TDSCDMA关键技术.docx

TDSCDMA关键技术.docx

《TDSCDMA关键技术.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《TDSCDMA关键技术.docx（50页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

TDSCDMA关键技术

4.1TD-SCDMA系统中的关键技术3

4.2联合检测3

4.2.1CDMA系统中的干扰3

4.2.2联合检测的定义5

4.2.3联合检测的基本原理5

4.2.4系统实现中用到的联合检测6

4.2.5联合检测的优点及发展8

4.3智能天线技术9

4.3.1智能天线的基本概念9

4.3.2智能天线的优点10

4.3.3智能天线的技术与实现12

4.3.3.1智能天线系统的组成12

4.3.3.2智能天线系统的技术实现12

4.4上行同步12

4.4.1上行同步概述12

4.4.2上行同步建立12

4.4.3上行同步保持12

4.5接力切换12

4.5.1切换的基本概念12

4.5.2TD-SCDMA系统中的切换12

4.6软件无线电12

4.7功率控制12

4.7.1功率控制的目的12

4.7.2功率控制类型12

4.7.3内环功率控制的实现12

4.8动态信道分配12

4.8.1无线资源管理的基本概念12

4.8.2动态信道分配12

4.9本章练习12

第四章

TD-SCDMA关键技术

本章目标：

1.至少说出TD-SCDMA的三个关键技术

2.至少说出智能天线的三个特点

3.说出接力切换的与软切换和硬切换有何不同

4.1TD-SCDMA系统中的关键技术

在TD-SCDMA系统中，用到了以下几种主要的关键技术：

1：

时分双工方式（TDD）

2：

联合检测（JointDetection）

3：

智能天线（SmartAntenna）

4：

上行同步（UplinkSynchronous）

5：

接力切换（BatonHandover）

6：

软件无线电（SoftRadio）

7：

功率控制（PowerControl）

8：

动态信道分配（DynamicChannelAllocation）

图4.1TD-SCDMA系统中用到的关键技术

对于时分双工方式，我们已经在物理层原理一章中做了详细的介绍，在本章中就不做叙述了，下面我们从联合检测开始，给大家介绍其他几种关键技术的基本原理及技术实现。

4.2联合检测

4.2.1CDMA系统中的干扰

1：

小区内干扰

✓无线通信信道的时变性和多径效应

✓扩频码的自相关和互相关特性不理想

✓同一用户数据之间存在的符号间干扰（ISI-InterSymbolInterference）

✓同小区内部其他用户信号造成的多址干扰（MAI-Multi-AddressInterference）

图4.1多址干扰和码间干扰

MAI（MultipleAccessInterference）:

由于不同用户共享同一频段而产生的多址接入干扰。

当用户数目很少时，MAI一般可以忽略；但是随着用户数目的增加，MAI会越来越大。

ISI（Inter-SymbolInterference）:

由于信道特性的不理想而引起的符号间干扰。

可以采用Viterbi算法等方式来抗符号间干扰，但是，对于CDMA系统来说，由于多址干扰与非常短的符号间隔结合在一起，造成若采用Viterbi算法需要非常多的状态数，这是无法实现的。

解决方法：

✓频率/空间/时间分集

✓多用户检测MUD（Multi-UserDetection）

✓智能天线

2:

小区间干扰

✓同频小区之间信号造成的干扰

解决方法:

✓通过合理的小区配置来减小其影响

✓TD-SCDMA智能天线可以减少小区间干扰

3：

干扰带来的问题

系统的容量受到限制：

✓单用户性能受到ISI的限制

✓多用户性能受到MAI的限制

远近效应问题：

✓各用户到基站的距离或者衰落深度不同，强信号将抑制弱信号，使得相对较弱的用户信号得不到正常的检测

4：

干扰的解决办法

✓即使在最差的情况下，小区间干扰功率也不超过小区内部干扰功率的60％，因此系统容量主要取决于小区内ISI和MAI的处理。

✓CDMA系统中缓解MAI的重要手段是采用严格的功率控制技术，但这个技术只是在一定程度上控制远近效应而不能从根本上消除多址干扰的影响，因而对系统容量的提高是有限的。

4.2.2联合检测的定义

综合考虑同时占用某个信道的所有用户或某些用户，消除或减弱其他用户对任一用户的影响，并同时检测出所有用户或某些用户的信息的一种方法。

它的基本思想是通过挖掘有关干扰用户信息（信号到达时间、使用的扩频序列、信号幅度等）来消除多址干扰，进而提高信号检测的稳定性。

不再像传统的检测器那样忽略系统中其他用户的存在。

理论分析表明，如果联合检测能完全消除本小区其它用户的多址干扰，系统容量可以提高2.8倍。

利用时域均衡技术，最大限度地利用每个用户的有用信息，从而最大限度地消除MAI，且无需严格地功率控制措施。

4.2.3联合检测的基本原理

在CDMA系统中多个用户的信号在时域和频域上是混叠的,接收时需要在数字域上用一定的信号分离方法把各个用户的信号分离开来。

由于MAI中包含许多先验的信息，如确知的用户信道码、各用户的信道估计等等，因此MAI不应该被当作噪声处理，它可以被利用以提高信号分离方法的正确性。

这样充分利用MAI中的先验信息,将所有用户信号的分离看作一个统一过程的信号分离方法称为多用户检测，基本思想是把所有用户信号当作有用信号来对待，而不是看作干扰信号。

其基本方法是对信道特性（包括多址传播特性等）进行估值，并通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭代法消除多用户之间的干扰，将所有用户的数据正确地恢复出来。

根据对MAI处理方法的不同，多用户检测技术可以分为干扰抵消和联合检测两种。

其中联合检测技术充分利用MAI，将所有的用户信号都分离开来的一种信号分离技术。

联合检测算法一般分为两类：

线性算法、判决反馈算法。

判决反馈算法是在线性算法基础上经过一定的扩展得到，计算复杂度较大，因此在实际应用中，通常使用计算量较小、形式较为简单的线性算法：

迫零线性均衡算法（ZF-BLE）和最小均方误差均衡算法（MMSE-BLE）。

ZF-BLE算法完全消除了ISI和MAI，但增强了噪声功率；MMSE-BLE算法在消除干扰和增大噪声之间取折衷，性能优于ZF-BLE，其代价是需要估计干扰功率。

图4.1联合检测基本思想

4.2.4系统实现中用到的联合检测

图4.1联合检测信道模型

其中：

d：

表示用户实际要传输的数据

c：

表示经过扩频后的数据

h：

代表信道冲激响应

e：

代表基站接收到的数据e=Ad+n

n：

高斯白噪声

A：

A矩阵

k：

用户数

首先通过Midamble码作信道估计：

然后进行数据恢复：

联合检测实现示意图：

图4.2联合检测实现示意图

4.2.5联合检测的优点及发展

对于上行链路：

✓上行链路是CDMA系统的瓶颈，而联合检测能大幅度提高上行链路的性能。

✓具有优良的抗多址及多径干扰性能，可以消除通信系统中的大部分干扰,从而降低了整个系统的误码率,使通信系统的容量和通信质量得以显著提高。

✓具有克服远近效应的能力，增加信号动态检测范围，对功率控制的要求降低。

✓提高链路性能，降低用户设备（UE）的发射功率，提高待机及通话时间。

✓增加通信距离，增大基站覆盖范围，降低了基站综合成本。

对于下行链路：

✓CDMA系统中，NB通常根据最远UE调整发射功率，会造成很强的下行干扰；但如果NB根据UE的距离调整发射功率，又会造成很强的远近效应，导致部分UE无法工作。

✓联合检测使得TD-SCDMA具有克服远近效应的能力，增加信号动态检测范围，对功率控制的要求降低，故可以在一定范围内根据UE的距离分配发射功率，降低系统下行干扰，提高系统容量。

联合检测与智能天线相结合：

从理论上讲，联合检测技术可以完全消除多址干扰的影响。

但在实际应用中，联合检测技术将会遇到以下问题：

✓信道估计的不准确将影响到检测结果的准确性；

✓随着处理信道数的增加，算法的复杂度并非线性增加；

✓对小区间的干扰没有得到很好的解决。

在TD-SCDMA系统中并不是单独使用联合检测技术,而是采用了联合检测和智能天线技术相结合的方法,以充分发挥这两种技术的综合优势。

4.3智能天线技术

智能天线原名为自适应天线阵列（AdaptiveAntennaArray，AAA），最初应用于雷达、声纳等军事通信领域，主要用来完成空间滤波和定位，例如相控阵雷达就是其中一种采用较简单自适应天线阵的军事产品。

智能天线是移动通信人员把自适应天线阵应用于移动通信的名称，英文名称为（SmartAntenna，SA）。

移动通信传输环境恶劣，由于多经衰落、时延扩展造成的符号间干扰、FDMA和TDMA系统（如GSM）由于频率复用引起的共信道干扰、CDMA系统中的多址干扰等都会使链路性能变差、系统容量下降，而我们所熟知的均衡、码匹配滤波、RAKE接收机、信道译码技术等都是为了对抗或者较少这些干扰的影响。

这些技术实际利用的都是时域、频域信息，但在实际上有用的信号，其时延样本和干扰信号在时域、频域存在差异的同时，在空域（DirectionOfArrival，DOA）也存在差异，分级天线，特别是扇区天线可看作是对这部分区域资源的初步利用，而要更充分地利用它只有智能天线。

那么究竟什么是智能天线呢？

4.3.1智能天线的基本概念

TD-SCDMA系统的智能天线的原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列，通过改变各天线单元的激励的权重（相位和幅度），利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用DSP技术使主波束指向期望用户并且波束自适应地跟踪移动台方向，这样在干扰用户的方向形成零陷。

系统通过上述方法可达到提高信号的载干比，达到降低发射功率等目的。

图4.1智能天线的基本原理

4.3.2智能天线的优点

在没有智能天线时，系统会遇到什么问题呢？

图4.1在没有智能天线的情况下用户间干扰严重

全向天线所发射的无线信号功率分布于整个小区，各用户间存在较大干扰。

✓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。

图4.2在有智能天线的情况下干扰有效抑制

发射功率指向特定的激活用户，并随着用户的移动而动态的调整发射方向，用户间干扰得到有效抑制。

✓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。

大家可以通过上图看到智能天线在小区内可以有效抑制用户间的干扰，那么在小区间，干扰是否依然存在呢？

大家可以通过下图看出，智能天线对于抑制小区间的干扰也同样有效。

图4.3小区间的干扰得到有效抑制

那么下面我们把智能天线的优点总结一下：

✓提高了基站接收机的信躁比

✓提高了基站发射机的等效发射功率，增大天线覆盖范围

✓降低了系统干扰

✓提高系统容量和质量

✓减小基站和手机发射功率

✓提高移动站定位精度

✓增加新的定位服务

1：

提高了基站接收机的信躁比：

基站所接收到的信号为来自各天线单元和收信机所接收到的信号之和。

如采用最大功率合成算法，在不计多径传播条件下，则总的用户信号为各天线用户信号的矢量叠加，信号功率为20lgN（dB），其中，N为天线单元的数量；而总的接收噪声为各天线接收噪声的功率叠加，噪声功率为10lgN（dB）；接收信噪比为10lgN（dB）。

存在多径时，此接收灵敏度的改善将随多径传播条件及上行波束赋形算法而略有改变。

2：

提高了基站发射机的等效发射功率：

发射天线阵在进行波束赋形后，该用户终端所接收到的等效发射功率可能增加20lgN（dB）。

其中，10lgN（dB）是N个发射机功率累加的效果，与波束成形算法无关；另外10lgN（dB）类似于基站接收机信噪比的提高，随传播条件和下行波束赋形算法可能略有下降。

3：

降低了系统的干扰:

上行：

基站的接收信号是有方向性的，对接收方向以外的干扰有一定的抑制；

下行：

波束赋形后低旁瓣泄漏大大减小小区内、小区间其他用户信号的干扰。

4：

增加了CDMA系统的容量:

CDMA系统是一个自干扰系统，其容量的限制主要来自本系统的干扰。

降低干扰对CDMA系统极为重要，它可大大增加系统的容量。

在CDMA系统中使用智能天线后，就提供了将所有扩频码所提供的资源全部利用的可能性。

4.3.3智能天线的技术与实现

4.3.3.1智能天线系统的组成

智能天线系统是由什么组成的？

究竟什么地方具有智能呢？

是天线本身具有智能吗？

图4.1智能天线系统的组成

1：

天线阵列

为了实现某种特定的辐射，由若干辐射天线单元按一定方式排列组成的天线系统称为天线阵。

影响天线阵辐射特性的可以分为下面几个方面：

a）       单元个数及其空间分布；

b）       单元辐射特性；

c）       各单元的激励。

这三方面任何一个改变，整个阵列的辐射特性就改变了。

显然决定天线赋形的不是天线阵本身，而是智能天线算法。

但天线阵在智能天线技术中也具有很重要的作用，那么在TD-SCDMA系统中用到了什么样的天线阵呢？

TD-SCDMA的智能天线可以使用圆阵天线或线阵天线，圆阵天线阵由8个完全相同的天线阵元均匀地分布在一个半径为R的圆上所组成。

智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。

天线的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360°（圆阵）或120°（线阵）的范围内任意赋形。

图4.2圆阵天线和线阵天线示意图

2：

智能天线算法

图4.3智能天线算法基本思想1

上图以两根阵元为例，示意了智能天线检测接收信道的原理，两根天线的阵元距离

/2（若阵元间距过大会使接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长），收到的信号分别标于图上，经过合并最终得到的信号含有r1（AOA到达方向角＝90

）和r2（AOA＝0

）的信号，为消除r1和r2的相互干扰影响，需要选择合适的加权系数

1和

2将彼此的影响去掉。

如本例中希望提取r1时，加权系数应为

1＝

2＝1，则可得到纯净的r1信号；如果希望提取r2时，加权系数应为-

1＝

2＝1，则可得到纯净的r2信号。

图4.4智能天线算法基本思想2

智能天线采用了空分多址技术，充分利用了信号空间上距离相位的差别，从而使得不同阵元上接收的信号相位不同，这样，对于上行，针对不同的阵元赋予不同权值，最后将所有阵元的信号进行同向合并，并进行输出，将同频率、同时隙、同码道的信号区分开来。

4.3.3.2智能天线系统的技术实现

1：

TD-SCDMA系统中的智能天线

不知大家是否考虑过，智能天线有这么多的优点，但在第三代移动通信系统中，到目前为止只有TD-SCDMA系统采用了智能天线技术，WCDMA和CDMA2000系统为什么没有采用智能天线技术呢？

————————————————————————————————————

————————————————————————————————————

————————————————————————————————————

————————————————————————————————————

2：

TD-SCDMA系统中智能天线设计的基本思想

图4.1智能天线系统的技术实现1

通过上面的智能天线原理图，我们可以看出，智能天线的下行波束赋形是和上行信道估计密切相关的，智能天线是根据上行信道估计的结果来计算下行赋形参数的。

同时我们可以看出，智能天线和联合检测是一个统一的整体，密不可分，我们在系统实际实现时，经常把这两个系统连在一起称呼叫做SJ（SmartAntenna＋JointDetection）。

图4.2智能天线系统的技术实现2

上图反映了系统在实际实现SJ时的信道模型：

其中

d：

表示用户实际要传输的数据

C：

表示经过扩频后的数据

e：

代表基站接收到的数据

Ka：

代表天线编号

h：

代表信道冲激响应

A：

A矩阵

w：

代表赋形参数

k：

代表用户数

3：

智能天线系统的校准

在使用智能天线时，必须具有对智能天线进行实时自动校准的技术。

在前面我们介绍智能天线原理中，已经分析了在TDD系统中使用智能天线时是根据电磁场理论中的互易原理，直接利用上行波束成型系数来进行下行波束成型。

但对实际的无线基站，每一条通路的无线收发信机不可能是全部相同的，而且，其性能将随时间、工作电平和环境条件（比如温度）等因素变化。

如果不进行实时自动校准，则下行波束成型将受到严重影响。

不仅得不到智能天线得优势，甚至完全不能通信。

因此，天线的校准是智能天线应用中的一项核心技术。

该校准主要包括射频部分和基带处理部分，通过天线校准：

✓保证下行发射时，天线各单元的一致性（满足下行波束赋形的需要）；

✓保证上行接收时，天线各单元的一致性（满足上行接收的需要）。

图4.3智能天线的校准

4：

智能天线赋形算法简介

赋形算法简介：

赋形算法名称

基本概念

特点介绍

1：

固定波束赋形

固定波束赋形实际上是一个基于参数（利用信道的空域参数）模型的算法，它使基站实现下行指向性发射。

“固定”的含义在于我们给定形成若干方向波束的权值，存储在列表中，在搜索时直接查表得到，然后根据一定的准则判断信号主径的到达方向角度（DOA）。

（1）思想简单、计算量小、能适用于各种类型的阵列。

（2）追踪精度不高。

（扇贝现象）

2：

DOA赋形

DOA赋形需要了解目标移动台与基站的相对位置，为了抑制同信道用户间的干扰，可能还需了解同信道移动站与基站的相对位置。

这些信息可以由上行信道数据得到，即利用上行信道参数，选择各种高分辨率的DOA估计算法，估计出用户的到达角度，并选择信号最强的那条多径对应的角度。

（1）分辨率较高。

（2）需要DOA估计，

复杂度大。

（3）只考虑到用户信号功率最强径的DOA，也丧失了多径分集作用。

3：

最强径赋形

最强径赋形的思想类似于DOA赋形，只不过它不需要DOA估计。

它是直接对上行估计得到的各用户的信道响应进行处理，计算每条多径的功率，然后根据最大功率所对应的多径响应进行赋形。

（1）思想简单。

（2）利用了上下行信道完全对称这个条件，在某些环境下（例如：

上下行时隙间隔长，移动台高速运动）具有一定局限性。

（3）只考虑到用户信号功率最强的径，也丧失了多径分集作用。

4：

特征分解赋形

特征分解赋形通过对空间相关矩阵进行特征分解来得到权矢量。

依据求解条件，它可以分为：

（A）完整计算赋形

（B）简化计算赋形

最大信干扰（MSINR）

最大信噪比（MSNR）

最大接收功率（MSP）

最大干扰抑制（MIR）

4A：

完整计算赋形

对于每个移动台，在接收的信干比达到一定门限时，基站的总体发送功率最小，这便形成了完整计算赋形算法

（1）综合考虑了所有移动用户，对于每个用户来说都能达到预定的信干扰比要求，并且减小了基站的发送功率，其性能是非常优越的。

（2）需要求解个约束方程，计算量很大。

表4.1赋形算法简介

TD-SCDMA系统中用到的赋形算法：

TD-SCDMA系统中用到的赋形算法

基本概念

特点介绍

GOB固定波束赋形

（GridsOfBeams）

1.由预先设计的多波束形状,由方向图合成算法，综合出主波束不同指向固定的波束方向图，制定不同DOA时所对应的阵元加权系数，并将其形成表格。

2.根据接收信号，检测与估计目标用户的主路径的DOA值。

按移动的准则，在由不同DOA预制的表格中，利用查表法选取对应的合适阵元加权系数值。

3.利用所选取的加权系数值，通过数字波束合成网络，形成跟踪该目标用户的准最优波束。

EBB

基于特征值的波束赋形

（EigenvalueBasedBeamforming）

特征波束赋形基于信号空间协方差矩阵的（广义）特征值分解。

特征值分解算法提供了某准则下的最优权矢量解。

最大功率准则：

用户信号协方差矩阵

　　最大信噪比准则：

用户信号协方差矩阵和

噪声协方差矩阵

　　最大信干比准则：

用户信号协方差矩阵和

干扰协方差矩阵。

表4.2TD-SCDMA系统实现时用到的赋形算法

5：

智能天线演示实例

图4.4天线赋形方向图

图4.5关断1根（左图）和3根（右图）发射天线

图4.6关断6根（左图）和7根（右图）发射天线

图4.7关断1路接收天线

图4.8关断3路接收天线

图4.9关断6路接收天线

图4.10关断8路接收天线

智能天线实际测试过程中的方向图：

图4.11圆阵下行广播方向图

图4.12圆阵实测（左图）与理论值（右图）赋形波束

图4.13线阵下行广播方向图

图4.14线阵赋形方向图

6：

智能天线在实际网络中遇到的问题及解决方案

上面我们给大家介绍了许多智能天线的优势，那么在实际网络应用中，智能天线遇到了哪些问题呢？

我们面对这些问题又如何解决呢？

大家一块来讨论讨论。

————————————————————————————————————

————————————————————————————————————

————————————————————————————————————

————————————————————————————————————

————————————————————————————————————

————————————————————————————————————

————————————————————————————————————

————————————————————————————————————

4.4上行同步

上行同步概述

上行同步是TD-SCDMA系统必选的关键技术之一，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。

上行同步的定义：

所谓上行同步是指在同一小区中，同一时隙的不同位置的用户发送的上行信号同时到达基站接收天线，即同一时隙不同用户的信号到达基站接收天线时保持同步。

图4.1上行同步的基本概念

上行同步的意义：

✓保证CDMA码道正交

✓降低码道间干扰

✓消除时隙间干扰

✓提高CDMA容量

✓简化硬件、降低成本

图4.2上行同步的意义

上行同步分类:

✓开环同步：

用于上行同步建立（UE初始接入/Handover/位置更新….）

✓闭环同步：

用与上行同步保持（通话过程中）

上行同步建立

图4.3上行同步建立过程

✓在上行同步建立之前，UE必须利用DwPTS上的SYNC_DL信号建立与当前小区的下行同步.。

✓在上行同步建立过程中，UE首先在特殊时隙UpPTS上开环发送UpPCH信号。