第四章 TD-SCDMA 系统的基本参数和技术特点

第四章 TD-SCDMA系统的基本参数和技术特点 无线定位与空间测量研究所田增山无线定位与空间测量研究所田增山

主要内容 第一节TD-SCDMA发展历程第二节TD-SCDMA系统帧结构和基本参数第三节TD-SCDMA系统的主要特点 3.1TDD模式 3.2低码片速率 3.3上行同步 3.4接力切换 3.5智能天线 3.6软件无线电技术第四节TD-SCDMA系统的网络结构与接口无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 • TD-SCDMA是世界上第一个采用时分双工(TDD)方式和智能天线技术的公众陆地移动通信系统，也是唯一采用同步CDMA(SCDMA)技术和低码片速率(LCR)的第三代移动通信系统，同时采用了多用户检测、软件无线电、接力切换等一系列高新技术。在至今为止的其它公众陆地移动通信系统中都没有使用这些技术，为什么TD-SCDMA系统可以采用这些技术和保证它们很好工作的关键是智能天线技术和特殊的帧结构。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 • TD-SCDMA系统的TDD模式可以利用上下行信道的互易（或互惠）性，即基站对上行信道估计的信道参数可以用于智能天线的下行波束成型，这样相对于FDD模式的系统，智能天线技术比较容易实现。另外，TD-SCDMA系统的低码片速率使得基带信号处理量比WCDMA系统大大降低，这样目前的DSP技术可以较好的支持在TD-SCDMA系统中采用智能天线技术。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 • 由于TD-SCDMA系统中采用智能天线技术，使得TDD模式的缺点，比如接收灵敏度低、主要适合于低速移动环境、仅支持半径较小的小区等可以克服。采用智能天线后可以让TD-SCDMA系统的所有码道同时利用，这样克服了低码片速率支持的信息传输速率较低的问题。采用智能天线后可以实现单基站对移动台准确定位，从而接力切换可以实现。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 • TD-SCDMA系统的帧结构中专门设置了一个特殊时隙UpPTS，这样保证了上行同步的很好实现，由于系统上行同步，大大降低了系统的干扰，解决了CDMA系统上行容量受限的难题。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 • 采用智能天线技术仍然在多径高速移动环境下的性能方面不太理想，结合联合检测技术的智能天线使TD-SCDMA系统在快衰落情况下的性能进一步得到改善，从而使TD-SCDMA系统成为目前频谱效率最高的公众陆地移动通信系统。可以说TD-SCDMA系统是一个以智能天线为中心的第三代移动通信系统。 • 到目前为止，TD-SCDMA的发展历程大致为如下四个阶段（各阶段并没有严格的时间界限，这里主要为了阐述问题方便而划分的四个时间阶段）：无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 （1）准备阶段：从1995年到1998年6月。该阶段开始于1995年以电信科学技术研究院李世鹤博士、陈卫博士、徐广涵博士等为首的一批科研人员承担了国家九五重大科技攻关项目基于SCDMA的无线本地环路（WLL）系统研制，项目于1997年底通过国家验收，后获国家科技进步一等奖。原邮电部批准在此基础上按照ITU对第三代移动通信系统的要求形成我国TD-SCDMA第三代移动通信系统RTT标准的初稿，1998年6月底由电信科学技术研究院代表我国向ITU正式提交了TD-SCDMA标准草案。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 （2）标准确立阶段：1998年6月到2000年5月。该阶段从TD-SCDMA第三代移动通信系统RTT标准的初稿提交开始，ITU于1998年11月召开会议通过TD-SCDMA成为ITU的10个公众陆地第三代移动通信系统后选标准之一，之后 TD-SCDMA在国际上引起强烈反响，得到Siemens等一些著名公司的重视和支持。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 同时，重庆邮电学院通过信息产业部立项，启动了与TD-SCDMA第三代移动通信系统RTT技术配合的核心网技术研究，并向ITU提交了３份协议草案，其中基于直接归属命令的VHE业务控制规程被ITU采纳，写入ITU Q.1721/Q.FIF标准中。 1999年4月，国家安排由李世鹤博士率领电信科学技术研究院和重庆邮电学院的6位技术人员到德国与Siemens公司讨论TDD标准融合与系统设计问题，并开始了TD-SCDMA的技术验证准备。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 其后，在信息产业部领导下，通过电信科学技术研究院、中国移动、中国联通、中国电信、重庆邮电学院和Siemens等在一系列国际标准会议上的艰苦努力，1999年11月TD-SCDMA写入ITU-R M.1457中，并于1999年12月开始与UTRA TDD(也称为宽带TDD或HCR)在3GPP融合，最终在2000年5月伊斯坦布尔WARC会议上TD-SCDMA正式成为国际第三代移动通信系统。由于TD-SCDMA的独特技术特点和优势，与欧洲、日本提出的W-CDMA、美国提出的CDMA2000并列为国际公认的第三代移动通信系统3大主流标准之一。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 （3）技术验证阶段：2000年5月到2002年2月。1999年第四季度，电信科学技术研究院成立了专门的TDD开发部负责开发TSM(基于GSM核心网的TD-SCDMA标准)设备，在基站开发方面与Siemens合作，在测试终端开发方面与重庆邮电学院合作，2001年3月基站和测试终端先后开发完成，实现了语音呼叫，其后大唐和Siemens对基站进行了改进升级，2001年7月重庆邮电学院也在重庆开始独立的进行TSM终端开发。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 TD-SCDMA的研发一直受到国家的高度重视，先后被列为国家科技部“863”项目、信息产业部重大科技攻关项目和移动通信专项项目及国家计委“十五”产业化示范工程项目和北京市科委科技计划项目，并于2002年1月以最优等级通过了中国第三代移动通信系统研究开发项目C3G/863总体组的验收，2002年2月，为业界所关注的第一次TD-SCDMA户外移动通话公开演示会取得了圆满的成功。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 为了推动TD-SCDMA的发展，2000年10月重庆邮电学院控股的重庆重邮信科公司成立，2000年12月TD-SCDMA技术论坛成立，2002年1月由Nokia、TI、LG，普天，DBTeL和电信科学技术研究院（CATT）六家核心成员联合发起的专门开发TD-SCDMA手机芯片的凯明（Commit）公司在上海成立，2002年2月成立了大唐移动通信设备有限公司，从而全面拉开了TD-SCDMA技术产品开发和产业化的序幕。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 （4）产品开发阶段：2002年2月至今（2003年12月）。这一阶段为TD-SCDMA的发展的关键时期，值得记录的事件很多，这里只能提及一些有影响的方面。2002年5月，为了测试TD-SCDMA标准的组网性能，在重庆和成都的TD-SCDMA现场试验开始启动。10月25日，中国第三代移动通信频谱规划方案出台，为TD-SCDMA标准划分了总计155MHz（1880-1920MHz、2010-2025MHz及补充频段2300-2400MHz共计155MHz频率）的非对称频段，TD-SCDMA获得国家政策方面的强劲支持。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 10月30日，TD-SCDMA产业联盟成立大会在人民大会堂隆重举行，大唐移动、南方高科、华立、华为、联想、中兴、中国电子、中国普天等8家知名通信企业为首批成员，产业联盟的成立标志着TD-SCDMA得到了通信制造业的整体响应，其后于2003年12月加入了重庆重邮信科、北京天碁、海信集团、上海凯明、西安海天、展讯通讯等6家专注芯片开发和手机研制的企业，这样阵营覆盖了从系统到终端的完整产业链，被视为TD-SCDMA产业化进程中的重大里程碑。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 2002年11月，UT斯达康与大唐移动在北京正式签署合作协议，共同开发TD-SCDMA系统设备；2003年1月，大唐移动授权意法半导体使用TD-SCDMA专利技术开发多模式多媒体的片上系统；2003年1月20日，大唐移动、飞利浦、三星联手组建天碁（T3G）科技，进行TD-SCDMA手机芯片和人性化需求的TD-SCDMA商用手机开发。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 2003年3月3日，大唐移动TD-SCDMA产业园落户上海青浦工业园区；2003年3月19日, 美国泰克公司加入中国3G标准开发；2003年6月23日，TD-SCDMA 技术论坛加入3GPP 合作伙伴计划。2003年6月重庆重邮信科独立研制了第二版TSM小手机，在北京通过Siemens/大唐基站打通电话；2003年11月同大唐和Siemens在北京联合参加国际通信展，得到了业界的高度赞扬。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 • 独立研制的第二版TSM小手机利用通用芯片和软件无线电技术完成，是世界上第一家研制出的基于TSM的TD-SCDMA手机，该机与GSM手机大小相当，在重庆TD-SCDMA现场实验网中进行了通话功能的测试，并且在120km/h的时速下通话质量良好，这为TD-SCDMA手机产业化和商用化打下了良好的基础。TSM手机的研制成功，彻底改变了中国目前还没有一例TD-SCDMA手机的历史，同时也缩小了同其它两种3G制式的差距，结束了TD-SCDMA制式只有网络设备而没有终端设备的窘境，证实了TD-SCDMA制式技术上的可行性和先进性。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 • 2003年7月14日，西门子的TD-SCDMA 384k/bps数据传输现场演示会在北京举行，这标志着TD-SCDMA技术已日趋成熟，TD-SCDMA 商用指日可待。2003年7月25日，北电、大唐移动成立TD-SCDMA联合试验室，北电网络将提供核心网络设备，大唐将提供无线接入网设备，对TD-SCDMA系统功能、设备互联互通的性能以及产品的成熟度做完善的系统验证。2003年8月，TD-SCDMA 技术论坛和产业联盟联合在北京举行了TD-SCDMA高峰会议，使TD-SCDMA在影响力、市场认可程度等方面都取得了令人鼓舞的重大进展。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 2003年9月，国家启动了共7亿人民币的TD-SCDMA研发经费，这是仅次于航天工程的专项科研经费，再一次体现了国家对TD-SCDMA的坚定支持。2003年10月，Siemens与华为在北京成立合资公司，致力于TD-SCDMA系统的商用开发。2003年11月，大唐移动与中兴、普天集团签定TD-SCDMA基站深度合作协议，大唐移动向中兴、普天集团提供了详细的基站技术，两家公司将在此基础上尽快完成TD-SCDMA商用基站。无线定位与空间测量研究所田增山

第一节 TD-SCDMA发展历程 2003年12月，国家宣布了对WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三种第三代移动通信系统进行商用前的大规模外场测试，TD-SCDMA得到了中国移动、中国联通、中国电信、中国网通、中国铁通和中国卫通等六家运营商的集体支持。因此，可以说刚刚过去的2003年是TD-SCDMA发展过程中非常重要的一年。无线定位与空间测量研究所田增山

第二节TD-SCDMA系统帧结构和基本参数 要掌握TD-SCDMA系统，它的帧结构和基本参数是非常重要的，系统设计者在两方面都倾注了巨大的心血，与其它第三代移动通信标准相比，它有很多独特的地方，而这些独特性又是为了保证系统的性能和容量优势。无线定位与空间测量研究所田增山

第二节TD-SCDMA系统帧结构和基本参数 TD-SCDMA系统的帧结构如图1。物理信道用4层结构： • 超帧 • 无线帧 • 子帧 • 时隙/码无线定位与空间测量研究所田增山

第二节TD-SCDMA系统帧结构和基本参数 • 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5ms的子帧； • 每个子帧由长度675us的7个主时隙和3个特殊时隙：下行导频时隙（DwPTS，75us）、上行导频时隙（UpPTS，125us）和保护时隙（G，75us）构成。无线定位与空间测量研究所田增山

第二节TD-SCDMA系统帧结构和基本参数 在这7个主时隙中，Ts0总是分配给下行链路，而Ts1总是分配给上行链路，其它时隙随即可做上行链路的时隙，也可做下行链路的时隙。上行链路的时隙和下行链路的时隙之间由一个转换点分开，在TD-SCDMA系统的每个5ms的子帧中，有两个转换点（UL到DL和DL到UL），转换点的位置取决于小区上下行时隙的配置，这种灵活地配置方案，特别适合不对称业务的传输。无线定位与空间测量研究所田增山

第二节TD-SCDMA系统帧结构和基本参数 一个突发的持续时间就是一个时隙，主时隙突发结构由： • 两个数据符号域； • 一个144 Chips的Midamble码； • L1控制信息； • 16Chips的保护域组成；总共864 Chips长，数据域中每个比特用QPSK调制，扩频系数为1至16。无线定位与空间测量研究所田增山

第二节TD-SCDMA系统帧结构和基本参数 • Midamble码是作为训练序列，供多用户检测（联合检测或干扰抵销）时信道估值使用。 • 下行导频时隙（DwPTS）由64比特正交码组成，它是无线基站（小区）的导频信号，也是下行同步的信号。 • 上行导频时隙(UpPTS)由128比特正交码组成，它是用户终端（小区）的导频信号，主要用作上行同步 • 保护时隙（G）用于保护和区分上下行时隙，使距离较远的终端能实现上行同步，在TD-SCDMA系统中，此时隙的宽度保证了小区的最大半径可能达到10km以上。无线定位与空间测量研究所田增山

第二节TD-SCDMA系统帧结构和基本参数 • TD-SCDMA系统中时隙用于在时间域上区分不同用户信号，这在某种意义上有些TDMA的成分，对于TDMA系统的时隙内在码域上区分不同用户信号，这相当于CDMA的成分，另外，对给定的一段频率还可以在频域上分为一些带宽为1.6MHz的载波，这具有FDMA的成分，因此，TD-SCDMA系统的多址方式为FDMA+TDMA+CDMA。无线定位与空间测量研究所田增山

图1 TD-SCDMA系统的帧结构 无线定位与空间测量研究所田增山

Midamble- 144 chips 数据块-352chips GP- 16chip 数据块-352chips 675us*1.28=864chips 无线定位与空间测量研究所田增山

TD-SCDMA系统的基本参数可以归纳为下表： 无线定位与空间测量研究所田增山

第三节 TD-SCDMA系统的主要特点 • TD-SCDMA第三代移动通信系统的主要技术特点为：TDD（时分双工）模式、低码片速率、上行同步、接力切换、采用智能天线、软件无线电技术等，由于这些技术特点才使得它成为第三代移动通信系统的主流标准。下面分析这些特点及其作用。无线定位与空间测量研究所田增山

3.1 TDD模式 • TD-SCDMA系统采用TDD模式，与FDD(频分双工)方式中的接收和传送是在分离的两个对称频率信道上，用保证频段来分离接收与传送信道，在TDD时分双工方式中接收和传送是在同一频率信道即载波的不同时隙，用保证时间来分离接收与传送信道。其基本原理如图所示：无线定位与空间测量研究所田增山

图1.2 TDD和FDD原理 无线定位与空间测量研究所田增山

3.1 TDD模式 TDD模式带来如下优势： • 频谱灵活性：不需要成对的频谱，可以利用FDD无法利用的不对称频谱，结合TD-SCDMA系统的低码片速率特点，在频谱利用上可以作到‘见缝插针’，只要有一个载波的频段就可以使用，从而能够灵活有效的利用现有的频率资源, 目前移动通信系统面临的一个重大的问题就是频谱资源的极度紧张，在这种条件下，要找到符合要求的对称频段是非常困难的，因此TDD模式在频率资源紧张的今天受到特别的重视；无线定位与空间测量研究所田增山

3.1 TDD模式 • 更高的频谱利用率：TD-SCDMA系统可以在带宽为1.6MHz的单载波上提供高达2Mbps的数据业务和48路话音通信，使单一基站支持的用户数多，系统建网及服务费用降低；无线定位与空间测量研究所田增山

3.1 TDD模式 • 支持不对称数据业务：TDD可以根据上下行业务量来自适应调整上下行时隙个数，对于IP型的数据业务比例越来越大的今天特别重要，而FDD系统一建立通信就将分配到一对频率以分别支持上下行业务，在不对称业务中，当上下业务不对称时存在浪费，使得FDD频率利用率显著降低,尽管FDD系统也可以用不同宽度的频段来支持不对称业务，但一般组网分配时频段相对固定，不可能灵活使用(例如下行频段比上行频段宽一倍)；无线定位与空间测量研究所田增山

3.1 TDD模式 • 有利于采用新技术：上下行链路用相同的频率，其传播特性相同，功率控制要求降低，利于采用智能天线、预RAKE等新技术； • 成本低：无收发隔离的要求，可以使用单片IC来实现RF收发信机。无线定位与空间测量研究所田增山

3.1 TDD模式 • TDD模式也有一些缺点。一方面，TDD方式对定时和同步要求很严格，上下行之间需要保护时隙，同时对高速移动环境的支持也不如FDD方式；另一方面，TDD信号为脉冲突发形式，采用不连续发射（DTX），因此发射信号的峰-均功率比值较大，导致带外辐射较大，对RF实现提出了较高要求。TD-SCDMA系统中采用智能天线技术的解决方案，这些问题基本得到可以克服。可以说，TDD模式适合使用智能天线技术，智能天线技术又克服了TDD模式的缺点，两者是珠联璧合、相得益彰。无线定位与空间测量研究所田增山

3.2 低码片速率 • TD-SCDMA系统的码片速率为1.28Mcps，仅为高码片速率3.84Mcps的1/3，接收机接收信号采样后的数字信号处理量大大降低，从而降低系统设备成本，适合采用软件无线电技术，还可以在目前DSP的处理能力允许和成本可接受的条件下用智能天线、多用户检测、MIMO等新技术来降低干扰、提高容量。另外，低码片速率也提高了频谱利用率、使频率使用灵活。无线定位与空间测量研究所田增山

3.3 上行同步 • 所谓上行同步就是上行链路各终端的信号在基站解调器完全同步。在TD-SCDMA中用软件和帧结构设计来实现严格的上行同步，是一个同步的CDMA系统。通过上行同步，可以让使用正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克服了异步CDMA 多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同，造成码道非正交所带来的干扰，大大提高了CDMA系统容量，提高了频谱利用率，还可以简化硬件，降低成本。无线定位与空间测量研究所田增山

3.4 接力切换 • 由于TD-SCDMA系统采用智能天线，可以定位用户的方位和距离，所以系统可采用接力切换方式。两个小区的基站将接收来自同一手机的信号，两个小区都将对此手机定位，并在可能切换区域时，将此定位结果向基站控制器报告，基站控制器根据用户的方位和距离信息，判断手机用户现在是否移动到应该切换给另一基站的临近区域，并告知手机其周围同频基站信息，如果进入切换区，便由基站控制器通知另一基站做好切换准备，通过一个信令交换过程，手机就由一个小区象交接力棒一样切换到另一个小区。无线定位与空间测量研究所田增山

3.4 接力切换 • 这个切换过程具有软切换不丢失信息的优点，又克服了软切换对临近基站信道资源和服务基站下行信道资源浪费的缺点，简化了用户终端的设计。接力切换还具有较高的准确度和较短的切换时间，提高了切换成功率。无线定位与空间测量研究所田增山

3.5 智能天线 TD-SCDMA系统的TDD模式可以利用上下行信道的互惠性，即基站对上行信道估计的信道参数可以用于智能天线的下行波束成型，这样相对于FDD模式的系统智能天线技术比较容易实现。前面我们已经分析知道TD-SCDMA系统是一个以智能天线为中心的第三代移动通信系统，为什么在TD-SCDMA系统中TDD的间隔（子帧）定为5ms原因，是在综合考虑时隙个数和RF器件的切换速度两方面因素之后折衷确定的值。无线定位与空间测量研究所田增山

3.5 智能天线 采用智能天线可以带来如下优势： • 智能天线波束赋形的结果等效于增大天线的增益，提高接收灵敏度； • 智能天线天线波束赋形算法可以将多径传播综合考虑，克服了多径传播引起数字无线通信系统性能恶化，还可利用多径的能量来改善性能； • 智能天线波束赋形后，只有来自主瓣和较大旁瓣方向的才会对有用信号形成干扰，大大降低了多用户干扰问题，同时波束赋形后也大大减少了小区间干扰；无线定位与空间测量研究所田增山

3.5 智能天线 • 智能天线获取的DOA提供了用户终端的方位信息，以用来实现用户定位； • 智能天线系统虽使用了多部发射机，但可以用多只小功率放大器来代替大功率放大器，这样可降低基站的成本，同时，多部发射机增加了设备的冗余，提高了设备的可靠性； • 采用智能天线可以使发射需要的输入端信号功率降低，同时也意味着能承受更大的功率衰减量使得覆盖距离和范围增加；无线定位与空间测量研究所田增山

3.5 智能天线 • 智能天线具备定位和跟踪用户终端能力，从而可以自适应地调整系统参数以满足业务要求，这表明使用智能天线可以改变小区边界，能随着业务需求的变化为每个小区分配一定数量的信道，即实现信道的动态分配； • 智能天线获得的移动用户的位置信息，可以实现接力切换，避免了软切换中宏分集所占用的大量无线资源及频繁的切换，提高了系统容量和效率；无线定位与空间测量研究所田增山

第四章 TD-SCDMA 系统的基本参数和技术特点