-系统的组成及工作原理

6.9.2　TD-SCDMA系统的组成及工作原理

TD-SCDMA系统作为ITU第三代移动通信标准之一，其网络结构与WCDMA基本相通，也包括用户设备（UE）、无线接入网（UTRAN）和核心网（CN），相应接口定义也基本一致，可参见第5.6.3通用移动通信系统（UMTS）。

TD-SCDMA移动通信系统建设的目标是具有高频谱效率和高经济效益。为了实现这一目标，TD-SCDMA系统的具有如下特点：

（1）要求TD-SCDMA系统无论对于对称还是非对称业务，都要具有最佳的性能。

在时分双工TDD的模型下，可以改变上下行链路间转换点的位置，当进行对称业务时，选择对称的转换点位置；当进行非对称业务时，可以在一个适当的范围内选择转换点位置。从而实现对于对称和非对称业务都提高最佳的频谱利用率和最佳的业务容量的目的。

（2）TD-SCDMA具有业务类型转换功能。

它既可以在每个突发脉冲基础上利用码分多址和联合检测技术（多用户检测的一种）进行多用户传输，以提供速率为8～384kbit/s的语音和多媒体业务；也可以不进行信号的扩频，以提供更高速率的数据传输业务，如移动因特网的高数据率业务。

（3）灵活的传输方案。

TD-SCDMA系统的无线传输方案是FDMA、TDMA和CDMA三种基本传输技术的灵活结合应用，此外还应用了空分多址（SDMA）技术。这些技术使TD-SCDMA系统降低了小区间的干扰，从而允许更为密集的频谱复用，传输容量显著增长，频谱利用率显著提高。

TD-SCDMA基本参数如表6-12所示。

表6-12　TD-SCDMA系统基本参数

1.TD-SCDMA使用频段

国际电联规定的TDD制式3G核心频段为1 900MHz～1 920MHz和2 010MHz～2 025MHz，此外还包括1 880MHz～1 900MHz和2 300MHz～2 400MHz的TDD扩展频段。在3GPP规范中，TD-SCDMA使用的1 900MHz～1 920MHz与2 010MHz～2 025MHz频段被共称为A频段。

我国共有155MHz频谱划归TD-SCDMA使用。习惯上将这155MHz可用频段分为A/B/C三段。频段A：1 880MHz～1 920MHz，按照1.6MHz的信道间隔，可提供25个频道；频段B：2 010MHz～2 025MHz，可提供9个频道；频段C：2 300MHz～2 400MHz，可提供62个频道。

对于A频段，其中的1 900MHz～1 920MHz频段，从1998年起至今，被属于TDD的小灵通PHS系统实际使用。2009年2月工业和信息化部发文，1 900MHz～1 920MHz频段无线接入系统应在2011年年底前完成清频退网工作，以确保不对1 880MHz～1 900MHz频段TD-SCDMA系统产生有害干扰。这为TD-SCDMA采用A频段进行网络建设和业务发展提供了频率基础保障。

对于B频段，是现网规划和部署使用的主要频段，可用频点有9个，使用时可规划为室外6个，室内使用3个。

对于更高频率的C频段，目前尚无设备商提供同时支持A＋B＋C频段的产品，暂未使用。

2.TDD双工方式的特点

在TD-SCDMA系统中，采用时分双工（TDD）的方式，接收和发送使用同一频率载波的不同时隙作为信道的承载，用时间来保证接收与发送信道的分离。TDD双工方式的优点主要体现为：

（1）频谱灵活性

随着第三代移动通信（IMT-2000）时代的到来，多媒体业务对于频谱的需求日益增加。根据ITU的预测，至少需要380MHz的频率方能满足第三代移动通信在全世界的使用。由于频谱资源的紧张，而采用TDD方式的移动通信系统无须成对的频率，“见缝插针”的频谱利用方式便于配置在FDD系统所不易使用的更低频段的零散频段，具有一定的频谱灵活性。

（2）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2Mbit/s的数据业务和48路语音通信，使单一基站支持的用户数多，系统建网及服务费用降低。

（3）上下行使用相同的频率

采用TDD方式的移动通信系统上下行链路，工作于同一频率，电波传播的对称特性使之在降低功率控制要求的同时，有利于智能天线等新技术的应用。

（4）支持不对称数据业务

在第三代移动通信系统以及未来的移动通信系统中，除了提供语音业务之外，数据和多媒体业务将成为主要内容。由于数据和多媒体业务通常具有上、下行不对称特性，如果用FDD方式提供，将会造成上行资源的部分浪费。而在TDD方式移动通信系统中，通过调整时隙转换点，可提高下行时隙比例，从而具有一定的灵活性。

（5）成本较低

TDD方式的移动通信系统具有上、下行信道一致的特点，基站的接收和发送可以共用部分射频单元，从而在一定程度上降低了基站的制造成本，同时由于智能天线技术的引入，使用多个低功率功放代替大功率功放，节省了部分射频成本。但是TDD系统制造成本的降低要真正转化为市场成本的降低，依然需要产业发展和市场拓展的规模化。

TDD双工方式的技术风险主要体现为：

（1）支持用户高速移动的能力风险

在第三代移动通信系统中，由于FDD系统和TDD系统存在连续和非连续传输的差异，因此，ITU要求TDD方式系统移动速度达到120km/h，而FDD系统移动速度要求达到500km/h。在高速移动时，多普勒效应会导致快衰落，速度越高，衰落变换频率越高，衰落深度越大。由于快衰落对TDD方式的系统具有更大的影响，因此TDD系统在支持高速移动特性的终端实现方面存在一定的挑战。

（2）系统内和系统间干扰风险

TDD方式收、发信道同频，无法借助频率选择性进行干扰隔离。当和CDMA技术一起使用时，上、下行之间的干扰控制难度较大。

（3）实现较为复杂，需要同步

为避免相邻基站的收发时隙交叉，减小干扰，系统内各基站的运行可借助GPS采用主从同步方式实现网同步。

（4）全球范围内的产业链风险

与GSM、CDMA2000、WCDMA等FDD方式的移动通信系统相比，TDD在产业链发展、商用经验以及国际漫游方面存在一定挑战。因为FDD系统已占有庞大的市场份额，并具有其长期垄断经营形成的优势，如用户的认知、技术成熟和有效分布的基础设施等。

3.TD-SCDMA物理信道帧结构

在TD-SCDMA系统中，物理信道采用四层结构：系统帧号（超帧）、无线帧、子帧和时隙/码道，如图6-36所示。一个超帧长度为720ms，由72个无线帧组成，每个无线帧长为10ms。一个无线帧又可以分为两个相同的5ms的子帧，子帧是系统无线发送的最小单元。每个子帧由7个常规时隙和3个特殊时隙组成，3个特殊时隙分别是下行导频时隙（DwPTS）、上行导频时隙（UpPTS）和保护间隔（GP）。

图6-36　TD-SCDMA物理信道结构

（1）下行导频时隙（DwPTS）

TD-SCDMA系统使用下行导频时隙的原因是解决在蜂窝和移动环境下TDD系统的下行链路同步和初始小区搜索问题。当邻近小区使用相同的载波频率时，用户终端在一个小区交汇区域移动状态开机的条件下，下行导频时隙能保证用户终端在很短的时间（约3秒）内完成小区搜索并完成初始接入。

下行导频时隙由下行同步码（Synchronous Downlink，SYNC-DL）和保护间隔（GP）组成。下行同步码是一组伪随机序列码，用于区分不同的相邻小区。TD-SCDMA系统中，定义了32个码组，每组对应一个下行同步码，下行同步码在蜂窝网络中可以复用。

（2）上行导频时隙（UpPTS）

上行导频时隙用以实现用户设备与基站的初始同步。用户终端在随机接入时，并未达到上行同步，发射功率是用开环控制的，如果此接入信号和正在工作的码道混在一起，势必给工作中的码道带来较大的干扰，基站也较难识别此接入请求。然而，独立的上行导频时隙可以避免干扰，较好地解决随机接入过程同步和识别的问题。

上行导频时隙由上行同步码（Synchronous Uplink，SYNC-UL）和保护间隔组成。上行同步码也是一组伪随机序列码，用于在接入过程中区分不同的用户设备。

（3）保护间隔（GP）

保护间隔可以防止上行导频时隙与下行导频时隙信号相互干扰。

（4）常规时隙

TDD模式下的物理信道是把一个突发信息在所分配的无线帧的特定时隙中发射。时隙用于在时域上区分不同的用户信号。无线帧的分配可以是连续的，即每一帧的相应时隙都分配给某物理信道；也可以是不连续的，即将部分无线帧中的相应时隙分配给某物理信道。

在TD-SCDMA系统中，一个时隙中的信息格式称为突发（Burst）。突发由两个长度分别为352chip的数据块、一个长度为144chip的中间码以及一个长度为16chip的保护间隔组成，如图6-37所示。数据块的总长度为704，所包含的符号数与扩频因子有关。

图6-37　TD-SCDMA物理信道结构

突发结构中的中间码用来作为训练序列，用于进行信道估计、测量，如上行同步的保持以及功率测量等。

4.TD-SCDMA的多址技术

在TDD模式的CDMA系统中，信道的定义包括4种通信资源，即频域的载频、码域的扩频码、时域的时隙和空域的波束。因此，在TD-SCDMA系统中，采用了FDMA、TDMA、CDMA和SDMA 4种多址技术。系统在频分复用的基础上，将一路载波分成多个时隙，上下行链路分别在不同的时隙内进行通信实现时分双工，每个时隙内的资源通过码分的方式供多个用户复用，如图6-38所示。在此基础上，又通过智能天线技术形成特定的天线波束，通过定向发送和接收实现SDMA。

图6-38　TD-SCDMA的多址技术

5.动态信道分配

动态信道分配（DCA）是指在终端接入和链路持续期间，根据多小区之间的干扰情况和本小区内的干扰情况，进行信道的分配和调整。动态信道分配的目的是增加系统容量、降低干扰和提高信道利用率。

动态信道分配（DCA）按照通信资源可以分为时域DCA、频域DCA和空域DCA。借助时域DCA，系统将把干扰最小的时隙分配给用户。频域DCA通过改变载波进行频域的动态信息分配。通过使用自适应的智能天线，可以基于每一个用户进行动态信道分配。

按照信道分配的速率可以将动态信道分配DCA分为慢速DCA（slow DCA）和快速DCA（fast DCA）。慢速动态信道分配技术主要用在上下行业务比例不对称情况下，调整各小区上下行时隙比例；快速动态信道分配技术为申请接入的用户分配满足要求的无线资源，并根据系统状态对已分配的资源进行调整。

6.TD-SCDMA信道编码和复用

在TD-SCDMA系统中，到达编码/复用单元的数据以传送块集的形式，在每个传输时间间隔（Transmission Time Interval，TTI）传输一次。TTI备选值为5ms、10ms、20ms、40ms和80ms。

编码和复用要经过如下步骤完成：

（1）给每个传送块加循环冗余校验

循环冗余校验（CRC）是一种数据传输检错功能，对数据进行多项式计算，并将得到的结果附在帧的后面，接收设备也执行类似的算法，以保证数据传输的正确性和完整性。循环冗余校验为特殊传输信道上的传输块提供了错误检测的手段。根据不同的业务要求，CRC编码长度可以是0、8bit、16bit和24bit。

（2）传送块级联/编码块分割

将传送块顺序级联，并在一个传输时间间隔TTI内传输，如果传送块级联后的码块大于规定的最大尺寸，则进行码块分割。

（3）信道编码

在TD-SCDMA系统中，对于实时业务，仅采用前向纠错方式（FEC）；对于非实时业务，则需要联合使用前向纠错方式和检错重发方式（ARQ）。信道编码的类型包括卷积码、Turbo码和无编码。

（4）无线帧尺寸均衡

当传输时间间隔TTI大于10ms时，输入数据流将分段平均地映射到连续的无线帧中，无线帧尺寸均衡对输入数据流做填充操作，以实现输入数据流在各无线帧的平均的整数倍的分配。

（5）第一次交织

第一次交织在无线帧分段之前，对无线帧尺寸均衡后的数据流进行交织。

（6）无线帧分割

将第一次交织后的数据流分割成无线帧。

（7）速率匹配

速率匹配是指传输信道上的比特被重发（repeated）或者被打孔（punctured），以匹配物理信道的承载能力。打孔就是将当前的比特打掉，同时将后面的比特依次前移一位，重复就是在当前比特和后面的比特之间插入一次当前比特。解速率匹配算法与之相反，恢复被打掉的比特，或者打掉重复的比特。

一个传输信道中的比特数在不同的传送时间间隔内可能会发生变化。当在不同的传送时间间隔内所传输的比特数改变时，数据将被重复或打孔，以确保在传输信道复用后总的比特率与分配的专用物理信道的总比特率是相同的。速率匹配实现了对多数据速率业务的适应，即它可以消除多种不同速率业务之间的差异，使它们都能够在给定的物理层支持的速率上进行传输。

（8）传输信道复用

传输信道复用以串行的方式将多个传输信道连接起来，输出结果被称为编码复合传输信道（Coded Composite Transport Channel，CCTrCH）。

（9）比特加扰

在某些情况下，发送的数据中可能会有相同符号连续出现的情况，多个连续相同符号的出现将产生一定的直流偏移，从而导致链路性能的下降，采用比特加扰算法可以避免相同符号连续出现，从而避免链路性能的降低。

在TD-SCDMA系统中，采用周期为16的二进制扰码进行加扰操作。扰码共有128个，分为32组，每组4个，可供一个小区循环使用。通过加扰可以区分不同的小区。

（10）物理信道分割

当使用一个以上的物理信道时，将数据流分割后分配到不同的物理信道中去。

（11）第二次交织

在物理帧分割后，进行第二次交织。二次交织即可对编码复合传输信道所映射的一个无线帧所要发射的所有数据比特进行交织，也可以对编码复合传输信道所映射的各个时隙进行交织。

（12）无线子帧分割

无线子帧分割是将第二交织之后的数据流平均分配到两个5ms的无线子帧中去，速率匹配保证了这种平均分配。

经过上述一系列变换的单个数据流形成的传输信道可以映射到一个或多个物理信道。