TD-SCDMA系統(tǒng)原理介紹 一 . 系統(tǒng)概述 二 .關(guān)鍵技術(shù) 三 . TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 四 . TD-SCDMA物理層簡介 什么是 TD-SCDMA TD SCDMA Time Division-Synchronization Code Division Multiple Access 是 ITU正式發(fā)布的第三代移動通信空間接口技術(shù)規(guī)范之一，它得到了 CWTS及 3GPP的全面支持 是中國電信百年來第一個完整的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是 UTRA FDD可替代的方案 是集 CDMA、 TDMA等 技術(shù)優(yōu)勢于一體、系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)的移動通信技術(shù) 它采用了智能天線、聯(lián)合檢測、同步 CDMA、多時隙、可變擴(kuò)頻系統(tǒng)、自適應(yīng)功率調(diào)整等技術(shù) TD-SCDMA發(fā)展歷程 1998年 6月正式向 ITU提交標(biāo)準(zhǔn)建議 1998年 11月赫爾辛基會議， TD成為ITU 3G候選方案 2000年 5月， TD成為國際第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)之一 2001年 3月， TD-SCDMA成為 3GPP標(biāo)準(zhǔn) R4 2000年 12月， TD- SCDMA論壇成立 2002年 10月 23日，信產(chǎn)部公布 3G頻率規(guī)劃 2002年 10月， TD 產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟成立 2003年 12月，空中接 口測試階段完成 2004年 3月，大唐發(fā)布了第一臺 TD終端預(yù)商用版本 2004年 10月， TD產(chǎn)業(yè)峰會，多廠家供貨環(huán)境形成 2004年 12月， TD國家專項試驗網(wǎng)啟動 2006年，規(guī)模試商用 第三代移動通信系統(tǒng)的多址方式 多址方式： CDMA成為主流 基本定型的技術(shù)：基于直接擴(kuò)頻 CDMA技術(shù) f Pwr/ Code t TDMA f t Pwr/ Code TDMA/CDMA f CDMA 第三代移動通信系統(tǒng)的雙工方式 雙工方式： 傳統(tǒng)的 FDD仍是主要的雙工方 TDD方式受到更大關(guān)注 TDD和 FDD 在第三代移動通信中必要的兩種雙工方式 FDD 適合于大區(qū)制的全國系統(tǒng) 適合于對稱業(yè)務(wù)，如話音、交互式實時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等 TD-SCDMA 尤其適合于高密度用戶地區(qū)：城市及近郊區(qū)的局部覆蓋 適合于對稱及不對稱的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如話音、實時數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、特別是互聯(lián)網(wǎng)方式的業(yè)務(wù) 能提供成本低廉的設(shè)備 TDD的優(yōu)點 頻譜靈活性：不需要成對的頻譜 在 2GHz以下已很難找到成對的頻譜 上下行使用相同頻率，上下行鏈路的傳播特性相同，利于使用智能天線等新技術(shù) 支持不對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：根據(jù)上下行業(yè)務(wù)量來自適應(yīng)調(diào)整上下行時隙個數(shù) FDD系統(tǒng)一建立通信就將分配到一對頻率以分別支持上下行業(yè)務(wù)。在不對稱業(yè)務(wù)中，頻率利用率顯著降低 FDD系統(tǒng)也可以用不同寬度的頻段來支持不對稱業(yè)務(wù)，但： 頻段相對固定，不可能靈活使用 成本低：無收發(fā)隔離的要求，可以使用單片 IC來實現(xiàn) RF收發(fā)信機(jī) 5ms 1上行時隙和 6下行時隙 用于文件 下載 ,internet瀏覽等 (適用于下行數(shù)據(jù)流量大 ) 可達(dá) 2Mbit/s傳輸速率 5ms 5ms 對稱結(jié)構(gòu) (適用于語音呼叫 等 ) 6上行時隙 /1下行時隙 (文件 上傳等 ) 靈活分配上下行話務(wù)信道 TDD雙工方式問題及解決方法 峰值 /平均發(fā)射功率之比隨時隙數(shù)增加而增加 TDD系統(tǒng)對峰值 /平均發(fā)射功率比有一定要求 ,此比值隨時隙數(shù)增加而增加 因 CDMA要求線性工作，對發(fā)射功率和功率放大器要求較高 TD-SCDMA使用智能天線，基站接受靈敏度增加 9dB，故仍然可能使用低發(fā)射功率達(dá)到較遠(yuǎn)通信距離 總的說來， 在使用相同發(fā)射功率級別的手持機(jī)條件下 ， TD-SCDMA的通信距離比 WCDMA要大 通信距離 (小區(qū)半徑 )主要受電波傳播的時延所限制。對于 TD-SCDMA系統(tǒng)， 典型小區(qū)半徑設(shè)置在 11公里，這主要出于人口密集地區(qū)設(shè)置考慮。如果允許犧牲 15%的容量，小區(qū)半徑可達(dá)到 40-50公里 。 ITU要求 TDD系統(tǒng)支持終端移動 速度為 120km/h。但仿真試驗結(jié)果表明在目前的芯片及算法條件下，可高于該值。 最多可達(dá)16個碼道 對同一無線信道的多用戶同時訪問 根據(jù)用戶需求進(jìn)行容量分配 每個 CDMA用戶和所有使用同一無線信道和時隙的用戶都發(fā)生干擾（多址干擾） TD-SCDMA特性 TD-SCDMA W-CDMA/CDMA2000 空中接口 TDD FDD 模式 55 + 100 MHz （ 60 +30） 2 MHz 頻段 1.6 MHz 5/1.25 MHz 射頻帶寬 無需使用成對的頻段，任何頻段都可用于 TD-SCDMA 中國頻率資源分配 1920 1980 2010 2025 衛(wèi)星 空 30 2110 2170 1880 85 2200 2300 2400 30 100 TDD 40 15 TDD 100 TDD 空 衛(wèi)星 1785 1850 1805 1755 DCS SCDMA 60 60 FDD (上行 ) FDD (下行 ) FDD (下行 ) FDD (上行 ) 30 30 20 45 TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)概況 多址接入方式： DS-CDMA/TDMA/SDMA 碼片速率 :1.28Mcps(WCDMA的 1/3) 雙工方式： TDD 載頻寬度： 1.6M Hz 擴(kuò)頻技術(shù)： OVSF 調(diào)制方式： QPSK,8PSK 編碼方式：卷積編碼， Turbo編碼 功率控制： 200次 /秒 TD-SCDMA主要優(yōu)勢 能在現(xiàn)有的 GSM網(wǎng)絡(luò)上迅速而直接部署 突出的頻譜利用率：比其它 3G標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有設(shè)備高一倍 無需使用成對的頻段 較好的抗干擾性，特別是抑制碼間干擾 靈活、自適應(yīng)的上下行業(yè)務(wù)分配，特別適合各種變化的不對稱業(yè)務(wù) (如無線因特網(wǎng) ) 系統(tǒng)成本低 TD-SCDMA的缺點 TD-SCDMA系統(tǒng)要精確定時，才能保持同步 TDD需要保護(hù)時隙，限制了小區(qū)覆蓋半徑 受功率控制和信道估計的限制， UE最高 120km/h 不支持軟切換和更軟切換，減少由此帶來的處理增益 TD-SCDMA相對于其它兩大 3G標(biāo)準(zhǔn)，發(fā)展滯后，尚未商用 一 . 系統(tǒng)概述 二 .關(guān)鍵技術(shù) 三 . TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 四 . TD-SCDMA物理層簡介 TD-SCDMA 的關(guān)鍵技術(shù) 智能天線 軟件無線電 上行同步 聯(lián)合檢測 動態(tài)信道分配 接力切換 (.) 5 4 2 1 3 6 智能天線 使用智能天線 . 能量僅指向小區(qū)內(nèi)處于激活狀態(tài)的移動終端 正在通信的移動終端在整個小區(qū)內(nèi)處于受跟蹤狀態(tài) 不使用智能天線 . 能量分布于整個小區(qū)內(nèi) 所有小區(qū)內(nèi)的移動終端均相互干擾，此干擾是CDMA容量限制的主要原因 智能天線的優(yōu)勢 減少小區(qū)間干擾 降低多徑干擾 基于每一用戶的信噪比得以增加 降低發(fā)射功率 提高接收靈敏度 增加了容量及小區(qū)覆蓋半徑 定位用戶位置 智能天線 FDD方式：由于上、下行鏈路信號傳播的無線環(huán)境受頻率選擇性衰落影響不相同，所以根據(jù)上行鏈路計算得到的權(quán)值不能直接應(yīng)用于下行鏈路 TDD方式：上、下行鏈路使用相同頻率傳輸信號，且間隔時間短，鏈路無線傳播環(huán)境差異不大，可以使用相同權(quán)值 TDD方式更能夠體現(xiàn)智能天線的優(yōu)勢 TDD方式 FDD方式 智能天線 TD-SCDMA全向碼道和賦形碼道 兩種賦形波束 得到小區(qū)覆蓋的全向波束 針對用戶終端的賦形波束 BCH/DwPTS必須使用全向波束，覆蓋整個小區(qū)，在幀結(jié)構(gòu)中使用專門時隙 業(yè)務(wù)碼道通常使用賦形波束，只覆蓋個別用戶 GP DwPTS UpPTS BCH TS5 TS4 TS0 TS2 TS1 TS3 TS6 軟件無線電 用軟件處理基帶信號 硬件平臺：高速（ A/D）變換 數(shù)字信號處理（ DSP） RF 收 發(fā) 信 機(jī) A/D D/A 基帶 處理器 MCU 話音編 譯碼器 人機(jī)界面 DSP 軟件無線電的優(yōu)勢 軟件無線電技術(shù)利用統(tǒng)一的硬件平臺，使用不同的軟件，來適應(yīng)不同的工作模式。它可以方便的通過軟件編程改變算法，無需更新硬件，適應(yīng)不同的業(yè)務(wù)要求。 系統(tǒng)增加功能通過軟件升級來實現(xiàn) 減少設(shè)備費用支出 可支持多種通信體制并存 便于標(biāo)準(zhǔn)升級和新技術(shù)的運用 CDMA上行 同步 定義 上行鏈路各終端信號在基站解調(diào)器完全同步 優(yōu)點 CDMA碼道正交 降低碼道間干擾 提高 CDMA容量 簡化硬件，降低成本 t 基站解調(diào)器 碼道 1 碼道 2 碼道 N CDMA上行 同步 上行同步技術(shù) 同步的建立 在隨機(jī)接入時建立 依靠 BTS接收到的 SYNC1 立即在下一個下行幀 SS位置進(jìn)行閉環(huán)控制 同步的保持 在每一上行幀檢測 Midamble 立即在下一個下行幀 SS位置進(jìn)行閉環(huán)控制 出現(xiàn)失步的可能性 有限小區(qū)半徑 (取決于 G的寬度，可能超過10km) 比較寬的容許范圍 (+/- 4 chips) 失步后執(zhí)行鏈路重建 SS 上行業(yè)務(wù)時隙 (BTS要求 ) Midamble 隨機(jī)接入 SYNC1 ss UpPTS UE的上行突發(fā) 聯(lián)合檢測 聯(lián)合檢測作用 避免多址干擾 相對擴(kuò)大檢測動態(tài)范圍 小區(qū)內(nèi)干擾最小化 聯(lián)合檢測原理 特定的空中接口“突發(fā)”結(jié)構(gòu)允許收信機(jī)對無線信道進(jìn)行信道估計 根據(jù)估計的無線信道，對所有信號同時進(jìn)行檢測 從復(fù)合信號中減去其他信道的信號來獲得每一個信道的信號 聯(lián)合檢測 由于無線移動信道的時變性和多徑效應(yīng)影響，使得數(shù)據(jù)之間存在干擾 符號間干擾（ ISI） 碼間干擾（ MAI） 通過數(shù)據(jù)符號間、碼間的相關(guān)性在多個用戶中檢測、提取出所需的信號，消除 ISI和 MAI 聯(lián)合檢測的實現(xiàn) 碼間干擾（ MAI）是 CDMA系統(tǒng)中的主要干擾 在傳統(tǒng)的 CDMA系統(tǒng)信號分離方法中，把 MAI看作熱噪聲 聯(lián)合檢測 充分利用 MAI中的先驗信息，如： 已知的用戶信道碼 已知的訓(xùn)練序列 將非目標(biāo)用戶信息從 MAI中濾除，進(jìn)而可有效地提取 目標(biāo)用戶信息。 如果每時隙只有 1 個用戶信號 , 聯(lián)合檢測 (JD) 不是有效的 在同步 CDMA模式下 ,多個用戶共享每個時隙 ,聯(lián)合檢測是有效的 通過聯(lián)合檢測的 MAI計算矩陣 , 去除多用戶干擾 結(jié)論：通過去除 MAI增加了 CDMA的容量 通過去除 MAI, 對多用戶信號檢測動態(tài)范圍達(dá) 20 dB，無需快速功率控制 實現(xiàn)機(jī)理 聯(lián)合檢測的優(yōu)缺點 聯(lián)合檢測易于實現(xiàn)： 每時隙內(nèi)碼道少短擾碼上行同步小運算量 聯(lián)合檢測的優(yōu)點： 降低干擾，擴(kuò)大容量，降低功控要求，削弱遠(yuǎn)近效應(yīng) 聯(lián)合檢測的缺點： 大大增加系統(tǒng)復(fù)雜度、增加系統(tǒng)處理時延、需要要消耗一定的資源 智能天線聯(lián)合檢測 智能天線的主要作用： 降低多址干擾，提高 CDMA系統(tǒng)容量 增加接收靈敏度和發(fā)射 EIRP 智能天線所不能克服的問題 時延超過碼片寬度的多徑干擾 多普勒效益 (高速移動 ) 因而，在移動通信系統(tǒng)中，智能天線必須和其它信號處理技術(shù)同時使用 聯(lián)合檢測： 基于訓(xùn)練序列的信道估值 同時處理多碼道的干擾抵消 理論上 ， 聯(lián)合檢測和智能天線相結(jié)合技術(shù)，可以完全抵消 MAI的影響，大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力和容量 動態(tài)信道分配（ DCA）：在終端接入和鏈路持續(xù)期間，根據(jù)多小區(qū)之 間的干擾情況和本小區(qū)內(nèi)的干擾情況，進(jìn)行信道的分配和調(diào)整，增 加了系統(tǒng)的總?cè)萘俊?在 TD-SCDMA系統(tǒng)中，信道的定義包括： 載頻 - 頻域 擴(kuò)頻碼 碼域 時隙 - 時域 波束 - 空域 16code can be used time code frequency 動態(tài)信道分配 動態(tài)信道分配的方法 頻域 DCA 頻域 DCA中每一小區(qū)使用多個無線信道 (頻道 )， 激活用戶分配在不同的載波上，從而減小用戶之間的干擾 時域 DCA 在一個 TD-SCDMA 載頻上，使用 7個時隙減少了每個時隙中同時處于激活狀態(tài)的用戶數(shù)量 每載頻多時隙，可以將受干擾最小的時隙動態(tài)分配給處于激活狀態(tài)的用戶 碼域 DCA 在同一個時隙中，通過改變分配的碼道來避免偶然出現(xiàn)的碼道質(zhì)量惡化 空域 DCA 通過智能天線，可基于每一用戶進(jìn)行定向波束賦形 (降低多址干擾 ) 下述幾種 DCA方法全面降低了相應(yīng)的小區(qū)間干擾，從而使頻譜利用率得以優(yōu)化 動態(tài)信道分配的組成 慢速 DCA（把資源分配到小區(qū)） 根據(jù)小區(qū)中各個時隙當(dāng)前的負(fù)荷情況對各個時隙的優(yōu)先級進(jìn)行排隊，為接入控制提供選擇時隙的依據(jù)。 接納控制 當(dāng)一個新的呼叫到來時， DCA首先選擇一個優(yōu)先級最高的時隙，能否在該時隙為新呼叫分配資源。在選擇時隙的過程中，如果沒有單獨的時隙能夠提供新呼叫所需要的資源， DCA將試圖進(jìn)行資源整合，從而為新呼叫騰出一定的資源（包括碼資源、功率資源）。 快速 DCA（為業(yè)務(wù)分配資源） 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷出現(xiàn)擁塞或鏈路質(zhì)量發(fā)生惡化時， RRM中的其他模塊（如 LCC、 RLS）會觸發(fā) DCA進(jìn)行信道調(diào)整。它的功能主要是有選擇的把一些用戶從負(fù)荷較重（或鏈路質(zhì)量較差）的時隙調(diào)整到負(fù)荷較輕（或鏈路質(zhì)量較好）的時隙。 硬切換 在早期的頻分多址 （ FDMA） 和時分多址（ TDMA） 移動通信系統(tǒng)中采用這種越區(qū)切換方法 當(dāng)用戶終端從一個小區(qū)或扇區(qū)切換到另一個小區(qū)或扇區(qū)時 ， 先中斷與原基站的通信 ， 然后再改變載波頻率與新的基站建立通信 。 硬切換技術(shù)在其切換過程中有可能丟失信息 。 Node BsourceNode BtargetUE RNCU E 搜 索 鄰 小 區(qū)中的所有基站切換判決切換指令無線鏈路失敗無線鏈路同步建立建立業(yè)務(wù)連接，恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸刪除無線鏈路無線鏈路業(yè)務(wù)連接停止發(fā)射和接收信號發(fā)現(xiàn)目標(biāo)基站，測量報告，切換請求硬切換流程 軟切換 在美國 Qualcomm公司九十年代發(fā)明的碼分多址（ CDMA） 移動通信系統(tǒng)中采用這種越區(qū)切換方法 當(dāng)用戶終端從一個小區(qū)或扇區(qū)移動到另一個具有相同載頻的小區(qū)或扇區(qū)時，在保持與原基站通信的同時，和新基站也建立起通信連接，與兩個基站之間傳輸相同的信息，完成切換之后才中斷與原基站的通信。 優(yōu)點：軟切換過程不丟失信息，不中斷通信。 缺點：其一解決了終端在相同頻率的小區(qū)或扇區(qū)間切換的問題；其二軟切換的基礎(chǔ)是宏分集，但在 IS-95中宏分集占用了 50的下行容量，因此軟切換實現(xiàn)的增加系統(tǒng)容量被它本身所占用的系統(tǒng)容量所抵消。 軟切換流程 Node BactiveNode BmonitoredUE RNCU E 搜索本小區(qū)和鄰小區(qū)中所有基站切換判決激活集更新指令刪除無線鏈路無線鏈路同步建立建立無線鏈路業(yè)務(wù)連接無線鏈路業(yè)務(wù)連接激活集更新完畢停止發(fā)射和接收信號測量報告接力切換的概念 接力切換適用于同步 CDMA移動通信系統(tǒng)，是 TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。 設(shè)計思想： 當(dāng)用戶終端從一個小區(qū)或扇區(qū)移動到另一個小區(qū)或扇區(qū)時， 利用智能天線和上行同步等技術(shù)對 UE的方位和距離進(jìn)行定位，根據(jù) UE方位和距離信息作為切換的輔助信息，如果 UE進(jìn)入切換區(qū)，則 RNC通知另一基站做好切換的準(zhǔn)備，從而達(dá)到快速、可靠和高效切換的目的。 優(yōu)點： 將軟切換的高成功率和硬切換的高信道利用率綜合到接力切換中 ，該方法可以在不同載頻的基站之間使用，甚至在 TD-SCDMA系統(tǒng)與其他移動通信系統(tǒng)如 GSM、 IS95的基站之間實現(xiàn)不中斷通信、不丟失信息的越區(qū)切換。 Node B source Node B target UE RNC UE定位信息 鄰小區(qū)列表，所有基站信息 UE搜索鄰小區(qū)中的所有基站 建立同步 切換判決 切換指令 發(fā)現(xiàn)目標(biāo)基站，測量報告，切換請求 確認(rèn)切換完成 刪除無線鏈路 停止發(fā)射和接收 信號 無線鏈路業(yè)務(wù)連接 同步保持 接力切換流程 接力切換的實現(xiàn) MS和 NB1通信 NB1通知鄰近 NB2, 提供用戶位置信息 基站類型、載頻、定時等 切換準(zhǔn)備 MS搜索 NB2 ， 建立同步 MS或 NB2發(fā)起切換請求 系統(tǒng)決定切換執(zhí)行 MS與 NB1斷開，與 NB2建立通信 完成切換 NB1 NB2 MS 三種切換技術(shù)比較 高切換成功率 高資源利用率 一 . 系統(tǒng)概述 二 .關(guān)鍵技術(shù) 三 . TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 四 . TD-SCDMA物理層簡介 TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) UE UE Uu