浅谈TD-SCDMA系统中GPS失步对网络性能的影响

　　第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。目前3G存在四种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WiMAX。“3G”（英语 3rd-generation）或“三代”是第三代移动通信技术的简称，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音（通话）及数据信息（电子邮件、即时通信等），其代表特征是提供高速数据业务。 相对代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、CDMA等数字手机 （2G），第三代手机（3G）一般地讲，是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，未来的3G必将与社区网站进行结合，WAP与web的结合是一种趋势，如时下流行的微博客网站：大围脖、新浪微博等就已经将此应用加入进来。　3G与2G的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。

　　在3G三大标准中，CDMA2000和时分-同步码分多址（TD-SCDMA）均是基站同步系统，TD-SCDMA系统是全网同步系统，要求所有基站之间严格保持时间同步，小区间切换、漫游等都需要的时间控制，因此同步问题对于TD-SCDMA通信系统的重要性不言而喻。由于缺乏先进的网络同步技术，TD-SCDMA基站普遍采用定位系统（GPS）同步。TD-SCDMA是英文Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access（时分同步码分多址） 的简称，是一种第三代无线通信的技术标准，也是ITU批准的三个3G标准中的一个，相对于另两个主要3G标准（CDMA2000）或（WCDMA）它的起步较晚。

　　（1）GPS信号收到外界的干扰

　　GPS 是英文Global Positioning System（定位系统）的简称，而其中文简称为“球位系”。GPS是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 。其主要目的是为陆、海、空三大领域提供实时、 全天候和性的导航服务，并用于情报收集、核爆监测和应急通讯等一些军事目的经过20余年的研究实验，耗资300亿美元，到1994年3月，覆盖率高达98%的24颗GPS卫星星座己布设完成。在机械领域GPS则有另外一种含义：产品几何技术规范（Geometrical Product Specifications）-简称GPS。另外一种解释为G/s（GB per s）

　　GPS工作频段为1 575 MHz，由于GPS信号从卫星发射到地面之后，已经非常微弱，所以很容易受到外界干扰的影响，很多因素都会对GPS信号造成干扰，比如外太空太阳耀斑的干扰、电离层和大气环境的干扰、雷电等异常天气的影响等。在存在干扰的情况下，接收机接收卫星的信号质量会变差，信噪比降低，误码率上升，某些时候就会导致接收不到卫星信号。

　　（2）工程施工原因

　　在现实大规模建站时，如果GPS天线安装位置附近存在遮挡或者施工工艺问题造成馈线阻抗过大、馈线头工艺有问题、馈线进水等因素，使得基站侧接收到的GPS信号较弱。

　　长期同步失效会导致基站间出现定时偏差，定时偏差过大将影响手机邻区搜索、小区切换、下行导引时隙（DwPTS）对上行导引时隙（UpPTS）干扰和业务时隙交叉。这些将进一步影响网络质量，造成切换失败、切换掉话、呼通率下降，严重影响用户在网络中感受。

　　1 理论分析

　　GPS失步造成基站间的GPS定时偏差过大，从TD-SCDMA的帧结构、终端和系统的实现方式分析，GPS失步主要在3个方面造成对系统的影响。

　　（1）切换及小区重选相关的邻区测量（或邻区搜索）

　　用户终端（UE）在正常状态下，都需要以当前小区DwPTS的定时为基准进行邻区DwPTS搜索，如果相邻小区定时偏差过大，则UE无法在 DwPTS搜索窗内搜索到临小区的DwPTS，或者即使可以搜到邻区但搜索到得邻区主公共控制信道（PCCPCH）信号差，信干比（SIR）低，严重影响网络的关键参数指标（KPI）性能，造成终端的重选和切换问题，如图1所示。

　　此外TD-SCDMA中接力切换由于减少了终端上行UpPTS的接入过程，加快了切换过程，增加切换的成功率，但是对于基站间的同步要求比较高，因此一旦基站间GPS失去了同步，终端在专用信道上同步不上（终端在专用信道发送特殊的突发数据，基站收到后确认，表示上行同步成功，然后基站发送特殊的突发数据，终端收到，表示下行同步成功），就很容易切换失败。

　　（2）DwPTS对UpPTS时隙的干扰

　　TD-SCDMA为了避免小区之间下行DwPTS对UpPTS的干扰，在两个时隙间留出了一个96码片（chip）的保护（GP）时隙。TD-SCDMA[1]作为中国提出的第三代移动通信标准[2]（简称3G），自1998年正式向ITU（国际电联）提交以来，已经历十多年的时间，完成了标准的组评估、ITU认可并发布、与3GPP（第三代伙伴项目）体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作，从而使TD－SCDMA[3]标准成为个由中国提出的，以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。这是我国电信史上重要的里程碑。如图2所示。

　　UpPTS时隙干扰的抬升，会造成上行UpPTS信道的覆盖收缩（在TD-SCDMA系统中电路交换域64k可视电话业务（CS64k）业务的覆盖，因此UpPTS业务信道的覆盖至少要保证和CS64k同覆盖），影响单小区边缘用户的上行接入，但是在实际网络中由于PCCPCH接受信号码功率（RSCP）小于-95 dBm的区域所占的比例极少，因此对呼通率的影响相对较小。

　　（3）业务时隙的交叉干扰

　　TD-CDMA系统的每个时隙末尾有一个16 chip

　　在TD-SCDMA中，每个业务时隙的864个chip长度，因此GPS失步造成的交叉时隙在业务时隙只会干扰部分chip时段，只有GPS失步很大时才会造成明显的干扰。

　　2 测试设计

　　为了定量分析GPS失步对网络性能和质量的影响，我们在真实网络环境中进行测试验证。

　　（1）测试环境的选择

　　在真实网络中选择一个高站点，加载可以进行GPS失步设定的基站软件，造成人为的GPS失步，GPS失步定时偏差可控制和可修改，周围有1到2圈基站GPS同步正常，30～40个连片小区覆盖。

　　（2）测试终端的选择

　　软件用鼎力路测软件，路测终端用中兴通讯U85两部、大唐8120一部，支持可视电话。

　　（3）测试中模拟加载的规定

　　小区模拟加载规定：75%模拟加载，即单时隙加载75%码道，功率为27 dBm。

　　（4）测试用例的设计

　　根据上述的理论分析，共设计了8个测试用例。

　　（a）基站GPS定时向前偏差

　　GPS失步基站小区的邻区搜索测试

　　GPS失步基站小区的UpPTS干扰变化测试

　　GPS失步基站小区的邻小区业务时隙干扰测试

　　网络的KPI性能测试

　　（b）基站GPS定时向后偏差

　　GPS失步基站小区的邻区搜索测试

　　GPS失步基站小区的邻小区UpPTS干扰变化测试

　　GPS失步基站小区的业务时隙干扰测试

　　网络的KPI性能测试

　　3 测试数据分析

　　3.1 GPS失步基站小区的邻区搜索测试数据分析

　　GPS失步基站小区的邻区搜索测试数据分析（对应测试用例GPS失步基站小区的邻区搜索测试、GPS失步基站小区的UpPTS干扰变化测试）。在 GPS失步基站小区中选择PCCPCH_RSCP为-65 dBm～-75 dBm的测试点，选择该小区的其中一个邻小区作为观察对象，路测终端开关机5次，每次开机后保持2 min，观察路测终端测量得的该邻小区的PCCPCH_RSCP值的变化，测试结果如图4所示。

　　（1）邻小区PCCPCH_RSCP值随着偏移值的增大都呈现从大到小的趋势，表明终端对邻小区信号强度的测量出现了误差，误差随偏移值增大而增大。

　　（2）当GPS的向前偏移小于等于12 chip，向后偏移小于等于10 chip时，邻小区的PCCPCH_RSCP值和没有偏移时比较，变化在3 dB左右，考虑到无线信号的波动，属于正常范围。

　　（3）测试表明GPS向前偏移小于等于12 chip和基站向后偏移小于等于10 chip为终端对邻区搜索不受影响的必要条件，因此，10 chip作为GPS基站失步不对终端搜索邻区造成影响的允许临界值。

　　3.2 UpPTS的干扰变化测试数据分析

　　GPS失步基站小区和邻小区的UpPTS的干扰变化测试数据分析（对应测试用例GPS失步基站小区的UpPTS干扰变化测试、GPS失步基站小区的邻小区UpPTS干扰变化测试）。GPS失步基站向前偏移失步，除GPS失步基站外的其他基站小区的DwPTS干扰GPS失步基站小区的 UpPTS；GPS失步基站向后偏移失步，GPS失步基站小区的DwPTS干扰除GPS失步基站外的其他基站小区的UpPTS。干扰情况如图5所示。

　　按照链路预算，为了保证UpPTS时隙和CS64k业务具有相同的覆盖，UpPTS时隙的干扰余量为3 dB，即当UpPTS时隙干扰抬升超过-103.3 dBm（-103.3 dBm="-106".3 dBm+3 dBm）后，UpPTS时隙的覆盖将小于CS64k业务的覆盖，此时将不满足TD-SCDMA系统的网络规划原则。从本文测试结果看，GPS偏移16 chip内，UpPTS干扰低于-103.3 dBm，偏移超过16 chip，干扰进一步抬升，不满足网络设计原则。

　　3.3 业务时隙干扰的测试数据分析

　　GPS失步基站小区和邻小区的业务时隙干扰的测试数据分析（对应测试用例GPS失步基站小区的邻小区业务时隙干扰测试和GPS失步基站小区的业务时隙干扰测试）。测试中，小区的业务时隙配置为2:4（2个上行时隙分别为时隙1和时隙2，4个下行时隙分别为时隙3、时隙4、时隙5和时隙6），GPS失步基站向前偏移失步，GPS失步基站小区的下行时隙3干扰除GPS失步基站外的其他基站小区的上行时隙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区的下行时隙3干扰GPS失步基站小区的上行时隙2。本文在测试中对干扰时隙3进行了75%码道，功率27 dBm模拟加载来模拟真实网络环境的业务量。变化图如图6所示。

　　测试结果表明CS12.2k的呼通率为100%，上行被干扰时隙2的RTWP没有明显抬升。

　　3.4 网络KPI性能测试数据分析

　　网络KPI性能测试数据分析（对应测试用例网络的KPI性能测试和网络的KPI性能测试）。在实际网络中，我们进行了CS12.2k业务的网络 KPI测试，两个终端手机，CS12.2k呼叫保持2 min，挂断间隔15 s，起呼次数不小于50次，切换次数不小于100次。测试结果如图7所示。

　　（1）随着GPS偏移值的变大，切换成功率和呼通率下降，掉话率抬升，影响网络KPI指标。

　　（2）GPS偏移4 chip内的切换成功率在98%以上，可以保证正常网络的KPI指标要求。

　　（3）GPS偏移在5 chip以上时，切换成功率和呼通率下降，掉话率明显抬升。

　　（4）GPS偏移会导致终端的重选效率降低，从而造成呼通率的下降。

　　4 结束语

　　通过本次实际测试表明：

　　（1）GPS基站失步后对终端邻区测量（搜索），UpPTS时隙干扰，业务时隙交叉干扰和网络KPI性能指标影响中，对网络KPI的影响。终端邻区测量（搜索）允许的失步偏移量为10 chip（12 chip和10 chip中取值），UpPTS时隙干扰允许的失步偏移量为16 chip，业务时隙干扰在上述失步偏移量下都没有测试出干扰抬升，网络KPI允许的的失步偏移量为4 chip。

　　（2）3GPP协议25.123[15]规定基站需要满足同步在3 μs范围的要求，测试结果表明4 chip为基站间失步的允许值，4 chip（即3.125 μs），测试结果和协议表现为一致性。

　　（3）目前TD-SCDMA时间同步完全依赖于美国GPS系统实现，存在一定的安全隐患，中国的CDMA网络，曾经因为美国GPS未授时，出现过瘫痪事件，为此TD-SCDMA系统寻求GPS同步系统的替代同步系统显得尤为必要，本文研究对选择新的TD- SCDMA同步方案提供了时间同步的要求参考。