（电路与系统专业论文）新型tdscdma基站中标准接口协议riptd的设计与实现.pdf

摘要 与第一代模拟蜂窝系统和第二代基于t d m a 和窄带c d m a 的数字蜂 窝系统相比，第三代移动通信系统具有支持更多数量的用户、更大的系统 容量、支持移动多媒体和高速数据业务等特点。我国提出的t d s c d m a 标 准是目前第三代移动通信三大主流标准之一。为适应高速率高容量的移动 通信要求，数字化基站模块化基站已经成为目前t d s c d m a 基站发展的一 个目标，设计和推广标准的接口协议是完成这一目标的重要步骤。 本论文受国家高新技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 研究项目一一 “t d s c d m a 研究开发和产业化”的资助，主要研究基于t d s c d m a 标 准的r i p t d 接口协议，完成的工作主要有： 1 ) 对t d s c d m a 标准及其基站结构的研究 重点分析t d s c d m a 基站基带处理部分同射频部分的功能及相互间 的关系，确定r i p t d 接口协议需要完成的基本功能。 2 1r i p t d 接口协议的设计 参考基于w c d m a 标准的c p 砒和o b s 舢接口标准，根据t d s c d m a 的特点，设计r i p t d 接口的初始化流程、传输结构和监测功能。 3 1r i p t d 接口基于f p g a 的实现与调试 通过编写f p g a 程序实现砌p 皿接口的功能，并在协议评估板上调试， 调试结果证明r i p t d 接口协议的实用性和合理性。 关键词：i u p t d ，1 1 d s c d m a ，基站，1 0 数据，控制管理数据 a b s t i a c t ( b m p a r e dw i t ht h ef i 飓tg 咖峙r a t i o no fa n a l o g u ec e l l u l 缸s y s t e ma n dt h e s e c o n dg e n e r a t i o no fd i g i t a lc e l l u l 对s y s t e mb a s e do nt d m aa n dn 姗w b 卸d c d m 气i h et h i r dg c n c r a t i o no fm o b i l et e l e c 0 衄u n i c a t i o s 筘t e mh a sm o r e a d v a n t a g e s s u c ha sm o r eu s e 峨l a 培e c a p a b i l j t y ， m o b i l em u l t i i n e d i aa n d h i 曲一s p e c dd a t at m 越m i t ，锄d 伽t d s c d m as p e d f j 船t i o np r o p o s e db y o u r c o u n n yi so n eo ft h f e e1 e a d i n gs p e c i f i c a t i o n so ft h e3 叫g e 址m t i o no fm o b i i e t e l e c 0 啪m u n i c a “o ns y s t e m i no 柑e rt os a t i s f yt h er e q u i r e m c n to fh 蟾hb y t e s p e e d ，h i 曲c a p a b i l i 吼d j g i t a lm o d u l i n gb a s e - s t a t i o nr e p r e s e n t sad i r e c t i o no f t 1 1 ed e v e l o p m e n to ft d s c d m ab a s e s t a t i o nt o d ay d e s i 舯i n g 觚de x t c n d 擅ga c o 舢阻o ns t a i i d a r di n t 盯f a c cp t o t o c o l j sac n l c i a ls t e pt op 呲e c dt o w a r d st h i s d i r e c l i o n t l l l er e s e a r c hi so n e p a r t o fp r o j e c t “r c s e a r c ha i i dd e v e l o p m e n ta n d i n d u s t r i a l i z a t i o no ft d s c d m a ”s u p p o n e db y 1 1 l en a l i o n a lh i g ht e c h n o l o g y r e s e a r d la n dd e v e l o p m e n tp r o g r a mo fc l l i a ( 8 6 3p r o g r a m ) t _ l l ea i mo ft h e r e s e a r c hi st 0 d e s i 印ac o m m o ni t e 面c c r l p t db a s e d0 nt d - s c d m a s p e c i f i c a t i o n t 1 l em a i na c h i e v e m e t sa r c1 i s t e db e l o w ： 1 i i i v e s t i g a t i n g t d - s c d m as p e d f i c a t j o na n ds t r u c t u r eo ft d s c d m a b a s e s t a t i o n n ei v e s t i g a t i o nw a sc o 眦n t r a t e d 仰t h ef i i n c t i o n s 柚dr e l a t i o n so f b a s e b a n du n j ta n dm d i of n q u e n c yu n i ti nt h ep r o c e s su n i to ft d s c d m a b a s e s t a t i o ns ot h a tt h eb a s ef u n d i o n so fr i p t di n t e r f a c ep r o t o c o lc o u l db e d e s i g n e d 2 d e s i g r i i n gr i p t di t e 血c cp r o t o c o l r e f e r d n gt h es t 柚d a r dc p r ia n do b s a i i n t e r f a c es t a n d a r db a s e do nt h e w c d m 气w ed e s i 印t h en o wo fi n i 血l i z a t i 衄，t h es t r u c t u r eo ft h et r a n s m i s s i 叩 a n dt h em o n i t o r i g 血n c t i o no fr i p - 1 di n t e d a c ea c c o r d i n gt om ec h a r a c t e d s t i c s o ft d s c d m a 3 h n p l e m e n t i n ga n dd e b u g g i n gt h er i p t di n t e r f a c ep m t o c o lb a s e d o n i i f p g a t h ef i l i l c t i o no fr i p t di n t e r 缸e p r o t o c o l w a s i m p l e m e n t e db y p m g r 砌m i n gt t i ef p g ad e v i c e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o md e b u g 舀n go ni h e p m t o c o le v a l u a t i o b o a r dd 锄o n s t r a t et h a tr i p t di n t e r f a c ep r o t o c o l i sr a t i o n a l a dc a nb ep u ti n t op r a c t i o e k e yw o r d ： r l p t d ，t d s c d m a ，b a s es l a t i 衄，i qd a t a ，c & md a t a 1 第一章绪论 1 1 课题提出的背景及其意义 在通信发展的历史上，移动通信的发展速度非常迅猛，特别是近2 0 年 来，移动通信系统的发展及更新换代更是让入眼花缭乱。移动通信的最终 目标是实现任何人可以在任何地点、任何时间与其它任何人进行任何方式 的通信。现在全球移动通信用户数已经达到1 1 3 亿，今年的增长速度为 1 9 5 ，新增用户约1 8 4 亿。 当前移动通信进入一个新的发展时期，这就是人们普遍关注的第三代 移动通信。移动通信已经历过第一代和第二代时期，目前正在全世界营运 的主要是第二代移动通信的g s m 系统和窄带c d m a 系统。第三代移动通 信系统由卫星移动通信网和地面移动通信网所组成，将形成一个对全球无 缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区各种用户密度，支持高速移 动环境，提供持话音、数据和多媒体等多种业务( 摄高速率可达2 m b p s ) 的先进移动通信网，基本实现个人通信的要求。 在建设和发展第一代和第二代移动通信时，由于我国在技术方面处于 被动地位而错失良好时机。大多数厂家主要依靠组装国外产品来支持市场。 中国作为一个移动通信市场大国和经济快速崛起的国家，不希望也不能永 远处于技术跟踪和模仿的位置，必须抓住第三代移动通信发展的有利时机， 提出自己的国际标准。 早在1 9 8 5 年，国际电联( 删) 就提出第三代移动通信( 3 g ) 的概念， 许多国家和地区的著名电信设备制造商先后提出十多种空中接口建议。经 过充分协商和融合，最后形成三大主流标准，即欧洲提出的w c d m a 、美 国提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d s c d m a 。 1 9 9 8 年6 月3 0 同，是国际电联( i t u ) 向全球征集第三代移动通信标 准的最后一天，由大唐电信( 电信科学技术研究院) 代表中国提出的第三代 移动通信标准t d s c d m a ，经国家主管部门批准，提交国际电联。该标准 的产生包括电信运营商、设备制造商、科研单位、高等院校及相关单位的辛 勤劳动，凝聚着国移动通信专家的智慧和创造。也是近几十年来，尤其是改 北京交通大学硕士学位论文 革开放以来中国电信技术积累的结果。 2 0 0 0 年5 月，在土耳其伊斯坦布尔召开的国际电联大会上，t d s c d m a 终于被国际电联接纳并成为3 g 三大主流标准之一。2 0 0 1 年3 月1 6 日，在美 国加里福尼亚州举行的3 g p pt s gm n 第1 1 次全会上，将t d s c d m a 列 为3 g 标准之一，包含在3 g p p 版本4 ( r e i e a s e 由中。表明该标准已经被世界 上许多运营商和设备厂家所接受。t d s c d m a 第三代移动通信标准是中国 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，在中国通信发 展史上具有里程碑的意义并将产生深远影响，标志着中国在移动通信技术领 域已经进入世界先进水平。 本课题来自于由国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助的 t d s c d m a 研究开发和产业化项目，是与大唐移动通信设备有限公司 合作的新型基站研发项目的组成部分。 1 2t d - s c d m a 基站的发展现状 人们孜孜不倦地对新技术进行开发，其主要目的是为满足市场更高的应 用需求。当前高比特率的数据业务和多媒体的应用需求已经提到议事日程， 这也是推动第三代移动通信系统发展的主要动力。 t d s c d m a 系统采用不需配对频率的t d d ( 时分双工) 工作方式，以 及f d m a ，t d m 姻m a 相结合的多址接入方式。同时使用1 2 8 m c p s 的低 码片速率，扩频带宽为1 6 m h z 。t d s c d m a 系统还采用智能天线、联合检 测、同步c d m a 、接力切换及自适应功率控制等诸多先进技术。与其它3 g 系统相比具有较为明显的优势，主要体现在：( 1 ) 频谱灵活性和支持蜂窝网的 能力。( 高频谱利用。t d s c d m a 频谱利用率高，抗干扰能力强，系统容 量大，适用于人口密集的大、中城市传输对称与非对称业务。( 3 ) 适用于多种 使用环境。t d c d m a 系统全面满足u 的要求，适用于多种环境。( 4 ) 设备 成本低f l l 【引。 t d s c d m a 基站是t d s c d m a 无线接入网的组成部分，在网络中主要 负责管理无线资源、实现固定网络与移动用户之间的通信连接，传送系统信 号和用户信息例。t d s c d m a 无线基站( n o d eb ) 由两大部分组成：基带处 理部分处理物理层同天线间交互信息的处理：射频部分实现基带信号与射频 天线信号间的转换，即数字信号与模拟信号问的转换和补偿。大容量，低成 第一章绪论 本及灵活解决站址问题是第三代移动通信基站射频子系统必须解决的问题。 因此，如何提高射频子系统的性能从而降低成本对第三代移动通信系统的广 泛应用至关重要。 基站的发展目标是商速率、高容量、低成本、能够支持灵活布网。面目 前的基站结构中，基带处理和射频部分是紧密结合在一起的，需要增加覆盖 范围的时候，这两个部分同时添加到现有的运行网络中；基带处理和射频部 分的发展目标是不同的，射频追求大功率和低损耗，基带处理着眼于高度数 字化和软件化。面向基站未来的更大发展，将基站的射频部分远离基带处理 部分，更加贴近发射信号的天线部分，作为基站的一个远程受控模块；而基 站的主体完全数字化，通过光纤或者串行接口连接射频模块这一构想具有很 大的优势：整体化的数字功放能够大幅度的压缩成本；串行的接口方式也将 使网络布局更加的灵活，应用远距离光纤通信、射频端和天线的接近可以将 远距离功率损耗减少到目前技术水平的最低值；支持灵活的分布式组网，网 络扩容更加方便，节约资金投入。 1 3 设计r l p - t d 接口协议的意义 新型基站的构想是将数字基带同射频天线端分开，二者之间通过光缆或 电缆连接，射频端类似于基站系统中的一个模块，通过不同的网络拓扑结构， 组成灵活的模块化基站系统。这种结构需要定义一种统一的接口，来满足相 隔一段距离的( 目前由于处理能力和时隙倒换的限制，射频端同基站主体间 最远距离为8 0 公里) 基站和射频端进行准确、实时的数据传输。统一的接 口协议对运营商来说可以有更多的选择，更多的设备商可以参与竞争，有利 于网络成本的降低，也有利于技术的快速发展。 2 0 0 3 年6 月由华为、爱立信、n e c 、西门子和北电发起成立c p r i ( c o m m o nn l b l i cr 丑d i oi i l t e 由c e ) ，致力于w c d m a 标准下基带、射频接 口的标准化。 7 r d s c d m a 标准同w c d m a 标准在无线接入部分存在很大的不同，在 模块化基站构想的优势得到普遍认同的时候，将t d s c d m a 基站升级到新 型的基站将是必然的，设计连接基站中各个模块问的通用接口是实现模块化 基站的第一步。r i p t d 接口是基于d s c d m a 标准的通用接口，应满足基 站的设计要求。 北京交通大学硕士学位论文 1 4 研究目标和所完成的工作 自从2 0 0 4 年9 月参与t d s c d m a 基站的研究与开发工作以来，主要 参与r i p t d 接口协议的设计，负责完成基于f p g a 的r l p t d 接口功能的 设计与调试工作。对于r i p t d 接口的设计，目标是要完成基站系统的建立， 基站各模块间的同步，正常业务数据的分发，高层控制与管理信息的下发 和上传及异常情况的告警机制。 完成的主要工作有： 1 1 掌握即g i a 开发流程 经过前期学习，及其它项目中开发f p g a 所获得的经验，根据r i p t d 接口需要完成的功能选定) ( i l i 】【公司的x c 2 v p 2 0 芯片，使用d l 语言 和x j l i n x 提供的开发工具进行开发。 砒p t d 接口协议的设计。 在研究c p r i 标准的基础上，参与制定基于t d s c d m a 标准的r i p t d 接口协议。定义通用接口的各项基准和能够支持的网络结构，及传输各种 数据的流程。 3 1 初始化和异常状态下r l p - t d 协议的操作流程 设计初始化状态机和同步状态机来完成基站建立使各模块间初始化的 顺序和流程，采用主r i m 口负责的方法，各级依次处理的顺序激活流程。 线缆及损耗延时的测量方法和补偿，是在初始化阶段十分重要的一步。在 远端射频模块出现异常状态的时候，r i p t d 接口的报警重试流程。 4 ) 基于f p g a 实现r i p t d 接口功能。 在f p g a 中编程实现r i p t d 接口的功能，设计分发正常业务数据( i o 数据) 的方法，各级模块数据的交织解交织，以及控制和管理信息的传送。 初始化和异常状态流程的f p g a 实现，诊断与恢复模块的设计。 5 1 系统调试 为评估r i p t d 协议开发的协议评估板，提供给r i p t d 接口调试需要 的硬件环境。系统调试，首先是对评估板中除f p g a 外其他模块的调试， 时钟芯片应能正确分配给各芯片时钟，e p l d 应能实现时序和逻辑信号的产 生和管理，以及对处理器等芯片的调试；然后，是f p g a 与处理器的数据 交换接口( 6 0 x 总线) 调试，保证正常的i q 数据分发；与处理器的以太数 据接口调试( m i i 接口) ，正确发送和接收以太包信息。最后，对发送接收 第一章肇论 链路，例如串并并串转换模块等的调试及稳定性测试等。 1 5 论文安排 本文共分六章对整个研究工作进行阐述和说明，具体安排如下： 第一章绪论 介绍论文的技术背景和现实意义，阐述选题依据和意义，对题目涉及 的技术发展轨迹做简要介绍，并说明论文所作的工作。 第二章) 一s c d m a 基站结构和功能 结合移动通信系统发展历程，详细介绍第三代移动通信的三大主流标 准，以及t d - s c d m a 标准的优势，并削析t d s c d m a 基站结构和功能， 及其发展趋势。 第三章r i p ，t d 接口协议 详细介绍r _ i p 接口协议的功能和基准要求，并根据t d s c d m a 标 准设计接口传送数据的结构。 第四章砒p _ t d 接口异常状态处理 主要介绍在初始化阶段和异常错误阶段r i p t d 接口的操作流程。设计 出初始化流程的激活顺序和延时补偿方法，以及错误诊断、恢复和上报的 机制。 第五章r i p - t d 接口协议基于f p g a 的实现与调试 介绍整个系统的硬件结构的设计和各模块的划分，阐述系统硬件各模 块的功能。详细介绍r i p 1 d 接口模块的划分，及各部分的作用。分析在系 统调试过程中遇到的问题及解决的办法。 第六章总结和展望 总结本文工作，并提出下一步工作的目标。 第二章t d s c d m i a 基站结构和功能 近二十年来，移动通信的高速发展完全改变人类的生活。当前，第三代 ( 3 g ) 移动通信在全世界范围引起广泛的关注。作为第三代移动通信三大主 流标准的一种，t d s c d m a 标准也即将接受商业运营的考验。本章主要介 绍t d s c d m a 基站的结构和功能，介绍新型基站的设计构想。 2 1 第三代移动通信系统概述 2 1 1 移动通信发展简述 全球移动通信，从第一代模拟技术到第二代g s m 和c d m a ，再到今日 被各国广为关注的3 g ( 第三代移动通信) ，一直牵动着世界电信业的神经。 2 0 世纪4 0 年代，无线电台在第二次世界大战中的广泛应用开创移动通 信的第一步。到7 0 年代，美国贝尔实验室最早提出蜂窝的概念，解决频率 复用的问题，8 0 年代大规模集成电路技术及计算机技术突飞猛进的发展，长 期困扰移动通信的终端小型化的问题得到初步解决，给移动通信的发展打下 基础。诞生了p s ( a d v 锄m 0 b i l ep h o n es e r v i c e ) 、1 a c s ( 1 o t a ia c c e s s c c 眦m u n i c a t i o ns y s t e m ) 、n m t ( n o r d i cm o b i l et c l e p h o n es y s t e m ) 和n r i t ( n i p p o nt e l e 路a p ha n dt e l e p h o e ) 等基于频分多址( f d m a ) 的模拟制式的 系统。统称为第一代蜂窝移动通信系统。 从8 0 年代初，数字蜂窝移动通信系统，即第二代移动通信系统开始被 广泛研究。它是随着超大觑模集成电路和计算机技术的飞速发展，语音数字 处理技术的成熟而发展起来的。能够解决第一代模拟蜂窝移动通信系统业务 ( 主要是话音) 单一、频谱效率低、保密性差和通信标准多样性等缺点。在 8 0 年代中、后期统一为时分多址( t d m a ) 的数字移动通信系统，即g s m ( g 1 0 b a ls v s t 硼f o rm o b i l ec o 衄u n i c a t i o n s ) 系统。由于其技术上的先进性 和优越的性能已经成为目前世界上最大的蜂窝移动通信网络。 第二代数字移动通信系统可以提供话音及低速数据业务，能够基本满足 人们信息交流的需要。但是手持机的迅速普及将驱动通信向个人化方向发 第= 章t d _ s c d 舭基站结构和功畿 展，互联网用户数以翻番的速度膨胀又带来移动数据通信的发展机遇。移动 多媒体和高速数据业务的迅速发展，迫切需要设计和建设一种新的网络以提 供更宽的工作频带、支持更加灵活的多种类业务( 高速率数据、多媒体及对 称或非对称业务等) ，并使移动终端能够在不同的网络间漫游。第三代移动 通信系统( 3 g ) 的概念应运而生。3 g 从技术上能够最大支持2 m b i l s s 的速 率，并且还在不断的提高。图2 1 中可以看出3 g 所支持的从窄带到宽带的 不同业务的带宽范围。 刊 唯k 咄 制 图2 1移动通信提供的业务类型及所需带宽 删( i n t e m a t i o n a l 吐l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ：国际电信联盟)明确提出 3 g 系统的主要目标，即实现网络全球化、业务综合化和通信个人化。具 体包括支持全球漫游、适应多种环境、提供多种业务类型、较高频谱利用率 和较大的系统容量、系统设计统一化和经济实用等特点。 为实现上述目标，对i m t _ 2 0 0 0 ( 国际移动通信2 0 0 0 ) 的无线传输技术 提出以下要求： 1 全球漫游。用户能够以低成本的多模式终端在整个系统和全球漫 游。 室内环境至少2 m b p s ； 室外步行环境至少3 8 4 k b p s ； 室外车载运动中至少1 4 4 k b p s 。 2 传输速率能够按需分配； 3 上、下行链路适应于传输不对称业务的需要。 4 后向兼容第二代移动通信系统，实现2 g 到3 g 的平滑过渡。 另外，对于不同的通信业务有不同的性能要求，如语音，视频需要具 北京交通大学硕士学位论文 有较好的实时性和连续性，但对数据并不要求太高的可靠性。而电子邮件、 网上下载等则对时延并不是非常敏感，但要有高的数据可靠性。也就是说， 对不同业务的实时性和服务质量的要求差别很大。另外，大量业务还需要 上下行不对称的服务，如浏览网页、下载音乐等。所有这些3 g 系统都能够 很好地予以满足1 4 1 。 2 1 2 第三代移动通信的三种主流标准 早在1 9 8 5 年，国际电联( i t u ) 就提出第三代移动通信( 3 g ) 的概念， 许多国家和地区的著名电信设各制造商先后提出十多种空中接口建议。经 过充分协商和融合，最后形成三大主流标准，即欧洲提出的w c d m a 、美 国提出的c d m a 2 0 0 0 和中国提出的t d ，s c d m a 。三大标准都基于美国高 通( q u a l c o m m ) 公司在9 0 年代初提出的c d m a 技术，其具有比f d m a 和t d m a 系统高得多的容量( 频谱效率) 、良好的话音质量及保密性等， 成为3 g 乃至后3 g 通信系统的核心技术。下表为三种主流标准的技术性能 比较。 表2 1 三种主流3 g 标准主要技术性能的比较 w c d m a t d s c d m ac d m a 2 0 0 0 载波间隔5 m h z 1 6 m h z1 2 5 m h z 码片速率 3 8 4 m 印sl 。2 8 m 印s 1 2 2 8 8 m c p s 帧长 1 0 m s1 0 m s ( 分为两个子帧)2 0 m s 基站同步不需要需要需要典型方法是 0 p s 功率控制快速功控： 0 2 0 0 h z反向：8 0 0 h z 上、f 行1 5 0 0 h z前向：慢速、快速 功控 下行发射分集支持支持支持 频率问切换支持，可用压缩支持，可用空阑时隙进支持 模式进行测量行测量 检测方式相干解涧联台检测相干解调 信道估计公共导频d w p c h ， u p p c h ， 前向、反向导频 第二章t d - s c d 卧基站结构和功藿 m i d 扭b l e 编码方式卷积码卷积码卷积码 n r b o 码码t u b o 码 2 1 3t d s c d m a 标准的优势 t d ，s c d m a 标准是三种3 g 主流标准中唯一综合t d d 和c d m a 两种技 术优势的标准。3 g 频谱规划中，7 i d d 获得总共1 5 5 m h z 的频谱资源，结合 t d s a ) 从技术在频谱利用率方面的优势，必将为t d s c d m a 在未来的发 展上提供广阔的空间：随着对大范围覆盖和高速移动等问题的逐步解决， t d s c d m a 将成为可以用最经济的成本获得令人满意的3 g 解决方案。 t d s c d m a 标准的主要优点体现在如下几个方面： 频谱灵活性和支持蜂窝网的能力。n ) s c d m a 采用t d d 方式，仅需要 1 6 m i i z ( 单载波) 的最小带宽。频率安排灵活，不需要成对的频率，可 以使用任何零碎的频段，能较好地解决当前频率资源紧张的矛盾。图2 2 ( a ) 、( b ) 分别表示t d s c d m a 和w c d m a 的多址方式结构。 由于上、下行数据分时传送，基站端的发射机可以根据在上行链路获得 的信号来估计下行链路的多径信道的特性，便于使用智能天线等先进技 术：同时能够简单方便地适应于3 g 传输上下行非对称数据业务的需要， 提高系统频谱利用率；这些优势都是f i ) d 系统难以实现的。 高频谱利用。t d s c i ) m a 频谱利用率高，抗干扰能力强，系统容量大， 适用于人口密集的大、中城市传输对称与非对称业务。尤其适合于移动 h t e m e t 业务( 它将是第三代移动通信的主要业务) 。 f d m 频率砌雌频率 ( a ) t d $ c d m a 多址方式结构( b ) w c d m a 多址方式结构 图2 2w c d m a 和t d - s c d m a 多址方式比较 北京交通大学硕士学位论文 适用于多种使用环境。1 1 c d m a 系统全面满足u 的要求，适用于多 种环境。 设备成本低，系统性能价格比高。具有我国自主的知识产权，在网络规 划、系统设计、工程建设以及为国内运营商提供长斯技术支持和技术服 务等方面带来方便，可大大节省系统建设投资和运营成本。 2 2t d - s c d m a 网络结构 t d s c d m a 系统的网络结构与标准化组织3 g p p 制定的u m t s 网络结 构是一样的，主要包括核心网和无线接入网两部分。核心网主要处理u m t s 内部所有其他网络的连接和路由选择。无线接入网完成所有与无线有关的功 能。这两个子网与用户终端设备起构成完整的u m t s 。无线接入网的功能 由u t r a n 完成，它与核心网之间接口为i u ，与用户设备间接口为u u 。u m t s 的物理结构模型如下图所示： - 谖劓单元墟i _ ! 卜雨两隋t 吾醑霸确广_ 图2 3u m t s 的物理结构模型 域是最高级的物理实体，u m t s 的物理结构分为两个域：用户设备域和 基本结构域。用户设备是用户用来接入u m t s 业务的设备，用户设备通过 无线接口与基本结构相连接。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 g s m 舢m t s 用户终端等。从图2 3 可以看出，用户设备域可进一步分为移动 设备( m e ) 域和用户业务识别单元( u s i m ) 域，分别用来完成无线传输及 应用和对用户身份数据的识别。 基本结构域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f i j u 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 第二章t 旷s 姒基站结构和功能 功能与接入技术无关。核心网域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。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。u m t s 无线接 入网( u t r a n ) ，是一种新的接入网，其功能由u m t sp h 嬲e1 定义。u m r s 后向兼容g s m 网络，其主要功能包括两个方面：在移动性业务和管理方面， 完成传输用户数据、系统消息调度、数据的加密解密和信令的完整性保护、 切换、s r n ；在整个接入网的无线资源管理方面，有网络同步、广播多播的 消息调度及流控、业务量报告等。 2 3t d s c d m a 基站功能和发展构想 基站( n 0 d eb ) 是t d s c d m a 网络结构中无线接入网( u t i t a n ) 的组 成部分。图2 4 表示的是t d s c d m a 网络结构中无线接入网域的基本结构。 u t r a n 由一组i s 组成，通过i u 接口和核心网相连，u u 接口与用户层相 连。每个r n s 包括一个r n c 和若干个n o d eb ，n o d eb 和i 咐c 之间通过i u b 接口进行通信。r n c 负责接入网无线资源的管理，包括接纳控制、功率控制、 负载控制、切换和分组调度等。基站( n o d eb ) 主要负责管理无线资源、实 现固定网络与移动用户之间的通信连接，传送系统信号和用户信息，进行空 中接口的物理层处理，如信道交织和编码、速率匹配和扩频等等。 核心网 i u i o 扁石一一一卜一一一一! r 齑商一一一卜- 一一一一 r n c l l 毗i r n c i ：弋 i u b 曲 i ) ( = ( c ) ( = ( )io ( 列c l u u 用户设备 图2 4 无线接入网u t r a n 结构 北京交通大学硕士学位论文 t d s c d m a 无线基站( d eb ) 由时钟和同步单元、控制接口卡、基 带处理单元、中频单元、射频收发信单元及塔顶放大器组成。时钟和同步单 元提供整个基站的时钟和同步信息；控制接口卡提供与r n c 的接口及系统 操作运行维护功能：基带处理单元处理物理层、中频单元闻交互的信息：中 频单元的功能是基带数字信号与射频模拟信号问的转换；射频收发信单元及 塔顶放大器为通信提供无线传输通道。 一一1 图2 5 无线基站结构简图 大容量、低成本和灵活的网络结构一直是通信电子行业追求的目标。无 线通信基站发展到今天，其容量和成本已经到达了一个根难突破的程度。蜂 窝通信系统就是将服务区域划分成若干个小区，每个小区由一台基站无线覆 盖。各种小区按照覆盖面积可划分为宏小区、微小区及微微小区，以完成不 同密度的优化覆盖。针对各种小区的不同，基站的容量也是不同的。因此， 在无线基站的设计生产过程中，高的可配置性是十分必要的。基站的模块化 设想就是为了提高基站的容量和灵活性而提出的。因为基站中基带处理和射 频发射部分的发展方向并不相同：射频追求更大的功率，更低的损耗，射频 端需要尽可能接近天线，以减轻电路设计中对功放的严格要求；而基带处理 部分是数字化、软件化的发展，追求更大的容量。基于基站这两个重要的组 成部分不同的发展方向，生产w c d m a 基站的爱立信，华为，西门子等公 司提出将基站的中频端或射频端拉远的构想，基站的主体完全数字化，拉远 端类似于分布式网络中的节点，通过光纤或者电缆连接到主基站，或者通过 连接其他拉远端，间接连接到主基站。高速率高容量的接口传输依赖于高速 的硬件连接。光纤技术的进一步发展给予远距离高速传输实现的可能。从通 第二章t 卜s 卧基站结构和功能 信网络的传输来看，无论是数据、语音、视频、多媒体等业务都需要有足够 的带宽做支撑，而光纤光缆在传输层面是实现高速和宽带传输的最佳媒介， 双绞线和同轴电缆只能解决短距离和小范围内的正常传输。而光纤的远距离 传输的损耗极小，基本上是无损传输，其抗干扰性能很好，适应于各种电磁 环境差的场合；光纤传输又是全数字的传输，与以往的模拟电缆模式相比优 势很大。 新型基站结构具有十分明显的优势：串行的接口方式也将使网络布局更 加的灵活，应用远距离光纤通信更是可以将远距离功率损耗减少到目前技术 水平的最低值皿1 ；支持灵活的分布式组网，网络扩容更加方便，节约资金投 入。在基站的设计理念中，为降低造价，为维护的方便，各个厂家很可能基 于一个相似的平台进行设计，这点对运营商和制造商都是很有好处的。基 站是一个投资很大的移动通信设备，很多厂家会根据市场和竞争的需要，专 门制造基站中的某些模块，模块化基站有利于网络成本的降低，也有利于技 术的快速发展。 将基站细化成为模块的必经之路就是定义出一个开放式的接口标准，以 满足市场上各制造商的成品间的兼容，分布式组网的需求。 2 0 0 3 年6 月，华为、爱立信、n e c 、西门子和北电发起成立c p r i ( c o m m o n p u b l i cr a d i o1 i i t e r f a c e ) ，致力于基带、射频接口的标准化。c p r i 既是一个 组织，同时也是该组织推广的标准通信接口协议的名称。c p r i 的参考体系 结构主要由无线设备控制单元( 髓c ) 和无线设备( r e ) 组成。在r e c 和 r e ，r e 和r e 之间应用c p r 】接口通信。c p 砌主要定义在物理层和数据链 路层。c p r i 接口允许基站的数字和模拟功能分离，比如把数字服务器和模 拟无线部分分开。这一标准化接口使基站可以灵活扩容，运营商可以使用射 频拉远单元的办法来匹配其网络对无线容量的要求。比如射频拉远单元可以 用来对楼宇( 室内) 进行覆盖，而不用安装额外的基站。另外，利用c p r i 接 口，新的宽带无线技术可以更容易地整合到网络中来【6 l 。 另一个基站标准接口协议o b s 是由诺基亚、l g 电子、三星电子等成 立的联盟。o b s a i 推出的标准基站参考设计适用于g s m g p r s 、e d g e 、 w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 系统，主要完成控制系统和与基带进行通信的3 g 建议接口标准。0 b s 舢是负责制定3 g 标准之一的w c d m a 无线基站内部 接口开放结构的国际标准组织，它定义三个接口。o b s 舢的主要特点是根据 o s i 模型定义的，分为用户面和维护面两大面控制的，对第三代移动通信主 北京交通大学硕士学位论文 要应用在移动接口上。 但是，对于不同的移动通信标准，标准接口在很大程度上是无法兼容的， 尤其是接口用于传输的数据包结构需要根据各种标准的要求进行调整。在基 站数字化和模块化的进程中，需要设计应用于t d s c d m a 标准的标准接口 协议，因此r p t d 接口协议应运而生。 2 4 小结 t d s a ) m a 标准是第三代移动通信标准中三大主流标准中的一种， t d s c d m a 基站也预期在2 6 年投入商业运营，但是对更高速率更大容量 的基站系统开发和研究是不会停止的。基于基带处理和射频收发的不同发展 方向，数字化和模块化基站称为目前的研究方向。为满足新型7 i d 。s c d m a 基站的要求，提出标准的接口协议砌p 皿，通过光纤连接等连接方式实现 基站问各个模块的高速通信。 第三章i u p i d 接口协议 为适应新一代t d s c d m a 基站数字化、模块化的发展，定义适用于 t d s c d m a 通信标准的通用接口协议是生产1 d s c d m a 基站和推近 t m s c d m a 产业化的必然要求。基于t d s c d m a 标准的r l p - t d 接口协议 正是为满足上述需求而设计的。本章将具体介绍r 口t d 接口协议的功能、 需求和传输结构等内容。 设计r i i d 接口协议的难点在于1 1 卜s c d m a 标准是一种时分复用的 通信标准，如何构建高数据容量和高效的r 口1 d 传输结构，同时还要使之 符合t d s c d m a 传输帧结构的特点是设计中重点考虑的内容。同时，如何 利用无有效数据的空闲时间进行基站各个部分的控制和管理信息的传送也 是设计中亟待解决的问题。 3 1刚p - t d 接口概述 按照第二章的基站模块化的构想，新型基站将由两部分构成：基站主体 部分( b 醛es “i i i o n ，缩写b s m ) 和射频天线模块( r r f ) 。一个新型基站包 括一个基站主体部分和若干个射频天线模块，组成根据。r 口t d 接口协议 是为b s m 和r r f 间、r r f 和r r f 之间通过光纤或者电缆串行连接进行远 程通信设计的通信协议。r 口皿接口的功能包括：完成r r f 与b s m 间的 正常通信，接收和发送i q 数据及相应的c & m 信息。r 坤t d 接口是全双工 的接口，同时传输上行( r r f 到b s m ) 和下行( b s m 到r r f ) 的数据；完 成射频拉远通信链路的建立，初始化和级间时延的测量；监测b s m 和r r f 的工作状态，发现异常情况进行简单处理，并上报本板的处理器单元。 r 口t d 接口传输三种数据流：用户数据( i q ) ：用户层消息。不同天线 载波( a j l t e 衄a c a r r i e r ) 的l q 数据分时交织在光电传输通道中；控制和管 理数据( c m ) ：基站或基站控制端的控制和管理信息。实时性很强的c & m 信息可以根据带内协议传输；其它消息可以通过二层协议传输。r i p t d 支 持两种二层协议：h d l c ( h i g i ll e v e ld a t a “n kc o n t r o i ) 和e t h e m e t ，称为 慢速c m 数据和快速c m 数据【1 2 j 。同时还需要传输经销商的标志信息； 1 5 北京交通大学硕士学位论文 同步数据( s y n c ) ：在建立远程的射频端传输通道的时候，需要由基站端发 送初始化验证和匹配数据，并在正常传输的时候实时监控远端模块的工作状 态。 图3 1 为r l p l d 协议的传输网络结构图。 卜j l 溪擎参j 笋激 譬- l 舞第 b 柱t | “nc ： 薯j ，_ 。1 j ：_ j 。髻p 胁e j 二| o 一￥- 。f 善 二 己 喜 堡 几1 当 1 q 曹 号 工 一 d a t a8 四 o o 荨 皿 ! i 、 i ? o 一。i ， +6 i 一。曩+ 1 m e p b 翻蝴 l t 曲西矗! 国i n g ：i 誓 ：臻一 ：一o ： ； j l ；| j i o 口n c a l e l e c t n c a j t 噶n s m l s s 叮n ir a n s m i s s 吣n 图3 】r 1 p - i d 协议结构概况 r 口- t d 接口分为主口和从口两种，即m a s t e rr 坤i d 和s l a v er i p t d 接口。基带单元b s m 中只有主口，而射频模块中至少包括一个从口。r 口t d 协议支持的基本网络结构如图3 2 所示：一个b s m 单元和一个r r f 单元通 过一对r i p t d 接口连接。为满足系统扩容和网络结构多样性的要求，r b t d 协议可以扩展以下连接方法1 9 j ： b s m 与r r f 问的多点连接：多个r i p - 1 d 接口来传送更多 的天线载波数据，可以提高系统容量 星型连接：多个r