【資料名稱】：TD-SCDMA移動通信技術(shù)原理

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TD-SCDMA移動通信技術(shù)原理
TD-SCDMA移動通信標(biāo)準(zhǔn)是信息產(chǎn)業(yè)部電信科學(xué)技術(shù)研究院（現(xiàn)大唐電信集團）在國家主管部門的支持下，根據(jù)多年的研究而提出的具有一定特色的第三代移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。這是近百年來我國通信史上第一個具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的國際通信標(biāo)準(zhǔn)，它的出現(xiàn)在我國通信發(fā)展史上具有里程碑的意義，并將產(chǎn)生深遠的影響，是整個中國通信業(yè)的重大突破。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)公開之后，在國際上引起了強烈的反響，得到西門子等許多著名公司的重視和支持。1999年月11月在芬蘭赫爾辛基召開的ITU會議上，TD-SCDMA被列入ITU建議ITU-RM.1457，成為ITU認(rèn)可的第三代移動通信無線傳輸主流技術(shù)之一。 一、TD-SCDMA技術(shù)概述
　　TD-SCDMA系統(tǒng)全面滿足IMT-2000的基本要求。它采用不需配對頻率的TDD雙工模式，以及FDMA/TDMA/CDMA相結(jié)合的多址接入方式，同時使用1.28Mc/s的低碼片率，擴頻帶寬為1.6MHz（表1）。
表1　TD-SCDMA主要參數(shù)
載波帶寬1.6MHz
最小頻譜1.6MHz
雙工型式TDD
多址方式TDMA，CDMA，F(xiàn)DMA
碼塊速率1.28Mc/s
調(diào)制QPSK
8-PSK
最大蜂窩范圍40km
最大音頻容量(Erl.)EFR：55
數(shù)據(jù)流量6Mb/s
理論最大數(shù)據(jù)率／用戶325kb/s/MHz/cell
系統(tǒng)對稱性(DL:UP)1:6-6:1
　　3G移動系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一是既要控制諸如談話和視頻等對稱線路交換業(yè)務(wù)，又要控制移動因特網(wǎng)接入的非對稱分組交換業(yè)務(wù)。面對這一挑戰(zhàn)，TD-SCDMA集成了兩項先進技術(shù)：一種是先進的TDMA/TDD系統(tǒng)，另一種是自適應(yīng)CDMA組成的對稱模式的運作。
　　TD-SCDMA技術(shù)所基于的基本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：
　�。�1）TDD（時分雙工），允許上行和下行在同一頻段上，而不需要成對的頻段。在TDD中，上行和下行在同一頻率信道中的不同時間里傳輸。這可能改變雙工交換點和從上行移動容量至下行，反之亦然，這樣就優(yōu)化了頻譜的使用。它允許對稱和非對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
　�。�2）TDMA（時分多址），是一種數(shù)字技術(shù)，它將每個頻率信道分割為許多時隙，從而允許傳輸信道在同一時間由數(shù)個用戶使用。
　　（3）CDMA（碼分多址），在每個蜂窩區(qū)使多個用戶同時接入同一無線信道成為可能，提高了通信息的密度。但每個用戶會干擾其他人，從而導(dǎo)致多接入干擾（MAI）。
　�。�4）聯(lián)合檢測（JD），允許接收機為所有信號同時估計無線信道和工作。通過單個通信流量的并行處理，JD消除了多接入干擾（MAI），降低了蜂窩區(qū)內(nèi)干擾，因此提高了傳輸容量。
　�。�5）動態(tài)信道分配（DCA），先進的TD-SCDMA空中接口充分利用了所有可提供的多址技術(shù)，充分地使用了這些技術(shù)。TD-SCDMA依據(jù)干擾方案提供了無線資源的自適應(yīng)分配，降低了蜂窩區(qū)之間的干擾。
　�。�6）終端互同步，通過精確的對每個終端傳輸時隙的調(diào)諧，TD-SCDMA改善了手機的跟蹤，降低了定位的計算時間，以及交付尋找的尋找時間。由于同步，TD-SCDMA不需要軟交付，這樣可更有利于蜂窩覆蓋區(qū)降低蜂窩間的干擾，并降低設(shè)施和運行成本。
　�。�7）智能天線，是在蜂窩區(qū)域通過蜂窩和分配功率跟蹤移動用戶的使用的波形控制天線。沒有智能天線，功率將分配至所有的蜂窩區(qū)域內(nèi)。智能天線降低了多用戶干擾，通過降低蜂窩間的干擾而提高了系統(tǒng)容量，提高了接收的靈敏度，并在增加蜂窩范圍的同時降低了傳輸功率。
二、無線信道接入
1.TDMA/TDD
　　結(jié)合了TDD（時分雙工）的TDMA（時分多址）極大地改善了網(wǎng)絡(luò)的性能，在上行和下行方向，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源處理網(wǎng)絡(luò)通信流量。TDMA使用了5ms的幀分成7個時隙，能夠靈活地安排幾個或一個要求多個時隙的用戶。TDD允許流量上行的規(guī)格（從手機到基站），并使用同一幀的時隙下行（從基站到手機）。
　　對使用持續(xù)音頻電話和視頻電話（多媒體應(yīng)用）的對稱業(yè)務(wù)來說，雙向傳輸?shù)臄?shù)量是相同的，上行或下行的時隙被平等地分開。對于使用因特網(wǎng)訪問（下載）的非對稱業(yè)務(wù)來說，從基站到終端的傳輸數(shù)據(jù)容量高。相對于上行，下行使用了更多的時隙（見圖1）。

圖1　TDMA/TDD
　　2.不成對頻段與成對頻段
　　在單一不成對的頻段里數(shù)據(jù)加載的自適應(yīng)上行／下行對稱性的這一能力，優(yōu)化了空中接口的容量，因此能更有效地使用頻譜。相反，F(xiàn)DD（頻分雙工）方案——使用于傳統(tǒng)的CDMA3G標(biāo)準(zhǔn)，使用一對頻段分別上行或下行。作為對稱加載，部分頻譜被占用但沒用于數(shù)據(jù)傳輸，這些閑置的資源也不能為其他業(yè)務(wù)使用，導(dǎo)致了頻譜的非有效利用。未來的移動應(yīng)用將要求所提供頻譜的有效利用，以及具有控制極端非對稱數(shù)據(jù)流量的能力。TD-SCDMA十分適合這些要求，被視為3G業(yè)務(wù)理想技術(shù)（見圖2）。

圖2　不成對頻段與成對頻段
　　3.集成TDMA/TDD和CDMA的操作
　　除了TDMA/TDD規(guī)格，TD-SCDMA使用CDMA（碼分多址）來進一步增加無線界面的容量。根據(jù)CDMA，用戶的信息碼通過由CDMA的擴展碼產(chǎn)生的隨機碼（來自芯片）來增加用戶數(shù)據(jù)的方式鋪在更寬廣的帶寬上。在每個時隙中，可傳輸最高達16個數(shù)字的CDMA碼（CDMA的最大加載代理）。使用1.28Mc/s的芯片率，允許1.6MHz的帶寬。根據(jù)其操作許可證，網(wǎng)絡(luò)運營商配置多TD-SCDMA1.6MHz的載波帶寬。每個無線電資源設(shè)備因此被特殊的時隙和特殊載波頻率上的特別碼所確認(rèn)。為了達到高符碼率，TDMA/TDD支持變量擴展代理和多碼連接（見圖3）。

圖3　集成TDMA/TDD和CDMA的操作
三、聯(lián)合檢測
　　1.CDMA發(fā)射的問題和限制
　　移動無線電傳播受多反射、衍射和信號能量衰減的影響，起因包括諸如樓房、山等普通障礙物，以及終端的移動性。其結(jié)果被稱為多徑傳播，產(chǎn)生兩種不同的衰落：慢衰落和快衰落。快衰落發(fā)生在不同延遲路徑幾乎在同一瞬間到達的時候，甚至接收機移動了短距離，也會發(fā)生信號的終止。慢衰落主要產(chǎn)生于漸變過程，信號能量通過明確的可識別時間瞬間到達接收機。
　　此外，這些信號的衰減相對于每一種移動通信都很普遍。CDMA傳輸因其“自干擾”特性而受限。每個CDMA信號與所有其他信號在相同無線載波上是超載的，而且接收的（寬帶）信號可能比熱噪音要低（圖4a）。相關(guān)的接收器（匹配的過濾相關(guān)器）用來去擴展和接收原始用戶的信號。理想的相關(guān)檢測，將依靠擴展代理（相關(guān)增益）從干擾增殖中提高請求用戶信號。不同碼的正交性將保證請求信號的正確檢測。
　　2.多接入干擾
　　CDMA系統(tǒng)的實際接收的擴展碼并不是完全地正交，相關(guān)的處理不能如此有效。結(jié)果，多接入干擾（MCI）就在接收機里產(chǎn)生了：請求信號沒有有效地從干擾用戶中區(qū)分出來。不容易從MAI里顯現(xiàn)出來的受檢測信號相對于噪聲來說要低（圖4b）。多接入干擾使每個無線載波的通信流量受限。

圖4　聯(lián)合檢測
　　3.聯(lián)合檢測設(shè)備
　　一個有效的消除MAI的方法是在匹配過濾相關(guān)器的后面使用聯(lián)合檢測設(shè)備，這是一個擴展所有CDMA信號為并行的經(jīng)過優(yōu)化的多用戶檢測接收機。TD-SCDMA技術(shù)允許聯(lián)合檢測接收設(shè)備補充在基站和手機里。每個時隙里的特殊訓(xùn)練序列允許接收機評估無線信道的參數(shù)。使用特殊的算法，DSP將所有CDMA碼擴展成并行，并去除由內(nèi)在CDMA碼造成的干擾（MAI），從而為CDMA碼準(zhǔn)備了一條清晰的信號（圖4c）。
四、智能天線
　　使用全向天線，發(fā)射無線功率分發(fā)至整個蜂窩區(qū)。結(jié)果，使用相同的射頻載波，蜂窩間的交擾產(chǎn)生于所有臨近蜂窩區(qū)。為了進一步改善系統(tǒng)抗干擾的突發(fā)性，TD-SCDMA基站裝備了智能天線，該天線利用了波束賦形概念。另外，
　　智能天線通過特殊的終端直接發(fā)射和接收信號，改善了基站接收機方向增益的靈敏性，增加了終端的接收功率，并降低了蜂窩區(qū)間和內(nèi)部間的干擾。TD-SCDMA配置的智能天線技術(shù)不是傳統(tǒng)的差異波交換天線，而是更先進的波束賦形（以及波束控制）雙向自適應(yīng)天線陣列�；�站和手機間的各自的方向性由一個可編程的相關(guān)電子調(diào)相和調(diào)幅的8天線元件同中心陣列獲得。終端跟蹤由每秒200次的間隔5ms的測量到達的快角度所完成（見圖5），并可低成本地提供基于位置的業(yè)務(wù)。

圖5　智能天線
五、動態(tài)信道分配
　　蜂窩間界面的進一步優(yōu)化由動態(tài)信道分配（DCA）獲得。先進的TD-SCDMA無線界面充分利用了所有可提供多址技術(shù)的優(yōu)勢：TDMA（時分多址）、FDMA（頻分多址）、CDMA（碼分多址）和SDMA（空分多址）。充分地最佳使用了這些技術(shù)，TD-SCDMA依據(jù)界面方案提供了理想的和適應(yīng)性的無線資源分配，使蜂窩間干擾最小化。
　　使用DCA的三種不同方式
　�。�1）時間域DCA（TDMA操作），通信量動態(tài)地分配至最小干擾的時隙里。
　�。�2）頻率域DCA（FDMA操作），通信量動態(tài)地分配至最小干擾的無線載波（在5MHz頻段上可提供3個1.6MHz載波）。
　　（3）空間域CDA（SDMA操作）：自適應(yīng)智能天線選擇最合適的方向以單一用戶方式來解除這種組合。
　�。�4）編碼域CDA（CDMA操作）：通信量隨機地分配至最少干擾的編碼（見圖6）。

圖6　動態(tài)信道分配
六、終端同步
　　像所有的TDMA系統(tǒng)（GSM包括在內(nèi)）一樣，TD-SCDMA需要手機和基站之間的精確同步。這一同步因用戶的移動性而更加復(fù)雜，這是因為他們相對基站的距離在變化，他們的信號的傳播時間也在不斷變化。預(yù)先置于手機里的精確的計時在傳輸中消除了上述變化的時間延遲。為了補充這些延時，避免鄰近時隙的干擾，手機預(yù)先在接收和發(fā)射間設(shè)有時間補償，這樣使得到達幀可在基站同步（見圖7）。

圖7　終端同步
　　信號到達基站的這一精確同步的效果，使多用戶的聯(lián)合檢測得到了極大的改善。同步配置提供了優(yōu)于異步的許多優(yōu)點。首先，終端的可跟蹤性得到改善，定位時間的計算明顯地降低了。此外，在同步系統(tǒng)中，手機在不能自動接收或發(fā)射時，能夠進行相鄰基站無線鏈接質(zhì)量的性能測量。這樣就降低了交付尋找的尋找時間，并在鄰近時間里產(chǎn)生極大的改善。正因為同步，TD-SCDMA不需依靠軟交付在蜂窩邊緣來改善覆蓋和降低干擾。