TD-SCDMA基本原理和关键技术.ppt

1、TD-SCDMA基本原理和关键技术滁州分公司 何金海,目录,TD-SCDMA基本原理 TD-SCDMA关键技术,目录,TD-SCDMA基本原理 TD-SCDMA概念解释 网络结构 工作频段 关键指标 TD-SCDMA关键技术,TD-SCDMA概念解释,TD-SCDMA (Time Division - Synchronization Code Division Multiple Access, 时分-同步码分多址),TD (“TDD”, Time Division Duplex, 时分双工),S (Synchronization, 同步),CDMA (Code Division Multipl

2、e Access, 码分多址),TD-SCDMA概念解释,时分双工（TDD）：以不同时隙区分上行和下行 优点 在上下行业务不对称时可以给上下行灵活分配不同数量的时隙，频谱效率高 上行和下行使用相同频率载频，便于引入智能天线、联合检测等新技术 缺点 实现较复杂，需要GPS同步 和CDMA技术一起使用时，上下行之间的干扰控制难度较大,目录,TD-SCDMA基本原理 TD-SCDMA概念解释 网络结构 工作频段 关键指标 TD-SCDMA关键技术,TD-SCDMA网络结构,TD-SCDMA网络主要包括核心网和无线接入网两部分,TD-SCDMA网络结构,TD-SCDMA 网络结构,目录,TD-SCDM

3、A基本原理 TD-SCDMA概念解释 网络结构 工作频段 关键指标 TD-SCDMA关键技术,TD-SCDMA工作频段,TDD TDD TDD 1880 1920 2010 2025 2300 2400,TD-SCDMA工作频段,单频点带宽1.6MHz,A频段 B频段 C频段,TD-SCDMA工作频段,TD-SCDMA频率资源划分,TS5,TS4,TS0,TS2,TS1,TS3,TS6,1个固定下行时隙 6个灵活配置时隙,2010 TDD 2025,9个载波(频点),15MHz带宽,频分 时分 码分,16个码道,目录,TD-SCDMA基本原理 TD-SCDMA概念解释 网络结构 工作频段 关键

4、指标 TD-SCDMA关键技术,TD-SCDMA关键指标,TD-SCDMA与其他两个标准主要技术指标对比,TD-SCDMA关键指标,在10M频带下(等效TD-SCDMA 6载频)，WCDMA的工程优化值为60个用户左右；TD-SCDMA验证已达108个，还有进一步提升的余地,业务容量指标对比,目录,TD-SCDMA基本原理 TD-SCDMA关键技术 CDMA扩频通信技术 TDD时分双工技术 智能天线技术 上行同步技术 接力切换技术 联合检测技术,CDMA扩频通信,多址技术：区分不同用户,频分多址 时分多址 码分多址,CDMA扩频通信,信 源,信源 编码,信道 编码,加扰,噪声,数字 调制,扩频

5、,脉冲 成型 滤波,D/A 转换,信 宿,信源 解码,信道 解码,解扰,数字 解调,解扩,脉冲 成型 滤波,A/D 转换,空中信道,Chip 码片,Bit 比特,Symbol 符号,系统结构,CDMA扩频通信,+1 -1 +1 -1,+1 -1 +1 -1,码(序列)的相关性,+1 +1 +1 +1,-1 +1 -1 +1,相关(相关性100%),不相关(相关性0 ),编码1,编码1,编码2,编码3,编码4,CDMA扩频通信,CDMA实现原理：扩频,UE1 +1 -1 UE2 -1 +1 c1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 c2 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1

6、 UE1c1 +1 -1 +1 -1 -1 +1 -1 +1 UE2c2 -1 -1 -1 -1 +1 +1 +1 +1 UE1c1+ UE2c2 0 -2 0 -2 0 +2 0 +2,CDMA扩频通信,CDMA实现原理：解扩,UE1c1+ UE2c2 0 -2 0 -2 0 +2 0 +2 UE1使用c1解扩: c1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 +1 -1 解扩结果 0 +2 0 +2 0 -2 0 -2 求和硬判决 +4(表示+1) -4(表示-1) UE2使用c2解扩:c2 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 解扩结果 0 -2 0 -2 0 +2 0 +2 求和硬

7、判决 -4(表示-1) +4(表示+1),CDMA扩频通信,CDMA实现原理：数学解释,空中发送数据: UE1c1+ UE2c2 用户1接收数据解扩: (UE1c1+ UE2c2)c1=UE1c1c1 UE2c2c1 由于c1c1=1(相关)，c2c1=0 (不相关) 因此上式=UE1,CDMA扩频通信,1:Bit 经过信源编码的含有信息的数据称为“比特” 2:Symbol 经过信道编码、交织后和数字调制后的复值数据称为“符号” 3:Chip 用于和符号相乘的一比特码信号称为“码片” 4:Spreading Factor 每个数据符号内的码片数称为“扩频因子”,常用术语,TD-SCDMA系统中

8、的扩频码和扰码,在TD-SCDMA系统中使用Walsh 码做为扩频码，在系统同步时，码之间完全正交，正交的目的是减少用户之间的干扰。,在TD-SCDMA系统中，定义了SF1，2，4，8，16 共 五种。其中： 上行用到 SF1，2，4，8，16 五种； 下行用到SF1和16两种。,TD-SCDMA系统中的扩频码和扰码,在TD-SCDMA系统中，扩频码的作用是用来区分同一时隙中的不同用户,TD-SCDMA系统中的扩频码和扰码,在TD-SCDMA中，扰码长度固定为16bit，共有128个扰码序列。采用扰码来标识小区属性。,CDMA扩频通信特点,抗干扰能力强，频率复用度高，频谱利用率大大提高 保密性

9、强：扩频后信号近似白噪声 占用带宽较大：对功放要求高(耗电较高) 自干扰系统：系统内用户相互干扰(干扰受限系统)，需借助数字信号处理技术实现,目录,TD-SCDMA基本原理 TD-SCDMA关键技术 CDMA扩频通信 TDD时分双工技术 智能天线技术 上行同步 接力切换技术 联合检测技术,频分双工（FDD）： 上行频段和下行频段分开,TDD时分双工技术,时分双工（TDD）： 上行频段和下行频段一样,优点 无需成对的频率 无需双工器，简单的射频前端 有利于非对称业务传输 便于实现智能天线,缺点 峰均比高 传输距离受到时隙限制 终端移动速度受限,TD-SCDMA帧结构 每帧有两个上/下行转换点 三

10、个特殊时隙 DwPTS，GP，UpPTS 七个常规时隙 TS0永为下行时隙 TS1永为上行时隙 TS2-TS6可根据根据用户需要进行灵活UL/DL配置,System Frame Number,5ms,TS5,TS4,TS0,TS2,TS1,GP,TS3,TS6,DwPTS,UpPTS,Data,Midamble,Data,675us,GP,L1,144chips,TD-SCDMA系统独特的帧结构,Sub-frame,Radio frame 10ms,Time slot,TD-SCDMA常规时隙配置,2 上 4 下 适合CS+PS 业务,1上5下 适合PS业务， 提供少量CS业务,TS0永为下行

11、时隙，用作公共控制信道传输； TS1永为上行时隙；第一个时隙转换点在TS0和TS1之间； TS1到TS6之间有5个点，均可以作为第二个时隙转换点； 实际应用中，由于下行数据量大于上行，因此采用3:3，2:4，1:5；,D,D,特殊时隙DwPTS下行导频时隙,用于下行同步和小区初搜； 32个不同的SYNC-DL码，小区搜索时用于区分不同的基站； 32个不同的SYNC-DL码，严格定义了不同的码组； 为全向或整个扇区发射，不进行波束赋形；,下行导频时隙由96 Chips组成: 32用于保护；64用于导频序列；时长75us,特殊时隙UpPTS上行导频时隙,用于建立上行初始同步和随机接入； 256种不

12、同的SYNC-UL码，分为32个码组,每组8个； 32个码组对应32个SYNC-DL码,即每一基站对应8个确定的SYNC-UL码；,上行导频时隙由160 Chips: 其中128用于SYNC-UL，32用于保护；,特殊时隙 GP保护时隙,GP时隙由96 Chips组成，时长75us，用于上下时隙转换点的隔离保护,GP (96chips),75 s,在小区搜索时，确保DwPTS可靠接收，防止干扰UL工作； 在随机接入时，确保UpPTS可以提前发射，防止干扰DL工作； 确定基本的基站覆盖半径： Dmax = tc（光速）= 96/2/(1.28106）c = 11.25km,常规时隙普通时隙结构,

13、业务和信令数据由两块组成，每个数据块分别由352 Chips组成； 训练序列(Midamble)由144 Chips组成； 16 Chips为保护； 可以进行波束赋形；,每个常规时隙由864 Chips组成，时长675us；,普通时隙数据区,数据区对称的分布于Midamble 码的两端，每个区域长度为352码片，所能承载的数据符号（Symbol）数取决于所用的扩频因子。每一数据区所容纳的数据符号数S与扩频因子SF的关系为：SSF352。,帧结构训练序列 (Midamble),128个基本训练序列分成32组，以对应32个SYNC-DL码； 每组为4个不同的基本训练序列，基本训练序列和扰码一一对应

14、; 训练序列的作用： 上下行信道估计； 功率测量； 上行同步保持。,长144Chips：由长度为128的基本训练序列生成，基本训练序列共128个,一个信道就是载频/时隙/扩频码的组合，也叫一个资源单位(Resource Unit) 。 一个16位扩频码划分的信道是最基本的资源单位，即BRU。 下行信道固定SF = 1，16；上行依据业务不同，SF可取1，2，4，8，16,TD-SCDMA系统中的资源单元,基本资源单元BRURUSF16,RU速率计算,如果扩频因子为SF=16，采用QPSK调制方式，则每码道承载的毛速率（即BRU毛速率）为17.6kbit/s。计算公式如下：,附-数字调制,QPS

15、K数字调制就是把2个连续的二进制比特映射成一个复数值的数据符号，映射关系见下图：,不同RU速率,考虑到实际中存在冗余，BRU纯速率=17.6/2=8.8kbit/s,不同承载类型的无线资源分配,不同承载类型的无线资源分配-物理信道配置,不同承载类型的无线资源分配-AMR12.2k,对于AMR12.2k语音用户，上行占一个扩频因子等于8的码道，下行占两个扩频因子等于16 的码道。,不同承载类型的无线资源分配- PS或CS64K数据业务,对于64k数据业务的用户，上行占一个扩频因子等于2的码道，下行占八个扩频因子等于16 的码道。,目录,TD-SCDMA基本原理 TD-SCDMA关键技术 CDMA

16、扩频通信 TDD时分双工技术 智能天线技术 上行同步 接力切换技术 联合检测技术,智能天线是一个天线阵列：它由多个天线单元组成，不同天线单元对信号施以不同的权值，然后相加，产生一个输出信号。 原理：使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图。,智能天线技术_基本原理,智能天线技术_基本原理,在没有智能天线时，系统会遇到什么问题呢？,全向天线所发射的无线信号功率分布于整个小区，各用 户间存在较大干扰。 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,智能天线技术_基本原理,有智能天线时，系统又是什么情况呢？,发射功率指向

17、特定的激活用户，并随着用户的移动而动态的调整发射方向，用户间干扰得到有效抑制。 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。,智能天线系统的组成,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。天线的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360（圆阵）或120（线阵）的范围内任意赋形。,智能天线阵列,TD-SCDMA智能天线的波束赋形算法（1）,GOB算法（Grid of Beam，固定波束赋形 ） 将波束空间均匀地划分成L个区域，每个区域的到达角预先定义为 然后根据理想GOB赋形算法预先给定每个波束

18、区域的权值，再计算每个区域的接收信号功率 根据最大信号功率准则，我们找出 所对应的权值,TD-SCDMA智能天线的波束赋形算法（2）,EBB算法 最大功率特征分解赋形(Eigenvalue Beamforming based on Maximum Power)算法的计算准则如下： 通过对空间相关矩阵 进行特征分解，找到最大特征值所对应的特征向量，即为所求的权值 。 EBB算法的方向图没有固定的方向，随着信号及干扰而变化。,TD-SCDMA智能天线的波束赋形算法（3）,GOB算法和EBB算法的对比 GOB方法在存在有直视路径时可以有很好的到达方向角估计，从而产生性能好的赋形系数，适合郊区环境。在

19、城区环境中，由于很多情况下基本不存在直视路径，因此GOB方式就不能完全保证赋形准确度。 EBB估计方法由于有效的利用了信道环境中的多径信息，从而能够有效地避免因为信道衰落引起的性能的下降，可以保证较高的赋形精度，因此更适合城区环境。 相对于GOB算法而言，EBB算法由于该算法需要计算矩阵的特征值并求其对应的特征向量，因此计算量较大。 目前各厂家均支持两种算法。,TD-SCDMA系统更适合采用智能天线,TDD的工作模式，便于权值的应用，上行波束赋形矩阵可直接使用于下行； 子帧时间较短（5ms），便于智能天线支持高速移动； 单时隙用户有限（目前最多8个），便于实时自适应权值的生成。,两种赋形波束

20、针对小区覆盖的广播波束 针对用户终端的业务波束 BCH/DwPTS使用广播波束，覆盖整个小区，在帧结构中使用专门时隙 业务码道使用赋形波束，只覆盖个别用户,TD-SCDMA智能天线在不同时隙的应用,目录,TD-SCDMA基本原理 TD-SCDMA关键技术 CDMA扩频通信 TDD时分双工技术 智能天线技术 上行同步 接力切换技术 联合检测技术,上行同步的概念,上行同步是TD-SCDMA系统必选的关键技术之一，在CDMA移动通信系统中，下行链路总是同步的，所以一般说同步都是指上行同步。 所谓上行同步是指在同一小区中，同一时隙的不同位置的用户发送的上行信号同时到达基站接收天线，即同一时隙不同用户的

21、信号到达基站接收天线时保持同步。,上行同步分类,开环同步：用于上行同步建立(UE初始接入/Handover /位置更新.) 闭环同步：用与上行同步保持(通话过程中),上行同步的意义,保证CDMA码道正交 降低码道间干扰 消除时隙间干扰 提高CDMA容量 简化硬件、降低成本,目录,TD-SCDMA基本原理 TD-SCDMA关键技术 CDMA扩频通信 TDD时分双工技术 智能天线技术 上行同步 接力切换技术 联合检测技术,接力切换概念,接力切换(Baton Handover) 是TD-SCDMA移动通信系统的核心技术之一； 设计思想：利用智能天线获取UE的位置距离信息，同时使用上行预同步技术； 接力切换使用上行预同步技术，在切换过程中，UE从源小区接收下行数据，向目标小区发送上行数据，即上下行通信链路先后转移到目标小区。,UE收到切换命令前的场景： 上下行均与源小区连接,UE收到切换命令后执行接力切换的场景：利用开环预计同步和功率控制，首先只将上行链