TDSCDMA的系統結構及關鍵技術

2019-11-03 09:13:04

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供稿：網友

薛波，顏彪，徐中華，芮曉波
揚州大學信息工程學院江蘇

　　摘要：分析了第三代移動通信標準TDSCDMA的技術特點，詳細介紹了幾個關鍵技術，并進行了評價。

　　關鍵詞：第三代移動通信；TDSCDMA；碼分多址；智能天線

1引言

　　1998年，原郵電部電信科學技術研究院（大唐電信集團）在原郵電部科技司的領導和支持下，代表我國向國際電信聯盟（ITU）提出了第三代移動通信TDSCDMA（Time Division DuplexSynchronous Code Division access）標準建議。2000年5月，世界無線電行政大會正式批準把TDSCDMA作為第三代移動通信國際標準之一（M1457 IMT2000RSPEC）。這是一百多年來我國第一次向國際組織完整地提出自己的電信技術標準建議，標志著在移動通信技術方面我國已步入世界先進行列。

　　TDSCDMA具有上下行鏈路可以不對稱、頻譜利用率高、發射功率低等優點，非常適合第三代移動通信將大量應用的非對稱數據業務，并可以提供較高的系統容量。本文基于TD-SCDMA的主要技術特點，對其幾個關鍵技術做一下介紹。

2TDSCDMA系統結構

　　TDSCDMA系統的設計集FDMA，TDMA，CDMA和SDMA技術為一體，并考慮到當前中國和世界上大多數國家廣泛采用GSM第二代移動通信的客觀實際，他能夠由GSM平滑過渡到3G系統。TDSCDMA系統的功能模塊，如圖1所示，主要包括：用戶終端設備（UE）、基站（BTS）、基站控制器（BSC）和核心網。在建網初期，該系統的ip業務通過GPRS網關支持節點（GGSN）接入到X25分組交換機，話音和ISDN業務仍使用原來GSM的移動交換機。待基于IP的3G核心網建成后，將過渡到完全的TDSCDMA第三代移動通信系統。

3TDSCDMA關鍵技術

3.1智能天線

　　(1) 智能天線的基本概念

　　智能天線采用空分多址技術（SCDMA），利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區分開來，最大限度地利用有限的信道資源。無線基站中的智能天線由天線陣和基于基帶數字信號處理技術組成。

　　（2）智能天線的工作原理

　　圖2描述了一個具有智能天線、工作于TDD方式CDMA基站的示意方框圖。和傳統的沒有智能天線的基站比較，他在硬件上由一個天線陣和一組收發信機組成了其射頻部分，而在基帶信號處理部分的硬件則基本相同。必須說明的是，這一組收發信機將使用同一個本振源，以保證此組收發信機是相干工作的。

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　　圖2中，每個射頻收發信機都有ADC和DAC，將收到的基帶模擬信號轉換為數字信號；將待發射的數字信號轉換為模擬基帶信號。而所有收發數字信號都通過一組高速數字濾波器總線和基帶數字信號處理器來連接。

　　在圖2中，我們先研究來自多個用戶終端的信號。此上行信號是多址干擾、衰落、多經傳播和多譜勒頻移等效應，并存在其他干擾和白噪聲。將圖中第i個接收機在第n時刻的輸出用Si(n)表示。通過解擴和相應的數字信號處理，可以獲得對每個碼道的接收數據。如果以表示第j 碼道的第個符號的數據，則在基帶進行上行波束賦形（合成）后，將獲得智能天線的總接收數據為：

其中：W為上行波束賦形矩陣，其矩陣元素為Wij(∫)。

　　智能天線的下一步是實現其下行波束賦形，此用戶在第j碼道的第個符號可以表示為。而通過智能天線的下行波束賦形（調整基站中各個發射機所發射信號的幅度和相位），在第i個天線陣元所發射的信號可表示為：

　　顯然，為了獲得最佳接收效果，就必須找到一種好的上行波束形成算法，即求得W矩陣的方法；而為了讓此用戶獲得最好的信號，就必須找到一種好的下行波束形成算法，即求得U矩陣的方法。必須說明的是，在求此波束形成矩陣時，已知的僅僅是天線陣列的幾何結構和各種接收機所收到的信號。對此，學術界作了大量工作，有多種算法可以采用，其主要限制是在基帶信號處理能力和對系統實時性的要求。

　　作為一個簡化的特例，可以用最大功率合成算法，即令W=X，以獲得成形，在TDD方式的系統中，若組成智能天線系統的各射頻收發信機是全向的，由于其上下行電波傳播條件相同，則可以直接將此上行波束賦形矩陣使用于下行，即令U=W?！　DSCDMA天線使用一個環形天線陣，8個完全相同的天線元素均勻地分布在一個半徑為r的圓上。智能天線的功能是由天線陣及與其相連接的基帶數字信號處理部分共同完成的。該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個天線元相同。在360°范圍內任意賦形，為了消除干擾，波束賦形時還可以在有干擾的地方設置零點，該零點處的天線輻射電平比最大輻射方向約低40 dB。

　　對于環形天線陣的智能天線，當每個天線元的技術參數與性能指標完全相同，并采用最大功率合成時，該天線的增益表達式為：

其中：Gmax為智能天線的最大可能增益；

 GY為天線的元增益；

　　 N為天線陣元數目。

　　由此可見，當N=8時，TDSCDMA使用的智能天線比無方向性的單陣子天線增益分別大9 dB（對接收機）和18 dB（對發射機）。每個陣子的增益為8 dB，則天線的最大接收增益為17 dB，最大發射增益為26 dB。由于基站智能天線的發射增益比接收增益大得多，所以傳輸非對稱的IP等數據及下載量較大業務信息非常合適。

　　采用智能天線后，應用波束賦形技術顯著提高了基站的接收靈敏度和發射功率，大大降低系統內部的干擾和相鄰小區間的干擾，從而使系統容量擴大1倍以上。同時，還可以使業務高密度市區和郊區所需基站數目減少。天線增益的提高也能降低高頻放大器（HPA）的線性輸出功率，從而將顯著降低運營成本。

3.2接力切換

　?。?）接力切換的基本概念

　　TDSCDMA系統的接力切換不同于硬切換和軟切換，在切換之前，目標基站已經獲得移動臺比較精確的位置信息，因此在切換過程中UE先斷開與原基站連接之后，能迅速切換到目標基站。移動臺比較精確的位置信息，主要通過對移動臺比較精確的定位技術來獲得。

　　在TDSCDMA系統中，移動臺的精確定位應用了智能天線技術。首先，Node B利用天線陣估計UE的DOA，然后通過信號的往還時延，確定UE到Node B的距離，這樣，通過UE的方向DOA和BTS與UE間的距離信息，基站可以確知UE的位置信息，如果來自一個基站的信息不夠，可以讓幾個基站同時監測移動臺并進行定位。

　　在硬切換過程中，UE先斷開與Node B1（源基站）的信令和業務連接，再建立與Node B2（目標基站）的信令和業務連接，即UE在某一時刻與一個基站保持聯系。而在軟切換過程中，UE先建立與Node B2的信令和業務連接之后，在斷開與Node B1的信令和業務連接，即UE在某一時刻與2個基站同時保持聯系。

　　接力切換雖然在某種程度上與硬切換類似，同樣是在“先斷后連”的情況，但是由于其實現是以精確定位為前提，因而與硬切換相比，UE可以很迅速地切換到目標小區，降低了切換時延，減少了切換引起的掉話率。

　　（2）接力切換過程示意

　　接力切換整個過程如圖3所示。

　　第1步：UE與Node B1在進行正常通信（如圖3(a)）；

　　第2步：當UE需要切換并且網絡通過對UE候選小區測量找到了切換目標小區時，網絡向UE發送切換命令，UE就與目標小區建立上行同步，然后UE在與Node B1保持信令和業務連接的同時，與Node B2建立信令連接（如圖3(b)）；

　　第3步：當UE與Node B2信令連接建立之后，UE就刪除與Node B1的業務連接（如圖3(c)）；

　　第4步：UE嘗試與Node B2的業務連接，一旦UE與Node B2的業務連接建立（如圖3(d)）之后進行第5步；

　　第5步：UE刪除與Node B1的信令連接（如圖3（e）），這時UE與Node B1之間的業務和信令連接全部斷開了，而只與Node B2保持了信令和業務的連接，切換完成。

　　上面各圖以及過程描述都只針對切換成功的情況，而對于切換失敗的情況幾乎與上面過程相似，只是當UE嘗試與Node B2業務連接失敗以后，UE就恢復與Node B1之間的業務連接，之后刪除與Node B2的信令連接，這時UE與Node B2之間的業務與信令連接全部斷開，而仍只與Node B1保持了信令和業務的連接，切換完成。

3.3綜合采用多種多址方式

　　TDSCDMA綜合使用CDMA，TDMA，FDMA和SDMA四種多址方式，充分利用碼分、時分、頻分和空分制式技術優勢，最大限度地提高系統容量。TDSCDMA多址技術原理如圖4所示，其三維空間分別為CDMA碼道、頻率和時間。

　　圖4和圖5是典型的TDSCDMA信道結構，3個載波帶寬為16 MHz，用TDMA方式將每個載波分為7個業務時隙（5個下行時隙DL和2個上行時隙UL）和1個DL/UL隔離時隙，采用CDMA技術將每個時隙擴頻，最多可得16碼道（即擴頻系數為16），每個碼道可傳送一個用戶信息。

　　TDSCDMA的基本信元（RU）由時隙（TS）、頻率、碼道和擴頻系數16定義。RU在時間和CDMA碼道二維域的映射圖如圖5所示，可以看出，擴頻系數（SF）為2，4，8，16時，所對應信元RU1，RU2，…，RU16的模塊結構。

　　采用TDMA制式不僅能保證系統時隙間絕對隔離，而且有效支持TDD雙工方式，為引入智能天線、聯合檢測、功率控制、接力切換及DCA等先進技術奠定了基礎，有利于數據包的傳輸，支持非對稱數據流，如IP等業務。

3.4動態信道分配

　　為了提高系統容量、減少干擾、更有效地利用有限的信道資源，蜂窩移動通信系統普遍采用信道分配技術，即根據移動通信的實際情況及約束條件，設法使更多用戶接入的技術。信道分配有固定信道分配（FCA）、動態信道分配（DCA）和混合信道分配（HCA）3種。

　　TDSCDMA系統采用RNC集中控制的DCA技術，在一定區域內，將幾個小區的可用信道資源集中起來，由RNC統一管理，按小區呼叫阻塞率、候選信道使用頻率、信道再用距離等諸多因素，將信道動態分配給呼叫用戶。

　　信道動態分配分為2個階段：第1階段是呼叫接入的信道選擇，采用慢速DCA；第2階段是呼叫接入后為保證業務傳輸質量而進行的信道重選，采用快速DCA。RNC根據各相鄰小區占用的時隙，計算或測量時隙的干擾情況，動態地在RNC所管轄的各小區間、工作載波間及上下行鏈路之間進行時隙分配。

4結語

　　TDSCDMA的關鍵技術還有聯合檢測、同步以及軟件無線電等，限于篇幅有限，在這里就不一一介紹了。第三代移動通信系統是數字化、綜合化、智能化、寬帶化、移動化等通信技術的融合體，他的實現將是人類進入自由通信時代的理想境界個人通信的必由之路。我國所提出的TDSCDMA標準充分考慮了世界通信的發展趨勢，基于全球的GSM容量巨大和用戶眾多之現實，技術實現的出發點則采用繼承GSM制式，并在此基礎上充分利用CDMA的各項優點，把我國具有世界領先水平的移動通信技術有機地融入其中?？梢哉f，TDSCDMA技術在一定程度上代表了國際上移動通信無線傳輸技術的發展方向。

參考文獻

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摘自　現代電子技術

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