TDSCDMA系统概述.docx

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TDSCDMA系统概述

TD-SCDMA系统概述

2012年2月

摘要：

本文介绍了TD-SCDMA标准的形成、发展现状以及未来趋势，详细阐述了TD-SCDMA系统所应用的关键技术：

TDD技术、智能天线技术、联合检测技术、动态信道分配技术、接力切换技术等。

最后介绍了关键技术的未来发展，并就本文做了总结。

关键词：

TD-SCDMA;智能天线；联合检测；动态信道分配；接力接力切换

TD-SCDMASYSTEMOVERVIEW

Abstract:

ThisarticleintroducestheTD-SCDMAstandardformation,developmentstatusandfuturetrends,elaboratedontheTD-SCDMAsystembytheapplicationofkeytechnologies:

TDDtechnology,smartantennatechnology,jointdetectiontechniques,dynamicchannelallocationtechnologies,relayswitchingtechnologyandsoon.Finally,thefuturedevelopmentofkeytechnologies,andasummaryofthisarticle.

Keyword:

TD-SCDMA;SmartAntenna;JointDetection;DynamicChannelAllocation;RelaySwitching

1.引言

目前，码分多址接入（CDMA）方式已成为第三代移动通信技术中的主要技术。

由中国标准协会中国无线通信标准组织（CWTS）制定的标准——时分同步码分多址（TD-SCDMA），已被国际电联（ITU）和第三代协作项目组织（3GPP）接受，成为IMT-2000的大家庭中的一员。

由于UTRATDD的欧洲主要提出者德国西门子公司转而全力支持TD-SCDMA系统，TD-SCDMA因此成为当前3G系统中事实上的唯一的TDD标准。

TD-SCDMA虽然在支持高速移动能力上有一定劣势，但随着研究的深入，时分双工（TDD）方式在频谱利用率、制造成本以及演进策略方面的优势越来越明显。

2.TD-SCDMA标准

2.1TD-SCDMA标准的形成

TD-SCDMA作为具有我国自主知识产权的第三代移动通信标准，在我国的通信发展史上具有重要的意义。

在1998年6月，当它作为第三代移动通信无线接口传输建议提交到国际电联时，就在国际上引起了强烈的反响，并得到了西门子等许多国际著名公司和众多运营商的支持。

1999年TD-SCDMA标准以其具备的技术优势被ITU采纳，作为ITU认可的第三代移动通信无线传输技术之一，列入了ITU-RM.1457。

由于ITU并不负责具体的标准制定，TD-SCDMA标准的技术细节，是在另一个国际标准组织3GPP完成的。

1999年12月3GPPRAN第7次全会上正式确定了TD-SCDMA和另一个TDD的接入技术UTRATDD（也叫3.84McpsTDD）标准的融合原则。

在2001年3月的RAN第11次全会（美国加州）上，TD-SCDMA被正式列入3GPP关于第三代移动通信系统的技术规范，包含在3GPPRelease4版本中，这表明TD-SCDMA作为一个国际标准，被众多的业界通信制造商和运营商所接受，并为以后的市场化打开了局面。

从此TD-SCDMA进入了稳定发展和逐步完善的阶段。

在我国的标准化组织——中国通信标准协会（CCSA）的第五技术委员会（TC5）中，TD-SCDMA的标准化工作也在稳步地进行，目前CCSA已经制定了TD_SCDMA的一整套行业标准报批稿，包括系统体系、空中接口和网元接口的详细的技术规范，为TD-SCDMA的产业发展和商用化奠定了良好的基础[6]。

2002年10月23日，信息产业部公布TD-SCDMA频谱规划，为TD-SCDMA标准划分了总计155MHz（1880～1920MHz、2010～2025MHz及补充频段2300～2400MHz）的非对称频段。

这一丰富的频率资源，为TD-SCDMA的发展提供了更为充分的条件。

标准的形成可以由图2-1简单概括：

2.2TD-SCDMA标准的现状

自2001年3月3GPPR4发布后，TD-SCDMA标准规范的实质性工作主要在3GPP体系下完成。

在R4标准发布之后的两年多时间里，大唐与其他众多的业界运营商、设备制造商一起，又经过无数次会议讨论、邮件组讨论，通过提交的大量文稿，对TD-SCDMA标准规范的物理层处理、高层协议栈消息、网络和接口信令消息、射频指标和参数、一致性测试等部分的内容进行了一次次的修订和完善，使得到目前为止的TD-SCDMAR4规范达到了相当稳定和成熟的程度。

在3GPP的体系框架下，经过融合完善后，由于双工方式的差别，TD-SCDMA的所有技术特点和优势得以在空中接口的物理层体现。

物理层技术的差别是TD-SCDMA与WCDMA最主要的差别所在：

在核心网方面，TD-SCDMA与WCDMA采用完全相同的标准规范，包括核心网与无线接入网之间采用相同的Iu接口；在空中接口高层协议栈上，TD-SCDMA与WCDMA二者也完全相同。

这些共同之处保证了两个系统之间的无缝漫游、切换、业务支持的一致性、QoS的保证等，也保证了TD-SCDMA和WCDMA在标准技术的后续发展上保持相当的一致性。

2006年1月20日已经被宣布为中国的通信行业标准。

2.3TD-SCDMA标准的后续发展

在3G技术和系统蓬勃发展之际，不论是各个设备制造商、运营商，还是各个研究机构、政府、ITU，都已经开始对3G以后的技术发展方向展开研究。

在ITU认定的几个技术发展方向中，包含了智能天线技术和TDD时分双工技术，认为这两种技术都是以后技术发展的趋势，而智能天线和TDD时分双工这两项技术，在目前的TD-SCDMA标准体系中已经得到了很好的体现和应用，从这一点中，也能够看到TD-SCDMA标准的技术有相当的发展前途[9]。

另外，在R4之后的3GPP版本发布中，TD-SCDMA标准也不同程度地引入了新的技术特性，用以进一步提高系统的性能，其中主要包括：

通过空中接口实现基站之间的同步，作为基站同步的另一个备用方案，尤其适用于紧急情况下对于通信网可靠性的保证；终端定位功能，可以通过智能天线，利用信号到达角对终端用户位置定位，以便更好地提供基于位置的服务；高速下行分组接入，采用混合自动重传、自适应调制编码，实现高速率下行分组业务支持；多天线输入输出技术（MIMO），采用基站和终端多天线技术和信号处理，提高无线系统性能；上行增强技术，采用自适应调制和编码、混合ARQ技术、对专用/共享资源的快速分配以及相应的物理层和高层信令支持的机制，增强上行信道和业务能力。

在政府和运营商的全力支持下，TD-SCDMA产业联盟和产业链已基本建立起来，产品的开发也得到进一步的推动，越来越多的设备制造商纷纷投入到TD-SCDMA产品的开发阵营中来。

随着设备开发、现场试验的大规模开展，TD-SCDMA标准也必将得到进一步的验证和加强。

其演进阶段见图2-2。

TD-SCDMA标准之所以发展如此蓬勃，是因为它相对于cmda2000和WCDMA具有自己独有的优势和特点，下面就TD-SCDMA系统主要关键技术做详细介绍。

3.TD-SCDMA系统的关键技术

在TD-SCDMA为时分复用同步码分多址接入系统，无线传输方案综合了FDMA、TDMA和CDMA等多种多址方式。

故TD-SCDMA系统相对其他3G标准具有自己独有的特点，概括来说主要应用了TDD技术、智能天线技术、联合检测技术、动态信道分配技术、接力切换技术以及功率控制技术等关键技术，这也使TD-SCDMA具有其他3G标准所没有的技术优势。

下面一一加以介绍。

3.1TDD技术

要突出TD-SCDMA系统由无线接入网、核心网和用户终端设备三部分组成。

TD-SCDMA技术的主特点都集中在其无线接入网的无线传输技术中,其基本特征及主要特点如下[3]:

（1）采用不需要配对频率的TDD方式,。

上下行链路的信息是在同一载频的不同时间间隔上传送的。

且TD-SCDMA的码片速率是1.28Mcps，故被称为“1.28McpsTDD”。

由于它的码片速率低于在Release99中引入的3.84Mcps的TDD方式，因此也被称为“LowChipRateTDD”（LCRTDD）。

而3.84Mcps的TDD则被称为HighChipRateTDD（HCRTDD）。

如图3-1所示

（2）在TDD模式下,在周期性重复的时间帧里传输基本的TDMA突发脉冲（与GSM相同）,周期性地转换传输方向,在同一个载波上交替地进行上下行链路传输。

这样,可以根据业务的不同而任意调整上下行转换点,适用于不对称的上下行数据传输速率,尤其适合IP分组型数据业务。

对于对称和不对称业务,TDD模式都可提供最佳频谱利用率和最佳业务容量。

（3）由于采用TDD的双工方式,使得用同一频率的上下行链路具有相似的电波传播特性,便于采用智能天线等新技术,提高系统性能、降低成本。

（4）TD-SCDMA是同步的CDMA,它克服了异步CDMA技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同,造成码道非正交所带来的干扰问题,既提高了系统的容量,又使硬件得到简化。

它与UTRATDD的最大区别是:

UTRATDD是WCDMA（FDD）系统的一个补充,用于室内环境,提供高速数据和多媒体业务;而TD-SCDMA是基于ITU对IMT-2000的全部要求来设计的,解决了移动速度和小区半径等TDD的问题,本身就可以组成一个完整的蜂窝网络。

3.2智能天线技术

3.2.1智能天线的作用

智能天线的基本思想是:

天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。

智能天线技术的核心是自适应天线波束赋形技术，如图3-2所示。

在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域。

这就意味着用户的信号在到达基站收发信设备前可能经历了较长的传播路径，有较大的路径损耗，为使接收到的有用信号不至于低于门限值，可能增加移动台的发射功率，或者增加基站天线的接收增益。

由于移动台的发射功率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易[9]。

在移动通信发展的中晚期，为增加容量、支持更多用户，需要收缩小区范围、降低频率复用系数来提高频率利用率，通常采用的是小区分裂和扇区化，随之而来的是干扰增加，利用智能天线可在很大程度上抑制CCI和MAI干扰。

3.2.2智能天线的原理

智能天线技术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和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图。

如果使用数字信号处理方法在基带进行处理，使得辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，就能达到提高信号的载干比，降低发射功率，提高系统覆盖范围的目的。

图33智能天线阵元波束接收

设以M元直线等距天线阵列为例：

（第m个阵元）

则空域上入射波距离相差为：

d=mxcos

时域上入射波相位相差为：

（

（2）d

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：

（1）

其中，A为增益常数，s（t）是复包络信号，wm是阵列的权因子。

根据正弦波的叠加效果，假设第m个阵元的加权因子：

，则

（2）

结论：

选择不同的Φ0，将改变波束所对的角度，所以可以通过改变权值来选择合适的方向。

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，达到使天线辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向的目的。

这里涉及到上行波束赋行（接收）和下行波束赋行（发射）两个概念；

上行波束赋形：

借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异（DOA估计），选择恰当的合并权值（赋形权值计算），形成正确的天线接收模式，即将主瓣对准有用信号，低增益旁瓣对准干扰信号。

下行波束赋形：

在TDD方式工用的系统中，由于其上下行电波传播条件相同，则可以直接将此上行波束赋形用于下行波束赋形，形成正确的天线发射模式，即将主瓣对准有用信号，低增益旁瓣对准干扰信号。

3.2.3智能天线算法原理

图3-4智能天线算法

自适应算法是智能天线研究的核心，一般分为非盲算法和盲算法两类。

（1）非盲算法：

是指需要借助参考信号（导频序列或导频信道）的算法，此时收端知道发送的是什么，按一定准则确定或逐渐调整权值，使智能天线输出与已知输入最大相关，常用的相关准则有MMSE（最小均方误差）、LMS（最小均方）和LS（最小二乘）等。

（2）盲算法：

无需发端传送已知的导频信号，他一般利用调制信号本身固有的、与具体承载的信息比特无关的一些特征，如恒模、子空间、有限符号集、循环平稳等，并调整权值以使输出满足这种特性，常见的是各种基于梯度的使用不同约束量的算法。

非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但需浪费一定的系统资源。

将二者结合产生一种半盲算法，即先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整，这样做可综合二者的优点，同时也与实际的通信系统相一致，因为通常导频符不会时时发送而是与对应的业务信道时分复用的[11]。

上图是智能天线的原理图，对于所有的用户信号进行的过程是一样的。

上行方向，目的是将8路信号变成一路信号，一个用户对于八根天线所接收到的信号相位不同，即不同的相位角。

将接收到的信号正弦波相位依次前移，通过提供自适应权值进行同向合并。

数字信号处理器是用于信道估计，给自适应算法提供依据。

对于下行来说，是根据上行的信道估计参数，将基带发射信号变成8路信号到8个阵元上，完成波束定向赋形过程。

3.2.4智能天线优势

（1）提高了基站接收机的灵敏度

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，则总的接收信号将增加10lgN（dB），其中，N为天线单元的数量。

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变，其结果也在10lgN（dB）上下。

（2）提高了基站发射机的等效发射功率

同样，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个发射机的效果，与波束成形算法无关，另外部分将和接收灵敏度的改善类似，随传播条件和下行波束赋形算法而变。

（3）降低了系统的干扰

基站的接收方向图形是有方向性的，在接收方向以外的干扰有强的抑制。

如果使用最大功率合成算法，则可能将干扰降低10lgN（dB）。

（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。

（5）改进了小区的覆盖

对使用普通天线的无线基站，其小区的覆盖完全由天线的辐射方向图形确定。

当然，天线的辐射方向图形是可能根据需要而设计的。

但在现场安装后除非更换天线，其辐射方向图形是不可能改变和很难调整的。

但智能天线的辐射图形则完全可以用软件控制，在网络覆盖需要调整或由于新的建筑物等原因使原覆盖改变等情况下，均可能非常简单地通过软件来优化。

（6）降低了无线基站的成本

在所有无线基站设备的成本中，最昂贵的部分是高功率放大器（HPA）。

特别是在CDMA系统中要求使用高线性的HPA，更是其主要部分的成本。

智能天线使等效发射功率增加，在同等覆盖要求下，每只功率放大器的输出可能降低20lgN（dB）。

这样，在智能天线系统中，使用N只低功率的放大器来代替单只高功率HPA，可大大降低成本。

此外，还带来降低对电源的要求和增加可靠性等好处。

3.3联合检测技术

3.3.1联合检测介绍

TD-SCDMA系统是干扰受限系统。

系统干扰包括多径干扰、小区多用户干扰和小区间的干扰。

这些干扰破坏了各个信道的正交性,降低了CDMA系统的频谱利用率。

传统的Rake接收机技术把小区内的多用户干扰当作噪声处理,而没有利用该干扰不同于噪声干扰的独有特性。

联合检测技术即“多用户干扰”抑制技术,是消除和减轻多用户干扰的主要技术。

它把所有用户的信号都当作有用信号处理,这样可以充分利用用户信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息,从而大幅度降低多径多址干扰,但同时也存在多码道处理过于复杂和无法完全解决多址干扰等问题。

在基站侧,联合检测技术可以把同一时隙中多个用户的信号及多径信号一起处理,精确地解调出各个用户的信号。

在用户侧,即使当用户的位置非常靠近时,多用户干扰问题仍很严重。

联合检测技术能很好地解决多用户干扰问题，如图3-5所示。

TD-SCDMA中的联合检测的高效率归功于TD-SCDMA是一个时域和帧控的CDMA方案。

因此,每载波的大量用户被分布到每个帧的每个传输方向的时隙中,最终使每时隙中并行用户的数量很少,这样,使用较低的计算量就可以有效地检测到用户信号。

TD-SCDMA采用的低码片速率也有利于各种联合检测算法的实现。

另外,联合检测技术允许在现存的GSM基础设备里运行TD-SCDMA。

最终,TD-SCDMA可通过联合检测提高业务容量并使用网络运营商的2G业务智能地向3G业务过渡。

3.3.2联合检测的原理

一个CDMA系统的离散模型可以用下式来表示：

e=Ad+n

其中，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和信道冲激响应h有关的矩阵。

只要接收端知道A（扩频码c和信道冲激响应h），就可以估计出符号序列

。

对于扩频码c，系统是已知的，信道冲激响应h可以利用突发结构中的训练序列midamble求解出。

这样就可以达到估计用户原始信号d的目的。

具体由下图所示:

联合检测算法的具体实现方法有多种，大致分为非线性算法、线性算法和判决反馈算法等三大类。

线形算法包括解相关匹配滤波器法（DFM）、迫零线性块均衡法（ZF-BLE）、最小均方误差线性块均衡法（MMSE-BLE）；非线形算法包括最小均方误差判决反馈块均衡（MMSE-BDFE）和迫零判决反馈块均衡法（ZF-BDFE）。

根据目前的情况，在TD-SCDMA系统中，采用了线性算法的一种，即迫零线性块均衡（Zero-ForcingBlockLinearEqualizer，ZF-BLE）法。

3.3.3TD-SCDMA中智能天线和联合检测的互补作用

单独采用联合检测会遇到以下问题：

（1）对小区间的干扰没有办法解决。

（2）信道估计的不准确性将影响到干扰消除的效果。

（3）当用户增多或信道增多时，算法的计算量回非常大，难于实时实现。

单独采用智能天线也存在下列问题：

（1）组成智能天线的阵元数有限，所形成的指向用户的波束有一定的宽度（副瓣），对其他用户而言仍然是干扰。

（2）在TDD模式下，上、下行波束赋行采用的同样空间参数，由于用户的移动，其传播环境是随机变化的，这样波束赋行有偏差，特别是用户高速移动时更为显著。

（3）当用户都在同一方向时，智能天线作用有限。

（4）对时延超过一个码片宽度的多径造成的ISI没有简单有效的办法。

这样，无论是智能天线还是联合检测技术，单独使用它们都难以满足第三代移动通信系统的要求，必须扬长避短，将这两种技术结合使用。

智能天线和联合检测两种技术相合，不等于将两者简单地相加。

TD-SCDMA系统中智能天线技术和联合检测技术相结合的方法使得在计算量未大幅增加的情况下，上行能获得分集接收的好处，下行能实现波束赋形。

图3-7说明了TD-SCDMA系统智能天线和联合检测技术相结合的方法。

图3-7智能天线+联合检测

3.4动态信道分配技术

在采用动态信道分配（DCA）的系统中,信道资源不固定属于某一个小区,所有的信道被集中分配。

根据小区的业务负荷,通过信道的通信质量、使用率和信道的再用、距离等因素选择最佳的信道,动态地把信道资源分配给接入的业务[1]。

TD-SCDMA系统中的动态信道分配技术分为慢速DCA和快速DCA两种。

慢速DCA根据小区内业务的不对称性的变化,动态地划分上下行时隙,使上下行时隙的传输能力和上下行业务负载的比例关系相匹配,以获得最佳的频谱效率。

快速DCA技术为申请接入的用户分配满足要求的无线信道资源,并根据系统状态对已分配的资源进行调整。

根据自适应的种类划分,动态信道分配又可分为业务自适应和干扰自适应两种。

业务自适应是当给新用户分配信道时要避免使用相邻小区正使用的信道和可能引起干扰的信道;干扰自适应通过系统地测量一组信道的干扰情况,并从中选择能提供合适SIR的信道作为分配信道。

图3-8和表3-1就TD-SCDMA系统的动态信道分配技术做简单总结:

3.5接力切换技术

3.5.1接力切换的基本概念

TD-SCDMA系统的接力切换不同于硬切换和软切换,在切换之前,目标基站已经获得移动台比较精确的位置信息,因此在切换过程中UE先断开与原基站连接之后,能迅速切换到目标基站。

移动台比较精确的位置信息,主要通过对移动台比较精确的定位技术来获得。

在TDSCDMA系统中,移动台的精确定位应用了智能天线技术。

首先,NodeB利用天线阵估计UE的DOA,然后通过信号的往还时延,确定UE到NodeB的距离,这样,通过UE的方向DOA和BTS与UE间的距离信息,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[7]。

在硬切换过程中,UE先断开与NodeB1（源基站）的信令和业务连接,再建立与NodeB2（目标基站）的信令和业务连接,即UE在某一时刻与一个基站保持联系。

而在软切换过程中,UE先建立与NodeB2的信令和业务连接之后,在断开与NodeB1的信令和业务连接,即UE在某一时刻与2个基站同时保持联系。

接力切换虽然在某种程度上与硬切换类似,同样是在“先断后连”的情况,但是由于其实现是以精确定位为前提,因而与硬切换相比,UE可以很迅速地切换到目标小区,降低了切换时延,减少了切换引起的掉话率。

3.5.2接力切换过程示意

接力切换整个过程如图3-9所示。

阶段一:

UE收到切换命令前的场景：

上下行均与源小区连接

阶段二:

UE收到切换命令后执行接力切换的场景：

利用开环预计同步和功率控制，首先只将上行链转移到目标小区，而下行链路仍与源小区通信

阶段三:

UE执行接力切换完毕后的场景：

经过N个TTI后，下行链路转移到目标小区，完成接力切换。

4TD-SCDMA核心技术的发展

在3GPP的TD-SCDMA标准（Release5）中,在接入网侧增加了HSDPA功能,在TD-SCDMA标准（Release6）中,增加了HSUPA的功能。

4.1TD-SCDMA系统中的HSDPA技术

HSDPA（HighSpeedDown