在3G三大標準中，CDMA2000和時分-同步碼分多址(TD-SCDMA" title="TD-SCDMA">TD-SCDMA)均是基站同步系統(tǒng)，TD-SCDMA系統(tǒng)是全網(wǎng)同步系統(tǒng)，要求所有基站之間嚴格保持時間同步，小區(qū)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(tǒng)的重要性不言而喻。由于缺乏先進的網(wǎng)絡同步技術，TD-SCDMA基站普遍采用全球定位系統(tǒng)(GPS)同步[1-14]。目前TD-SCDMA網(wǎng)絡中，由于一些原因，基站無法收到GPS衛(wèi)星信號，同步失效的現(xiàn)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(wèi)星發(fā)射到地面之后，已經(jīng)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(huán)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(wèi)星的信號質(zhì)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(wèi)星信號。
(2)工程施工原因
在現(xiàn)實大規(guī)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(xiàn)定時偏差，定時偏差過大將影響手機鄰區(qū)搜索、小區(qū)切換、下行導引時隙(DwPTS)對上行導引時隙(UpPTS)干擾和業(yè)務時隙交叉。這些將進一步影響網(wǎng)絡質(zhì)量，造成切換失敗、切換掉話、呼通率下降，嚴重影響用戶在網(wǎng)絡中感受。為此，我們通過測試研究基站由于GPS失步" title="GPS失步">GPS失步造成的定時偏差對網(wǎng)絡性能和質(zhì)量的影響，從而確定TD-SCDMA系統(tǒng)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(tǒng)的方案提供依據(jù)。
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(tǒng)的實現(xiàn)方式分析，GPS失步主要在3個方面造成對系統(tǒng)的影響。
(1)切換及小區(qū)重選相關的鄰區(qū)測量(或鄰區(qū)搜索)
用戶終端(UE)在正常狀態(tài)下，都需要以當前小區(qū)DwPTS的定時為基準進行鄰區(qū)DwPTS搜索，如果相鄰小區(qū)定時偏差過大，則UE無法在 DwPTS搜索窗內(nèi)搜索到臨小區(qū)的DwPTS，或者即使可以搜到鄰區(qū)但搜索到得鄰區(qū)主公共控制信道(PCCPCH)信號差，信干比(SIR)低，嚴重影響網(wǎng)絡的關鍵參數(shù)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(fā)送特殊的突發(fā)數(shù)據(jù)，基站收到后確認，表示上行同步成功，然后基站發(fā)送特殊的突發(fā)數(shù)據(jù)，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(qū)之間下行DwPTS對UpPTS的干擾，在兩個時隙間留出了一個96碼片" title="碼片">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(tǒng)中電路交換域64k可視電話業(yè)務(CS64k)業(yè)務的覆蓋最小，因此UpPTS業(yè)務信道的覆蓋至少要保證和CS64k同覆蓋)，影響單小區(qū)邊緣用戶的上行接入，但是在實際網(wǎng)絡中由于PCCPCH接受信號碼功率(RSCP)小于-95 dBm的區(qū)域所占的比例極少，因此對呼通率的影響相對較小。
(3)業(yè)務時隙的交叉干擾
TD-CDMA系統(tǒng)的每個時隙末尾有一個16 chip
在TD-SCDMA中，每個業(yè)務時隙的864個chip長度，因此GPS失步造成的交叉時隙在業(yè)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(wǎng)絡性能和質(zhì)量的影響，我們在真實網(wǎng)絡環(huán)境中進行測試驗證。
(1)測試環(huán)境的選擇
在真實網(wǎng)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(qū)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(guī)定
小區(qū)模擬加載規(guī)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(jù)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(qū)的鄰區(qū)搜索測試
GPS失步基站小區(qū)的UpPTS干擾變化測試
GPS失步基站小區(qū)的鄰小區(qū)業(yè)務時隙干擾測試
網(wǎng)絡的KPI性能測試
(b)基站GPS定時向后偏差
GPS失步基站小區(qū)的鄰區(qū)搜索測試
GPS失步基站小區(qū)的鄰小區(qū)UpPTS干擾變化測試
GPS失步基站小區(qū)的業(yè)務時隙干擾測試
網(wǎng)絡的KPI性能測試
3 測試數(shù)據(jù)分析
3.1 GPS失步基站小區(qū)的鄰區(qū)搜索測試數(shù)據(jù)分析
GPS失步基站小區(qū)的鄰區(qū)搜索測試數(shù)據(jù)分析(對應測試用例GPS失步基站小區(qū)的鄰區(qū)搜索測試、GPS失步基站小區(qū)的UpPTS干擾變化測試)。在 GPS失步基站小區(qū)中選擇PCCPCH_RSCP為-65 dBm～-75 dBm的測試點，選擇該小區(qū)的其中一個鄰小區(qū)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(qū)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(qū)PCCPCH_RSCP值隨著偏移值的增大都呈現(xiàn)從大到小的趨勢，表明終端對鄰小區(qū)信號強度的測量出現(xiàn)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(qū)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(qū)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(qū)造成影響的最大允許臨界值。
3.2 UpPTS的干擾變化測試數(shù)據(jù)分析
GPS失步基站小區(qū)和鄰小區(qū)的UpPTS的干擾變化測試數(shù)據(jù)分析(對應測試用例GPS失步基站小區(qū)的UpPTS干擾變化測試、GPS失步基站小區(qū)的鄰小區(qū)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(qū)的DwPTS干擾GPS失步基站小區(qū)的 UpPTS；GPS失步基站向后偏移失步，GPS失步基站小區(qū)的DwPTS干擾除GPS失步基站外的其他基站小區(qū)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(yè)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(yè)務的覆蓋，此時將不滿足TD-SCDMA系統(tǒng)的網(wǎng)絡規(guī)劃原則。從本文測試結果看，GPS偏移16 chip內(nèi)，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(wǎng)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(wǎng)絡規(guī)劃原則的最大臨界值。
3.3 業(yè)務時隙干擾的測試數(shù)據(jù)分析
GPS失步基站小區(qū)和鄰小區(qū)的業(yè)務時隙干擾的測試數(shù)據(jù)分析(對應測試用例GPS失步基站小區(qū)的鄰小區(qū)業(yè)務時隙干擾測試和GPS失步基站小區(qū)的業(yè)務時隙干擾測試)。測試中，小區(qū)的業(yè)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(qū)的下行時隙3干擾除GPS失步基站外的其他基站小區(qū)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(qū)的下行時隙3干擾GPS失步基站小區(qū)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(wǎng)絡環(huán)境的業(yè)務量。在此前提下進行被干擾上行時隙2的業(yè)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(wǎng)絡KPI性能測試數(shù)據(jù)分析
網(wǎng)絡KPI性能測試數(shù)據(jù)分析(對應測試用例網(wǎng)絡的KPI性能測試和網(wǎng)絡的KPI性能測試)。在實際網(wǎng)絡中，我們進行了CS12.2k業(yè)務的網(wǎng)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(shù)不小于50次，切換次數(shù)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(wǎng)絡KPI指標。
(2)GPS偏移4 chip內(nèi)的切換成功率在98%以上，可以保證正常網(wǎng)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(qū)測量(搜索)，UpPTS時隙干擾，業(yè)務時隙交叉干擾和網(wǎng)絡KPI性能指標影響中，對網(wǎng)絡KPI的影響最大。終端鄰區(qū)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(yè)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(wǎng)絡KPI允許的最大的失步偏移量為4 chip。
(2)3GPP協(xié)議25.123[15]規(guī)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(xié)議表現(xiàn)為一致性。
(3)目前TD-SCDMA時間同步完全依賴于美國GPS系統(tǒng)實現(xiàn)，存在一定的安全隱患，中國的CDMA網(wǎng)絡，曾經(jīng)因為美國GPS未授時，出現(xiàn)過癱瘓事件，為此TD-SCDMA系統(tǒng)尋求GPS同步系統(tǒng)的替代同步系統(tǒng)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(tǒng)設計:第三代移動通信系統(tǒng)寬帶無線接入[M]. 葉銀法, 陸健賢, 周勝, 等譯. 北京: 機械工業(yè)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(tǒng)-增強和演進[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2008.
[4] 彭木根, 王文博. TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)[M]. 2版. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2007.
[5] 謝顯中. TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)技術與實現(xiàn)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2004.
[6] 李世鶴. TD-SCDMA第三代移動通信系統(tǒng)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(wǎng)絡設計與規(guī)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(wǎng)絡規(guī)劃設計與優(yōu)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(wǎng)絡規(guī)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(wǎng)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(wǎng)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(tǒng)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.
作者介紹：
姬舒平，哈爾濱工業(yè)大學博士畢業(yè)，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(tǒng)TD-SCDMA的無線技術研究，已發(fā)表文章30余篇，擁有專利3個。
劉志堅，大連輕工業(yè)學院畢業(yè)，現(xiàn)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(yè)大學畢業(yè)，現(xiàn)工作于中興通訊股份有限公司，主管TD-SCDMA產(chǎn)品系統(tǒng)測試工作，已發(fā)表文章5篇，擁有專利5個。