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TD-SCDMA/TD-LTE內(nèi)部干擾分析儀的設(shè)計

陳捷

（中國移動通信集團云南有限公司紅河分公司，蒙自 661100）

摘 要TD-SCDMA和TD-LTE是中國移動戰(zhàn)略布局3G/4G網(wǎng)絡(luò)采用的標準制式，TD網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護的一項重要指標就是降低干擾、優(yōu)化覆蓋。因此開發(fā)一種便攜式的TD-SCDMA/TD-LTE內(nèi)部干擾測試儀有助于準確評估深度覆蓋質(zhì)量，有力支撐網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，具有一定的市場與實用價值。

關(guān)鍵詞TD-SCDMA; TD-LTE；干擾分析儀

TD-SCDMA和TD-LTE是中國移動布局3G/4G網(wǎng)絡(luò)采用的標準制式，降低干擾、優(yōu)化覆蓋一直是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與維護的一個重要目標，TD-SCDMA系統(tǒng)內(nèi)干擾主要源于頻點和擾碼間干擾，TD-LTE系統(tǒng)內(nèi)則主要是Mod 3干擾。本文針對TD-SCDMA/TD-LTE網(wǎng)絡(luò)特有的系統(tǒng)內(nèi)干擾，提出了一種多模干擾分析儀的設(shè)計方案，為日常優(yōu)化工作做出了有益的探索。

1　技術(shù)背景

在TD-SCDMA物理層基本處理過程中，擾碼用于對信道中的數(shù)據(jù)部分進行加擾，以便用戶在接收到業(yè)

Research and test on the scheme of high-speed rail TD-LTE networking coverage

LIU Fang-sen, LI Shou-peng, LI Fang-cun, YANG Chuan-xiang

(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Shandong Branch, Ji'nan 250101, China)

Abstract Based on the high-speed rail TD-LTE networking coverage, this paper analyses the elements which effect on TD-LTE system. The paper gives the solutions to serve the high-speed rail coverage problems: doppler shift, frequency switch, high penetration loss. The main solution is that frequency offset compensation to overcome the doppler frequency shift, reasonable layout of the site to overcome the high penetration loss, multi cyclic prefi x to overcome frequent switching. Finally, high-speed rail network test based on the 9:3:2 special time slot allocation to improve the download rate.

Keywords doppler shift; penetration loss; multi cyclic prefi x; 9:3:2 time slot allocations務(wù)數(shù)據(jù)時區(qū)分小區(qū)，避免小區(qū)間干擾。TD-SCDMA系統(tǒng)中共有128個擾碼（0～127），目前一般采用12擾碼組的分組方式，為相鄰小區(qū)分配的擾碼對必須在不同碼組中，同時由于不同擾碼組間互相關(guān)性最大值存在大小差異，如果相鄰小區(qū)的擾碼所在的碼組間有較強的互相關(guān)性，會導致較大的小區(qū)間干擾，所以在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時還須盡量避免該情況出現(xiàn)。

TD-LTE系統(tǒng)采用同頻組網(wǎng)，下行RS （Reference Signal）用于下行信道質(zhì)量測量與下行信道估計，一個參考信號占用一個RE（資源粒子），目前TD-LTE宏站小區(qū)一般采用兩天線端口配置，RS在頻譜上的映射位置由PCI決定，TD-LTE系統(tǒng)為每個小區(qū)分配一個PCI碼，PCI Mod 3不等時，可實現(xiàn)RS映射位置在子載波頻率上錯開，即網(wǎng)絡(luò)空載下，RS信號相當于N=3的異頻組網(wǎng)，可有效降低小區(qū)間RS相互干擾，反之，如果相鄰小區(qū)PCI Mod 3相同，RS位置一樣，鄰區(qū)間RS干擾會導致數(shù)據(jù)吞吐量下降，傳輸時延增大。

目前，市場上主流測試設(shè)備的設(shè)計在覆蓋方面?zhèn)戎赜趯π盘枏姸?、質(zhì)量指標的測量與呈現(xiàn)，對于TD系統(tǒng)內(nèi)干擾，如頻點、擾碼、Mod 3干擾分析能力并不強。例如TD-SCDMA路測，常規(guī)路測設(shè)備僅能在UARFCN鄰區(qū)列表簡單呈現(xiàn)主服務(wù)/相鄰小區(qū)的頻點、擾碼與PCCPCH_RSCP值信息，并不能計算出鄰區(qū)對主服務(wù)小區(qū)的頻點、擾碼干擾，也不能輪詢所有可能配置，計算、比較可能干擾值大小，推薦出最佳頻點擾碼組合。同樣對于TD-LTE系統(tǒng)，常規(guī)路測設(shè)備的鄰區(qū)列表界面中顯示測量到的主服務(wù)/相鄰小區(qū)的RSRP、RSRQ值，不能計算出現(xiàn)網(wǎng)當前信號強度和PCI碼分配情況下，鄰區(qū)對主服務(wù)小區(qū)的Mod 3干擾，也不能基于現(xiàn)有與可能配置組合的計算結(jié)果，推薦預優(yōu)化區(qū)域內(nèi)多個站點的最佳PCI碼分配方案。因此現(xiàn)網(wǎng)中基于道路測試對頻點、擾碼或PCI的調(diào)整效果很難評估，優(yōu)化方法及支撐數(shù)據(jù)非常有限，以致出現(xiàn)針對目標路段進行調(diào)整后干擾惡化或周邊區(qū)域出現(xiàn)次生干擾的情況。

隨著運營商做深做厚TD-SCDMA和TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，網(wǎng)優(yōu)工作的要求也日趨精細化、復雜化，為了快捷、準確的評估深度覆蓋網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，做好無線網(wǎng)優(yōu)化，有必要開發(fā)一種便攜式的TD-SCDMA/TD-LTE內(nèi)部干擾測試儀，以便能夠在外場測試中現(xiàn)場采集、分析信號數(shù)據(jù)，根據(jù)測試原始數(shù)據(jù)，快速計算TD現(xiàn)網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)頻點、擾碼、Mod 3干擾值，并基于現(xiàn)有與可能的所有配置組合，計算、比較干擾值大小，從而選出合理的配置方案推薦給優(yōu)化人員參考，為小區(qū)配置參數(shù)的規(guī)劃與調(diào)整提供有力的數(shù)據(jù)支撐。

2　系統(tǒng)設(shè)計

2.1 松耦合模塊化

該儀器采用松耦合的模塊化設(shè)計，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，下文就各模塊的設(shè)計方案進行詳細介紹。

2.1.1 無線通信模塊

無線通信模塊由芯片平臺、射頻前端和天線3大部分構(gòu)成。芯片平臺包括基帶芯片、射頻芯片、多核CPU芯片、電源管理芯片等，射頻前端包括聲表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）濾波器、雙工器、低通濾波器、開關(guān)等器件。

現(xiàn)有技術(shù)中已有高度集成的多核CPU設(shè)計方案，獨立或集成的基帶處理芯片負責GSM/TD-SCDMA/TD-LTE系統(tǒng)物理層算法及高層協(xié)議的處理；射頻芯片負責射頻信號和基帶信號之間的相互轉(zhuǎn)換。

圖1　TD-SCDMA/TD-LTE干擾分析儀體系結(jié)構(gòu)框圖

射頻前端的SAW濾波器負責TDD系統(tǒng)接收通道的射頻信號濾波；雙工器負責FDD系統(tǒng)的雙工切換以及接收/發(fā)送通道的射頻信號濾波；功放負責發(fā)射通道的射頻信號放大；開關(guān)負責接收通道和發(fā)射通道之間的相互轉(zhuǎn)換。

天線系統(tǒng)則負責射頻信號和電磁信號之間的互相轉(zhuǎn)換，現(xiàn)網(wǎng)TD-LTE系統(tǒng)的基本配置是DL 2×2和UL 1×2，故模塊中天線配置為1發(fā)2收。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊連接在無線通信模塊、GPS模塊與主控模塊間用雙口RAM建立消息緩沖區(qū)，存儲區(qū)域的設(shè)計如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集模塊架構(gòu)圖

G區(qū)域：用于存放全局變量、全局配置等信息。

TI/RI區(qū)域：TI區(qū)用于傳送主控CPU向無線通信模塊和GPS模塊發(fā)送的中斷指令，由主控模塊寫入，功能模塊執(zhí)行完中斷后清0，RI區(qū)則相反。TI/RI區(qū)指令采用“中斷指令+附加信息碼”結(jié)構(gòu)，命令碼用于解釋中斷發(fā)出的原因，附加信息用于進一步確定中斷含義，包含“起始地址”存放需要發(fā)送數(shù)據(jù)的起始偏移地址，“消息長度”存放需要發(fā)送信令消息的長度。

TD/RD區(qū)：TD區(qū)存放主控模塊向無線通信模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，RD區(qū)則存放無線通信模塊向主控模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)。兩區(qū)域存放結(jié)構(gòu)S設(shè)計為“R位+幀數(shù)據(jù)”。R位標識若被置為1，表示該幀數(shù)據(jù)可以發(fā)送了，主控/無線通信模塊接收幀數(shù)據(jù)后將R位置0。

GPS區(qū)域：存放GPS模塊向主控模塊發(fā)送的GPS數(shù)據(jù)，存放結(jié)構(gòu)、工作方式與TD/RD區(qū)相同。

各模塊可以隨時向雙口RAM存儲單元讀寫數(shù)據(jù)，進程間相互獨立，不需相互等待。

2.1.3 消息解碼模塊

具體包括TD-SCDMA/TD-LTE空口和GPS數(shù)據(jù)解析模塊，通過消息數(shù)據(jù)解碼動態(tài)鏈接庫對接收到的消息解碼。解碼函數(shù)寫在動態(tài)鏈接庫中，各動態(tài)鏈接庫函數(shù)編寫完成后，解碼模塊中的各個動態(tài)鏈接庫共同合成消息解碼模塊，通過主控程序調(diào)用此動態(tài)鏈接庫達到解碼功能，消息數(shù)據(jù)解碼后按規(guī)定格式輸出。

2.1.4 統(tǒng)計分析模塊

根據(jù)解碼消息提供的小區(qū)測量參數(shù)，通過消息統(tǒng)計分析動態(tài)鏈接庫計算現(xiàn)有配置下的鄰區(qū)干擾情況，并通過輪詢算法估算所有可能配置方案的干擾值大小，選擇其中最小干擾值的參數(shù)配置方案推薦給用戶。

對TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計分析步驟如下：

步驟1：若A小區(qū)為需要進行干擾測量和參數(shù)調(diào)整的目標小區(qū)，首先需要劃定范圍，即將A小區(qū)的主覆蓋區(qū)域劃為優(yōu)化區(qū)域，并劃定周圍的1～2層小區(qū)為保護帶區(qū)域。

步驟2：在A小區(qū)主覆蓋范圍內(nèi)進行遍歷性拉網(wǎng)測試，測試過程中需注意重復率、滲透率、車速有一定要求：一般路測要求重復率小于30%，指100 km重復路線不超30 km；滲透率需達到85%以上；車速保持在20～30 km/h。

步驟3：計算保護帶內(nèi)鄰小區(qū)與A小區(qū)的相關(guān)性干擾，計算方式如下：

其中：S(A)為周邊鄰區(qū)對服務(wù)小區(qū)A產(chǎn)生的干擾值之和，Bi為A的周邊鄰區(qū)，Xi為Bi與A小區(qū)擾碼間的相關(guān)系數(shù)，P(A,Bi)指A作為服務(wù)小區(qū)樣本點中，Bi出現(xiàn)的與A小區(qū)差值小區(qū)6 dB（或9 dB，可設(shè)置）的樣本點比例，取值范圍（0,1）。

步驟4：頻點擾碼優(yōu)化。保護帶內(nèi)鄰小區(qū)的頻點擾碼不變，對于A小區(qū)先進行頻點規(guī)劃、再進行擾碼規(guī)劃。

頻點選擇：錯開強相關(guān)性小區(qū)的頻點，即錯開P(A,Bi)高的Bi的主頻點，Bi范圍可按需要設(shè)置為3～6個。現(xiàn)網(wǎng)中，若某一區(qū)域測量到有3個及以上的主頻點信號強度差值在6 dB內(nèi)，即視為超重疊覆蓋，即需進行優(yōu)化調(diào)整。

擾碼推薦：由于Bi作為保護帶，其頻點、擾碼不變，故可輪詢12擾碼組為A小區(qū)擾碼賦值，得到12個Xi值，依次代入步驟3公式中遍歷計算出Si(A)，將Si(A)中最小值對應(yīng)的擾碼組推薦給用戶。

若需對多個小區(qū)進行干擾分析和參數(shù)規(guī)劃，則采用基因算法對步驟3進行迭代計算。即完成步驟1、2的路測后，首先將A1作為目標區(qū)域，經(jīng)步驟3、4計算得到A1小區(qū)的最優(yōu)頻點擾碼配置，該參數(shù)配置固定下來，作為保護帶參數(shù)代入A2小區(qū)的計算中，同理計算出所有目標小區(qū)的參數(shù)配置。

TD-LTE系統(tǒng)是同頻組網(wǎng)，故只需考慮PCI的規(guī)劃，同站的一個小區(qū)若需要進行PCI修改，另外兩個小區(qū)亦需要隨之修改，其分析步驟如下。

步驟1：若A1小區(qū)為需要進行測量干擾值與進行調(diào)整的小區(qū)的話，需要首先將A站主覆蓋區(qū)域作為優(yōu)化區(qū)域，并劃定周圍的1～2層小區(qū)為保護帶。

步驟2：在A站覆蓋范圍內(nèi)進行遍歷性拉網(wǎng)測試，測試過程中需注意重復率、滲透率、車速有一定要求：一般路測要求重復率小于30%，指100 km重復路線不超30 km；滲透率需達到85%以上；車速保持在20～30 km/h。

步驟3：計算保護帶內(nèi)鄰小區(qū)與A1小區(qū)的相關(guān)性干擾，計算方式如下：

其中：Bi是A1的Mod 3值相同鄰小區(qū)，S(A1)為周邊Mod 3鄰區(qū)對服務(wù)小區(qū)A1產(chǎn)生的Mod 3干擾值，P(A1,Bi)指A1作為服務(wù)小區(qū)樣本點中，Bi出現(xiàn)的與A小區(qū)差值小區(qū)6 dB（或9 dB，可設(shè)置）的樣本點比例，取值范圍（0,1）。

步驟4：遍歷性計算最小Mod 3干擾的PCI配置方案。

單站干擾的計算公式如下：

如表1中按方案1～6遍歷性計算S(A)最小值，選擇最小干擾值的PCI分配方案推薦給用戶。

當優(yōu)化區(qū)域內(nèi)有n個基站（假設(shè)都為3小區(qū)的宏站，小區(qū)數(shù)為3 n）時通過遍歷計算方式得到的優(yōu)化方案為6 n個。由于計算量以級數(shù)增長，所以建議每次選擇優(yōu)化區(qū)域不宜過大，基站數(shù)量不宜過多。

2.1.5 其它模塊

GPS模塊：負責GPS定位與GPS同步功能，GPS定位指采集經(jīng)緯度、海拔高度等位置信息；GPS同步則是通過GPS衛(wèi)星獲得本地精確時鐘信息，完成設(shè)備時鐘同GPS時鐘同步。

數(shù)據(jù)存儲模塊：將采集到的消息數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為LOG文件保存到磁盤上，便于事后數(shù)據(jù)回放離線分析。

主控模塊：實現(xiàn)人機對話的窗口，是對其它功能模塊的控制實體。主控模塊根據(jù)用戶的操作指令調(diào)用其它功能模塊進行業(yè)務(wù)測試，完成各線程的調(diào)度，如無線參數(shù)與信令采集，消息數(shù)據(jù)的管理，消息解碼、統(tǒng)計、分析處理，數(shù)據(jù)存儲等，最后將運算結(jié)果通過顯示進程反饋給用戶。

2.2 多線程調(diào)度

表1　遍歷性計算MOD3干擾方案例表

為了最大限度的減少信令信號在實時解碼、界面展示、統(tǒng)計分析并行時和系統(tǒng)可能出現(xiàn)的性能瓶頸問題，本發(fā)明采取多線程結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)干擾分析儀各模塊之間的協(xié)作關(guān)系，主要線程包括數(shù)據(jù)采集線程、數(shù)據(jù)存盤線程、消息解碼線程、統(tǒng)計分析線程和結(jié)果顯示線程，各線程之間的關(guān)系如圖3所示。

2.2.1 數(shù)據(jù)采集線程

數(shù)據(jù)采集線程負責從測試硬件接收數(shù)據(jù)，并把接收到的消息數(shù)據(jù)以“SD-PDU數(shù)據(jù)部分+首信元頭部+時間標簽+消息長度”格式存放到消息緩沖區(qū)。為了在高速率時分組不丟失，該線程設(shè)置為高優(yōu)先級。

其中“消息長度”字段表示“SD-PDU數(shù)據(jù)部分”加上“首信元頭部”的長度，單位為字節(jié)；“時間標簽”表示收到消息的時間，精確到毫秒；“SDPDU數(shù)據(jù)部分”表示收到的實際信令消息數(shù)據(jù)，存儲的是字節(jié)數(shù)。

2.2.2 消息解碼線程

解碼線程解出原始信令消息中的消息編號、偏移地址、時間標簽、經(jīng)緯度與小區(qū)測量參數(shù)，存入解碼結(jié)果緩沖區(qū)，解碼后的數(shù)據(jù)格式如圖4所示，圖中的數(shù)字表示該字段所占的字節(jié)數(shù)，其中小區(qū)測量參數(shù)又包含小區(qū)編號、CI、頻點、CPI/PCI、電平值等信息，規(guī)定如下。

圖3　多線程關(guān)系圖

（1）小區(qū)編號：1代表服務(wù)小區(qū)，2-N代表鄰小區(qū)。

（2）頻點：目前現(xiàn)網(wǎng)TDSCDMA系統(tǒng)頻點集合由A頻段(2010～2025 MHz)的9頻點(若經(jīng)過頻點壓縮，則是10頻點)和F頻段(1900～1915 MHz)6頻點組成。目前TD-LTE現(xiàn)網(wǎng)頻點有F頻段(1880～ 1900 MHz)，D頻段和E頻段。

（3）PCI/CPI：該項中TD-SCDMA系統(tǒng)對應(yīng)的是擾碼，取值范圍0～127，TD-LTE系統(tǒng)對應(yīng)的則是PCI碼，取值范圍在0～503。

（4）電平值：該項中TD-SCDMA系統(tǒng)對應(yīng)的是主頻點接收信號碼功率(PCCPCH RSCP，PCCPCH Received Signal Code Power)，TD-LTE系統(tǒng)對應(yīng)的則是參考信號接收功率(RSRP，Reference Signal Receiving Power)。

2.2.3 統(tǒng)計分析與顯示線程

統(tǒng)計分析線程根據(jù)解碼后的小區(qū)測量參數(shù)，通過統(tǒng)計分析動態(tài)鏈接庫計算出現(xiàn)有配置的干擾值，并通過輪詢算法估算所有可能配置方案的干擾值大小，選擇其中最小干擾值的參數(shù)配置方案推薦給用戶。

圖4　解碼消息結(jié)構(gòu)

界面顯示線程負責通過事件觸發(fā)方式通知主程序顯示統(tǒng)計分析結(jié)果，首先判斷當前有沒有上報的統(tǒng)計消息，有則將統(tǒng)計結(jié)果發(fā)送至主程序界面顯示。

2.2.4 數(shù)據(jù)存儲線程

數(shù)據(jù)存儲線程負責在后臺把消息大緩沖區(qū)中的原始消息數(shù)據(jù)以LOG文件的形式存儲在磁盤中，以便減少測試時的系統(tǒng)內(nèi)存消耗，也為事后LOG回放和離線分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。由于磁盤操作相對于內(nèi)存操作反應(yīng)速度較慢，比較耗時，故采取后臺線程，即在后臺完成信令消息數(shù)據(jù)的存盤。由于干擾分析儀要保證能夠在連續(xù)現(xiàn)場測試中，完整采集大量的信號參數(shù)消息數(shù)據(jù)，如果都放在內(nèi)存中，勢必對系統(tǒng)性能造成影響。

2.2.5 線程的同步

由于采取多線程結(jié)構(gòu)，就必然考慮到線程同步問題，即各個線程何時被調(diào)度以及何時掛起。

（1）當數(shù)據(jù)采集線程向原始消息緩沖區(qū)寫消息數(shù)據(jù)時，由于寫入消息不完整，不應(yīng)該參與統(tǒng)計，此時不能啟動統(tǒng)計分析進程，而應(yīng)將其掛起。要參與統(tǒng)計的數(shù)據(jù)必須是一條完整的消息，當消息緩沖區(qū)有完整消息時，就以事件觸發(fā)的方式激活統(tǒng)計分析線程。

（2）當統(tǒng)計分析線程把計算結(jié)果輸入統(tǒng)計結(jié)果緩沖區(qū)中時，由于統(tǒng)計數(shù)據(jù)不完整，不應(yīng)該被顯示出來，此時掛起界面顯示線程。待統(tǒng)計結(jié)果緩沖區(qū)中有完整消息后，以事件觸發(fā)方式激活界面顯示線程，向用戶呈現(xiàn)統(tǒng)計消息。

（3）數(shù)據(jù)存儲線程在把消息數(shù)據(jù)存儲到磁盤時，應(yīng)該保證存儲的每條消息都是完整的，這就需要在原始消息緩沖區(qū)寫入消息不完整時，掛起數(shù)據(jù)存儲線程，消息數(shù)據(jù)完整后再激活數(shù)據(jù)存儲線程。同時還需保證沒有存盤的消息不能被新消息覆蓋。為了良好的可擴展性，粗解碼和界面顯示需相互獨立，詳細解碼線程的調(diào)用則在測試后的LOG數(shù)據(jù)離線分析中，根據(jù)用戶需求進行調(diào)度。

3　結(jié)束語

4G時代網(wǎng)絡(luò)覆蓋的優(yōu)劣決定網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量與用戶感知，降低干擾是覆蓋優(yōu)化的關(guān)鍵與難點所在，開發(fā)本文所述穩(wěn)定高效的多模干擾分析儀，有助于更好的估算干擾，評測無線環(huán)境，有利于進一步提升前臺的支撐和維護水平。

參考文獻

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Design on TD-SCDMA/TD-LTE internal interference analyzer

CHEN Jie

(China Mobile Group Yunnan Co., Ltd. Honghe Branch, Mengzi 661100, China)

Abstract TD-SCDMA and TD-LTE were the standards, which were adopted in layout of 3G/4G network by CMCC. Suppressing interference was an important index of TD networks construction and maintenance. Consequently, developing a TD-SCDMA/TD-LTE internal interference analyzer, whitch can evaluate the quality of coverage accurately, was able to support network optimization powerfully, had a great market and practical value.

Keywords TD-SCDMA; TD-LTE; interference analyzer

收稿日期：2014-10-28

文章編號1008-5599（2015）02-0029-06

文獻標識碼A

中圖分類號TN929.5