TD-SCDMA基本原理

1、TD-SCDMA基本原理 课程目标 n学习完本课程，您将能够： l了解TD-SCDMA 物理层结构，掌握扩频原理； l了解TD-SCDMA物理层过程。 课程内容 nTD-SCDMA发展概述发展概述 n物理层结构 n扩频与调制 n物理层过程 AMPS TACS NMT 其它 第一代 80年代 模拟 模 拟 技 术 第二代 90年代 数字 需求驱动需求驱动 GSM CDMA IS95 TDMA IS-136 PDC 数 字 技 术 语 音 业 务 第三代 IMT-2000 WCDMA CDMA 2000 需求驱动需求驱动 宽 带 业 务 TD-SCDMA 移动通信技术发展 第一代无线通信系统 n蜂

2、窝的概念 l每载波带宽: 25kHz n基本物理层技术 l复用方式: FDMA n网络功能 l电路交换 l硬切换 AMPS: American mobile Phone system NMT: Nordic mobile telephone System TACS: Total Access Communication System 890 915 935 960MHz 1对信道 上行 下行 带宽 25kHz/每载波 FDMA 频分多址接入 Power Frequency Time FDMA 第二代移动通信系统GSM n蜂窝的概念 l每载波带宽: 200kHz n基本物理层技术 l复用方式:

3、TDMA + FDMA l每载波8个时隙 n网络功能 l电路交换 l硬切换 n2.5G: GPRS n2.75G : EDGE / EGPRS 一对信道 200kHz 带宽/每载波 时间 频率 上行 下行 890 915 935 960MHz TDMAFDMA 时分频分多址接入 Frequency PowerTime FDMA/TDMA 第三代移动通信 FDD（WCDMA） n蜂窝的概念 l每载波带宽: 5Mhz l相邻小区可以使用相同 频率 n基本物理层技术 l复用方式: CDMA + FDMA l数字调制 (QPSK) n网络功能 l电路、包交换 l硬，软，更软切换 一对信道， 5MHz

4、带宽/每载波 上行 下行 f CDMAFDMA 码分频分多址接入 Frequency CDMA Power Time 码1 码2 码3 码4 SF = 1SF = 2SF = 4 c1,1 = (1) c2,1 = (1,1) c2,2 = (1,-1) c4,1 = (1,1,1,1) c4,2 = (1,1,-1,-1) c4,3 = (1,-1,1,-1) c4,4 = (1,-1,-1,1) C8,1 C8,2 C8,3 C8,4 第三代移动通信 TDD (TD-SCDMA) n蜂窝的概念 l每载波带宽: 1.6MHz l相邻小区可以使用相同频 率 n基本物理层技术 l复用方式: TD

5、MA+CDMA+FDMA SDMA l每时隙有16个码道 l数字调制 (QPSK) n网络功能 l电路，包交换 l硬，接力切换 1,6MHz /每载波 f t 下行 上行 TDMACDMAFDMASDMA 0 上行上行+下行下行 频点 F1 时隙 16 TDMA CDMA FDMA SDMA TDD Dw GP Up 1 2 3 4 5 6 SF = 1SF = 2SF = 4 c1,1 = (1) c2,1 = (1,1) c2,2 = (1,-1) c4,1 = (1,1,1,1) c4,2 = (1,1,-1,-1) c4,3 = (1,-1,1,-1) c4,4 = (1,-1,-1,

6、1) C8,1 C8,2 C8,3 C8,4 码树 3G Core Band 1755 1785 1850 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 2300 2400 DECTTDDFDD-UMBBTDDNULLFDD-D 20206030158560 NULLTDDFDD-USATTDDNULLFDD-D 20206030158560 FDD-DTDDTDDFDD-USATTDDNULLFDD-DTDDFDD-U 202060301585601003030 ITU Euro./Japan China TDD在全球拥有丰富的频谱资源在全球拥有丰富的频谱资

7、源 全球3G频谱分配 课程内容 nTD-SCDMA发展概述 n物理层结构物理层结构 n扩频与调制 n物理层过程 什么是TD-SCDMA Frequency Time Power density (CDMA codes) 1.6 MHz 0 : 15 TS0 2. Carrier (optional) 3. Carrier (optional) TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 DL DL DL DL UL UL UL 5 ms DwPTS UpPTS GP DL Time Division Duplex Synchronous Code Division Multiplex Ac

8、cess 物理信道帧结构 所有的物理信道都采用四层结构：系统帧号、无线帧、子帧和时隙/码 Radio frame 10ms System Frame Number Sub-frame 5ms TS5TS4TS0TS2TS1 GP TS3 TS6 DwPTS UpPTS DataMidambleData 675us(864chips) g L1 144chips TD-SCDMA帧结构 每帧有两个上/下行转换点 TS0为下行时隙 TS1为上行时隙 三个特殊时隙GP, DwPTS, UpPTS 其余时隙可根据根据用户需 要进行灵活UL/DL配置 物理信道帧结构 n3GPP定义的一个TDMA帧长度为

9、10ms。一个10ms的帧分 成两个结构完全相同的子帧，每个子帧的时长为5ms。这是 考虑到了智能天线技术的运用，智能天线每隔5ms进行一次 波束的赋形。 n子帧分成7个常规时隙（TS0 TS6），每个时隙长度为 864chips，占675us）。 nDwPTS（下行导频时隙，长度为96chips，占75us） nGP（保护间隔，长度96chips，75us） nUpPTS（上行导频时隙，长度160chips，125us） n子帧总长度为6400chips，占5ms，得到码片速率为 1.28Mcps。 物理信道帧结构 nTS0总是固定地用作下行时隙。用来发送系统广播信息等公 共信息。 nTS1

10、总是固定地用作上行时隙。 n其它的常规时隙可以根据需要灵活地配置成上行或下行以实 现不对称业务的传输，上下行的转换由一个转换点分开,目 前可以根据需要将时隙配置成3：3； n2：4；1：5. Data 352chips Midamble 144chips GP 16 Data 352chips 675 s 常规时隙 n由由864 Chips组成，时长组成，时长675us； n业务和信令数据由两块组成，每个数据块分别由业务和信令数据由两块组成，每个数据块分别由352 Chips组成；组成； n训练序列训练序列(Midamble)由由144 Chips组成；组成； n16 Chips为保护；为保护

11、； n可以进行波束赋形；可以进行波束赋形； 常规时隙 nMidamble码 l整个系统有128个长度为128chips的基本midamble码，分成32 个码组，每组4个。 l一个小区采用哪组基本midamble码由基站决定，当建立起下 行同步之后，移动台就知道所使用的midamble码组。Node B 决定本小区将采用这4个基本midamble中的哪一个。 l同一时隙的不同用户将使用不同的训练序列位移。 l训练序列的作用： 上下行信道估计； 功率测量； 上行同步 保持。 l传输时Midamble码不进行基带处理和扩频，直接与经基带处 理和扩频的数据一起发送，在信道解码时它被用作进行信道估 计

12、。 数 据数 据 T F C I M id a m b le S ST P C T F C I 数 据数 据 T F C I M id a m b le S ST P C T F C I 子 帧 # 2 n 子 帧 # 2 n + 1 第1 部 分 第4 部 分第3 部 分 第2 部 分 常规时隙物理层信令TPC/SS/TFCI nTFCI（Transport Format Combination Indicator）用于指示 传输的格式，对每一个CCTrCH，高层信令将指示所使用的 TFCI格式。对于每一个所分配的时隙是否承载TFCI信息也 由高层分别告知。如果一个时隙包含TFCI信息，它总

13、是按 高层分配信息的顺序采用该时隙的第一个信道码进行扩频。 TFCI是在各自相应物理信道的数据部分发送，这就是说 TFCI和数据比特具有相同的扩频过程。对于每个用户， TFCI信息将在每10ms无线帧里发送一次。 数 据数 据 T F C I M idam ble S ST P C T F C I 数 据数 据 T F C I M idam ble S ST P C T F C I 子 帧 #2n 子 帧 #2n+ 1 第 1 部 分 第 4 部 分第 3 部 分 第 2 部 分 常规时隙物理层信令TPC/SS/TFCI nTPC（Transmit Power Control）用于功率控制，该

14、控制信号每个子帧 （5ms）发射一次。这也意味着TD的功控频率是每秒200次。每次调整 步长为1，2，3dB. nSS（Synchronization Shift）是TD-SCDMA系统中所特有的，用于实现 上行同步，他也是每隔一个子帧进行一次调整。 GP (32chips)SYNC-DL(64chips) 75 s 下行导频时隙DwPTS n用于下行同步和小区搜索；用于下行同步和小区搜索； n该时隙由该时隙由96 Chips组成组成: 32用于保护；用于保护；64用于导频序列；时用于导频序列；时 长长75us n32个不同的个不同的SYNC-DL码，用于区分不同的基站；码，用于区分不同的基站

15、； n为全向或扇区传输，不进行波束赋形。为全向或扇区传输，不进行波束赋形。 GP (32chips)SYNC-UL(128chips) 125 s 上行导频时隙UpPTS n用于建立上行初始同步和随机接入，以及越区切换时邻近小区测量用于建立上行初始同步和随机接入，以及越区切换时邻近小区测量 n160 Chips: 其中其中128用于用于SYNC-UL，32用于保护用于保护 nSYNC-UL有有256种不同的码，可分为种不同的码，可分为32个码组，以对应个码组，以对应32个个SYNC-DL码，码， 每组有每组有8个不同的个不同的SYNC-UL码，即每一个基站对应于码，即每一个基站对应于8个确定的

16、个确定的SYNC- UL码码 GP保护时隙 n96 Chips保护时隙，时长75us； n用于下行到上行转换的保护； n在小区搜索时，确保DwPTS可靠接收，防止干扰UL工作； n在随机接入时，确保UpPTS可以提前发射，防止干扰DL工作； n确定基本的基站覆盖半径。 本章小结 n本章主要对TD-SCDMA物理层进行了介绍，包括： lTD-SCDMA 帧结构特点 lTD-SCDMA特殊时隙和常规时隙的构成 课程内容 nTD-SCDMA发展概述 n物理层结构 n扩频与调制扩频与调制 n物理层过程 概述 n数据调制 l比特流的数据到符号数据的形成过程 n扩频调制 l符号数据到高速码片数据的形成过程

17、 调制和扩频的基本参数 码速率 1.28Mcps 载波间隔 1.6MHz 数据调制方式 QPSK 8PSK(可选项) 脉冲成型 根升余弦 滚降系数 = 0.22 扩频特性 正交 Q码片/符号, 其中 Q = 2p, 0 = p = 4 连续二进制比特连续二进制比特复数符号复数符号 00+j 01+1 10-1 11-j QPSK 数据调制 将连续的两个比特映射为信号空间的一个点将连续的两个比特映射为信号空间的一个点 扩频通信的定义 n扩频通信技术:在发端采用扩频码调制，使信号所占 的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在收端采 用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信 息数据。 nCDMA采

18、用的是直接序列扩频，即将需要传送的信 号与速率远大于信息速率的伪随机序列编码（扩频 码）直接混合，这样调制信号的频谱宽度远大于原 来信息的频谱宽度。 C：信道容量，单位b/s B：信号频带宽度，单位Hz S：信号平均功率，单位W N：噪声平均功率，单位W 扩频通信的理论基础 n扩频通信就是将信号的频谱展宽后进行传输的技术。 n其理论基础为Shannon定理： nC=B*log2(1+S/N) n结论：在信道容量C不变的情况下，信号频带宽度B与信噪 比S/N完全可以互相交换，即可以通过增大传输系统的带宽 以在较低信噪比的条件下获得比较满意的传输质量. f S（f） f0 扩频前的信号频谱 信号

19、S（f） f f0 扩频后的信号频谱 信号 S（f） f f0 解扩频后的信号频谱 信号 干扰噪声 f S（f） f0 解扩频前的信号频谱 信号 干扰噪声 信号 窄带干扰宽带干扰 扩频通信示意图 高速扩频序列高速扩频序列 低速信号低速信号 TX 解调信号解调信号 RX 高速高速扩频序列扩频序列 扩频信号扩频信号 扩频码速率：扩频码速率：1.28Mc/s1.28Mc/s； 扩频码：扩频码：OVSFOVSF码。码。 直接序列扩频通信 直接序列扩频示意 用户数据 -1+1-1-1+1-1 扩频码 +1-1-1+1-1+1+1-1 扩频信号 用户数据扩频码 解扩数据 用户数据扩频码 1 1 1 1 1

20、 1 1 1 1 1 解扩 扩频 码序列的正交码序列的正交 累加为累加为0表示正交表示正交 码序列的正交性 Walsh函数是一种非正弦波的完备正交函数系统，可用哈达玛 矩阵H通过递推关系构成。由于它仅有可能的取值是1和1（或 0和1），比较适合于用来表达和处理数字信号。 Walsh函数具有理想的互相关特性。在Walsh函数中，两两之间 的互相关函数为“0”，亦即它们之间是正交的。 TD-SCDMA系统扩频码（信道化码） nTD-SCDMA扩频码是由Walsh函数生成，叫做 OVSF码（正交可变扩频因子码），OVSF码互相 关为零，相互完全正交。 SF = 1 SF = 2 SF = 4 C c

21、h,1,0 = (1) C ch,2,0 = (1,1) C ch,2,1 = (1,-1) Cch,4,0 =(1,1,1,1) C ch,4,1 = (1,-1,1,-1) C ch,4,2 = (1, 1,-1,-1) C ch,4,3 = (1,-1,-1, 1) OVSF：Orthogonal variable spreading factor 同一时隙上的不同扩频因子的扩频码保持正交同一时隙上的不同扩频因子的扩频码保持正交 OVSF-正交可变扩频因子 TD-SCDMA扩频过程 n符号速率 SF = 1.28Mcps。 nTD-SCDMA中： l上行信道码的SF为：1、2、4、8、1

22、6； l下行信道码的SF为：1、16。 数据比特数据比特扩频后码片扩频后码片 OVSF码码扰码扰码 扩频通信的特点 n抗干扰能力强 n保密性高 n低发射功率 n易于实现大容量多址通信 n占用频带宽 扩频调制-扰码 n一个数据符号经过长为Qk的扩频码扩频后，还要经 过一个扰码=(1, 2, QMAX)进行加扰。 n加扰前可以通过级联QMAX/Qk个扩频数据而实现 长度匹配。 n可用的扰码共128个扰码，分成32组，每组4个，扰 码码组由基站使用的SYNC_DL序列确定。 n加扰的目的是为了区分小区。 TD-SCDMA系统码组 n小区码组配置是指小区特有的码组，不同的邻近的 小区将配置不同的码组。

23、小区码组配置有： l（1） 下行同步码SYNC_DL l（2） 上行同步码SYNC_UL l（3） 基本Midamble码，共128个 l（4） 小区扰码（Scrambling Code），共128个 ； nTD-SCDMA系统中，有32个SYNC_DL码，256个 SYNC_UL码，128个Midamble码和128个扰码，所 有这些码被分成32个码组，每个码组包含1个 SYNC_DL码，8个SYNC_UL码，4个Midamble码 和4个扰码。 Code Group Associated Codes SYNC-DL ID SYNC-UL ID Scrambling Code IDMidam

24、ble Code ID Group 1 007 (000111) 0 (00)0 (00) 1 (01)1 (01) 2 (10)2 (10) 3 (11)3 (11) . Group 32 31248255 (000111) 124 (00)124 (00) 125 (01)125 (01) 126 (10)126 (10) 127 (11)127 (11) TD-SCDMA系统码组 本章小结 n本章主要对扩频与调制作了介绍，包括： l调制特点 l扩频原理 lTD-SCDMA 码资源分类与作用 课程内容 nTD-SCDMA发展概述 n物理层结构 n扩频与调制 n物理层过程物理层过程 搜索搜索

25、DwPTS 实现复帧同步实现复帧同步 读广播信道读广播信道BCH 扰码和基本训练扰码和基本训练 序列码识别序列码识别 在初始小区搜索中，UE搜索到一个 小区，建立DwPTS同步，获得扰码 和基本midamble码，控制复帧同步， 然后读取BCH信息 小区搜索过程 小区搜索过程 n第一步：搜索DwPTS lUE利用DwPTS中SYNC_DL得到与某一小区的DwPTS同 步，这一步通常是通过一个或多个匹配滤波器(或类似的 装置)与接收到的从PN序列中选出来的SYNC_DL进行匹 配实现。为实现这一步，可使用一个或多个匹配滤波器 （或类似装置）。在这一步中，UE必须要识别出在该小 区可能要使用的32

26、个SYNC_DL中的哪一个SYNC_DL被 使用 小区搜索过程 n第二步: 识别扰码和基本midamble码 lUE接收到P-CCPCH上的midamble码，DwPTS紧随在P- CCPCH之后。在现在的TD-SCDMA系统中，每个DwPTS对 应一组4个不同的基本midamble码，因此共有128个midamble 码且互不重叠。基本midamble码的序号除以4就是SYNC_DL 码的序号。因此说32个SYNC_ DL和P-CCPCH 32个 midamble码组一一对应（也就是说，一旦SYNC_DL确定之后， UE也就知道了该小区采用了哪4个midamble码），这时UE可 以采用试探

27、法和错误排除法确定P-CCPCH到底采用了哪个 midamble码。在一帧中使用相同的基本midamble码。由于每 个基本midamble码与扰码是相对应的，知道了midamble码也 就知道了扰码。根据确认的结果， UE可以进行下一步或返回 到第一步。 小区搜索过程 n第三步：控制复帧同步 lUE搜索在P-CCPCH里的BCH的复帧MIB（Master Indication Block），它由经过QPSK 调制的DwPTS的相 位序列（相对于在P-CCPCH上的midamble码）来标识。 控制复帧由调制在DwPTS上的QPSK符号序列来定位。 n个连续的DwPTS足以可以检测出目前MIB

28、在控制复帧 中的位置。根据为了确定正确的midamble码所进行的控 制复帧同步的结果，UE可决定是否执行下一步或回到第 二步。 n第四步：读BCH信息 lUE读取被搜索到小区的一个或多个BCH上的（全）广播 信息，根据读取的结果，UE可决定是回到以上的几步还 是完成初始小区搜索。 同步技术 nTD-SCDMA系统中的同步技术 n主要由两部分组成 l基站间的同步（Synchronization of Node Bs） l基站与移动台间上行同步（Uplink Synchronization） 同步技术基站间同步 nTD-SCDMA系统的TDD模式 要求基站之间必须同步 n 同步目的：避免相邻基站

29、的 收发时隙交叉，减小干扰 n 基站间同步: 系统内各基站的 运行采用相同的帧同步定时 n 同步精度要求：几微秒 n 同步方法： lGPS： l网络主从同步 l空中主从同步 BS0 BS1 BS2 BS0 BS1 BS2 BTS Tx Rx G 同步技术上行同步 n定义：上行链路各终端信号在基站解调器基本同步。 n目的： lCDMA码道正交； l降低码道间干扰； l提高CDMA容量； l简化硬件、降低成本。 n上行同步过程主要用于随机接入过程和切换过程前，用于建立UE和基站 之间的初始同步，也可以用于当系统失去上行同步时的再同步，同步的 精度一般要求在1/81chip 上行同步实现 n同步的准备：建立下行同步 n同步的建立： lUE通过对接收到的DwPTS和或P- CCPCH的 功率估计