TDD方式无线通信中保护间隔与基站覆盖半径关系研究

2013-09-26安徽邮电职业技术学院通信工程系安徽合肥230031

长江大学学报(自科版) 2013年22期

石炯（安徽邮电职业技术学院通信工程系，安徽合肥 230031）

自1968年贝尔实验室提出蜂窝移动通信系统概念以来，移动通信已经经历了3代系统的演变，并正向第4代系统迈进。在具有我国自主知识产权的TD＿SCDMA标准及目前正发展并推广的准4G标准TDD-LTE系统中，由于采用时分双工方式，为了避免上下行之间的干扰，其无线帧结构中均设置了相应的特殊时隙用作保护间隔。下面，笔者对TDD方式无线通信中保护间隔与基站覆盖半径的关系进行探讨。

1 TD-SCDMA系统中的保护间隔与基站覆盖半径的关系

3GPP从帧、子帧、时隙3个概念定义了TD-SCDMA物理层结构，TDMA帧（Frame）长度为10ms，为了实现快速功率控制、智能天线、上行同步等新技术，又将1个10ms的帧分成2个结构完全相同的子帧（Sub-fram），每个子帧5ms。每个子帧可分为7个常规时隙和3个特殊时隙。7个常规时隙分别是：TS0～TS6，用作传送用户数据和控制信息。3个特殊时隙分别是DwPTS（下行导频间隔）、GP（保护间隔）和UpPTS（上行导频间隔）。

保护间隔是在基站侧由发射功能向接收功能转换时的时间间隔，时长为75μs（96chips），主要用于下行到上行转换的保护：在小区搜索时，确保DwPTS可靠接收，防止干扰上行；在随机接入时，确保UpPTS可以提前发射，防止干扰下行。从理论上说，GP确定了基站覆盖半径。

基站占用下行时隙发射信号，到达用户终端将产生一个时延t。距离基站最远的用户即处于小区覆盖边缘，下行信号到达小区覆盖边缘时所产生的时延即最大时延，设为Δt。反之，上行信号从用户侧到达基站也将产生时延Δt。可见，要使上、下行时隙不产生混淆，DwPTS和UpPTS之间的保护间隔的时长应该等于2Δt[1]。无线电波在真空中的传播速度等于光速c（3×108m／s），在空气中的传播速度略小于光速，通常认为其等于光速，因而以光速c来近似替代无线电波在空气中的传播速度，由此最大时延Δt可计算如下：

式中，R为小区半径，m；c为无线电波传播速度，即3×108m／s。

因为：GP＝75μs且GP＝2Δt，代入式（1）有：

因此，TD-SCDMA系统从理论上确定其基本的基站覆盖半径（理想小区最大半径）为11.25km。当然，实际的小区半径不仅取决于保护间隔这一项参数，还受到多种因素的综合影响，现网中的小区实际半径通常远小于11.25km。

在工程实践中，针对某些特定应用场景，可能通过扩大保护间隔的时值，使基站得到更大的覆盖半径。在TD-SCDMA系统中，UpPTS包括了128chips的上行同步码和32chips的保护间隔，如果允许略微增大UE初始小区的搜索时间，通过调整基站参数，将UpPTS中的32chips也用作保护间隔，此时GP＝96＋32＝128chips（对应100μs），则基站所支持的最大覆盖半径为：

进一步地，TD-SCDMA基站理论上的覆盖距离仍可扩大，通过动态信道分配技术DCA （Dynamic Channel Allocation）来锁住第1个上行时隙TS1，将TS1的时值（864chips）也用作保护间隔。根据TD-SCDMA的的信息速率1.28Mchips／s：

即GP对应的能够接受的2Δt达到了750μs，则：

可见，这种情况下最大支持的小区覆盖半径理论上达到112.5km。

2 TDD-LTE帧结构中的保护间隔与覆盖半径的关系

图1 TDD-LTE帧结构（Type2）

LTE在空中接口上支持2种帧结构，即Type1和Type2，其中Type1用于FDD模式，Type2用于TDD模式，2种无线帧长度均为 10ms[2]。在 TDD 模式下，10ms的无线帧包含2个长度为5ms的半帧，每个半帧由5个长度为1ms的子帧组成，其中有4个普通子帧和1个特殊子帧。TDD-LTE帧结构（Type2）如图1所示。

DwPTS的长度为3至12个OFDM符号，UpPTS的长度为1至2个OFDM符号，相应的GP长度为（1～10个OFDM 符号）。

在TDD模式下，10ms的无线帧包含10个子帧（subframes），1个子帧的时长为1ms。1个子帧中包含14个OFDMA符号（symbols），即：