物理層關(guān)鍵技術(shù)簡介

1、1TD-SCDMA物理層關(guān)鍵技術(shù)介紹大唐移動通信設(shè)備有限公司2TD-SCDMA簡介簡介oTD-SCDMA關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)3 TDSCDMA Time Division-Synchronization Code Division Multiple Access 是ITU正式發(fā)布的第三代移動通信空間接口技術(shù)規(guī)范之一，它得到了CWTS及3GPP的全面支持 是中國電信百年來第一個完整的通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是UTRA FDD可替代的方案 是集CDMA、TDMA等技術(shù)優(yōu)勢于一體、系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強(qiáng)的移動通信技術(shù) 它采用了智能天線、聯(lián)合檢測、同步CDMA、多時隙、可變擴(kuò)頻系統(tǒng)、自適應(yīng)功率調(diào)整等

2、技術(shù)4最多可達(dá)最多可達(dá)16個碼道個碼道1.6 MHz下行下行下行下行上行TD-SCDMA TD-SCDMA 特性特性n對同一無線信道的多用戶同時訪問對同一無線信道的多用戶同時訪問n根據(jù)用戶需求進(jìn)行容量分配根據(jù)用戶需求進(jìn)行容量分配n每個每個CDMACDMA用戶和所有使用同一無線信道和時用戶和所有使用同一無線信道和時隙的用戶都發(fā)生干擾（多址干擾）隙的用戶都發(fā)生干擾（多址干擾）每個用戶通過臨時分配到的每個用戶通過臨時分配到的CDMA碼來被識別碼來被識別時隙時隙5第三代移動通信系統(tǒng)的多址方式第三代移動通信系統(tǒng)的多址方式 多址方式：多址方式：CDMA成為主流成為主流 基本定型的技術(shù)：基于直接擴(kuò)頻CDMA

3、技術(shù)fPwr/CodetTDMAftPwr/CodeTDMA/CDMAfCDMA6第三代移動通信系統(tǒng)的雙工方式第三代移動通信系統(tǒng)的雙工方式 雙工方式：雙工方式： 傳統(tǒng)的FDD仍是主要的雙工方式 TDD方式受到更大關(guān)注fPwr/CodeftPwr/CodeFDDTDDFDD+TDDtf7多址接入方式：多址接入方式：DS-CDMA/TDMADS-CDMA/TDMA碼片速率碼片速率:1.28Mcps(WCDMA:1.28Mcps(WCDMA的的1/3)1/3)雙工方式：雙工方式：TDDTDD載頻寬度：載頻寬度：1.6M Hz1.6M Hz擴(kuò)頻技術(shù)：擴(kuò)頻技術(shù)：OVSFOVSF調(diào)制方式：調(diào)制方式：QPS

4、K,8PSKQPSK,8PSK編碼方式：編碼方式：1/21/31/21/3的卷積編碼，的卷積編碼，TurboTurbo編碼編碼8頻譜靈活性：不需要成對的頻譜。 在2GHz以下已很難找到成對的頻譜上下行使用相同頻率，上下行鏈路的傳播特性相同，利于使用智能天線等新技術(shù)支持不對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)：根據(jù)上下行業(yè)務(wù)量來自適應(yīng)調(diào)整上下行時隙個數(shù) FDD系統(tǒng)一建立通信就將分配到一對頻率以分別支持上下行業(yè)務(wù)。在不對稱業(yè)務(wù)中，頻率利用率顯著降低 FDD系統(tǒng)也可以用不同寬度的頻段來支持不對稱業(yè)務(wù)，但： 頻段相對固定，不可能靈活使用(例如下行頻段比上行頻段寬一倍)成本低：無收發(fā)隔離的要求，可以使用單片IC來實現(xiàn)RF收發(fā)信機(jī)

5、9oTD-SCDMA簡介簡介TD-SCDMA關(guān)鍵技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)10n智能天線：降低多徑、多址智能天線：降低多徑、多址干擾干擾n聯(lián)合檢測：降低多址干擾聯(lián)合檢測：降低多址干擾n上行同步：減少碼間串?dāng)_上行同步：減少碼間串?dāng)_n動態(tài)信道分配：在時域、頻動態(tài)信道分配：在時域、頻域、碼域?qū)崿F(xiàn)以降低干擾域、碼域?qū)崿F(xiàn)以降低干擾n. (.)54213611 n使用智能天線使用智能天線 .n能量僅指向小區(qū)內(nèi)處于激活狀態(tài)的移動終端n正在通信的移動終端在整個小區(qū)內(nèi)處于受跟蹤狀態(tài)n不使用智能天線不使用智能天線 .n能量分布于整個小區(qū)內(nèi)n所有小區(qū)內(nèi)的移動終端均相互干擾，此干擾是CDMA容量限制的主要原因智能天線的優(yōu)勢智能天線

6、的優(yōu)勢n減少小區(qū)間干擾n降低多徑干擾n基于每一用戶的信噪比得以增加n降低發(fā)射功率n提高接收靈敏度n增加了容量及小區(qū)覆蓋半徑12智能天線智能天線 FDD方式：由于上、下行鏈路信號傳播的無線環(huán)境受頻率選擇性衰落影響不相同，所以根據(jù)上行鏈路計算得到的權(quán)值不能直接應(yīng)用于下行鏈路 TDD方式：上、下行鏈路使用相同頻率傳輸信號，且間隔時間短，鏈路無線傳播環(huán)境差異不大，可以使用相同權(quán)值 TDD方式更能夠體現(xiàn)智能天線的優(yōu)勢 TDD方式FDD方式13智能天線的基本原理智能天線的基本原理 智能天線的陣元通常是按直線等距、圓周或平面等距排列。每個陣元為全向天線 當(dāng)移動臺距天線足夠遠(yuǎn)，實際信號入射角的均值和方差滿足一

7、定條件時，可以近似地認(rèn)為信號來自一個方向14智能天線的基本原理（續(xù)）智能天線的基本原理（續(xù)）以M元直線等距天線陣列為例：（第m個陣元）空域上入射波距離相差 d=m x cos時域上入射波相位相差x陣元1陣元M-2.d陣元M-1陣元0u0(t)u1(t)uM-1(t)uM-2(t)xd215 可見，空間上距離的差別導(dǎo)致了各個陣元上接收信號相位的不同。經(jīng)過加權(quán)后陣列輸出端的信號為 其中，A增益常數(shù)，s(t)是復(fù)包絡(luò)信號，wm是陣列的權(quán)因子。智能天線的基本原理（續(xù)）智能天線的基本原理（續(xù)） 10cos210)()()(MmxmjmmMmmewtAstuwtz16 正如正弦波疊加的效果，假設(shè)第m個陣元

8、的權(quán)因子0cos2xmjmew10)cos(cos20)()(MmxmjetAstz智能天線的基本原理（續(xù)）智能天線的基本原理（續(xù)） 選擇不同的0，將改變波束的所對的角度，所以可以通過改變權(quán)值來選擇合適的方向17兩種賦形波束得到小區(qū)覆蓋的全向波束針對用戶終端的賦形波束BCH/DwPTS必須使用全向波束，覆蓋整個小區(qū)，在幀結(jié)構(gòu)中使用專門時隙業(yè)務(wù)碼道通常使用賦形波束，只覆蓋個別用戶GDwPTSUpPTSBCHTS5TS4TS0TS2TS1TS3TS618 n聯(lián)合檢測作用n避免多址干擾n相對擴(kuò)大檢測動態(tài)范圍，n小區(qū)內(nèi)干擾最小化n聯(lián)合檢測原理n特定的空中接口“突發(fā)”結(jié)構(gòu)允許收信機(jī)對無線信道進(jìn)行信道估計

9、 n根據(jù)估計的無線信道，對所有信號同時進(jìn)行檢測19多用戶檢測多用戶檢測 由于無線移動信道的時變性和多徑效應(yīng)影響，使得數(shù)據(jù)之間存在干擾 符號間干擾（ISI） 碼間干擾（MAI） 通過數(shù)據(jù)符號間、碼間的相關(guān)性在多個用戶中檢測、提取出所需的信號，消除ISI和MAI20多用戶檢測（續(xù)）多用戶檢測（續(xù)） 根據(jù)對MAI處理方法的不同，次優(yōu)多用戶檢測技術(shù)可以分為干擾抵消和聯(lián)合檢測兩種 干擾抵消技術(shù)的基本思想是判決反饋，首先從總的接收信號中判決出其中部分的數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)和用戶擴(kuò)頻碼重構(gòu)出數(shù)據(jù)對應(yīng)的信號，再從總接收信號中減去重構(gòu)信號，如此循環(huán)迭代 聯(lián)合檢測技術(shù)是利用所有和MAI相關(guān)的先驗信息，在一步之內(nèi)就將所有

10、用戶的信號分離出來 21聯(lián)合檢測基本原理聯(lián)合檢測基本原理c c(1)(1)c c(k)(k)c c(K)(K). . . .h h(1)(1)h h(k)(k)h h(K)(K). . . . . . . . . .n ne ed d(1)(1)d d(k)(k)d d(K)(K)濾濾波波器器. . . . . . .d d(1)(1) d d(k)(k) d d(K)(K)b b(1)(1)b b(k)(k)b b(K)(K)ndAe d是發(fā)射的數(shù)據(jù)符號序列，e是接收的數(shù)據(jù)序列，n是噪聲 A是與擴(kuò)頻碼c和信道脈沖響應(yīng)h有關(guān)的矩陣22聯(lián)合檢測基本原理（續(xù)）聯(lián)合檢測基本原理（續(xù)） 只要接收端知道

11、A(擴(kuò)頻碼c和信道脈沖響應(yīng)h)，就可以估計出符號序列 擴(kuò)頻碼c已知 信道脈沖響應(yīng)h可以利用突發(fā)結(jié)構(gòu)中的訓(xùn)練序列midamble求解出DataMidambleGPDataDataMidambleGPDatad23聯(lián)合檢測（續(xù)）聯(lián)合檢測（續(xù)） 聯(lián)合檢測技術(shù)：迫零算法(ZF)、最小均方差算法(MMSE)、使用反饋后的迫零算法和最小均方差算法 聯(lián)合檢測的優(yōu)點(diǎn)：降低干擾，擴(kuò)大容量，降低功控要求，削弱遠(yuǎn)近效應(yīng) 聯(lián)合檢測的缺點(diǎn)：大大增加系統(tǒng)復(fù)雜度、增加系統(tǒng)處理時延、需要要消耗一定的資源24智能天線聯(lián)合檢測智能天線聯(lián)合檢測 智能天線的主要作用： 降低多址干擾，提高CDMA系統(tǒng)容量 增加接收靈敏度和發(fā)射EIRP

12、 智能天線所不能克服的問題 時延超過碼片寬度的多徑干擾 多普勒效益(高速移動) 因而，在移動通信系統(tǒng)中，智能天線必須和其它信號處理技術(shù)同時使用 聯(lián)合檢測： 基于訓(xùn)練序列的信道估值 同時處理多碼道的干擾抵消 理論上，聯(lián)合檢測和智能天線相結(jié)合技術(shù)，可以完全抵消MAI的影響，大大提高系統(tǒng)的抗干擾能力和容量25 n頻域頻域 DCAn頻域DCA中每一小區(qū)使用多個無線信道(頻道)n在給定頻譜范圍內(nèi)，與 5 MHz 的帶寬相比， TD-SCDMA 的1.6 MHz 帶寬使其具有3倍以上的無線信道數(shù)(頻道數(shù))n時域時域 DCAn在一個TD-SCDMA 載頻上，使用7個時隙減少了每個時隙中同時處于激活狀態(tài)的用戶

13、數(shù)量n每載頻多時隙，可以將受干擾最小的時隙動態(tài)分配給處于激活狀態(tài)的用戶n碼域碼域 DCAn在同一個時隙中，通過改變分配的碼道來避免偶然出現(xiàn)的碼道質(zhì)量惡化n空域空域 DCAn通過智能天線，可基于每一用戶進(jìn)行定向空間去耦 (降低多址干擾)下述幾種動態(tài)信道分配方法全面降低了相應(yīng)的小區(qū)間干擾，從而使頻譜利用率得以優(yōu)化下述幾種動態(tài)信道分配方法全面降低了相應(yīng)的小區(qū)間干擾，從而使頻譜利用率得以優(yōu)化26動態(tài)信道分配動態(tài)信道分配(DCA)(續(xù)續(xù)) GSM中的DCA 信道分配（channel assignment）：半固定 信道選擇（channel selection） TD-SCDMA中的DCA根據(jù)TD-SCD

14、MA系統(tǒng)中的特點(diǎn)，參考GSM系統(tǒng)的DCA并加以改進(jìn)、發(fā)展。 信道分配（channel assignment）：動態(tài) 接納控制（admission control） 信道選擇（channel selection）27動態(tài)信道分配動態(tài)信道分配(DCA)(續(xù)續(xù)) 基本概念TD-SCDMA系統(tǒng)中： 信道（channel）：頻率、時隙、碼 RU（resource unit）：頻率、時隙、碼 基本RU（basic RU）：SF16的RU28動態(tài)信道分配動態(tài)信道分配(DCA)(續(xù)續(xù)) DCA與TD-SCDMA其他技術(shù)的融合TD-SCDMA系統(tǒng)中DCA的方法有如下幾種： 時域動態(tài)信道分配 因為TD-SCDMA

15、系統(tǒng)采用了TDMA技術(shù)，所以通過選擇接入時隙來減小激活用戶之間的干擾。 頻域動態(tài)信道分配 因為TD-SCDMA系統(tǒng)中每個小區(qū)可以有多個載波（一到三個），所以把激活用戶分配在不同的載波上，從而減小小區(qū)內(nèi)用戶之間的干擾。 空域動態(tài)信道分配 因為TD-SCDMA系統(tǒng)采用智能天線的技術(shù)，可以通過用戶定位、波束賦形來減小小區(qū)內(nèi)用戶之間的干擾、增加系統(tǒng)容量。29動態(tài)信道分配動態(tài)信道分配(DCA)(續(xù)續(xù)) 算法假設(shè) 單載波小區(qū)； 上下行時隙采用固定的對稱分布； 所有實時業(yè)務(wù)不支持多時隙模式；30動態(tài)信道分配動態(tài)信道分配(DCA)(續(xù)續(xù)) 動態(tài)信道分配的組成 慢速DCA（把資源分配到小區(qū)） 根據(jù)小區(qū)中各個時隙

16、當(dāng)前的負(fù)荷情況對各個時隙的優(yōu)先級進(jìn)行排隊，為接入控制提供選擇時隙的依據(jù)。 接納控制AC 當(dāng)一個新的呼叫到來時，DCA首先選擇一個優(yōu)先級最高的時隙，能否在該時隙為新呼叫分配資源。在選擇時隙的過程中，如果沒有單獨(dú)的時隙能夠提供新呼叫所需要的資源，DCA將試圖進(jìn)行資源整合，從而為新呼叫騰出一定的資源（包括碼資源、功率資源）。 快速DCA（為業(yè)務(wù)分配資源） 當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷出現(xiàn)擁塞或鏈路質(zhì)量發(fā)生惡化時，RRM中的其他模塊（如LCC、RLS）會觸發(fā)DCA進(jìn)行信道調(diào)整。它的功能主要是有選擇的把一些用戶從負(fù)荷較重（或鏈路質(zhì)量較差）的時隙調(diào)整到負(fù)荷較輕（或鏈路質(zhì)量較好）的時隙。 31動態(tài)信道分配動態(tài)信道分配(DCA

17、)(續(xù)續(xù)) DCA SF動態(tài)分配 用戶可以使用不同的SF。 上行、下行時隙動態(tài)分配 通過動態(tài)改變時隙轉(zhuǎn)換點(diǎn)來實現(xiàn)小區(qū)之間頻率動態(tài)分配（小區(qū)中存在多載波的情況）32 定義上行鏈路各終端信號在基站解調(diào)器完全同步 優(yōu)點(diǎn)CDMA碼道正交，降低碼道間干擾，提高CDMA容量簡化硬件，降低成本t基站解調(diào)器碼道1碼道2碼道N33同步的建立 在隨機(jī)接入時建立 依靠BTS接收到的SYNC_UL立即在對應(yīng)的F-PACH進(jìn)行控制同步的保持 在每一上行幀檢測Midamble 立即在下一個下行幀SS位置進(jìn)行閉環(huán)控制出現(xiàn)失步的可能性 有限小區(qū)半徑(取決于G的寬度，可能超過10km)失步后執(zhí)行鏈路重建SS上行業(yè)務(wù)時隙Mida

18、mble隨機(jī)接入SYNC-ULssUpPTSUE的上行突發(fā)34網(wǎng)絡(luò)同步: 系統(tǒng)內(nèi)各基站的運(yùn)行采用相同的幀同步定時同步的目的：避免相鄰基站的收發(fā)時隙交叉，減小干擾同步精度要求：幾微秒同步方法：GPS：網(wǎng)絡(luò)主從同步空中主從同步BS0BS1BS2BS0BS1BS2BTS Tx RxG35切換概念與接力切換切換概念與接力切換越區(qū)切換的概念硬切換軟切換接力切換36越區(qū)切換的概念越區(qū)切換的概念在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中，為了在有限的頻率范圍內(nèi)為盡可能多的用戶終端提供服務(wù)，將系統(tǒng)服務(wù)的地區(qū)劃分為多個小區(qū)或扇區(qū)，在不同的小區(qū)或扇區(qū)內(nèi)放置一個或多個無線基站，各個基站使用不同或相同的載頻或碼，這樣在小區(qū)之間或扇區(qū)之間進(jìn)

19、行頻率和碼的復(fù)用可以達(dá)到增加系統(tǒng)容量和頻譜利用率的目的。工作在移動通信系統(tǒng)中的用戶終端經(jīng)常要在使用過程中不停的移動，當(dāng)從一個小區(qū)或扇區(qū)的覆蓋區(qū)域移動到另一個小區(qū)或扇區(qū)的覆蓋區(qū)域時，要求用戶終端的通信不能中斷，這個過程稱為越區(qū)切換。 注：這里的通信不中斷可以理解為可能丟失部分信息但不致影響通信。37硬切換硬切換 在早期的頻分多址（FDMA）和時分多址（TDMA）移動通信系統(tǒng)中采用這種越區(qū)切換方法 當(dāng)用戶終端從一個小區(qū)或扇區(qū)切換到另一個小區(qū)或扇區(qū)時，先中斷與原基站的通信，然后再改變載波頻率與新的基站建立通信。 硬切換技術(shù)在其切換過程中有可能丟失信息。38N No od de e B Bs so o

20、u ur rc ce eN No od de e B Bt ta ar rg ge et tU UE ER RN NC CUE搜索鄰小區(qū)中的所有基站切切換換判判決決切換指令無線鏈路失敗無線鏈路同步建立建立業(yè)務(wù)連接，恢復(fù)數(shù)據(jù)傳輸刪除無線鏈路無線鏈路業(yè)務(wù)連接停停止止發(fā)發(fā)射射和和接接收收信信號號發(fā)現(xiàn)目標(biāo)基站，測量報告，切換請求硬切換流程硬切換流程39軟切換軟切換 在美國Qualcomm公司九十年代發(fā)明的碼分多址（CDMA）移動通信系統(tǒng)中采用這種越區(qū)切換方法 當(dāng)用戶終端從一個小區(qū)或扇區(qū)移動到另一個具有相同載頻的小區(qū)或扇區(qū)時，在保持與原基站通信的同時，和新基站也建立起通信連接，與兩個基站之間傳輸相同的信

21、息，完成切換之后才中斷與原基站的通信。 優(yōu)點(diǎn)：軟切換過程不丟失信息，不中斷通信，還可增加系統(tǒng)容量。 缺點(diǎn)：其一解決了終端在相同頻率的小區(qū)或扇區(qū)間切換的問題；其二軟切換的基礎(chǔ)是宏分集，但在IS-95中宏分集占用了50的下行容量，因此軟切換實現(xiàn)的增加系統(tǒng)容量被它本身所占用的系統(tǒng)容量所抵消。40軟切換流程軟切換流程N(yùn)ode BNode BactiveactiveNode BNode BmonitoredmonitoredUEUERNCRNCUE搜索本小區(qū)和鄰UE搜索本小區(qū)和鄰小區(qū)中所有基站小區(qū)中所有基站切換判決切換判決激活集更新指令激活集更新指令刪除無線鏈路刪除無線鏈路無線鏈路同步建立無線鏈路同步建

22、立建立無線鏈路業(yè)務(wù)連接建立無線鏈路業(yè)務(wù)連接無線鏈路業(yè)務(wù)連接無線鏈路業(yè)務(wù)連接激活集更新完畢激活集更新完畢停止發(fā)射和接停止發(fā)射和接收信號收信號測量報告測量報告41接力切換的概念接力切換的概念接力切換適用于同步CDMA移動通信系統(tǒng)，是TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。設(shè)計思想：當(dāng)用戶終端從一個小區(qū)或扇區(qū)移動到另一個小區(qū)或扇區(qū)時，利用智能天線和上行同步等技術(shù)對UE的距離和方位進(jìn)行定位，根據(jù)UE方位和距離信息作為切換的輔助信息，如果UE進(jìn)入切換區(qū)，則RNC通知另一基站做好切換的準(zhǔn)備，從而達(dá)到快速、可靠和高效切換的目的。這個過程就象是田徑比賽中的接力賽跑傳遞接力棒一樣，因而我們形象地稱之為接力切

23、換。 優(yōu)點(diǎn)：將軟切換的高成功率和硬切換的高信道利用率綜合到接力切換中 ，使用該方法可以在使用不同載頻的SCDMA基站之間，甚至在SCDMA系統(tǒng)與其他移動通信系統(tǒng)如GSM、IS95的基站之間實現(xiàn)不中斷通信、不丟失信息的越區(qū)切換。42Node BNode BsourcesourceNode BNode BtargettargetUEUERNCRNCUE定位信息UE定位信息鄰小區(qū)列表，所有基站信息鄰小區(qū)列表，所有基站信息UE搜索鄰小區(qū)中的所有UE搜索鄰小區(qū)中的所有基站基站建立同步建立同步切換判決切換判決切換指令切換指令發(fā)現(xiàn)目標(biāo)基站，測量報告，切換請求發(fā)現(xiàn)目標(biāo)基站，測量報告，切換請求確認(rèn)切換完成確認(rèn)切換完成刪除無線鏈路刪除無線鏈路停止發(fā)射和接收停止發(fā)射和接收信號信號無線鏈路業(yè)務(wù)連接無線鏈路業(yè)務(wù)連接無線鏈路業(yè)務(wù)連接無線鏈路業(yè)務(wù)連接無線鏈路業(yè)務(wù)連接無線鏈路業(yè)務(wù)連接同步保持同步保持43接力切換實現(xiàn)步驟接力切換實現(xiàn)步驟右圖表示無線通信系統(tǒng)的一個蜂窩小區(qū)結(jié)構(gòu)NB0，NB1，NB2為基站，其中