3G技术与基站工程 中国通信学会普及与教育工作委员会推荐教材 教学课件 ppt 作者 杜庆波 罗文茂 第2章 TD-SCDMA移动通信技术

1、第2章 TD-SCDMA移动通信技术,【本章内容简介】 TD-SCDMA是国际电信联盟（ITU）正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一，其标准由我国提交到ITU。,本章首先简单介绍TD-SCDMA的发展历程、特点、关键技术及网络结构，然后详细介绍TD-SCDMAD的空中接口，最后对在TD-SCDMA系统中出现的基本信令流程进行介绍。,【本章重点难点】 重点掌握TD-SCDMA关键技术的基本原理、网络的组成结构以及在空中接口中所涉及的概念、原理、技术等内容。 难点在于对基本信令流程的分析。,2.1 概述,时分同步码分多址（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access， TD-SCDMA）是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一，它采用不需配对频率的时分双工（Time Division Duplex，TDD）工作方式，以及FDMA / TDMA / CDMA相结合的多址接入方式。,TD-SCDMA系统全面满足IMT-2000的基本要求，采用智能天线、联合检测、同步CDMA、接力切换及自适应功率控制等诸多先进

2、技术，与其他3G系统相比具有较为明显的优势，主要体现在以下几个方面。,（1）频谱灵活性和支持蜂窝网的能力。 （2）高频谱利用率。 （3）适用于多种使用环境。 （4）设备成本低。,TD-SCDMA系统的无线接入部分主要参数如下。 多址接入方式：FDMA/TDMA/CDMA； 双工方式：TDD； 码片速率：1.28Mchip/s； 载频宽度：1.6MHz；,无线帧长：10ms（分为两个子帧）； 每载波时隙数：10（其中7个时隙被用作业务时隙）； 扩频技术：OVSF； 调制方式：QPSK、8PSK（2Mbit/s业务）； 编码方式：卷积编码、Turbo编码、无编码。,2.1.1 TD-SCDMA标准发展历程,图2-1 TD-SCDMA标准的发展历程,2.1.2 TD-SCDMA关键技术,在TD-SCDMA系统中，采用了很多先进的关键技术，正是这些关键技术的先进性使得它成为第三代移动通信系统的主流标准，其主要关键技术如下： 联合检测（Joint Detection，JD）； 智能天线（Smart Antenna，SA）；,上行同步（Uplink Synchronous）； 软件无线电（Soft

3、 Radio）； 接力切换（Baton Handover）； 功率控制（Power Control）； 动态信道分配（Dynamic Channel Allocation）。,1联合检测技术,在实际的CDMA移动通信系统中，由于各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰（MAI）存在的根源。,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（Interference Cancellation，IC）和联合检测（Joint Detection，JD）两种。,图2-2 接收信号解调情况的示意图,TD-SCDMA系统中采用的联合检测技术是在传统检测技术的基础上，充分利用造成MAI的所有用户信号及其多径的先验信息，把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完成，从而具有优良的抗干扰性能，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著地提高系统容量。,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、线性检测算法和判决反馈检测算法三大类。,随着算法和相应基带处理器处理能力的不断提高，联合检测技术的优势也越来越显著。 经过大量的仿真计算

4、和实际的现场实验，发现使用联合检测技术可以为系统带来了以下好处。,（1）降低干扰。 （2）扩大容量。 （3）削弱“远近效应”的影响。 （4）降低功率控制的要求。,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。,（1）信道估计的不准确将影响到检测结果的准确性； （2）随着处理信道数的增加，算法的复杂度将呈非线性增加； （3）对小区间的干扰没有很好的解决。,2智能天线技术,智能天线是一种基于自适应天线原理的移动通信新技术，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。,智能天线结合了自适应天线技术的优点，利用天线阵列的波束汇成和指向，产生多个独立的波束，可以自适应地调整其方向图以跟踪信号的变化。,为了说明智能天线和其他天线的不同，下面给出了比较。 （1）全向天线和智能天线的比较：全向天线形成均匀覆盖整个空间的波束，智能天线形成任意形状的波束。,（2）扇区天线和智能天线的比较：扇区天线形成覆盖某个扇区的波束，智能天线形成任意形状的波束。,（3）空间分集天线和智能天线的比较：空间分集天线阵元间距远远大于1个波长，使得阵元接

5、收信号不相关；智能天线阵元间距约半波长，使得阵元信号之间存在相关性。,（4）自适应天线和智能天线的比较：自适应天线要求阵元数大于接收信号数；智能天线对阵元数和接收信号数没有限制。,图2-3 不同天线的空间覆盖情况示意图,采用智能天线技术的优点总结如下。 （1）提高了基站接收机的信噪比。 （2）提高了基站发射机的等效发射功率，增大了无线覆盖范围。,（3）降低了系统的干扰。 （4）增加了CDMA系统的容量。 （5）提高了移动站台定位精度。 （6）可以增加新的定位服务。,3上行同步,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。,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，如图2-4所示。,在TD-SCDMA系统中，同一时隙的不同用户用码道来区分，不同用户的扩频码是正交的，如果不同用户的信号同步到达Node B，并且不考虑多径的影响，则不同用户之间将没有干扰。,图2-4 上行同步原理,上行同步可分为开环同步和

6、闭环同步，开环同步用于上行同步建立（例如移动台初始接入、切换、位置更新等），而闭环同步则用于上行同步保持（通话过程中）。,TD-SCDMA系统中，上行同步是根据一定的算法由基站向终端发送同步偏移（Synchronization Shift，SS）命令来实现的，因为SS的最小修正步长为1/8chip，所以系统最终可以达到1/8chip精度的上行同步。 精确的上行同步使TD-SCDMA显示了更多的优势，表现在以下几个方面。,（1）保证CDMA码道正交 （2）降低码间干扰 （3）消除时隙间干扰 （4）提高CDMA容量 （5）简化硬件，降低成本,上行同步的缺点是系统对同步的要求非常严格，上行同步要求为1/8chip宽度，网络同步要求为5s。,4软件无线电,软件无线电技术是当今计算机技术、超大规模集成电路和数字信号处理技术在无线电通信中应用的产物。 它的基本原理是将宽带A/D和D/A转换器尽可能地靠近天线处，从而以软件方式来代替硬件实施信号处理。,采用软件无线电的优势在于，基于同样的硬件环境，采用不同的软件就可以实现不同的功能，这除了有助于系统升级外，更有助于系统的多模运行。,由于TD-SCDM

7、A系统的TDD模式和低码片速率的特点，使得数字信号处理量大大降低，适合采用软件无线电技术。 软件无线电具有如下主要优势。, 可以克服微电子技术的不足，通过软件方式，灵活地完成硬件/专用ASIC的功能。 系统增加功能通过软件升级来实现，具有良好的灵活性及可编程性，对环境的适应性好，不会老化。 可替代昂贵的硬件电路，实现复杂的功能，减少用户的设备费用支出。,5接力切换,在移动通信系统中，当呼叫中的移动台从一个小区转移到另一个小区，或由于无线传输、业务负荷量调整、激活操作维护、设备故障等原因，为了使通信不中断，通信网控制系统启动切换过程保证移动台的业务传输。,基于不同的角度，切换有多种分类方式，下面给出了一些常用的分类方式： （1）硬切换、软切换、更软切换和接力切换； （2）同频切换、异频切换； （3）小区内切换、小区间切换； （4）系统内切换、系统间切换。,图2-5 接力切换过程示意图,6功率控制,功率控制通过一定的机制和算法控制发射机的发射功率，使发射机以合适的功率大小发射信号。 功率控制的目的如下。,（1）最小化网络干扰，包括小区内干扰和小区间干扰，最终提高系统容量和性能。 （2）克服

8、远近效应。 （3）对抗阴影衰落和快速衰落。,（4）通过控制，保证上下行链路的质量。 （5）省电，减少UE和基站的发射功率。 功率控制根据不同的分类方法可有以下不同类型。 （1）上行功控与下行功控。 （2）开环、内环与外环功率控制。,表2-1 开环、内环与外环功率控制各自参数比较,7动态信道分配,在移动通信系统中资源的合理分配和最佳利用问题都可称为信道分配问题。 信道分配有固定信道分配（FCA）、动态信道分配（DCA）和混合信道分配（HCA）3种。,TD-SCDMA系统采用无线网络控制器（RNC）集中控制的DCA技术，在一定区域内，将几个小区的可用信道资源集中起来，由RNC统一管理，按小区呼叫阻塞率、候选信道使用频率、信道再用距离等诸多因素，将信道动态分配给呼叫用户。,信道动态分配分为两个阶段：第1阶段是呼叫接入的信道选择，采用慢速DCA；第2阶段是呼叫接入后为保证业务传输质量而进行的信道重选，采用快速DCA。,RNC根据各相邻小区占用的时隙，计算或测量时隙的干扰情况，动态地在RNC所管辖的各小区间、工作载波间及上下行链路之间进行时隙分配。,2.1.3 TD-SCDMA系统未来发展,对于

9、TD-SCDMA的未来演进，业界逐渐趋同于这样的四阶段演进论：第一阶段是HSPA网络部署；第二阶段，HSPA软件升级到HSPA+；第三阶段，LTE TDD进行热点覆盖，而HSPA+进行广覆盖；第四阶段，实现全LTE网络部署。,图2-6 TD-SCDMA系统演进示意图,高速下行分组接入（High Speed Downlink Packet Access，HSDPA）技术是目前TD-SCDMA系统的演进方式，它的提出是为了满足迅速增长的对高速移动数据业务，特别是移动因特网业务的需求。,HSDPA关键的引进技术就是多天线（MIMO）技术、AMC技术、混合自动重复请求（Hybrid Automatic Repeat Request，H-ARQ）技术、快速小区选择、多用户的调度等。,2.2 TD-SCDMA系统网络结构,TD-SCDMA系统作为ITU第三代移动通信标准之一，其网络结构遵循ITU统一要求，通过3GPP组织内融和后，TD-SCDMA与WCDMA的网络结构基本相同，即其网络结构与3GPP制定的UMTS网络结构是一样的，所以TD-SCDMA网络结构模型完全等同于UMTS网络结构模型，下面就以国际上通行的惯例对UMTS网络结构模型进行介绍。,UMTS主要由欧洲及日本等国家和地区的移动通信设备供应商提出的。UMTS的一般结构可以从功能和物理的角度进行模型化。 在物理方面使用域（Domain）的概念进行模型化。 域是最高级的物理实体，参考点在域间定义。,在功能方面使用层（Stratum）的概念进行模型化。 层是和一个或多个域提供的业务的一个方面有关的协议组。 本部分首先介绍UMTS的物理结构模型，然后再讨论其功能结构模型。,2.2.1 UMTS的物理结构,图2-7 UMTS的物理结构模型,用户设备（UE）是用户用来接入UMTS业务的设备，分为用户业务识别单元和移动设备，两者之间的接口定义为Cu接口，其中用户业务识别包含清楚而安全地确定用户身份的数据和过程。 无线接入网（RAN）在移动通信网中起着承上启下的作用，完成与无线通信有关的功能，为UE提供接入核心网的通道。,核心网（CN）主要处理移动网络内部所有的语音呼叫、数据连结和交换，以及同外部其他网络的连接和路由等，提供的功能包括用户位置信息的管理、网络特性和业务的控制、信令以及用户信息的传输

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