系统原理与技术的研究.doc

0TD-SCDMA 系统原理与技术的研究 摘 要 TD-SCDMA 是世界上第一个采用时分双工（TDD）方式和智能天线技术的公众陆地移动 通信系统，也是惟一采用同步 CDMA（SCDMA）技术和低码片速率（LCR）的第三代移动通 信系统，同时采用了多用户检测、软件无线电、接力切换等一系列高新技术。至今为止， 其他公众陆地移动通信系统中都没有使用这些技术。TD-SCDMA 系统可以采用这些技术并 能保证它们很好地工作，关键是智能天线技术和特殊的帧结构。 本文首先介绍了第三代移动通信的发展概况、TD-SCDMA 帧结构和参数及其关键技术， 接着重点分析了 TD-SCDMA 的网络结构。然后详细说明了移动的语音寻呼处理，最后对 TD-SCDMA 的频率划分和组网模式进行了分析。 【关键词】TD-SCDMA；网络结构 ；信道；基站；智能天线 Research of TD-SCDMA systematic principle and technology Abstract It is duplexing that it is adopted the time first (TDD) The public land mobile communication systems of the way and intellectual aerial technology, is only to adopt synchronous CDMA(SCDMA)Technology and low yard of speed (LCR) Mobile communication system not the third generation of,last multi-user at the same time the measurings, software radio, relay switching over a series of new and high technology of. So far, have not used the technology in the mobile communication system of other public land. TD-SCDMA system can adopt the technology and can guarantee they well work, the more important thing is technology of the intellectual aerial and special frame structure. This text has introduced development overview, TD-SCDMA frame structure and the parameter and key technology of the third generation of mobile communication at first, then has analysed the network structure of TD-SCDMA especially. Then stated the pronunciation paging moving to deal with in detail, the frequency to TD-SCDMA has been divided and analysed with groups network mode finally. 【Key Words】TD-SCDMA；Network structure; Channel; Base station；Smart Antenna 目 录 1 绪论1 1.1 TD-SCDMA 产生的背景 .1 1.2 TD-SCDMA 发展现状 .1 1.3 TD-SCDMA 系统帧结构和基本参数 .2 1.4 系统评价及未来的发展 3 2 TD-SCDMA 网络结构.5 2.1 TD-SCDMA 网络结构模型 .5 2.1.1 概述5 2.1.2 用户设备域5 2.1.3 基本结构域.6 2.2 接入网基本结构 6 2.2.1 UTRAN 结构.6 2.2.2 UTRAN 接口模型.7 2.2.3 UTRAN 的功能8 2.3 TD-SCDMA 系统的网络接口 .8 3 TD-SCDMA 工作原理11 3.1 空闲模式下的 UE 11 3.1.1 PLMN 选择和重选11 3.1.2 小区的选择和重选.12 3.1.3 位置登记和更新.12 3.2 连接建立过程 .13 3.2.1 RRC 连接建立过程.13 3.2.2 信令连接建立过程13 3.2.3 RAB/RB 建立过程 13 3.3 信令的整体流程 .14 3.4 系统设备与终端 .14 4 TD-SCDMA 关键技术17 4.1 智能天线技术 .17 4.1.1 智能天线的工作原理17 4.1.2 智能天线的主要功能17 4.2 联合检测技术 .17 4.3 TD-SCDMA 其他主要技术 18 4.3.1 上行同步.18 4.3.2 软件无线电.18 4.3.3 动态信道分配.18 4.3.4 接力切换18 4.3.5 低速率模式19 5 TD-SCDMA 频率规划和组网模式20 5.1 概述 .20 5.2 传统的频率规划方案 .20 5.3 基于N 频点的频率规划方案.20 5.3.1 15 MHz 的频率分配.21 5.3.2 10 MHz 的频率分配.22 5.3.3 5MHz 的频率分配22 6 结束语 23 谢辞 24 参 考 文 献 .25 附录 A 外文翻译原文部分 26 附录 B 外文翻译译文部分32 华东交通大学毕业设计 - 1 - 1 绪 论 1.1 TD-SCDMA 产生的背景 随着全球经济一体化和社会信息化的进程，移动通信业务和移动通信用户呈高速增 长的趋势，这使 2G 系统在系统容量和业务种类上趋于饱和，为了适应对移动通信个人化、 智能化、多媒体化的要求，国际电信联盟（ITU）和世界上其它的研究单位提出了 3G 系 统标准并将按照此标准开发 3G 系统。 TD-SCDMA 正是在背景下研究出来的。TD-SCDMA 第三代移动通信标准是信息产业部电 信科学技术研究院（现大唐移动通信设备有限公司）在国家主管部门的支持下，根据多 年的研究而提出的具有一定特色的 3G 通信标准。是中国百年通信史上第一个具有完全自 主知识产权的国际通信标准，在我国通信发展史上具有里程碑的意义并将产生深远影响， 是整个中国通信业的重大突破。TD-SCDMA 的提出同时得到中国移动、中国电信、中国联 通等公司的大力支持和帮助。 TD-SCDMA 在系统性能方面具有明显的竞争优势：系统容量大，抗干扰能力强，频谱 利用率高，系统可以在带宽为 1.6 MHz 的单载波上提供 2Mbit/s 的数据业务和 48 路语音 通信。TD-SCDMA 不需要成对的工作频段，这对缓解当前移动频段资源紧张的问题是极为 重要的。TD-SCDMA 能够提供第三代移动通信系统所规定的各种业务，包括高质量的语音、 宽带数据和多媒体业务，尤其适合今后将迅速发展的 IP 等非对称数据业务。 TD-SCDMA 系统还采用了智能天线、联合检测、同步 CDMA、接力切换及自适应功率控 制等诸多先进技术，与其它 3G 系统相比具有较为明显的优势。 1.2 TD-SCDMA 发展现状 在中国政府主管部门、运营商的支持下，在 CWTS 的积极推动下，TD-SCDMA 技术在经 历了融合与完善后，于 2000 年 5 月正式被 ITU 确认为国际第三代移动通信标准。2001 年 3 月，另一个国际性的移动通信标准化组织 3GPP 正式接纳了 TD-SCDMA 标准的全部技 术方案。国际电联和 3GPP 对 TD-SCDMA 标准的认可，标志着它已经成为一个世界通用的、 开放的标准，可以作为各国第三代移动通信系统的选择方案之一。目前，TD-SCDMA 事实 上已经成为第三代移动通信系统中世界唯一的 TDD 标准。国际电联为 TDD 专门划分了 3G 频段将完全被 TD-SCDMA 使用，为 TD-SCDMA 走向全世界铺平了道路，也为 TD-SCDMA 在世 界漫游创造了条件。 TD-SCDMA 是 TDD 模式，由于同时采用了同步 CDMA、智能天线、软件无线电、联合检 测、接力切换、低码片速率、多时隙 TDMA 等一系列新技术，从而增加了系统容量，提高 了系统抗干扰性能，大大降低了发射功率，节约了制造成本。TD-SCDMA 产业的总体发展 情况良好，国内外的诸多企业都投身到 TD-SCDMA 的发展中来了。从原来的大唐电信孤军 奋战到目前几十个厂家和单位共同研究开发，TD-SCDMA 已经逐步被诸多厂家所接受。同 时运营商也对该技术表现出了兴趣，对 TD-SCDMA 的认同感逐步提高。目前 TD-SCDMA 技 术面临的主要工作是如何从产业上缩短与其他两个标准的距离，尽早建立预商用网络。 从产业链角度讲，TD-SCDMA 系统的产业结构已经形成，涉及到核心技术、系统、终 端、核心芯片等各个方面。有国内外几十个单位参与，已经形成一定规模，产业分布趋 于合理。同时，TD-SCDMA 的产业链形成时间相对较短，还需要进一步巩固和发展。 系统方面的技术主要来自于大唐电信的前期技术，而且经过多年的研究开发，大唐 徐健：TD-SCDMA 系统原理与技术的研究 - 2 - 电信已经开发出多个版本的基站，可用于前期测试和后期商用；同时中兴和普天都引进 了大唐的技术进行开发；华为和西门子成立合资公司，利用西门子在 TSM 方面的技术和 华为在 WCDMA 核心网和 RNC 的基础上进行再开发。国内的主要厂商都参与到 TD-SCDMA 技 术的开发中来，这无疑对 TD-SCDMA 产业有了巨大的促进作用。 终端方面的企业有较多的技术积累，国内夏新、波导、海信等手机制造公司都积极 参与到 TD-SCDMA 手机的产业中来，保证了 TD-SCDMA 手机的供应和多样化。在手机的核 心芯片方面，有诸多的芯片设计、制造公司参与，如上海的凯明、展讯，北京的 T3G、大 唐微电子等。无疑，国内厂商参与到手机核心芯片的设计中，会改变我国在手机的核心 技术上完全依赖进口的局面，不论在成本上还是在灵活性上都有明显的改善。 1.3 TD-SCDMA 系统帧结构和基本参数 要掌握 TD-SCDMA 系统，它的帧结构和基本参数是非常重要的，系统设计者在这两方 面都倾注了巨大的心血。与其他第三代移动通信标准相比，它有很多独特的地方，而这 些独特性又是为了保证系统的性能和容量优势。 TD-SCDMA 系统的帧结构如图 1-1 所示。物理信道用 4 层结构：超帧、无线帧、子帧 和 时隙/码。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 5ms 的子帧，每个子帧由长度 675us 的 7 个主时隙和 3 个特殊时隙组成。 3 个特殊时隙分别是下行导频时隙(DwPTS，75us） 、上行导频时隙(UpPTS, 125us）和保护 时隙(G,75us)构成。在这 7 个主时隙中，Ts0 总是分配给下行链路，而 Ts1 总是分配给上 行链路，其他时隙既可作为上行链路的时隙，也可作为下行链路的时隙。上行链路的时 隙 和下行链路的时隙之间由一个转换点分开，在 TD-SCDMA 系统的每个 5ms 的子帧中，有两 个转换点(UL 到 DL 和 DL 到 UL） 。转换点的位置取决于小区上、下行时隙的配置，这种灵 活的配置方案。特别适合不对称业务的传输。 华东交通大学毕业设计 - 3 - 图 1-1 TD-SCDMA 系统的帧结构 一个突发的持续时间就是一个时隙，主时隙突发结构由两个数据符号域、一个 144 chips 的 midamble 码、L1 控制信息和 16chips 的保护域组成，总共长 864chips。数据区 共 704 码片长，数据域中每个比特用 QPSK 调制，扩频系数为 1-16。 midamble 码是作为 训练序列，供多用户检测（联合检测或干扰抵销）时信道估值使用。下行导频时隙 (DwPTS)由 64 比特正交码组成，它是无线基站（小区）的导频信号。也是下行同步的信 号。而上行导频时隙(UpPTS)由 128 比特正交码组成，它是用户终端（小区）的导频信号， 主要用做上行同步。保护时隙(G)用于保护和区分上、下行时隙，使距离较远的终端能实 现上行同步，在 TD-SCDMA 系统中，此时隙的宽度保证了小区的最大半径可能达到 l0Km 以上。 TD-SCDMA 系统中时隙用于在时间域上区分不同用户信号，这在某种意义上有些 TDMA 的成分。另外，对给定的一段频率还可以在频域上分为一些带宽为 1.6MHz 的载波，这具 有 FDMA 的成分，因此，TD-SCDMA 系统的多址方式为 FDMA+TDMA+CDMA。 TD-SCDMA 系统的基本参数可以归纳为如表 1-1 所示。 表 1-1 TD-SCDMA 系统的基本参数 参数值 技术特征 TD-SCDMA 信道间隔 16MHz 码片速率 1.28Mchip/s 多址方式 FDMA+TDMA+CDMA 双工方式 TDD 帧长短帧长 10ms(子帧 5ms) 信道/载波48（对称业务） DS 与 MC 方式单载波窒窄带 DS 数据调制QPSK/8PSK（2Mbit/s 业务） 扩频调制 QPSK 语音编码 8kb/(s.AMR) 信道编码卷积编码+Turbo 码 基站发射功率最大 43dBm 移动台发射功率 33dBm 小区覆盖半径 0.1-12km 切换方式硬切换/软切换/接力切换 上行同步 1/8chip 相干检测上行、下行：连续的公共导频 多速率方案多时隙、可变扩频和多码扩频 基站间定时同步 功率控制开环加闭环功率控制，200 次/s 1.4 系统评价及未来的发展 作为国际 3G 标准之一的 TD-SCDMA 技术有其本身的优势，主要体现在以下几个方面: （1）频谱利用率。随着移动通信的发展，频谱资源逐渐成为制约移动通信发展的一个重 要的因素，同时频谱也是一种昂贵的资源，相比 FDD 方式的通信技术，TDD 方式有非成对 频谱的利用，这种方式不需要一定的频谱作保护带宽。因此采用 TDD 方式的 TD-SCDMA 技 术大大提高了频谱的利用率，也使的 TD-SCDMA 的频谱分配方式很灵活；（2）支持多媒 徐健：TD-SCDMA 系统原理与技术的研究 - 4 - 体业务，第三代移动通信的主要目标是实现移动多媒体通信，而多媒体业务的特点是上 下行链路不对称。而对于 TDD 方式，遇过在多媒体的热点地区采用非对称时隙分配方法， 可以提高下行链路的吞吐量，另一方面，TDD 技术对类似 PTT 业务和端到端网络有较好的 支待能力；（3）TD-SCDMA 的组网能力强，TD-SCDMA 的组网有 2 种方案：一种是与采用 WCDMA 技术的 UMTS 系统联合组网；另一种是独立组网；（4）TD-SCDMA 有后期发展空间， 当前，后 3G 和 4G 技术得到世界范围的普遍关注，而 TDD 双工方式以其特有的优势得到 了大家的认可，这也给 TD-SCDMA 技术向未来演进提供了方向，为 TD-SCDMA 的后续发展 提供了广阔的空间。 TD-SCDMA 系统有许多优点,但它也存在一些技术上的缺点。 （1）由于采用TDD 模式,会产生比较高的平均峰值功率(PTAP) ,并且各基站必须达到同 步,在不同网络控制器(RNC)控制的基站之间要实现同步比较困难。 （2）在TD-SCDMA系统中,当达到最高数据速率时扩频因子最小为1 ,在这种情况下,系统 将不能提供扩频增益,降低系统的干扰抵消能力。 （3）软件无线电是串行模块结构,模块间耦合紧密,相互独立性不高；采用的是基于时分 机制的总线结构,各相邻功能模块间的数据流是一种流水线式串行机制,它们之间实现匹 配较复杂。 经过我国技术专家的不懈努力, 通过一系列的技术测试, TD-SCDMA的各个专项技术试 验结果表明: TD-SCDMA的各项关键技术都已经在设备中实现并得到全面验证, TD-SCDMA 系统功能和性能达到设计指标要求, 设备运行稳定, 终端已实现了绝大部分功能和业务, TD-SCDMA可以独立组网。同时, 作为TD-SCDMA产业化的一个重要组成部分,TD-SCDMA完整 产业链已基本形成, 各通信企业纷纷加入TD-SCDMA 产业联盟, 促进了TD-SCDMA的发展, 不断发展壮大了TD-SCDMA 产业阵营。各终端厂商陆续推出成熟的TD-SCDMA 终端整体解 决方案, 开发出了多款式的TD-SCDMA 终端,不仅为TD-SCDMA 的商用提供了坚实的后盾, 同时也增强了人们对TD-SCDMA商用前景的信心。 2006 年1 月20 日, 国家信息产业部宣布,TD-SCDMA成为我国通信行业标准。该行业 标准的正式颁布可以看作是TD-SCDMA继2000年为ITU所接受、2001 年进入3GPP后的第三 个标准里程碑。这也标志着TD-SCDMA 标准方案已经成熟,并且能够指导企业进行制造和 生产。在该标准的指导下, 参与TD-SCDMA 产品开发、生产和运营国内外厂商在产品需求 定义、设备合作开发、系统集成应用等方面将有更加一致的认识, 技术和市场分工将进 一步明确, 同类设备的性能和指标也越来越具有可比性, 从而形成更加成熟的产业环境。 与其它3G标准相比, TD-SCDMA与GSM的系统结构框架更具兼容性。这样, 不仅使得由 2G到3G的过渡更加平稳, 而且还可以大大地降低运营商的技术风险, 尽早地使运营商获 益。国内外通信厂商的加盟, 政府的大力支持, 加之TD-SCDMA 技术上的优势, 我们有理 由相信:日益成熟的TD-SCDMA产业必将带动我国3G产业实现真正的腾飞。 华东交通大学毕业设计 - 5 - 徐健：TD-SCDMA 系统原理与技术的研究 - 6 - 2 TD-SCDMA 网络结构 TD-SCDMA 系统的网络结构完全遵循 3GPP 指定的 UMTS 网络结构，可以分为 UMTS 地面 无线接入网（UTRAN）和核心网（CN） 。本章首先介绍 UMTS 的网络结构模型，根据 TD- SCDMA 系统的接入网和核心网组成阐述它们之间的通信机制：然后对 TD-SCDMA 系统接入 网部分特有的空中接口协议进行详细介绍，包括协议体系和功能模型；另外还将介绍接 入网终端的协议结构；重点阐述了 TD-SCDMA 核心网的组成、结构和协议架构。 2.1 TD-SCDMA 网络结构模型 TD-SCDMA 系统的网络结构与标准化组织 3GPP 制订的 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 网络结构模型进行详细介绍。 2.1.1 概述 UMTS 系统按照功能可以分为两个基本域，用户设备域（User Equipment Domain）和 基本结构域（Infrastructure Domain）,如图 2-1 所示。用户设备域进一步划分有用户 业务识别模块（USIM）域和移动设备（ME）域；基本结构域进一步划分为接入网（RAN） 域和核心网（CN）域。总体来讲，UMTS 系统由用户设备（UE）域、接入网（RAN）域和核 心网（CN）域组成。 图 2.1 UMTS 的物理结构模型 用户业务识别模块域和移动设备域之间是 Cu 接口；用户设备域和接入网域之间是 Uu 接口。接入网域和核心网域之间通过 Iu 接口相连，核心网域通过网关连接到 Internet 或 IP 网。 2.1.2 用户设备域 用户设备域包括具有不同功能的各种类型设备。它们可能兼容一种或多种现有的接入 口（固定或无线）设备，如双模 GSM/UMTS 用户终端等。用户设备还可以包括智能卡。从 图 2.1 可以看出，用户设备域可进一步分为移动设备（ME）域和用户业务识别单元 （USIM）域。 （1）移动设备（ME）域 移动设备域的功能是完成无线传输和应用。移动设备还可以分为实体，如完成无线 传输和相关功能的移动终端（MT），包含端到端应用的终端设备（TE）。对移动终端没 服务网域传输网域 核心网域接入网域 移动 设备域 用户业务 识别单元域 基本结构域 用户设备域 原籍网域 CuUuIu Zu Yu 华东交通大学毕业设计 - 7 - 有特殊的要求，因为它与 UMTS 的接入层和核心网有关。 （2）用户业务识别单元（USIM）域 用户业务识别单元包含清楚而安全地确定身份的数据和过程。这些功能一般存入智 能卡中。它只与特定的用户有关，而与用户所使用的移动设备无关。 2.1.3 基本结构域 基本结构域可进一步分为直接与用户相连接的接入网域和核心网域，两者通过开放 接口连接。接入网域由与接入技术相关的功能组成，而核心网域的功能与接入技术无关。 从功能方面出发，核心网又可以分为分组交换业务域和电路交换业务域。但是，网络和 终端可以只具有分组交换功能或电路交换功能，也可以同时具有两种功能。 （1）接入网域 接入网域由管理接入网资源的物理实体组成，并向用户提供接入到核心网域的机制。 对于 UMTS phase 1 接入网的标准，现在只包括 UMTS 无线接入网（UTRAN），其它类型的 接入网有待进一步研究。UTRAN 是一种新的接入网，其功能由 UMTS phase 1 定义。为了 使 UMTS 网络能够在两种接入网下运行，特别定义了 UTRAN 和 GSM 基站子系统（BSS）接 入网的互操作。 从网络发展及漫游和切换的角度看，UMTS phase 1 应后向兼容 GSM 网络。所以 UMTS phase 1 将允许运营商引入新的技术，如 ATM、IP 等。UMTS 将支持各种接入方法，以便 于用户利用各种固定和移动终端接入 UMTS 核心网和虚拟原籍环境（VHE）业务。在所有 情况下，接入到 UMTS 网需要使用 UMTS 的用户业务识别单元。UMTS 的移动终端设计成运 用于各种无线接入环境。 （2）核心网域 核心网域由提供网络支持特性和通信业务的物理实体组成。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、信令和用户信息的传输机制等。核心网域又可 分为服务网域、原籍网域和传输网域： 服务网域：与接入网域相连接，其功能是呼叫的寻路和将用户数据与信息从源传输 到目的。 原籍网域：管理用户永久的位置信息。用户业务识别单元和原籍网域有关。 传输网域：是服务网域和远端用户间的通信路径。 2.2 接入网基本结构 前面介绍了整个系统的网络结构，下面介绍其中的 UTRAN，然后再重点介绍核心网 （CN）的接口和组成。作为接入网，UTRAN 基本结构及其 Iu、Iur、和 Iub 等主要接口是 TD-SCDMA 系统网络组成的基本。 2.2.1 UTRAN 结构 UTRAN 由若干个通过 Iu 接口连接到 CN 的无线网络子系统组成。其中一个 RNS 包含一 个 RNC 和一个或多个 Node B，而 Node B 通过 Iub 接口与 RNC 相连接。Node B 应该可以 支持 FDD 模式、TDD 模式或者以上 2 个模式都支持。 在 UTRAN 内部，RNC 之间通过 Iur 接口进行信息交互，Iu 和 Iur 是逻辑接口，Iur 接 口可以是 RNC 之间的直接物理连接，也可以通过任何合适传输网络的虚拟连接来实现。 UTRAN 的内部结构如图 2-2 所示。 每个 RNS 管理一组小区的资源。在 UE 和 UTRAN 的每个连接中，其中一个 RNS 充当服 务 RNS(SRNS，Serving RNS)。如果需要一个或多个漂移 RNS(DRNS，Drifting RNS)通过 提供无线资源来支持 SRNS 时，则 SRNS 和 DRNS 的结构关系如图 2-3 所示。 徐健：TD-SCDMA 系统原理与技术的研究 - 8 - RNS RNC RNS RNC 核心网 CN Node B Node B Node B Node B Iu Iu Iur Iub Iub Iub Iub UTRAN 图 2-2 UTRAN 内部结构 SRNS CN Iu DRNS Iur UE 小区 图 2-3 SRNS 和 DRNS 结构关系 2.2.2 UTRAN 接口模型 UTRAN 接口的通用协议模型如图 2-4 所示。从图中可以看出，UTRAN 分为无线网络层 和传输网络层。其中，UTRAN 的逻辑节点和他们之间的接口被定义为无线网络层的部分。 传输网络层为用户平面传输、信令传输和特定的运行与维护(0 同时也可以使业务高密度的市区和郊区所要求的基站数目减少。在业务稀少的乡村, 无 线覆盖范围将增加一倍, 这也意味着在所覆盖的区域的基站数目降至通常情况的1 /4。 天线增益的提高也能够降低高频功放(HPA) 的线性输出功率(HPA的费用占收发信机成本 的主要部分) 。所以, 智能天线的采用将显著降低运营成本、提高系统的经济效益。 4.2 联合检测技术 联合检测是TD - SCDMA技术中革新的多用户检测方案。CDMA传输的普遍问题在于: 大量的用户信号分别在每个无线载波和收发器上被同时传送。所有传送信号的功率被汇 总到基站的收发器中输入。所有信号成功检测的先决条件是各个接收信号的电平相互之 间的偏差 1.5 dB (允许的输入功率因子1 /1.4) 。由于MS和基站间的距离不同, 多 个用户信号经不同的无线路径被传送到基站时有不同的路径衰减。另外, 每个信号将承 担由用户移动所产生的不同的延迟扩展和强烈的信号抖动(在移动无线环境里的瑞利衰落) 。为了平衡在基站收信机输入中所有接收信号的电平, 基站必须实现多环路快速功率控 华东交通大学毕业设计 - 19 - 制。 平衡的多址接入数据信号在基站收信机输入里会引起一个同白噪音等效的高斯分布 的电平总数, 进而对每个被检测的用户信号构成一个较强的干扰。这种多址接入干扰(MA I) 限制了每载波负载的业务量和CDMA系统的频谱利用率。 联合检测分别消除和将所有用户的多址干扰降至最低。结果是由于这几个方面的因 素每载波的用户负载量得到了提高。需要说明的是, 由于平行的用户数量的增长使计算 复杂度呈指数型增长, 同时, 一个高于一般的噪音造成了移动范围的降低。换言之, 联 合检测只在平行的用户的数量相对低的环境下才有效。 TD-SCDMA中的联合检测的高效率主要是因为TD-SCDMA是一个时域和帧控的TDMA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, 通过较低的计算量和较低的信号要求即可被有效地检测到。 联合检测使频谱利用率得到了提高, 并使在基站和用户设备中的功率控制部分更加 简单。更值得一提的是, 在不使用智能天线的情况下, 通过联合检测就可在现存的GSM基 础设施里通过C = 3的蜂窝在复用模式下使TD-SCDMA运行。最终的结果是, TD-SCDMA可以 在116MHz的低载波频带下通过联合检测提高业务量。 4.3 TD-SCDMA 其他主要技术 除了智能天线和联合检测技术外, TD-SCDMA还有以下主要技术: 4.3.1 上行同步 TD-SCDMA系统中, 上行链路和下行链路一样, 都采用正交码扩频。移动台动态调整 发往基站的发射时间, 使上行信号到达基站时保持同步, 保证了上行信道信号的不相关, 降低了码间干扰。这样,系统的容量由于码间干扰的降低大大提高, 同时基站接收机的复 杂度也大为降低。 4.3.2 软件无线电 软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件 加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。软件无线 电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带 A/D 和 D/A 变换器，并尽可能多地用 软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。其软件系统包括各类 无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制 解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空 中接口，并且它能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变 QoS。 4.3.3 动态信道分配 动态信道分配（DCA）的目的是进一步减少干扰，增加系统容量。与 2G 系统使用固 定信道分配（FCA）不同，3G 系统提供的各种各样的对称和非对称服务需要更加灵活的信 道分配体制，采用 DCA 策略可确保蜂窝系统能预见在不同的负载情况下需要分配的无线 资源，因此能有效增加传输量，减少干扰，增加系统容量。 TD-SCDMA 系统继承了 CDMA 和 TDMA 的优点，一个典型的物理信道可以被载波频率、 时隙和扩频码共同确定。在 TD-SCDMA 系统中，DCA 算法由 RNC 集中执行。具体而言，RNC 综合各种信息，包括路径损耗，可用的频率、时隙等，为目标终端附近的若干小区分配 可用资源。在实际操作中，信道动态分配分为两个阶段：第一个阶段是当呼叫建立时， 执行慢速 DCA 对信道进行分配；第二个阶段是当呼叫接入后，为了保证业务质量 RNC 使 用快速 DCA 对资源进行再分配。 徐健：TD-SCDMA 系统原理与技术的研究 - 20 - 4.3.4 接力切换 接力切换技术是 TD-SCDMA 系统的关键特征，该技术利用了软切换与硬切换技术的优 点。基于同步 CDMA 和智能天线技术的信息，接力切换具有相当高的效率，这是因为系统 能对移动终端进行精确的定位。 在 TD-SCDMA 系统中，接力切换同时支持同频率切换和不同频率切换，而且具有相当 高的切换精度。在与不同系统的切换过程中，其切换时延与在 TD-SCDMA 系统内切换的时 延比较接近。接力切换的过程由 4 步组成：首先，移动终端监听当前基站的广播信道以 获得邻近小区的信息，包括位置、频率、能量级、传输时延等；当移动终端发现处于切 换极限时，系统发出切换命令；此时，移动台给目标基站发出上行导频信号和闭环同步 信号，同时保持与原基站信号和服务的联系；在信号联系（例如与目标基站进行开环同 步）被建立之后，移动终端中断与原基站的服务连接并与目标基站建立连接。 4.3.5 低速率模式 TD-SCDMA系统码片速率(Chip rate)采用的是1.28MHz, 为UTRA /TDD码片速率的1/3, 这有利于URTA /TDD系统的兼容。低的码片速率, 在硬件上也容易实现, 可大大降低成本。 另外, 1.28MHz码片速率的单个载频占用1.6MHz的带宽, 较之5MHz的URTA /TDD和UTEA /FDD, 由于占用带宽窄, 在频谱安排上有着很大的灵活性, 对于利用将来要空置了的第 二代频谱开展第三代业务, 可有效地使用日益宝贵的频谱资源。 华东交通大学毕业设计 - 21 - 5 TD-SCDMA 频率规划和组网模式 5.1 概述 2002 年10 月，信息产业部公布了我国3G 的TDD 频谱规划，为TD-SCDMA标准划分了 总计155 MHz 的非对称频段。其中，20102025 MHz 为一阶段的核心频段，这段频谱与 其他系统的工作频段隔离较大，干扰很小。目前，有关厂商均基于此频段进行设备研发。 18801920MHz 是二阶段的核心频段，为后续TD-SCDMA的大规模灵活组网提供了有力的 保障。有关厂商均表示下一阶段的设备将支持此频段。23002400 MHz 作为补充频段， 可保障TD-SCDMA 系统的持续长期发展。 5.2 传统的频率规划方案 20102025 MHz ，共计15 MHz频带，可以支持9 个频点，完全满足大规模组网的需 求。如果考虑多运营商同时使用该频段，可能会出现10 MHz 频段组网或者5 MHz 频带组 网的情况。基于此，以下提出了在15 MHz、10 MHz、5 MHz 三种情况下的TD-SCDMA 系统 的组网模式，并从技术和市场角度综合分析TD-SCDMA系统组网的多样性、各种模式的优 缺点及持续演进情况， 以便更好地配合运营商的建网和运营策略。考虑到TD-SCDMA 单 载频的承载能力和市场潜在的容量需求，以下均基于基站S333 或更多载频的配置方式。 为了能够更清楚地阐明各种组网方案的差异， 首先简单介绍一下传统小区的概念。在 TD-SCDMA 系统中，默认每一个载频扇区为一个独立的小区。对于无线资源的操作、配置， Uu 接口是针对一个载频进行的。在Iub 接口小区建立过程中，一个Cell 只配置一个绝 对频点号。如果是多载频， 则每个载频被当作一个逻辑小区。例如，对于三扇区三载频 的情况，则认为有9 个逻辑小区，针对每个小区完成独立的操作，即9个小区发送各自的 导频和广播信息，且必须配置9 套完整的公共信道，其中，BCH、FACH 和PCH 为全向信 道。因此，在传统小区模式方式下，对于多载频配置，比较典型的有同频组网和异频组 网两种方式。 （1）模式一：同频组网 在15 MHz 带宽内，9 个频点完全同频的组网方。同频组网可以提高TD-SCDMA系统的 频谱利用率，即15 MHz 带宽内可以支持S9/9/9 的最大配置。但是在此情况下，同一物 理环境下存在多个小区覆盖，载频间广播信道干扰严重，导致系统性能和效率降低， 需 要做更多的网络规化和优化工作。 （2）模式二：异频组网 在15 MHz 带宽内，9 个频点完全异频的组网方式。这种组网方式的优势比较明显。 由于各小区工作在不同频点，邻区干扰很小，因此网络性能较好；网络规划和优化的实 施比较容易。但这种模式的缺点也很明显，不同小区分别占用一个频点资源，15MHz 带 宽可支持的最大配置为S333。当需要支持多个载频以提供更大的容量时，这种方式耗费 频谱资源的速度非常快，在多运营商建网运营的情况下，频谱的利用不太经济。 5.3 基于N 频点的频率规划方案 针对上述两种方案存在的缺陷，在CCSA（中国通信标准化协会）的大力推动下，多 载频方案（N 频点）在接入网系统得到了实现。在同一覆盖区域内（扇区），若有多个 载频存在，就从分配到的N 个频点中确定一个作为主载频，其余的频点划分为辅载频。 徐健：TD-SCDMA 系统原理与技术的研究 - 22 - 在同一扇区内， 仅在主载频上发送DwPTS 和广播信息，多个频点共用一个广播。在N频 点方案中，公共信道限制在主载频， 减少了公共信道的载频间干扰， 提高了系统性能， 终端初始搜索准确、快速，系统接入、切换成功率显著提高。因此，引入N 频点方案， 可在较大程度上改善系统的性能和提升频谱利用率。基于N频点，有15 MHz、10 MHz、5 MHz 三种 频率规划方案。 5.3.1 15 MHz 的频率分配 15MHz 带宽可以支持9 个频点。考虑到室内覆盖的特殊性以及频点资源较充裕，为 了满足较高的容量需求，可为室内预留2个频点，其余7个频点用于室外。 （1）模式一：多载频同频异频联合组网 这种组网模式要求主载频异频配置，辅载频同频配置。根据主载频与辅载频频点相 异的原则，将剩余的7个频点分成两组：一组用于主载频，另一组用于辅载频。为了尽可 能地减少主载频的干扰，应将尽量多的异频频点分配给主载频。建议主载频组包括4个频 点，其余3个频点包含在辅载频组，可构建S444 的蜂窝网络。 由于主载频的频点不同，工作在主载频的公共控制信道（如BCH、FACH、FPACH）受 到的干扰较小， 因此具有较好的接收质量和覆盖能力。辅载频与主载频工作在不同频点， 将主载频、辅载频间的干扰降到了最低点。另外，由于辅载频上只承载业务信道，同频 配置引入的干扰会给网络容量带来一定影响，但是综合同频带来的高频谱利用率，依然 可以实现较高的容量。当然，与全系统同频组网相比，小区内部没有实现完全的频率重 用，频谱利用率一般。多载频同频异频联合组网方案实现了以N 频点为目标结构的频率 组网，可以说，这是小区性能、覆盖和频谱利用率的折衷。 （2）模式二：多载频同频组网方案 与模式一类似，模式二预留2个频点作为室内应用，其余7 个频点可以全网复用，即 7 个频点能在各个小区使用，不同小区的辅载频频率和主载频频率可以相同。主载频的 复用原则类似于GSM网络中的频率规划，为了减少干扰，应尽可能扩大重用距离，最大可 实现主载频频率复用因子（F=7）。 在此方案中，主载频频点设置相异，利用异频特性，较好地削弱了各小区间主载频 的干扰，确保公共控制信道具有较高的接收质量和覆盖能力。配置辅载频频点的基本原 则是尽量减少辅载频对邻小区主载频业务信道的干扰。建网初期，容量需求不大，可以 配置较少数量的辅载频，网络建设以S111 或S222 为主，共有7个频点资源可作为承载。 通过频率规划，使辅载频频点与其他小区主载频频点的重用距离尽可能地远。 针对TD-SCDMA 系统呼吸效应不明显的特点，当网络逐渐步入成熟期后，通过直接增 加载频的方式实现扩容（注意：此时各相邻小区的主载频频点配置不变，而且辅载频上 TS0 通常不承载业务，这两方面可确保不会增加主载频TS0 时隙上广播信道的干扰，对 覆盖影响很小，保证不同时期网络规划的一致性）。由于不同小区的辅载频频率和主载 频频率可以相同，实现了全网同频，因而极大地提高了频率复用。 （3）应用 在网络建设过程中，运营商可灵活选择组网模式，并结合实际情况进行网络配置 （15 MHz带宽支持的最大网络配置为S7/7/7）。建网初期，应重点关注网络覆盖和快速 布网能力，因为此时总体话务量需求较小、频率资源相对丰富，可考虑采用以N 频点为 目标结构的多载频组网模式，此时辅载频的个数可调。在容量需求不高的地区，辅载频 的配置可为0；在市区或者局部热点地区，辅载频的数量应根据实际需求配置。随着用户 话务量的持续增加，需要系统利用多载频提供更丰富的网络容量，此时，基于此平台， 在保证前期规划稳定的基础上，保留主载频不变，只需要增加辅载频数（如N 个），对 华东交通大学毕业设计 - 23 - 设备增加相应的硬件，即可实现网络容量提升N 倍。 5.3.2 10 MHz 的频率分配 10 MHz 的带宽可以支持6个频点。考虑到室内覆盖的特殊性和频点资源的总体规划 要求，可以为室内预留1个频点，其余5个频点用于室外应用。多载频同频异频联合组网 依然适用于网络建设初期。当受限于整体频点减少时，可采用频率复用因子（F=3）规划 主载频,其余2个频点作为辅载频。当采用10 MHz 多载频同频组网方案时，支持的网络配 置最大为S555。 5.3.3 5MHz 的频率分配 5MHz带宽可以支持3个频点，频率资源比较紧张。为了实现一定的网络规模并保证良 好的网络性能，全网采取以N 频点为目标结构的多载频同频组网方式。 由上述可知，基于N频点方案的频率规划可以提升网络的性能质量并实现较高的频谱 利用率，确保前后期网络规划的一致性。目前，鼎桥公司的无线接入网设备Node B 和 RNC 均已支持N 频点多载频组网。 徐健：TD-SCDMA 系统原理与技术的研究 - 24 - 6 结束语 本文比较全面的介绍了第三代通信通信系统TD-SCDMA。首先了介绍了 TD-SCDMA 的 发展现状及其关键技术，然后介绍了其网络结构及其各种接口。从总体上建立了 TD- SCDMA 的总体概念。最后阐述了 TD-SCDMA 的频率划分和组网模式。 TD-SCDMA作为中国首次提出的具有自主知识产权的国际3G标准，已经得到了中国政 府、运营商以及制造商等各界同仁的极大关注和支持。在主研机构和众多企业的共同努 力下，TD-SCDMA技术进展迅速。在TD-SCDMA研发不断推进的同时，TD-SCDMA产业链取得 了明显的突破性的进展，从TD-SCDMA芯片到系统、到终端的整个产业链已经初具规模， TD-SCDMA的产业化已经步入到一个健康、开放、稳步发展的良性轨道上。政府的大力支 持, 加之TD-SCDMA 技术上的优势, 我们有理由相信:日益成熟的TD-SCDMA产业必将带动 我国3G产业实现真正的腾飞。 华东交通大学毕业设计 - 25 - 谢辞 本论文是在我尊敬的导师余慧娟老师悉心指导下完成的，余老师严谨求实的治学态 度，孜孜孜不倦的精神，以及谦逊的人格，都极大的影响和鼓舞着我，使我受益终身。 在毕业设计期间，余老师时刻关注着毕业的研究进程，在此，我要怀着诚挚的敬意对老 师表示衷心的感谢！ 在此感谢所有帮助过我的老师和同学们。 最后，我还要感谢我的父母和家人给我的教育、鼓励和关怀，我要向父母和家人的 付出致以衷心的感觉和美好的祝福。 徐健：TD-SCDMA 系统原理与技术的研究 - 26 - 参 考 文 献 【1】彭木根，王文博等编著 TD-SCDMA 移动通信系统M机械工业出版社，2003 【2】李世鹤 编著 TD-SCDMA 第三代移动通信系统标准M人民邮电出版社，2003 【3】广州杰赛通信规划设计院 编著TDSCDMA 规划设计手册M人民邮电出版社，2007 【4】杨波,刘聪锋 编著TD-SCDMA中的智能天线技术M人民邮电出版社，2004 【5】王琦,曹磊 编著TD-SCDMA移动通信技术原理M机械工业出版社,2004 【6】李小文 编著TD-SCDMA第三代移动通信系统信令及实现M人民邮电出版社，2003 【7】李峰 智能天线技术的研究.J北京电信科学技术研究院硕士论文， 1999 【8】何毓嵩.联合检测与智能天线技术结合的研究J.北京电信科学技术研究院硕士论文 【9】3GPP 23.002,Networ Architecture 【10】3GPP Technical Specification 25.4xx 系列规范。 【11】3GPP Technical Specification 25.305 Stage 2 functional specification of UE positioning in UTRAN 【12】3GPP Technical Specification 23.271 Functional stage 2 description of location services 【13】3GPP Technical Specification 25.883 direct transport bearers between SRNC and Node- B 【14】3GPP Technical Specification 32.xxx 系列规范 【15】3GPP Technical Specification 23.xxx 系列规范 【16】3GPP 25.222,Multiplexing and channel coding (TDD) 【17】 J.H.Winters,J.Salz an