰落和网络内其它用户和基站带来的干扰。而外环功控是一种慢速功控，主要用来补偿信道环境变化所带来的长期的业务质量的恶化，这种恶化主要通过提高目标SIR来进行补偿。但是目标SIR的提高会增加网络的整体干扰水平，因此不能无限制的提高。本文通过仿真分析了外环功控目标SIR值与网络的覆盖、容量之间的关系，确定了系统由资源受限向干扰受限转变的条件。 


1 引言

人们对通信日益增长的需求促进了通信技术的发展。为了提高通信系统的质量和容量，种种先进的通信技术得到了深入研究和发展。其中，最为突出的就是对CDMA技术的研究。人们在对CDMA技术研究的基础上，提出了3G的概念以及3G的三大标准CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA，其中TD-SCDMA作为我国自主开发的技术，在国内受到大家强烈的关注。TD-SCDMA作为一个CDMA系统，本身不可避免是一个干扰系统，同时由于在时间上不同用户占用不同的时隙码道，并且时隙码道总是有限的，因此也是一个资源有限系统。对于国内所使用的1.28M低码片速率标准，由于使用了智能天线和联合监测的关键技术，同时在同一时隙里接入的用户数目较少，系统的干扰维持在一个较低的水平，因此在一般情况下系统可以满码道工作，整个系统是一个资源受限系统。但是当信道环境比较恶劣，TD-SCDMA的种种关键技术不能有效地消除系统的各种干扰时，系统依然会表现出干扰受限性，此时系统就会转变成为一个干扰受限系统。本文分析了不同信道环境下，系统的外环功控目标SIR与网络的覆盖、容量之间的关系，从而确定了网络由资源受限性向干扰受限性转变的条件。

2 网络性能分析方法

SIR是衡量网络性能的一项重要指标。为了达到一定的业务质量，最基本的要求是解码后的误码率必须达到一定的要求，比如对于话音业务，一般要求误码率不大于0.1%。而在不同的信道环境下，为了达到所需求的误码率，需要有不同的目标SIR值，因此在这里目标SIR是衡量网络信道环境好坏的一个重要指标。

2.1 小区分布结构

本文所分析的小区分布是如下图所示的宏蜂窝单扇区小区：



图2.1  宏蜂窝小区结构

2.2 闭环功控

TD-SCDMA系统的闭环功控可分为内环功控和外环功控。其中内环功控主要用来确定空口上的发射功率。其过程为将接收到的SIR值和目标SIR值比较，如果接收到的SIR值大于目标SIR值，则通知对等层将空口上的发射功率下调一个步长；否则将对等层的发射功率上调一个步长。内环功控每子帧进行一次。而外环功控主要用来确定用于内环功控的目标SIR值。其过程为将一段时间内MAC上报的平均误块率和业务允许的误块率进行比较，如果MAC上报的误块率大于允许的误块率，则将内环功控的目标SIR下调一个步长，否则上调一个步长。外环功控是一种慢速功控，一般几百毫秒一次。



1.1 SIR计算

SIR为联合监测后、解码之前的信干比，在仿真中物理层通过如下公式计算



1.2 链路估算及小区半径


基本参数配置



下表为仿真时系统的基本配置

参数描述	配置	备注
信道模型	COST-231城市模型	基站天线高度为20米，UE高度为1.5米
NodeB每小区最大发射功率	34dBm	对SF=16的每条码道最大发射功率为22dBm
UE最大发射功率	21dBm
小区半径	577米到1990米	577米为协议参考值。
NodeB智能天线增益	最大15dB左右	为实测数据
UE天线增益	0dB
噪声功率	下行-104dBm 上行-106dBm	热噪声功率+噪声系数
上行MUD因子	0.75
下行 因子	0.78
AMR语音业务物理信道资源	下行SF=16的两条码道 上行SF=8的一条码道
PS64k数据业务物理信道资源	下行SF=16的八条码道 上行SF=2的一条码道

1  结果及分析

1.1 不同信道环境下的系统干扰分析

小区半径取577米时，在目标SIR分别取5、6、7、8dB时，12.2kAMR语音业务在满码道工作时系统噪声提升结果如下：

目标SIR(dB)	平均噪声提升(dB)
5	下行：1.24 上行：1.32
6	下行：1.68 上行：1.79
7	下行：2.21 上行：2.56
8	下行：3.42 上行：3.96

表3.1  目标SIR-噪声提升对应表 
 



如上所示，系统干扰水平和内环功控的目标SIR值直接相关，且随着目标SIR增大，系统干扰水平不断提升，在目标SIR为5-6dB时，干扰水平提升不大，但是当目标SIR增大到8dB左右，系统噪声开始迅速提升。同时下行链路性能要好于上行链路性能。以上结果容易理解，因为目标SIR的增大必将导致NodeB和UE的发射功率增加，发射功率增加必将导致网络的干扰增加，从而使得干扰水平不断增大。

因此随着目标SIR和网络的干扰所造成的噪声功率提升不断增大，小区覆盖所允许的路损值迅速的减少，小区覆盖半径也将迅速的减少。

3.2 外环功控分析

在小区半径为1199m-1646m时，不同的目标SIR情况下，12.2kAMR语音业务在满码道工作时用户功控满意率如下图所示：

我们注意到，因为在12.2kAMR语音业务时，下行链路对SF=16的每码道的最大发射功率为22dBm，而上行链路对SF=8的一条码道的最大发射功率为21dBm，因此下图中上下行的SIR+I值相差4dB。 
 
图3.2  不同目标SIR、不同小区半径系统容量分析图

如上图所示，外环功控的门限值和小区半径直接相关。小区半径越小，允许的外环功控门限值就越高。如对下行链路，小区最大允许路损值为145.5dB时，在系统用户功控满意率为95%的标准下，系统的外环功控最大目标SIR值不应该超过6dB；但是如果小区最大允许路损值为141dB时，在系统用户功控满意率为95%的标准下，系统的外环功控最大目标SIR值则可以达到8dB。

虽然减小小区覆盖半径可以给功控更大的自由度，提高外环功控的目标SIR上限值。但是外环功控的目标SIR上限值并不能无限制的提升，下面对小区半径为577米，最大路损值为129dB的小区进行分析，结果如下： 
 
如图所示，即使在小区半径较小达到577米，最大路损值降到129dB，SIR+I值达到下行26dB，上行22dB的极端情况下，要保证95%的接入用户功控满意，外环功控的目标SIR上限值也不应该超过10dB。

4 总结

对于TD-SCDMA系统，网络的干扰水平和内环功控的目标SIR值有着很大的关系。而内环功控的目标SIR由外环功控确定，直接反应了当前的信道质量。当信道环境较好时，较小的目标SIR就能满足用户的误码率要求，如目标SIR取5-6dB就已经足够，此时网络的干扰很小。但是随着信道环境不断恶化，为了达到用户所需要的误码率，目标SIR将不断增大，造成网络的干扰水平迅速提升，此时为了使系统的功控平衡，需要不断提升基站和用户的发射功率或降低网络的覆盖范围。但是在发射功率一定的情况下，网络的覆盖和外环功控的目标SIR值是互相制约的。此时为了保持系统的覆盖和容量，外环功控的目标SIR值不能无限提升。一般情况下的目标SIR值不应该超过8dB，即使网络的情况很恶劣的情况下，目标SIR值也不应该超过10dB，此时需要较大的牺牲网络的容量和覆盖，整个网络也由原来的资源受限性系统转变为干扰受限性系统。当然，对于一般的信道环境情况下，只需要6dB左右的目标SIR值就能很好的满足用户的误码率要求。