（通信与信息系统专业论文）tdscdma智能天线技术研究及性能分析.pdf

南京邮电大学硕i j 学位论文 摘要 摘要 移动通信从8 0 年代进入人们的生活后，经历了巨大的变化与发展。在9 0 年代世界范围内开始研究带宽为5 m h z 或带宽更宽的宽带c d m a 技术，目前已 有国家建立了3 g 商用网络和3 g 试验网络，并对3 g 试验网络进行测试。 第三代移动通信标准就是要满足对应于静止、步行、车速移动环境下的用户 信息速率分别应达到2 m b p s 、3 8 4 k b p s 和1 4 4 k b p s 。t d - s c d m a ( 时分同步码分多址) 标准是由中国提出的第三代移动通信标准。它采用了如智能天线和联合检测等先 进技术，改善了系统性能，提高了通信容量。2 0 0 0 年，它被3 g p p 组织接受成为 u b i t s ( 通用移动通信标准) 的全球标准。目前其已成为主流第三代移动通信系统 之一。 本文的研究主要围绕t d s c d m a 标准的性能展开。首先对当前移动通信的发 展态势作简要介绍；然后介绍了我国自主开发的t d - s c d m a 标准及其智能天线技 术：接着从上下行链路的语音和数据业务的小区容量方面详细研究了t d - s c d m a 系统性能：最后本文介绍了一种对现有智能天线改进后的w a l s h 地址码分扇区使 用和定向天线结合的方案应用于n o d eb 端的新型收发信机的结构，并分析比较 了改进前后的系统性能。 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工堂逼篮当信息丞筮 研究方向：整动逼信皇玉缝量苤 作者：2 0 0 4 级研究生篚竖 指导教师：盟渔堕塑攫 题目：t d s c d m a 智能天线技术研究及性能分析 英文题目：s m a r ta n t e n n aa n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so f t d s c d m a 主题词：t d s c d m a 标准小区容量智能天线 扇区定向天线 k e y w o r d s ：t d s c d m as t a n d a r d p o l ec a p a c i t yo f ac e l l s m a r ta n t e n n as e c t i o nd i r e c t i o n a la n t e n n a 南京邮电大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t i n19 8 0 ，t h em o b i l ec e l l u l a re r as t a r t e d m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sh a v eu n d e r g o n e s i g n i f i c a n tc h a n g e sa n de x p e r i e n c e de n o r m o u sg r o w t hs i n c et h e n d u r i n gt h e19 9 0 s ， w i d e b a n dc d m a t e c h a i q u e sw i t hab a n d w i d t ho f5 m h zo rm o r eh a v eb e e ns t u d i e d i n t e n s i v e l yt h r o u g h o u tt h ew o r l d ，a n ds o m ec o u n t r i e sh a v el a u n c h e d3 gc o m m e r c i a l n e t w o r k sa n ds e v e r a lt r i a ls y s t e m sh a v eb e e nb u i l ta n dt e s t e d t h em a i np u r p o s eo f3 gs t a n d a r d si st op r o v i d er a d i oa c c e s sd a t ar a t eo f 14 4 k b p s ，38 4 k b p so r2 m b p st om u l t i u s e r si nr a d i oe n v i r o n m e n to fv e h i c u l a r , p e d e s t r i a n ，o ri n d o o ro f f i c e t d - s c d m a ( t i m ed i v i s i o ns y n c h r o n o u sc o d ed i v i s i o n m u l t i p l ea c c e s s ) i st h e3 gs t a n d a r dp r o p o s e db yc h i n a i ta d o p t ss o m ea d v a n c e d t e c h n o l o g i e s ，s u c ha ss m a r ta n t e n n a , j o i n td e t e c t i o na n ds oo n t h e s et e c h n o l o g i e s i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e ma n di n c r e a s e dt h ec e l lc a p a c i t y i n2 0 0 0 ， ”t h i r dg e n e r a t i o np a r t n e r s h i pp r o j e c t ”( 3 g p p ) a c k n o w l e d g e dt d - s c d m aa sa g l o b a l s t a n d a r df o ru m t s ( u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m ) t o d a y ， t d - s c d m ah a sb e c o m eo n eo ft h ep r i m a r y3 gs t a n d a r d si nt h ew o r l d t h ed i s c u s s i o ni nt h i st h e s i sf o c u s e so nt h ep e r f o r m a n c e so ft h et d s c d m a s y s t e m f i r s t l y , t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e v e l o p m e n to ft h em o b i l ec o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s s e c o n d l y , i td e s c r i b e st d - s c d m ap r o t o c o lp r o p o s e db yc h i n aa n d s m a r ta n t e n n at e c h o l o g i e s t h i r d l y , t h i st h e s i sa l s oa n a l y z e st h ec a p a c i t yo fac e l lf o r v o i c ea n dd a t at r a f f i cf r o mt h eu p l i n ka n dd o w n l i n kt oe v a l u a t et h ep e r f o r m a n c e so f t h et d - s c d m as y s t e m a tl a s t ，t h et h e s i sr e c o m m e n d san e wt r a n s c e i v e ri nn o d eb w h i c h a s s i g n i n gc o r r e s p o n d i n gw a l s h - a d d r e s s s e c t o rc o d ef o rd i f f e r e n ts e c t o r c o m b i n e dw i t hd i r e c t i o n a la n t e n n ai n s t e a do fs m a r ta n t e n n a ，t h e nc o m p a r et h e p e r f o r m a n c e so f i tw i t ht h eo r i g i n a lt r a n s c e i v e ri nn o d eb 1 1 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工堂逼篮当信息丞筮 研究方向：整动逼信皇玉缝量苤 作者：2 0 0 4 级研究生篚竖 指导教师：盟渔堕塑攫 题目：t d s c d m a 智能天线技术研究及性能分析 英文题目：s m a r ta n t e n n aa n dp e r f o r m a n c ea n a l y s i so f t d s c d m a 主题词：t d s c d m a 标准小区容量智能天线 扇区定向天线 k e y w o r d s ：t d s c d m as t a n d a r d p o l ec a p a c i t yo f ac e l l s m a r ta n t e n n as e c t i o nd i r e c t i o n a la n t e n n a 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了 明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：衄 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 繇牲翩躲避嗍她 南京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 无线通信的发展历史 移动通信是当今通信领域发展最为迅速的领域之一，它对人类生活及社会发 展产生了重大影响。从1 8 6 4 年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在，到1 8 7 6 年赫兹用实验证明了电磁波的存在，到1 9 0 0 年马可尼等人利用电磁波实现信息 远距离无线通信，世界开始了无线电通信的新时代。在后来一个多世纪时间里， 在飞速发展的计算机和半导体技术的推动下，无线通信的理论和技术不断取得进 步。今天，无线通信已经发展到大规模商用并逐渐成为人们日常生活不可缺少的 重要通信方式之一。 现代移动通信在过去短短十几年中经历了从模拟制式到数字制式、从单纯 提供语音业务到全面提供高速高质量数据传输业务的快速发展历程。第一代移动 通信系统以美国的a m p s 系统为代表。该系统采用频分多址( f d m a ) 方式，属 于模拟移动通信系统，仅提供模拟语音服务和简单的信令。由于第一代移动通信 系统主要采用模拟技术，随着用户数的剧增，模拟系统逐渐暴露出许多不足之处， 已逐渐退出历史的舞台。 第二代移动通信( 以下简称2 g ) 是在克服模拟系统不足之处的基础上发展 起来的，采用数字调制技术，主要以采用时分多址( t d m a ) 方式的数字式g s m 系 统和采用窄带码分多址( c d m a ) 方式的数字式i s 9 5 系统为代表，它主要以提供 数字语音业务为主，同时通过使用多个时隙( 时隙捆绑) 或多个码道( 码道捆绑) 来实现低速的数据业务，一般也仅能提供1 0 0 k b p s 2 0 0 k b p s 的数据业务。随着移 动通信的发展和移动电话用户数的增长，单靠现有技术、现有系统以及现有频段 的第二代移动通信系统已不能适应移动通信的发展规模和移动电话用户增长速 度的需求。另外，仅仅用于通话的通信技术已不能满足人们对信息交流的需求， 人们希望能随时随地获取除语音之外的数据、视频、和图像等多媒体业务信息， 这些都要求寻求频谱利用率更高的技术，寻求通信容量更大的移动通信系统。 与第一、第二代移动通信系统相比，对于采用频分双- i - ( f d d ) 和时分双工 ( t d d ) 的第三代移动通信系统3 g ，要求能够支持从语音到分组数据到多媒体业 l 南京邮电大学硕t 学位论文第一章绪论 务；能根据具体的业务需要，提供必要的带宽，必须满足以下三种环境的最低要 求，即： 快速移动环境( 对f d d ：5 0 0 k i n h ；对t d d ：1 2 0 k m h ) ，最高速率达到 1 4 4 k b p s ； 一室外到室内或步行环境( 3 0 k m h ) ，最高速率的达到3 8 4 k b p s ： 一室内环境，最高速率达2 m b p s 。 第三代移动通信系统( 以下简称3 g ) 的设计目标是不仅能够提供比2 g 系 统更大的系统容量和更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫 游及为用户提供包括语音、数据和多媒体业务；同时，也要考虑与已有的2 g 网 络良好的兼容性，其最基本特征是它的支持多媒体( 特别是i n t e m e t ) 业务方面 的能力。目前3 g 系统正处在大规模商用化的前夕。在i t u 中，3 g 技术被分为 多种模式。在3 g p p 和3 g p p 2 组织的共同努力下，w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和 t d s c d m a 成为i m t 2 0 0 0 的3 个无线接口技术标准。3 g 是工作在2 g h z 频段、 最高速率可达2 m b p s 的宽带移动通信系统。 因为全球各个通信商家的利益得不到很好的协调，第三代移动通信被分化成 了三大阵营。然而，统一的呼声在业界仍然留存，希望在未来能够统一。目前相 互兼容移动通信技术的第四代移动通信( 以下简称4 g ) 标准( 亦有称后3 g 标准) 正在业界萌动。4 1 3 以数据通信和图像通信为主，数据通信的速率比3 g 要大大 提高，室外移动通信的速率2 0 m b s 以上，室内移动通信速率1 0 0 m b s 以上，与 因特网结合，通信以i p 协议为基础，可能是没有基站的完全与一、二、三代不 同的网络结构，包括a d h o c 网自组织网络。4 1 3 有可能使用一些新型技术如： o f d m ( 正交频分复用) 、软件无线电、智能天线和i p v 6 实现未来的移动通信系统。 1 2 我国移动通信事业发展现状 移动通信是当前发展最快的通信产业之一，移动通信的用户数量增长迅速， 1 9 8 5 年全球移动电话用户为5 5 3 万，1 9 9 7 年为2 亿，2 0 0 0 年已达5 亿，到2 0 1 0 年可能会超过固定电话用户。亚洲是世界上最大的通信业市场，而中国是亚洲最 大的国家，随着中国经济的腾飞，对通信的需求越来越高，近几年来，移动通信 用户几乎是以每年翻一番的速度高速增长。1 9 8 7 年，第一个t a c s 模拟蜂窝移动 2 南京邮电大学硕士学位论文第章绪论 电话系统在广东省建成并投入商用，1 9 9 4 年，广东首先开通了g s m 数字移动电 话网。1 9 9 7 年底，我国移动电话用户数已达1 3 5 8 万，1 9 9 8 年9 月底，移动电话 用户数已超过2 1 0 0 万，其中g s m 网用户数为1 4 5 0 万以上，我国的g s m 移动通信 网成为世界上最大的g s m 网，到2 0 0 0 年9 月2 0 日，我国的移动电话数达到了 6 5 0 0 万，中国固定电话网、移动电话网的网络规模和用户总数都己位居世界第 二位。而截至2 0 0 5 年1 0 月底，我国的移动电话用户数达到了3 8 3 亿，其中年 新增用户达4 8 2 1 7 万户，远远超过了几年前的用户规模。 要适应这种大容量、高速度发展的移动通信市场增长的需求，单靠现有技术、 现有系统及现有频段的第二代和2 5 代移动通信系统是力不从心的。另外，仅能 进行通话的通信技术已不能满足人们对信息交流的需要，对无线数据、视频和图 像等多媒体业务的需求日渐增长，这都要求具有更高频谱利用率及更高容量的第 三代( 3 g ) 移动通信系统的出现。 与我国移动通信市场的飞速发展相比，我国的通信技术基础还比较薄弱。由 于我国起步晚，采用的移动通信标准都是国外制订的，使我国国内的移动通信制 造业长期受制于人，没有占据本应属于他们的巨大市场份额；我国的移动通信消 费者每年还要向国外公司交纳几十亿人民币的知识产权费，受国外厂商专利的限 制，国内设备商在成本上的竞争力也很受影响。为了在3 g 的发展中抓住机遇， 中国电信科学研究院制定了t d - s c d m a 标准，并于2 0 0 0 年5 月正式成为国际第三 代移动通信标准，这是中国百年电信史上的一次突破。目前，其与w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 己成为国际3 大主流3 g 标准。由于t d s c d m a 的提出晚于其他两个标准， 所以目前还未投入商用，尽管如此，因为国内3 g 牌照还没发放，所以t d - s c d m a 还有机会。目前，t d - s c d m a 正在进行的测试，相信其投入商用也是指日可待。 1 3 论文的主要安排 本文首先介绍移动通信技术的发展和我国通信事业的发展现状。然后在第二 章介绍了本文所要讨论的t d s c d m a 标准的技术和发展现状；第三章介绍了智 能天线技术及其在3 g 中的应用；第四章从覆盖半径、容量角度分析了 t d s c d m a 标准的性能，讨论了反向链路小区覆盖半径的计算、反向链路容量 和容量与覆盖之间的关系，给出反向链路容量的公式的推导过程以及负载因子的 南京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 计算；然后第五章介绍了一种t d - s c d m a 智能天线改进方案，提出w a l s h 地址码 分扇区使用技术结合定向天线的设计方案应用于n o d eb 端的收发信机的结构， 并与现有系统作了性能比较；在第六章对全文作了总结，总结了文章所作的工作 并提出了还需继续研究的问题。 1 4 主要工作和成果 本文主要根据近两年3 g 的发展状况，针对目前主流3 g 标准之一的 t d s c d m a 标准的性能进行分析，如链路预算，小区容量等，对小区无线上、 下行链路容量的公式给出具体的推导过程，并在计算机上作出简单的一些仿真， 包括负载因子对小区覆盖的影响。另外，：t d s c d m a 中采用智能天线来改善系 统性能，本文介绍了一种对现有智能天线改进后的w a l s h 地址码分扇区使用和定 向天线结合的方案应用于n o d eb 端的新型收发信机的结构，并分析比较了改进 前后的系统性能。 4 南京邮电大学硕j ：学位论文第二章t d s c d m a 标准简介 第二章t d - s c d m a 标准简介 2 1 第三代移动通信( 3 g ) 标准概述 早在1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 就提出了第三代移动通信系统( 简称3 g ) 的概 念，当时称为未来公共陆地移动通信系统f p l m t s ( f u t u r ep u b l i cl a n dm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) ，后来9 6 年更名为国际移动通信系统 i m t 一2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o n s ) ，即工作于2 0 0 0 m h z 频段， 其最高业务速率可达2 m b p s ，大约于2 0 0 0 年左右商用。按其设计思想，是有能力 解决第一、第二代移动通信系统主要弊端的先进的移动通信系统。1 9 9 2 年i t u 召 开世界无线电行政大会( w a r c ) ，对f p l m t s 的频谱进行划分，分配了1 8 8 5 - - - 2 0 2 5 m h z 和2 1i o 2 2 0 0 m h z 共2 3 0 删z 的频段给f p l m s 。 i m t 一2 0 0 0 的目标与要求： 全球同一频段、统一体制标准、无缝隙覆盖，并至少可实现全球漫游； 提供不同环境下的语音、数据和多媒体业务，车速环境1 4 4 k b p s ，步行 环境3 8 4 k b p s ，室内环境2 m b p s ，这是3 g 标准的核心要求； 满足通信质量能接近固定网的高质量业务要求； 可灵活的引入新业务，按需分配带宽，支持大范围、可变速率的信息传 送： 频谱利用率高，容量大； 易于从第二代平滑过渡和演变： 袖珍、多频、多模、通用的移动终端，满足通信个人化的要求； 低廉的设备和服务价格。 国际电联i t u - r t g 8 - 1 组于1 9 9 9 年1 0 月2 5 日至1 1 月5 日在芬兰赫尔辛基 会议上通过建议草案“i m t - 2 0 0 0 无线接口规范 共列有以下5 项：i m t - 2 0 0 0 c d m a - d s ，它包括u t r a w c d m a 和美、日、韩提出的w - c d m a 等：i m t - 2 0 0 0c d m a - m s ， 主要包含c d m a 2 0 0 01 x ；i m t - 2 0 0 0c d m a - t d d ，主要包括u t r a t d d 和我国提出的 t d s c d m a ；i m t 一2 0 0 0t d m a s c ，主要包括u w c l 3 6 ；i m t - 2 0 0 0t d m a m c ，主要包 含d e c t 。 5 南京邮电大学硕七学位论文 第二章t d s c d m a 标准简介 虽然i t u 在第三代移动通信标准的发展过程中起着积极的推动作用，但i t u 的建议并不是完整的规范，上述标准的技术细节则主要由两个国际标准组织一 3 g p p 和3 g p p 2 根据i t u 建议进一步来完成。其中，以欧洲为主体的3 g p p 主要制 定基于g s mm a p 核心网的第三代移动通信系统标准，其无线接入网( r a n ) 标准 则基于d s - c d b l a ( 即w c d m af d d 模式) 和c d i at d d ( u t r at d d 和t d s c d l i i a ) 。以 美国为主体的3 g p p 2 制订基于美国i s 一4 1 核心网的第三代移动通信标准，其无线 接入网标准基于m c c d m a ( 即c d m a 2 0 0 0f d d 模式) 。 目前得到全世界公认并已经或即将投入商用的3 g 主流标准为w c d m a 、 c d m a 2 0 0 0 和t d - s c d m a 等三种。三种标准均采用了c d m a 技术，它们的部分参数 见表2 1 “2 】： 表2 13 g 主流标准简介 参数 f d d w c d m at d - s c d m ac d m a 2 0 0 0 双工方式 f d dt d df d d 码片速率( m c p s ) 3 8 41 2 8 1 2 2 8 8 扩频系数下行5 1 2 4 1 6 - - - 1约4 3 - 。2 q p s k 8 p s k上行：b p s k 射频调制q p s k h s d p a 下行用1 6 q a m下行：b p s k 、o p s k 射频带宽( 删z ) 51 - 61 2 3 工作频段( m l t z )2 0 0 02 0 0 09 0 0 ，2 0 0 0 表2 1 中的大多数参数是不难理解的，目前t d s c d m a 已与t d d - w c d m a 进行融合。 扩频系数( s f ) 是码分多址系统的重要参数，在码分多址系统中主要用于调整 3 g 系统的无线接入。3 g 系统的码片速率r 。是固定的，所以有： 舻：土( 2 1 ) r 6 麟 此处r 。黜应是系统中纠错编码后的数据速率。 第三代移动通信正迅速在全球范围投入商用。目前世界上已投入商用的3 g 网络包括h i 3 g 意大利、h i 3 g 英国、h i 3 g 澳大利亚、日本n t td o c o m o 、日本j - p h o n e 、 日本k d d i 等。其中d o c o m ow c d m a 用户总数在2 0 0 4 年4 月已达到3 0 0 万大关， 距离突破2 0 0 万用户的时间仅隔了两个月。美国的移动运营商也将i s - 9 5 网络升 级到c d m a 2 0 0 01 xe v - d o 。中国的t d s c d m a 标准已经成熟，相关技术开发已接 近尾声并且即将投入预商用。第三代移动通信将带来耳目一新的个人通信体验和 6 南京邮电大学硕十学位论文 第二章t d - s c d m a 标准简介 丰富多彩的移动生活。 2 2t d - s c d m a 标准的提出和发展历程 t d - s c d m a 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 电信集团) 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 第三代移动通信系统标准。从i t u 在全球征求i m t - 2 0 0 0 无线传输方案开始，我 国就积极参与第三代移动通信标准的研究和制定。 t d - s c d m a 系统全面满足i m t 一2 0 0 0 的基本要求。它采用不需配对频率的t d d 双工方式，以及f d m a t d m a c d m a 相结合的多址接入方式。 t d - s c d m a 标准公开后在国际上引起极大的反响，继被i t u 接受后，9 9 年1 2 月开始与u t r at d d 在3 g p p 融合，2 0 0 1 年3 月被写入3 g p pr 4 系列规则，这意 味着t d - s c d i a 可与w c d m a 标准共用同一核心网，作为t d d 技术可与f d d w c d m a 实现性能的互补。 2 3t d - s c d m a 系统网络结构 2 3 1u m i s 及u i r a n 结构 通用移动通信系统( u m t s ，u n i v e r s a lm o b i l et e l e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 它的结构如图2 1 ，主要由核心网( c n ，c o r en e t w o r k ) 、u m t s 陆地无线接入 网( u t r a n ，u m t st e r r e s t r i a lr a d i oa c c e s sn e t w o r k ) 和用户设备( u e ，u s e r e q u i p m e n t ) 3 部分组成。c n 和u t r a n 及u t r a n 和u e 之问的接口分别被称为l 接 口和u 。接口。 7 南京邮电大学硕士学位论文 第二章t d s c d m a 标准简介 c n + l 接口 u 田舢 + 矾接口 u e 图2 1u m t s 结构图 在这里要着重介绍一下u t r a n ，其结构如图2 2 ，它是由一系列通过，。接 口连接到核心网的无线网络子系统组成。一个r n s 由多个无线网络控制器( r n c ) 和一个或多个节点b ( n o d eb ) 组成。节点b 支持f d d 模式、t d d 模式或者双模 式，是负责在一个或多个小区处理来自或到达u e 的无线信号的接收发送的逻辑 节点。l 被定义为在r n c 和节点b 之间的接口。r n c 负责切换判决，并包含合并 分路功能以支持在不同节点b 间的宏分集。节点b 对节点内的宏分集的支持是 任选功能。在u t r a n 内，无线网络子系统的r n c 可以通过，。接口互联。，。是在 r n c 间的逻辑接口，逻辑上它表示在r n c 间的点到点链路，而物理实现上可通过 物理直接连接或通过适当的传输网络传输。 图2 2u t r a n 结构图 以上把u m t s 的系统结构作了简要的介绍，与2 g 系统相比，u m t s 中u e 相当 8 南京邮电大学硕十学位论文第二章t d s c d m a 标准简介 于移动台( m s ) ，n o d eb 相当于基站收发信机( b t s ) ，r n c 相当于基站控制器( b s c ) ， r n s 则相当于2 g 系统的基站子系统( b s s ) 。 2 3 2 空中接口协议结构 空中接口即指u e 和网络之间的u 。接口，其协议结构如图2 3 t 1 1 所示。它是由 l 1 、l 2 和l 3 层组成。其中l 1 是基于t d s c d m a 技术的，l 2 和l 3 与u t r at d d 模式相同。 l 3 l 2 l l 撂 嚣 “ 聋 若e 延 逻辎储邀 传输债道 图2 3 空中接口协议体系结构 图2 3 描述了t d s c d m a 与物理层( l 1 ) 有关的无线接口协议体系结构。物理层 连接l 2 的媒质接入控制( m a c ) 子层和l 3 的无线资源管理( r r c ) 子层。图中不同 层子层之间的圈表示服务接入点( s a p s ) 。物理层向m a c 层提供不同的传输信道， 信息在无线接口上的传输方式决定了传输信道的特性。m a c 层向l 2 的无线链路控 制( r l c ) 子层提供不同的逻辑信道，传输信息的类型决定了逻辑信道的特性。物 理信道在物理层定义，一个物理信道由码频率和时隙共同决定。物理层哇j r r c 控 匍i 。 2 3 3t d - s c d m a 网络演进策略 因为t d - s c d m a 标准的提出约比w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 晚5 年左右，又采用了一 系列的高新技术，所以其技术验证和设备开发也落后于其他3 g 标准，考虑到 t d - s c d m a 系统的平滑演进，t d - s c d m a 系统采用了两个阶段进行演进。 第一阶段称为t s m ( t d s c d m as y s t e mf o rm o b i l e ) ，是个基于g s m 核心网 9 南京邮电大学硕上学位论文 第二章t d s c d m a 标准简介 的标准，它由中国无线通信标准组织( c w t s ， c h i n aw i r e l e s st e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d ) 标准化：第二阶段称为l c r ( l o w c h i pr a t e o fi m t - t d d ) ，是i t ui m t ( 3 g ) 标准t d d 模式的低码片速率标准，基 于3 g p p 核心网。 t s m 和l c r 在主要接口的差异如表2 2 1 所示。在空中接口，两者的l 2 3 分 别基于g s m 和c d m a t d d 的标准，物理层基本相同。 表2 2t d - s c d m at s m 和l c r 在主要接口的差异 接口 l c rt s m r a n - c n ，。接口 a r n c - n o d eb 乙接口 h b i sp l u s r n c r n c j 舯接口 无 空中接口 l c rr t t ( t d - s c d m ap h a s e 2 )t s mr t t ( t d s c d m ap h a s e1 ) 2 4t d - s c d m a 标准的特点 t d s c d m a 采用了一系列不同于其他3 g 主流标准的关键技术，这是其成为3 g 主流标准并具有一定竞争力的主要原因。 2 4 1t d d 模式 3 g 系统分为时分双工( t d d ) 和频分双工( f d d ) 两种模式。f d d 方式是指接收 和发射是在分离的两个对称频率信道上，用保证频段来分离接收和发射信道；而 在t d d 方式中，接收和发射是在同个频率信道上，用不同时隙来区分上下行， 即用保护间隔来分离接收与发射信道。t d s c d m a 全称为时分双工同步c d m a ，所 以t d d 是其最主要的特点之一。 t d d 系统具有如下优点：( 1 ) 由于不需要成对的频谱，故可以利用f d d 无法 利用的不对称频段，灵活性强：( 2 ) 因为可以灵活分配上下行的时隙，故适用于 不对称的上下行数据传输速率，特别适用于i p 型的数据业务；( 3 ) 上下行工作 1 0 南京邮电大学硕十学位论文第二章t d s c d m a 标准简介 于同一频率，电波传播的对称特性使之便于使用智能天线等新技术，达到提高性 能、降低成本的目的：( 4 ) 设备成本较低，比f d d 系统低2 0 一5 0 。 当然，t d d 系统也有其固有的缺点：( 1 ) 采用多时隙不连续传输方式，抗快 衰落和多普勒效应能力比连续传输的f d d 方式差，因此i t u 要求t d d 系统用户终 端的移动速度达1 2 0k m h ，而f d d 系统则要求达到5 0 0 k m h ；( 2 ) t d d 系统平 均功率与峰值功率之比随时隙数增加而增加，考虑到耗电和成本因素，用户终端 的发射功率不可能很大，故通信距离( 小区半径) 较小。 2 4 2 智能天线 t d s c d m a 是目前世界上唯一确定采用智能天线的3 g 系统。由于采用t d d 模 式，上下行链路使用同一频率，同一时刻上下行链路的空间物理特性完全相同， 所以只要根据上行数据在基站端进行空间参数的估值，再根据估值下行链路的数 据进行数字赋形，就可达到自适应波束赋形的目的，充分发挥智能天线的作用。 由于c o m a 系统中所有用户工作在同频段，所以对某一特定用户而占，所有 其他用户信号都是干扰信号，随着用户数增加，干扰逐渐增大，当系统用户数增 加到一定数量时，干扰会使系统无法将有用信号提取出来，故我们将其称为干扰 受限系统。采用智能天线技术后，只有来自主瓣方向和较大副瓣方向的多径干扰 才会影响有用信号，极大地降低了多址干扰，有效提高了系统容量，从而提高了 频谱利用率。 2 4 3 上行同步 上行同步是指上行链路各终端的信号在基站解调器完全同步。在t d - s c d m a 中用软件和帧结构设计来实现上行同步，因此它是同步c d m a 系统。通过上行同 步，可让使用j 下交扩频码的码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰， 克服了异步c d m a 多址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 同而造成码道非正交所带来的干扰，从而大大提高了系统容量和频谱利用率。当 然，要实现上行同步必须要有一套可靠的同步机制作保证。 南京邮电大学硕1 j 学位论文第二章t d s c d m a 标准简介 2 4 4 接力切换 越区切换在蜂窝移动通信系统中占有重要的地位。t d s c d m a 系统采用了独 特的接力切换。 在早期的频分多址( f d m a ) 和时分多址( t d m a ) 移动通信系统中，采用的是 “硬切换技术”，该技术使系统在切换过程中大约丢失3 0 0 m s 的信息，同时占用 信道资源较多。美国高通公司开发的i s - - 9 5 无线通信系统使用了“软切换技 术”，软切换过程不丢失信息、不中断通信，还可增加c d k a 系统的容量。但是， 软切换技术只解决了终端在使用相同载波频率的小区或扇区间切换的问题，对于 不同载波的基站之间，f d dc d m a 系统仍然只能使用硬切换方式。而且，处于切 换过程中的每一个终端要同时接收来自两个或三个基站的信息，并在反向链路中 向这些基站发送相应信息，这占用了较多的通信设备和信道，造成系统资源的浪 费。 t d s c d m a 系统由于采用了智能天线，可以用来定位用户的方位，所以可采 用接力切换方式。两个小区的基站将接收来自同一个移动台的信号并对其定位， 在移动台可能切换区域时，将此定位结果向基站控制器报告，其根据用户的方位 和距离判断移动台用户现在是否移动到应切换给另一基站的临近区域，并告知移 动台周围同频基站信息。如果进入切换区，便由基站控制器通知另一基站做好切 换准备，通过一个信令交换过程，移动台就由一个小区像交接力棒一样切换到另 一个小区。这个切换过程具有软切换不丢失信息的优点，又克服了软切换对邻近 基站信道资源和服务基站下行信道资源浪费的缺点，简化了用户终端设计。接力 切换还具有较高的准确度和较短的切换时间，从而提高了切换成功率。 2 4 5 软件无线电技术 所谓软件无线电技术就是在通用芯片上用软件实现专用芯片的功能。软件无 线电把硬件作为无线通信的基本平台，对于无线通信功能尽可能用软件来实现。 这样，无线通信系统具有很好的通用性、灵活性，使系统互联和升级变得非常方 便。由于t d - s c d m a 系统的t d d 模式和低码片速率的特点，使得数字信号处理量 大大降低，因此适合采用软件无线电技术。 1 2 南京邮电大学硕| j 学位论文第二章t d s c d m a 标准简介 2 4 6 联合检测技术 t d - s c d m a 是唯一确定采用多用户检测的3 g 标准，联合检测是t d s c d m a 技 术中革新的多用户检测方案。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。 t d - - s c d m a 中的联合检测的高效率主要是因为t d - - s c d m a 是一个时域和帧控 的t d m a 方案。因此，每载波的大量用户被分布到每个帧的每个时隙中，最终使 每时隙中并行用户的数量很少，再加上智能天线的空分多址，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。 2 4 7 动态信道分配 t d - s c d m a 所采用的动态信道分配技术可以实现在时域、空域和码域对无线 的灵活配置。采用动态信道分配技术使得t d - s c d m a 系统能够较好地避免干扰， 使信道重用距离最小化，从而高效率地利用有限地无线资源，提高系统容量。此 外，通过使用时域地动态信道分配，可以灵活分配时隙资源，动态地调整上、下 行时隙的个数，从而灵活地支持对称和非对称的业务。 2 5t d - s c d m a 系统的物理信道n 1 2 5 1t d - s c d m a 物理信道格式 t d - s c d m a 标准所有的物理信道都采用四层结构：超帧、无线帧、子帧和时 隙码。超帧、无线帧和子帧之间的结构如图2 4 所示。一个超帧长7 2 0 m s ，由 7 2 个无线帧组成，每个无线帧长l o m s ，每个无线帧又分为两个5 m s 的子帧。 南京邮电大学硕一i ：学位论文第二章t d s c d m a 标准简介 图2 4t d s c d m a 超帧、无线帧和子帧的结构关系 依据不同的资源分配方案，子帧或时隙码的配置结构可能有所不同。所有 物理信道的每个时隙间都需要有保护间隔。在t d - s c d m a 系统中时隙用于在时间 域和码域上区分不同用户信号，这在某种意义上有些t d m a 的成分。t d s c d m a 的 子帧的结构图如图2 5 所示。 d 、v p t s ( 9 6 c h l p ) 、 ”、岬7 一一一一转换点 l t ；tit ；2 十it ；3 十lt ，t ；0lt ；jt s o 图2 5t d s c d m a 的子帧结构 每个子帧由长度6 7 5us 的7 个常规时隙和3 个特殊时隙组成。3 个特殊时隙分别是 下行导频时隙( d w p t s ，7 5us ) 、上行导频时隙( u p p t s ，1 2 5us ) 和保护时隙( g p ， 7 5l as ) 构成。在这7 个常规时隙b t s o 总是分配给下行链路，而t s l 总是分配给上 行链路，其他时隙按小区上、下行时隙的配置要求灵活分配，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t d - s c d m a 系统中的每个5 m s 的子帧 中有两个转换点( u l 到d l 和d l 到u l ) ，这种灵活的配置方案特别适合于以不对称 1 4 南京邮电大学硕j j 学位论文 第二帝t d s c d m a 标准简介 业务为主的无线数据的传输。 2 5 2 子帧时隙结构 ( 1 ) 下行导频时隙( d w p t s ) 每个子帧中的d w p t s ( s y n c d l ) 是为下行导频和同步而设计的，i 主l n o d eb 以最 大功率在全方向或在某一扇区上发射这个时隙通常是由长为6 4 c h i p s 的s y n c d l 和3 2 c h i p s 的保