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1、第3章 TD-SCDMA技术,本章内容,TD-SCDMA物理层规范 TD-SCDMA关键技术 TD-SCDMA无线网络规划内容与特点,本章重点,TD-SCDMA物理层规范 TD-SCDMA关键技术 TD-SCDMA无线网络规划,学习本章目的和要求,了解TD-SCDMA物理层规范 熟悉并掌握TD-SCDMA关键技术 了解TD-SCDMA无线网络规划的内容与特点,3.1 TD-SCDMA物理层规范,3.1.1 TD-SCDMA技术概述3.1.2 帧结构及映射,3.1.1 TD-SCDMA技术概述,1TD-SCDMA技术的主要特点,低码片速率为1.28Mchip/s（单载波带宽1.6MHz）；抗干扰
2、性强；采用了联合检测，智能天线，上行同步等新技术；适合软件无线电的应用；采用DS-CDMA技术，采用TDMA和CDMA多址方式。,有利于频谱的有效利用,（1）TD-SCDMA技术的优点,图3-1 多址特点：TDMA，CDMA,更适合于不对称业务,图3-2 上下行业务,上、下行链路中具有对称信道特性 设备成本低,移动速度与覆盖问题 基站的同步问题 干扰问题,（2）TD-SCDMA技术的缺点,载波间隔/码片速率：1.6MHz/1.28Mchip/s（WCDMA的1/3）；小区重用模式：c=3（采用智能天线时c=1）；要求的最小带宽：5MHz（支持3个载波间隔）；操作模式：TDD；帧长度/时隙数：1
3、0ms（2个5ms子帧）/14时隙（每个子帧7个时隙）；,2基本参数,扩频因子：1/2/4/8/16；射频调制方式：QPSK，8PSK，16QAM（滚降因子0.22）；数据速率：8kbit/s384kbit/s2048kbit/s；对称和非对称数据业务模式；电路与分组交换；联合检测、智能天线、基于用户定位的Baton切换；多基站同步、多模的软件无线电；控制频率：0200次/秒；功率控制步长：13dB；同步控制精度：1/8码片宽度。,3.1.2 帧结构及映射,1帧结构,（1）子帧结构,图3-3 TD-SCDMA的物理信道信号格式,图3-4 TD-SCDMA子帧结构,图3-5 TD-SCDMA系统
4、常规时隙结构,突发结构中的训练序列，用于进行上下行信道估计、测量，如上行同步的保持以及功率测量等。每个小区一般使用1个基本的训练序列码。对这个周期性的基本码进行等长的循环移位（长度取决于同一时隙的用户数）又可以得到一系列的训练序列。同一时隙的不同用户将使用不同的训练序列位移。,（2）导频分配,图3-6 时隙内不同用户的训练序列码的生成,DwPTS时隙。,（3）同步时隙分配,图3-7 DwPTS的时隙结构,GP时隙。UpPTS时隙。,图3-8 UpPTS的时隙结构,在TD-SCDMA帧结构下，除时隙TS0必须分配给下行、时隙TS1必须分配给上行外，其他时隙的分配可以有DL/UL对称分配和DL/U
5、L不对称分配两种灵活的时隙分配模式。通过灵活配置上行及下行业务时隙的数量，可以方便地实现不同业务需求下的数据传送。图3-9所示中给出了一种上、下行业务时隙的对称配置方式，其中TS1，TS2，TS3被配置为上行业务时隙，TS4，TS5，TS6被配置为下行业务时隙，TS3与TS4之间为上行链路与下行链路的切换点。,（4）业务时隙分配,在上、下行业务时隙对称配置的方式下，上行链路与下行链路的数据传输速率对称，可适用于以话音业务为主的区域。图3-10所示给出了一种上、下行业务时隙非对称配置的方式，其中TS1，TS2被配置为上行业务时隙，TS3，TS4，TS5，TS6被配置为下行业务时隙，TS2与TS3
6、之间为上行链路与下行链路的切换点。在这样的时隙配置下，下行链路相比较于上行链路具有更高的数据传输速率，可适用于多媒体点播等以数据下载业务为主的区域。在对下行链路数据传输速率具有更高需求的业务中，还可以采用ULDL=15的配置。,图3-8 UpPTS的时隙结构,图3-9 上下行对称分配方式,2信道映射,（1）空中接口协议结构,图3-11 第三代移动通信系统空中接口协议结构,（b）所示）,从图3-11可以看出，物理层是空中接口的最底层，支持比特流在物理介质上的传输。物理层与数据链路层的MAC子层及网络层的RRC子层相连。物理层向MAC层提供不同的传输信道，传输信道定义了信息是如何在空中接口上传输的
7、。物理信道在物理层定义，物理层受RRC的控制。,物理层向高层提供数据传输服务，这些服务的接入是通过传输信道来实现的。为提供数据传输服务，物理层需要完成以下功能：传输信道前向纠错（FEC）编码和解码；切换测量和接力切换的执行；传输信道的复接和分接以及传输信道中码的组成；传输信道和物理信道中间码的映射；物理信道的调制扩频和解调解扩；频率跟踪和定时（码片、比特、时隙、子帧）同步，包括上行同步；,功率控制；随机接入过程；动态信道分配（DCA）；ODMA过程（选项）；物理信道的功率加权和合并；射频控制；差错检测；速率匹配（数据复接至DCH）；无线特性测试，包括FER，SIR，DOA，TA等；上下行波束赋
8、形（智能天线）；用户定位（智能天线）。,表3-1 传输信道到物理信道的映射,（2）传输信道与物理信道的映射关系,为了保证数据在无线链路上的可靠传输，物理层需要对来自MAC和高层的数据流进行编码/复用后发送。同时，物理层对接收自无线链路上的数据需要进行解码/解复用后，再传送给MAC和高层。到达编码/复用单元的数据以传送块集的形式，在每个传输时间间隔（TTI）传输一次。传输时间间隔从集合5ms，10ms，20ms，40ms，80ms中取值。,（3）传输信道编码/复用,编码/复用的步骤如下：给每个传输块加CRC（循环检测）；传输块级连/码块分段；信道编码；无线帧均衡；交织（分两步）；无线帧分段；速率
9、匹配；传输信道复用；比特加扰；物理信道分段；子帧分段；物理信道映射。,图3-12 传输信道编码/复用流程图,（1）差错检测。（2）传送块的级联和码块分段。（3）信道编码。,图3-13 编码率为1/3的Turbo编码器结构,（4）无线帧尺寸均衡和分段。（5）第一次交织。（6）速率匹配。（7）传输信道复用。（8）物理信道的分段和子帧分段。（9）第二次交织。（10）物理信道映射。,图3-14 数据符号的扩频过程,3.2 TD-SCDMA关键技术,3.2.1 智能天线3.2.2 联合检测103.2.3 上行同步3.2.4 小区搜索3.2.5 随机接入3.2.6 功率控制,3.2.1 智能天线,1基本原
10、理,智能天线利用天线阵列对波束的汇成和指向的控制，形成多个独立的波束，可以自适应地形成天线的方向图以跟踪信号的变化。智能天线系统由天线阵列及相连的收发机和先进的基带信号信号处理算法构成。接收时，每个阵元的输入被自适应地加权调整，并与其他的信号相加，以达到从混合的接收信号中解调出期望得到的信号并抑制干扰信号的目的，它对干扰信号方向调零，以减少甚至抵消干扰信号。,发射时，根据接收到达的信号在天线阵上产生的相位差，提取出移动台的位置信息，有效地产生多波束赋形，可为每一个移动台提供跟踪波束，为高速移动的移动台提供快速波束跟踪。智能天线是一种空分多址（SDMA）技术，主要包括三个方面：波达角度（DOA）
11、估计，波束赋形和定位技术。,波达方向估计是智能天线工作的基础，是阵列信号处理的重要应用之一。当有多个电磁波从不同方向到达天线阵时，每个阵元上都有多个电磁波产生的信号，如图3-15所示，这些信号因为入射方向不同，在各个阵元上有不同的相位延迟分布，即在阵列的输出端是每个阵元所接收到的多个信号的总叠加。以此为根据经过矩阵运算，得出相应的波达方向估计图。,图3-15 方向性多径信道示意图,图3-16 信号波束形成,图3-17 常用的两种典型结构（俯视图）,图3-18 智能天线系统的结构框图,在传统的无线通信系统中，由于无法确定移动用户的地理位置而不得不采用全向发射天线，能量分布于整个小区内，实际上只有
12、很少部分的信号被移动台截获，这不仅造成能量的损失，更为严重的是所有小区内的移动终端均相互干扰，此干扰是CDMA容量限制的主要原因。,2特点,使用智能天线技术，能量仅指向小区内处于激活状态的移动终端，正在通信的移动终端在整个小区内处于受跟踪状态，把基站盲目的、广播式的传播变为定向的信号传递，减少噪声干扰，从而提高系统容量，增加基站服务的范围。智能天线方向性收发的特点如图3-19所示。,图3-19 智能天线方向性收发的特点,3实现赋形方式,（1）上行空域滤波,图3-20 接收波束赋形原理图,图3-21 发送波束赋形原理图,（2）下行波束赋形,3.2.2 联合检测,1检测技术概述,在第三代移动通信系
13、统中CDMA利用码字的正交性，在同一频段上同时传输不同用户的数据，使整个系统的容量得到大幅度的增加。若仅仅从码字的正交性角度来说，只要找到符合要求的正交码，系统的容量就可以得到无限的扩大。,但在实际中，由于无线信道的时变性以及多径效应等，使得同一个用户数据之间存在符号间干扰（ISI），不同用户的数据间存在多址干扰（MAI），如图3-22所示，这两种干扰都抑制了系统容量的增加。,图3-22 信号分析,图3-23 传统接收机,联合检测技术的核心是利用均衡技术，通过联合检测不同用户的信号，将来自其他用户的ISI也当作MAI而一并消除，这样得到发送数据符号的无偏估计。联合检测的原理结构如图3-24所示
14、。,2联合检测技术原理,图3-24 联合检测的原理结构,3.2.3 上行同步,1基本原理,在CDMA移动通信系统中，下行链路总是同步的。所以一般说同步CDMA都是指上行同步，即要求来自不同距离的上行链路各终端信号在基站解调器完全同步，如图3-25所示。特别是对TDD系统，上行同步能够给系统带来很大的好处。,通过上行同步可以让使用正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，降低了由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同造成码道非正交所带来的干扰，大大提高了CDMA系统容量和频谱利用率，还可以简化基站硬件，降低无线基站成本。,图3-25 上行同步原理,（1）同步的建立,2
15、实现过程,图3-26 上行同步过程,（2）同步的保持,3.2.4 小区搜索,1原理,（1）概念 TDD系统上下行信号工作于相同频率，可能接收到附近用户的强上行信号。在TD-SCDMA系统中DwPTS同时起Pilot和SCH的作用，处于没有其他本小区多址干扰的独立时隙。当UE搜索到DwPTS，下行同步便获得了。BTS之间同步，所有小区的DwPTS将出现在重叠的时隙，便于切换中进行测量。,（2）搜索过程 设定载波频率；搜索DwPTS；获得BCH（在TS0时隙）。（3）搜索DwPTS的方法 接收并记录任意5ms的数据，用已知正交码序列在一个个窗口内求相关。,第一步：搜索DwPTS。第二步：识别扰码和
16、基本中间码。第三步：控制复帧同步。第四步：读BCH信息。,2过程,3.2.5 随机接入,1随机接入必须完成的工作 上行同步、功率控制、系统获得接入要求、用户鉴权、分配业务码道等。2随机接入必须考虑的问题（1）RACH/FACH的高效率工作；（2）防止碰撞的策略；（3）加快接入速度。,随机接入的过程如图3-27所示。,3随机接入过程,图3-27 随机接入过程,3.2.6 功率控制,1基本原理,功率控制技术是CDMA系统的核心技术。CDMA系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，“远近效用”问题特别突出。CDMA功率控制的目的就是克服“远近效用”，使系统既能维护高质量通信，又不对其他
17、用户产生干扰，如图3-28所示。,图3-28 功率控制,（1）前向功率控制（2）反向开环功率控制（3）反向闭环功率控制,当信道的传播条件突然改善时，功率控制应做出快速反应（例如几s），以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰；相反，当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止许多用户因为单个用户的信号电平突然变大而增大背景干扰。这种功率控制办法简单、直接，不需要在移动台和基站之间交换信息，因而控制速度快并节省开销。,2功率控制的原则,对于某些情况，例如车载移动台快速驶入或驶出地形起伏区或高大建筑物遮蔽区而引的信号强度变化是十分有效的
18、，但是对于信号因多径传播而引起的瑞利衰落变化则效果不好。因为前向传输和反向传输使用的频率不同，通常两个频率的间隔大大超过信息的相干带宽，因而不能认为移动台在前向信道上测得的衰落特性，就等于反向信道上的衰落特性。,为了解决这个问题，可以由基站检测来自移动台的信号强度，并根据测得的结果，形成功率调整指令，通知移动台，使移动台根据此调整指令来调节其发射功率。实现这种办法的条件是传输调整指令的速度要快，处理和执行调整指令的速度也要快。一般情况下，这种调整指令每毫秒发送一次就可以了。,3.3 TD-SCDMA无线网络规划内容与特点,3.3.1 网络规划3.3.2 无线资源管理,3.3.1 网络规划,网络
19、规划是无线网络建设运营之前的关键步骤，主要根据实际的无线传播环境、业务、社会等多方面因素，从“覆盖、容量、QoS”三个方面对网络进行“宏观配置”，实现各方面良好的平衡。,1覆盖规划2容量规划3业务规划,3.3.2 无线资源管理,TD-SCDMA系统的无线资源包括码字、频率、功率、时隙和空间角度。因为该系统综合使用了时分、频分、码分和空分以及其他多种新技术，所以频谱利用率比较高。无线资源管理（RRM）是无线网络控制器（RNC）的重要组成部分。其作用主要包括三个方面：确保用户申请业务的服务质量，包括BLER、BER、时间延迟、业务优先等级等；确定系统规划的覆盖；充分提高系统容量。,（1）硬切换（H
20、ard Handover，HHO）原理 在硬切换过程中，UE先断开与Node B1（源基站）的信令和业务连接，再建立与Node B2（目标基站）的信令和业务连接，即UE在某一时刻与一个基站保持联系，容易掉话。,1切换（Handover，HO）,发生硬切换的情况 不同频率之间的切换；不同系统之间的切换（如GSM网络切换到CDMA网络）；不同BSC/MSC之间，并且两者之间没有软切换通路（A3/A7）；不同CDMA网络运营商的基站或者扇区之间的切换。对于帧偏移分配的变化，在切换过程中，新基站分配给MS的帧偏移必须和主基站分配的帧偏移一致。,概念 过程 作用,（2）软切换（Soft Handover
21、，SHO）,原理 特点 接力切换示意图,（3）接力切换,图3-29 接力切换过程示意图,2动态信道分配,（1）原理和作用,动态信道分配的主要功能是负责将信道分配到小区、信道优先级排序、信道选择、信道调整和资源整合，全面降低小区间干扰，优化频谱利用率。TD-SCDMA中的物理信道由载频/时隙/扩频码的组合唯一确定。,DCA是TDD系统的优势所在，能够灵活分配时隙资源，动态调整上下行时隙的个数，灵活支持对称及非对称业务。DCA具有频带利用率高，无需信道预规划，可自动适应网络中负载和干扰的变化。DCA相对与固定信道分配来说较为复杂，系统开销较大。,频域DCA 时域DCA 码域DCA 空域 DCA,（
22、2）动态信道分配方法,多小区的信道资源被RNC集中管理和动态分配。DCA包含两个方面，即慢速DCA和快速DCA。慢速DCA 快速DCA,（3）DCA算法,小 结,本章主要介绍了TD-SCDMA技术的相关知识。首先，对TD-SCDMA技术进行了简要的概述，并对TD-SCDMA物理层规范进行了介绍。其次，对TD-SCDMA系统的关键技术进行了详细的阐述，包括智能天线技术、联合检测技术、上行同步技术、小区搜索技术、随机接入技术和功率控制技术等。,最后，介绍了TD-SCDMA无线网络规划的内容与特点，包括网络规划和无线资源管理等内容。读者通过对本章的学习，力求能够从整体上掌握TD-SCDMA的基础知识，熟悉并掌握TD-SCDMA的关键技术，同时了解TD-SCDMA无线网络规划的内容和特点。,最后，介绍了TD-SCDMA无线网络规划的内容与特点，包括网络规划和无线资源管理等内容。读者通过对本章的学习，力求能够从整体上掌握TD-SCDMA的基础知识，熟悉并掌握TD-SCDMA的关键技术，同时了解TD-SCDMA无线网络规划的内容和特点。,
