TD-SCDMA 物理层关键技术介绍

TD-SCDMA物理层关键技术介绍 大唐移动通信设备有限公司

TD-SCDMA简介 • TD-SCDMA关键技术

什么是TD-SCDMA • TD－SCDMA • Time Division-Synchronization Code Division Multiple Access • 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 下行下行每个用户通过临时分配到的CDMA码来被识别下行最多可达16个码道上行 TD-SCDMA 特性下行 • 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）时隙 1.6 MHz

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 Pwr/ Code Pwr/ Code t t f f f CDMA TDMA/CDMA TDMA

第三代移动通信系统的双工方式 t • 双工方式： • 传统的FDD仍是主要的双工方式 • TDD方式受到更大关注 Pwr/ Code f TDD t Pwr/ Code f FDD f FDD+TDD

TD-SCDMA标准概况 • 多址接入方式：DS-CDMA/TDMA • 码片速率:1.28Mcps(WCDMA的1/3) • 双工方式：TDD • 载频宽度：1.6M Hz • 扩频技术：OVSF • 调制方式：QPSK,8PSK • 编码方式：1/2~1/3的卷积编码，Turbo编码

TDD双工方式的优点 • 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(例如下行频段比上行频段宽一倍) • 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

TD-SCDMA简介 • TD-SCDMA关键技术

1 2 3 4 5 6 TD-SCDMA 的关键技术 (..) • 智能天线：降低多径、多址干扰 • 联合检测：降低多址干扰 • 上行同步：减少码间串扰 • 动态信道分配：在时域、频域、码域实现以降低干扰 • ...

智能天线 (S.A.) • 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 • 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 • 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 • 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

智能天线的基本原理 • 智能天线的阵元通常是按直线等距、圆周或平面等距排列。每个阵元为全向天线 • 当移动台距天线足够远，实际信号入射角的均值和方差满足一定条件时，可以近似地认为信号来自一个方向

智能天线的基本原理（续） 以M元直线等距天线阵列为例：（第m个阵元）空域上入射波距离相差 Δd=m ·Δx · cosθ 时域上入射波相位相差

智能天线的基本原理（续） 可见，空间上距离的差别导致了各个阵元上接收信号相位的不同。经过加权后阵列输出端的信号为其中，A增益常数，s(t)是复包络信号，wm是阵列的权因子。

智能天线的基本原理（续） 正如正弦波叠加的效果，假设第m个阵元的权因子选择不同的Φ0，将改变波束的所对的角度，所以可以通过改变权值来选择合适的方向

BCH UpPTS DwPTS G TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 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

联合检测 (J.D.) • 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

多用户检测 • 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

多用户检测（续） • 根据对MAI处理方法的不同，次优多用户检测技术可以分为干扰抵消和联合检测两种 • 干扰抵消技术的基本思想是判决反馈，首先从总的接收信号中判决出其中部分的数据，根据数据和用户扩频码重构出数据对应的信号，再从总接收信号中减去重构信号，如此循环迭代 • 联合检测技术是利用所有和MAI相关的先验信息，在一步之内就将所有用户的信号分离出来

联合检测基本原理 • d是发射的数据符号序列，e是接收的数据序列，n是噪声 • A是与扩频码c和信道脉冲响应h有关的矩阵

Data Data Midamble Midamble Data Data GP GP 联合检测基本原理（续） • 只要接收端知道A(扩频码c和信道脉冲响应h)，就可以估计出符号序列－扩频码c已知－信道脉冲响应h可以利用突发结构中的训练序列midamble求解出

联合检测（续） • 联合检测技术：迫零算法(ZF)、最小均方差算法(MMSE)、使用反馈后的迫零算法和最小均方差算法 • 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) 下述几种动态信道分配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 • 频域 DCA • 频域DCA中每一小区使用多个无线信道(频道) • 在给定频谱范围内，与 5 MHz 的带宽相比， TD-SCDMA 的1.6 MHz 带宽使其具有3倍以上的无线信道数(频道数) • 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空间去耦 (降低多址干扰)

动态信道分配(DCA)(续) • GSM中的DCA • 信道分配（channel assignment）：半固定 • 信道选择（channel selection） • TD-SCDMA中的DCA 根据TD-SCDMA系统中的特点，参考GSM系统的DCA并加以改进、发展。 • 信道分配（channel assignment）：动态 • 接纳控制（admission control） • 信道选择（channel selection）

动态信道分配(DCA)(续) • 基本概念 TD-SCDMA系统中： • 信道（channel）：频率、时隙、码 • RU（resource unit）：频率、时隙、码 • 基本RU（basic RU）：SF＝16的RU

动态信道分配(DCA)(续) • DCA与TD-SCDMA其他技术的融合 TD-SCDMA系统中DCA的方法有如下几种： • 时域动态信道分配 • 因为TD-SCDMA系统采用了TDMA技术，所以通过选择接入时隙来减小激活用户之间的干扰。 • 频域动态信道分配 • 因为TD-SCDMA系统中每个小区可以有多个载波（一到三个），所以把激活用户分配在不同的载波上，从而减小小区内用户之间的干扰。 • 空域动态信道分配 • 因为TD-SCDMA系统采用智能天线的技术，可以通过用户定位、波束赋形来减小小区内用户之间的干扰、增加系统容量。

动态信道分配(DCA)(续) • 算法假设 • 单载波小区； • 上下行时隙采用固定的对称分布； • 所有实时业务不支持多时隙模式； • 上行、下行的SF固定为16

动态信道分配(DCA)(续) • 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AC • 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。

动态信道分配(DCA)(续) • DCA • SF动态分配 • 用户可以使用不同的SF。 • 上行、下行时隙动态分配 • 通过动态改变时隙转换点来实现 • 小区之间频率动态分配（小区中存在多载波的情况）

码道1 码道2 码道N 基站解调器 t 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

上行业务时隙 UpPTS SS Midamble 随机接入SYNC-UL ss UE的上行突发上行同步技术 • 同步的建立 • 在随机接入时建立 • 依靠BTS接收到的SYNC_UL • 立即在对应的F-PACH进行控制 • 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) • 失步后执行链路重建

BS2 BS1 BS0 G BS0 BS1 BS2 BTS Tx Rx TD-SCDMA基站同步 • 网络同步: 系统内各基站的运行采用相同的帧同步定时 • 同步的目的：避免相邻基站的收发时隙交叉，减小干扰 • 同步精度要求：几微秒 • 同步方法： • GPS： • 网络主从同步 • 空中主从同步

切换概念与接力切换 • 越区切换的概念 • 硬切换 • 软切换 • 接力切换

越区切换的概念 • 在现代无线通信系统中，为了在有限的频率范围内为尽可能多的用户终端提供服务，将系统服务的地区划分为多个小区或扇区，在不同的小区或扇区内放置一个或多个无线基站，各个基站使用不同或相同的载频或码，这样在小区之间或扇区之间进行频率和码的复用可以达到增加系统容量和频谱利用率的目的。 • 工作在移动通信系统中的用户终端经常要在使用过程中不停的移动，当从一个小区或扇区的覆盖区域移动到另一个小区或扇区的覆盖区域时，要求用户终端的通信不能中断，这个过程称为越区切换。注：这里的通信不中断可以理解为可能丢失部分信息但不致影响通信。

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息。

硬切换流程

软切换 • 在美国Qualcomm公司九十年代发明的码分多址（CDMA）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移动到另一个具有相同载频的小区或扇区时，在保持与原基站通信的同时，和新基站也建立起通信连接，与两个基站之间传输相同的信息，完成切换之后才中断与原基站的通信。 • 优点：软切换过程不丢失信息，不中断通信，还可增加系统容量。 • 缺点：其一解决了终端在相同频率的小区或扇区间切换的问题；其二软切换的基础是宏分集，但在IS-95中宏分集占用了50％的下行容量，因此软切换实现的增加系统容量被它本身所占用的系统容量所抵消。

软切换流程

接力切换的概念 • 接力切换适用于同步CDMA移动通信系统，是TD-SCDMA移动通信系统的核心技术之一。 • 设计思想：当用户终端从一个小区或扇区移动到另一个小区或扇区时，利用智能天线和上行同步等技术对UE的距离和方位进行定位，根据UE方位和距离信息作为切换的辅助信息，如果UE进入切换区，则RNC通知另一基站做好切换的准备，从而达到快速、可靠和高效切换的目的。这个过程就象是田径比赛中的接力赛跑传递接力棒一样，因而我们形象地称之为接力切换。 • 优点：将软切换的高成功率和硬切换的高信道利用率综合到接力切换中，使用该方法可以在使用不同载频的SCDMA基站之间，甚至在SCDMA系统与其他移动通信系统如GSM、IS95的基站之间实现不中断通信、不丢失信息的越区切换。

接力切换实现步骤 右图表示无线通信系统的一个蜂窝小区结构 NB0，NB1，NB2为基站，其中NB0是SCDMA系统的基站，NB1和NB2和NB0可以工作于相同或不同载波频率的SCDMA基站，也可以是其他无线通信系统的基站。 MS为正在与NB0通信的用户终端

功率控制 • 克服远近效应，因此上行功率控制十分重要 • 对抗阴影衰落和快速衰落 • 功率控制的主要目的－保证链路质量Qos要求－提高系统容量

功率控制 • 功率控制分为开环功率控制、内环功率控制和外环功率控制 • 由于下行不存在远近效应的问题，因此下面介绍以上行功率控制为主

功率控制（续） • 开环功控制伴随着随机接入过程对各个信道初始功率进行设置 • 内环功控通过对SIR测量值与SIRtarget值的比较调整UE端的发射功率，使NodeB接收到的SIR满足通信要求 • 外环功控制则是根据BER/BLER与Qos要求的门限相比较，并根据一定的外环功控算法给出既能保证通信质量又能使系统容量最大的SIR目标值

开环功率控制 • TDD方式中，开环功率控制算法能够利用上下行链路特性对称的特点，快速而准确地调整功率。 • 测量下行导频，估算出下行链路的损耗，将该损耗值等同于上行链路的损耗，计算出上行链路的发射功率 Path loss=Pt-Pr Pt(UE) = EIRP(NB)- Pr(UE) + Preq

内环功率控制 • 内环功控在NodeB和UE间形成反馈控制，通过TPC命令对UE的发射功率进行调节，使得无线链路的质量始终保持在SIR目标值要求水平上。 • TPC命令产生规则：如果SIRest > SIRtarget，TPC命令设为“power down”；如果SIRest < SIRtarget，TPC命令设为“power up”

Case 2, speed 3km/h Case 3, speed 120km/h Relative Delay [ns] Relative Mean Power [dB] Relative Delay [ns] Relative Mean Power [dB] 0 0 0 0 2928 0 781 -3 12000 0 1563 -6 2344 -9 外环功控链路仿真结果

外环功率控制 可见，SIR与BER/BLER的对应关系和无线链路的具体环境有关。在话音业务BER=10-3和BLER=10-2的Qos要求下，对应的SIR目标值不相同，所以为了适应无线链路的变化，需要实时地调整SIR的目标值

TD-SCDMA 物理层关键技术介绍