TD-SCDMA移动通信技术原理

tomtuo

　　TD-SCDMA移动通信标准是信息产业部电信科学技术研究院（现大唐电信集团）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。这是近百年来我国通信史上第一个具有完全自主知识产权的国际通信标准，它的出现在我国通信发展史上具有里程碑的意义，并将产生深远的影响，是整个中国通信业的重大突破。TD-SCDMA标准公开之后，在国际上引起了强烈的反响，得到西门子等许多著名公司的重视和支持。1999年月11月在芬兰赫尔辛基召开的ITU会议上，TD-SCDMA被列入ITU建议ITU-RM.1457，成为ITU认可的第三代移动通信无线传输主流技术之一。

一、TD-SCDMA技术概述
　　TD-SCDMA系统全面满足IMT-2000的基本要求。它采用不需配对频率的TDD双工模式，以及FDMA/TDMA/CDMA相结合的多址接入方式，同时使用1.28Mc/s的低码片率，扩频带宽为1.6MHz（表1）。

表1　TD-SCDMA主要参数

载波带宽	1.6MHz
最小频谱	1.6MHz
双工型式	TDD
多址方式	TDMA，CDMA，FDMA
码块速率	1.28Mc/s
调制	QPSK 8-PSK
最大蜂窝范围	40km
最大音频容量(Erl.)	EFR：55
数据流量	6Mb/s
理论最大数据率／用户	325kb/s/MHz/cell
系统对称性(DL:UP)	1:6-6:1

　　3G移动系统的主要挑战之一是既要控制诸如谈话和视频等对称线路交换业务，又要控制移动因特网接入的非对称分组交换业务。面对这一挑战，TD-SCDMA集成了两项先进技术：一种是先进的TDMA/TDD系统，另一种是自适应CDMA组成的对称模式的运作。
　　TD-SCDMA技术所基于的基本技术标准如下：
　　（1）TDD（时分双工），允许上行和下行在同一频段上，而不需要成对的频段。在TDD中，上行和下行在同一频率信道中的不同时间里传输。这可能改变双工交换点和从上行移动容量至下行，反之亦然，这样就优化了频谱的使用。它允许对称和非对称数据业务。
　　（2）TDMA（时分多址），是一种数字技术，它将每个频率信道分割为许多时隙，从而允许传输信道在同一时间由数个用户使用。
　　（3）CDMA（码分多址），在每个蜂窝区使多个用户同时接入同一无线信道成为可能，提高了通信息的密度。但每个用户会干扰其他人，从而导致多接入干扰（MAI）。
　　（4）联合检测（JD），允许接收机为所有信号同时估计无线信道和工作。通过单个通信流量的并行处理，JD消除了多接入干扰（MAI），降低了蜂窝区内干扰，因此提高了传输容量。
　　（5）动态信道分配（DCA），先进的TD-SCDMA空中接口充分利用了所有可提供的多址技术，充分地使用了这些技术。TD-SCDMA依据干扰方案提供了无线资源的自适应分配，降低了蜂窝区之间的干扰。
　　（6）终端互同步，通过精确的对每个终端传输时隙的调谐，TD-SCDMA改善了手机的跟踪，降低了定位的计算时间，以及交付寻找的寻找时间。由于同步，TD-SCDMA不需要软交付，这样可更有利于蜂窝覆盖区降低蜂窝间的干扰，并降低设施和运行成本。
　　（7）智能天线，是在蜂窝区域通过蜂窝和分配功率跟踪移动用户的使用的波形控制天线。没有智能天线，功率将分配至所有的蜂窝区域内。智能天线降低了多用户干扰，通过降低蜂窝间的干扰而提高了系统容量，提高了接收的灵敏度，并在增加蜂窝范围的同时降低了传输功率。

二、无线信道接入
1.TDMA/TDD
　　结合了TDD（时分双工）的TDMA（时分多址）极大地改善了网络的性能，在上行和下行方向，依据网络资源处理网络通信流量。TDMA使用了5ms的帧分成7个时隙，能够灵活地安排几个或一个要求多个时隙的用户。TDD允许流量上行的规格（从手机到基站），并使用同一帧的时隙下行（从基站到手机）。
　　对使用持续音频电话和视频电话（多媒体应用）的对称业务来说，双向传输的数量是相同的，上行或下行的时隙被平等地分开。对于使用因特网访问（下载）的非对称业务来说，从基站到终端的传输数据容量高。相对于上行，下行使用了更多的时隙（见图1）。

图1　TDMA/TDD

　　2.不成对频段与成对频段
　　在单一不成对的频段里数据加载的自适应上行／下行对称性的这一能力，优化了空中接口的容量，因此能更有效地使用频谱。相反，FDD（频分双工）方案——使用于传统的CDMA3G标准，使用一对频段分别上行或下行。作为对称加载，部分频谱被占用但没用于数据传输，这些闲置的资源也不能为其他业务使用，导致了频谱的非有效利用。未来的移动应用将要求所提供频谱的有效利用，以及具有控制极端非对称数据流量的能力。TD-SCDMA十分适合这些要求，被视为3G业务理想技术（见图2）。

图2　不成对频段与成对频段

　　3.集成TDMA/TDD和CDMA的操作
　　除了TDMA/TDD规格，TD-SCDMA使用CDMA（码分多址）来进一步增加无线界面的容量。根据CDMA，用户的信息码通过由CDMA的扩展码产生的随机码（来自芯片）来增加用户数据的方式铺在更宽广的带宽上。在每个时隙中，可传输最高达16个数字的CDMA码（CDMA的最大加载代理）。使用1.28Mc/s的芯片率，允许1.6MHz的带宽。根据其操作许可证，网络运营商配置多TD-SCDMA1.6MHz的载波带宽。每个无线电资源设备因此被特殊的时隙和特殊载波频率上的特别码所确认。为了达到高符码率，TDMA/TDD支持变量扩展代理和多码连接（见图3）。

图3　集成TDMA/TDD和CDMA的操作

三、联合检测
　　1.CDMA发射的问题和限制
　　移动无线电传播受多反射、衍射和信号能量衰减的影响，起因包括诸如楼房、山等普通障碍物，以及终端的移动性。其结果被称为多径传播，产生两种不同的衰落：慢衰落和快衰落。快衰落发生在不同延迟路径几乎在同一瞬间到达的时候，甚至接收机移动了短距离，也会发生信号的终止。慢衰落主要产生于渐变过程，信号能量通过明确的可识别时间瞬间到达接收机。
　　此外，这些信号的衰减相对于每一种移动通信都很普遍。CDMA传输因其“自干扰”特性而受限。每个CDMA信号与所有其他信号在相同无线载波上是超载的，而且接收的（宽带）信号可能比热噪音要低（图4a）。相关的接收器（匹配的过滤相关器）用来去扩展和接收原始用户的信号。理想的相关检测，将依靠扩展代理（相关增益）从干扰增殖中提高请求用户信号。不同码的正交性将保证请求信号的正确检测。
　　2.多接入干扰
　　CDMA系统的实际接收的扩展码并不是完全地正交，相关的处理不能如此有效。结果，多接入干扰（MCI）就在接收机里产生了：请求信号没有有效地从干扰用户中区分出来。不容易从MAI里显现出来的受检测信号相对于噪声来说要低（图4b）。多接入干扰使每个无线载波的通信流量受限。  

图4　联合检测

　　3.联合检测设备
　　一个有效的消除MAI的方法是在匹配过滤相关器的后面使用联合检测设备，这是一个扩展所有CDMA信号为并行的经过优化的多用户检测接收机。TD-SCDMA技术允许联合检测接收设备补充在基站和手机里。每个时隙里的特殊训练序列允许接收机评估无线信道的参数。使用特殊的算法，DSP将所有CDMA码扩展成并行，并去除由内在CDMA码造成的干扰（MAI），从而为CDMA码准备了一条清晰的信号（图4c）。

四、智能天线
　　使用全向天线，发射无线功率分发至整个蜂窝区。结果，使用相同的射频载波，蜂窝间的交扰产生于所有临近蜂窝区。为了进一步改善系统抗干扰的突发性，TD-SCDMA基站装备了智能天线，该天线利用了波束赋形概念。另外，
　　智能天线通过特殊的终端直接发射和接收信号，改善了基站接收机方向增益的灵敏性，增加了终端的接收功率，并降低了蜂窝区间和内部间的干扰。TD-SCDMA配置的智能天线技术不是传统的差异波交换天线，而是更先进的波束赋形（以及波束控制）双向自适应天线阵列。基站和手机间的各自的方向性由一个可编程的相关电子调相和调幅的8天线元件同中心阵列获得。终端跟踪由每秒200次的间隔5ms的测量到达的快角度所完成（见图5），并可低成本地提供基于位置的业务。

图5　智能天线

五、动态信道分配
　　蜂窝间界面的进一步优化由动态信道分配（DCA）获得。先进的TD-SCDMA无线界面充分利用了所有可提供多址技术的优势：TDMA（时分多址）、FDMA（频分多址）、CDMA（码分多址）和SDMA（空分多址）。充分地最佳使用了这些技术，TD-SCDMA依据界面方案提供了理想的和适应性的无线资源分配，使蜂窝间干扰最小化。
　　使用DCA的三种不同方式
　　（1）时间域DCA（TDMA操作），通信量动态地分配至最小干扰的时隙里。
　　（2）频率域DCA（FDMA操作），通信量动态地分配至最小干扰的无线载波（在5MHz频段上可提供3个1.6MHz载波）。
　　（3）空间域CDA（SDMA操作）：自适应智能天线选择最合适的方向以单一用户方式来解除这种组合。
　　（4）编码域CDA（CDMA操作）：通信量随机地分配至最少干扰的编码（见图6）。

图6　动态信道分配

六、终端同步
　　像所有的TDMA系统（GSM包括在内）一样，TD-SCDMA需要手机和基站之间的精确同步。这一同步因用户的移动性而更加复杂，这是因为他们相对基站的距离在变化，他们的信号的传播时间也在不断变化。预先置于手机里的精确的计时在传输中消除了上述变化的时间延迟。为了补充这些延时，避免邻近时隙的干扰，手机预先在接收和发射间设有时间补偿，这样使得到达帧可在基站同步（见图7）。

图7　终端同步

　　信号到达基站的这一精确同步的效果，使多用户的联合检测得到了极大的改善。同步配置提供了优于异步的许多优点。首先，终端的可跟踪性得到改善，定位时间的计算明显地降低了。此外，在同步系统中，手机在不能自动接收或发射时，能够进行相邻基站无线链接质量的性能测量。这样就降低了交付寻找的寻找时间，并在邻近时间里产生极大的改善。正因为同步，TD-SCDMA不需依靠软交付在蜂窝边缘来改善覆盖和降低干扰。