TD-SCDMA系统原理介绍

TD-SCDMA系统原理介绍一.系统概述二.关键技术三.TD-SCDMA网络结构四.TD-SCDMA物理层简介什么是TD-SCDMA•TD－SCDMA–TimeDivision-SynchronizationCodeDivisionMultipleAccess–是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一，它得到了CWTS及3GPP的全面支持–是中国电信百年来第一个完整的通信技术标准，是UTRA－FDD可替代的方案–是集CDMA、TDMA等技术优势于一体、系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术–它采用了智能天线、联合检测、同步CDMA、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术TD-SCDMA发展历程1998年6月正式向ITU提交标准建议1998年11月赫尔辛基会议，TD成为ITU／3G候选方案2000年5月，TD成为国际第三代移动通信标准之一2001年3月，TD-SCDMA成为3GPP标准R42000年12月，TD-SCDMA论坛成立2002年10月23日，信产部公布3G频率规划2002年10月，TD产业联盟成立2003年12月，空中接口测试阶段完成2004年3月，大唐发布了第一台TD终端预商用版本2004年10月，TD产业峰会，多厂家供货环境形成2004年12月，TD国家专项试验网启动2006年，规模试商用第三代移动通信系统的多址方式•多址方式：CDMA成为主流–基本定型的技术：基于直接扩频CDMA技术fPwr/CodetTDMAftPwr/CodeTDMA/CDMAfCDMA第三代移动通信系统的双工方式•双工方式：－传统的FDD仍是主要的双工方－TDD方式受到更大关注TDD和FDD•在第三代移动通信中必要的两种双工方式•FDD–适合于大区制的全国系统–适合于对称业务，如话音、交互式实时数据业务等•TD-SCDMA–尤其适合于高密度用户地区：城市及近郊区的局部覆盖–适合于对称及不对称的数据业务，如话音、实时数据业务、特别是互联网方式的业务–能提供成本低廉的设备TDD的优点•频谱灵活性：不需要成对的频谱–在2GHz以下已很难找到成对的频谱•上下行使用相同频率，上下行链路的传播特性相同，利于使用智能天线等新技术•支持不对称数据业务：根据上下行业务量来自适应调整上下行时隙个数–FDD系统一建立通信就将分配到一对频率以分别支持上下行业务。在不对称业务中，频率利用率显著降低–FDD系统也可以用不同宽度的频段来支持不对称业务，但：•频段相对固定，不可能灵活使用•成本低：无收发隔离的要求，可以使用单片IC来实现RF收发信机5ms•1上行时隙和6下行时隙•用于文件下载,internet浏览等(适用于下行数据流量大)•可达2Mbit/s传输速率5ms5ms•对称结构(适用于语音呼叫等)•6上行时隙/1下行时隙(文件上传等)灵活分配上下行话务信道TDD双工方式问题及解决方法•峰值/平均发射功率之比随时隙数增加而增加–TDD系统对峰值/平均发射功率比有一定要求,此比值随时隙数增加而增加–因CDMA要求线性工作，对发射功率和功率放大器要求较高–TD-SCDMA使用智能天线，基站接受灵敏度增加9dB，故仍然可能使用低发射功率达到较远通信距离–总的说来，在使用相同发射功率级别的手持机条件下，TD-SCDMA的通信距离比WCDMA要大•通信距离(小区半径)主要受电波传播的时延所限制。对于TD-SCDMA系统，典型小区半径设置在11公里，这主要出于人口密集地区设置考虑。如果允许牺牲15%的容量，小区半径可达到40-50公里。•ITU要求TDD系统支持终端移动速度为120km/h。但仿真试验结果表明在目前的芯片及算法条件下，可高于该值。最多可达16个码道对同一无线信道的多用户同时访问根据用户需求进行容量分配每个CDMA用户和所有使用同一无线信道和时隙的用户都发生干扰（多址干扰）TD-SCDMA特性TD-SCDMAW-CDMA/CDMA2000空中接口TDDFDD模式55+100MHz（60+30）×2MHz频段1.6MHz5/1.25MHz射频带宽无需使用成对的频段，任何频段都可用于TD-SCDMA中国频率资源分配1920198020102025卫星空302110217018808522002300240030100TDD4015TDD100TDD空卫星1785185018051755DCSSCDMA6060FDD(上行)FDD(下行)FDD(下行)FDD(上行)30302045TD-SCDMA标准概况•多址接入方式：DS-CDMA/TDMA/SDMA•码片速率:1.28Mcps(WCDMA的1/3)•双工方式：TDD•载频宽度：1.6MHz•扩频技术：OVSF•调制方式：QPSK,8PSK•编码方式：卷积编码，Turbo编码•功率控制：200次/秒TD-SCDMA主要优势能在现有的GSM网络上迅速而直接部署突出的频谱利用率：比其它3G标准的现有设备高一倍无需使用成对的频段较好的抗干扰性，特别是抑制码间干扰灵活、自适应的上下行业务分配，特别适合各种变化的不对称业务(如无线因特网)系统成本低TD-SCDMA的缺点TD-SCDMA系统要精确定时，才能保持同步TDD需要保护时隙，限制了小区覆盖半径受功率控制和信道估计的限制，UE最高120km/h不支持软切换和更软切换，减少由此带来的处理增益TD-SCDMA相对于其它两大3G标准，发展滞后，尚未商用一.系统概述二.关键技术三.TD-SCDMA网络结构四.TD-SCDMA物理层简介TD-SCDMA的关键技术智能天线软件无线电上行同步联合检测动态信道分配接力切换(..)542136智能天线使用智能天线...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不使用智能天线...能量分布于整个小区内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智能天线的优势减少小区间干扰降低多径干扰基于每一用户的信噪比得以增加降低发射功率提高接收灵敏度增加了容量及小区覆盖半径定位用户位置智能天线FDD方式：由于上、下行链路信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响不相同，所以根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路TDD方式：上、下行链路使用相同频率传输信号，且间隔时间短，链路无线传播环境差异不大，可以使用相同权值TDD方式更能够体现智能天线的优势TDD方式FDD方式智能天线TD-SCDMA全向码道和赋形码道两种赋形波束得到小区覆盖的全向波束针对用户终端的赋形波束BCH/DwPTS必须使用全向波束，覆盖整个小区，在帧结构中使用专门时隙业务码道通常使用赋形波束，只覆盖个别用户GPDwPTSUpPTSBCHTS5TS4TS0TS2TS1TS3TS6软件无线电用软件处理基带信号硬件平台：高速（A/D）变换数字信号处理（DSP）RF收发信机A/DD/A基带处理器MCU话音编译码器人机界面DSP软件无线电的优势软件无线电技术利用统一的硬件平台，使用不同的软件，来适应不同的工作模式。它可以方便的通过软件编程改变算法，无需更新硬件，适应不同的业务要求。·系统增加功能通过软件升级来实现·减少设备费用支出·可支持多种通信体制并存·便于标准升级和新技术的运用CDMA上行同步•定义–上行链路各终端信号在基站解调器完全同步•优点–CDMA码道正交–降低码道间干扰–提高CDMA容量–简化硬件，降低成本t基站解调器码道1码道2码道NCDMA上行同步上行同步技术•同步的建立–在随机接入时建立–依靠BTS接收到的SYNC1–立即在下一个下行帧SS位置进行闭环控制•同步的保持–在每一上行帧检测Midamble–立即在下一个下行帧SS位置进行闭环控制•出现失步的可能性–有限小区半径(取决于G的宽度，可能超过10km)–比较宽的容许范围(+/-4chips)•失步后执行链路重建SS上行业务时隙(BTS要求)Midamble随机接入SYNC1ssUpPTSUE的上行突发联合检测联合检测作用避免多址干扰相对扩大检测动态范围小区内干扰最小化联合检测原理特定的空中接口“突发”结构允许收信机对无线信道进行信道估计根据估计的无线信道，对所有信号同时进行检测从复合信号中减去其他信道的信号来获得每一个信道的信号联合检测由于无线移动信道的时变性和多径效应影响，使得数据之间存在干扰－符号间干扰（ISI）－码间干扰（MAI）通过数据符号间、码间的相关性在多个用户中检测、提取出所需的信号，消除ISI和MAI联合检测的实现码间干扰（MAI）是CDMA系统中的主要干扰在传统的CDMA系统信号分离方法中，把MAI看作热噪声联合检测充分利用MAI中的先验信息，如：已知的用户信道码已知的训练序列将非目标用户信息从MAI中滤除，进而可有效地提取目标用户信息。如果每时隙只有1个用户信号,联合检测(JD)不是有效的在同步CDMA模式下,多个用户共享每个时隙,联合检测是有效的通过联合检测的MAI计算矩阵,去除多用户干扰结论：通过去除MAI增加了CDMA的容量通过去除MAI,对多用户信号检测动态范围达20dB，无需快速功率控制实现机理联合检测的优缺点•联合检测易于实现：每时隙内码道少＋短扰码＋上行同步＝小运算量•联合检测的优点：降低干扰，扩大容量，降低功控要求，削弱远近效应•联合检测的缺点：大大增加系统复杂度、增加系统处理时延、需要要消耗一定的资源智能天线＋联合检测•智能天线的主要作用：–降低多址干扰，提高CDMA系统容量–增加接收灵敏度和发射EIRP•智能天线所不能克服的问题–时延超过码片宽度的多径干扰–多普勒效益(高速移动)•因而，在移动通信系统中，智能天线必须和其它信号处理技术同时使用•联合检测：－基于训练序列的信道估值－同时处理多码道的干扰抵消•理论上，联合检测和智能天线相结合技术，可以完全抵消MAI的影响，大大提高系统的抗干扰能力和容量动态信道分配（DCA）：在终端接入和链路持续期间，根据多小区之间的干扰情况和本小区内的干扰情况，进行信道的分配和调整，增加了系统的总容量。在TD-SCDMA系统中，信道的定义包括：载频-频域扩频码–码域时隙-时域波束-空域16codecanbeusedtimecodefrequency动态信道分配动态信道分配的方法频域DCA频域DCA中每一小区使用多个无线信道(频道)，激活用户分配在不同的载波上，从而减小用户之间的干扰时域DCA在一个TD-SCDMA载频上，使用7个时隙减少了每个时隙中同时处于激活状态的用户数量每载频多时隙，可以将受干扰最小的时隙动态分配给处于激活状态的用户码域DCA在同一个时隙中，通过改变分配的码道来避免偶然出现的码道质量恶化空域DCA通过智能天线，可基于每一用户进行定向波束赋形(降低多址干扰)下述几种DCA方法全面降低了相应的小区间干扰，从而使频谱利用率得以优化动态信道分配的组成–慢速DCA（把资源分配到小区）•根据小区中各个时隙当前的负荷情况对各个时隙的优先级进行排队，为接入控制提供选择时隙的依据。–接纳控制•当一个新的呼叫到来时，DCA首先选择一个优先级最高的时隙，能否在该时隙为新呼叫分配资源。在选择时隙的过程中，如果没有单独的时隙能够提供新呼叫所需要的资源，DCA将试图进行资源整合，从而为新呼叫腾出一定的资源（包括码资源、功率资源）。–快速DCA（为业务分配资源）•当系统负荷出现拥塞或链路质量发生恶化时，RRM中的其他模块（如LCC、RLS）会触发DCA进行信道调整。它的功能主要是有选择的把一些用户从负荷较重（或链路质量较差）的时隙调整到负荷较轻（或链路质量较好）的时隙。硬切换•在早期的频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）移动通信系统中采用这种越区切换方法•当用户终端从一个小区或扇区切换到另一个小区或扇区时，先中断与原基站的通信，然后再改变载波频率与新的基站建立通信。•硬切换技术在其切换过程中有可能丢失信