TD-SCDMA理论

目 录 移动通信发展历程 它 第一代 80年代 模拟 模 拟 技 术 二代 90年代 数字 技术驱动 数 字 技 术 语 音 业 务 第三代 000 需求驱动 宽 带 业 务 国 3 第三代公众移动通信系统的工作频段： （一）主要工作频段： 频分双工 (方式： 1920 2110 时分双工 (方式： 18802010 （二）补充工作频率： 频分双工 (方式： 1755 1850 时分双工 (方式： 2300 （三）卫星移动通信系统工作频段： 1980 2170 2011 3 2016 6 7 8 9 010 2015 2020 2025 3G 755 1785 1850 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 2300 2400 0 20 60 30 15 85 60 0 20 60 30 15 85 60 0 20 60 30 15 85 60 100 30 30 全球 3工方式 址方式 能天线 ) 载波带宽 5片速率 步方式 异步 同步 同步 接收检测 相干解调 相干解调 联合检测 易于使用非对称频段 , 无需具有特定双工间隔的成对频段 适合传输上下行不对称的数据业务 上行和下行使用相同频率载频，有利于智能天线技术的实现 行 5行 5M 5M 10 上行 +下行 频点 w p 2 3 4 5 6 S F = 1 S F = 2 S F = 4c 1 , 1 = ( 1 )c 2 , 1 = ( 1 , 1 )c 2 , 2 = ( 1 , - 1 )c 4 , 1 = ( 1 , 1 , 1 , 1 )c 4 , 2 = ( 1 , 1 , - 1 , - 1 )c 4 , 3 = ( 1 , - 1 , 1 , - 1 )c 4 , 4 = ( 1 , - 1 , - 1 , 1 )C 8 ,1C 8 ,2C 8 ,3C 8 ,4S F = 1 S F = 2 S F = 4c 1 , 1 = ( 1 )c 2 , 1 = ( 1 , 1 )c 2 , 2 = ( 1 , - 1 )c 4 , 1 = ( 1 , 1 , 1 , 1 )c 4 , 2 = ( 1 , 1 , - 1 , - 1 )c 4 , 3 = ( 1 , - 1 , 1 , - 1 )c 4 , 4 = ( 1 , - 1 , - 1 , 1 )C 8 ,1C 8 ,2C 8 ,3C 8 ,4上行： 行： 频谱利用率高 不需成对的频谱，能够满足未来扩展需求，为频谱分配带来极大的灵活性 相对于 营商， 营商频谱获取成本低，同时在业务方面，提高语音和非对称数据应用的频谱效率 统分配非对称上下行传输，经济高效地支持互联网接入业务 结合智能天线技术，可以提供快速精确定位业务 (G P/c b E 空中接口标准 占用带宽 载波码片速率 (频方式 F=1/2/4/8/16 F=1/2/4/8/16 调制方式 织 0/20/40/80 10/20/40/80 帧长 00包含两个 5 时隙数 15 7 上行同步精度 4 码片 1/8 码片 工作环境 主要是解决微蜂窝覆盖，可作为热点地区补充 完整的移动通信系统 , 可以在各种环境下工作 准进展 33 2000 2001 2002 2004 2007 34 5 36 6 7 时分双工方式 联合检测 智能天线 上行同步 软件无线电 接力切换 功率控制 . 态信道分配 时分双工 易于使用非对称频段 , 无需具有特定双工间隔的成对频段 适应用户业务需求，灵活配置时隙，优化频谱效率 上行和下行使用同个载频，故无线传播是对称的 ,有利于智能天线技术的实现 无需笨重的射频双工器，小巧的基站，降低成本 时分双工 ( 上行频带和下行频带相同 D U D D D D D D 频分双工 ( 上行频带和下行频带分离 D D D D D D D U U 上行 D 下行 未使用 上行同步 (上行同步的基本概念 A B C D 时隙 2 A 同一时隙 不同用户 到达基站时间点对齐 B C D 上行同步的目的 4 ,0 = (1,1,1,1) ,1 = (1,1,1) ,2 = (1,3 = (1,1,1) 1,1,1 1,1,1 理想无时延 1,1,1 1,1,1 延时 1,1, 1 1, 1,1 减小小区内用户间的上行多址干扰和多径干扰，增加小区容量和小区半径 使 有自主知识产权 上行同步建立 终端 选择 估算的时间和功率发送 基站检测到 回送定时和功率调整 调整定时和功率，发送随机接入请求 发送随机接入响应后，进行后续的信令接续 上行同步保持 S 命令 含义 00 减小 k/8 11 增加 k/8 01 Do 保持不变 业务数据 6 业务数据 44能天线 (智能天线的设计思想 没有智能天线的情况下，小区间用户干扰严重 使用智能天线的情况下，小区间用户干扰得到极大改善 智能天线算法基本原理 上行：基站根据各个阵元接收信号的相位差估计 下行：根据 整各个阵元上的振幅和相位，形成指向该 a . d e e 能天线算法实现模型 天线阵列 下行 赋形 下行 数据 信道估计 赋形参数 估计 空域滤波 联合检测 上行用户 数据 智能天线的效果 对用户起到空间隔离、消除干扰的作用 最大化对期望用户的能量 最小化对其他用户的干扰 用户间干扰 被有效抑制 联合检测 (多址干扰 (多径干扰 (扩频信号 功率 用信号 a c b + = 移动通信系统中的干扰 传统接收机解调技术 每个用户的信号“分别”进行扩频码匹配处理 只有在理想正交的情况下，才能完全消除多址干扰的影响 能量 频率 噪声 传统接收机解调 能量 频率 噪声 联合检测的设计思想 对多个用户的信号的多径分量进行 “ 联合 ” 处理，充分利用用户信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息，大幅度降低多径和多址干扰 能量 频率 噪声 使用联合检测 能量 热噪声 信道估计 A 联合检测 用户 1 用户 2 用户 K 接收 数据 E 用户 数据 X 甲卷： 中 解 卷： x2 中 求解 e = 定性计算 乙卷： 中 解 合检测的数学模型 联合检测的信道模型 1c 1h 1b 1d 1d a t ae s t im a t io n数据 估计器 d：用户要传输的数据 c：用户使用的扩频码 h：信道冲激响应 n：高斯白噪声 e：基站接收到的数据 联合检测的信道估计 只要接收端知道 A (扩频码 h)，就可以估计出符号序列 d 扩频码 道脉冲响应 h M M* h = M*/ M 联合检测的效果 减少多址干扰和多径干扰，提高系统容量 减少噪声上升，提高覆盖 克服 近效应”，降低对功率控制的要求 软件无线电 ( 解决多制式系统的“互通性” 军事上：“沙漠风暴”行动中，各种通信设备的不兼容性暴露无疑，不得不借助许多额外的无线电台，才能保障高效的通信联络 民用方面：多种移动通信系统，各国制式、频率各不相同，不能互通、兼容，对于跨国漫游的人们带来了极大的不便 减少技术演进过程中的投资浪费 技术的演进需要更换硬件，极大地增加了设备投资的成本：基站要全部更换 软件无线电（ 由来 软件无线电（ 设计思想 尽可能以软件（算法）实现射频硬件部分的功能 构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台 各种功能，如 工作频段 、 调制解调类型 、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成 使 A/ 新一代无线通信系统具有高度灵活性、开放性 软件无线电（ 现的难点 高速数字信号采样技术 根据“奈奎斯特第一定律”，要想无失真地传递某一频率的信号，需要以不低于该信号最高频率 2倍的采样速率进行采样！ 例如：对于工作在 2样频率要达到4前的器件无法达到此要求 目前能够实现中频采样（ 100射频前端采用模拟技术实现 随着技术的发展，采样点逐渐向射频前端推进，最终达到射频部分完全数字化的目标 采用软件无线电后的效果 多种通信制式的设备共享硬件平台，节省机房，降低投资 技术演进时只需要进行软件升级，新技术、新制式网络建设速度大大加快 接力切换 (切换的分类 硬切换任何移动通信系统都能够支持 软切换 接力切换 话“缝隙” 硬切换 硬切换的特点 先中断源小区的链路，后建立目标小区的链路 通话会产生 “ 缝隙 ” 软切换 软切换特点 先建立目标小区链路，后中断源小区链路，可以避免通话“缝隙” 且只能发生在同频小区间 软切换比硬切换占用更多的系统资源 接力切换 接力切换的设计思想 利用上行同步技术，在切换测量期间，使用上行预同步的技术，提前获取切换后的上行信道发送时间、功率信息，从而达到减少切换时间，提高切换的成功率、降低切换掉话率的目的 接力切换的优势 相对于软切换，占用系统资源少，提高了系统容量 相对于硬切换，业务中断时间很短，且掉话率低 接力切换工作流程 上下行均与源小区连接 用开环预计同步和功率控制，首先只将上行链转移到目标小区，而下行链路仍与源小区通信 过 行链路转移到目标小区，完成接力切换 与软切换相比，都具有较高的切换成功率、较低的掉话率以及较小的上行干扰等优点。不同之处在于接力切换不需要同时有多个基站为一个移动台提供服务，因而克服了软切换需要占用的信道资源多、信令复杂、增加下行链路干扰等缺点。 与硬切换相比，两者具有较高的资源利用率，简单的算法、以及较轻的信令负荷等优点。不同之处在于接力切换断开原基站和与目标基站建立通信链路几乎是同时进行的，因而克服了传统硬切换掉话率高、切换成功率低的缺点。 接力切换优点 动态信道分配 (业务类型（ 会话类业务（ 流类业务（ 交互类业务（ 背景类业务（ 质量要求（ 速率要求： 频域 业务动态地分配到干扰最小的频率上 域 业务分配到干扰最小的时隙 空域 自适应的智能天线技术选择最佳的解 耦方向 码域 改变分配的码道来降低干扰 动态信道分配（ 效果 1：干扰最小化 动态信道分配（ 效果 2：带宽 “ 按需分配 ” 系统容量 传统信道配置 业务源速率 动态信道配置 无线帧 10帧 5P 7 3 7个常规时隙（ 3个辅助时隙 行导频时隙，用于下行同步 行导频时隙，用于 上行同步 行、下行同步间的保护时隙 行导频时隙 用于下行同步和小区初搜 由 96 3264( 2种，用于区分相邻小区 加扰 该时隙全向或扇区传输，不进行波束 赋形 326475 s 行导频时隙 用于上行初始同步和随机接入，以及切换时邻近小区测量 由 160 32128行同步码 ( 56种，分为 32个码组（每组 8个 对应 32个 加扰 32128125 s 护时隙 用于下行到上行转换的保护 在小区搜索时，确保 止干扰 在随机接入时，确保 止干扰 9675统覆盖范围 定时时间提前量 2 t 96 基站最大覆盖距离（ 96光速） / 2 站发射 t G t 构 称为训练序列，用于信道估计，估计结果用于联合检测和智能天线算法 物理层控制信息：物理层过程（如功率控制、上行同步调整等）的控制信号 业务数据 6 业务数据 675 s， 864理层控制信息 44 输功率控制 用于内环快速功率控制 每个子帧 步偏移 控制 保证上行同步 令 含义 00 降低发射功率 11 提高发射功率 S 命令 含义 00 减小 k/811 增加 k/801 Do 保持不变 输格式控制指示，指示时隙内数据的传输格式（数据块位置、大小等） 业务数据 务数据 时隙 n (864 P 部分 业务数据 业务数据 无线帧 10子帧 5 - 子帧 5 部分 部分 部分 隙 n (864 间码，或称为训练序列；主要作用为： 测量：信号强度和信号质量（ 用于功率控制、切换等算法 上行同步保持： 信道估计：利用 估无线传播过程中的多址干扰（ 多径干扰（ 况，评估结果用于联合检测 统中的码表 基本 28个，分 32组，对应 32个 本 下表： 码组 各相关码 D D 扰码 本 组 1 0 07 0 0 1 1 2 2 3 3 码组 2 1 815 4 4 5 5 6 6 7 7 码组32 31 248255 124 124 125 125 126 126 127 127 逻辑信道：直接承载用户业务 根据承载内容的不同，分为 控制信道 和 业务信道 传输信道：描述信息如何在无线接口上传输 根据传输的信息属性，分为 专用信道 和 公共信道 物理信道：各种信息在无线接口传输时的物理通道（频率、时隙、码） 粮仓 药库 衣物捐助点 公路 铁路 水路 航空 各种物资 以何种运输方式送往灾区？ 需要送多少？ 比例如何分配？ 专用业务信道 （ 公共业务信道 （ 广播控制信道 （ 寻呼控制信道 （ 专用控制信道 （ 公共控制信道 （ 逻辑业务信道 逻辑控制信道 逻辑信道分类 广播信道 呼信道 向接入信道 向（随机）接入信道 用信道 行或下行 公共传输信道 专用传输信道 传输信道分类 物理信道的分类与功能 基站 户终端 务连接 专用物理信道 小区搜索与小区选择 下行导频信道 ( 主公共控制物理信道 寻呼 寻呼指示信道 从公共控制物理信道 随机接入 上行 导频信道 ( 快速物理接入信道 物理随机接入 信道 从公共控制物理信道 系统消息数据 统消息数据 64公共控制物理信道 承载传输信道 于发送系统消息 ( 16；固定配置在 6, 0和 6, 1 无波束赋型，以全小区覆盖模式发送 保留 留 PI P 864PI k PI k+1 保留 留 PI P 864寻呼指示信道 用于发送寻呼 指示 ( 16，一般配置在 寻呼指示 (的长度 2， 4或 8 ，以一个无线帧为周期 如果某个 1”，表示该 无波束赋型，以全小区覆盖模式发送 下行信令数据 行信令数据 864公共控制物理信道 承载传输信道 于发送寻呼 消息 和其他下行信令 16，一般配置在 无波束赋型，以全小区覆盖模式发送 定时偏移 功率偏移 定时偏移 功率偏移 64户 1 用户 n 快速物理接入信道 用于发送定时调整和功率调整指示 16，可配置在任意一个下行时隙 无波束赋型，以全小区覆盖模式发送 上行信令数据 行信令数据 864理随机接入信道 承载传输信道 于发送上行信令 8，一般配置在 , 0 无波束赋型，以全小区覆盖模式发送 区搜索 小区初搜 (基本 (系统消息识别 (别该小区使用的 过多次试探，识别该小区的基本 取 终端 选择 估算的时间和功率发送 基站检测到 回送定时和功率调整 调整定时和功率，发送随机接入请求 发送随机接入响应后，进行后续的信令接续 机接入 用户数据 户数据 864用物理信道 承载传输信道 于用户业务的收发 上行 1， 2， 4， 8或 16 下行 1或 16 有波束赋型，由智能天线算法确定波束方向 速率） 资源单元 务数据码片数 /突发脉冲 符号数 /突发脉冲 符号数 /突发脉冲 理论最大数据速率 52 2 704 704 704 2 1408 1408/5U 52 2 704 352 352 2 704 704/5U 52 2 704 176 176 2 352 352/5U 52 2 704 88 88 2 176 176/5U 52 2 704 44 44 2 88 88/5道映射关系 传输信道 理信道 辑信道 呼 用户数据及 随路信令 小区广播业务 系统消息 信令 1 2 型业务的资源分配 A 语音 A A C 可视电话 C C C C C C C C D D 28K B 语音 B B 语音业务： 单载波最多可以支持 23个语音用户 每个时隙承载 8个用户， 3:3时隙配置 数据业务： 单载波最大业务速率 640 单时隙最大业务速率 1281:5时隙配置 : 3 L L L L : : 5 L L L 频点技术 频率 时间 功率 扩频码 1 . 6 M H z 0 15 T S 0 第 1 辅载波 第 2 辅载波 T S 1 T S 2 T S 3 T S 4 T S 5 T S 6 5 m s D w P T S U p P T S 载波）技术可以有效提升 主载波和辅载波使用相同的扰码和基本 小区公共资源，如下行导频信道（ 上行导频信道（ 建议配置在主载波上 辅载波的 主载波和辅载波的上下行转换点配置一致 转换点不一致将导致系统干扰增大 目前由于终端受限 用户在任一个时刻只能工作在一个频点上 多时隙配置应限定为在同一载波上 同一用户的上下行配置在同一载波上 过一系列关键技术，实现了下行的高速数据传输 在物理层采用 引入高阶调制（ 16高频谱利用率 通过采用以上技术，单载波容量大大增加：理论最大下行容量达到 560隙 最多 5个时隙 波 引入新的共享物理信道，多个用户可以共享资源 引入 快速数据调度算法 ，每 5 通过采用以上技术，极大地提高了用户下行瞬时速率，提高小区整体吞吐率 适应调制和编码 速调度 16制 混合自动重传 适应调制和编码 引入 的原因 无线信道具有很强的时变性，对这种时变特性进行自适应跟踪会给系统性能的改善带来极大的好处 引入更多编码方式和调制方式，使系统能够通过改变编码方式和调制方式对链路变化进行自适应跟踪 系统仿真表明，采用 0的平均吞吐率 量信道质量 (报告 (每 5 给 于 据块大小和数据速率 好的信道条件 减少冗余编码，甚至不需要冗余编码； 16 坏的信道条件 增加更多冗余编码； 616正交幅度调制 164 位 Q I 0000 0001 1001 1000 1010 1011 1110 1111 0100 1100 1101 0010 0110 0111 0011 0101 Q I 00 10 01 11 2 位 编码和调制对速率的影响对于 一个时隙含有两个数据块，共 352 2 704个 时，单时隙的符号数达到理论最大值： 704个符号 在 的时隙最大理论速率： 704*2/5 采用 1/3过速率适配后，实际的单时隙速率为 128据 352P 16 数据 35264码和调制对速率的影响对于 一个时隙含有两个数据块，共 352 2 704个 时，单时隙的符号数达到理论最大值： 704个符号 在 16时隙最大理论速率 704*4/5 采用 道条件好时不需要增加冗余编码，单时隙速率可以达到 上、下行时隙 1:5配置时，最大理论速率： 5 合自动重传 依靠错码检测和重发请求来保证信号质量，特点是 “只传不纠” ：根据接收数据中冗余信息来进行纠错，特点是 “只纠不传” 免了 在信道条件比较好的情况下， 且效率更高 速调度算法 调度，就是确定应该给哪些用户、以多大速率发送数据 调度基本原则 在短期内，以信道条件为主；在长期内，应兼顾到对所有用户的吞吐量和公平性 常用调度算法 轮寻算法 ： “大锅饭” 最大载