TDSCDMA的系统结构及关键技术.doc

薛波，颜彪，徐中华，芮晓波扬州大学 信息工程学院江苏摘 要：分析了第三代移动通信标准TDSCDMA的技术特点，详细介绍了几个关键技术，并进行了评价。关键词：第三代移动通信；TDSCDMA；码分多址；智能天线 1引言1998年，原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信集团）在原邮电部科技司的领导和支持下，代表我国向国际电信联盟（ITU）提出了第三代移动通信TDSCDMA（Time Division DuplexSynchronous Code Division Access）标准建议。2000年5月，世界无线电行政大会正式批准把TDSCDMA作为第三代移动通信国际标准之一（M1457 IMT2000RSPEC）。这是一百多年来我国第一次向国际组织完整地提出自己的电信技术标准建议，标志着在移动通信技术方面我国已步入世界先进行列。TDSCDMA具有上下行链路可以不对称、频谱利用率高、发射功率低等优点，非常适合第三代移动通信将大量应用的非对称数据业务，并可以提供较高的系统容量。本文基于TD-SCDMA的主要技术特点，对其几个关键技术做一下介绍。2TDSCDMA系统结构TDSCDMA系统的设计集FDMA，TDMA，CDMA和SDMA技术为一体，并考虑到当前中国和世界上大多数国家广泛采用GSM第二代移动通信的客观实际，他能够由GSM平滑过渡到3G系统。TDSCDMA系统的功能模块，如图1所示，主要包括：用户终端设备（UE）、基站（BTS）、基站控制器（BSC）和核心网。在建网初期，该系统的IP业务通过GPRS网关支持节点（GGSN）接入到X25分组交换机，话音和ISDN业务仍使用原来GSM的移动交换机。待基于IP的3G核心网建成后，将过渡到完全的TDSCDMA第三代移动通信系统。3TDSCDMA关键技术3.1智能天线(1) 智能天线的基本概念智能天线采用空分多址技术（SCDMA），利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。无线基站中的智能天线由天线阵和基于基带数字信号处理技术组成。（2）智能天线的工作原理图2描述了一个具有智能天线、工作于TDD方式CDMA基站的示意方框图。和传统的没有智能天线的基站比较，他在硬件上由一个天线阵和一组收发信机组成了其射频部分，而在基带信号处理部分的硬件则基本相同。必须说明的是，这一组收发信机将使用同一个本振源，以保证此组收发信机是相干工作的。 图2中，每个射频收发信机都有ADC和DAC，将收到的基带模拟信号转换为数字信号；将待发射的数字信号转换为模拟基带信号。而所有收发数字信号都通过一组高速数字滤波器总线和基带数字信号处理器来连接。在图2中，我们先研究来自多个用户终端的信号。此上行信号是多址干扰、衰落、多经传播和多谱勒频移等效应，并存在其他干扰和白噪声。将图中第i个接收机在第n时刻的输出用Si(n)表示。通过解扩和相应的数字信号处理，可以获得对每个码道的接收数据。如果以表示第j 码道的第个符号的数据，则在基带进行上行波束赋形（合成）后，将获得智能天线的总接收数据为：其中：W为上行波束赋形矩阵，其矩阵元素为Wij()。智能天线的下一步是实现其下行波束赋形，此用户在第j码道的第个符号可以表示为 。而通过智能天线的下行波束赋形（调整基站中各个发射机所发射信号的幅度和相位），在第i个天线阵元所发射的信号可表示为：显然，为了获得最佳接收效果，就必须找到一种好的上行波束形成算法，即求得W矩阵的方法；而为了让此用户获得最好的信号，就必须找到一种好的下行波束形成算法，即求得U矩阵的方法。必须说明的是，在求此波束形成矩阵时，已知的仅仅是天线阵列的几何结构和各种接收机所收到的信号。对此，学术界作了大量工作，有多种算法可以采用，其主要限制是在基带信号处理能力和对系统实时性的要求。作为一个简化的特例，可以用最大功率合成算法，即令W=X，以获得成形，在TDD方式的系统中，若组成智能天线系统的各射频收发信机是全向的，由于其上下行电波传播条件相同，则可以直接将此上行波束赋形矩阵使用于下行，即令U=W。TDSCDMA天线使用一个环形天线阵，8个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为r的圆上。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在360范围内任意赋形，为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点，该零点处的天线辐射电平比最大辐射方向约低40 dB。对于环形天线阵的智能天线，当每个天线元的技术参数与性能指标完全相同，并采用最大功率合成时，该天线的增益表达式为：其中：Gmax为智能天线的最大可能增益； GY为天线的元增益； N为天线阵元数目。由此可见，当N=8时，TDSCDMA使用的智能天线比无方向性的单阵子天线增益分别大9 dB（对接收机）和18 dB（对发射机）。每个阵子的增益为8 dB，则天线的最大接收增益为17 dB，最大发射增益为26 dB。由于基站智能天线的发射增益比接收增益大得多，所以传输非对称的IP等数据及下载量较大业务信息非常合适。采用智能天线后，应用波束赋形技术显著提高了基站的接收灵敏度和发射功率，大大降低系统内部的干扰和相邻小区间的干扰，从而使系统容量扩大1倍以上。同时，还可以使业务高密度市区和郊区所需基站数目减少。天线增益的提高也能降低高频放大器（HPA）的线性输出功率，从而将显著降低运营成本。3.2接力切换（1）接力切换的基本概念TDSCDMA系统的接力切换不同于硬切换和软切换，在切换之前，目标基站已经获得移动台比较精确的位置信息，因此在切换过程中UE先断开与原基站连接之后，能迅速切换到目标基站。移动台比较精确的位置信息，主要通过对移动台比较精确的定位技术来获得。在TDSCDMA系统中，移动台的精确定位应用了智能天线技术。首先，Node B利用天线阵估计UE的DOA，然后通过信号的往还时延，确定UE到Node B的距离，这样，通过UE的方向DOA和BTS与UE间的距离信息，基站可以确知UE的位置信息，如果来自一个基站的信息不够，可以让几个基站同时监测移动台并进行定位。在硬切换过程中，UE先断开与Node B1（源基站）的信令和业务连接，再建立与Node B2（目标基站）的信令和业务连接，即UE在某一时刻与一个基站保持联系。而在软切换过程中，UE先建立与Node B2的信令和业务连接之后，在断开与Node B1的信令和业务连接，即UE在某一时刻与2个基站同时保持联系。接力切换虽然在某种程度上与硬切换类似，同样是在“先断后连”的情况，但是由于其实现是以精确定位为前提，因而与硬切换相比，UE可以很迅速地切换到目标小区，降低了切换时延，减少了切换引起的掉话率。（2）接力切换过程示意接力切换整个过程如图3所示。第1步：UE与Node B1在进行正常通信（如图3(a)）；第2步：当UE需要切换并且网络通过对UE候选小区测量找到了切换目标小区时，网络向UE发送切换命令，UE就与目标小区建立上行同步，然后UE在与Node B1保持信令和业务连接的同时，与Node B2建立信令连接（如图3(b)）；第3步：当UE与Node B2信令连接建立之后，UE就删除与Node B1的业务连接（如图3(c)）；第4步：UE尝试与Node B2的业务连接，一旦UE与Node B2的业务连接建立（如图3(d)）之后进行第5步；第5步：UE删除与Node B1的信令连接（如图3（e），这时UE与Node B1之间的业务和信令连接全部断开了，而只与Node B2保持了信令和业务的连接，切换完成。上面各图以及过程描述都只针对切换成功的情况，而对于切换失败的情况几乎与上面过程相似，只是当UE尝试与Node B2业务连接失败以后，UE就恢复与Node B1之间的业务连接，之后删除与Node B2的信令连接，这时UE与Node B2之间的业务与信令连接全部断开，而仍只与Node B1保持了信令和业务的连接，切换完成。3.3综合采用多种多址方式TDSCDMA综合使用CDMA，TDMA，FDMA和SDMA四种多址方式，充分利用码分、时分、频分和空分制式技术优势，最大限度地提高系统容量。TDSCDMA多址技术原理如图4所示，其三维空间分别为CDMA码道、频率和时间。图4和图5是典型的TDSCDMA信道结构，3个载波带宽为16 MHz，用TDMA方式将每个载波分为7个业务时隙（5个下行时隙DL和2个上行时隙UL）和1个DL/UL隔离时隙，采用CDMA技术将每个时隙扩频，最多可得16码道（即扩频系数为16），每个码道可传送一个用户信息。TDSCDMA的基本信元（RU）由时隙（TS）、频率、码道和扩频系数16定义。RU在时间和CDMA码道二维域的映射图如图5所示，可以看出，扩频系数（SF）为2，4，8，16时，所对应信元RU1，RU2，RU16的模块结构。采用TDMA制式不仅能保证系统时隙间绝对隔离，而且有效支持TDD双工方式，为引入智能天线、联合检测、功率控制、接力切换及DCA等先进技术奠定了基础，有利于数据包的传输，支持非对称数据流，如IP等业务。3.4动态信道分配为了提高系统容量、减少干扰、更有效地利用有限的信道资源，蜂窝移动通信系统普遍采用信道分配技术，即根据移动通信的实际情况及约束条件，设法使更多用户接入的技术。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。TDSCDMA系统采用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2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。4结语TDSCDMA的关键技术还有联合检测、同步以及软件无线电等，限于篇幅有限，在这里就不一一介绍了。第三代移动通信系统是数字化、综合化、智能化、宽带化、移动化等通信技术的融合体，他的实现将是人类进入自由通信时代的理想境界个人通信的必由之路。我国所提出的TDSCDMA标准充分考虑了世界通信的发展趋势，基于全球的GSM容量巨大和用户众多之现实，技术实现的出发点则采用继承GSM制式，并在此基础上充分利用CDMA的各项优点，把我国具有世界领