SCDMA关键技术.doc

二、 设备介绍2.1 SCDMA系统关键技术SCDMA系统的优势不仅体现在SCDMA无线接入系统具有国家批准的独享带宽，而且也因为SCDMA系统采用了智能天线、同步码分多址、软件无线电等国际先进技术，并且大唐公司具有这些核心专利技术的全部知识产权。作为国内通信技术的优秀代表，大唐公司拥有从SCDMA无线终端、SCDMA无线接入设备和本地移动控制设备的研制、生产和工程维护能力。1 概述在SCDMA无线接入系统中的关键技术既包括SCDMA系统技术体制所特有的时分双工同步CDMA技术、SWAP（）空中接口信令规范等，还大量采用了国际上最先进的无线通信技术，包括智能天线技术、软件无线电技术、多载波传输和自适应调制技术等，从而大大地提高了系统地容量和性能。以下分别对这些关键技术在SCDMA系统中的应用作一个简单介绍。2 同步CDMA技术同步CDMA是指来自每个用户终端的CDMA信号在到达基站接收机时是同步的（尤其指上行同步）。在同步条件下，使用正交扩频码的各个码道是正交的，相互间没有多址干扰，从而可以大大提高CDMA系统的容量和通信质量。但在另一方面，由于各个用户终端在小区覆盖范围内的位置是可以变化的，即使在通信进行过程中，用户还可以以很高的速度移动。由于电波在从基站到用户终端的传播时间的变化，将引起同步的变化。而且，在复杂的传播环境中，由于地物、建筑物等的反射产生的多径信号也会增加同步的难度。因此，同步CDMA是SCDMA系统中的关键和难点所在。为实现同步CDMA，必须解决同步的检测、建立和保持等主要问题。同步CDMA技术的基本概念如图2-2所示。图2-1 同步CDMA技术的基本概念1同步的检测在SCDMA系统中，设计了专门用于同步检测的下行同步信号（SYNC）和上行同步信号（SYNC1和SYNC2），构成同步信号的伪随机序列是基站和手机已知的确定序列。根据伪随机序列自相关特性，用基站或手机存放的已知序列与接收到的同步信号做相关，通过搜索相关峰出现的位置，即可确定上行或下行信号的同步情况。2同步的建立用户终端从一开机，通过检测下行同步信号获得下行同步，确定接收参考定时。按经验值推算出发射起点时间，发出接入请求。基站通过检测上行同步信号SYNC1，获得上行信号相对于期望位置的同步偏差SS，并在下一个下行帧向此终端发出此SS之值。在终端收到后就将自动调整发射时间，以建立同步。3同步的保持同步的保持是依靠SYNC2实现的。在SCDMA系统中，通信中的所有终端中，每个终端都使用一个分配的Walsh码（编号从0至31）来扩频，只有在帧号（FN）与该终端所使用的Walsh码道号相同的那一帧，该终端才发射SYNC2，而其他终端都处于空时隙（EMPTY），即在系统中，此时只有一个用户终端发射SYNC2。基站就可以在干扰很小的情况下来检查此信号，根据检测SYNC2的同步偏差，并在下一帧发出此SS之值，使该终端纠正其同步偏差，使同步得到保持。3智能天线1概述智能天线技术是在无线通信中，使用天线阵与阵列信号处理方法，通过提取和利用用户的空间方位信息，来提高通信系统的容量和信息传输质量的一种技术。SCDMA系统把智能天线技术和时分双工（TDD）、同步码分多址（Synchronous CDMA）技术结合起来，形成了独特的技术优势。智能天线技术应用在时分双工（TDD）方式下，无论从实现难度还是效果上讲，都比在频分双工（FDD）方式下具有优势。在FDD方式下，上下行链路工作在不同的频率上，造成上下行链路电波传播特性不同，或称上下行链路不对称。这样，从基站接收到的上行信号中求出的空间特性矢量并不能直接当作下行空间特性矢量来使用，要解决这个问题，要以复杂的算法、巨大的信号处理量为代价，而且很难取得好的效果。而在TDD方式下，上下行链路工作在同一段频率上，只是在时间上错开，上下行链路电波传播特性相同或相近，即上下行链路具有对称性，从上行信号中求出的空间特性可以代表下行空间特性，所以无需特别复杂的算法就可实现下行波束赋形，达到很好的效果。智能天线技术与同步CDMA相结合，进一步降低了用户间的相互干扰，使得通信质量和系统容量得到进一步的保障和提高。在完全同步和视线传播（LOS）的条件下，多址干扰是很小的，然而在实际中，由于传播环境的复杂性、终端的移动性、器件的不理想等因素，理想的同步是不可能的，所以多用户间的干扰仍然存在，而且在复杂环境下会比较严重。利用各用户在空间上的分布，智能天线技术通过空间处理，为降低多用户间的干扰提供了另一道防线，大大降低了同步不理想造成的多址干扰，从而提高了通信质量和系统容量。除了抑制多用户间干扰，智能天线可以通过陷零算法或其他算法对其他干扰，比如相邻小区干扰，同频小区干扰，GSM信号干扰等进行抑制。图22 智能天线技术的基本概念智能天线通过波束赋形可以增大天线的增益，这就意味着用同样的发射功率可以传播的更远，能更好的抵抗衰落；或者在相同的覆盖条件下，可以节约发射机的功率，对于基站而言，降低对发射机功率的要求将大幅降低基站成本，对手机而言，低发射功率意味着环保和更长的待机和通话时间。例如：使用8单元天线阵，最大可以使天线增益增加18dB，在同等条件下，通信距离增加到原来的2.8倍（按四次方律率衰落计算）。再如：用8只0.5W小功率放大器，利用智能天线技术可以在主瓣方向上输出32W的功率，而8只0.5W的小功率放大器的总价格远远低于一只32W的大功率放大器，可以大大降低无线基站的成本。2构成和实现在SCDMA系统中，无线基站是按智能天线的要求构成的。它由8只全同的天线组成环形天线阵，再连接至8只相干收发信机，以构成全部射频电路结构。在基带部分，使用软件无线电的概念，将所有基带信号，用数字方式处理。其主要部件为射频收发信机阵列和基带处理器两大部分，而后者主要是一组数字信号处理器(DSP)。智能天线的实现过程简述如下：由8只天线接收到的信号分别经过8路接收机，进行射频解调和A/D变换，得到基带数字信号，在完成了同步处理和解扩后，将形成8组，共32条码道的信号。分别计算每条码道的空间特征矢量，进行上行波束赋形。由于系统采用TDD方式，上行空间特征矢量可以直接用于下行波束赋形。4 SWAP协议SWAP（Synchronous Wireless Access Protocol）即同步无线接入协议，是SCDMA系统采用的空间接口。4.1 时分双工（TDD）工作方式SCDMA为一个工作于TDD方式的系统， 其TDD周期为10ms，其中，约5ms的时间为基站发射，手机接收；约5ms的时间为手机发射，基站接收，收发之间有一段保护时间。如图2-3所示。图2-3 SCDMA 时分双工实现原理4.2 三层模型在通信过程中，业务数据(含话音编码)和信令都在此TDD方式下分别或同时传输。整个SWAP信令是按OSI三层模型：物理层、链路层和网络层。1物理层SWAP信令的物理层由三种复用结构所组成，它们是：MUX1接入码道复用结构MUX2话音通信复用结构MUX3数据通信复用结构2链路与网络层每个网络层消息由一个或多个消息包(Packer)组成，每个网络层消息包在链路层中形成一个至六个码字(CodeWord)，其中，第一个称地址码字(ACW)，其后的称为数字码字(DCW)。每个码字用一个链路层消息包，共九个Byte(72bit)，按顺序在物理层的CS时隙传输。3网络层消息主要内容终端识别参数的传输与处理；用户鉴权、密钥产生；呼叫建立与终止；越区切换指令和消息的传输和处理；链路重建，即链路中断后的重建过程处理；主叫和被叫号码的传输，电话号码和PID之间的转换；系统中各设备监控信息的传输；其他网络层消息，如广播业务等。4.3 SPWAP无线信令特点1保证同步的建立和保持 在SWAP物理层中用了3个独立的时隙：SYNC，SYNC1及SYNC2来解决精确测定同步偏差的问题，并设计了空时隙EMPTY。基站测定的同步偏差，通过下一个下行帧中的SS时隙传送到终端，实现闭环同步控制。必须指出，在用户终端传送SYNC2时，只有唯一的一个终端在此时隙发射出同步信号，其他正在工作终端均处在空时隙(EMPTY)，以保证无线基站能够准确的接收到此信号，并准确地建立和保持同步。2功率控制开环功率控制：由用户终端根据接收到的SYNC强度，确定初始发射功率电平值。闭环功率控制：根据无线基站所接收到的某终端的发射功率，通过时隙PC将该终端的发射功率的调整量在一个下行帧中传送到该终端，让其调整下一个上行帧的发射功率。3避免冲突的策略在任何一个多址接入的无线通信系统中，在其公用接入信道中，都存在发生多个用户终端同时要求接入而在此公用信道中冲突的可能性。避免和解决冲突在无线信令设计中是一个重要问题。如前所述，在SWAP信令中只使用了一条接入码道，避免和解决冲突就更为重要。其要点为： 占用接入码道的时间尽可能短。用户终端每次发射接入申请和接受呼叫时，均仅占用非常少的几帧，即几十毫秒时间间隔。这样接入码道总是处在空闲状态，冲突概率非常低； 当冲突出现，即两个以上终端同时要求接入时，基站将无法准确判别其内容，也不可能正确反应。此时，任何一个终端都在下一个下行帧都收不到LINK_GRANT指令，每个要求接入的终端都必须延迟一个随机时间后再次申请，此时冲突就不存在了。 在SWAP中，还设计有忙闲指示，指示当时基站接入码道的忙闲状态和整机业务码道是否全部被占用。当基站示忙时，只有特权用户或紧急呼叫(119/110/120等)能够接入，避免了冲突，提高了接入码道的效率。4业务码道中大量高层信令的传输在进入业务码道(MUX2及MUX3)后，当出现链路重建、越区切换等需要传输大量信令消息时，SW时隙指示进入信令方式(B)，以保证信令的高效率传输。当然，此过程要丢失几帧业务数据。但对话音来说，会影响听觉效果；而对数据则用重复发射来解决。设计此信令传送方式可以提高系统的运行效率。5差错检测主要时隙的消息都设有CRC差错检测，保证只有正确的控制消息才被执行。6基站呼叫用户终端的策略如前所述，在基站呼叫用户终端时，此呼叫将只出现在帧号与该终端的PID最后5bit相同的帧。反过来，终端也仅仅在帧号与其PID最后5bit相同的帧中接收呼叫，而在其他帧中可以处于休眠状态。此策略对节省手持机在等待状态的耗电，增加守候时间是非常有用的。7话音编码速率标志VR保证了系统可能工作于不同速率话音的可能性。这样，可能使用多种固定速率或可变速率的话音编吗技术，以利于在今后技术进步进，能灵活地跟上话音编码技术的发展。8较长的保护时隙在TDD系统中，收发转换是用模拟开关实现的，模拟开关的时延及电路(如功率放大器)的起始时间等都要求在收发转换时要有一定的保护时间。另一方面，在同步CDMA系统中，远离基站的终端必须提前发射，以保证电波到达基站时同步。此提前量完全由终端至基站的距离而定。当距离为d时，此提前量应为2d/C，其中C为光速。基我们要求30Km的通信距离，则此发射提前量就为：230103 t = = 200s3108以上两个方面再加上对接收到的信号进行处理所需的时间，就决定了保护时间长度的要求。在SWAP信令物理层中，设计了5个符号，计390微秒的保护时隙。5 软件无线电在软件无线电这个名词出现的几年中，此技术已在无线通信领域内获得广泛应用。本SCDMA系统就是应用软件无线电的典范。不论在无线基站或用户终端，射频收发信机与基带电路的接口都是A/D(对接收)或D/A(对发射)变换器。而全部基带信号处理都是在数字信号处理器（DSP）中用软件来完成。1软件无线电所实现的功能在SCDMA系统中，软件无线电将实现如下功能：（1）智能无线的实现，空间特征矢量包括DOA的获得、每射频通道的权重（Weight）的计算和无线波束赋形；（2）同步的检测、建立和保持；（3）用户终端D-QPSK解调器中的载波恢复、频率校准和跟踪；（4）每码道功率的测得和发射功率控制的实现；（5）接收通道的电平检测和接收增益控制；（6）扩频调制和解调，包括Walsh 和PN码的产生；（7）音编译码；（8）DTMF、MFC及各种信号音的产生和检测；（9）信道编码、复接和分接；（10发射脉冲成形滤波（数字滤波器）；（11）SWAP信令物理层的处理及至链路层的接口；（12）接收到的信令的差错检测；（13）发射通道的数字预失真；（14）基站收发信机的校准，等等。2软件无线电的优势软件无线电在无线通信技术发展中已获得巨大成功，其主要优势在于：（1）加快技术与产品开发速度，大大节约硬件（特别ASIC）的制造周期和费用。（2）灵活性，在相同的硬件平台上，改变软件就可以改变设备的性能，适应不同的要求。（3）便于技术进步和产品升级换代，此时，可以用软件加载而不改变硬件来实现。6 多载波传输 在BTS的DM模块中采用了多载波技术来提高用户接入的数据带宽，每个基站的DM模块可以支持5个或10个载波信号的基带处