TD-SCDMA基本原理【强烈推荐，精品讲义】

TD-SCDMA基本原理 TD用服部 秘密 课程内容 TD-SCDMA发展概述 网络结构和接口 物理层结构 信道结构 信道编码与复用 扩频与调制 物理层过程 TD-SCDMA关键技术 秘密 移动通信技术发展 AMPS TACS NMT 其它 模 拟 技 术 GSM CDMA IS95 TDMA IS-136 PDC 需求驱动 数 字 技 术 语 音 业 务 UMTS WCDMA CDMA 2000 需求驱动 宽 带 业 务 TD- SCDMA TD-SCDMA发展概述 第一代 80年代 模拟 第二代 90年代 数字 第三代 IMT-2000 秘密 IMT-FT IMT-2000 FDMA/TDMA IMT-SC IMT-2000 TDMA SC UWC-136 E-DECT IS-136 DECT IMT-DS CDMA DS IMT-MC CDMA MC IMT-TD CDMA TDD WCDMA TD-SCDMA UMTS TDD CDMA 2000 UMTS FDD 3G无线传输技术标准 TD-SCDMA发展概述 秘密 TD-SCDMA演进 TD-SCDMA发展概述 TD-SCDMA 演进四阶段 第一阶段 第二阶段 第三阶段 单载波 TD-SCDMA 多载波 TD-SCDMA 单载波 TD-SCDMA HSDPA/HSUPA HSPA+ 多载波 TD-SCDMA HSDPA/HSUPA HSPA+ TD-SCDMA LTE 单载波： IFDMA/DFTS OFDMA （上行） 多载波： OFDMA（下行） TD-SCDMA与 无线宽带接入融合 第四阶段 基于 TD-SCDMA 的 B3G/4G 关键技术： OFDM 业务扩频： MBMS 秘密 ITU 3G标准化格局 日本 韩国 中国 美国 欧洲 美国 TD-SCDMA发展概述 秘密 3G Core Band 1755 1785 1850 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 2300 2400 DECT TDD FDD-U MBB TDD NULL FDD-D 20 20 60 30 15 85 60 NULL TDD FDD-U SAT TDD NULL FDD-D 20 20 60 30 15 85 60 FDD-D TDD TDD FDD-U SAT TDD NULL FDD-D TDD FDD-U 20 20 60 30 15 85 60 100 30 30 ITU Euro./Japan China TDD在全球拥有丰富的频谱资源 全球 3G频谱分配 TD-SCDMA发展概述 秘密 TD-SCDMA提交到 ITU 98/06 99/12 00/05 01/03 06/01 TD-SCDMA在 3GPP融合 ITU正式通过 3G标准 TD-SCDMA写入 3GPP R4 TD-SCDMA成为中国通信行业标准 TD-SCDMA标准发展历程 TD-SCDMA发展概述 秘密 课程内容 TD-SCDMA发展概述 网络结构和接口 物理层结构 信道结构 信道编码与复用 扩频与调制 物理层过程 TD-SCDMA关键技术 秘密 空中接口 Uu RRC MAC 物理层 BMC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC RLC PDCP PDCP 传输信道 逻辑信道 无线承载 Control Control Control Control Control 控制面信令 用户 面消息 Uu接口边界 L1 L2/MAC L2/RLC L2/BMC L2/PDCP L3 网络结构和接口 秘密 空中接口 Uu 无线接口从协议结构上可以划分为三层： 物理层（ L1） 数据链路层（ L2） 网络层（ L3） L2和 L3划分为控制平面（ C-平面）和用户平面（ U-平面）。 RLC和 MAC之间的业务接入点（ SAP）提供逻辑信道，物理层和 MAC之间的 SAP提供传输信道。 RRC与下层的 PDCP、 BMC、RLC和物理层之间都有连接，用以对这些实体的内部控制和参数配置。 网络结构和接口 秘密 课程内容 TD-SCDMA发展概述 网络结构和接口 物理层结构 信道结构 信道编码与复用 扩频与调制 物理层过程 TD-SCDMA关键技术 秘密 什么是 TD-SCDMA Frequency Time Power density (CDMA codes) 1.6 MHz 0 : 15 TS0 2. Carrier (opti onal) 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 Access 物理层结构 秘密 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 TS5 TS4 TS0 TS2 TS1 GP TS3 TS6 DwPTS UpPTS Data Midamble Data 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 物理层结构 秘密 物理信道帧结构 3GPP定义的一个 TDMA帧长度为 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。 子帧分成 7个常规时隙（ TS0 TS6），每个时隙长度为 864chips，占 675us）。 DwPTS（下行导频时隙，长度为 96chips，占 75us） GP（保护间隔，长度 96chips， 75us） UpPTS（上行导频时隙，长度 160chips， 125us） 子帧总长度为 6400chips，占 5ms，得到码片速率为1.28Mcps。 物理层结构 秘密 物理信道帧结构 TS0用作下行时隙来发送系统广播信息，广播信PCCPCH占用该时隙进行发射。 TS1总是固定地用作上行时隙。 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（ Switch Point）分开。每个 5ms的子帧有两个转换点（ DL到 UL和 UL到 DL ），第一个转换点固定在 TS0结束处，而第二个转换点则取决于小区上下行时隙的配置。 物理层结构 秘密 Data 352chips Midamble 144chips GP 16 Data 352chips 675 s 常规时隙 由 864 Chips组成，时长 675us； 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； 物理层结构 秘密 常规时隙 Midamble码 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。 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。同一时隙的不同用户将使用不同的训练序列位移。 训练序列的作用： 上下行信道估计； 功率测量；上行同步保持。 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。 物理层结构 秘密 Data symbols Midamble Data symbols TPC symbols SS symbols G P 1 st part of TFCI code word 2nd part of TFCI code word Data symbols Midambl e Data symbols TPC symbols Time slot x (864 Chips) SS symbols G P 3 rd part of TFCI code word 4th part of TFCI code word Radio Frame 10ms Sub-frame 5ms 常规时隙物理层信令 TPC/SS/TFCI 位置：位于 midamble的两侧 TPC: 调整步长是 1, 2或 3dB SS；最小精度是 1/8个 chip TFCI；分四个部分位于相邻的两个子帧内 Sub-frame 5ms Time slot x (864 Chips) 物理层结构 秘密 数据 数据TFCIM i d a m b l eSS TPCTFCI数据 数据TFCIM i d a m b l eSS TPCTFCI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 TFCI（ 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。 物理层结构 秘密 数据 数据TFCIM i d a m b l eSS TPCTFCI数据 数据TFCIM i d a m b l eSS TPCTFCI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 TPC（ Transmit Power Control）用于功率控制，该控制信号每个子帧（ 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. SS（ 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。 物理层结构 秘密 GP (32chips) SYNC-DL(64chips) 75 s 下行导频时隙 DwPTS 用于下行同步和小区搜索； 该时隙由 96 Chips组成 : 32用于保护； 64用于导频序列；时长75us 32个不同的 SYNC-DL码，用于区分不同的基站； 为全向或扇区传输，不进行波束赋形。 物理层结构 秘密 GP (32chips) SYNC-UL(128chips) 125 s 上行导频时隙 UpPTS 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 160 Chips: 其中 128用于 SYNC-UL， 32用于保护 SYNC-UL有 256种不同的码，可分为 32个码组，以对应 32个 SYNC-DL码，每组有 8个不同的 SYNC-UL码，即每一个基站对应于 8个确定的SYNC-UL码 NodeB从终端上行信号中获得初始波束赋形参数 物理层结构 秘密 GP保护时隙 96 Chips保护时隙，时长 75us； 用于下行到上行转换的保护； 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。 N o d e BU E 实 际U E 标 准 示 意T S 2U LT S 1U LU pG PD wT S 0T S 2U LT S 1U LU pG PD wT S 0td( k m )T S 2U LT S 1U LU pD wT S 0 t2 t物理层结构 秘密 课程内容 TD-SCDMA发展概述 网络结构和接口 物理层结构 信道结构 信道编码与复用 扩频与调制 物理层过程 TD-SCDMA关键技术 秘密 3种信道模式 逻辑信道： 直接承载用户业务；根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务分为两大类，即控制信道和业务信道。 传输信道： 无线接口层 2和物理层的接口，是物理层对 MAC层提供的服务；根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息分为专用信道和公共信道两大类。 物理信道： 各种信息在无线接口传输时的最终体现形式，每一种使用特定的载波频率、码（扩频码和扰码）以及载波相对相位都可以理解为一类特定的信道。 信道结构 秘密 信道概念 PHY layer MAC layer RLC layer 传输信道 物理信道 逻辑信道 L1 L2 信道结构 秘密 逻辑信道及其分类 逻辑信道： 直接承载用户业务；根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务分为两大类，即控制信道和业务信道。 分类： SCCH， BCCH， PCCH， DCCH， CCCH， DTCH 秘密 传输信道及其分类 传输信道是由 L1提供给高层的服务，根据在空中接口上如何传输及传输什么特性的数据来定义的。 传输信道一般可分为两组： 专用信道 DCH在这类信道中， UE是通过物理信道来识别。 公共信道 在这类信道中，当消息是发给某一特定的 UE时，需要有内识别信息； 广播信道 BCH 寻呼信道 PCH 前向接入信道 FACH 随机接入信道 RACH 上行共享信道 USCH 下行共享信道 DSCH 信道结构 秘密 物理信道及其分类 物理信道根据其承载的信息不同被分成了不同的类别，有的物理信道用于承载传输信道的数据，而有些物理信道仅用于承载物理层自身的信息。 专用物理信道 DPCH 公共物理信道 CPCH 主公共控制物理信道 P-CCPCH 辅公共控制物理信道 S-CCPCH 快速物理接入信道 FPACH 物理随机接入信道 PRACH 物理上行共享信道 PUSCH 物理下行共享信道 PDSCH 寻呼指示信道 PICH (8)下行导频信道 DwPCH (9)上行导频信道 UpPCH 信道结构 秘密 专用物理信道 （ DPCH） 专用物理信道 DPCH （ Dedicated Physical CHannel）用于承载来自专用传输信道 DCH的数据， DPCH所使用的码和时隙等配置信息是通过信令消息配置给 UE的； DPCH可以位于频带内的 任意时隙 和 任意允许的信道码 ，一个 UE可以在同一时刻被配置多条 DPCH，若 UE允许多时隙能力，这些物理信道还可以位于不同的时隙，但是，对于上行多码传输， UE在每个时隙最多可以同时使用两个物理信道； 下行 物理信道采用的扩频因子为 16和 1， 上行 物理信道的扩频因子可以从 1 16之间 选择； DPCH支持 TPC， SS，和TFCI所有物理层信令。 物理层将根据需要把来自一条或多条 DCH组合在一条或多条编码组合传输信道 CCTrCH（ Coded Composite Transport CHannel）内，然后再根据所配置物理信道的容量将 CCTrCH数据映射到物理信道的数据域；同时，一个 CCTrCH支持多个并行的物理信道，用于支持更高的数据速率，这些并行的物理信道可以采用不同的信道码同时发射。 信道结构 秘密 主公共控制物理信道（ P-CCPCH） 主公共控制物理信道（ P-CCPCH， Primary Common Control Physical CHannel） 仅用于承载来自传输信道 BCH的数据，提供全小区覆盖模式下的系统信息广播， UE上电后将搜索并解码该信道上的数据以获取小区系统信息。 主公共控制物理信道是单向下行信道，帧格式中 没有物理层信令 TFCI、TPC或 SS，为了满足信息容量的要求， P-CCPCH使用两个码分信道来承载BCH数据（ P-CCPCH1和 P-CCPCH2）。 P-CCPCHs固定映射到 时隙 0（ TS0）的扩频因子 SF=16的两个码道 ； 主公共控制物理信道作为信标信道（ Beacon Channel）还具有以下特点 以参照功率进行发送； 发送时不进行 beamforming； 在其占用的时隙专用 m(1) 和 m(2) 两个训练码。 对 P-CCPCH信道的测量是 UE物理层的一个重要测量。 信道结构 秘密 辅公共控制物理信道（ S-CCPCH） 辅公共控制物理信道（ S-CCPCH， Secondary Common Control Physical CHannel） 用于承载来自传输信道 FACH和 PCH的数据 ， S-CCPCH所使用的码和时隙等配置信息在小区中广播 。 S-CCPCH是单向下行信道，固定使用 SF=16的扩频因子，不使用物理层信令 SS和 TPC，但 可以使用 TFCI，信道的编码及交织周期为 20ms。受容量限制， S-CCPCH也使用两个码分信道（ S-CCPCH1和 S-CCPCH2）来构成一个 S-CCPCH信道对。该信道 可位于任一个下行时隙 ，使用时隙中的任意一对码分信道和 Midamble移位序列。在 TS0，主、辅公共控制信道也可以进行时分复用。在一个小区中，可以使用一对以上的 S-CCPCHs。 物理层根据配置可以把来自一条或多条 FACH和一条 PCH得数据组合在一条编码组合传输信道 CCTrCH（ Coded Composite Transport CHannel）上，然后再根据所配置将 CCTrCH数据映射到一条或者多条 S-CCPCH物理信道上。 信道结构 秘密 物理随机接入信道（ PRACH） 物理随机接入信道（ PRACH， Physical Random Access CHannel） 用于承载来自传输信道 RACH的数据， PRACH所使用的码和时隙等配置信息在小区中广播。 PRACH为单向上行信道，它可以使用的扩频因子有 16、 8、 4。受信道容量限制，对不同的扩频因子，信道的其它结构参数也相应发生变化：SF=16，持续时间为 4个子帧 （ 20 ms）； SF=8， 持续时间为 2个子帧（ 10 ms）； SF=4，持续时间为 1个子帧 （ 5 ms）。 PRACH信道 可位于任一上行时隙 ，使用任意允许的信道化码和Midamble位移序列。小区中配置的 PRACH信道（或 SF=16时的信道对）数目与 FPACH信道的数目有关，两者配对使用。传输信道 RACH的数据不与来自其它传输信道的数据编码组合，因而 PRACH信道上 没有TFCI，也不使用 SS和 TPC控制符号。 信道结构 秘密 快速物理接入信道 （ FPACH） 快速物理接入信道（ FPACH， Fast Physical Access CHannel）不承载传输信道信息， FPACH所使用的码和时隙等配置信息在小区中广播。 FPACH是单向下行信道，扩频因子 SF=16，单子帧交织，信道的持续时间为 5 ms，数据域内包含 SS和 TPC控制符号，因为 FPACH不承载来自传输信道的数据，也就不需要使用 TFCI。 Node B使用 FPACH来响应在 UpPTS时隙收到的 UE接入请求，从而调整 UE的发送功率和同步定时偏移。 信道结构 秘密 上行导频信道 （ UpPCH） 上行导频信道（ UpPCH）就是整个上行导频时隙（ UpPTS）。 UpPTS时隙被 UE用来发送上行同步码（ SYNC_UL），建立与 Node B的上行同步。 Node B可以在同一子帧的 UpPTS时隙识别最多 8个不同的上行同步码（ SYNC_UL）。多个 UE可同时发起上行同步建立，但必须有不同的上行同步码。 可以理解为：一个小区最多可有 8个用于上行同步建立的上行导频信道 UpPCH同时存在。 信道结构 秘密 下行导频信道 （ DwPCH） 下行导频信道（ DwPCH）就是整个下行导频时隙（ DwPTS）； DwPTS时隙被 Node B用来发送下行同步码（ SYNC_DL）， UE用来建立与 Node B的下行同步； Node B必须在 DwPTS发送唯一的下行同步码，具体值由配置决定，功率必须保证覆盖整个小区且保持不变； 下行同步码作为 TD-SCDMA系统中重要的资源只有 32个，必须采用复用的方式在不同的小区中使用，一般而言，同频相邻小区将使用不同的下行同步码标识不同的小区。 信道结构 秘密 寻呼指示信道 （ PICH） 寻呼指示信道（ PICH： Paging Indicator CHannel） 不承载传输信道的数据， PICH所使用的码和时隙等配置信息在小区中广播。 PICH为单向下行信道， PICH固定使用扩频因子 SF=16。一个完整的 PICH信道由两条码分信道构成。信道的持续时间为两个子帧（ 10 ms） 。根据需要，也可将多个连续的 PICH帧构成一个 PICH块。 PICH与传输信道 PCH配对使用，用以指示特定的 UE是否需要解读其后跟随的 PCH信道（映射在 S-CCPCH上）。 信道结构 秘密 共享物理信道 （ PUSCH&PDSCH） 物理上行共享信道（ PUSCH， Physical Uplink Shared CHannel）用于承载来自传输信道 USCH的数据。 物理下行共享信道（ PDSCH： Physical Downlink Shared CHannel）用于承载来自传输信道 DSCH的数据。 物理上下行共享信道的物理层参数与专用物理信道相同。 所谓共享指的是同一物理信道可由多个用户分时使用，或者说信道具有较短的持续时间。共享物理信道由系统预先建立，然后根据 UE的业务需求，按照某种方式分配给某个UE使用。 信道结构 秘密 传输信道到物理信道的映射 说明： 左表中部分物理信道与传输信道并没有映射关系。按 3GPP规定，只有映射到同一物理信道的传输信道才能够进行编码组合。由于 PCH和 FACH都映射到 S-CCPCH，因此来自PCH和 FACH的数据可以在物理层进行编码组合生成CCTrCH。其它的传输信道数据都只能自身组合成，而不能相互组合。另外， BCH和RACH由于自身性质的特殊性，也不可能进行组合。 传输信道 物理信道 DCH 专用物理信道 (DPCH) BCH 主公共控制物理信道 (P-CCPCH) PCH 辅助公共控制物理信道 (S-CCPCH) FACH 辅助公共控制物理信道 (S-CCPCH) RACH 物理随机接入信道 (PRACH) USCH 物理上行共享信道 (PUSCH) DSCH 物理下行共享信道 (PDSCH) 下行导频信道 (DwPCH) 上行导频信道 (UpPCH) 寻呼指示信道（ PICH） 快速物理接入信道 F-PACH 信道结构 秘密 课程内容 TD-SCDMA发展概述 网络结构和接口 物理层结构 信道结构 信道编码与复用 扩频与调制 物理层过程 TD-SCDMA关键技术 秘密 TD-SCDMA数据简要发送过程 数据 编码交织 扩频 加扰 射频调制 射频发送 射频接收 射频解调 解扰 解扩 解码解交织 数据 信道编码与复用 数据调制 数据解调 秘密 data data data TrCH-i 10、 20、 40 or 80ms 0、 8、 12、 16 or 24bits CedBL CedBL CedBL 卷积码 或 Turbo码 Coded data DTX Coded data Data before 1st interleaving Data a ter st i t l a ed 交织器列数： 1、 2、 4 或 8 无线帧 无线帧 无线帧 无线帧数目： 1、 2、 4 或 8 Rate matched data TrCH-i+1 TrCH-1 TrCH-2 TrCH-I CCTrCH 10ms时间内 Ph-1 Ph-2 Ph-P 10ms时间 内 data CRC data CRC data CRC data CRC data CRC data CRC d a t a CBL CBL CBL Data before 2st interleaved Data afte 2st interleaved data1 data2 训练序列 GP TFCI SS TPC 物理信道映射 CRC校验 传送块级联和码块分割 信道编码 无线帧尺寸均衡 第一次交织 无线帧分段 速率匹配 TrCH复用 物理信道的分段 第二次交织 子帧分割 物理信道映射 校验传送块级联和码块分割信道编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配复用物理信道的分段第二次交织子帧分割物理信道映射校验传送块级联和码块分割信道编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配复用物理信道的分段第二次交织子帧分割物理信道映射校验传送块级联和码块分割信道编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配复用物理信道的分段第二次交织子帧分割物理信道映射校验传送块级联和码块分割信道编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配复用物理信道的分段第二次交织子帧分割物理信道映射校验传送块级联和码块分割信道编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配复用物理信道的分段第二次交织子帧分割物理信道映射校验传送块级联和码块分割信道编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配复用物理信道的分段第二次交织子帧分割物理信道映射校验传送块级联和码块分割信道编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配复用物理信道的分段第二次交织子帧分割物理信道映射校验传送块级联和码块分割信道编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配复用物理信道的分段第二次交织子帧分割物理信道映射校验传送块级联和码块分割信道编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配复用物理信道的分段第二次交织子帧分割物理信道映射校验传送块级联和码块分割信道编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配复用物理信道的分段第二次交织子帧分割物理信道映射CRC校验传送块级联和码块分割信道编码无线帧尺寸均衡第一次交织无线帧分段速率匹配 复用 物理信道的分段第二次交织子帧分割物理信道映射编码和复用过程 信道编码与复用 秘密 无纠错编码： BER10-1 10-2 不能满足通信需要 卷积编码： BER10-3 满足语音通信需要 Turbo 码： BER10-6 满足数据通信需要 原理和目的 作用和效果 信道