第12章　TD-SCDMA移动通信系统

第12章TD-SCDMA移动通信系统

时分同步码分多址（TimeDivisionSynchronousCDMA，TD-SCDMA）是第三代移动通信系统采用的三大主流技术标准之一。TD-SCDMA核心网与WCDMA核心网基本相同，所不同的地方在于无线接入网络部分。

本章重点介绍TD-SCDMA物理层及空中接口采用的关键技术，主要内容如下：

TD-SCDMA系统的主要特点；

TD-SCDMA空中接口协议结构；

TD-SCDMA逻辑信道、传输信道和物理信道的作用及相互间映射关系；

TD-SCDMA物理信道分层、帧结构和突发结构；

TD-SCDMA信道编码与复用的作用及实现；

TD-SCDMA系统扩频、加扰及调制；

TD-SCDMA系统的码分配；

TD-SCDMA系统采用的关键技术，主要介绍智能天线、联合检测技术、接力切换、动态信道分配和软件无线电。

概述12.1TD-SCDMA空中接口12.2TD-SCDMA系统关键技术12.312.1概述

TD-SCDMA标准是中国信息产业部电信科学研究院在国家主管部门的支持下，根据多年的研究而提出的具有一定特色的第三代移动通信系统标准。

TD-SCDMA于2001年3月被第三代移动通信合作伙伴项目组织（3GPP）列为第三代移动通信采用的五种技术中的三大主流技术标准之一，与UMTS和IMT-2000的建议完全融合，其标准包含在3GPP的R4版本中，成为TD-SCDMA可完全商用版本的标准。

TD-SCDMA核心网与WCDMA核心网基本相同，所不同的地方在于无线接入网络部分。TD-SCDMA的目标是要确立一个具有高频谱效率和高经济效益的先进的移动通信系统，与WCDMA和CDMA2000标准比较，TD-SCDMA拥有独特的特点。

（1）TD-SCDMA系统采用混合多址方式。

图12-1

TD-SCDMA和WCDMA多址方式

（2）TD-SCDMA采用TDD双工方式。（3）TD-SCDMA的基本物理信道特性由频率、码和时隙决定。

（4）TD-SCDMA核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与它们的兼容性，TD-SCDMA支持多种通信接口，与WCDMA接口Iu、Iub、Iur等多种接口相同，可以单独组网或作为无线接入网和WCDMA混合组网。

（5）TD-SCDMA作为CDMATDD的一种，具备TDD的所有优点，如混合多址方式，上下行链路特性的一致，时隙按上下行链路所需数据量进行动态分配等。12.2

TD-SCDMA空中接口

12.2.1

TD-SCDMA空中接口协议结构

1．TD-SCDMA空中接口的协议结构 与介绍WCDMA的空中接口协议结构一样，TD-SCDMA系统的空中接口（Uu）的协议结构分为三层。

物理层、数据链路层和网络层，其中数据链路层由媒体接入控制子层（MAC）、无线链路控制子层（RLC）、分组数据协议汇聚子层（PDCP）和广播/多播控制子层（BMC）组成。

从不同协议层如何承载用户各种业务的角度将信道分成3类：逻辑信道、传输信道和物理信道。

2．TD-SCDMA系统信道介绍（1）逻辑信道（2）传输信道

①公共传输信道 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） 高速下行共享信道（HS-DSCH） ②专用传输信道

（3）物理信道（4）逻辑信道、传输信道和物理信道之间的映射关系

图12-2逻辑信道、传输信道与物理信道之间的映射关系

12.2.2

TD-SCDMA物理层 物理层是空中接口的最底层，支持数据流在物理介质上的传输，向高层提供数据传输业务。

每种无线传输技术的基本性能和特点是由其物理层所确定的，3G三大主流技术的主要区别在于物理层的空中接口技术。下面将介绍TD-SCDMA物理层的功能、物理信道分层、帧结构和突发结构。

1．TD-SCDMA物理层的主要功能

TD-SCDMA物理层的主要功能如下：（1）传输信道错误检测和上报；（2）传输信道前向纠错（FEC）编码和解码；

（3）传输信道的复用和解复用及传输信道和编码的组合；（4）传输信道到物理信道的映射；（5）物理信道的调制/扩频和解调/解扩；

（6）频率和系统时钟（码片、比特、时隙和子帧）同步；（7）功率控制；（8）物理信道的功率加权和合并；（9）射频处理；

（10）上行同步控制；（11）速率匹配；（12）无线特性测试，包括误帧率（FER）、信号干扰噪声比（SIR）、到达方向（DOA）等；

（13）智能天线的上行和下行波束赋形；（14）智能天线的UE定位。

2．TD-SCDMA物理信道分层

图12-3

TD-SCDMA物理信道的分层结构

3．TD-SCDMA物理信道帧结构

图12-4

TD-SCDMA无线子帧结构

图12-5

TD-SCDMA系统对称/非对称业务的时隙分配示意图

图12-6

DwPTS的时隙结构

图12-7UpPTS的时隙结构

4．TD-SCDMA突发结构

图12-8

TD-SCDMA系统的突发结构

（1）数据块

图12-9不发送SS和TPC时的物理层控制信令结构

图12-10发送SS和TPC时的物理层控制信令结构

（2）中间码

12.2.3

TD-SCDMA物理信道

TDD模式下的物理信道是把一个突发信息在所分配的无线帧的特定时隙中发射。

无线帧的分配可以是连续的，即每一帧的相应时隙都分配给某物理信道。无线帧的分配也可以是不连续的分配，即将部分无线帧中的相应时隙分配给该物理信道。TD-SCDMA系统的物理信道分为专用物理信道和公共物理信道。

1．专用物理信道（DPCH）

2．公共物理信道（CPCH）

（1）主公共控制物理信道（P-CCPCH）（2）辅助公共控制物理信道（S-CCPCH）（3）物理随机接入信道（PRACH）

（4）快速物理接入信道（FPACH）（5）物理上行共享信道（PUSCH）（6）物理下行共享信道（PDSCH）（7）寻呼指示信道（PICH）

12.2.4传输信道编码和复用 来自高层和MAC层的数据流成为到物理信道可以发射的信号一般需要经过传输信道编码和传输信道复用，再映射到物理信道对应的时隙位置，经扩频调制、加扰和射频调制发送。接收则是发送的逆过程。

图12-11传输信道编码/复用

12.2.5扩频与调制 图12-12所示为TD-SCDMA系统数据扩频调制方式的示意图，图中不包括正交的射频调制部分，由以下四部分组成。与WCDMA系统不同的是增加了子帧形成部分。

图12-12

TD-SCDMA系统QPSK数据扩频调制示意图

（1）串并变换和数据映射。（2）OVSF码扩频。（3）加扰。（4）子帧形成。

12.2.6

TD-SCDMA系统的码分配 标识小区的码称为下行同步码（SYNC-DL）序列，在下行导频时隙（DwPTS）发射。

基站将在小区的全方向或在固定波束方向发送DwPTS，同时起到导频和下行同步的作用。在整个系统中，共有32个长度为64chip的SYNC-DL码。。

随机接入的特征信号为上行同步码（SYNC-UL），在上行导频时隙（UpPTS）发射。随机接入和切换过程中需要上行同步，当UE准备进行空中登记和随机接入时将发射UpPTS。在整个系统中，共有256个长度为128chip的SYNC-UL码

12.3

TD-SCDMA系统关键技术

TD-SCDMA标准的提出虽然较晚于其他标准，但也正是因为这一点，TD-SCDMA吸纳了20世纪90年代移动通信领域最为先进的技术，包括智能天线、联合检测、上行同步、动态信道分配和接力切换等，这些关键技术也是TD-SCDMA和其他3G标准竞争的核心竞争力。

12.3.1智能天线技术

1．智能天线的特点 智能天线（SmartAntenna）是基于自适应天线阵原理，利用天线阵的波束赋形产生多个独立的波束，并自适应地调整波束方向来跟踪每一个用户，减小甚至抵消干扰信号，达到提高信号干扰噪声比（信干比），增加系统容量、频谱利用率和降低发射信号功率的目的。

智能天线技术是TD-SCDMA系统采用的核心技术之一，TD-SCDMA系统也是一个以智能天线为中心的3G网络系统。

2．智能天线的基本原理

智能天线的物理结构是一种由多个天线阵元组成的按一定配置排列的阵列天线。

（1）智能天线阵列 智能天线阵列本身由M个空间分布的天线阵元组成。到达天线阵的信号完全相关，每个阵元上的信号以相同的方式衰落。

根据天线阵列的几何形状，一般有等距离线阵、均匀圆阵、平面格状阵列和立体格状阵列等，阵元间距为小于或等于1/2波长。

图12-13

TD-SCDMA系统的智能天线

（2）智能天线的波束赋形技术 波束赋形是智能天线的关键技术，通常指根据测量及估算参数，实现信号的最佳组合或分配，补偿无线传播过程中由空间损耗、多径效应等因素引入的信号衰落，降低用户间的干扰，是提高信噪比、增加接收灵敏度的保证。波束赋形有两种方法。

（3）智能天线的工作方式 智能天线系统的工作方式有两种：预多波束工作方式和自适应阵列工作方式，相应地，智能天线系统分为预多波束切换系统和自适应阵列系统。

图12-14预多波束切换系统天线方向图

图12-15自适应阵列系统天线方向图

3．TD-SCDMA系统智能天线处理过程

TD-SCDMA系统智能天线处理过程如图12-16所示。

图12-16

TD-SCDMA系统智能天线

12.3.2联合检测技术

1．联合检测的基本概念 联合检测是多用户检测的一种，利用所有与ISI和MAI相关的先验信息，在一步之内将所有用户的信号分离出来。

使用联合检测技术，理论上可以完全抑制本小区的多址干扰和码间干扰，显著地提高系统的抗干扰能力和容量。

2．联合检测和智能天线的结合

图12-17智能天线和联合检测技术结合应用示意图

12.3.3接力切换 接力切换是TD-SCDMA系统的核心技术之一，是介于硬切换和软切换之间的一种新的切换方法。

移动台比较精确的位置信息，主要是通过对移动台的精确定位技术来获得。

接力切换虽然在某种程度上与硬切换类似，同样是在“先断后连”的情况下，但是由于其实现是以精确定位为前提，因而与硬切换相比UE可以很迅速地切换到目标小区，降低了切换时延，减小了切换引起的掉话率。

接力切换与软切换相比，两者都具有较高的切换成功率、较低的掉话率以及较小的上行干扰等优点。

接力切换过程包括三个步骤，即测量过程、判决过程和执行过程。

12.3.4动态信道分配 信道分配算法可以分为固定信道分配（FCA）和动态信道分配（DCA）两种。

12.3.5软件无线电 软件无线电（SDR）就是采用数字信号处理技术，在可编程控制的通用硬件平台上，利用软件来定义实现无线终端的各部分功能。

包括前端接收、中频处理以及信号的基带处理等。即整个无线终端从高频、中频、基带直到控制协议部分全部由软件编程来完成。

小结（1）TD-SCDMA被第三代移动通信合作伙伴项目组织（3GPP）列为三大主流技术标准之一，包含在3GPP的R4版本中。TD-SCDMA与WCDMA核心网结构基本相同，不同的地方在于无线接入网络部分。

（2）TD-SCDMA系统的空中接口（Uu）的协议结构与WCDMA的空中接口协议结构一样。从不同协议层如何承载用户业务的角度将信道分成3类：逻辑信道、传输信道和物理信道。

物理信道、逻辑信道与传输信道间有特定的映射关系。

①TD-SCDMA逻辑信道的控制信道增加了共享控制信道（SHCCH）。 ②传输信道定义了信息通过无线接口进行传输的方式。 ③TD-SCDMA系统中，物理信道是由频率、时隙、码字共同定义的。

（3）TD-SCDMA物理信道的帧结构分为四层：超帧（系统帧）、无线帧、子帧和时隙/码道。

一个超帧长720ms，由72个无线帧组成，每个无线帧长10ms，TD-SCDMA将每个无线帧分为两个相同的5ms子帧，两个子帧的结构完全相同，子帧是系统无线发送的最小单位。每个子帧由7个常规时隙和3个特殊时隙组成。

（4）在TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发（Burst）。TD-SCDMA系统采用的突发由两个长度分别为352chip的数据块、一个长度为144chip的中间码和一个长度为16chip的保护间隔（GP）组成。

（5）TD-SCDMA系统数据扩频、调制通过如下步骤完成，串并变换和数据映射、OVSF码扩频、加扰、子帧形成，得到I、Q支路数据输出后，通过升余弦滚降滤波器脉冲成型，然后分别用正交的载波进行射频调制后，合路发出。子帧形成过程为TD-SCDMA系统特有。

（6）标识小区的码称为下行同步码（SYNC-DL），随机接入的特征信号为上行同步码（SYNC-UL）。

中间码、SYNC-DL、SYN