TD-SCDMA产业现状及发展.docx

TD-SCDMA产业现状及发展论文 学生姓名 分院名称 专业班级 学 号 指导教师 关于TD-SCDMA产业现状及发展的思考 学生： 指导老师：内容提要：ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一，它得到了CWTS及3GPP的全面支持。中国电信百年来第一个完善的通信技术标准，是UTRA-FDD可替代的方案。集CDMA、TDMA等技术优势于一体、系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术。它采用了智能天线、联合检测、同步CDMA，多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术。关键词：TD-SCDMA 第三代移动通信 技术 优势一、背景及现状11.TD-SCDMA产生的背景11.11二、TD-SCDMA网络结构41.TD-SCDMA网络结构模型41.143.UTRAN接口模型5三、TD-SCDMA工作原理73.信令的整体流程7四、TD-SCDMA关键技术81.智能天线技术82 .联合检测技术84.TD-SCDMA其他主要技术8关于TD-SCDMA产业现状及发展的思考一、背景及现状1.TD-SCDMA产生的背景1.1 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。1.2 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。1.3 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。 1.4 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。2.TD-SCDMA发展现状2.1 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。2.2 TD-SCDMA 第三代移动通信标准是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。2.3 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。2.4 系统方面的技术主要来自于大唐电信 控股的的高科技企业的前期技术，而且经过多年的研究开发，大唐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。 2.5 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。3.TD-SCDMA系统帧结构和基本参数3.1 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。3.2 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。 图1-1 TD-SCDMA系统的帧结构 3.3 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。 3.4 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。4.未来的发展 4.1 作为TD-SCDMA技术有其本身的优势，主要体现在以下几个方面: 4.1.1 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； 4.1.2 支持多媒体业务，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； 4.1.3 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； 4.1.4 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。 4.2 TD-SCDMA 系统有许多优点,但它也存在一些技术上的缺点。 4.2.1 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。 4.2.2 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。 4.2.3 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。 4.3 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。 4.4 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。二、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。1.TD-SCDMA网络结构模型1.1 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 1.2 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.接入网基本结构2.1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 UTRAN结构2.2.1 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。2.2.2 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。2.2.3 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。 图2-2 UTRAN内部结构 图2-3 SRNS和DRNS结构关系3.UTRAN接口模型3.1 UTRAN接口的通用协议模型。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&M)传输提供服务，而与UTRAN特定的功能无关。其中，无线网络层分为用户平面和控制平面，传输网络层分为传输网络用户平面和传输网络控制平面。图2-4 UTRAN接口的协议模型4. TD-SCDMA系统的网络接口根据前面对TD-SCDMA系统的网络结构的分析，TD-SCDMA的网络接口主要有空中接口（Uu接口）、Iub接口、Iur接口和Iu接口，下面将分别进行分析，在此我们主要介绍空中接口。4.1 Iu接口Iu接口是连接RAN和CN的接口，它将系统近分成用于无线通信处理的RAN和用于处理交换、路由、业务控制的CN两部分。Iu接口支持的功能如下：无线接入承载的建立、维护和释放过程；系统内切换、系统间切换和SRNS重定位过程；与特定UE无关的一系列通用过程；为了用户特定信令管理；每个UE在协议等级上的分离过程；UE和CN之间信令消息的传递；小区广播服务；从CN到UTRAN请求的位置服务和从UTRAN到CN的位置信息的传递过程，以及单个UE同时接入到多个CN域和分组数据流的资源预留机制等。4.2 Iur接口RAN内任意两个RNC之间的逻辑连接称为Iur接口，它用来传送RNC之间的控制信令和用户数据。Iur接口包括以下功能：Iur接口支持RNS之间无线接口的移动性，包括对切换、无线资源的处理和RNS之间的同步过程。通过DRNC，Iur接口提供在SRNC和Node B(DRNS)之间传递携带有用户数据和控制的信息的上、下行Iur DCH帧的传输能力。在DRNC与SRNC之间提供上行RACH数据流的传输能力。为一个UE的一条或多条DSCH（或USCH）传输信道传递Iur数据流。Iur接口提供SRNC与DRNC之间下行FACH数据流的传输能力。传输网络的管理。公共传输信道的业务管理，包含公共传输信道的资源准备和寻呼功能。下行共享传输信道和TDD上行共享传输信道的业务管理，包含无线链路的建立/增加/删除和容量分配等功能。公共和专用测量对象的测量报告。4.3 Iub接口Iub接口是RNC和Node B 之间的接口，完成RNC和Node B之间的用户数据传送、用户数据及信令的处理和Node B逻辑上的O&M等。Iub接口主要以下功能：管理Iub接口的传输资源Node B逻辑O&M操作传输O&M信令系统信息管理专用信道控制公共信道控制定时和同步管理三、TD-SCDMA工作原理1.空闲模式下的UE1.1 UE有两种基本的运行状态：空闲状态和连接状态。空闲状态是UE开机后还没连接到网络时所处的状态。只有和网络建立了联系，UE才能发起呼叫，才能接收寻呼信息，获取网络服务。当UE开机后，会选择一个PLMN并从中搜寻一个合适的上区进行驻留，然后UE将进行位置登记，如果UE发现一个更合适的小区，那么将选择该小区进行驻留，若该小区与原小区处于不同的位置区域，则需要进行位置登记。1.2 空中接口按照协议栈在纵向上可以分为AS（接入层）和NAS（非接入层）两个部分。NAS提供一个PLMN的列表，从中选择合适的PLMN，UE在选定的PLMN中选择一个合适的小区，读取该小区控制信道上的系统信息，这就称为驻留到了该小区，而后UE将通过NAS的位置登记过程登记它的位置。UE在空闲状态下的任务就是驻留到合适的小区，驻留到合适小区，UE可以接收PLMN的系统信息和小区的广播信息，可以在登记了位置位置信息后通过建立RRC连接发起呼叫，也可以作为被叫方接收寻呼信息并从控制信道返回响应信息，从而建立连接响应主叫。1.3 UE周期性地搜索其他PLMN中更合适自己的小区，该过程称为PLMN的重选。若搜索到更合适的小区，UE将重新选择小区，该过程称为小区重选，若新小区与原小区属于不同的位置区，则需要位置更新。如果UE不能够找到合适的小区进行正常驻留，则原因可以是没有插入USIM导致USIM不能被识别，或者是位置登记失败等，此时UE将尽可能驻留到任何一个小区而不管该小区的PLMN标识、属于的位置区域，这种驻留称为任意小区驻留。若驻留成功后，UE进行入限制性服务状态，在该状态，只能获取进行紧急呼叫的服务。 1.4 总的来说，UE在空闲状态需要执行以下操作：（1）PLMN选择和重选（2）小区的选择和重选（3）位置登记。2.连接建立过程 2.1 UE处于空闲模式下，并驻留到了合适的小区，当有业务到达时，高层协议要求建立信令连接，若RRC尚未建立，则首先需要建立RRC连接。对于RRC连接建立，使用的信道不同，RRC连接建立的流程也不一样。但每一个UE只有一个RRC连接。RRC连接建立过程由UE高层发起，如响应寻呼消息或UE主动发起呼叫。在RRC连接建立过程中，UE在上行CCCH上向UTRAN发送一个RRC连接请求信息。若UTRAN经过接入控制算法后允许UE接入，则在下行CCCH上向UE发送RRC连接建立消息，则UE进入CELL-DCH状态；若消息中包含一个公共信道的分配消息，则UE进入CELL-FACH状态。此外，消息中还可以给UE分配一个无线网络临时标识（U-RNTI）。3.信令的整体流程3.1 信令的流程分为两个部分，由UE主动发起的信令流程以及UE被动接收的信令流程。UE主动业务发起信令流程如下： 3.2 当UE驻留到PLMN的合适小区后，若有业务到达，则进行随机接入过程，随机接入成功后，进行RRC连接建立的过程。只有在RRC连接建立后，才能发起后面的MM、CM连接建立的过程。 3.3 MM子层（GMM）发起服务请求。MM子层通过接入层（RRC子层）的初始直接传输过程，在DCCH上发起请求，UTRAN端接收到该信令后，向核心网发起UE初始消息过程。核心网接收到UE服务请求后，对UE执行鉴权、身份识别过程，并且确定是否进行加密，核心网根据请求的内容以及用户的注册消息，确定是否接收用户的服务请求。 3.4 核心网使用直接传输信令将响应消息传输给UTRAN，该响应消息是UE的服务请求响应消息Service Accept(接收服务请求)或者Service Reject(拒绝服务请求)等。UTRAN接收到该消息，进行RRC子层的下行链路直接传输过程。UE接收到核心网的响应消息，根据响应的类型，执行相应的操作。 3.5 UE端发起的PDP上下文激活请求，该请求通过接入层（RRC子层）的上行链路直接发送到UTRAN端，UTRAN端直接将请求转发给核心网，核心网会根据业务的请求执行RAB建立过程。四、TD-SCDMA关键技术1.智能天线技术智能天线采用空分多址( SDMA) 技术, 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, 最大限度地利用了信道资源。与无方向性天线相比, 其上、下行链路的天线增益大大提高, 降低了发射功率电平, 提高了信噪比, 有效地克服了信道传输衰落的影响。同时, 由于天线波瓣直接指向用户, 减小了用户之间的干扰, 也减少了信道的多径效应。CDMA系统是个功率受限系统,智能天线的应用提高了天线增益, 降低了系统干扰, 从而显著地扩大了系统容量, 提高了频谱利用率。智能天线在本质上是利用多个天线单元空间的正交性, 即空分多址复用(SDMA)功能, 来提高系统的容量和频谱利用率。这样, TD-SCDMA系统充分利用了CDMA、TDMA、FDMA和SDMA这四种多址方式的技术优势, 使系统性能最佳化。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制。3.平衡的多址接入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。4.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:4.1 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。4.2 软件无线电是将标