TD-SCDMA基本原理

1、TD-SCDMA基本原理课程目标n学习完本课程，您将能够：l了解TD-SCDMA 物理层结构，掌握扩频原理；l了解TD-SCDMA物理层过程。课程内容nTD-SCDMA发展概述发展概述n物理层结构n扩频与调制n物理层过程AMPSTACSNMT其它第一代 80年代模拟模拟技术第二代 90年代数字需求驱动需求驱动GSMCDMA IS95TDMAIS-136PDC数字技术语音业务第三代 IMT-2000WCDMACDMA2000需求驱动需求驱动宽带业务TD-SCDMA移动通信技术发展 第一代无线通信系统n蜂窝的概念l每载波带宽: 25kHzn基本物理层技术l复用方式: FDMAn网络功能l电路交换l

2、硬切换AMPS:American mobile Phone system NMT:Nordic mobile telephone System TACS:Total Access Communication System 890 915 935 960MHz1对信道上行 下行带宽 25kHz/每载波 FDMA 频分多址接入 PowerFrequencyTimeFDMA第二代移动通信系统GSMn蜂窝的概念l每载波带宽: 200kHzn基本物理层技术l复用方式: TDMA + FDMAl每载波8个时隙n网络功能l电路交换l硬切换n2.5G: GPRSn2.75G : EDGE / EGPRS一对信

3、道 200kHz 带宽/每载波时间频率上行 下行890 915 935 960MHzTDMAFDMA 时分频分多址接入 FrequencyPowerTimeFDMA/TDMA第三代移动通信 FDD（WCDMA）n蜂窝的概念l每载波带宽: 5Mhzl相邻小区可以使用相同频率n基本物理层技术l复用方式: CDMA + FDMAl数字调制 (QPSK)n网络功能l电路、包交换l硬，软，更软切换一对信道， 5MHz 带宽/每载波上行 下行fCDMAFDMA 码分频分多址接入FrequencyCDMAPowerTime码1码2码3码4SF = 1SF = 2SF = 4c1,1 = (1)c2,1 =

4、(1,1)c2,2 = (1,-1)c4,1 = (1,1,1,1)c4,2 = (1,1,-1,-1)c4,3 = (1,-1,1,-1)c4,4 = (1,-1,-1,1)C8,1C8,2C8,3C8,4第三代移动通信 TDD (TD-SCDMA)n蜂窝的概念l每载波带宽: 1.6MHzl相邻小区可以使用相同频率n基本物理层技术l复用方式: TDMA+CDMA+FDMASDMAl每时隙有16个码道l数字调制 (QPSK)n网络功能l电路，包交换l硬，接力切换 1,6MHz /每载波ft下行上行TDMACDMAFDMASDMA 0上行上行+下行下行频点 F1时隙 16TDMACDMAFDMA

5、SDMATDDDw GP Up1 2 3 4 5 6SF = 1SF = 2SF = 4c1,1 = (1)c2,1 = (1,1)c2,2 = (1,-1)c4,1 = (1,1,1,1)c4,2 = (1,1,-1,-1)c4,3 = (1,-1,1,-1)c4,4 = (1,-1,-1,1)C8,1C8,2C8,3C8,4码树3G Core Band1755 1785 1850 1880 1900 1920 1980 2010 2025 2110 2170 2300 2400DECTTDDFDD-UMBBTDDNULLFDD-D20206030158560NULLTDDFDD-USATT

6、DDNULLFDD-D20206030158560FDD-DTDDTDDFDD-USATTDDNULLFDD-DTDDFDD-U202060301585601003030ITUEuro./JapanChinaTDD在全球拥有丰富的频谱资源在全球拥有丰富的频谱资源全球3G频谱分配课程内容nTD-SCDMA发展概述n物理层结构物理层结构n扩频与调制n物理层过程什么是TD-SCDMA Frequency Time Power density (CDMA codes) 1.6 MHz 0 : 15 TS0 2. Carrier (optional) 3. Carrier (optional) TS1

7、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 frame10msSystem Frame Number Sub-frame5msTS5TS4TS0TS2TS1GPTS3TS6DwPTSUpPTSDataMidambleData675us(864chips)gL1144chipsTD-SCDMA帧结构每

8、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配置物理信道帧结构n3GPP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。n子帧分成7个常规时隙（TS0 TS6），每个时隙长度为864chips，占675us）。nDwPTS（下行导频时隙，长度为96chips，占75us）nGP（保护间隔，长度96chips，75us）nUpPTS（上行导频时隙，长度160chips，125

9、us）n子帧总长度为6400chips，占5ms，得到码片速率为1.28Mcps。物理信道帧结构nTS0总是固定地用作下行时隙。用来发送系统广播信息等公共信息。nTS1总是固定地用作上行时隙。n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分开,目前可以根据需要将时隙配置成3：3；n2：4；1：5.Data352chipsMidamble144chipsGP16Data352chips675 s常规时隙n由由864 Chips组成，时长组成，时长675us；n业务和信令数据由两块组成，每个数据块分别由业务和信令数据由两块组成，每个数据块分别由3

10、52 Chips组成；组成；n训练序列训练序列(Midamble)由由144 Chips组成；组成；n16 Chips为保护；为保护；n可以进行波束赋形；可以进行波束赋形；常规时隙nMidamble码l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。l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。l同一时隙的不同用户将使用不同的训练序列位移。l训练序列的作用： 上下行信道估计； 功率测量； 上行同步保持。l传输时Mid

11、amble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。数 据数 据T FC IM id a m b leS ST PCT FC I数 据数 据T FC IM id a m b leS ST PCT FC I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/TFCInTFCI（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

12、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。数 据数 据T FC IM idam bleS ST PCT FC I数 据数 据T FC IM idam bleS ST PCT FC I子 帧 #2n子 帧 #2n+ 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/TFCInTPC（Transmit Power Control）用于功率控制，该控

13、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.nSS（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。 GP (32chips)SYNC-DL(64chips)75 s下行导频时隙DwPTSn用于下行同步和小区搜索；用于下行同步和小区搜索；n该时隙由该时隙由96 Chips组成组成: 32用于保护；用于保护；64用于导频序列；时用于导频序列；时长长75usn32个不同的个不同的SYNC-DL码，用于区分不同的基站；码，用于区分不同的基站；n为全向或扇区传输，

14、不进行波束赋形。为全向或扇区传输，不进行波束赋形。GP (32chips)SYNC-UL(128chips)125 s上行导频时隙UpPTSn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n160 Chips: 其中其中128用于用于SYNC-UL，32用于保护用于保护nSYNC-UL有有256种不同的码，可分为种不同的码，可分为32个码组，以对应个码组，以对应32个个SYNC-DL码，码，每组有每组有8个不同的个不同的SYNC-UL码，即每一个基站对应于码，即每一个基站对应于8个确定的个确定的SYNC-UL码码GP保护时隙

15、n96 Chips保护时隙，时长75us；n用于下行到上行转换的保护；n在小区搜索时，确保DwPTS可靠接收，防止干扰UL工作；n在随机接入时，确保UpPTS可以提前发射，防止干扰DL工作；n确定基本的基站覆盖半径。本章小结n本章主要对TD-SCDMA物理层进行了介绍，包括：lTD-SCDMA 帧结构特点lTD-SCDMA特殊时隙和常规时隙的构成课程内容nTD-SCDMA发展概述n物理层结构n扩频与调制扩频与调制n物理层过程概述n数据调制l比特流的数据到符号数据的形成过程n扩频调制l符号数据到高速码片数据的形成过程调制和扩频的基本参数码速率1.28Mcps载波间隔1.6MHz数据调制方式QPS

16、K8PSK(可选项)脉冲成型根升余弦滚降系数 = 0.22扩频特性正交Q码片/符号,其中 Q = 2p, 0 = p = 4连续二进制比特连续二进制比特复数符号复数符号00+j01+110-111-jQPSK数据调制将连续的两个比特映射为信号空间的一个点将连续的两个比特映射为信号空间的一个点 扩频通信的定义n扩频通信技术:在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。nCDMA采用的是直接序列扩频，即将需要传送的信号与速率远大于信息速率的伪随机序列编码（扩频码）直接混合，这样调制信号的频谱宽度远大于原来信息的频谱

17、宽度。C：信道容量，单位b/s B：信号频带宽度，单位HzS：信号平均功率，单位WN：噪声平均功率，单位W扩频通信的理论基础n扩频通信就是将信号的频谱展宽后进行传输的技术。n其理论基础为Shannon定理：nC=B*log2(1+S/N)n结论：在信道容量C不变的情况下，信号频带宽度B与信噪比S/N完全可以互相交换，即可以通过增大传输系统的带宽以在较低信噪比的条件下获得比较满意的传输质量.fS（f）f0扩频前的信号频谱信号S（f）ff0扩频后的信号频谱信号S（f）ff0解扩频后的信号频谱信号干扰噪声fS（f）f0解扩频前的信号频谱信号干扰噪声信号窄带干扰宽带干扰扩频通信示意图高速扩频序列高速扩

18、频序列低速信号低速信号TX解调信号解调信号RX高速高速扩频序列扩频序列扩频信号扩频信号扩频码速率：扩频码速率：1.28Mc/s1.28Mc/s； 扩频码：扩频码：OVSFOVSF码。码。直接序列扩频通信直接序列扩频示意用户数据-1+1-1-1+1-1扩频码+1-1-1+1-1+1+1-1扩频信号用户数据扩频码解扩数据用户数据扩频码1111111111解扩扩频码序列的正交码序列的正交累加为累加为0表示正交表示正交码序列的正交性 Walsh函数是一种非正弦波的完备正交函数系统，可用哈达玛矩阵H通过递推关系构成。由于它仅有可能的取值是1和1（或0和1），比较适合于用来表达和处理数字信号。 Walsh

19、函数具有理想的互相关特性。在Walsh函数中，两两之间的互相关函数为“0”，亦即它们之间是正交的。TD-SCDMA系统扩频码（信道化码）nTD-SCDMA扩频码是由Walsh函数生成，叫做OVSF码（正交可变扩频因子码），OVSF码互相关为零，相互完全正交。 SF = 1 SF = 2 SF = 4 Cch,1,0 = (1)Cch,2,0 = (1,1) Cch,2,1 = (1,-1) Cch,4,0 =(1,1,1,1) Cch,4,1 = (1,-1,1,-1) Cch,4,2 = (1, 1,-1,-1) Cch,4,3 = (1,-1,-1, 1) OVSF：Orthogonal

20、variable spreading factor同一时隙上的不同扩频因子的扩频码保持正交同一时隙上的不同扩频因子的扩频码保持正交 OVSF-正交可变扩频因子TD-SCDMA扩频过程n符号速率 SF = 1.28Mcps。nTD-SCDMA中：l上行信道码的SF为：1、2、4、8、16；l下行信道码的SF为：1、16。数据比特数据比特扩频后码片扩频后码片OVSF码码扰码扰码扩频通信的特点n抗干扰能力强n保密性高n低发射功率n易于实现大容量多址通信n占用频带宽扩频调制-扰码 n一个数据符号经过长为Qk的扩频码扩频后，还要经过一个扰码=(1, 2, QMAX)进行加扰。n加扰前可以通过级联QMAX

21、/Qk个扩频数据而实现长度匹配。n可用的扰码共128个扰码，分成32组，每组4个，扰码码组由基站使用的SYNC_DL序列确定。n加扰的目的是为了区分小区。TD-SCDMA系统码组n小区码组配置是指小区特有的码组，不同的邻近的小区将配置不同的码组。小区码组配置有：l（1） 下行同步码SYNC_DLl（2） 上行同步码SYNC_ULl（3） 基本Midamble码，共128个 l（4） 小区扰码（Scrambling Code），共128个 ；nTD-SCDMA系统中，有32个SYNC_DL码，256个SYNC_UL码，128个Midamble码和128个扰码，所有这些码被分成32个码组，每个码组

22、包含1个SYNC_DL码，8个SYNC_UL码，4个Midamble码和4个扰码。Code GroupAssociated CodesSYNC-DL IDSYNC-UL ID Scrambling Code IDMidamble Code IDGroup 1007(000111)0 (00)0 (00)1 (01)1 (01)2 (10)2 (10)3 (11)3 (11).Group 3231248255(000111)124 (00)124 (00)125 (01)125 (01)126 (10)126 (10)127 (11)127 (11)TD-SCDMA系统码组本章小结n本章主要对扩

23、频与调制作了介绍，包括：l调制特点l扩频原理lTD-SCDMA 码资源分类与作用课程内容nTD-SCDMA发展概述n物理层结构n扩频与调制n物理层过程物理层过程搜索搜索DwPTS实现复帧同步实现复帧同步读广播信道读广播信道BCH扰码和基本训练扰码和基本训练序列码识别序列码识别在初始小区搜索中，UE搜索到一个小区，建立DwPTS同步，获得扰码和基本midamble码，控制复帧同步，然后读取BCH信息小区搜索过程小区搜索过程n第一步：搜索DwPTSlUE利用DwPTS中SYNC_DL得到与某一小区的DwPTS同步，这一步通常是通过一个或多个匹配滤波器(或类似的装置)与接收到的从PN序列中选出来的S

24、YNC_DL进行匹配实现。为实现这一步，可使用一个或多个匹配滤波器（或类似装置）。在这一步中，UE必须要识别出在该小区可能要使用的32个SYNC_DL中的哪一个SYNC_DL被使用小区搜索过程n第二步: 识别扰码和基本midamble码lUE接收到P-CCPCH上的midamble码，DwPTS紧随在P-CCPCH之后。在现在的TD-SCDMA系统中，每个DwPTS对应一组4个不同的基本midamble码，因此共有128个midamble码且互不重叠。基本midamble码的序号除以4就是SYNC_DL码的序号。因此说32个SYNC_ DL和P-CCPCH 32个midamble码组一一对应（

25、也就是说，一旦SYNC_DL确定之后，UE也就知道了该小区采用了哪4个midamble码），这时UE可以采用试探法和错误排除法确定P-CCPCH到底采用了哪个midamble码。在一帧中使用相同的基本midamble码。由于每个基本midamble码与扰码是相对应的，知道了midamble码也就知道了扰码。根据确认的结果， UE可以进行下一步或返回到第一步。小区搜索过程n第三步：控制复帧同步lUE搜索在P-CCPCH里的BCH的复帧MIB（Master Indication Block），它由经过QPSK 调制的DwPTS的相位序列（相对于在P-CCPCH上的midamble码）来标识。控制复

26、帧由调制在DwPTS上的QPSK符号序列来定位。n个连续的DwPTS足以可以检测出目前MIB在控制复帧中的位置。根据为了确定正确的midamble码所进行的控制复帧同步的结果，UE可决定是否执行下一步或回到第二步。n第四步：读BCH信息lUE读取被搜索到小区的一个或多个BCH上的（全）广播信息，根据读取的结果，UE可决定是回到以上的几步还是完成初始小区搜索。同步技术nTD-SCDMA系统中的同步技术n主要由两部分组成l基站间的同步（Synchronization of Node Bs）l基站与移动台间上行同步（Uplink Synchronization）同步技术基站间同步nTD-SCDMA系

27、统的TDD模式要求基站之间必须同步n 同步目的：避免相邻基站的收发时隙交叉，减小干扰n 基站间同步: 系统内各基站的运行采用相同的帧同步定时n 同步精度要求：几微秒n 同步方法：lGPS：l网络主从同步l空中主从同步BS0BS1BS2BS0BS1BS2BTS Tx RxG同步技术上行同步n定义：上行链路各终端信号在基站解调器基本同步。n目的：lCDMA码道正交；l降低码道间干扰；l提高CDMA容量；l简化硬件、降低成本。n上行同步过程主要用于随机接入过程和切换过程前，用于建立UE和基站之间的初始同步，也可以用于当系统失去上行同步时的再同步，同步的精度一般要求在1/81chip上行同步实现n同步的准备：建立下行同步n同步的建立：lUE通过对接收到的DwPTS和或P-CCPCH的 功率估