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第二章 TD-SCDMA 基本原理

第二章 TD-SCDMA 基本原理. 目标. 学习完本课程，您将会： 掌握 TD-SCDMA 系统的物理层结构 了解 TD-SCDMA 数据编码复用和发送过程. 课程内容. 物理层结构 信道结构 信道编码与复用 扩频与调制. 5 ms. 3. Carrier (optional). Power. density. 2. Carrier (opti. onal). DL. 15. Frequency. (CDMA. :. codes). 1.6 MHz. 0. Time. TS0. TS3. TS4. TS5. TS6. TS1.

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第二章 TD-SCDMA 基本原理

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  1. 第二章TD-SCDMA基本原理

  2. 目标 • 学习完本课程，您将会： • 掌握TD-SCDMA系统的物理层结构 • 了解TD-SCDMA数据编码复用和发送过程

  3. 课程内容 • 物理层结构 • 信道结构 • 信道编码与复用 • 扩频与调制

  4. 5 ms 3. Carrier (optional) Power density 2. Carrier (opti onal) DL 15 Frequency (CDMA : codes) 1.6 MHz 0 Time TS0 TS3 TS4 TS5 TS6 TS1 TS2 DL UL UL UL DL DL DL GP DwPTS UpPTS 物理层结构 什么是TD-SCDMA Time Division Duplex — Synchronous Code Division Multiplex Access

  5. System Frame Number Radio frame 10ms 5ms Sub-frame DwPTS UpPTS GP TS0 TS1 TS2 TS3 TS4 TS5 TS6 g L1 Data Midamble Data 144chips 675us(864chips) 物理层结构 物理信道帧结构 TD-SCDMA帧结构 每帧有两个上/下行转换点 TS0为下行时隙 TS1为上行时隙 三个特殊时隙GP, DwPTS, UpPTS 其余时隙可根据用户需要进行灵活UL/DL配置 所有的物理信道都采用四层结构：系统帧号、无线帧、子帧和时隙/码

  6. 物理层结构 物理信道帧结构 • 3GPP定义的一个TDMA帧长度为10ms。 • 一个10ms的帧分成两个结构完全相同的子帧，每个子帧的时长为5ms。这是考虑到了智能天线技术的运用，智能天线每隔5ms进行一次波束的赋形。 • 子帧分成7个常规时隙（TS0 ~ TS6），每个时隙长度为864chips，占675us）。

  7. 物理层结构 物理信道帧结构 • DwPTS（下行导频时隙，长度为96chips，占75us） • GP（保护间隔，长度96chips，75us） • UpPTS（上行导频时隙，长度160chips，125us） • 子帧总长度为6400chips，占5ms，得到码片速率为1.28Mcps。

  8. 物理层结构 物理信道帧结构 • TS0用作下行时隙来发送系统广播信息，广播信道PCCPCH占用该时隙进行发射。 • TS1总是固定地用作上行时隙。

  9. 物理层结构 物理信道帧结构 • 其它的常规时隙可以根据需要灵活地配置成上行或下行以实现不对称业务的传输，上下行的转换由一个转换点（Switch Point）分开。 • 每个5ms的子帧有两个转换点（DL到UL和UL到DL ），第一个转换点固定在TS0结束处，而第二个转换点则取决于小区上下行时隙的配置。

  10. Data 352chips Midamble 144chips Data 352chips GP 16 675 s 物理层结构 常规时隙 • 由864 Chips组成，时长675us； • 业务和信令数据由两块组成，每个数据块分别由352 Chips组成； • 训练序列(Midamble)由144 Chips组成； • 16 Chips为保护； • 可以进行波束赋形；

  11. 物理层结构 常规时隙 • Midamble码 • 整个系统有128个长度为128chips的基本midamble码，分成32个码组，每组4个。 • 一个小区采用哪组基本midamble码由基站决定，当建立起下行同步之后，移动台就知道所使用的midamble码组。 • Node B决定本小区将采用这4个基本midamble中的哪一个。同一时隙的不同用户将使用不同的训练序列位移。

  12. 物理层结构 常规时隙 • Midamble码 • 训练序列的作用： 上下行信道估计； 功率测量； 上行同步保持。 • 传输时Midamble码不进行基带处理和扩频，直接与经基带处理和扩频的数据一起发送，在信道解码时它被用作进行信道估计。

  13. 物理层结构 常规时隙－物理层信令TPC/SS/TFCI TPC symbols TPC symbols 4thpart of TFCI code word st rd 1 part of TFCI code word 3 part of TFCI code word 2ndpart of TFCI code word SS symbols • 位置：位于midamble的两侧 • TPC: 调整步长是1, 2或3dB • SS；最小精度是1/8个chip • TFCI；分四个部分位于相邻的两个子帧内 SS symbols G G Data symbols Data symbols Data symbols Midamble Data symbols Midambl e P P Time slot x (864 Chips) Time slot x (864 Chips) Sub-frame 5ms Sub-frame 5ms Radio Frame 10ms

  14. 物理层结构 常规时隙－物理层信令TPC/SS/TFCI

  15. 物理层结构 常规时隙－物理层信令TPC/SS/TFCI • TFCI（Transport Format Combination Indicator）用于指示传输的格式，对每一个CCTrCH，高层信令将指示所使用的TFCI格式。 • 对于每一个所分配的时隙是否承载TFCI信息也由高层分别告知。如果一个时隙包含TFCI信息，它总是按高层分配信息的顺序采用该时隙的第一个信道码进行扩频。TFCI是在各自相应物理信道的数据部分发送，这就是说TFCI和数据比特具有相同的扩频过程。 • 对于每个用户，TFCI信息将在每10ms无线帧里发送一次。

  16. 物理层结构 常规时隙－物理层信令TPC/SS/TFCI • TPC（Transmit Power Control）用于功率控制，该控制信号每个子帧（5ms）发射一次。这也意味着TD的功控频率是每秒200次。每次调整步长为1，2，3dB. • SS（Synchronization Shift）是TD-SCDMA系统中所特有的，用于实现上行同步，他也是每隔一个子帧进行一次调整。

  17. GP (32chips) SYNC-DL(64chips) 75 s 物理层结构 下行导频时隙DwPTS • 用于下行同步和小区搜索； • 该时隙由96 Chips组成: 32用于保护；64用于导频序列；时长75us • 32个不同的SYNC-DL码，用于区分不同的基站； • 为全向或扇区传输，不进行波束赋形。

  18. SYNC-UL(128chips) GP (32chips) 125 s 物理层结构 上行导频时隙UpPTS • 用于建立上行初始同步和随机接入，以及越区切换时邻近小区测量。 • 160 Chips: 其中128用于SYNC-UL，32用于保护。 • SYNC-UL有256种不同的码，可分为32个码组，以对应32个SYNC-DL码，每组有8个不同的SYNC-UL码，即每一个基站对应于8个确定的SYNC-UL码。 • NodeB从终端上行信号中获得初始波束赋形参数。

  19. 物理层结构 GP保护时隙 • 96 Chips保护时隙，时长75us； • 用于下行到上行转换的保护； • 在小区搜索时，确保DwPTS可靠接收，防止干扰UL工作； • 在随机接入时，确保UpPTS可以提前发射，防止干扰DL工作； • 确定基本的基站覆盖半径。

  20. 物理层结构 GP保护时隙

  21. 课程内容 • 物理层结构 • 信道结构 • 信道编码与复用 • 扩频与调制

  22. 信道结构 3种信道模式 • 逻辑信道： • 直接承载用户业务；根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务分为两大类，即控制信道和业务信道。 • 传输信道： • 无线接口层2和物理层的接口，是物理层对MAC层提供的服务；根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息分为专用信道和公共信道两大类。 • 物理信道： • 各种信息在无线接口传输时的最终体现形式，每一种使用特定的载波频率、码（扩频码和扰码）以及载波相对相位都可以理解为这一类特定的信道。

  23. RLC layer 逻辑信道 L2 MAC layer 传输信道 L1 PHY layer 物理信道 信道结构 信道概念

  24. 信道结构 传输信道及其分类 • 传输信道是由L1提供给高层的服务，根据在空中接口上如何传输及传输什么特性的数据来定义的。 • 传输信道一般可分为两组： • 专用信道DCH——在这类信道中，UE是通过物理信道来识别。 • 公共信道——在这类信道中，当消息是发给某一特定的UE时，需要有内识别信息；

  25. 信道结构 传输信道及其分类 • 公共信道——在这类信道中，当消息是发给某一特定的UE时，需要有内识别信息； • 广播信道BCH • 寻呼信道PCH • 前向接入信道FACH • 随机接入信道RACH • 上行共享信道USCH • 下行共享信道DSCH

  26. 信道结构 物理信道及其分类 • 物理信道根据其承载的信息不同被分成了不同的类别，有的物理信道用于承载传输信道的数据，而有些物理信道仅用于承载物理层自身的信息。 • ⒈ 专用物理信道DPCH • ⒉ 公共物理信道CPCH

  27. 信道结构 物理信道及其分类 • ⒉ 公共物理信道CPCH • ⑴ 主公共控制物理信道P-CCPCH • ⑵ 辅公共控制物理信道S-CCPCH • ⑶ 快速物理接入信道FPACH • ⑷ 物理随机接入信道PRACH • ⑸ 物理上行共享信道PUSCH • ⑹ 物理下行共享信道PDSCH • ⑺ 寻呼指示信道PICH • (8)下行导频信道DwPCH • (9)上行导频信道UpPCH

  28. 信道结构 专用物理信道 （DPCH） • 专用物理信道DPCH （Dedicated Physical CHannel）用于承载来自专用传输信道DCH的数据，DPCH所使用的码和时隙等配置信息是通过信令消息配置给UE的；

  29. 信道结构 专用物理信道 （DPCH） • DPCH可以位于频带内的任意时隙和任意允许的信道码，一个UE可以在同一时刻被配置多条DPCH，若UE允许多时隙能力，这些物理信道还可以位于不同的时隙，但是，对于上行多码传输，UE在每个时隙最多可以同时使用两个物理信道； • 下行物理信道采用的扩频因子为16和1，上行物理信道的扩频因子可以从1～16之间选择； DPCH支持TPC，SS，和TFCI所有物理层信令。

  30. 信道结构 专用物理信道 （DPCH） • 物理层将根据需要把来自一条或多条DCH组合在一条或多条编码组合传输信道CCTrCH（Coded Composite Transport CHannel）内，然后再根据所配置物理信道的容量将CCTrCH数据映射到物理信道的数据域； • 同时，一个 CCTrCH支持多个并行的物理信道，用于支持更高的数据速率，这些并行的物理信道可以采用不同的信道码同时发射。

  31. 信道结构 主公共控制物理信道（P-CCPCH） • 主公共控制物理信道（P-CCPCH，Primary Common Control Physical CHannel）仅用于承载来自传输信道BCH的数据，提供全小区覆盖模式下的系统信息广播， UE上电后将搜索并解码该信道上的数据以获取小区系统信息。 • 主公共控制物理信道是单向下行信道，帧格式中没有物理层信令TFCI、TPC或SS，为了满足信息容量的要求，P-CCPCH使用两个码分信道来承载BCH数据（P-CCPCH1和P-CCPCH2）。P-CCPCHs固定映射到时隙0（TS0）的扩频因子SF=16的两个码道 ；

  32. 信道结构 主公共控制物理信道（P-CCPCH） • 主公共控制物理信道作为信标信道（Beacon Channel）还具有以下特点 • 以参照功率进行发送； • 发送时不进行beamforming； • 在其占用的时隙专用m(1) 和 m(2) 两个训练码。 • 对P-CCPCH信道的测量是UE物理层的一个重要测量。

  33. 信道结构 辅公共控制物理信道（S-CCPCH） • 辅公共控制物理信道（S-CCPCH，Secondary Common Control Physical CHannel）用于承载来自传输信道FACH和PCH的数据，S-CCPCH所使用的码和时隙等配置信息在小区中广播。

  34. 信道结构 辅公共控制物理信道（S-CCPCH） • S-CCPCH是单向下行信道，固定使用SF=16的扩频因子，不使用物理层信令SS和TPC，但可以使用TFCI，信道的编码及交织周期为20ms。受容量限制，S-CCPCH也使用两个码分信道（S-CCPCH1和S-CCPCH2）来构成一个S-CCPCH信道对。 • 该信道可位于任一个下行时隙，使用时隙中的任意一对码分信道和Midamble移位序列。在TS0，主、辅公共控制信道也可以进行时分复用。在一个小区中，可以使用一对以上的S-CCPCHs。

  35. 信道结构 辅公共控制物理信道（S-CCPCH） • 物理层根据配置可以把来自一条或多条FACH和一条PCH的数据组合在一条编码组合传输信道CCTrCH（Coded Composite Transport CHannel）上，然后再根据所配置将CCTrCH数据映射到一条或者多条S-CCPCH物理信道上。

  36. 信道结构 物理随机接入信道（PRACH） • 物理随机接入信道（PRACH，Physical Random Access CHannel）用于承载来自传输信道RACH的数据，PRACH所使用的码和时隙等配置信息在小区中广播。 • PRACH为单向上行信道，它可以使用的扩频因子有16、8、4。受信道容量限制，对不同的扩频因子，信道的其它结构参数也相应发生变化：SF=16，持续时间为4个子帧（20 ms）；SF=8， 持续时间为2个子帧（10 ms）；SF=4，持续时间为1个子帧（5 ms）。

  37. 信道结构 物理随机接入信道（PRACH） • PRACH信道可位于任一上行时隙，使用任意允许的信道化码和Midamble位移序列。 • 小区中配置的PRACH信道（或SF=16时的信道对）数目与FPACH信道的数目有关，两者配对使用。传输信道RACH的数据不与来自其它传输信道的数据编码组合，因而PRACH信道上没有TFCI，也不使用SS和TPC控制符号。

  38. 信道结构 快速物理接入信道 （FPACH） • 快速物理接入信道（FPACH，Fast Physical Access CHannel）不承载传输信道信息，FPACH所使用的码和时隙等配置信息在小区中广播。 • FPACH是单向下行信道，扩频因子SF=16，单子帧交织，信道的持续时间为5 ms，数据域内包含SS和TPC控制符号，因为FPACH不承载来自传输信道的数据，也就不需要使用TFCI。 • Node B使用FPACH来响应在UpPTS时隙收到的UE接入请求，从而调整UE的发送功率和同步定时偏移。

  39. 信道结构 上行导频信道 （UpPCH） • 上行导频信道（UpPCH）就是整个上行导频时隙（UpPTS）。 • UpPTS时隙被UE用来发送上行同步码（SYNC_UL），建立与Node B的上行同步。 • Node B可以在同一子帧的UpPTS时隙识别最多8个不同的上行同步码（SYNC_UL）。多个UE可同时发起上行同步建立，但必须有不同的上行同步码。 • 可以理解为：一个小区最多可有8个用于上行同步建立的上行导频信道UpPCH同时存在。

  40. 信道结构 下行导频信道 （DwPCH） • 下行导频信道（DwPCH）就是整个下行导频时隙（DwPTS）； • DwPTS时隙被Node B用来发送下行同步码（SYNC_DL），UE用来建立与Node B的下行同步； • Node B必须在DwPTS发送唯一的下行同步码，具体值由配置决定，功率必须保证覆盖整个小区且保持不变； • 下行同步码作为TD-SCDMA系统中重要的资源只有32个，必须采用复用的方式在不同的小区中使用，一般而言，同频相邻小区将使用不同的下行同步码标识不同的小区。

  41. 信道结构 寻呼指示信道 （PICH） • 寻呼指示信道（PICH：Paging Indicator CHannel）不承载传输信道的数据， PICH所使用的码和时隙等配置信息在小区中广播。 • PICH为单向下行信道，PICH固定使用扩频因子SF=16。一个完整的PICH信道由两条码分信道构成。信道的持续时间为两个子帧（10 ms）。根据需要，也可将多个连续的PICH帧构成一个PICH块。 • PICH与传输信道PCH配对使用，用以指示特定的UE是否需要解读其后跟随的PCH信道（映射在S-CCPCH上）。

  42. 信道结构 共享物理信道 （PUSCH&PDSCH） • 物理上行共享信道（PUSCH，Physical Uplink Shared CHannel）用于承载来自传输信道USCH的数据。 • 物理下行共享信道（PDSCH：Physical Downlink Shared CHannel）用于承载来自传输信道DSCH的数据。 • 物理上下行共享信道的物理层参数与专用物理信道相同。 • 所谓共享指的是同一物理信道可由多个用户分时使用，或者说信道具有较短的持续时间。共享物理信道由系统预先建立，然后根据UE的业务需求，按照某种方式分配给某个UE使用。

  43. 说明： 左表中部分物理信道与传输信道并没有映射关系。按3GPP规定，只有映射到同一物理信道的传输信道才能够进行编码组合。由于PCH和FACH都映射到S-CCPCH，因此来自PCH和FACH的数据可以在物理层进行编码组合生成CCTrCH。其它的传输信道数据都只能自身组合成，而不能相互组合。另外，BCH和RACH由于自身性质的特殊性，也不可能进行组合。 信道结构 传输信道到物理信道的映射

  44. 信道结构 传输信道到物理信道的映射

  45. 说明： 上表中部分物理信道与传输信道并没有映射关系。 按3GPP规定，只有映射到同一物理信道的传输信道才能够进行编码组合。由于PCH和FACH都映射到S-CCPCH，因此来自PCH和FACH的数据可以在物理层进行编码组合生成CCTrCH。 其它的传输信道数据都只能自身组合而成，而不能相互组合。另外，BCH和RACH由于自身性质的特殊性，也不可能进行组合。 信道结构 传输信道到物理信道的映射

  46. 课程内容 • 物理层结构 • 信道结构 • 信道编码与复用 • 扩频与调制

  47. TD-SCDMA通信模型 调制 时隙 突发 脉冲 信道编码 交织 信源 编码 射频发射 Interleaving 加扰 扩频 无线信道 解调 时隙 信息 提取 去交织 信道 解码 射频接收 信源 解码 deinterleaving 解扰 解扩

  48. 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、交织后的数据 • 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

  49. TD-SCDMA的信源编码 • TD-SCDMA与WCDMA系统都是采用AMR (Adaptive Multi-Rate自适应多码率编码 ) 语音编码 • 编码共有8种，速率从12.2Kbps～4.75Kbps，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

  50. 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

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