R002C1TDSCDMA关键技术.ppt

TR-002-C1 TD-SCDMA技术基础,TD-SCDMA关键技术 V0110,中兴通讯学院 3G课程团队,课程内容,TDD技术 智能天线技术 联合检测技术 动态信道分配 接力切换技术 功率控制,TDD技术,易于使用非对称频段, 无需具有特定双工间隔的成对频段 适应用户业务需求，灵活配置时隙，优化频谱效率 上行和下行使用同个载频，故无线传播是对称的,有利于智能天线技术的实现 无需笨重的射频双工器，小巧的基站，降低成本,课程内容,TDD技术 智能天线技术 联合检测技术 动态信道分配 接力切换技术 功率控制,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,TD-SCDMA系统是一个以智能天线为核心的第三代移动通信系统,Talk,Talk,干扰,自适应阵列基站,普通基站,智能天线的作用,使用智能天线： 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,不使用智能天线： 能量分布于整个小区内 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,智能天线基本原理,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。 其原理是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。如果使用数字信号处理方法在基带进行处理，使得辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，就能达到提高信号的载干比，降低发射功率，提高系统覆盖范围的目的。,智能天线组成,智能天线也叫自适应天线，由多个天线单元组成。智能天线的布阵方式一般是线阵和圆环阵，阵元间距多为12波长（若阵元间距过大会使接收信号彼此相关程度降低，太小则会在方向图形成不必要的栅瓣，故一般取半波长）。,智能天线技术实现,从接收的角度来看，基站利用智能天线对来自移动台的多径电波方向进行波达方向（DOA）估计，并进行空间滤波（也称为上行波束成型），抑制其他移动台和多径干扰 空域滤波(也称波束赋形)的主要思想是利用信号、干扰和噪声在空间的分布，运用线性滤波技术尽可能地抑制干扰和噪声，以获得尽可能好的信号估计 从发送的角度来看，基站利用智能天线对发射信号下行波束成型，使基站发射信号能够沿着移动台电波的来波方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰,以M元直线等距天线阵列为例：（第m个阵元） 空域上入射波距离相差 d=m x cos 时域上入射波相位相差,相位差,智能天线的基本原理,加权合成,智能天线的基本原理,可见，空间上距离的差别导致了各个阵元上接收信号相位的不同。经过加权后阵列输出端的信号为 其中，A增益常数，s(t)是复包络信号，wm是阵列的权因子。,正如正弦波叠加的效果，假设第m个阵元的权因子,选择不同的0，将改变波束的所对的角度，所以可以通过改变权值来选择合适的方向,定义：,加权合成,智能天线的基本原理,智能天线算法,通常智能天线的下行赋形算法有如下两种： 一种是GOB(Grid Of Beam)算法（又称波束扫描法）：是基于参数模型（利用信道的空域参数）的算法，使基站实现下行指向性发射。利用上行信道信息，选择DOA估计算法，估计出用户的到达角度。利用上下行信道对称的特点，确定赋形角度。 对于固定位置的用户，其波束指向是固定的，波束宽度也随天线阵元数目而确定。当用户在小区中移动时，它通过测向确定用户信号DOA，然后根据信号DOA选取预先设定的波束赋形系数进行加权，将方向图的主瓣指向用户方向，从而提高用户的信噪比。,智能天线算法,另一种是EBB(Eigenvalue Based Beamforming)算法（即特征向量法）：通过对空间相关矩阵进行特征值的分解来得到权矢量。实现方法就是找到第K个用户的权矢量 , 使得r(W(K) )最大 EBB算法是一种自适应的波束赋形算法，方向图没有固定的形状，随着信号及干扰而变化。其原则是使期望用户接收功率最大的同时，还要满足对其他用户干扰最小。,智能天线算法,自适应算法与切换波束算法相比较，在很多方面诸如：最大化期望用户接收功率、减少对非期望用户的发射功率以及灵活适应各种不同天线阵列类型更有优势。同时，自适应算法在波束产生上并不拘于固定方向和形状，因而更加灵活并且可以更准确地对用户所在实际位置进行赋形。在多径环境下，指向用户的波束也可能会有多个，其根本目标是提高期望用户的载干比并避免对其他用户形成干扰。,特密集城区自适应算法,高速移动扩展角度较大，GOB多波束处理,基于信道变化情况，自适应选择GOB(多波束)和EBB赋形技术,智能天线对TD-SCDMA系统性能改进分析,普通天线,智能天线,提高了基站接收机的灵敏度 提高了基站发射机的等效发射功率 降低了系统的干扰 降低了系统的误码率 增加了CDMA系统的容量 改进了小区的覆盖 降低了无线基站的成本,天馈系统实物图,天馈系统实物图,课程内容,TDD技术 智能天线技术 联合检测技术 动态信道分配 接力切换技术 功率控制,抗干扰技术分类,抗干扰技术,单用户检测,多用户检测,技术实现简单 导致信噪比恶化，系统性能和容量不理想,充分利用MAI中的先验信息而将所有用户信号的分离看作一个统一的过程的信号分离方法,联合检测,干扰抵消,基本思想是判决反馈，它首先从总的接收信号中判决出其中部分的数据，根据数据和用户扩频码重构出数据对应的信号，再从总接收信号中减去重构信号，如此循环迭代,充分利用MAI，一步之内将所有用户的信号都分离开来的一种信号分离技术,联合检测基本概念,基于所有用户的信道化码和信道信息，消除符号间干扰（ISI）和用户间干扰（MAI），从而达到提高用户信号质量的目的。,TD-SCDMA系统适合采用联合检测技术,联合检测在TD-SCDMA系统实现的优势,联合检测的目的就是根据上式中的A和e估计用户发送的d,e = Ad n,d是发射的数据符号序列，e是接收的数据序列，n是噪声,联合检测原理,关键是突发序列中的训练序列,e = Ad n,A是系统矩阵，由扩频码c和信道脉冲响应h决定 扩频码c已知 信道脉冲响应h利用突发结构中的训练序列 midamble求解出：emid = Gh + nmid , 其中：G由Midamble码构造的矩阵,emid 接收机接收到总信号中的Midamble部分,nmid 噪声,联合检测在TD-SCDMA系统中的实现,与RAKE接收技术的比较,RAKE接收技术是利用扩频码相关性抑制本小区其它用户的干 扰，然而由于多径和扩频码之间的非正交性，本小区其它用户 之间没有完全消除，留有残余干扰，作为噪声处理，随着用户 数增加，残余干扰累加得越大。 联合检测将参与干扰作为可知信号，从用户信号中消除，因此 随着用户增加，干扰不会累加，信号质量更好。这带来的另一 个好处是，呼吸效应不再是一个问题。,与RAKE接收技术的比较,仿真结果显示：联合检测性能比传统的RAKE接收性能好许多。,联合检测原理-算法,线性联合检测算法 解相关匹配滤波器法（DFM） 迫零线性块均衡法（ZF-BLE）：已实现 最小均方误差线性块均衡法（MMSE-BLE）：已实现 多小区联合检测: 消除邻小区强干扰（已实现） 增强型联合检测：更好地消除多用户间的干扰（在研） 非线性联合检测算法 最小均方误差判决反馈块均衡法（MMSE-BDFE） 迫零判决反馈块均衡法（ZF-BDFE）,联合检测对TD-SCDMA系统性能改进,提高系统容量 增大覆盖范围 减小呼吸效应 缓解功率控制精度需求 削弱远近效应,频率,MAI,检测到信号,能量,Frequency,允许的信号波动,能量,智能天线+联合检测,课程内容,TDD技术 智能天线技术 联合检测技术 动态信道分配 接力切换技术 功率控制,信道分配技术,信道分配指在采用信道复用技术的小区制蜂窝移动系统中，在多信道共用的情况下，以最有效的频谱利用方式为每个小区的通信设备提供尽可能多的可使用信道。信道分配过程一般包括呼叫接入控制、信道分配、信道调整三个步骤。不同的信道分配方案在这三个步骤中有所区别。 信道分配方案可分为以下三种： 固定信道分配（FCA） 动态信道分配（DCA） 混合信道分配（HCA）,DCA的应用,DCA是TD-SCDMA系统中RRM算法的核心内容之一 TD-SCDMA系统中一条信道是由 频率/时隙/扩频码 的组合唯一确定 DCA主要研究的是信道的分配和重分配的原则 DCA通过系统负荷，干扰，用户空间方向角等测量信息来确定最优的资源分配方案，降低系统干扰，提高系统容量,DCA的分类,慢速DCA： 根据系统干扰受限的先验知识，根据负荷情况，对系统载频和时隙进行占用优先级划分，完成呼叫接入控制 快速DCA ： 根据对专用业务信道或共享业务信道通信质量监测的结果，自适应地对资源单元（RU，即码道或时隙）进行调配和切换，以保证业务质量。快速DCA分为以下几类： 频域DCA 时域DCA 码域DCA 空域DCA,确定小区上下行时隙 转换点，触发小区重配,对小区 上下行负荷进行统计分析,获取小区平均负荷信息,慢速DCA,慢速DCA：根据小区业务情况，确定上下行时隙转换点,快速DCA,快速DCA的作用 呼叫到达时，为业务分配合适的无线资源 呼叫接入后，系统根据承载的业务要求、干扰受限条件及终端移动要求，由RNC进行频率、时隙和码道的动态调整及信道间的切换,快速DCA,时域DCA,主要研究的是如何对时隙资源进行分配与调整，达到提高系统呼通率，降低干扰的目的。 包括时隙资源的分配与再调整两部分。,时域DCA,时隙选择的原则 时隙的上下行的负荷情况 Node B测得的上行时隙的干扰和UE测得的下行时隙干扰 各时隙剩余RU资源情况 用户的方向角信息,时域DCA,时隙动态调整的触发原因 无线链路质量恶化，功控失效，且未没有合适的切换小区 时隙间负载严重不均衡 高速业务接入时，需要将某一时隙的资源调整至另一时隙,时域DCA,动态调整前时隙间业务分布状况,经过动态信道调整使不同时隙间的用户达到了均衡,5个用户,4个用户,4个用户,经过动态信道调整，使各时隙的负载保持均衡有效降低了负荷较高时隙的各用户的干扰。,码域DCA,研究如何对码资源进行分配与调整，以达到降低干扰，提高系统的呼通率。包括码资源的分配与调整两部分内容 。,Midamble 码分配,信道化码 分配,时隙分配,物理层参数 的确定,根据业务 需求确定 基本资 源单元,将旧配置进行 备份和回收,新业务,业务增加、 删除、修改,时隙格式 确定,记录物理 资源， 结束流程,码域DCA,分配流程,信道化码分配筛选分配法,黑色的码道表示已经被其它用户作占用，而灰色的码道是黑色码道 占用后根据码道使用原则被表示为公共占用或已占用状态， 而图中白色的码道才可以进行分配。,信道化码的特点,1.分配码的前提： 要保证其到树根路径上和其子树上没有其它码被分配； 2.分配码的结果： 会阻塞掉其子树上的所有低速扩频码和其到根路径上的高速扩频码；,信道化码分配策略,1、码表利用率高 分配掉的码字所阻塞掉的码字越少，说明码表利用率越高 2、码表复杂度低 尽量用短码分配,用户1,用户2,用户3,用户4,用户4,用户3,用户2,用户1,码域DCA-码资源调整,码资源调整触发时机 -高优先级业务因码道碎片而被阻塞时触发调整 -周期性检测码表的离散程度，当离散程度较高时及触发,频域DCA,在N频点小区中为用户选择最佳的接入频点，提高系统的呼通率，降低系统的干扰。主要包括频率资源的分配与调整两部分 频点选择触发原因 用户接入或切换至N频点小区； 用户由于业务发生重配置,原频点资源发生拥塞，迁移至其他频点； N频点小区中某频点过载，部分业务迁移至小区内其他频点； 跨时隙承载业务质量发生恶化时，且未满足切换条件，迁移至其他频点,频域DCA,频点选择的原则 根据各频点剩余码道资源情况，确定接入频点的优先级顺序 根据各频点负荷状况，确定接入频点的优先级顺序 根据各频点内码道碎片程度和呼叫用户的业务量确定接入频点的优先级 异频切换优先原则，切换用户优先选择异频接入,空域DCA,运用智能天线技术将空间彼此隔开的用户放入同一时隙；而落入同一波束区域内的用户放入不同的时隙，以减小干扰 使智能天线 能量仅指向小区内处于激活状态的移动终端； 处于不同波束的用户之间干扰较小,通过对用户来波方向角的测量，UE1、UE2分配在不同时隙/频率 UE3、UE4分配在相同时隙/频率,DCA小结,DCA充分体现了TD-SCDMA系统频分、时分、码分、空分的特点 DCA从频域，时域，码域，空域这四维空间将用户彼此分隔，有效地降低了小区内用户间的干扰，小区与小区之间的干扰，提高整个系统的容量 由于DCA技术的存在使得TD系统具备更高的频谱利用率,课程内容,TDD技术 智能天线技术 联合检测技术 动态信道分配 接力切换技术 功率控制,切换是指当移动台处于移动状态中通讯从一个基站或信道转移到另一个基站或信道的过程,上、下行链路质量，上、下行链路信号的测量，距离或业务的变化，更优的蜂窝出现，操作和管理的干涉，业务流量情况等,切换原因,切换概念,在蜂窝结构的无线移动通信系统中， 当移动台从一个小区移动到另一个 小区时，为保持移动用电话不中断 通信需要进行的信道切换称为越区 切换,越区切换,无线测量、网络判决和系统执行,切换步骤,越区切换,不同载频间的硬切换 同一载频下的硬切换（强制性硬切换） 系统间硬切换（如与GSM之间） 不同模式间硬切换（如FDD与TDD之间）,硬切换,软切换,而在软切换过程中，UE先建立与Node B2的信令和业务连接之后，再断开与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。,接力切换概念,接力切换(Baton Handover)是TD-SCDMA移动通信系统的核心技术之一。 其设计思想是利用智能天线获取UE的位置距离信息，同时使用上行预同步技术，在切换测量期间，使用上行预同步的技术，提前获取切换后的上行信道发送时间、功率信息，从而达到减少切换时间，提高切换的成功率、降低切换掉话率的目的。,接力切换工作流程,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，首先只将上行链转移到目标小区，而下行链路仍与源小区通信,UE执行接力切换完毕后的场景：经过N个TTI后，下行链路转移到目标小区，完成接力切换,接力切换工作流程-预同步,预同步中移动台只是通过接收到的PCCPCH信息估算UE在源小区和目标小区上行定时偏差,三种切换方式的对比,课程内容,TDD技术 智能天线技术 联合检测技术 动态信道分配 接力切换技术 功率控制,功率控制作用,功率控制技术是CDMA系统的基础，没有功率控制就没有CDMA系统。 功率控制可以补偿衰落，接收功率