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1、第5章 TD-SCDMA移动通信系统,时分同步码分多址（Time Division Synchronous CDMA，TD-SCDMA）是第三代移动通信系统采用的3大主流技术标准之一。TD-SCDMA核心网与WCDMA核心网基本相同，所不同的地方在于无线接入网络部分。,本章重点介绍与TD-SCDMA系统空中接口相关的技术，主要内容如下：TD-SCDMA系统的主要特点TD-SCDMA空中接口协议结构TD-SCDMA逻辑信道、传输信道和物理信道相互间映射关系,TD-SCDMA物理信道的功能、分层、帧结构和突发结构TD-SCDMA信道编码与复用、扩频、加扰及调制技术TD-SCDMA系统的码分配TD-
2、SCDMA系统的基本物理过程TD-SCDMA系统采用的关键技术,5.1 概述,TD-SCDMA标准是中国信息产业部电信科学研究院在国家主管部门的支持下，根据多年的研究而提出的具有一定特色的第三代移动通信系统标准。,TD-SCDMA于2001年3月被第三代移动通信合作伙伴项目组织（3GPP）列为第三代移动通信采用的5种技术中的3大主流技术标准之一，与UMTS和IMT-2000的建议完全融合，其标准包含在3GPP的R4版本中，成为TD-SCDMA可完全商用版本的标准。,TD-SCDMA核心网与WCDMA核心网基本相同，所不同的地方在于无线接入网络部分。,TD-SCDMA的目标是要确立一个具有高频谱
3、效率和高经济效益的先进的移动通信系统，与WCDMA和cdma2000标准比较，TD-SCDMA拥有独特的特点。,1混合多址方式,图5-1 TD-SCDMA和WCDMA/cdma2000多址方式,2TDD双工方式3TD-SCDMA的物理信道4TD-SCDMA核心网络5TD-SCDMA网络中的关键技术,5.2 TD-SCDMA空中接口,5.2.1 TD-SCDMA空中接口协议结构1TD-SCDMA空中接口的协议结构,图5-2 空中接口协议结构,2TD-SCDMA系统信道介绍,（1）逻辑信道 逻辑信道是MAC子层向RLC子层提供的数据传输服务，表述承载的任务和类型。逻辑信道根据不同数据传输业务定义逻
4、辑信道的类型。,逻辑信道通常分为两大类：用来传输控制平面信息的控制信道和传输用户平面信息的业务信道。,（2）传输信道,公共传输信道广播信道（Broadcast Channel，BCH）寻呼信道（Paging Channel，PCH）前向接入信道（Forward Access Channel，FACH）,随机接入信道（Random Access Channel，RACH）上行共享信道（Uplink Share Channel，USCH）下行共享信道（Downlink Share Channel，DSCH）高速下行共享信道（High Speed Downlink Share Channel，HS-
5、DSCH）,专用传输信道,仅有一类专用传输信道（Dedicated Channel，DCH），可用于上下行链路和特定UE之间的用户信息或控制信息的承载网络。,（3）物理信道,物理信道分为两大类：专用物理信道（Dedicated Physical Channel，DPCH）和公共物理信道（CPCH），共有12种不同的物理信道。,（4）逻辑信道、传输信道和物理信道之间的映射关系,图5-3 逻辑信道、传输信道与物理信道之间的映射关系,5.2.2 TD-SCDMA物理层,物理层是空中接口的最底层，支持数据流在物理介质上的传输，向高层提供数据传输业务。,每种无线传输技术的基本性能和特点是由其物理层所确定
6、的，3G三大主流技术的主要区别在于物理层的空中接口技术。下面将介绍TD-SCDMA物理层的功能、物理信道分层、帧结构和突发结构。,1TD-SCDMA物理层的主要功能,TD-SCDMA物理层的主要功能如下：（1）传输信道错误检测和上报；（2）传输信道前向纠错（FEC）编码和解码；（3）传输信道的复用和解复用及传输信道和编码的组合；,（4）传输信道到物理信道的映射；（5）物理信道的调制/扩频和解调/解扩；（6）频率和系统时钟（码片、比特、时隙和子帧）同步；（7）功率控制；,（8）物理信道的功率加权和合并；（9）射频处理；（10）上行同步控制；（11）速率匹配；,（12）无线特性测试，包括误帧率（F
7、ER）、信号干扰噪声比（SIR）、到达方向（DOA）等；（13）智能天线的上行和下行波束赋形；（14）智能天线的UE定位。,2TD-SCDMA物理信道分层,图5-4 TD-SCDMA物理信道的分层结构,3TD-SCDMA物理信道帧结构,图5-5 TD-SCDMA无线子帧结构,图5-6 TD-SCDMA系统对称/非对称业务的时隙分配示意图,（1）下行导频时隙（DwPTS）（2）上行导频时隙（UpPTS）（3）保护间隔（GP）,图5-7 DwPTS的时隙结构,图5-8 UpPTS的时隙结构,4TD-SCDMA突发结构,图5-9 TD-SCDMA系统的突发结构,表5-1 突发中每个数据块包含的符号数
8、,（1）数据块,TD-SCDMA系统的数据块用于承载来自传输信道的用户数据或高层控制信息，也提供了传送控制平面上物理层控制信令的功能。,图5-10 不发送SS和TPC时的物理层控制信令结构,图5-11 发送SS和TPC时的物理层控制信令结构,（2）中间码,突发结构中的中间码用来作为训练序列，在接收端进行信道解码时用于信道估计、测量，如上行同步的保持以及功率测量等，不携带用户信息。,5.2.3 TD-SCDMA物理信道,TDD模式下的物理信道是把一个突发信息在所分配的无线帧的特定时隙中发射。,无线帧的分配可以是连续的，即每一帧的相应时隙都分配给某物理信道。无线帧的分配也可以是不连续的，即将部分无
9、线帧中的相应时隙分配给该物理信道。,TD-SCDMA系统的物理信道分为专用物理信道和公共物理信道。下面介绍主要的物理信道。,1专用物理信道（DPCH）,专用传输信道（Dedicated Channel，DCH）映射到专用物理信道（DPCH）。,2公共物理信道（CPCH）,（1）主公共控制物理信道（P-CCPCH）（2）辅助公共控制物理信道（S-CCPCH）（3）物理随机接入信道（PRACH）,（4）快速物理接入信道（FPACH）（5）物理上行共享信道（PUSCH）（6）物理下行共享信道（PDSCH）（7）寻呼指示信道（PICH）,5.2.4 传输信道编码和复用,图5-12 传输信道编码/复用,
10、5.2.5 扩频与调制,图5-13 TD-SCDMA系统QPSK数据扩频调制示意图,1串并变换和数据映射2OVSF码扩频3加扰,表5-2 基本中间码、扰码、SYNC-UL码、SYNC-DL码与码组之间的对应关系,4子帧形成,在加扰后的数据流形成无线子帧的成帧过程中，需要插入训练序列码，即中间码（Midamble）。中间码用于进行信道估计、功率控制测量、波束赋形和频率校正等。,5.2.6 TD-SCDMA系统的码分配,标识小区的码称为下行同步码（SYNC-DL）序列，在下行导频时隙（DwPTS）发射。基站将在小区的全方向或在固定波束方向发送DwPTS，同时起到导频和下行同步的作用。,在整个系统中
11、，共有32个长度为64chip的SYNC-DL码。随机接入的特征信号为上行同步码（SYNC-UL），在上行导频时隙（UpPTS）发射。,随机接入和切换过程中需要上行同步，当UE准备进行空中登记和随机接入时将发射UpPTS。在整个系统中，共有256个长度为128chip的SYNC-UL码。,5.2.7 N频点技术,图5-14 N频点原理示意图,5.3 TD-SCDMA系统物理层主要工作过程,在TD-SCDMA系统中，很多技术都需要物理层的支持。这种支持体现为相关的物理层处理过程。,移动终端（UE）从开机开始，到发出第一个随机接入请求为止，需要经历小区搜索、上行同步、随机接入3个基本过程。,5.3
12、.1 小区搜索,第1步：搜索DwPTS第2步：识别扰码和基本中间码第3步：控制复帧同步第4步：读BCH信息,5.3.2 上行同步,TD-SCDMA系统中，上行同步是UE发起一个业务呼叫前必需的过程，如果UE仅驻留在某小区而没有呼叫业务时，UE不需启动上行同步过程。此处的上行同步是指空中接口的同步，并不包括网络之间的同步。,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。减小了由于每个UE发射的码道信号到达Node B的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰，提高了系统容量和频谱利用率，还可以简化硬件，降低成本。,1上行同步的建立2上行同步的保持,5.3.3
13、随机接入过程,当高层需要在RACH上传送消息的时候，物理层的随机接入过程就将启动。TD-SCDMA系统的随机接入过程与WCDMA有很大的不同，UE必须首先完成上行同步过程。,1随机接入准备2随机接入过程3随机接入冲突处理,图5-15 TD-SCDMA系统随机接入过程示意图,5.4 TD-SCDMA系统关键技术,TD-SCDMA标准的提出虽然较晚于其他标准，但也正是因为这一点，TD-SCDMA吸纳了20世纪90年代移动通信领域最为先进的技术，包括智能天线、联合检测、上行同步、动态信道分配和接力切换等，这些关键技术也是TD-SCDMA和其他3G标准竞争的核心竞争力。智能天线技术已在3G关键技术中进
14、行介绍。,5.4.1 联合检测技术,1联合检测基本概念 由于无线信道的时变性以及多径效应等，对于CDMA系统，码字不可能理想正交，系统中必然存在多址干扰（Multiple Access Interference，MAI）和码间干扰（Inter Symbol Interference，ISI）。,联合检测是多用户检测的一种，利用所有与ISI和MAI相关的先验信息，在一步之内将所有用户的信号分离出来。使用联合检测技术，理论上可以完全抑制本小区的多址干扰和码间干扰，显著地提高系统的抗干扰能力和容量。,2联合检测和智能天线的结合,图5-16 智能天线和联合检测技术结合应用示意图,5.4.2 接力切换,
15、接力切换是TD-SCDMA系统的核心技术之一，是介于硬切换和软切换之间的一种新的切换方法，TD-SCDMA系统的接力切换概念不同于硬切换与软切换，在切换之前，目标基站Node B已经获得移动台UE比较精确的位置信息。,因此在切换过程中UE断开与原基站的连接之后，能迅速切换到目标基站。接力切换示意图如图5-17所示。,图5-17 接力切换示意图,5.4.3 动态信道分配,信道分配算法可以分为固定信道分配（Fixed Channel Allocation，FCA）和动态信道分配（Dynamic Channel Allocation，DCA）两种。,TD-SCDMA系统中的任何一条物理信道都是通过它
16、的载频/时隙/扩频码的组合来标记的，信道分配实质上就是无线资源的分配过程。,采用DCA是TDD模式的优势之一，能够灵活地分配时隙资源，动态地调整上下行时隙的个数，从而可以灵活地支持对称及非对称的业务。,5.4.4 软件无线电,软件无线电（Software Defined Radio，SDR），就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线终端的各部分功能，包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等，即整个无线终端从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。,图5-18 软件无线电基本结构框图,（1）射频部分（2）A/D和D/A部分（3）中频处理部分（
17、4）基带处理部分,小 结,1TD-SCDMA被第三代移动通信合作伙伴项目组织（3GPP）列为三大主流技术标准之一，包含在3GPP的R4版本中。TD-SCDMA与 WCDMA核心网结构基本相同，不同的地方在于无线接入网络部分。,2TD-SCDMA系统的空中接口（Uu）的协议结构与WCDMA的空中接口协议结构一样。,从不同协议层如何承载用户业务的角度将信道分成3类：逻辑信道、传输信道和物理信道，相互间有特定的映射关系。,TD-SCDMA逻辑信道的控制信道增加了共享控制信道（SHCCH）；传输信道定义了信息通过无线接口进行传输的方式，物理信道是由频率、时隙、码字共同定义的。,3TD-SCDMA物理信
18、道的帧结构分为4层：超帧（系统帧）、无线帧、子帧和时隙/码道。,一个超帧长720ms，由72个无线帧组成，每个无线帧长10ms，每个无线帧分为两个相同的5ms子帧，2个子帧的结构完全相同，子帧是系统无线发送的最小单位。每个子帧由7个常规时隙和3个特殊时隙组成。,4在TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发（Burst）。TD-SCDMA系统采用的突发由两个长度分别为352chip的数据块、一个长度为144chip的中间码和一个长度为16chip的保护间隔（GP）组成。,5TD-SCDMA系统数据扩频调制通过如下步骤完成，串并变换和数据映射、OVSF码扩频、加扰、子帧形成，得到I、Q支路数据输
19、出后，通过升余弦滚降滤波器脉冲成型，然后分别用正交的载波进行射频调制后，合路发出。子帧形成过程为TD-SCDMA系统特有。,6标识小区的码称为下行同步码（SYNC-DL），随机接入的特征信号为上行同步码（SYNC-UL）。,中间码、SYNC-DL、SYNC-UL在3GPP规范中都是直接以码片速率的形式给出，不需要扩频、加扰和任何生成过程。每个码组与基本中间码、扰码、SYNC-UL码、SYNC-DL码之间有确定的对应关系。,7移动台（UE）开机后，首先测量TD-SCDMA系统频带内各载波功率，并将测得的功率按强弱排序，并从最强的载波开始搜索。,接着必须进入小区搜索过程，驻留到服务的移动通信网络，
20、才能进行通信。TD-SCDMA系统初始小区选择或搜索利用下行导频物理信道（DwPTS）和广播传输信道（BCH）进行，采用了独特的4步搜索过程。,8TD-SCDMA系统的上行同步过程主要用在随机接入过程和切换过程前，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。,这种方法减小了由于每个UE发射的码道信号到达Node B的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰，提高了系统容量和频谱利用率，还可以简化硬件，降低成本。,9当高层需要在RACH上传送消息的时候，物理层的随机接入过程就将启动。TD-SCDMA系统的随机接入过程与WCDMA有很大的不同，UE必须首先完成
21、上行同步过程。,10联合检测是多用户检测的一种，利用所有与多址干扰（MAI）和码间干扰（ISI）相关的先验信息，在一步之内将所有用户的信号分离出来。,在TD-SCDMA系统中，利用已知的训练序列进行不同码道的信道冲击响应估计，对多码道信号联合处理，去除MAI和ISI。,11接力切换是TD-SCDMA系统的核心技术之一，是介于硬切换和软切换之间的一种新的切换方法，TD-SCDMA系统的接力切换在切换之前，目标基站已经获得移动台比较精确的位置信息。,接力切换过程包括3个步骤，即测量过程、判决过程和执行过程。,12信道分配算法可以分为固定信道分配（FCA）和动态信道分配（DCA）两种。FCA可用信道分配给特定小区。,DCA中小区和信道之间没有固定的关系，所有的信道都被集中到一起分配，只要该信道能够提供足够的链路质量，任何小区都可以将该信道分配给呼叫。,采用DCA是TDD模式的优势之一，能够灵活地分配时隙资源，动态地调整上下行时隙的个数，从而可以灵活地支持对称及非对称的业务。,13软件无线电采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线终端的各部分功能，即整个无线终端从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。,
