第10章-TD-SCDMA移动通信系统.doc

第10章 TD-SCDMA移动通信系统教学内容、难点等教学内容： TD-SCDMA系统的主要特点，空中接口协议结构； TD-SCDMA逻辑信道、传输信道和物理信道相互间映射关系，物理信道的功能； TD-SCDMA HSDPA/HSUPA网络特点。 教学要求 掌握TD-SCDMA系统的主要特点，空中接口协议结构； 掌握TD-SCDMA逻辑信道、传输信道和物理信道相互间映射关系； 掌握TD-SCDMA物理信道的功能、分层、帧结构和突发结构； 了解TD-SCDMA HSDPA/HSUPA网络特点。重点难点 掌握TD-SCDMA系统的主要特点，空中接口协议结构； 掌握TD-SCDMA逻辑信道、传输信道和物理信道相互间映射关系； 掌握TD-SCDMA物理信道的功能、分层、帧结构和突发结构；10.1 概述TD-SCDMA的目标是要确立一个具有高频谱效率和高经济效益的先进的移动通信系统，与WCDMA和CDMA2000标准比较，TD-SCDMA拥有独特的特点。1.混合多址方式TD-SCDMA系统采用混合多址接入方式。TD-SCDMA无线传输方案是FDMA、TDMA和CDMA三种基本多址技术的结合应用，如图10-1（a）所示。鉴于智能天线与联合检测技术相结合应用在TD-SCDMA系统，相当于引入了空分多址（SDMA）技术。所以也可以认为TD-SCDMA系统综合运用了TDMA/CDMA/FDMA/SDMA多址接入技术。图10-1 TD-SCDMA和WCDMA多址方式2.TDD双工方式TD-SCDMA采用TDD双工方式。在TDD模式下，通过周期性地转换传输方向，允许在同一个载波上交替地进行上下行链路传输。TDD方案的优势在于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，可在一个适当的范围内选择转换点位置。这样，对于对称和非对称两种业务，TDD模式都可提供最佳的频谱利用率和最佳的业务容量，特别适合移动Internet业务。3.TD-SCDMA的物理信道TD-SCDMA的基本物理信道特性由频率、码和时隙决定。其帧结构将10ms的无线帧分成两个5ms子帧，每个子帧中有7个常规时隙和3个特殊时隙。信道的信息速率与符号速率有关，符号速率由1.28Mcps的码片速率和扩频因子(SF)所决定。4.TD-SCDMA核心网络TD-SCDMA核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与它们的兼容性， TD-SCDMA支持多种通信接口，与WCDMA接口Iu、Iub、Iur等多种接口相同，可以单独组网或作为无线接入网和WCDMA混合组网。具有较好的网络兼容性和灵活的组网方式，支持2G向3G演进和平滑过渡。5.TD-SCDMA网络中的关键技术TD-SCDMA作为CDMA TDD的一种，具备TDD的所有优点，如混合多址方式，上下行链路特性的一致，时隙按上下行链路所需数据量进行动态分配等。TD-SCDMA独特的帧结构保证它可以采用一些先进的物理层技术，主要有智能天线技术、联合检测技术、上行同步、接力切换和动态信道分配等，从而提高系统的性能。这些关键技术也是TD-SCDMA和其它3G标准竞争的核心竞争力。 10.2 TD-SCDMA空中接口10.2.1 TD-SCDMA空中接口协议结构1.TD-SCDMA空中接口的协议结构TD-SCDMA空中接口协议结构如图10-2所示。图10-2 空中接口协议结构与WCDMA的空中接口协议结构一样，TD-SCDMA系统的空中接口(Uu)的协议结构分为三层，物理层、数据链路层和网络层，其中数据链路层由媒体接入控制子层（MAC）、无线链路控制子层（RLC）、分组数据协议汇聚子层（PDCP）和广播/多播控制子层（BMC）组成。从不同协议层如何承载用户各种业务的角度将信道分成3类：逻辑信道、传输信道和物理信道。2. TD-SCDMA系统信道介绍（1）逻辑信道逻辑信道通常分为两大类：用来传输控制平面信息的控制信道和传输用户平面信息的业务信道。控制信道包括广播控制信道(BCCH，Broadcast Control Channel)、寻呼控制信道(PCCH，Paging Control Channel)、公共控制信道(CCCH，Common Control Channel)、专用控制信道(DCCH，Dedicated Control Channel)和共享控制信道(SHCCH，Share Control Channel)。业务信道包括公共业务信道(CTCH，Common Traffic Channel)和专用业务信道(DTCH，Dedicated Traffic Channel) 。TD-SCDMA逻辑信道的分类与WCDMA基本一致，只是在控制信道里增加了共享控制信道(SHCCH)，用来在网络和终端之间传输控制信息的双向信道，完成对上下行共享信道控制功能。 （2）传输信道传输信道可分为两类：某一时刻信道上的信息是发送给所有用户或一组用户的公共传输信道，信道上的信息在某一时刻只发送给单一用户的专用传输信道。 公共传输信道考虑到TD增强技术，公共传输信道有7类：l 广播信道(BCH，Broadcast Channel)：用于广播系统和小区的特有信息的下行传输信道。l 寻呼信道(PCH，Paging Channel)：当系统不知道移动台所在的小区时，用于向移动台发送控制信息的下行传输信道。l 前向接入信道(FACH，Forward Access Channel)：当系统知道移动台所在的小区时，用于向移动台发送控制信息的下行传输信道，也可以承载一些短的用户信息数据分组。l 随机接入信道(RACH，Random Access Channel)：用于承载来自移动台信息的上行传输信道，也可以承载一些短的用户信息数据分组。l 上行共享信道(USCH，Uplink Share Channel)：由几个UE共享的上行传输信道，用于承载专用控制数据或业务数据。l 下行共享信道(DSCH，Downlink Share Channel)：由几个UE共享的下行传输信道，用于承载专用控制数据或业务数据。l 高速下行共享信道（HS-DSCH，High Speed Downlink Share Channel）：由几个用户共享的下行传输信道，对应一条或多条共享控制信道。 专用传输信道仅有一类专用传输信道(DCH，Dedicated Channel)，可用于上下行链路作为承载网络和特定UE之间的用户信息或控制信息。 （3）物理信道TD-SCDMA系统中，物理信道是由频率、时隙、码字共同定义的，建立一个物理信道的同时，也就给出了它的初始结构。按其承载的不同信息被分成了不同的类别，有用于承载传输信道数据的物理信道，也有仅用于承载物理层自身信息的物理信道。物理信道分为两大类：专用物理信道(DPCH，Dedicated Physical Channel)和公共物理信道(CPCH)，共有12种不同的物理信道。具体定义将在10.2.3节介绍。（4）逻辑信道、传输信道和物理信道之间的映射关系图10-3逻辑信道、传输信道与物理信道之间的映射关系逻辑信道和传输信道之间，传输信道和物理信道之间有特定的映射关系，如图10-3所示。逻辑信道与传输信道的映射可以为一对一的映射关系，也可以为一对多或多对一的映射关系。传输信道的数据通过物理信道来承载，除FACH和PCH为两传输信道映射到同一物理信道S-CCPCH外，其他传输信道到物理信道的映射都为一对一的映射关系，所有的传输信道都有一个物理信道来与之相对应，而部分物理信道与传输信道并没有映射关系，这些物理信道仅传输物理层自身的信息。10.2.2 TD-SCDMA物理层物理层是空中接口的最底层，支持数据流在物理介质上的传输，向高层提供数据传输业务。每种无线传输技术的基本性能和特点是由其物理层所确定的，3G三大主流技术的主要区别在于物理层的空中接口技术。1.TD-SCDMA物理层的主要功能（1） 传输信道错误检测和上报；（2） 传输信道前向纠错(FEC)编码和解码；（3） 传输信道的复用和解复用及传输信道和编码的组合；（4） 传输信道到物理信道的映射；（5） 物理信道的调制/扩频和解调/解扩；（6） 频率和系统时钟(码片、比特、时隙和子帧)同步；（7） 功率控制；（8） 物理信道的功率加权和合并；（9） 射频处理；（10） 上行同步控制；（11） 速率匹配；（12） 无线特性测试，包括误帧率(FER)、信号干扰噪声比(SIR)、到达方向(DOA)等；（13） 智能天线的上行和下行波束赋形；（14） 智能天线的UE定位。2.TD-SCDMA物理信道分层TD-SCDMA物理信道的（信号格式）结构分为四层：超帧(系统帧)、无线帧、子帧和时隙/码道。一个超帧长720 ms，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相同的5ms子帧，2个子帧的结构完全相同，子帧是系统无线发送的最小单位。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，Downlink Pilot Time Slot)、上行导频时隙(UpPTS，Uplink Pilot Time Slot)和保护间隔(GP)，如图10-4所示。时隙用于在时域上区分不同用户信号，具有TDMA的特性，每个物理信道都有其特有的时隙结构。图10-4 TD-SCDMA物理信道的分层结构3.TD-SCDMA物理信道帧结构TD-SCDMA系统物理信道的帧结构设计考虑了支持智能天线和上行同步等新技术的应用。TD-SCDMA无线子帧结构如图10-5所示。 图10-5 TD-SCDMA无线子帧结构 在图10-5中，每个子帧由长度为675us的7个常规时隙和3个特殊时隙组成。在7个常规时隙中，TS0总是分配给下行链路，而TSl总是分配给上行链路。上行时隙和下行时隙之间用转换点来分开，每个5ms的子帧有两个转换点，其中有一个是可变转换点。通过灵活地配置上行和下行时隙的个数，使TD-SCDMA可以适用于上下行对称业务或非对称的业务模式。图10-6示意了TD-SCDMA系统通过调整子帧结构可变转换点的位置来提供对称业务或非对称业务。 图10-6 TD-SCDMA系统对称/非对称业务的时隙分配示意图 在TD-SCDMA中，不管时隙的非对称性如何，每一子帧中只能有2个转换点。3个特殊时隙DwPTS、GP和UpPTS总是处于时隙TS0和TSl之间。每个子帧中的3个特殊时隙作用如下。(1)下行导频时隙(DwPTS)下行导频时隙(DwPTS)用于下行链路同步和初始小区搜索。DwPTS由长为64chip的下行同步码(SYNC-DL)和长为32chip的保护间隔(GP)组成，其时隙结构见图10-7。SYNC-DL是一组PN码，用于区分不同的相邻小区，系统中定义了32个码组，每组对应一个SYNC-DL序列，为64位长的基本二进制序列，在规范中可查到。SYNC-DL PN码集在蜂窝网络中可以复用。DwPTS的发射必须要满足覆盖整个区域的要求，因此不采用智能天线赋形技术。TD-SCDMA系统中使用独立的DwPTS的原因是解决在蜂窝和移动环境下，TDD系统的小区搜索问题，将DwPTS放在单独的时隙，便于下行同步的迅速获取，还可以减小对其他下行信号的干扰。(2) 上行导频时隙(UpPTS)上行导频时隙(UpPTS)主要用于随机接入过程中UE与Node B的初始同步，即建立上行同步。当UE处于空中登记和随机接入状态时，将首先发射UpPTS，当得到网络的应答后，才发送随机接入信道（RACH）信息。UpPTS由长为128chip的上行同步码(SYNC-UL)和32chip的保护间隔（GP）组成，其时隙结构见图10-8。SYNC-UL是一组PN码，用于在接入过程中区分不同的UE。TD-SCDMA系统中使用独立的UpPTS的原因是用户终端在随机接入时还没达到上行同步。如果此时接入信号和正在工作的码道混在一起，势必对工作中的码道带来较大干扰，Node B也较难识别此接入请求。如果采用独立的UpPTS可以避免干扰，较好地解决随机上行同步和识别的问题。 图10-7 DwPTS的时隙结构 图10-8 UpPTS的时隙结构 (3) 保护间隔(GP)保护间隔(GP)是在Node B侧，由发射向接收转换的保护间隔，GP的设计决定了TD-SCDMA系统小区的覆盖范围。较大的保护间隔可以防止UpPTS和DwPTS信号相互干扰，还可以允许UE在发出上行同步信号时进行一些时间提前。GP时长为75us(96chip)，可确保小区覆盖半径为11.25km。4.TD-SCDMA突发结构 在TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发(Burst)。TD-SCDMA系统采用的突发结构如图10-9所示，突发由两个长度分别为352chip的数据块、一个长度为144chip的中间码和一个长度为16chip的保护间隔(GP)组成。数据块的总长度为704chip。数据块中所包含的符号数与扩频因子有关，突发的数据部分由信道码和扰码共同扩频，扩频因子可取1、2、4、8或16，如表10-1所示。 图10-9 TD-SCDMA系统的突发结构表10-1 突发中每个数据块包含的符号数 （1）数据块 TD-SCDMA系统的数据块用于承载来自传输信道的用户数据或高层控制信息，也提供了传送控制平面上物理层控制信令的功能。TD-SCDMA系统中的物理层控制信令包括传输格式组合指示(TFCI，Transport Format Combination Indicator)、发射功率控制(TPC，Transmit Power Control)和同步偏移(SS, Synchronization Shift)。物理层控制信令在相应物理信道的数据部分发送，与数据部分具有相同的扩频操作。如果物理层控制信令存在，则位于紧邻中间码的位置。（2）中间码 突发结构中的中间码用来作为训练序列，在接收端进行信道解码时用于信道估计、测量，如上行同步的保持以及功率测量等，不携带用户信息。TD-SCDMA系统的基本中间码长度为128chip，个数为128个，分成32个码组，每组4个，传输时不进行扩频，与经过基带处理和扩频的数据一起发送。一个小区采用哪组中间码由基站决定，因此4个基本中间码基站是知道的，当下行同步建立后，移动设备也清楚所使用的中间码。在同一小区内，同一时隙内的不同用户所采用的中间码由一个基本的中间码经循环移位后产生。10.2.3 TD-SCDMA物理信道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。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。无线帧的分配也可以是不连续的分配，即将部分无线帧中的相应时隙分配给该物理信道。TD-SCDMA系统的物理信道分为专用物理信道和公共物理信道。1.专用物理信道(DPCH) 专用传输信道(DCH，Dedicated Channel)映射到专用物理信道(DPCH)。物理层将根据需要将来自一条或多条DCH的层2数据组合在一条或多条编码复合传输信道（CCTrCH，Coded Composite Transport Channel）内，之后依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块。多个并行的专用物理信道可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化码同时发射，称为多码传输。对于多码传输，UE在同一时隙可以配置多个DPCH，若UE的多时隙能力允许，这些物理信道可以位于不同的时隙。DPCH支持上行和下行数据传输，通常下行采用智能天线赋形。2.公共物理信道(CPCH) (1)主公共控制物理信道(P-CCPCH) 广播传输信道(BCH，Broadcast Channel)映射到主公共控制物理信道(P-CCPCH)，仅承载来自BCH的信息。在TD-SCDMA系统中， P-CCPCH的位置是固定在无线子帧的TS0下行时隙，由TS0进行传送。采用固定扩频因子SF=16。P-CCPCH需要向整个覆盖区广播系统信息，不需要天线赋形。在一个时隙的突发结构中，P-CCPCH不支持TFCI。在时隙0（TS0），中间码支持空码传输分集(SCTD)和信标功能。 (2)辅助公共控制物理信道(S-CCPCH) 寻呼传输信道(PCH)和前向传输信道(FACH)可以映射到一个或多个辅助公共控制物理信道(S-CCPCH)，承载来自传输信道PCH和FACH的数据，使PCH和FACH的数量可以满足不同的需要。S-CCPCH所使用的码和时隙在小区中广播。S-CCPCH采用固定扩频因子(SF=16)，S-CCPCH支持传输格式指示(TFCI) ，但不支持同步偏移（SS）和发射功率控制（TPC）。 (3)物理随机接入信道(PRACH) 随机接入传输信道(RACH)映射到一个或多个上行的物理随机接入信道(PRACH)，承载来自RACH的数据。可以根据运营者的需要，灵活确定RACH的容量。PRACH的扩频因子为4、8或16，其配置(使用的时隙和码道)通过BCH在小区中广播。 (4)快速物理接入信道(FPACH) 快速物理接入信道(FPACH)是TD-SCDMA系统所独有的，FPACH没有对应的传输信道，不承载传输信道的信息。它作为Node B对UE发出的UpPTS信号的应答，用于支持建立上行同步。FPACH上的内容包括定时调整、功率调整等。FPACH使用固定扩频因子（SF=16），其配置 (使用的时隙和码道)通过小区系统信息广播。 (5)物理上行共享信道(PUSCH) 上行共享传输信道(USCH)映射到物理上行共享信道(PUSCH)。PUSCH支持传送TFCI和TPC信息。PUSCH 可以使用的扩频因子为1、2、4、8、16。UE使用PUSCH进行发送是由高层信令选择的。PUSCH可供多个用户同时使用，一个用户也可以同时使用多个PUSCH。 (6)物理下行共享信道(PDSCH) 下行共享传输信道(DSCH)映射到物理下行共享信道(PDSCH)，PDSCH支持传送TFCI、SS和TPC信息。扩频因子为1或16。通常使用三种通知方法用来告知用户在DSCH上有需要解码的数据： 使用相关信道或PDSCH上的TFCI信息； 使用在DSCH上的用户特有的中间码，它可从该小区所用的中间码集中导出来： 使用高层信令。 当使用中间码时，将使用UE特定的中间码分配方案。如果UTRAN分配给UE的中间码是在PDSCH中发送的，则UE将对PDSCH进行解码。 (7)寻呼指示信道(PICH) 寻呼指示信道(PICH)没有对应的传输信道，用来承载寻呼指示信息的下行物理信道。它的扩频因子为16，PICH的配置在小区系统信息中广播。10.4 TD-SCDMA系统中的HSPA技术10.4.1 TD-HSDPA TD-HSDPA中采用了自适应调制和编码（AMC）技术、混合自动重传请求(HARQ)技术；增强了Node B的处理功能，引入了MAC-hs实体；引入了4条新信道：1条承载业务的传输信道和3条物理信道。TD-HSDPA系统采用的关键技术和W-HSDPA 中类似，不再细述。下面依次介绍TD-HSDPA系统引入新信道的特点。1TD-HSDPA新引入的信道 （1）高速下行共享信道(HS-DSCH) 高速下行共享信道(HS-DSCH)是下行传输信道，它映射到的物理信道为高速下行共享物理信道(HS-PDSCH)。TD-HSDPA的所有下行业务数据都由HS-DSCH进行承载，很多低层实现都是在HS-DSCH上进行的。对不同的UE可以通过时分复用和码分复用的方式来实现共享。根据UE的处理能力，一个UE可以进行多码传输。HS-PDSCH的扩频因子为16或者1。（2）高速共享下行控制信道(HS-SCCH)高速共享下行控制信道(HS-SCCH)是TD-HSDPA专用的下行物理信道，用于承载所有相关底层控制信息。UE接收HS-DSCH的数据必须要在HS-SCCH控制信息的配合下才能完成。HS-SCCH被所有发起HSDPA业务的UE所共享，但对单个HS-DSCH的TTI来说，每个HS-SCCH只为一个UE承载HS-DSCH相关的下行信令。（3）高速上行共享信息信道(HS-SICH)高速上行共享信息信道(HS-SICH)是TD-HSDPA共享的上行物理信道，用于反馈相关的上行信息，主要包括HARQ ACK/NACK信息和信道质量指示（CQI，Channel Quality Indicator）。2多载波TD-HSDPA多载波TD-HSDPA技术方案以现有行标中的N频点方案作为多载波TD-HSDPA技术的基础，在MAC层进行数据分流，以完善和提高TD-HSDPA技术，更好地支持分组业务，满足运营商对高速分组数据业务的需求。引入多载波TD-HSDPA方案时遵循如下原则。(1)尽量不修改3GPP R5 HSDPA协议(物理信道HS-SCCH和HS-SICH信道结构不变)；(2)多载波仅针对HSDPA信道，即一个给定的UE将在一个或者多个载波上接收和发送信息：(3)在考虑对实现复杂度(尤其是终端实现复杂度)影响的前提下，尽可能兼容3GPP R5规范中定义的支持单载波TD-HSDPA的UE，TD-HSDPA规范的制订要基于3GPP R5相关的协议进行。10.4.2 TD-HSUPATD-HSUPA中通过使用AMC、HARQ及快速调度等技术获得增强的上行用户速率和系统吞吐量；在UE和Node B/RNC的MAC层引入了MAC-e/MAC-es实体，完成相关调度、优先级处理、反馈、重传等功能，可以显著地提高调度和传输/重传的速度，减少数据传输的整体时延；TD-HSUPA引入了新的信道。与对TD-HSDPA技术的介绍类似，下面介绍TD-HSUPA系统引入新信道的特点。(1) E-PUCHE-PUCH是在Node B MAC-e的调度实体控制下的物理资源，映射到CCTrCH的E-DCH传输信道。E-PUCH物理资源被定义为非调度资源和调度资源。非调度资源由RNC通过高层信令进行分配，而调度资源由Node B的MAC-e的调度实体进行控制分配。（2）E-AGCH信道E-AGCH是一个新的下行物理信道，用于Node B向UE传递调度资源授权信息，它包含功率授权信息、时隙授权信息、码道授权信息、E-HICH指示、E-UCCH的个数指示、资源持续时间指示、E-AGCH循环序列号等。（3）E-HICH信道E-HICH用于Node B向UE反馈每个E-DCH传输块的ACK/NACK信息。一个小区内E-HICH的数量由系统配置。调度用户和非调度用户的确认指示在不同的E-HICH上发送。（4）E-RUCCH信道E-RUCCH用于CELL_DCH状态下的UE在没有资源授权的情况下请求授权以进行数据传输，其传输方式为抢占式的接入方式，过程与PRACH相同，并且可以和PRACH共享物理码道。HSPA+对网络结构进行了扁平化处理，将RNC/Node B合二为一，不改变原有的Iu接口，只是对无线侧进行简单的软件升级，增加了容量，缩短了时延。HSPA的引入没有改变原有网络结构，只是进行了软件升级。HSPA+的网络部署不会带来旧用户终端的更换，较好地保护了用户的原有投资。它与LTE不具有兼容扩展性，同时它们的标准进度基本相似。那么，运营商是选择直接部署LTE还是选择过度阶段的HSPA+技术，最终取决于业务的发展、频率的规划等问题。小结（1） TD-SCDMA被第三代移动通信合作伙伴项目组织(3GPP)列为三大主流技术标准之一，包含在3GPP的R4版本中。TD-SCDMA与 WCDMA核心网结构基本相同，不同的地方在于无线接入网络部分。（2） TD-SCDMA系统的空中接口(Uu)的协议结构与WCDMA的空中接口协议结构一样。从不同协议层如何承载用户业务的角度将信道分成3类：逻辑信道、传输信道和物理信道，相互间有特定的映射关系。TD-SCDMA逻辑信道的控制信道增加了共享控制信道(SHCCH)；传输信道定义了信息通过无线接口进行传输的方式；物理信道是由频率、时隙、码字共同定义的。（3） TD-SCDMA物理信道的帧结构分为四层：超帧(系统帧)、无线帧、子帧和时隙/码道。一个超帧长720 ms，由72个无线帧组成，每个无线帧长10ms，每个无线帧分为两个相同的5ms子帧，2个子帧的结构完全相同，子帧是系统无线发送的最小单位。每个子帧由7个常规时隙和3个特殊时隙组成。（4） 在TDMA信道上一个时隙中的信息格式称为突发(Burst)。TD-SCDMA系统采用的突发由两个长度分别为352chip的数据块、一个长度为144chip的中间码和一个长度为16chip的保护间隔(GP)组成。（5） TD-HSDPA单个载波上可提供的下行峰值速率偏低，难以满足用户对更高速率分组数据业务的需求。在已经发布的基于3GPP R4的第一版行业标准中，引入N频点特性。通过多载波捆绑的方式提高TD-HSDPA系统中单用户峰值速率，即所谓的多载波HSDPA方式。TD-HSUPA中通过使用AMC、HARQ及快速调度等技术获得增强的上行用户速率和系统吞吐量； 10