1-TD-SCDMA系统技术特点-鼎桥通信.doc

td-scdma无线网络规划第一章td-scdma系统技术特点1.1td-scdma基本特点41.2td-scdma关键技术对网络规划的影响71.2.1时分双工特性71.2.2智能天线和联合检测91.2.3接力切换131.2.4动态信道分配151.2.5n频点技术161.2.6频率复用方式的影响191.2.7定时提前对覆盖半径的影响201.3gsm和td-scdma网络规划比较211.4td-scdma和wcdma网络规划比较221.5本章练习23本章目标： 了解td-scdma基本特点 熟悉td-scdma关键技术对网络规划的影响 掌握td-scdma的小区呼吸效应 了解td-scdma的n频点技术 了解gsm和td-scdma网络规划比较情况 了解td-scdma和wcdma网络规划比较情况1.1 td-scdma基本特点图 1.1 td-scdma基本特点td-scdma（time division synchronous code division multiple access，时分同步码分多址）是由中国无线通信标准化组织（cwts）制定，并被itu（international telecommunications union，国际电信联盟）接纳的三大3g无线通信主流标准之一。td-scdma是fdma、tdma和cdma这三种基本传输模式的灵活结合，具有系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强等特点。 td-scdma的多址接入方案是采用直接序列扩频码分多址（ds-cdma），扩频带宽约为1.6mhz，采用不需配对频率的tdd（时分双工）工作方式。td-scdma系统的物理信道采用四层结构：系统帧号、无线帧、子帧、时隙/码。系统使用时隙和扩频码来在时域和码域上区分不同的用户信号。在td-scdma系统中，一个10ms的无线帧可以分成2个5ms的子帧，每个子帧中有7个常规时隙和3个特殊时隙。因此，一个基本物理信道的特性由频率、时隙和码决定。td-scdma使用的帧号（04095）与utra建议相同。信道的信息速率与符号速率有关，符号速率可以根据1.28mcps的码速率和扩频因子得到。上下行的扩频因子都在1到16之间，因此各自调制符号速率的变化范围为80.0k 符号/秒1.28m 符号/秒。td-scdma支持三种信道编码方式：1）在物理信道上可以采用前向纠错编码，即卷积编码，编码速率为1/21/3，用来传输误码率要求不高于10-3 的业务和分组数据业务；2）turbo编码，用于传输速率高于32kbps并且要求误码率优于10-3的业务；3）无信道编码。信道编码的具体方式由高层选择，为了使传输错误随机化，需要进一步进行比特交织。td-scdma采用qpsk方式进行调制（室内环境下的2m业务采用8psk调制），成形滤波器采用滚降系数为0.22的根升余弦滤波器。在td-scdma系统中，功率控制分为开环（open-loop）、外环（outer-loop）和内环（inner-loop）控制。这三部分在实际系统中的功能和作用有所不同，但是又互相结合，形成了整体的功率控制系统。在td-scdma系统中的上、下行专用信道上使用内环功率控制，每一子帧（5ms进行一次）。功率控制速率为200hz，功率控制步长为1db、2db、3db。在cdma 移动通信系统中，下行链路总是同步的。所以一般所说同步cdma 都是指上行同步，即要求来自不同距离的不同用户终端的上行信号能同步到达基站。上行同步过程包括上行同步的建立和保持。在td-scdma 系统中，同步调整的步长约为码片宽度的1/8，即大约100 ns。在实际系统中所要求和可能达到的精度则将由基带信号的处理能力和检测能力来确定，一般可能在1/8 至1 个码片的宽度。因为同步检测和控制是每个子帧（5 ms）一次，一般来说，在此时间内ue 的移动范围不会超过十几厘米，因而，这个同步精度已经足够，并不会限制和影响ue 的高速移动。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（18801920mhz、20102025mhz核心频段及23002400mhz补充频段）的非对称频段。2006年1月20日，信息产业部正式颁布td-scdma为我国通信行业标准。1.2 td-scdma关键技术对网络规划的影响 td-scdma的关键技术主要集中在基带部分，如智能天线技术、联合检测技术、时分双工、上行同步技术、动态信道分配技术、接力切换技术、功率控制技术、软件无线电技术、信道估计与补偿技术等一系列高新技术，从而大大增加了系统容量，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。1.2.1 时分双工特性1. tdd系统和fdd系统的区别首先我们来看一下什么是tdd（时分双工），它和fdd（频分双工）有什么区别呢？图 1.2 tdd系统和fdd系统的区别tdd（时分双工）定义：一种双工方法，它的前向链路和反向链路的信息是在同一载频的不同时间间隔上进行传送的。在tdd模式下，物理信道中的时隙被分成发射和接收两个部分，前向和反向的信息交替传送。tdd是一种通信系统的双工方式，在移动通信系统中用于分离接收与传送信道（或上下行链路）。tdd模式的移动通信系统中接收和传送是在同一频率信道，即载波的不同时隙，用保护时间来分离接收与传送信道；而fdd模式的移动通信系统的接收和传送是在分离的两个对称的频率信道上，用保护频段来分离接收与传送信道。2. tdd的优势 由于td-scdma的上下行使用同一频率，因此其上下行具有相似的空中无线传播特性。这样，根据上行信道空中传播特性就很容易估算出下行信道特性。从而简化智能天线选址的复杂程度，降低基站覆盖规划的难度。上下行时隙可以支持非对称的2：4和1：5配置，能有效地支持未来td-scdma的非对称业务（例如视频点播、数据下载、ptt业务）。对于不同的业务类型区域（如城区与农村、会议集中地等），可以采用不同的上下行时隙比配置（如城区数据业务多的可以使用2：4，而以通话为主的农村可使用3：3）。时隙转换点配置的灵活性，可根据业务类型的分布提高系统无线资源的利用率，但是要注意非对称时隙比的配置，也有可能对其邻近小区造成一定的干扰。tdd系统相对于fdd系统的优势： 易于使用非对称频段, 无需具有特定双工间隔的成对频段； 适合传输上下行不对称的数据业务； 上行和下行使用同个载频，故无线传播是对称的,有利于智能天线技术的实现。3. 时分双工的影响图 1.3 时分双工的影响 使用同一频率，因此上下行具有相同的传播特性，这可以简化覆盖规划的难度，规划结果的一致性较好。 上下行时隙支持不对称配置，可以有效的支持非对称业务（典型如视频点播、数据下载、ptt业务 ）。 对于具有不同话务分布的应用场景（如城区与农村）可以采用不同的上下行转换点配置（如城区 2:4，农村 3:3），这可提高时隙转换点配置的灵活性及系统容量的利用率。 对于同一应用场景网络的不同发展阶段（如初期和中后期）可以采用不同的上下行转换点配置（如初期 3:3，中后期 2:4），这可提高时隙转换点配置的灵活性及系统容量的利用率。1.2.2 智能天线和联合检测1. 智能天线的基本概念图 1.4 智能天线的基本原理智能天线技术的基本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。智能天线是td-scdma的重要技术之一。智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性，即空分多址接入（sdma）功能，来提高系统的容量和频谱利用率。这样，td-scdma系统就充分利用了fdma、tdma、cdma和sdma这四种多址方式的技术优势，使系统性能最佳化。2. 智能天线的优势为什么要使用智能天线？1）如果使用智能天线，能量仅指向小区内处于激活状态的移动终端，正在通信的移动终端在整个小区内处于受跟踪状态。2）如果不使用智能天线，能量将分布于整个小区，所有小区内的移动终端均相互干扰，此干扰是cdma容量限制的主要原因。3）智能天线相对于普通天线有以下优势：（1）减少小区间干扰；（2）降低多径干扰；（3）基于每一用户的信噪比得以增加；（4）降低发射的功率；（5）提高接收灵敏度；（6）增加了容量及小区覆盖半径。图 1.5 使用智能天线与不使用智能天线之比较 图 1.6 智能天线的优势3. 联合检测简介mai (multiple access interference)：由于不同用户共享同一频段而产生的多址接入干扰。当用户数目很少时，mai一般可以忽略；但是随着用户数目的增加，mai会越来越大。由于mai中包含许多先验的信息，如确知的用户信道码、各用户的信道估计等等，因此mai不应该被当作噪声处理，它可以被利用以提高信号分离方法的正确性。这样充分利用mai中的先验信息, 将所有用户信号的分离看作一个统一过程的信号分离方法称为多用户检测，基本思想是把所有用户信号当作有用信号来对待，而不是看作干扰信号。联合检测是利用所有和mai相关的先验信息，一步之内将所有用户的信号检测出来。图 1.7 多址干扰4. 智能天线和联合检测的影响：智能天线的分集及赋形增益提高了覆盖能力，也降低了对单个天线的功率要求，从而降低了系统成本，另外，由于每个下行时隙都可独占功放发射功率，所以系统可以使用较低的发射功率实现业务的有效覆盖。本小区和邻近小区的智能天线以及本小区的联合检测的干扰抑制，显著提升系统容量和频谱利用效率，减弱了小区呼吸效应，小区负荷对覆盖基本没有影响。另外，提升频谱利用效率也降低了覆盖规划的复杂度，智能天线是td-scdma系统组网的一大优势。（1）由于采用智能天线和联合检测等先进技术来抵抗干扰，呼吸效应不明显，因此规划时可以把覆盖和容量分开考虑。（2）由于呼吸效应不明显，多业务基本实现均衡覆盖，大大简化了网络设计的难度。5. 小区的呼吸效应图 1.8 小区的呼吸效应所谓小区呼吸效应是指随着用户的增加（或减小），小区覆盖半径收缩（或扩大）的动态平衡现象。cdma系统是一个自干扰系统，当用户数显著增加时，用户产生的自干扰呈指数级增加，因此呼吸效应是一般cdma系统的天生缺陷。 由于cdma系统的每个用户信号能量被分配在整个频带范围内，一个用户对于其它用户而言就是宽带噪声。每增加一个用户，对于其它用户而言，干扰电平就会增加，为了保证各自呼叫继续进行，每个用户都适当的提高自己的发射功率，形成了一种功率攀升的恶性循环，直到新的用户无法使基站接收到符合解调门限的信号为止，此时系统达到容量极限。 小区呼吸效应在链路预算中就体现为当小区用户数增多，负载增大，相应的干扰余量增大，因此小区允许的最大路损减小，覆盖范围收缩。图 1.9 td-scdma各种业务的覆盖范围呼吸效应的另一个表现形式是每种业务用户数的变化都会导致所有业务的覆盖半径发生变化，这会给网络规划和网络优化带来很大的麻烦。td-scdma是一个集fdma、tdma、cdma于一身的系统，它通过低带宽fdma和tdma来抑制系统的主要干扰，使产生呼吸效应的因素显著降低；由于td-scdma在每个时隙中采用cdma技术来提高容量，产生呼吸效应的唯一原因是单时隙中多个用户之间的自干扰，由于td-scdma单时隙最多只能支持8个12.2k的话音用户，用户数量少，使用户的自干扰比较少。 同时，这部分自干扰通过联合检测和智能天线技术被进一步抑制，因此td-scdma不再是一个干扰受限系统，而是一个码道受限系统，覆盖半径不随用户数的增加而变化，即呼吸效应不明显。智能天线和联合检测技术最大限度的克服了小区呼吸效应。 联合检测技术给系统带来较大增益，使小区内干扰因子下降； 智能天线波束赋形进一步减少小区内和小区间干扰。td-scdma各种业务的覆盖范围近似相同，对于实现各种业务的连续覆盖规划非常有利。1.2.3 接力切换1. 接力切换的基本概念图 1.10 接力切换示意图接力切换（bh，baton handover）是td-scdma移动通信系统的核心技术之一。其设计思想是利用智能天线和上行同步等技术，在对ue的距离和方位进行定位的基础上，根据ue方位和距离信息作为辅助信息来判断目前ue是否移动到了可进行切换的相邻基站的邻近区域。如果ue进入切换区，则rnc通知该基站做好切换的准备，从而达到快速、可靠和高效切换的目的。这个过程就像是田径比赛中的接力赛跑传递接力棒一样，因而形象地称之为接力切换。接力切换通过与智能天线和上行同步等技术有机结合，巧妙地将软切换的高成功率和硬切换的高信道利用率结合起来，是一种具有较好系统性能优化的切换方法。实现接力切换的必要条件是：网络要准确获得ue的位置信息，包括ue的信号到达方向（doa）和ue与基站之间的距离。在td-scdma系统中，由于采用了智能天线和上行同步技术，因此系统可以较为容易地获得ue的位置信息。具体过程如下：1) 利用智能天线和基带数字信号处理技术，可以使天线阵根据每个ue的doa为其进行自适应的波束赋形。对每个ue来讲，仿佛始终都有一个高增益的天线在自动地跟踪它。基站根据智能天线的计算结果就能够确定ue的doa，从而获得ue的方向信息。2) 在td-scdma系统中，有一个专门用于上行同步的时隙uppts。利用上行同步技术，系统可以获得ue信号传输的时间偏移，进而可以计算得到ue与基站之间的距离。3) 在步骤1）和步骤2）完成之后，系统就可以准确获得ue的位置信息。因此，上行同步、智能天线和数字信号处理等先进技术，是td-scdma移动通信系统实现接力切换的关键技术基础。2. 接力切换特点图 1.11 接力切换执行中td-scdma系统中的切换方式有硬切换和接力切换。其中，接力切换是td-scdma系统特有的切换方式。接力切换是一种越区切换方式。严格同步的小区，无论同频还是异频都可以进行接力切换。接力切换可以在node b内/间、rnc内/间进行。接力切换适用于实时业务和非实时数据业务。虽然在td-scdma系统中没有软切换，但是接力切换比软切换更节省无线资源，其成功率也接近于软切换。在实际的组网中，在无线资源富余的情况下，优先考虑接力切换，其次才是硬切换。接力切换的优势主要体现在： 接力切换充分利用了 tdd 的特性和上行同步技术，接近于软切换的成功率，低资源消耗率（等同于硬切换）； 缩短切换周期，改善切换成功率，减少切换引起的掉话率； 切换期间无数据帧丢失，可改善切换期间的话音质量（这不同于传统的硬切换）。1.2.4 动态信道分配1. 动态信道分配（dca）的基本概念td-scdma 系统的无线资源包括频率、时隙、码字、功率及空间资源，系统中的任何一条物理信道都是通过它的载频/时隙/扩频码的组合来标记的。信道分配实际上就是一种无线资源的分配过程。在dca 技术中，信道并不是固定地分给某个小区，而是被集中在一起进行分配；只要能提供足够的链路质量，任何小区都可以将该信道分给呼叫。在实际运行中，rnc 集中管理一些小区的可用资源，根据各个小区的网络性能参数、系统负荷情况和业务的qos 参数，动态地将信道分配给用户。在小区内分配信道的时候，相邻小区的信道使用情况对于rnc 来说是已知的，不需要再通过小区间的信令交互获得。动态信道分配技术一般包括两个方面：一是把资源分配到小区，也叫做慢速dca。二是把资源分配给承载业务，也叫做快速dca。2. 动态信道分配的影响图 1.12 动态信道分配的影响根据网络的负载和无线链路的情况，网络可以实施调整终端使用资源的，动态信道调整技术，以降低掉话率，从而提高数据传输的稳定性，改善链路性能。网络实时对频域、时域、码域和空域资源的调整可有效提高业务接入的成功率。动态信道调整及其参数的优化为网络后期优化提供了改善业务质量的手段。1.2.5 n频点技术1. td-scdma中的多载波图 1.13 三载波配置情况同其它移动通信系统一样，为了满足移动通信市场不断增长的需求，在同一扇区/小区进行多载频覆盖将是td-scdma系统增大系统容量的重要手段。td-scdma在3gpp r4中完成的技术方案，是一个单载频的技术方案。由于td-scdma的单载频带宽为1.6mhz，系统的整体容量受到限制。为了更好地扩充td-scdma的系统能力，更好地满足不断增长的市场需求，对于td-scdma多载频技术的研究在2005-2006年成为一个热点。在技术研究和外场实验中发现，位于ts0时隙的全向发射的pccpch广播信道，因无智能天线带来的波束赋形增益，其性能需要着重考虑。如何有效降低pccpch广播信道的同频干扰，提高信道的覆盖能力，成为td-scdma规模组网，特别是发展多载频技术的一个难点和重点。2. n频点的定义综合考虑上述的因素，提出了td-scdma n频点技术的多载频方案。即每个td-scdma小区可以配置多个载频，有且仅有一个主载频，称为一个n频点小区。如在通常的5mhz的频谱内，可配置3个载频。和传统多载波技术不同的是，这多个载频同属于一个小区，共享公共的资源和信道。每个小区中，仅在一个载频上发送dwpts和广播信息，在公共广播中发送多个频点的资源信息。针对每个小区，从分配到的n个频点中确定一个作为主载频，其他的作为辅载频。在同一个小区内，仅在主载频的ts0上全向发送dwpts和广播信息（pccpch），辅载频的ts0不使用。对支持多频点的小区，有且仅有一个主载频。主载频和辅载频使用相同的扰码和基本midamble码。对于每个小区的公共控制信道dwpts、pccpch、pich、sccpch、prach等规定仅配置在主载频上，uppch、fpach在辅载频上的使用可行性，有待进一步研究。业务的多时隙配置限定在同一载频上，同一用户的上下行配置在同一载频。考虑到设备可实现性，主载波和辅载波的时隙转换点建议配置为相同。针对每一扇区，从分配到的n个频点中确定一个作为主载波，在同一个扇区内，仅在主载波上发送dwpts和广播信息（ts0）。需要明确指示出主载波，以便nodeb确定在哪个频率上发送广播，而且在信道配置的消息中需要增加频点信息，以便终端和nodeb获得相关内容。另外一些约定如下： n频点td-scdma小区有一个主载波和若干个辅载波组成； 辅载波的ts0不使用； 主载波和辅载波的上下行转换点配置一致； 主载波和辅载波使用相同的扰码和基本midamble； 小区公共资源，如广播信道(bch)、随机接入信道(rach)、寻呼信道(pch)、下行导频信道(dwpts) 等只配置在主载波； 下行公共传输信道(fach)目前只允许配置在主载波； 目前上下行共享信道只允许配置在主载波上； 专用信道、上行同步信道和下行确认信道(uppch和fpach)可以配置在任一载波。（fpach通常在主载频上进行发送，但fpach在辅载波上可以有条件使用，条件之一为ue在切换时可以在辅载波上使用fpach信道，如果fpach配置在辅载波，nodeb也应该把该载波上的uppch激活。）注：目前阶段上行接入只允许在主载波上进行 多时隙配置应限定为在同一载波上； 同一用户的上下行配置在同一载波上； 终端在任一个时刻只能工作在一个频点上。简而言之，n频点的多载频技术方案，就是在业务时隙采用同频组网的方式，而在承载因全向发射而没有波束赋形增益的广播信道的ts0时隙，采取类似异频组网的主-辅载波技术，在成倍提高td-scdma的系统容量的同时，保证了频谱利用率，并有效降低了系统ts0时隙的同频干扰，提高了广播信道的载干比，降低了手机下行解调能力要求，加快了ue的小区搜索过程。同时，也使得广播信道的发射功率有了更大的余量，提高了小区的覆盖能力。经过实际的外场试验证明，n频点技术应作为td-scdma组网的主要技术方案。3. n频点技术的影响图 1.14 n频点技术的影响n频点技术，即一扇区下的多个载波按照一个小区的方式来提供可以使用的无线资源，但在这些载频中，只能有一个主载波，可以广播系统消息，其他载波用于用户业务信道。因此，n频点技术可简化后期网络的码规划及邻区规划。对于后期的网络扩容，则仅增加载波并使用n频点技术即可。在人口密集的市区，可以使用n频点技术来解决无线资源紧张的问题，使网络可以使用原有的码规划及临区规划方案。这一方案所能带来的好处如下： 公共信道限制在主载波上，减少了公共信道的载波间干扰，提高系统性能； 终端初始搜索准确、快速； 同时只在主载波上发公共信息，将大大降低对其它系统的干扰； 同一覆盖区内，相比单频点系统，n频点系统可以提供与频点数成线性比例的容量提升； 终端只需对小区主载波进行测量，相比单频点的覆盖，终端的测量行为简化许多； n频点小区内上下行同步严格对齐，所以频点间切换无需重新完成同步； 频点间切换的低复杂度为多个频点小区提供了较高的无线资源调度增益。1.2.6 频率复用方式的影响图 1.15 各种频率复用方式频率复用也称频率再用，就是重复使用（reuse）频率，在移动通信网络中频率复用就是指使同一频率覆盖不同的区域（一个基站或该基站的一部分（扇形天线）所覆盖的区域），这些使用同一频率的区域彼此需要相隔一定的距离（称为同频复用距离），以满足将同频干扰抑制到允许的指标以内。频率复用方式，较为紧密的频率复用方式有利于提高频谱效率，但是会增加系统内部扇区间的相互干扰，从而影响到系统的极限容量和通信链路的性能。常见的频率复用方式主要有以下几种，分别为11、13、14和17。td-scdma网络可以采用11频率复用方式，但需要借助于智能天线的用户间干扰抵消作用才能满码道工作。为支持64kbit/s以上速率等级的数据业务，可以考虑采用以下两个方面的措施。（1）采用较为宽松的频率复用方式，减少扇区间的干扰。（2）减少数据业务负荷，采用dca，避免相邻小区在同一时刻提供数据信道。1.2.7 定时提前对覆盖半径的影响在dwpts和uppts之间，有一个保护间隔，它是node b下行和上行的一个转换点。gp由96个码片组成，时长75 s。gp可以确定基本的小区覆盖半径为11.25km。同时较大的保护带宽，可以防止上下行信号相互之间的干扰，还允许ue在发送上行同步信号时进行一些时间提前。图 1.16 gp时隙结构图图 1.17 gp确定小区覆盖范围1：电波传播的速度为3108m/s；2：td-scdma 系统的码片速率为1.28mchip/s；3：由此可以得到每码片传输的距离：(3108) / 1.28mchip/s / 2 = 117 m / chip；上式中的2是指2倍的时间提前量。4：由gp有96个码片可得，在不存在干扰的情况下，td-scdma系统的覆盖范围：96*117m =11.25km。1.3 gsm和td-scdma网络规划比较表 1.1 gsm和td-scdma网络规划比较在干扰方面，对于gsm来说，主要存在同、邻频干扰，但是由于bcch频点一般使用非常宽松的复用方式（如：43），并且经过精心规划，因此出现导频污染等问题的可能性较小；对于td-scdma来说，主要存在同频内码间干扰、mai干扰以及时隙比例不同时交叉时隙干扰，但是由于td-scdma采用了动态信道分配（dca）、智能天线和联合检测等技术，通过码分、空分和时分的方式，大大降低了系统的干扰。在覆盖方面，对于gsm来说，在频率规划良好和无网外干扰的情况下，其覆盖范围只与最大发射功率有关，而容量只和可用的业务信道总数有关。容量与覆盖本身并没有关系；对于td-scdma来说，属于码道受限系统，其覆盖不仅取决于最大发射功率，而且与系统负荷有关。因此设计时要充分考虑覆盖和容量之间的相互关系，以保证设计所需系统性能指标。在容量方面，对于gsm来说，容量、覆盖和质量三者间没有直接的联系，可以独立分析、独立设计。网络设计难点主要在于频率规划。1）容量基本上由硬件资源决定，一个载波有 8 个时隙，可用的载波数和复用方式决定了最大同时连接数目；2）覆盖由上下行发射功率决定（链路平衡问题）；3）通话质量由干扰情况决定，通过网络设计（复用方式、复用距离、跳频等）控制干扰，保证质量；对于td-scdma来说，容量、覆盖、质量之间密切相关：1）容量覆盖：设计负