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，TD-SCDMA系統是全網同步系統，要求所有基站之間嚴格保持時間同步，小區間切換、漫游等都需要精確的時間控制，因此同步問題對于TD-SCDMA通信系統的重要性不言而喻。由于缺乏先進的網絡同步技術，TD-SCDMA基站普遍采用全球定位系統(GPS)同步[1-14]。目前TD-SCDMA網絡中，由于一些原因，基站無法收到GPS衛星信號，同步失效的現象。
(1)GPS信號收到外界的干擾
GPS工作頻段為1 575 MHz，由于GPS信號從衛星發射到地面之后，已經非常微弱，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，接收機接收衛星的信號質量會變差，信噪比降低，誤碼率上升，某些時候就會導致接收不到衛星信號。
(2)工程施工原因
在現實大規模建站時，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定時偏差，定時偏差過大將影響手機鄰區搜索、小區切換、下行導引時隙(DwPTS)對上行導引時隙(UpPTS)干擾和業務時隙交叉。這些將進一步影響網絡質量，造成切換失敗、切換掉話、呼通率下降，嚴重影響用戶在網絡中感受。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絡性能和質量的影響，從而確定TD-SCDMA系統能夠容忍的 GPS失步的定時偏差，進一步為選擇替代GPS同步系統的方案提供依據。
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、終端和系統的實現方式分析，GPS失步主要在3個方面造成對系統的影響。
(1)切換及小區重選相關的鄰區測量(或鄰區搜索)
用戶終端(UE)在正常狀態下，都需要以當前小區DwPTS的定時為基準進行鄰區DwPTS搜索，如果相鄰小區定時偏差過大，則UE無法在 DwPTS搜索窗內搜索到臨小區的DwPTS，或者即使可以搜到鄰區但搜索到得鄰區主公共控制信道(PCCPCH)信號差，信干比(SIR)低，嚴重影響網絡的關鍵參數指標(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(終端在專用信道發送特殊的突發數據，基站收到后確認，表示上行同步成功，然后基站發送特殊的突發數據，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系統中電路交換域64k可視電話業務(CS64k)業務的覆蓋最小，因此UpPTS業務信道的覆蓋至少要保證和CS64k同覆蓋)，影響單小區邊緣用戶的上行接入，但是在實際網絡中由于PCCPCH接受信號碼功率(RSCP)小于-95 dBm的區域所占的比例極少，因此對呼通率的影響相對較小。
(3)業務時隙的交叉干擾
TD-CDMA系統的每個時隙末尾有一個16 chip
在TD-SCDMA中，每個業務時隙的864個chip長度，因此GPS失步造成的交叉時隙在業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失步對網絡性能和質量的影響，我們在真實網絡環境中進行測試驗證。
(1)測試環境的選擇
在真實網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定
小區模擬加載規定：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失步基站小區的鄰區搜索測試
GPS失步基站小區的UpPTS干擾變化測試
GPS失步基站小區的鄰小區業務時隙干擾測試
網絡的KPI性能測試
(b)基站GPS定時向后偏差
GPS失步基站小區的鄰區搜索測試
GPS失步基站小區的鄰小區UpPTS干擾變化測試
GPS失步基站小區的業務時隙干擾測試
網絡的KPI性能測試
3 測試數據分析
3.1 GPS失步基站小區的鄰區搜索測試數據分析
GPS失步基站小區的鄰區搜索測試數據分析(對應測試用例GPS失步基站小區的鄰區搜索測試、GPS失步基站小區的UpPTS干擾變化測試)。在 GPS失步基站小區中選擇PCCPCH_RSCP為-65 dBm～-75 dBm的測試點，選擇該小區的其中一個鄰小區作為觀察對象，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PCCPCH_RSCP值隨著偏移值的增大都呈現從大到小的趨勢，表明終端對鄰小區信號強度的測量出現了誤差，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造成影響的最大允許臨界值。
3.2 UpPTS的干擾變化測試數據分析
GPS失步基站小區和鄰小區的UpPTS的干擾變化測試數據分析(對應測試用例GPS失步基站小區的UpPTS干擾變化測試、GPS失步基站小區的鄰小區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的DwPTS干擾GPS失步基站小區的 UpPTS；GPS失步基站向后偏移失步，GPS失步基站小區的DwPTS干擾除GPS失步基站外的其他基站小區的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業務的覆蓋，此時將不滿足TD-SCDMA系統的網絡規劃原則。從本文測試結果看，GPS偏移16 chip內，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受到干擾不滿足網絡規劃原則的最大臨界值。
3.3 業務時隙干擾的測試數據分析
GPS失步基站小區和鄰小區的業務時隙干擾的測試數據分析(對應測試用例GPS失步基站小區的鄰小區業務時隙干擾測試和GPS失步基站小區的業務時隙干擾測試)。測試中，小區的業務時隙配置為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失步基站小區的下行時隙3干擾除GPS失步基站外的其他基站小區的上行時隙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的下行時隙3干擾GPS失步基站小區的上行時隙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絡環境的業務量。在此前提下進行被干擾上行時隙2的業務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 網絡KPI性能測試數據分析
網絡KPI性能測試數據分析(對應測試用例網絡的KPI性能測試和網絡的KPI性能測試)。在實際網絡中，我們進行了CS12.2k業務的網絡 KPI測試，兩個終端手機，CS12.2k呼叫保持2 min，掛斷間隔15 s，起呼次數不小于50次，切換次數不小于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，影響網絡KPI指標。
(2)GPS偏移4 chip內的切換成功率在98%以上，可以保證正常網絡的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測量(搜索)，UpPTS時隙干擾，業務時隙交叉干擾和網絡KPI性能指標影響中，對網絡KPI的影響最大。終端鄰區測量(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，網絡KPI允許的最大的失步偏移量為4 chip。
(2)3GPP協議25.123[15]規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)，測試結果和協議表現為一致性。
(3)目前TD-SCDMA時間同步完全依賴于美國GPS系統實現，存在一定的安全隱患，中國的CDMA網絡，曾經因為美國GPS未授時，出現過癱瘓事件，為此TD-SCDMA系統尋求GPS同步系統的替代同步系統顯得尤為必要，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。
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作者介紹：
姬舒平，哈爾濱工業大學博士畢業，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TD-SCDMA的無線技術研究，已發表文章30余篇，擁有專利3個。
劉志堅，大連輕工業學院畢業，現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，上海工業大學畢業，現工作于中興通訊股份有限公司，主管TD-SCDMA產品系統測試工作，已發表文章5篇，擁有專利5個。