第三代移动通信第5章 讲义.docx
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第三代移动通信第5章讲义
第5章TD-SCDMA移动通信系统
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的作用及相互间映射关系；
●TD-SCDMA物理信道的功能、物理信道分层、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-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拥有独特的特点。
1.混合多址方式
TD-SCDMA系统采用混合多址接入方式。
2.TDD双工方式
3.TD-SCDMA的物理信道
TD-SCDMA的基本物理信道特性由频率、码和时隙决定。
其帧结构将10ms的无线帧分成两个5ms子帧，每个子帧中有7个常规时隙和3个特殊时隙。
信道的信息速率与符号速率有关，符号速率由1.28Mcps的码片速率和扩频因子（SF）所决定。
4.TD-SCDMA核心网络
TD-SCDMA核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与它们的兼容性，5.TD-SCDMA网络中的关键技术
TD-SCDMA独特的帧结构保证它可以采用一些先进的物理层技术，主要有智能天线技术、联合检测技术、上行同步、接力切换和动态信道分配等，从而提高系统的性能。
这些关键技术也是TD-SCDMA和其它3G标准竞争的核心竞争力。
5.2TD-SCDMA空中接口
5.2.1TD-SCDMA空中接口协议结构
1.TD-SCDMA空中接口的协议结构
TD-SCDMA空中接口协议结构如图5-2所示。
图5-2空中接口协议结构
与WCDMA的空中接口协议结构一样，TD-SCDMA系统的空中接口（Uu）的协议结构分为三层，物理层、数据链路层和网络层，其中数据链路层由媒体接入控制子层（MAC）、无线链路控制子层（RLC）、分组数据协议汇聚子层（PDCP）和广播/多播控制子层（BMC）组成。
从不同协议层如何承载用户各种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。
2.TD-SCDMA系统信道介绍
（1）逻辑信道
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。
控制信道包括广播控制信道（BCCH）、寻呼控制信道（PCCH）、公共控制信道（CCCH）、专用控制信道（DCCH）和共享控制信道（SHCCH）。
业务信道包括公共业务信道（CTCHl）和专用业务信道（DTCHl）。
（2）传输信道
①公共传输信道考虑到TD增强技术，公共传输信道有7类：
●广播信道
●寻呼信道
●前向接入信道
●随机接入信道
●上行共享信道
●下行共享信道
●高速下行共享信道
②专用传输信道
仅有一类专用传输信道（DCH，DedicatedChannel），可用于上下行链路作为承载网络和特定UE之间的用户信息或控制信息。
（3）物理信道
TD-SCDMA系统中，物理信道是由频率、时隙、码字共同定义的，建立一个物理信道的同时，也就给出了它的初始结构。
按其承载的不同信息被分成了不同的类别，有用于承载传输信道数据的物理信道，也有仅用于承载物理层自身信息的物理信道。
（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
5.2.2TD-SCDMA物理层
1.TD-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（FER）、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。
2.TD-SCDMA物理信道分层
TD-SCDMA物理信道的（信号格式）结构分为四层：
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，TD-SCDMA将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。
3.TD-SCDMA物理信道帧结构
图5-5TD-SCDMA无线子帧结构
每个子帧由7个常规时隙和3个特殊时隙组成，3个特殊时隙分别是下行导频时隙（DwPTS，DownlinkPilotTimeSlot）、上行导频时隙（UpPTS，UplinkPilotTimeSlot）和保护间隔（GP）。
时隙用于在时域上区分不同用户信号，具有TDMA的特性，每个物理信道都有其特有的时隙结构。
在TD-SCDMA中，不管时隙的非对称性如何，每一子帧中只能有2个转换点。
3个特殊时隙DwPTS、GP和UpPTS总是处于时隙TS0和TSl之间，每个子帧中的3个特殊时隙作用如下。
（1）下行导频时隙（DwPTS）
下行导频时隙（DwPTS）用于下行链路同步和初始小区搜索。
DwPTS由长为64chip的下行同步码（SYNC-DL）和长为32chip的保护间隔（GP）组成，其时隙结构见图5-7。
SYNC-DL是一组PN码，用于区分不同的相邻小区，系统中定义了32个码组，每组对应一个SYNC-DL序列，为64位长的基本二进制序列，在规范中可查到。
SYNC-DLPN码集在蜂窝网络中可以复用。
DwPTS的发射必须要满足覆盖整个区域的要求，因此不采用智能天线赋形技术。
TD-SCDMA系统中使用独立的DwPTS的原因是解决在蜂窝和移动环境下，TDD系统的小区搜索问题，将DwPTS放在单独的时隙，便于下行同步的迅速获取，还可以减小对其他下行信号的干扰。
（2）上行导频时隙（UpPTS）
上行导频时隙（UpPTS）主要用于随机接入过程中UE与NodeB的初始同步，即建立上行同步。
当UE处于空中登记和随机接入状态时，将首先发射UpPTS，当得到网络的应答后，才发送随机接入信道（RACH）信息。
UpPTS由长为128chip的上行同步码（SYNC-UL）和32chip的保护间隔（GP）组成，其时隙结构见图5-8。
SYNC-UL是一组PN码，用于在接入过程中区分不同的UE。
TD-SCDMA系统中使用独立的UpPTS的原因是用户终端在随机接入时还没达到上行同步。
如果此时接入信号和正在工作的码道混在一起，势必对工作中的码道带来较大干扰，NodeB也较难识别此接入请求。
如果采用独立的UpPTS可以避免干扰，较好地解决随机上行同步和识别的问题。
（3）保护间隔（GP）
保护间隔（GP）是在NodeB侧，由发射向接收转换的保护间隔，GP的设计决定了TD-SCDMA系统小区的覆盖范围。
较大的保护间隔可以防止UpPTS和DwPTS信号相互干扰，还可以允许UE在发出上行同步信号时进行一些时间提前。
GP时长为75us（96chip），可确保小区覆盖半径为11.25km。
4.TD-SCDMA突发结构
在TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发（Burst）。
TD-SCDMA系统采用的突发结构如图5-9所示。
图5-9TD-SCDMA系统的突发结构
（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。
物理层控制平面的控制信令的结构如图5-10和图5-11所示。
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。
5.2.3TD-SCDMA物理信道
1.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
编码/复用要经过以下步骤：
给每个传送块加CRC效验位、传送块级联/编码块分割、信道编码、无线帧尺寸均衡、第一次交织、无线帧分割、速率匹配、传输信道的复用、比特加扰、物理信道的分割、第二次交织、无线子帧分割、最后完成到物理信道的映射。
经过上述过程的单个数据流形成的传输信道可以映射到一个或多个物理信道。
也可以多个并行的数据流以复用形式组成编码复合传输信道CCTrCH。
与WCDMA系统一样，CCTrCH只是在MAC层向物理层映射时出现的一个逻辑概念。
CCTrCH同样可以映射到一个或多个物理信道。
而对于一个物理信道，只能对应同一个CCTrCH。
不同传输信道可以按一定的规则被编码和复用到一个CCTrCH中。
5.2.5扩频与调制
图5-13所示为TD-SCDMA系统数据扩频调制方式的示意图，图中不包括正交的射频调制部分。
与WCDMA系统不同的是增加了子帧形成部分。
TD-SCDMA系统数据扩频调制由串并变换和数据映射、OVSF码扩频、加扰和子帧形成四部分组成。
图5-13TD-SCDMA系统QPSK数据扩频调制示意图
1.串并变换和数据映射
2.OVSF码扩频
3.加扰
4.子帧形成
5.2.6TD-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，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。
中间码、SYNC-DL、SYNC-UL都是直接以码片速率的形式给出，不需要扩频，也不需要进行加扰处理。
在3GPP规范中，以实数值的形式给出，不需要任何生成过程。
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，如表5-2所示。
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
码组
关联码
SYNC-DL码编号
SYNC-UL码编号
扰码编号
基本中间码编号
码组
0
0…7
0
0
1
1
2
2
3
3
码组
1
8…15
4
4
5
5
6
6
7
7
┆
┆
┆
┆
┆
码组
31
248…255
124
124
125
125
126
126
127
127
5.2.7N频点技术
TD-SCDMA系统中，多载频系统是指一个小区可以配置多于一个载波频段的系统，并称这样的小区为多载频小区。
通常多载频系统将相同地理覆盖区域的多个小区（假设每个载频为一个小区）合并到一起，共享同一套公共信道资源，从而构成一个多载频小区，称这种技术为N频点技术。
通过使用N频点技术，依靠增加系统的载频数量可以解决单个TD-SCDMA载频所能提供的用户数量有限的问题，进而提高热点地区的系统容量覆盖。
5.3TD-SCDMA系统物理层主要工作过程
5.3.1小区搜索
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，采用了独特的四步搜索过程。
第一步：
搜索DwPTS
UE利用DwPTS中下行同步码序列（SYNC-DL）与某一小区的DwPTS建立下行同步。
SYNC-DL是TD-SCDMA系统预定的64位PN序列，最多可以有32种可能的选择，UE必须要识别出在该小区可能要使用的32个SYNC-DL中的哪一个SYNC-DL被使用。
这一步通常是通过一个或多个匹配滤波器（或类似的装置）与接收到的SYNC-DL进行匹配来实现，得到最大相关峰值的码被确认为当前小区使用的SYNC-DL，根据相关峰值的位置可以初步认定系统下行链路的定时信息。
第二步：
识别扰码和基本中间码
UE需要确认小区主公共控制信道（P-CCPCH）上的中间码和对应的扰码。
DwPTS紧随TS0的P-CCPCH之后，DwPTS中有SYNC-DL。
在TD-SCDMA系统中，共有128个互不重叠的中间码。
基本中间码的序号除以4就是SYNC-DL的码号，每个SYNC-DL对应一组4个不同的基本中间码，32个SYNC-DL和32个中间码组一一对应。
也就是说，一旦SYNC-DL确定之后，UE也就知道了该小区采用了哪4个中间码，这时UE可以采用试探法和错误排除法确定P-CCPCH到底采用了哪个中间码。
在一帧中使用的基本中间码均是由相同的中间码经过循环移位生成。
由于每个基本中间码与扰码是相对应的，知道了基本中间码也就知道了扰码。
根据确认的结果，UE可以进行下一步或返回到第一步。
第三步：
控制复帧同步
UE搜索在P-CCPCH中BCH的复帧主指示块（MIB，MasterIndicationBlock）的位置。
为了准确读出BCH中的信息，UE需要知道每一帧的系统帧号。
系统帧号出现在物理信道QPSK调制时相位变化的排列图案中，它是由经过QPSK调制的DwPTS的相位序列（相对于在时隙TS0上的P-CCPCH的中间码）来标示。
通过对n个连续的DwPTS时隙进行检测可以取得复帧同步，确定MIB在控制复帧中的位置，也即确定了BCH信息在P-CCPCH帧结构中的位置。
根据复帧同步的结果，UE可以决定是否执行下一步或回到第二步。
第四步：
读BCH信息
UE利用前几步已经识别出的扰码、中间码、复帧读取搜索到小区的一个或多个广播信道（BCH）上的广播信息，进而得到小区的配置等公共信息。
根据解码BCH读取结果的成败，UE决定是完成小区搜索还是返回以上几步。
5.3.2上行同步
UE开机之后，它必须首先与小区建立下行同步。
只有建立了下行同步，UE才能开始建立上行同步。
1.上行同步的建立
在下行链路上，UE可以从NodeB接收到下行同步信号，但是UE到NodeB的距离还是无法确定，可能会导致UE的上行发射信号不能同步到达NodeB。
为了减小对常规时隙的干扰，上行信道首先在UpPTS这个特殊时隙发射SYNC-UL序列，SYNC-UL突发的发射时刻可通过对接收到的DwPTS或P-CCPCH的功率估计来确定。
UpPTS时隙专门用作UE与系统建立上行同步，不包含用户的业务数据。
系统中每个DwPTS序列号对应8个SYNC-UL码字，UE根据收到的DwPTS信息，确定将使用的SYNC-ＵL序列。
NodeB采用相关运算的方法，在搜索窗内通过对SYNC-ＵL序列的检测，NodeB可估计出接收功率和时间，然后通过快速物理接入信道（F-PACＨ）向UE发送反馈信息，调整下次发射的发射功率和发射时间，以便建立上行同步。
如果UE在4个子帧内没有收到来自NodeB的应答，则认为上行同步请求失败，UE将会随机延迟一段时间，重新开始尝试上行同步过程。
2.上行同步的保持
由于UE的移动，它到NodeB的距离总是在变化，所以整个通信过程中需要保持上行同步。
TD-SCDMA系统中上行同步的保持是根据接收到的下行链路的定时信息，发送下行链路的定时提前量来实现的，可以利用每一个上行突发中的中间码来保持上行同步。
在每一个上行时隙中，各个UE的中间码不相同。
NodeB可以在同一个时隙通过测量每个UE的中间码来估计不同UE的信道冲激响应，接着估计每一个UE的发射功率和发射时间偏移，然后在下一个可用的下行时隙中发射同步偏移（SS，SynchronizationShift）命令和功率控制（PC,PowerControl）命令，以使UE可以根据这些命令分别适当调整它的发送时间和发射功率。
上行同步的更新有三种可能情况：
增加一个步长、减少一个步长或保持不变。
上行同步的调整步长是可配置和再设置的，取范围为1/8至1码片持续时间。
同步检测和控制是每个子帧（5ms）进行一次。
5.3.3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
当UE处于空闲模式下，它将维持下行同步并读取小区广播信息。
从该小区所用到的DwPTS，UE可以得到为随机接入而分配给UpPTS物理信道的8个上行同步码（SYNC-UL）码。
2.随机接入过程
随机接入过程的示意图如图5-15所示。
第
（1）、
（2）步即为建立上行同步的过程，后续的进程为资源请求过程。
图5-15TD-SCDMA系统随机接入过程示意图
（1）UE从它要接入的小区所采用的8个可能的SYNC-UL码中随机选择一个，并在UpPTS物理信道上将它发送到NodeB。
（2）NodeB检测来自UE的UpPTS信息。
NodeB根据收到的到达的时间和接收功率确定发射功率更新和定时调整的指令，并在接收到UpPTS信息后的4个子帧内通过FRACH将它发送给UE。
FPACH中包含用于UE进行交叉检测的签名码信息和相对帧号，即接收到被确认的签名码之后的帧号。
（3）UE收到FPACH（与所选签名码对应的FPACH）控制信息时，表明NodeB已经收到了UpPTS序列。
UE按照NodeB指令调整发射时间和功率，并确保在接下来的两帧后，在对应于FPACH的PRACH信道上发送RRC接入请求消息。
（4）基站将会在对应于PRACH的CCPCH信道上发送来自网络的RRC连接建立响应消息。
该消息指示UE发出的随机接入是否被接受，如果被接受，将在网络分配的上行和下行链路专用信道上通过FACH建立起上、下行链路。
（5）UE收到来自网络的RRC连接建立响应消息后，在DCCH信道上向网络发送证实消息。
至此，随机接入过程就完成了。
3.随机接入冲突处理
5.4TD-SCDMA系统关键技术
5.4.1智能天线技术
1.智能天线的基本概念
智能天线（SmartAntenna）是基于自适应天线阵原理，利用天线阵的波束赋形产生多个独立的波束，并自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户，减小甚至抵消干扰信号，达到提高信号干扰噪声比（信干比），增加系统容量、频谱利用率和降低发射信号功率的目的。
智能天线技术是TD-SCDMA系统采用的核心技术之一，TD-SCDMA系统也是一个以智能天线为中心的3G网络系统。
2.智能天线的基本原理
智能天线的物理结构是一种由多个天线阵元组成的按一定配置排列的阵列天线。
它通过调节各阵元信号的加权幅度和相位来改变阵列的天线方向图，利用数字信号处理方法使天线主瓣自适应的指向移动台方向，从而达到提高信号载干比，降低发射功率的目的。
典型的智能天线工作流程为：
天线阵列接收到的信号经过下变频到基带，再经过A/D转换成为数字信号。
阵列加权处理过程在基带，通过数字信号处理完成。
（1）智能天线阵列
智能天线阵列本身由M个空间分布的天线阵元组成。
到达天线阵的信号完全相关，每个阵元上的信号以相同的方式衰落。
根据天线阵列的几何形状，一般有等距离线阵、均匀园阵、平面格状阵列和立体格状阵列等，阵元间距为小于或等于1/2波长。
TD-SCDMA系统的智能天线如图5-16所示，使用一个环形天线阵列，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，各阵元间距
（
为载波波长），每个扇区有一个天线阵元，负责收发信号。
智能天线的功能是由天线阵列及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。
图5-16TD-SCDMA系统的智能天线
（2）智能天线的波束赋形技术
①第一类是基于参考信号的波束赋形技术。
②第二类是基于DOA的波束赋形技术。
（3）智能天线的工作方式
①预多波束切换系统
②自适应阵列系统
5.4.2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（MAI，MultipleAccessInterference）和码间干扰（ISI，InterSymbolInterference）。
随着用户数的增多或者某些用户功率的增强，MAI成为影响系统容量和性能的主要原因，CDMA系统是干扰受限的系统。
传统的CDMA检测算法，即RAKE接收，把MAI当作噪声来处理，分离地检测各个用户的信号，导致系统容量的下降。
但MAI里有许多先验信息，如确知的用户扩谱序列等等。
如果能利用MAI，把所有用户的检测看作一个统一的信号检测过程，必然可以提高系统的容量。
对每个用户的检测都利用多个用户的信息去实现数据接收或数据检测的方法称为多用户检测。
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，显著的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
研究表明，无论是智能天线技术还是联合检测技术，单独使用都难以在容量和质量两个方面同时达到IMT-2000的要求。
将智能天线技术和联合检测技术结合起来应用的方法示意图如图5-20所示。
图5-20智能天线和联合检测技术结合应用示意图
5.4.3接力切换
在切换过程中，首先将上行链路转移到目标小区，而下行链路仍与原小区保持通信，经过暂短的分别收发过程后，再将下行链路也转移到目标小区，完成接力切换。
移动台比较精确的位置信息，主要是通过对移动台的精确定位技术来获得。
在TD-SCDMA系统中，移动台的精确定位应用了智能天线技术。
NodeB利用天线阵估计UE的DOA，然后通过信号的往返时延，确定UE到NodeB的距离，基站可以确知UE的位置信息。
如果来自一个基站的信息不够，可以让几个基站同时监测移动台并进行定位。
由于网络有UE的准确位置信息，所以系统可以采用接力切换方式。
5.4.4动态信道分配
信道分配算法可以分为固定信道分配（FCA，FixedChannelAllocation）和动态信道分配（DCA，DynamicChannelAllocation）两种。
FCA根据预先估计的覆盖区域的业务负荷，将可用信道分配给特定小区。
根据某种频率再用模式，每个小区被固定分配了某个信道集合，所有在该小区的呼叫都必须使用分配给该小区的信道，相同的信道只有在一定距离间隔之外的其他小区才可以得到使用。
5.4.5 软件无线电
软件无线电（SDR，SoftwareDefinedRadio），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。
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