在3G三大標(biāo)準(zhǔn)中，CDMA2000和時(shí)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(yán)格保持時(shí)間同步，小區(qū)間切換、漫游等都需要精確的時(shí)間控制，因此同步問題對(duì)于TD-SCDMA通信系統(tǒng)的重要性不言而喻。由于缺乏先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)同步技術(shù)，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(luò)中，由于一些原因，基站無法收到GPS衛(wèi)星信號(hào)，同步失效的現(xiàn)象。

　　(1)GPS信號(hào)收到外界的干擾

　　GPS工作頻段為1 575 MHz，由于GPS信號(hào)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(huì)對(duì)GPS信號(hào)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(jī)接收衛(wèi)星的信號(hào)質(zhì)量會(huì)變差，信噪比降低，誤碼率上升，某些時(shí)候就會(huì)導(dǎo)致接收不到衛(wèi)星信號(hào)。

　　(2)工程施工原因

　　在現(xiàn)實(shí)大規(guī)模建站時(shí)，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(jìn)水等因素，使得基站側(cè)接收到的GPS信號(hào)較弱。

　　長期同步失效會(huì)導(dǎo)致基站間出現(xiàn)定時(shí)偏差，定時(shí)偏差過大將影響手機(jī)鄰區(qū)搜索、小區(qū)切換、下行導(dǎo)引時(shí)隙(DwPTS)對(duì)上行導(dǎo)引時(shí)隙(UpPTS)干擾和業(yè)務(wù)時(shí)隙交叉。這些將進(jìn)一步影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，造成切換失敗、切換掉話、呼通率下降，嚴(yán)重影響用戶在網(wǎng)絡(luò)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(shí)偏差對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(shí)偏差，進(jìn)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(shí)偏差過大，從TD-SCDMA的幀結(jié)構(gòu)、終端和系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式分析，GPS失步主要在3個(gè)方面造成對(duì)系統(tǒng)的影響。

　　(1)切換及小區(qū)重選相關(guān)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(dāng)前小區(qū)DwPTS的定時(shí)為基準(zhǔn)進(jìn)行鄰區(qū)DwPTS搜索，如果相鄰小區(qū)定時(shí)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(hào)差，信干比(SIR)低，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)(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(duì)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(rèn)，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(duì)UpPTS時(shí)隙的干擾

　　TD-SCDMA為了避免小區(qū)之間下行DwPTS對(duì)UpPTS的干擾，在兩個(gè)時(shí)隙間留出了一個(gè)96碼片" title="碼片">碼片(chip)的保護(hù)(GP)時(shí)隙。在GPS失步的情況下，會(huì)導(dǎo)致DwPTS時(shí)隙和UpPTS時(shí)隙間的有效保護(hù)時(shí)間減少。如圖2所示。

　　UpPTS時(shí)隙干擾的抬升，會(huì)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(wù)(CS64k)業(yè)務(wù)的覆蓋最小，因此UpPTS業(yè)務(wù)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(shí)際網(wǎng)絡(luò)中由于PCCPCH接受信號(hào)碼功率(RSCP)小于-95 dBm的區(qū)域所占的比例極少，因此對(duì)呼通率的影響相對(duì)較小。

　　(3)業(yè)務(wù)時(shí)隙的交叉干擾

　　TD-CDMA系統(tǒng)的每個(gè)時(shí)隙末尾有一個(gè)16 chip

　　在TD-SCDMA中，每個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙的864個(gè)chip長度，因此GPS失步造成的交叉時(shí)隙在業(yè)務(wù)時(shí)隙只會(huì)干擾部分chip時(shí)段，只有GPS失步很大時(shí)才會(huì)造成明顯的干擾。

　　2 測試設(shè)計(jì)

　　為了定量分析GPS失步對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能和質(zhì)量的影響，我們?cè)谡鎸?shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中進(jìn)行測試驗(yàn)證。

　　(1)測試環(huán)境的選擇

　　在真實(shí)網(wǎng)絡(luò)中選擇一個(gè)高站點(diǎn)，加載可以進(jìn)行GPS失步設(shè)定的基站軟件，造成人為的GPS失步，GPS失步定時(shí)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(gè)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(shí)隙加載75%碼道，功率為27 dBm。

　　(4)測試用例的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)上述的理論分析，共設(shè)計(jì)了8個(gè)測試用例。

　　(a)基站GPS定時(shí)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(wù)時(shí)隙干擾測試

　　網(wǎng)絡(luò)的KPI性能測試

　　(b)基站GPS定時(shí)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(wù)時(shí)隙干擾測試

　　網(wǎng)絡(luò)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(duì)應(yīng)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(diǎn)，選擇該小區(qū)的其中一個(gè)鄰小區(qū)作為觀察對(duì)象，路測終端開關(guān)機(jī)5次，每次開機(jī)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(jié)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(duì)鄰小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度的測量出現(xiàn)了誤差，誤差隨偏移值增大而增大。

　　(2)當(dāng)GPS的向前偏移小于等于12 chip，向后偏移小于等于10 chip時(shí)，鄰小區(qū)的PCCPCH_RSCP值和沒有偏移時(shí)比較，變化在3 dB左右，考慮到無線信號(hào)的波動(dòng)，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(duì)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(duì)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(duì)應(yīng)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(tái)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(yù)算，為了保證UpPTS時(shí)隙和CS64k業(yè)務(wù)具有相同的覆蓋，UpPTS時(shí)隙的干擾余量為3 dB，即當(dāng)UpPTS時(shí)隙干擾抬升超過-103.3 dBm(-103.3 dBm="-106".3 dBm+3 dBm)后，UpPTS時(shí)隙的覆蓋將小于CS64k業(yè)務(wù)的覆蓋，此時(shí)將不滿足TD-SCDMA系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則。從本文測試結(jié)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(jìn)一步抬升，不滿足網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)原則。測試結(jié)果表明GPS偏移16 chip為UpPTS受到干擾不滿足網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則的最大臨界值。

　　3.3 業(yè)務(wù)時(shí)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(wù)時(shí)隙干擾的測試數(shù)據(jù)分析(對(duì)應(yīng)測試用例GPS失步基站小區(qū)的鄰小區(qū)業(yè)務(wù)時(shí)隙干擾測試和GPS失步基站小區(qū)的業(yè)務(wù)時(shí)隙干擾測試)。測試中，小區(qū)的業(yè)務(wù)時(shí)隙配置為2:4(2個(gè)上行時(shí)隙分別為時(shí)隙1和時(shí)隙2，4個(gè)下行時(shí)隙分別為時(shí)隙3、時(shí)隙4、時(shí)隙5和時(shí)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(shí)隙3干擾除GPS失步基站外的其他基站小區(qū)的上行時(shí)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(shí)隙3干擾GPS失步基站小區(qū)的上行時(shí)隙2。本文在測試中對(duì)干擾時(shí)隙3進(jìn)行了75%碼道，功率27 dBm模擬加載來模擬真實(shí)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的業(yè)務(wù)量。在此前提下進(jìn)行被干擾上行時(shí)隙2的業(yè)務(wù)CS12.2k(電路交換域)撥打測試，并記錄被干擾時(shí)隙2的RTWP值。變化圖如圖6所示。

　　測試結(jié)果表明CS12.2k的呼通率為100%，上行被干擾時(shí)隙2的RTWP沒有明顯抬升。

　　3.4 網(wǎng)絡(luò)KPI性能測試數(shù)據(jù)分析

　　網(wǎng)絡(luò)KPI性能測試數(shù)據(jù)分析(對(duì)應(yīng)測試用例網(wǎng)絡(luò)的KPI性能測試和網(wǎng)絡(luò)的KPI性能測試)。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中，我們進(jìn)行了CS12.2k業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò) KPI測試，兩個(gè)終端手機(jī)，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(jié)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(luò)KPI指標(biāo)。

　　(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(luò)的KPI指標(biāo)要求。

　　(3)GPS偏移在5 chip以上時(shí)，切換成功率和呼通率下降，掉話率明顯抬升。

　　(4)GPS偏移會(huì)導(dǎo)致終端的重選效率降低，從而造成呼通率的下降。

 　　4 結(jié)束語

 　　通過本次實(shí)際測試表明：

　　(1)GPS基站失步后對(duì)終端鄰區(qū)測量(搜索)，UpPTS時(shí)隙干擾，業(yè)務(wù)時(shí)隙交叉干擾和網(wǎng)絡(luò)KPI性能指標(biāo)影響中，對(duì)網(wǎng)絡(luò)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(shí)隙干擾允許的最大失步偏移量為16 chip，業(yè)務(wù)時(shí)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(luò)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(jié)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(jié)果和協(xié)議表現(xiàn)為一致性。

　　(3)目前TD-SCDMA時(shí)間同步完全依賴于美國GPS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，存在一定的安全隱患，中國的CDMA網(wǎng)絡(luò)，曾經(jīng)因?yàn)槊绹鳪PS未授時(shí)，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(duì)選擇新的TD- SCDMA同步方案提供了時(shí)間同步的精度要求參考。

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　　作者介紹：

　　姬舒平，哈爾濱工業(yè)大學(xué)博士畢業(yè)，中興通訊股份有限公司高級(jí)工程師，主要從事第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)TD-SCDMA的無線技術(shù)研究，已發(fā)表文章30余篇，擁有專利3個(gè)。

　　劉志堅(jiān)，大連輕工業(yè)學(xué)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(xué)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(gè)。