TD-SCDMA系统原理介绍.ppt

TD SCDMA系统原理介绍 一 系统概述二 关键技术三 TD SCDMA网络结构四 TD SCDMA物理层简介 什么是TD SCDMA TD SCDMATimeDivision SynchronizationCodeDivisionMultipleAccess是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的全面支持是中国电信百年来第一个完整的通信技术标准 是UTRA FDD可替代的方案是集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 TD SCDMA发展历程 1998年6月正式向ITU提交标准建议 1998年11月赫尔辛基会议 TD成为ITU 3G候选方案 2000年5月 TD成为国际第三代移动通信标准之一 2001年3月 TD SCDMA成为3GPP标准R4 2000年12月 TD SCDMA论坛成立 2002年10月23日 信产部公布3G频率规划 2002年10月 TD产业联盟成立 2003年12月 空中接口测试阶段完成 2004年3月 大唐发布了第一台TD终端预商用版本 2004年10月 TD产业峰会 多厂家供货环境形成 2004年12月 TD国家专项试验网启动 2006年 规模试商用 第三代移动通信系统的多址方式 多址方式 CDMA成为主流基本定型的技术 基于直接扩频CDMA技术 f Pwr Code t TDMA f t Pwr Code TDMA CDMA f CDMA 第三代移动通信系统的双工方式 双工方式 传统的FDD仍是主要的双工方 TDD方式受到更大关注 TDD和FDD 在第三代移动通信中必要的两种双工方式FDD适合于大区制的全国系统适合于对称业务 如话音 交互式实时数据业务等TD SCDMA尤其适合于高密度用户地区 城市及近郊区的局部覆盖适合于对称及不对称的数据业务 如话音 实时数据业务 特别是互联网方式的业务能提供成本低廉的设备 TDD的优点 频谱灵活性 不需要成对的频谱在2GHz以下已很难找到成对的频谱上下行使用相同频率 上下行链路的传播特性相同 利于使用智能天线等新技术支持不对称数据业务 根据上下行业务量来自适应调整上下行时隙个数FDD系统一建立通信就将分配到一对频率以分别支持上下行业务 在不对称业务中 频率利用率显著降低FDD系统也可以用不同宽度的频段来支持不对称业务 但 频段相对固定 不可能灵活使用成本低 无收发隔离的要求 可以使用单片IC来实现RF收发信机 5ms 1上行时隙和6下行时隙用于文件下载 internet浏览等 适用于下行数据流量大 可达2Mbit s传输速率 5ms 5ms 对称结构 适用于语音呼叫等 6上行时隙 1下行时隙 文件上传等 灵活分配上下行话务信道 TDD双工方式问题及解决方法 峰值 平均发射功率之比随时隙数增加而增加TDD系统对峰值 平均发射功率比有一定要求 此比值随时隙数增加而增加因CDMA要求线性工作 对发射功率和功率放大器要求较高TD SCDMA使用智能天线 基站接受灵敏度增加9dB 故仍然可能使用低发射功率达到较远通信距离总的说来 在使用相同发射功率级别的手持机条件下 TD SCDMA的通信距离比WCDMA要大通信距离 小区半径 主要受电波传播的时延所限制 对于TD SCDMA系统 典型小区半径设置在11公里 这主要出于人口密集地区设置考虑 如果允许牺牲15 的容量 小区半径可达到40 50公里 ITU要求TDD系统支持终端移动速度为120km h 但仿真试验结果表明在目前的芯片及算法条件下 可高于该值 最多可达16个码道 1 6MHz 下行 下行 下行 下行 上行 对同一无线信道的多用户同时访问根据用户需求进行容量分配每个CDMA用户和所有使用同一无线信道和时隙的用户都发生干扰 多址干扰 每个用户通过临时分配到的CDMA码来被识别 时隙 TD SCDMA特性 TD SCDMA W CDMA CDMA2000 空中接口 TDD FDD 模式 55 100MHz 60 30 2MHz 频段 1 6MHz 5 1 25MHz 射频带宽 无需使用成对的频段 任何频段都可用于TD SCDMA 中国频率资源分配 1920 1980 2010 2025 卫星 空 30 2110 2170 1880 85 2200 2300 2400 30 100 空 卫星 1785 1850 1805 1755 DCS SCDMA 20 45 TD SCDMA标准概况 多址接入方式 DS CDMA TDMA SDMA码片速率 1 28Mcps WCDMA的1 3 双工方式 TDD载频宽度 1 6MHz扩频技术 OVSF调制方式 QPSK 8PSK编码方式 卷积编码 Turbo编码功率控制 200次 秒 TD SCDMA主要优势 能在现有的GSM网络上迅速而直接部署突出的频谱利用率 比其它3G标准的现有设备高一倍无需使用成对的频段较好的抗干扰性 特别是抑制码间干扰灵活 自适应的上下行业务分配 特别适合各种变化的不对称业务 如无线因特网 系统成本低 TD SCDMA的缺点 TD SCDMA系统要精确定时 才能保持同步TDD需要保护时隙 限制了小区覆盖半径受功率控制和信道估计的限制 UE最高120km h不支持软切换和更软切换 减少由此带来的处理增益TD SCDMA相对于其它两大3G标准 发展滞后 尚未商用 一 系统概述二 关键技术三 TD SCDMA网络结构四 TD SCDMA物理层简介 TD SCDMA的关键技术 智能天线软件无线电上行同步联合检测动态信道分配接力切换 智能天线 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 不使用智能天线 能量分布于整个小区内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 智能天线的优势减少小区间干扰降低多径干扰基于每一用户的信噪比得以增加降低发射功率提高接收灵敏度增加了容量及小区覆盖半径定位用户位置 智能天线 FDD方式 由于上 下行链路信号传播的无线环境受频率选择性衰落影响不相同 所以根据上行链路计算得到的权值不能直接应用于下行链路TDD方式 上 下行链路使用相同频率传输信号 且间隔时间短 链路无线传播环境差异不大 可以使用相同权值TDD方式更能够体现智能天线的优势 TDD方式 FDD方式 智能天线 TD SCDMA全向码道和赋形码道 两种赋形波束得到小区覆盖的全向波束针对用户终端的赋形波束BCH DwPTS必须使用全向波束 覆盖整个小区 在帧结构中使用专门时隙业务码道通常使用赋形波束 只覆盖个别用户 GP DwPTS UpPTS BCH TS5 TS4 TS0 TS2 TS1 TS3 TS6 软件无线电 用软件处理基带信号 硬件平台 高速 A D 变换数字信号处理 DSP RF收发信机 A D D A 基带处理器 MCU 话音编译码器 人机界面 DSP 软件无线电的优势 软件无线电技术利用统一的硬件平台 使用不同的软件 来适应不同的工作模式 它可以方便的通过软件编程改变算法 无需更新硬件 适应不同的业务要求 系统增加功能通过软件升级来实现 减少设备费用支出 可支持多种通信体制并存 便于标准升级和新技术的运用 CDMA上行同步 定义上行链路各终端信号在基站解调器完全同步优点CDMA码道正交降低码道间干扰提高CDMA容量简化硬件 降低成本 基站解调器 码道1 码道2 码道N CDMA上行同步 上行同步技术 同步的建立在随机接入时建立依靠BTS接收到的SYNC1立即在下一个下行帧SS位置进行闭环控制同步的保持在每一上行帧检测Midamble立即在下一个下行帧SS位置进行闭环控制出现失步的可能性有限小区半径 取决于G的宽度 可能超过10km 比较宽的容许范围 4chips 失步后执行链路重建 SS 上行业务时隙 BTS要求 Midamble 随机接入SYNC1 ss UpPTS UE的上行突发 联合检测 联合检测作用避免多址干扰相对扩大检测动态范围小区内干扰最小化联合检测原理特定的空中接口 突发 结构允许收信机对无线信道进行信道估计根据估计的无线信道 对所有信号同时进行检测从复合信号中减去其他信道的信号来获得每一个信道的信号 联合检测 由于无线移动信道的时变性和多径效应影响 使得数据之间存在干扰 符号间干扰 ISI 码间干扰 MAI 通过数据符号间 码间的相关性在多个用户中检测 提取出所需的信号 消除ISI和MAI 联合检测的实现 码间干扰 MAI 是CDMA系统中的主要干扰在传统的CDMA系统信号分离方法中 把MAI看作热噪声联合检测充分利用MAI中的先验信息 如 已知的用户信道码已知的训练序列将非目标用户信息从MAI中滤除 进而可有效地提取目标用户信息 如果每时隙只有1个用户信号 联合检测 JD 不是有效的 在同步CDMA模式下 多个用户共享每个时隙 联合检测是有效的 通过联合检测的MAI计算矩阵 去除多用户干扰 结论 通过去除MAI增加了CDMA的容量通过去除MAI 对多用户信号检测动态范围达20dB 无需快速功率控制 实现机理 联合检测的优缺点 联合检测易于实现 每时隙内码道少 短扰码 上行同步 小运算量联合检测的优点 降低干扰 扩大容量 降低功控要求 削弱远近效应联合检测的缺点 大大增加系统复杂度 增加系统处理时延 需要要消耗一定的资源 智能天线 联合检测 智能天线的主要作用 降低多址干扰 提高CDMA系统容量增加接收灵敏度和发射EIRP智能天线所不能克服的问题时延超过码片宽度的多径干扰多普勒效益 高速移动 因而 在移动通信系统中 智能天线必须和其它信号处理技术同时使用联合检测 基于训练序列的信道估值 同时处理多码道的干扰抵消理论上 联合检测和智能天线相结合技术 可以完全抵消MAI的影响 大大提高系统的抗干扰能力和容量 动态信道分配 DCA 在终端接入和链路持续期间 根据多小区之间的干扰情况和本小区内的干扰情况 进行信道的分配和调整 增加了系统的总容量 在TD SCDMA系统中 信道的定义包括 载频 频域扩频码 码域时隙 时域波束 空域 1 6MHz 16codecanbeused EachuserareindentifiedbyeachCDMAcode timeslot downlink downlink downlink uplink time code frequency 动态信道分配 动态信道分配的方法 频域DCA频域DCA中每一小区使用多个无线信道 频道 激活用户分配在不同的载波上 从而减小用户之间的干扰时域DCA在一个TD SCDMA载频上 使用7个时隙减少了每个时隙中同时处于激活状态的用户数量每载频多时隙 可以将受干扰最小的时隙动态分配给处于激活状态的用户码域DCA在同一个时隙中 通过改变分配的码道来避免偶然出现的码道质量恶化空域DCA通过智能天线 可基于每一用户进行定向波束赋形 降低多址干扰 下述几种DCA方法全面降低了相应的小区间干扰 从而使频谱利用率得以优化 动态信道分配的组成 慢速DCA 把资源分配到小区 根据小区中各个时隙当前的负荷情况对各个时隙的优先级进行排队 为接入控制提供选择时隙的依据 接纳控制当一个新的呼叫到来时 DCA首先选择一个优先级最高的时隙 能否在该时隙为新呼叫分配资源 在选择时隙的过程中 如果没有单独的时隙能够提供新呼叫所需要的资源 DCA将试图进行资源整合 从而为新呼叫腾出一定的资源 包括码资源 功率资源 快速DCA 为业务分配资源 当系统负荷出现拥塞或链路质量发生恶化时 RRM中的其他模块 如LCC RLS 会触发DCA进行信道调整 它的功能主要是有选择的把一些用户从负荷较重 或链路质量较差 的时隙调整到负荷较轻 或链路质量较好 的时隙 硬切换 在早期的频分多址 FDMA 和时分多址 TDMA 移动通信系统中采用这种越区切换方法当用户终端从一个小区或扇区切换到另一个小区或扇区时 先中断与原基站的通信 然后再改变载波频率与新的基站建立通信 硬切换技术在其切换过程中有可能丢失信息 硬切换流程 软切换 在美国Qualcomm公司九十年代发明的码分多址 CDMA 移动通信系统中采用这种越区切换方法当用户终端从一个小区或扇区移动到另一个具有相同载频的小区或扇区时 在保持与原基站通信的同时 和新基站也建立起通信连接 与两个基站之间传输相同的信息 完成切换之后才中断与原基站的通信 优点 软切换过程不丢失信息 不中断通信 缺点 其一解决了终端在相同频率的小区或扇区间切换的问题 其二软切换的基础是宏分集 但在IS 95中宏分集占用了50 的下行容量 因此软切换实现的增加系统容量被它本身所占用的系统容量所抵消 软切换流程 接力切换的概念 接力切换适用于同步CDMA移动通信系统 是TD SCDMA移动通信系统的核心技术之一 设计思想 当用户终端从一个小区或扇区移动到另一个小区或扇区时 利用智能天线和上行同步等技术对UE的方位和距离进行定位 根据UE方位和距离信息作为切换的辅助信息 如果UE进入切换区 则RNC通知另一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 优点 将软切换的高成功率和硬切换的高信道利用率综合到接力切换中 该方法可以在不同载频的基站之间使用 甚至在TD SCDMA系统与其他移动通信系统如GSM IS95的基站之间实现不中断通信 不丢失信息的越区切换 NodeB source NodeB target UE RNC UE定位信息 邻小区列表 所有基站信息 UE搜索邻小区中的所有基站 建立同步 切换判决 切换指令 发现目标基站 测量报告 切换请求 确认切换完成 删除无线链路 停止发射和接收 信号 无线链路业务连接 无线链路业务连接 无线链路业务连接 同步保持 接力切换流程 接力切换的实现 MS和NB1通信NB1通知邻近NB2 提供用户位置信息基站类型 载频 定时等切换准备MS搜索NB2 建立同步MS或NB2发起切换请求系统决定切换执行MS与NB1断开 与NB2建立通信完成切换 NB1 NB2 MS 三种切换技术比较 高切换成功率 高资源利用率 一 系统概述二 关键技术三 TD SCDMA网络结构四 TD SCDMA物理层简介 TD SCDMA网络结构 UE UE Uu Uu TD CDMA由CN 核心网 UTRAN 无线接入网 和UE 用户设备 三部分组成 各个部分由接口连接 RNS 无线网络子系统 由一个RNC 无线网络控制器 和多个NodeB组成 一个NodeB可以包括1个 3个或6个小区 UTRAN又由多个RNS组成 系统构成说明 核心网结构 核心网功能 核心网子系统的框架结构分成两个部分 电路交换 CS 域和分组交换 PS 域 分别对应于原来的GSM交换子系统和GPRS交换子系统 CS域和PS域是依据系统对用户业务的支持方式区分的 根据运营商实际网络的规划方案 核心网可以同时包含这两个域 也可以只包括其中之一 核心网主要处理UMTS内部所有的语音呼叫 数据连接和交换以及和外部其它网络的连接和路由选择 无线通信网络UTRAN利用电路交换域接入PSTN传统的语音业务 利用分组交换域接入IP等传统数据通信网络的数据业务 Iu接口功能描述 Iu接口是连接RAN和核心网之间的接口 Iu接口是一个开放接口 它将系统分成用于无线通信的RAN和负责处理交换 路由和业务控制的核心网两部分 从结构上看 一个核心网可以和几个RNC相连 而任何一个RNC和核心网之间的Iu接口可以分成三个域 电路交换域 Iu CS 分组交换域 Iu PS 和广播域 Iu BC 从功能上看 Iu接口主要负责传递非接入层的控制消息 用户信息 广播信息及控制Iu接口上的数据传递等 其主要功能如下 无线接入承载管理功能 无线资源管理功能 连接管理功能 用户平面管理功能 移动性管理功能 安全功能 无线网络子系统主要功能 无线网络子系统网络结构 UTRAN CN UE Iur接口功能描述 Iur接口是两个RNC之间的逻辑接口 用来传送RNC之间的控制信令和用户数据 Iur接口是一个开放接口 Iur接口最初设计是为了支持RNC之间的软切换 但是后来加入了其他的有关特性 现在Iur接口的主要功能是支持基本的RNC之间的移动性 支持公共信道业务 支持专用信道业务和支持系统管理过程 Iub接口功能描述 Iub接口是RNC和NodeB之间的接口 用来传输RNC和NodeB之间信令和无线接口的数据 其主要功能为管理Iub接口的传输资源 NodeB逻辑操作维护 传输操作维护信令 系统消息管理 专用信道控制 公共信道控制和定时以及同步管理 在现行的第三代移动通信系统标准中 Iub接口还是一个不开放的内部接口 并没有像Iu接口和Iur接口一样做成完全开放的接口 这样就限制了单独制造NodeB的厂家将无法参与网络设备的竞争 同时对运营者来讲 开放的Iub接口将会使得组网更加灵活 无线网络控制器 无线收发信机的功能 Uu接口功能描述 无线接口Uu接口是指终端 UE 和接入网 RAN 之间的接口 简称Uu接口 通常我们也称之为空中接口 不同的无线接口协议使用各自的无线传输技术 RTT 现行的3G系统主要包括TD SCDMA WCDMA和CDMA2000 它们的主要区别体现在空中接口的无线传输技术上 无线接口Uu是一个完全开放的接口 它主要是用来建立 重配置和释放各种3G无线承载业务 一 系统概述二 关键技术三 TD SCDMA网络结构四 TD SCDMA物理层简介 TD SCDMA帧结构 TD SC