TDSCDMA系统结构及专业技术

1、7 / 7TD-SCDMA的系统结构及关键技术1引言1998年，原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信集团）在原邮电部科技司 的领导和支持下，代表我国向国际电信联盟（ITU ）提出了第三代移动通信TD SCDMATime Divisio n Duplex Synchronous Code Divisio n Access） 标准建议。2000年5月，世界无线电行政大会正式批准把 TDSCDM作为第三代移动通信 国际标准之一（M1457 IMT2000RSPEC。这是一百多年来我国第一次向国际组织 完整地提出自己的电信技术标准建议，标志着在移动通信技术方面我国已步入世界 先进行列。TDSCDM具有

2、上下行链路可以不对称、频谱利用率高、发射功率低等优点，非 常适合第三代移动通信将大量应用的非对称数据业务，并可以提供较高的系统容 量。本文基于TD-SCDM的主要技术特点，对其几个关键技术做一下介绍。2 TD SCDM系统结构TD- SCDM系统的设计集FDMA TDMA CDMA口 SDMA技术为一体，并考虑到当 前中国和世界上大多数国家广泛采用 GSh第二代移动通信的客观实际，他能够由 GSM平滑过渡到3G系统。TDSCDM系统的功能模块，如图1所示，主要包括：用户 终端设备（UE、基站（BTS、基站控制器（BSC和核心网。在建网初期，该系 统的IP业务通过GPRS关支持节点（GGSN接入

3、到X 25分组交换机，话音和 ISDN业务仍使用原来GSM勺移动交换机。待基于IP的3G核心网建成后，将过渡 到完全的TDSCDM第三代移动通信系统。LT Q 丄么Bl Th-SCbMA3 TD SCDM关键技术3.1智能天线（1）智能天线的基本概念智能天线采用空分多址技术（SCDM），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，最大限度地利用有限的信道资源。无线基站 中的智能天线由天线阵和基于基带数字信号处理技术组成。（2）智能天线的工作原理图2描述了一个具有智能天线、工作于 TDD方式CDM;基站的示意方框图。和 传统的没有智能天线的基站比较，他在硬件上由一个天线

4、阵和一组收发信机组成了 其射频部分，而在基带信号处理部分的硬件则基本相同。必须说明的是，这一组收 发信机将使用同一个本振源，以保证此组收发信机是相干工作的。图2中，每个射频收发信机都有 ADC和DAC将收到的基带模拟信号转换为数 字信号；将待发射的数字信号转换为模拟基带信号。而所有收发数字信号都通过一 组高速数字滤波器总线和基带数字信号处理器来连接。在图2中，我们先研究来自多个用户终端的信号。此上行信号是多址干扰、衰落、多经传播和多谱勒频移等效应，并存在其他干扰和白噪声。将图中第I个接收机在第n时刻的输出用Si （n）表示。通过解扩和相应的数字信号处理，可 以获得对每个码道的接收数据。如果以表

5、示第j码道的第J个符号的数据，则在基带进行上行波束赋形（合成）后，将获得智能天线的总接收数据为：其中：W为上行波束赋形矩阵，其矩阵元素为 W(/)智能天线的下一步是实现其下行波束赋形，此用户在第j码道的第 个符号可以表示为''。而通过智能天线的下行波束赋形(调整基站中各个发射机所发射信号的幅度和相位)，在第i个天线阵元所发射的信号可表示为：其中w为元索的下行波来賦形矩阵显然，为了获得最佳接收效果，就必须找到一种好的上行波束形成算法， 即求得W矩阵的方法；而为了让此用户获得最好的信号，就必须找到一种好的下行 波束形成算法，即求得U矩阵的方法。必须说明的是，在求此波束形成矩阵时，已

6、 知的仅仅是天线阵列的几何结构和各种接收机所收到的信号。对此，学术界作了大 量工作，有多种算法可以采用，其主要限制是在基带信号处理能力和对系统实时性 的要求。作为一个简化的特例，可以用最大功率合成算法，即令 W=X以获得成 形，在TDD方式的系统中，若组成智能天线系统的各射频收发信机是全向的，由于 其上下行电波传播条件相同，则可以直接将此上行波束赋形矩阵使用于下行，即令 U=WTDSCDM天线使用一个环形天线阵，8个完全相同的天线元素均匀地分布在 一个半径为r的圆上。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处 理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在360&

7、#176;范围内任意赋形，为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点，该 零点处的天线辐射电平比最大辐射方向约低 40 dB。对于环形天线阵的智能天线，当每个天线元的技术参数与性能指标完全相 同，并采用最大功率合成时，该天线的增益表达式为：接收最大增益：Gmax=G叶10lgN (db)发射最大增益：Gmax=G叶10lgN (db)其中：Gax为智能天线的最大可能增益；Gy为天线的元增益； N为天线阵元数目。由此可见，当N =8时，TDSCDM使用的智能天线比无方向性的单阵子天 线增益分别大9 dB (对接收机)和18 dB (对发射机)。每个阵子的增益为 8- dB,则天线的最大

8、接收增益为17-dB，最大发射增益为26dBo由于基站智能天线的 发射增益比接收增益大得多，所以传输非对称的 IP等数据及下载量较大业务信息 非常合适。采用智能天线后，应用波束赋形技术显著提高了基站的接收灵敏度和发射 功率，大大降低系统内部的干扰和相邻小区间的干扰，从而使系统容量扩大1倍以上。同时，还可以使业务高密度市区和郊区所需基站数目减少。天线增益的提高也能降低高频放大器（HPA的线性输出功率，从而将显著降低运营成本3.2接力切换（1）接力切换的基本概念TDSCDM系统的接力切换不同于硬切换和软切换，在切换之前，目标基站已经获 得移动台比较精确的位置信息，因此在切换过程中UE先断开与原基站

9、连接之后，能迅速切换到目标基站。移动台比较精确的位置信息，主要通过对移动台比较精确 的定位技术来获得。在TDSCDM系统中，移动台的精确定位应用了智能天线技术。首先，NodeB利用天线阵估计UE的DOA然后通过信号的往还时延，确定 UE到Node B的距 离，这样，通过UE的方向DOA和BTS与 UE间的距离信息，基站可以确知 UE的位 置信息，如果来自一个基站的信息不够，可以让几个基站同时监测移动台并进行定 位。在硬切换过程中，UE先断开与Node B1 （源基站）的信令和业务连接，再 建立与Node B2（目标基站）的信令和业务连接，即 UE在某一时刻与一个基站保 持联系。而在软切换过程中

10、，UE先建立与Node B2的信令和业务连接之后，在断 开与Node B1的信令和业务连接，即UE在某一时刻与2个基站同时保持联系。接力切换虽然在某种程度上与硬切换类似，同样是在“先断后连”的情 况，但是由于其实现是以精确定位为前提，因而与硬切换相比，UE可以很迅速地切换到目标小区，降低了切换时延，减少了切换引起的掉话率。（2）接力切换过程示意接力切换整个过程如图3所示。佃制的S3 崔力第1步：UE与Node B1在进行正常通信（如图 3（a）；第2步：当UE需要切换并且网络通过对 UE候选小区测量找到了切换目标小区时，网络向UE发送切换命令，UE就与目标小区建立上行同步，然后 UE在与 No

11、de B1保持信令和业务连接的同时，与 Node B2建立信令连接（如图3（b）;第3步：当UE与Node B2信令连接建立之后，UE就删除与Node B1的业 务连接（如图3（c）；第4步：UE尝试与Node B2的业务连接，一旦 UE与 Node B2的业务连接建立 （如图3（d）之后进行第5步；第5步：UE删除与Node B1的信令连接（如图3（ e）,这时UE与NodeB1之间的业务和信令连接全部断开了，而只与 Node B2保持了信令和业务的连 接，切换完成。上面各图以及过程描述都只针对切换成功的情况，而 对于切换失败的情况 几乎与上面过程相似，只是当 UE尝试与Node B2业务连

12、接失败以后，UE就恢复与 Node B1之间的业务连接，之后删除与 Node B2的信令连接，这时UE与Node B2 之间的业务与信令连接全部断开，而仍只与 Node B1保持了信令和业务的连接，切 换完成。3.3综合采用多种多址方式TDSCDM综合使用CDMATDMA FDM;和SDM四种多址方式，充分利用码分、时 分、频分和空分制式技术优势，最大限度地提高系统容量。TDSCDM多址技术原理如图4所示，其三维空间分别为 CDM码道、频率和时间。图4和图5是典型的TDSCDM信道结构，3个载波带宽为1.6 MHz，用TDM/方式将 每个载波分为7个业务时隙（5个下行时隙DL和2个上行时隙UL

13、）和1个DL/UL 隔离时隙，采用CDM敍术将每个时隙扩频，最多可得16码道（即扩频系数为 16），每个码道可传送一个用户信息。TDSCDM的基本信元（RU由时隙（TS）、频率、码道和扩频系数16定 义。RU在时间和CDM码道二维域的映射图如图5所示，可以看出，扩频系数（SF）为2, 4，8，16时，所对应信元RU1 RU2，RU16的模块结构。采用TDM/制式不仅能保证系统时隙间绝对隔离，而且有效支持 TDD双工方 式，为引入智能天线、联合检测、功率控制、接力切换及 DCA等先进技术奠定了基 础，有利于数据包的传输，支持非对称数据流，如 IP等业务。團：ri>-s( riMA FJtn

14、»谢,Tn ChMA Rjevtlfrc3.4动态信道分配为了提高系统容量、减少干扰、更有效地利用有限的信道资源，蜂窝移动通信系 统普遍采用信道分配技术，即根据移动通信的实际情况及约束条件，设法使更多用 户接入的技术。信道分配有固定信道分配（FCA、动态信道分配（DCA和混合信 道分配（HCA 3种。TDSCDM系统采用RNC集中控制的DCA技术，在一定区域内，将几个小区的可 用信道资源集中起来，由RNC统一管理，按小区呼叫阻塞率、候选信道使用频率、 信道再用距离等诸多因素，将信道动态分配给呼叫用户。信道动态分配分为2个阶段：第1阶段是呼叫接入的信道选择，采用慢速 DCA第2阶段是呼

15、叫接入后为保证业务传输质量而进行的信道重选，采用快速 DCA RNC根据各相邻小区占用的时隙，计算或测量时隙的干扰情况，动态地在RNC所管辖的各小区间、工作载波间及上下行链路之间进行时隙分配。4结语TDSCDM的关键技术还有联合检测、同步以及软件无线电等，限于篇幅有限，在 这里就不一一介绍了。第三代移动通信系统是数字化、综合化、智能化、宽带化、 移动化等通信技术的融合体，他的实现将是人类进入自由通信时代的理想境界个人通信的必由之路。我国所提出的 TDSCDM标准充分考虑了世界通信的发展趋势，基 于全球的GSM容量巨大和用户众多之现实，技术实现的出发点则采用继承GSM制式，并在此基础上充分利用 CDMA勺各项优