TD-SCDMA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

1、TD-SCDMA的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)1引言1998年，原郵電部電信科學(xué)技術(shù)研究院（大唐電信集團(tuán)）在原郵電部科技司的領(lǐng)導(dǎo)和支持下，代表我國(guó)向國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）提出了第三代移動(dòng)通信TD SCDMA（TimeDivision Duplex Synchronous Code Division Access）標(biāo)準(zhǔn)建議。2000年5月，世界無(wú)線電行政大會(huì)正式批準(zhǔn)把TDSCDMA作為第三代移動(dòng)通信國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之一（M1457IMT2000RSPEC）。這是一百多年來(lái)我國(guó)第一次向國(guó)際組織完整地提出自己的電信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)建議，標(biāo)志著在移動(dòng)通信技術(shù)方面我國(guó)已步入世界先進(jìn)行列。TDSCDMA具有上下行鏈路可以不對(duì)稱、頻

2、譜利用率高、發(fā)射功率低等優(yōu)點(diǎn)，非常適合第三代移動(dòng)通信將大量應(yīng)用的非對(duì)稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并可以提供較高的系統(tǒng)容量。本文基于TD-SCDMA的主要技術(shù)特點(diǎn)，對(duì)其幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)做一下介紹。2 TDSCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)TDSCDMA系統(tǒng)的設(shè)計(jì)集FDMA，TDMA，CDMA和SDMA技術(shù)為一體，并考慮到當(dāng)前中國(guó)和世界上大多數(shù)國(guó)家廣泛采用GSM第二代移動(dòng)通信的客觀實(shí)際，他能夠由GSM平滑過(guò)渡到3G系統(tǒng)。TDSCDMA系統(tǒng)的功能模塊，如圖1所示，主要包括：用戶終端設(shè)備（UE）、基站（BTS）、基站控制器（BSC）和核心網(wǎng)。在建網(wǎng)初期，該系統(tǒng)的IP業(yè)務(wù)通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN）接入到X 25分組交換機(jī)，話音和

3、ISDN業(yè)務(wù)仍使用原來(lái)GSM的移動(dòng)交換機(jī)。待基于IP的3G核心網(wǎng)建成后，將過(guò)渡到完全的TDSCDMA第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。3 TDSCDMA關(guān)鍵技術(shù)3.1智能天線(1) 智能天線的基本概念智能天線采用空分多址技術(shù)（SCDMA），利用信號(hào)在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時(shí)隙、同碼道的信號(hào)區(qū)分開來(lái)，最大限度地利用有限的信道資源。無(wú)線基站中的智能天線由天線陣和基于基帶數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)組成。（2）智能天線的工作原理 圖2描述了一個(gè)具有智能天線、工作于TDD方式CDMA基站的示意方框圖。和傳統(tǒng)的沒(méi)有智能天線的基站比較，他在硬件上由一個(gè)天線陣和一組收發(fā)信機(jī)組成了其射頻部分，而在基帶信號(hào)處理部分的硬件則基本相

4、同。必須說(shuō)明的是，這一組收發(fā)信機(jī)將使用同一個(gè)本振源，以保證此組收發(fā)信機(jī)是相干工作的。圖2中，每個(gè)射頻收發(fā)信機(jī)都有ADC和DAC，將收到的基帶模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；將待發(fā)射的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬基帶信號(hào)。而所有收發(fā)數(shù)字信號(hào)都通過(guò)一組高速數(shù)字濾波器總線和基帶數(shù)字信號(hào)處理器來(lái)連接。 在圖2中，我們先研究來(lái)自多個(gè)用戶終端的信號(hào)。此上行信號(hào)是多址干擾、衰落、多經(jīng)傳播和多譜勒頻移等效應(yīng)，并存在其他干擾和白噪聲。將圖中第I個(gè)接收機(jī)在第n時(shí)刻的輸出用Si (n) 表示。通過(guò)解擴(kuò)和相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)處理，可以獲得對(duì)每個(gè)碼道的接收數(shù)據(jù)。如果以表示第j 碼道的第個(gè)符號(hào)的數(shù)據(jù)，則在基帶進(jìn)行上行波束賦形（合成）后，將獲得智

5、能天線的總接收數(shù)據(jù)為：其中： W為上行波束賦形矩陣，其矩陣元素為Wij()。 智能天線的下一步是實(shí)現(xiàn)其下行波束賦形，此用戶在第j碼道的第個(gè)符號(hào)可以表示為 。而通過(guò)智能天線的下行波束賦形（調(diào)整基站中各個(gè)發(fā)射機(jī)所發(fā)射信號(hào)的幅度和相位），在第i個(gè)天線陣元所發(fā)射的信號(hào)可表示為： 顯然，為了獲得最佳接收效果，就必須找到一種好的上行波束形成算法，即求得W矩陣的方法；而為了讓此用戶獲得最好的信號(hào)，就必須找到一種好的下行波束形成算法，即求得U矩陣的方法。必須說(shuō)明的是，在求此波束形成矩陣時(shí)，已知的僅僅是天線陣列的幾何結(jié)構(gòu)和各種接收機(jī)所收到的信號(hào)。對(duì)此，學(xué)術(shù)界作了大量工作，有多種算法可以采用，其主要限制是在基帶信

6、號(hào)處理能力和對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求。 作為一個(gè)簡(jiǎn)化的特例，可以用最大功率合成算法，即令W=X，以獲得成形，在TDD方式的系統(tǒng)中，若組成智能天線系統(tǒng)的各射頻收發(fā)信機(jī)是全向的，由于其上下行電波傳播條件相同，則可以直接將此上行波束賦形矩陣使用于下行，即令U=W。 TDSCDMA天線使用一個(gè)環(huán)形天線陣，8個(gè)完全相同的天線元素均勻地分布在一個(gè)半徑為r的圓上。智能天線的功能是由天線陣及與其相連接的基帶數(shù)字信號(hào)處理部分共同完成的。該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個(gè)天線元相同。在360范圍內(nèi)任意賦形，為了消除干擾，波束賦形時(shí)還可以在有干擾的地方設(shè)置零點(diǎn)，該零點(diǎn)處的天線輻射電平比最大輻射方向約低40 dB。 對(duì)于環(huán)

7、形天線陣的智能天線，當(dāng)每個(gè)天線元的技術(shù)參數(shù)與性能指標(biāo)完全相同，并采用最大功率合成時(shí)，該天線的增益表達(dá)式為：接收最大增益：Gmax=Gr+10lgN (db)發(fā)射最大增益：Gmax=Gr+10lgN (db)其中：Gmax為智能天線的最大可能增益； GY為天線的元增益； N為天線陣元數(shù)目。 由此可見，當(dāng)N=8時(shí)，TDSCDMA使用的智能天線比無(wú)方向性的單陣子天線增益分別大9 dB（對(duì)接收機(jī)）和18 dB（對(duì)發(fā)射機(jī)）。每個(gè)陣子的增益為8-dB，則天線的最大接收增益為17-dB，最大發(fā)射增益為26dB。由于基站智能天線的發(fā)射增益比接收增益大得多，所以傳輸非對(duì)稱的IP等數(shù)據(jù)及下載量較大業(yè)務(wù)信息非常合適

8、。 采用智能天線后，應(yīng)用波束賦形技術(shù)顯著提高了基站的接收靈敏度和發(fā)射功率，大大降低系統(tǒng)內(nèi)部的干擾和相鄰小區(qū)間的干擾，從而使系統(tǒng)容量擴(kuò)大1倍以上。同時(shí)，還可以使業(yè)務(wù)高密度市區(qū)和郊區(qū)所需基站數(shù)目減少。天線增益的提高也能降低高頻放大器（HPA）的線性輸出功率，從而將顯著降低運(yùn)營(yíng)成本。3.2接力切換（1）接力切換的基本概念TDSCDMA系統(tǒng)的接力切換不同于硬切換和軟切換，在切換之前，目標(biāo)基站已經(jīng)獲得移動(dòng)臺(tái)比較精確的位置信息，因此在切換過(guò)程中UE先斷開與原基站連接之后，能迅速切換到目標(biāo)基站。移動(dòng)臺(tái)比較精確的位置信息，主要通過(guò)對(duì)移動(dòng)臺(tái)比較精確的定位技術(shù)來(lái)獲得。 在TDSCDMA系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)的精確定位應(yīng)用

9、了智能天線技術(shù)。首先，Node B利用天線陣估計(jì)UE的DOA，然后通過(guò)信號(hào)的往還時(shí)延，確定UE到Node B的距離，這樣，通過(guò)UE的方向DOA和BTS與UE間的距離信息，基站可以確知UE的位置信息，如果來(lái)自一個(gè)基站的信息不夠，可以讓幾個(gè)基站同時(shí)監(jiān)測(cè)移動(dòng)臺(tái)并進(jìn)行定位。 在硬切換過(guò)程中，UE先斷開與Node B1（源基站）的信令和業(yè)務(wù)連接，再建立與Node B2（目標(biāo)基站）的信令和業(yè)務(wù)連接，即UE在某一時(shí)刻與一個(gè)基站保持聯(lián)系。而在軟切換過(guò)程中，UE先建立與Node B2的信令和業(yè)務(wù)連接之后，在斷開與Node B1的信令和業(yè)務(wù)連接，即UE在某一時(shí)刻與2個(gè)基站同時(shí)保持聯(lián)系。 接力切換雖然在某種程度上與

10、硬切換類似，同樣是在“先斷后連”的情況，但是由于其實(shí)現(xiàn)是以精確定位為前提，因而與硬切換相比，UE可以很迅速地切換到目標(biāo)小區(qū)，降低了切換時(shí)延，減少了切換引起的掉話率。 （2）接力切換過(guò)程示意 接力切換整個(gè)過(guò)程如圖3所示。第1步：UE與Node B1在進(jìn)行正常通信（如圖3(a)）； 第2步：當(dāng)UE需要切換并且網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)UE候選小區(qū)測(cè)量找到了切換目標(biāo)小區(qū)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)向UE發(fā)送切換命令，UE就與目標(biāo)小區(qū)建立上行同步，然后UE在與Node B1保持信令和業(yè)務(wù)連接的同時(shí)，與Node B2建立信令連接（如圖3(b)）； 第3步：當(dāng)UE與Node B2信令連接建立之后，UE就刪除與Node B1的業(yè)務(wù)連接（如圖3

11、(c)）；第4步：UE嘗試與Node B2的業(yè)務(wù)連接，一旦UE與Node B2的業(yè)務(wù)連接建立（如圖3(d)）之后進(jìn)行第5步； 第5步：UE刪除與Node B1的信令連接（如圖3（e），這時(shí)UE與Node B1之間的業(yè)務(wù)和信令連接全部斷開了，而只與Node B2保持了信令和業(yè)務(wù)的連接，切換完成。 上面各圖以及過(guò)程描述都只針對(duì)切換成功的情況，而對(duì)于切換失敗的情況幾乎與上面過(guò)程相似，只是當(dāng)UE嘗試與Node B2業(yè)務(wù)連接失敗以后，UE就恢復(fù)與Node B1之間的業(yè)務(wù)連接，之后刪除與Node B2的信令連接，這時(shí)UE與Node B2之間的業(yè)務(wù)與信令連接全部斷開，而仍只與Node B1保持了信令和業(yè)務(wù)的

12、連接，切換完成。3.3綜合采用多種多址方式TDSCDMA綜合使用CDMA，TDMA，F(xiàn)DMA和SDMA四種多址方式，充分利用碼分、時(shí)分、頻分和空分制式技術(shù)優(yōu)勢(shì)，最大限度地提高系統(tǒng)容量。TDSCDMA多址技術(shù)原理如圖4所示，其三維空間分別為CDMA碼道、頻率和時(shí)間。圖4和圖5是典型的TDSCDMA信道結(jié)構(gòu)，3個(gè)載波帶寬為1.6 MHz，用TDMA方式將每個(gè)載波分為7個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙（5個(gè)下行時(shí)隙DL和2個(gè)上行時(shí)隙UL）和1個(gè)DL/UL隔離時(shí)隙，采用CDMA技術(shù)將每個(gè)時(shí)隙擴(kuò)頻，最多可得16碼道（即擴(kuò)頻系數(shù)為16），每個(gè)碼道可傳送一個(gè)用戶信息。 TDSCDMA的基本信元（RU）由時(shí)隙（TS）、頻率、碼道和

13、擴(kuò)頻系數(shù)16定義。RU在時(shí)間和CDMA碼道二維域的映射圖如圖5所示，可以看出，擴(kuò)頻系數(shù)（SF）為2，4，8，16時(shí)，所對(duì)應(yīng)信元RU1，RU2，RU16的模塊結(jié)構(gòu)。 采用TDMA制式不僅能保證系統(tǒng)時(shí)隙間絕對(duì)隔離，而且有效支持TDD雙工方式，為引入智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、功率控制、接力切換及DCA等先進(jìn)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)，有利于數(shù)據(jù)包的傳輸，支持非對(duì)稱數(shù)據(jù)流，如IP等業(yè)務(wù)。3.4動(dòng)態(tài)信道分配為了提高系統(tǒng)容量、減少干擾、更有效地利用有限的信道資源，蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)普遍采用信道分配技術(shù)，即根據(jù)移動(dòng)通信的實(shí)際情況及約束條件，設(shè)法使更多用戶接入的技術(shù)。信道分配有固定信道分配（FCA）、動(dòng)態(tài)信道分配（DCA）和混合

14、信道分配（HCA）3種。TDSCDMA系統(tǒng)采用RNC集中控制的DCA技術(shù)，在一定區(qū)域內(nèi)，將幾個(gè)小區(qū)的可用信道資源集中起來(lái)，由RNC統(tǒng)一管理，按小區(qū)呼叫阻塞率、候選信道使用頻率、信道再用距離等諸多因素，將信道動(dòng)態(tài)分配給呼叫用戶。信道動(dòng)態(tài)分配分為2個(gè)階段：第1階段是呼叫接入的信道選擇，采用慢速DCA；第2階段是呼叫接入后為保證業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量而進(jìn)行的信道重選，采用快速DCA。RNC根據(jù)各相鄰小區(qū)占用的時(shí)隙，計(jì)算或測(cè)量時(shí)隙的干擾情況，動(dòng)態(tài)地在RNC所管轄的各小區(qū)間、工作載波間及上下行鏈路之間進(jìn)行時(shí)隙分配。4結(jié)語(yǔ)TDSCDMA的關(guān)鍵技術(shù)還有聯(lián)合檢測(cè)、同步以及軟件無(wú)線電等，限于篇幅有限，在這里就不一一介紹了。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是數(shù)字化、綜合化、智能化、寬帶化、移動(dòng)化等通信技術(shù)的融合體，他的實(shí)現(xiàn)將是人類進(jìn)入自由通信時(shí)代的理想境界個(gè)人通信的必由之路。我國(guó)所提出的TDSCDMA標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了世界通信的發(fā)展趨勢(shì)，基于全球的GSM容量巨大和用戶眾多之現(xiàn)實(shí)，技術(shù)實(shí)現(xiàn)的出發(fā)點(diǎn)則采用繼承GSM制式，并在此基礎(chǔ)上充分利用CDMA的各項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，把我國(guó)具有世界領(lǐng)先