G和TDSCDMA系统的关键技术课件

第三课：TD-SCDMA的关键技术第三课：TD-SCDMA的关键技术13G关键技术概论（1）初始同步与Rake多径分集接收技术CDMA通信系统接收机的初始同步包括PN码同步、符号同步、帧同步和扰码同步等。在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号分别进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。这种技术称为Rake多径分集接收技术。宏分集及越区软切换技术3G关键技术概论（1）初始同步与Rake多径分集接收技术23G关键技术概论RAKE接收机框图3G关键技术概论RAKE接收机框图33G关键技术概论（2）高效信道编译码技术在3G移动通信系统主要提案中（包括WCDMA和cdma2000等），除采用与IS-95CDMA系统相类似的卷积编码技术和交织技术之外，还建议采用Turbo编码技术及RS-卷积级联码技术。

（3）智能天线技术从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。智能天线包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其它移动台的干扰。3G关键技术概论（2）高效信道编译码技术（3）智能天线技术43G关键技术概论（4）多用户检测技术在传统的CDMA接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高。解决此问题的一个有效方法是使用多用户检测技术，通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。（5）功率控制技术在CDMA系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率控制技术成为CDMA系统中的最为重要的核心技术之一。3G关键技术概论（4）多用户检测技术（5）功率控制技术5主要内容智能天线技术多用户检测技术Turbo编译码技术接力切换软件无线电同步CDMA主要内容智能天线技术6主要内容智能天线技术多用户检测技术Turbo编译码技术接力切换软件无线电同步CDMA主要内容智能天线技术7智能天线的基本概念智能天线技术是基于自适应天线原理的一种适合于第三代移动通信系统的新技术。它利用天线阵列的波束会成和指向，而产生多个独立的波束，以自适应地调整其方向图以跟踪信号的变化；同时对干扰方向调零以减少甚至抵消干扰信号，以提高接收信号的载于比，增加系统的容量和频谱效率。智能天线采用空分多址（SDMA）技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。同无方向性天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。CDMA系统是个功率受限系统，智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了频谱利用率。智能天线的基本概念智能天线技术是基于自适应天线原理的一种适8智能天线的基本概念TD-SCDMA系统充分利用了CDMA、TDMA、FDMA和SDMA这四种多址方式的技术优势，使系统性能最佳化。智能天线的核心在于数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整系数以实现所需的空间滤波。智能天线须要解决的两个关键问题辨识信号的方向数字赋形的实现。智能无线的特点：能够以较低的代价换得无线覆盖范围、系统容量、业务质量、抗阻塞和掉后等性能的提高。在干扰和噪声环境下，通过其自身的反馈控制系统改变辐射单元的辐射方向图、频率响应以及其它参数，使接收机输出端有最大的信噪比。智能天线的基本概念TD-SCDMA系统充分利用了CDMA、T9智能天线的主要功能在CDMA系统（无论是TDD或FDD方式）中，采用智能天线和波束赋形技术，能够在多个方面大大改善通信系统的性能，概括地讲主要有：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，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。智能天线的主要功能在CDMA系统（无论是TDD或FDD方式）10智能天线的基本原理传统系统的天线发射无线射频信号时具有各向等效性，大多数发射能量被浪费，而且造成用户间干扰CDMA技术中，这种用户之间干扰是使系统性能和容量下降的主要原因。装备有自适应天线阵列IntelliCell的基站能够把大部分发射能量集中给目标用户，通过凹陷点抑制达到干扰抑制的目的，减少多径衰落的影响，提高信号增益。智能天线的基本原理传统系统的天线发射无线射频信号时具有各向等11智能天线的基本原理被动干扰抑制PassiveInterferenceMitigation主动干扰抑制ActiveInterferenceMitigation有效信号的增强干扰信号的抑制智能天线的基本原理被动干扰抑制主动干扰抑制有效信号的增强12天线阵列的选择天线阵元分布方式有直线型，平面型，圆环型和立体型。立体型天线阵列由于复杂程度和校准难度以及部署难度较大，所以实用的场合较少。一般来说，直线型和平面型更容易实现基站的定向覆盖。而且，在基站选址的问题上也更加灵活，直线型和平面型天线阵列可以很容易安置于高大建筑物的侧面，也可以安置于杆状建筑物如电线杆上。而圆环型天线阵列更适于安置于铁塔或楼房顶部，这样更方便提供全向覆盖。需要指出的是，圆环型天线阵列的天线校准难度比直线型和平面型要大。天线阵列的选择天线阵元分布方式有直线型，平面型，圆环型和立体13TD-SCDMA的智能天线TD-SCDMA的智能天线使用一个环形天线阵，由8个完全相同的天线元素均匀地分布在一个直径为25cm的圆上所组成。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在360°的范围内任意赋形。为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点，该零点处的天线辐射电平要比最大辐射方向低约40dB。。TD-SCDMA使用的智能天线N＝8时，比无方向性的单振子天线的增益分别大9dB（对接收）和18dB（对发射）。每个振子的增益为8dB，则该天线的最大接收增益为17dB，最大发射增益为26dB。由于基站智能天线的发射增益要比接收增益大得多，对于传输非对称的IP等数据、下载较大业务信息是非常适合的。TD-SCDMA的智能天线TD-SCDMA的智能天线使用一14TD-SCDMA中智能天线方案的要点（1）采用TDD工作方式，上下行信道对称，从上行接收信号中获取的加权矢量估计值可以直接用于下行波束赋形，不需转换；（2）依靠接收信号来对下行波束赋形；（3）采用低码片速率；（4）专用的下行导频时隙；（5）专用的上行导频时隙；（6）采用同步CDMA技术和严格的功率控制技术；TD-SCDMA中智能天线方案的要点（1）采用TDD工作方式15智能天线与联合检测算法的结合智能天线与联合检测算法相结合的结构原理图智能天线并不能完全消除干扰，必须与其他抗干扰技术相结合。智能天线与联合检测算法的结合智能天线与联合检测算法相结合的结16主要内容智能天线技术多用户检测技术Turbo编译码技术接力切换软件无线电同步CDMA主要内容智能天线技术17多用户检测（MUD）的意义所谓多用户检测接收即将多址用户的信息共同用来更好的检测单个用户的信号。多址干扰MAI（MultipleAccessInterference）“远近效应”传统的CDMA检测器分别对每个用户进行扩频码的相关运算，这种做法没有考虑MAI和普通白噪声的差异。MUD则充分利用各个用户的扩频序列、时延、幅度和相位信息对各用户进行联合检测，从总体上提高各个用户的性能。TD－SCDMA已决定采用多用户检测（联合检测）方案，而在W－CDMA和cdma2000等RTT方案中，虽然目前没有采用MUD，但均表示将适应技术的发展，在以后支持该项技术。多用户检测（MUD）的意义所谓多用户检测接收即将多址用户的信18多用户检测的研究现状和发展趋势

1986年，Verdu首先设计出了最大似然序列（MSL）检测器，结构上由匹配滤波器组加上Viterbi译码器组成。最大似然检测MSL虽然是一种最佳的检测器，但由于复杂度与用户数呈指数关系，硬件实现十分困难。次佳（sub-optimal）MUD，它们虽然性能上略差于MSL检测器，但复杂度却大大降低了。次佳MUD大体可归为线性MUD和非线性MUD两大类。多用户检测的研究现状和发展趋势1986年，Verdu首先设19线性MUD所谓线性MUD，是指先对匹配滤波器的输出进行一次线性变换，然后再判决。线性多用户检测主要有三种，解相关、最小均方误差检测器和多项式扩展检测器。这种接收机的优点是：1.不需要估计接收幅度。需要幅度估计的检测器通常对于估计错误十分敏感。2.计算复杂度远远低于最大似然检测器。每比特检测的复杂度是用户数的线性函数，除去计算求逆的代价。3.在对抗远近效应方面得到最优值。4.能够每次解相关一个比特。缺点是：1.这种检测器的缺点是它引起了噪声的增加。2.解相关检测器更大的缺点是需要计算矩阵R的逆，这是很难实时实现的。线性MUD所谓线性MUD，是指先对匹配滤波器的输出进行一次线20非线性MUD非线性MUD的基本思想：在接收端重构各个用户的MAI，并让它们和包含MAI的混合接收信号相减，使得MAI刚好抵消。在原理和结构上，非线性MUD与克服码间干扰（ISI）所用的判决反馈均衡器类似，故又称为判决反馈抵消器。常用的有两种：串行干扰抵消SIC和并行干扰抵消PIC。SIC先对所有用户按接收功率由大到小进行排序，然后对各用户逐一进行判决、MAI的重构和抵消。SIC在性能上比传统检测器有较大提高，而且硬件结构简单，易于实现。但是SIC每一级都有一个字符的时延，用户越多，时延越大；另外当信号功率强度顺序发生变化时要重新排序；如果初始数据判决不可靠的话，将对下级产生较大的干扰。PIC与SIC不同的是，PIC每一级都同时估计和去除所有用户造成的MAI，然后再进行数据的判决。由于它并行处理，克服了SIC时延大的缺点，而且无需在情况发生变化时进行重新排序，在各种MUD中具有较高的实用价值。非线性MUD非线性MUD的基本思想：21多用户检测技术的局限性用户检测不能够消除其它小区的MAI干扰对本小区的影响多用户检测技术不能直接用于下行链路的接收半盲和盲检测技术所谓半盲检测就是干扰用户特征序列部分已知部分未知条件下的检测，适用于小区基站；所谓盲检测就是不知道所有干扰用户特征序列条件下的检测，适用于移动台。两者的主要思想都是通过子空间跟踪技术获得信号子空间并利用它来消除未知用户造成的干扰。半盲检测器的代表有混合型半盲检测器，它采用了解相关和最小均分误差相结合的方法。盲检测器有基于信号子空间的MMSE盲检测器和基于正交投影的盲检测器。信号子空间跟踪结果的准确性直接影响了盲和半盲检测器的性能。多用户检测技术的局限性用户检测不能够消除其它小区的MAI干22主要内容智能天线技术多用户检测技术Turbo编译码技术接力切换软件无线电同步CDMA主要内容智能天线技术23Turbo码技术的背景1993年Turbo码的概念由法国学者Berrou等首次提出。Turbo码具有接近Shannon限的优越性能。Turbo码的基本原理是把信息源比特流通过交织卷积后的各子码组合成并行级联卷积码，然后通过译码器的反复迭代反馈得到卓越的译码性能。Turbo码不仅具有低信噪比下的优越解码性能，还有很强的抗衰落和抗干扰能力，因此这使其在情况复杂的移动通信信道上有很大的开发应用潜力Turbo码已经被3GPP正式采纳为IMT－2000的高速数据通信的信道编码标准之一。被国际电联采纳的、具有代表性的3个3G标准（WCDMA，CDMA－2000和TD－SCDMA）均在信道编码中使用了Turbo码，用以传输高速率、高质量的通信业务。Turbo码技术的背景1993年Turbo码的概念由法国学者24Turbo编码技术Turbo码是以一种并行级联卷积码的形式出现的，是对卷积码，最大后验概率(MAP)译码算法，乘积码和级联码等理论的巧妙的综合与发展。Turbo码是一种接近Shannon理论极限的信道编码方案。Turbo码编码器结构框图Turbo编码器主要由成员编码器RSC1、RSC2以及交织器组成，打孔器的目的是为了提高编码效率。Turbo编码技术Turbo码是以一种并行级联卷积码的形式出25Turbo码的译码Turbo码的译码方案采用迭代译码原理，目前应用最多的2种译码算法是SOVA（Soft-OutputViterbiAlgorithm）算法和MAP（Maximumapos-teriori）算法。SOVA算法追求的是整个码序列的最大概率，运算量较小，而且采用滑动窗法，可以大大减小时延。MAP算法追求的是每一个符号的最大概率，采用软输入软输出（SISO），使译码过程实现了伪随机化，从而达到接近香农限的良好性能。但是MAP算法的实现复杂度要比SOVA算法复杂得多，所以又在MAP算法的基础上衍生出max-log-MAP和log-MAP算法。Turbo码的译码Turbo码的译码方案采用迭代译码原理，目26Turbo码在3G中的应用由于Turbo码的卓越纠错性能和带宽效率，它已被3GPP正式接纳为第三代移动通信系统（3G）的编码标准。3G中Turbo码的应用如表1所示。Turbo码在3G中的应用由于Turbo码的卓越纠错性能和带27Turbo码在3G中的应用在3G中，Turbo码采用8状态编码器，约束长度为K＝4。分量编码器1和分量编码器2的码子生成器均为G1＝15，G2＝13，如图3。Turbo码在3G中的应用在3G中，Turbo码采用8状态编28主要内容智能天线技术多用户检测技术Turbo编译码技术接力切换软件无线电同步CDMA主要内容智能天线技术29接力切换的基本概念硬切换技术 早期的频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）移动通信系统中，采用的是“硬切换技术”，该技术使系统在切换过程中大约丢失300ms的信息，同时占用信道资源较多。软切换技术 高通公司开发的CDMAIS-95无线通信系统使用了“软切换技术”，软切换过程不丢失信息、不中断通信，还可增加CDMA系统的容量。 软切换技术只解决了终端在使用相同载波频率的小区或扇区间切换的问题，对于不同载波的基站之间，FDDCDMA系统仍然只能使用硬切换方式。 占用了较多的通信设备和信道，造成系统资源的浪费。接力切换的基本概念硬切换技术软切换技术30接力切换的基本概念接力切换是基于同步码分多址技术和智能天线结合的技术。移动系统中如何对移动用户进行准确定位一直是用户关心的话题，TD－SCDMA系统利用天线阵列和同步码分多址技术中码片周期的周密测定，可得出用户位置，然后在手机辅助之下，伺服基站根据周围的空中传播条件和信号质量，将手机切换到信号更为优良的基站。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，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，减少了切换引起的掉话率。接力切换的基本概念接力切换是基于同步码分多址技术和智能天线结31接力切换过程示意接力切换过程示意32主要内容智能天线技术多用户检测技术Turbo编译码技术接力切换软件无线电同步CDMA主要内容智能天线技术33软件无线电的基本概念软件无线电（SoftwareRadio）的核心思想是：A/D、D/A变换器尽量靠近天线(RF端)，也就是将硬件作为无线通信的基本通用平台，而用软件实现无线及个人通信功能。软件无线电主要优点是（1）灵活性，开放性；（2）可以代替昂贵的硬件电路来实现复杂的功能；（3）对环境的适应性好，不会老化。对TD-SCDMA系统来说，软件无线电可用来实现智能天线，同步检测和载波恢复等功能。软件无线电的基本概念软件无线电（SoftwareRadio34软件无线电的基本概念软件无线电设计可分两类：软件定义无线电(SDR)，能够控制和配置处理单元；软件无线电(SWR)，事实上由软件本身来完成信号处理。倘若能为软件控制设置必要的接口，SDR就可以应用FPGA等技术。SWR则不需要使用这类器件，而是通过在面向应用程序级的软件标准组件对象中进行信号处理，来增大灵活性。以当前的技术，前者更适于低层次应用，而后者则能够通过下载新软件的方式，对一个无线器件进行升级以适应新标准的要求。SWR具有这种潜能，是因为它所有的功能处理全部用软件实现，而不局限于某种特殊的处理单元。软件无线电的基本概念软件无线电设计可分两类：35软件无线电的发展历史序号时间发展历程11980年美国作做为可编程模块化通信技术开始研究开发SDR技术21992年由Joe.Mitola正式提出软件无线电的概念31994年SPEAKeasy(PHASEI)开发完毕41995年欧洲电信标准协会(ETSI)举荐SDR做通用移动通信系统(UMTS)；IEEECommunicationsMagazines出SR专辑51996年美国FAA要求研究使用SDR；组建SDR标准化组织模块化多功能传输系统论坛(MMITSForum)61997年由MMITS主持第一次SDR专题研讨会：71998年准备策划制定面向MMITS的规格；年底更名为软件无线电论坛（SDRF）81999年美国完成了SPEAKeasy(PHASEⅡ)的开发；92001年开始IMT-2000业务。软件无线电的发展历史序号时间发36软件无线电的未来潜能理想的软件无线电能动态适应传输系统的任一环节的变化，如调制、编码、信道协议以及带宽等等，并能够适应实时性变化，最大程度地利用有效频谱。软件无线电的灵活性能够去除静态设计的局限性，并能为无线通信系统提供新的功能。理想条件下，射频频谱可以任意分配。软件无线电可在微观上提高频谱效率。自动跟踪新技术的能力。软件无线电的未来潜能理想的软件无线电能动态适应传输系统的任37软件无线电的系统结构软件无线电的系统结构38软件无线电手机的概念化方案PDC模块IMT-2000模块

cdma-one模块GSM模块数字无线信号处理器宽带射频前端专用软件语言应用程序驱动模块操作系统D/AA/D无线函数库A/DD/ADSPFPGALNAPAMIX软件无线电手机的概念化方案PDC模块IMT-2000模块39软件无线电的开放式结构宽带射频板存储器板并行DSP板高速A/DD/A板VME主机板用户接口板音频视频传真数据VME总线多路耦合器高速数据总线软件无线电的开放式结构宽带射频板存储器40软件无线电需要解决的关键技术课题研究内容目标

RF处理射频领域的数字化技术·有关采样的信号处理技术·特性可灵活改变的接收滤波器·接收视前端软件化软件下载受制于各种媒体的软件下载技术·通信协议/空间接口的研究·保密技术·对更改功能/性能的要求做出迅速反应

软件天线智能天线技术(自适应天线)·射频波束形成技术·各种算法的实现·提高推断电波到来方向的精度·确保最佳收发特性环境适应技术按接收电波环境使接收特性达到最佳状态的技术·接收电波的自动识别和分析技术·软件自动下载技术·实现无缝无线电台

器件技术·A/D、D/A变换器·高速/高分辨率DSP·提高信号处理能力·研究最佳结构·小型轻量化·多功