1、,本页不打印,修订记录,TD-SCDMA无线接入网 原理与关键技术,培训目标,学完本课程后，您应该能： 了解TD-SCDMA 的发展历史，网络结构以及版本演进 描述TD-SCDMA通信模型各部分采用的主要技术 了解TD-SCDMA联合检测和智能天线的基本原理 知道TD-SCDMA 采用上行同步技术的原因 了解软件无线电技术的设计思想和对网络运营的益处 了解接力切换的原理和效果,目 录,TD-SCDMA发展历程 TD-SCDMA无线基本原理 TD-SCDMA关键技术,目 录,TD-SCDMA发展历程 TD-SCDMA无线基本原理 TD-SCDMA关键技术,移动通信发展历程,AMPS,TACS,N
2、MT,其它,第一代 80年代,模拟,移动通信发展历程,AMPS,TACS,NMT,其它,第一代 80年代,模拟,1995年11月，CATT（电信科学技术研究院）和美国Cwill公司合资成立信威公司，开发SCDMA（大灵通）无线通信系统 1998年6月，CATT代表中国向国际电联（ITU）提交TD-SCDMA技术提案 1999年10月，CATT和西门子公司组建联合团队，合作开发TD-SCDMA系统 1999年11月5日，TD-SCDMA写入ITU-R M.1457规范 2001年3月16日，TD-SCDMA 写入3GPP R4 系列规范，成为了真正意义上的可商用国际标准 2002年10月，中国为
3、TDD分配155MHz频率资源,TD-SCDMA发展历程,第三代公众移动通信系统的工作频段： （一）主要工作频段： 频分双工 (FDD) 方式：1920-1980MHz / 2110-2170MHz 时分双工 (TDD) 方式：1880-1920MHz、2010-2025MHz （二）补充工作频率： 频分双工 (FDD) 方式：1755-1785MHz / 1850-1880MHz 时分双工 (TDD) 方式：2300-2400MHz （三）卫星移动通信系统工作频段： 1980-2010MHz / 2170-2200MHz,中国3G频谱分配,2002年10月30日，TD-SCDMA 产业联盟正
4、式成立,TD-SCDMA发展历程 (续),2003年8月29日，华为和西门子成立了合资公司：鼎桥 (TD-TECH)，研发TD-SCDMA技术 2004 年12 月9 日，温家宝总理在荷兰接通了来自北京的全球第一个TD-SCDMA 商用手机国际长途电话 2005 年3 月，TD-SCDMA 试验网在北京建成 2006年1月20日信息产业部正式颁布，3G三大国际标准之一的“中国标准” TD-SCDMA为我国通信行业标准 2007年4月，中国移动TD-SCDMA网络建设揭开序幕 2008年4月1日，中国移动TD-SCDMA网络放号，开始商用,TD-SCDMA发展历程 (续),TD-SCDMA网络结
5、构,Q3,Q4,Q3,Q4,Q1,Q2,Q1,Q2,Q3,2000,2001,2002,Q1,Q2,Q3,2004,Q1,Q2,2007,3GPP R4 LCR TDD,3GPP R5 HSDPA,3GPP R6 MBMS,3GPP R7 HSUPA,TD-SCDMA 标准进展3GPP,3GPP R8 LTE TDD,2010,3G的业务应用会话型业务,语音业务和可视电话,3G的业务应用后台类业务,图铃下载,数据下载,E_mail收发,3G的业务应用流媒体业务,视频点播 (VOD),3G的业务应用交互类业务,目 录,TD-SCDMA发展历程 TD-SCDMA无线基本原理 TD-SCDMA关键技
6、术,频率,码,时间,FDMATDMACDMA,F3TS2码1,F3TS1码4,F1TS1码4,TD-SCDMA使用的多址接入技术： FDMATDMACDMASDMA（智能天线）,目 录,TD-SCDMA发展历程 TD-SCDMA无线基本原理 TD-SCDMA的语音编码 TD-SCDMA的信道编码 TD-SCDMA的帧结构和时隙结构 TD-SCDMA的扩频、加扰 TD-SCDMA的调制方式 TD-SCDMA关键技术,TD-SCDMA通信模型,信源 解码,信源 编码,Interleaving,deinterleaving,信道编码,信道 解码,调制,解调,射频发射,射频接收,无线信道,加扰,解扰,
7、扩频,解扩,时隙 突发 脉冲,时隙 信息 提取,常用术语,Bit（比特）：经过信源编码的，含有信息的数据 Symbol（符号）：经过信道编码后的数据 Chip（码片）：经过最终扩频得到的数据 Chip Rate (cps)：码片速率，CDMA系统的基础参数 TD-SCDMA系统码片速率为1.28Mcps Spreading Factor（SF，扩频因子）：扩频码的长度 符号速率SF码片速率,TD-SCDMA通信模型,信源 解码,信源 编码,调制,解调,射频发射,射频接收,无线信道,加扰,解扰,扩频,解扩,时隙 突发 脉冲,时隙 信息 提取,Interleaving,deinterleaving
8、,信道编码,信道 解码,TD-SCDMA的信源编码,TD-SCDMA与WCDMA系统都是采用AMR (Adaptive Multi-Rate) 语音编码 编码共有8种，速率从12.2Kbps4.75Kbps，与目前各种主流移动通信系统使用的编码方式兼容，有利于设计多模终端 12.2kbps (GSM-EFR), 10.2kbps, 7.95kbps 7.40kbps (IS-641,US-TDMA speech codec), 6.70kbps (PDC-EFR) 5.90kbps, 5.15kbps, 4.75kbps,TD-SCDMA通信模型,信源 解码,信源 编码,调制,解调,射频发射,
9、射频接收,无线信道,加扰,解扰,扩频,解扩,时隙 突发 脉冲,时隙 信息 提取,Interleaving,deinterleaving,信道编码,信道 解码,TD-SCDMA的信道编码,信道编码的作用：增加符号间的相关性，以便在受到干扰的情况下恢复信号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 编码类型 语音业务：卷积码（1/2、1/3） 数据业务：卷积码或Turbo码 编码效率将直接影响用户对数据业务的体验 根据信道质量情况，动态调整编码方式（AMC技术），可以极大地提高有效数据速率,TD-SCDMA通信模型,信源 解码
10、,信源 编码,调制,解调,射频发射,射频接收,无线信道,加扰,解扰,扩频,解扩,时隙 突发 脉冲,时隙 信息 提取,Interleaving,deinterleaving,信道编码,信道 解码,TD-SCDMA帧结构：73,7个常规时隙（TS0TS6）3个辅助时隙 DwPTS：下行导频时隙，用于下行同步 UpPTS：上行导频时隙，用于上行同步 GP：上行、下行同步间的保护时隙，决定了基站最大覆盖半径,无线帧 10ms,子帧,5ms,GP,DwPTS,UpPTS,TD-SCDMA 系统覆盖范围,基站最大覆盖距离（96chip/1.28Mcps光速）/ 211.25公里,DwPTS,DwPTS,U
11、pPTS,L,UpPTS,TS0,Gp,SYNC-DL t,TS1TS6,SYNC-UL t,TS1TS6,TS0,DwPTS,T=2 t,UpPTS,TD-SCDMA常规时隙（TS0TS6）结构,Midamble码：又称为训练序列，用于信道估计，估计结果用于联合检测和智能天线算法 物理层控制信息：物理层过程（如功率控制、上行同步调整等）的控制信号,TD-SCDMA通信模型,信源 解码,信源 编码,调制,解调,射频发射,射频接收,无线信道,加扰,解扰,扩频,解扩,时隙 突发 脉冲,时隙 信息 提取,Interleaving,deinterleaving,信道编码,信道 解码,TD-SCDMA使
12、用的扩频码：OVSF (Walsh),OVSF：正交可变扩频因子，由Walsh矩阵生成 码道定义：Cch SF, k, SF为扩频因子，k 为码道号, 0 k SF-1,TD-SCDMA典型业务需要的扩频码资源,TD-SCDMA使用的上行扩频因子为1/2/4/8/16，下行为1或16,典型业务的资源分配,PCCPCH,PCCPCH,SCCPCH,SCCPCH,SCCPCH,SCCPCH,PICH,FPACH,TS0,TS1,TS2,TS3,TS4,TS5,TS6,PICH,PRACH,TD-SCDMA通信模型,信源 解码,信源 编码,调制,解调,射频发射,射频接收,无线信道,加扰,解扰,扩频,
13、解扩,时隙 突发 脉冲,时隙 信息 提取,Interleaving,deinterleaving,信道编码,信道 解码,TD-SCDMA系统扩频码、扰码的区别,区别1：作用不同 扩频码用于区分同一个小区相同时隙内的不同用户 扰码用于区分不同小区，相邻小区需要分配不同的扰码区别2：对码序列的相关性的要求不同 扩频码只需要关注码间互相关特性 扰码不但关注码间互相关特性，还要考虑码本身的自相关特性,TD-SCDMA使用的扰码序列：Gold序列,Gold序列：由m序列的不同相位异或而成 比m序列数量多： 2n-1个（n为移位寄存器长度） 码间干扰比m序列稍大（大10左右）TD-SCDMA的扰码长度固定
14、为16chips，共有128个,TD-SCDMA通信模型,信源 解码,信源 编码,调制,解调,射频发射,射频接收,无线信道,加扰,解扰,扩频,解扩,时隙 突发 脉冲,时隙 信息 提取,Interleaving,deinterleaving,信道编码,信道 解码,调制的作用,把需要传递的信息送上射频信道 不同的调制方式可以极大地影响空中接口提供数据业务的能力 2PSK：定义2个相位，每个相位需要1个比特表示 00 1801 4PSK：定义4个相位，每个相位需要2个比特表示 000 9001 18010 27011 8PSK（EDGE采用）：定义8个相位，每个相位由3个比特表示0000 45 00
15、1 90010 135011 180100 225101 270110 315111,TD-SCDMA 调制方式,QPSK 4 相移键控,16QAM 16 正交幅度调整 用于HSDPA,目 录,TD-SCDMA发展历程 TD-SCDMA的双工技术和多址技术 TD-SCDMA无线基本原理 TD-SCDMA关键技术,时分双工方式,联合检测,智能天线,上行同步,软件无线电,接力切换.,TD-SCDMA系统的关键技术,目 录,TD-SCDMA发展历程 TD-SCDMA的双工技术和多址技术 TD-SCDMA无线基本原理 TD-SCDMA关键技术 联合检测 (Joint Detection) 智能天线 (
16、Smart Antenna) 上行同步 (Uplink Synchronization) 软件无线电 (Soft Defined Radio) 接力切换 (Baton Handover),多址干扰 (MAI),多径干扰 (ISI),扩频信号,功率,MAI,有用信号,a,c,b,+,=,移动通信系统中的干扰,传统接收机解调技术,每个用户的信号“分别”进行扩频码匹配处理 只有在理想正交的情况下，才能完全消除多址干扰的影响,联合检测的设计思想,对多个用户的信号进行“联合”处理，充分利用用户信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息，一步解调出所有用户的信号,用户1：e = a11*x1 + a21*x2
17、其中e, a11, a21已知，求解x1,联合求解： e = a11*x1 + a21*x2e = a12*x1 + a22*x2其中e, a11, a12 , a21, a22已知 求解x1 , x2,E = AX，确定性计算,用户2：e = a12*x1 + a22*x2其中e, a12, a22已知，求解x2,联合检测的数学模型,联合检测的信道模型,d：用户要传输的数据 c：用户使用的扩频码 h：信道冲激响应 n：高斯白噪声 e：基站接收到的数据,联合检测的信道估计,只要接收端知道A (扩频码c和信道冲激响应h)，就可以估计出符号序列d 扩频码c已知，信道冲击响应h可以利用突发结构中的训
18、练序列Midamble求解,h,M,M*,h = M*/ M,联合检测的效果,减少多址干扰和多径干扰，提高系统容量，提高小区覆盖，改善业务质量 克服CDMA特有的“远近效应”，降低对功率控制的要求,弱信号被离基站近的UE的信号“淹没”，无法通信,联合检测技术的后续发展,更快 加快计算速度，支持更多用户数，提高系统容量 更准 改进算法，支持对同频小区间用户得联合检测，进一步降低干扰 改进信道估计方法，尽量避免由于信道估计不准确影响干扰消除效果,目 录,TD-SCDMA发展历程 TD-SCDMA的双工技术和多址技术 TD-SCDMA无线基本原理 TD-SCDMA关键技术 联合检测 (Joint D
19、etection) 智能天线 (Smart Antenna) 上行同步 (Uplink Synchronization) 软件无线电 (Soft Defined Radio) 接力切换 (Baton Handover),智能天线的设计思想,没有智能天线的情况下，小区间用户干扰严重,使用智能天线的情况下，小区间用户干扰得到极大改善,智能天线系统的组成,天线阵列 圆阵或线阵收发信机 一个阵元一套射频收发单元智能天线算法,智能天线算法基本原理,上行：基站根据各个阵元接收信号的相位差估计UE的方向 下行：根据UE的方向，调整各个阵元上的振幅和相位，形成指向该UE的指向波束,智能天线的效果,对用户起到空
20、间隔离、消除干扰的作用 最大化对期望用户的能量 最小化对其他用户的干扰,用户间干扰 被有效抑制,智能天线的效果 (续),阵列天线和赋型算法可以提供15dB以上的额外增益，从而： 增加覆盖范围，减少站点数量（基站数目平均降低50%） 减少发射功率，延长移动台通话和待机时间 提高信号接收质量，增加系统容量 TD-SCDMA由于采用TDD双工方式，上下行信道特性一致，算法实现简单，非常适合采用智能天线,智能天线技术的后续发展,开发双极化智能天线，减小天线尺寸和重量采用光纤射频拉远单元 (RRU)，以光纤代替馈线，进一步降低天馈成本,目 录,TD-SCDMA发展历程 TD-SCDMA的双工技术和多址技
21、术 TD-SCDMA无线基本原理 TD-SCDMA关键技术 联合检测 (Joint Detection) 智能天线 (Smart Antenna) 上行同步 (Uplink Synchronization) 软件无线电 (Soft Defined Radio) 接力切换 (Baton Handover),A,B,C,D,时隙2,A,同一时隙 不同用户 到达基站时间点对齐,B,C,D,上行同步的基本概念,上行同步的目的,减小同时隙内用户间的上行多址干扰和多径干扰，增加小区容量和小区半径使TD-SCDMA具有区别于cdma2000和WCDMA的专利，拥有自主知识产权,SF = 4,Cch 4,0
22、= (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),1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,理想无时延,1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,延时1chip,1,1,-1,-1,1,-1,-1,1,上行同步建立,UE,Node B,UpPCH （UpPTS）,FPACH,PRACH（RACH）,SCCPCH（FACH）,终端选择SYNC-UL，以估算的时间和功率发送,基站检测到SYNC-UL，并回送定时和功率调整,调整定时和功率，发送随机接入请求,发送随机接入响应后，进行后续的信令接续,上
23、行同步保持,业务数据,GP 16,业务数据,SS,Midamble 144chips,目 录,TD-SCDMA发展历程 TD-SCDMA的双工技术和多址技术 TD-SCDMA无线基本原理 TD-SCDMA关键技术 联合检测 (Joint Detection) 智能天线 (Smart Antenna) 上行同步 (Uplink Synchronization) 软件无线电 (Soft Defined Radio) 接力切换 (Baton Handover),软件无线电（SDR）的由来,解决多制式系统的“互通性” 多种移动通信系统，各国制式、频率各不相同，不能互通、兼容，对于跨国漫游的人们带来了极
24、大的不便减少技术演进过程中的投资浪费 技术的演进需要更换硬件，极大地增加了设备投资的成本：基站要全部更换,软件无线电（SDR）的设计思想,尽可能以软件（算法）实现射频硬件部分的功能 构造一个具有开放性、标准化、模块化的通用硬件平台 各种功能，如工作频段、调制解调类型、数据格式、加密模式、通信协议等用软件来完成 使A/D和D/A转换器的工作频率尽可能靠近射频工作频段 新一代无线通信系统具有高度灵活性、开放性,软件无线电（SDR）实现的难点,高速数字信号采样技术 根据“奈奎斯特第一定律”，要想无失真地传递某一频率的信号，需要以不低于该信号最高频率2倍的采样速率进行采样！ 目前能够实现中频采样（10
25、0MHz左右），射频前端采用模拟技术实现 随着技术的发展，采样点逐渐向射频前端推进，最终达到射频部分完全数字化的目标 宽带天线,软件无线电（SDR）实现模型,采用SDR技术的基站设备,基带处理单元,TD-SCDMA维护单元,传输子系统,多模、多制式基带信号处理单元,GSM维护单元,多模、多载波射频单元 900M频段,多模、多载波射频单元 2.1G频段,MBBP,MBBP,LTE,LTE,SDR基站设备的后续演进,多模、宽带 射频单元,采用软件无线电后的效果,多种通信制式的设备共享硬件平台，节省机房，降低投资 技术演进时只需要进行软件升级，新技术、新制式网络建设速度大大加快,目 录,TD-SCD
26、MA发展历程 TD-SCDMA的双工技术和多址技术 TD-SCDMA无线基本原理 TD-SCDMA关键技术 联合检测 (Joint Detection) 智能天线 (Smart Antenna) 上行同步 (Uplink Synchronization) 软件无线电 (Soft Defined Radio) 接力切换 (Baton Handover),切换的分类,硬切换任何移动通信系统都能够支持 软切换CDMA特有（WCDMA，cdma2000） 接力切换TD-SCDMA特有,UE 移动方向,目标小区,源小区,硬切换,硬切换的特点 先中断源小区的链路，后建立目标小区的链路 通话会产生“缝隙”
27、适用于几乎所有切换场景,软切换,软切换特点 先建立目标小区链路，后中断源小区链路，可以避免通话“缝隙” CDMA系统所特有，而且只能发生在同频小区间 软切换比硬切换占用更多的系统资源,UE 移动方向,目标小区,源小区,没有通话“缝隙”,接力切换,接力切换的设计思想 利用上行同步技术，在切换测量期间，使用上行预同步的技术，提前获取切换后的上行信道发送时间、功率信息，从而达到减少切换时间，提高切换的成功率、降低切换掉话率的目的 接力切换的优势 相对于软切换，占用系统资源少，提高了系统容量 相对于硬切换，业务中断时间很短，且掉话率低,业务,同步,预 同 步,接力切换 (续),切换前,切换中,切换后,
28、总 结,TD-SCDMA的主要优势 频谱利用率高，不需成对的频谱，能够满足未来扩展需求，为频谱分配带来极大的灵活性 非对称上下行传输，经济高效地支持互联网接入业务 便于采用联合检测、智能天线等技术，实现对干扰的有效控制,总 结,TD-SCDMA目前的主要不足及改进措施 需要使用GPS保持基站间的同步，网络存在安全隐患 可以通过支持多种卫星同步系统，或使用IEEE1588时钟方案代替GPS 天馈系统复杂，安装、维护不方便 开发新型智能天线，减小天线尺寸 采用光纤射频拉远 (RRU)，以光纤代替馈线 覆盖半径不足 采用时隙扩展技术，理论最大覆盖距离可以扩展到100公里以上,总 结,信源 解码,信源
29、 编码,调制,解调,射频发射,射频接收,AMR,加扰,解扰,扩频,解扩,时隙 突发 脉冲,时隙 信息 提取,Interleaving,信道编码,信道 解码,卷积码 Turbo码,OVSF,Gold 长度16chip,智能天线 联合检测,QPSK 16QAM,问 题,TD-SCDMA标准被写入3GPP第几个版本规范中? TDD系统在中国分配的频谱？目前设备实现时用到哪个频段？ TD-SCDMA系统的载波带宽和码片速率各是多少？ TDD技术的特点，CDMA技术的特点。 TD-SCDMA采用的哪种语音编码？ 在TD-SCDMA系统中，区分用户、区分小区分别采用哪种码？各种典型业务的扩频因子？,问 题,TD-SCDMA采用哪些调制方式？ 请说明联合检测的设计思想，以及采用该技术后带来的好处。 请说明智能天线的设计思想，以及采用该技术后带来的好处。 请说明TD-SCDMA系统采用上行同步技术的原因。 请说明采用SDR思想设计的系统给网络运营带来的好处。 请说明硬切换、软切换和接力切换各自的特点。,
