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基于同步码分多址技术的第三代移动通信系统----陈金岳 黄丹云

2/14/2005来源:移动通信人气:8707

基于同步码分多址技术的第三代移动通信系统----陈金岳 黄丹云 摘要 中国的第三代移动通信系统(TD-SCDMA)是基于同步码分多址技术(SCDMA)的 未来陆地通信系统,它广泛采用了智能天线和软件无线电技术,工作于TDD方式。 系统向下兼容在中国有广大基础的第二代GSM网络,同时支持电路交换和分组数 据交换业务。TD-SCDMA相对于第二代移动通信和其他的第三代移动通倍建议, 有更好的频谱利用率,并且支持更为精确的接力切换概念和系统切换的概念。未 来的系统将工作于ITU为IMT-20O0划定的频率范围内,完全满足国际电信联盟对 IMT-2000所提出的各项要求。 关键词 SCDMA TD-SCDMA IMT-2OOO RTT 1 引言 20世纪末,移动通信技术和Internet技术的发展极大地影响了人们的生活、学习和 工作方式,二者的结合是信息产业发展的必然之路。人们对移动通信的多媒体接入能力 提出了较高的要求,由于制式、技术以及其他各方面的原因,第二代移动通信系统在支 持全球漫游、频谱利用率以及数据业务方面都有较大的不足,尽管GSM的Phase 2+支持 较高的数据传输速率,但是由于它只是对第二代移动通信技术的补缀,并且是以牺牲其 他用户的利益为代价的,对系统对用户并不利。因而,ITU和世界上其他的电信标准实 体和研究单位都早已开始了未来移动通信的研究,以期望未来的移动通信系统有较强的 多媒体接入能力、固定电话的线路质量、更高的频谱利用率,以及真正的全球漫游能 力。在满足话音通信的同时,能满足未来无所不及的移动计算时代的需求。到1998年6月 30日ITU征求第三代移动通信标准建议的最后截止日,共收到了16份有关第三代移动通信 的标准建议,其中陆地环境的10份,卫星通信的6份,大部分由主要的工业国家提出。中 国的第三代移动通信系统标准是由北京信威通信公司代表中国电信技术研究院向ITU提交 的,它是由在广泛试验和理论基础之上的同步码分多址无线本地环路系统演变而来,也 是中国在移动通信领域所提出的第一个完整建议。 中国的第三代移动通信系统采用 TDMA和 SCDMA作为系统接入的框架结构,同时包含 有关同步接入的机理。系统在基站采用智能天线技术以提高系统接收灵敏度,消除同信 道干扰,抵消多径,降低手机的发射功率(绿色手机的概念)。TDD双工方式的采用可以 最大限度地提高接入的效率并简化智能天线的实现,同时为将来Internet的非对称业务 提供了动态码道分配的前提,TDD方式的采用还适合于频率不成对的部署环境。本文介绍 中国第三代移动通信系统空中接口的主要技术参数和相应的各种性能,作为系统根基的 SCDMA-WLL的现场运行结果,足以证明基于TD-SCDMA技术的第三代移动通信系统的建议 是一套可行的成熟的第三代移动通信系统的标准。本系统的关键技术同样可以适用于基 于FDD的第三代移动通信系统。 2 TD-SCDMA的无线传输技术 TD-SCDMA标准建议所采用的空中接口技术是最为先进的传输技术之一,TDD类的标准 建议容易融合进各种各样的先进技术,如智能天线技术、同步CDMA技术以及软件无线电 技术,同时这可以避免FDD-CDMA技术领域诸多专利的纠纷。TD-SCDMA技术相对于其他 第三代移动通信的标准有较多的优势。表1为TD-SCDMA的无线参数。 (l)RF信道 从表1中可以看出,TD-SCDMA系统将工作于ITU划定的频段内,每一载波带宽为1.6M- Hz,扩频后的码片速率大约为l.3542 Mchip/s,预留2O0 kHz作为频率合成器的步长。 (2)系统的码道 每一个射频码道包括10时隙,去除保护时隙后,每一时隙平均长度为 478 us,每一 个时隙又包含 16个Walsh区分的码道,这些时隙和码道通过使用直接扩谱技术来共享同 一射频信道。图1为系统码道的示意图。图中横向代表每一帧的时隙数,共有10个;纵向 代表码道数,共有16个。 图1中由每一时隙和码道确定的物理信道( Mux0d,Muxd,Mux0u,Muxu,Muxlu等) 可以作为资源单元,分配给任何一个用户。G代表着上、下行业务的保护时隙,它可以保 证手机和基站之间 20 km的通信范围。在每一时隙单元之间,还有8个码片的保护时隙, 以防止不同时隙之间的重叠。UP代表着上行导标序列,用于手机和基站间的接入,它是 一个长度为96 bit的二进制序列码,用于上行接入码道的区别。DP代表着下行接入序列, 它是长度为128 bit的G0ld序列码,用于对基站小区的识别,这一序列码可以采用复用的 方式用于不同的基站,目的是用于正向接入信道。上述的码道经过动态分配,可以支持 多至 2 O48 kbit/S的数据业务,但此时至少要有一个码道用于上行的接入。图1为数据 业务的对称传输形式,即上下行业务各占用一半的资源单元。对于非对称的业务,特别 是Internet业务可以使下行的资源单元多于上行的资源单元。图2为一个基本的数据结构 单元图,即Mux的结构图示。 图 2的数据结构,可以复用于下行或上行的码道中,D/V/C代表着数据、语音和控 制信令。当D/V/C全部为控制信令时,此时整个数据结构主要用于上、下行的接入。L1 是第一物理层的各种信令,它携带着功率控制、同步偏离、忙闲指示等信令。Midamble主 要用于联合检测,以消除同码道的干扰。G的长度为8个码片,主要是为避免时隙与时隙之 间的重叠。 (3)同步码分多址技术(SCDMA) 中国第三代移动通信系统最为重要的特点是同步码分多址技术,它意味着代表所有用 户的伪随机码在到达基站时是同步的,由于伪随机码之间是同步正交性,因而这一系统可 以有效地消除码间干扰,在系统容量方面将带来极大的好处,它的系统容量是其他第三代 移动通信标准的4~5倍。 同步的建立过程是,当一个手机加电工作时,它将接收来自基站的最强信号,通过解 相关获得接收同步,并且从公共控制物理信道中获得要求的信息。在接收同步建立之后, 手机用户将开始空中注册。基站的响应则是,接收注册信息,搜寻发射的功率冗余度和同 步,并且将功率控制和同步偏移信息在下一个下行的公共控制物理通道中发送。手机将调 整它的发射功率和发射时间以建立起初始的同步。 同步的维持依靠在每一个上行时隙中的EMPTY或者SYNC2序列(上行的接入帧除外), 只有当这一时隙某一码道分配的Walsh数和现行的帧号匹配时,SYNC2才有功率发射,而其 他手机虽然处于同一时隙,但由于被分配以不同的Walsh码,它们的SYNC2转到Empty状态, 不进行任何功率发射。这一设计的目的可以使基站以较少的干扰来接收SYNC2序列以维持 手机与基站的同步。在下行的帧中,同步偏移和功率控制信息被传送给手机以进行闭环的 功率控制和同步控制。 (4)智能天线技术 在中国的第三代移动通信系统建议中将采用智能天线技术,它由一个环形的天线阵列 和相应的发送接收单元组成,由相应的算法来控制。不同于传统的全向天线只产生一个波 束,智能天线系统可以给出多个波束赋形,每一个波瓣对应于一个特别的手机用户,波束 也可以动态地追踪用户。在接收方面,它可以实现空间选择接收,不但能增加接收灵敏度, 而且还能将来自不同位置的手机的共码道干扰降至最小以增加容量。智能天线的波束赋形 是双向的,它在消除干扰的同时增大了CDMA系统的容量,并且也降低了基站的发射功率要 求,即便是有某个天线单元损坏,也不影响系统的工作。 (5)切换技术 中国的第三代移动通信系统提出了接力切换的概念,它不同于硬切换和软切换,是一 种崭新的切换技术,主要原理是基于同步码分多址技术和智能天线的结合。在移动系统中, 对于移动用户的准确定位一直是人们追求的目标。TD-SCDMA系统可以利用天线阵列和同 步码分多址技术中码片周期的精巧测定,得出用户的大体位置,在手机的辅助之下,伺服 的基站根据周围的空中传播条件和信号质量,命令手机切换到信号更为优良的 基站。它可以对整个基站网络的容量进行动态地优化分配,也可以实现不同系统之间的切 换。 (6)软件无线电技术 DSP(数字信号处理技术)技术的发展为软件无线电技术的实现提供了可能性。在本系 统中,许多由RF、基带模拟电路和ASIC实现的传统无线传输功能将由DSP技术来完成。这些 功能包括智能RF波束赋形、板内RF校正、载波恢复以及定时调整。采用软件无线电技术的 主要优势在于:通过软件的方式灵活地完成硬件的功能;在重复性和精确性方面有独特的 优势;不会老化也不对环境过分敏感;以简单的硬件成本实现复杂的硬件功能;随着DSP技 术的不断发展,成本进一步下降而性能则不断增强。 3 TD-SCDMA系统的性能和特征 基于TD-SCDMA的中国第三代移动通信系统完全可以满足ITU对第三代移动通信系统的 各项要求。它所具有的主要性能为:相对于第二代移动通信系统在容量和频谱利用率方面 的改进;多媒体业务的提供,除了传统的语音业务之外,还提供基于分组的数据业务;在 操作的灵活性方面,它完全向下兼容在中国占主导地位的第二代移动通信网(GSM网)。 (1)频谱利用率 频谱利用率是ITU对第三代移动通信提出的一个主要要求。在我们常见的第二代移动通 信系统中,IS-95的CDMA技术提供了最高的频谱利用率。对于CDMA这种自干扰系统来说, 假若能解决伪随机码之间的码间干扰和远近问题,那么系统将具有巨大的容量。TD-SCDMA 技术通过扩频码之间的正交性并结合智能天线技术,提供的容量将是IS-95CDMA系统的4~ 5倍,这已经由SCDMA技术的无线本地环路的现场运行得以证实。 TD-SCDMA系统容量是GSM的20倍,是其他第三代标 准的4倍。另外,由于采用了码分多址技术,系统的部署不需要频率规划。再者,TD-SCD- MA系统是工作于TDD方式的,它不需要像其他基于FDD的第三代移动通信系统那样需要成对 的频率源,因而在频率的利用方面更具有灵活性。 (2)多媒体业务的提供 基于TD-SCDMA的第三代移动通信系统,将提供从基本的语音通信业务到数字业务和分 组视频方面的业务。虽然所有的用户共享同一频率资源,但是由于结合了智能天线,可以 根据业务的质量级别和要求动态地分配功率给用户,并且能保证干扰不超出上限,因而在 提供业务的种类和质量方面具有无可比拟的优越性。 在TD-SCDMA系统中,通信资源是由Walsh码道和时隙确定的资源单元为单位来分配给 用户的,可以是每个用户一个资源单元,也可以是一个用户占用多个资源单元。系统的总 码道数为:Walsh扩谱系数*每帧的时隙数=16*1O=16o,这16o个资源单元也可以被定义为 码道。对同一用户不同业务码道的组合,就形成了多媒体业务,一个用户在获得语音通信 业务的同时,也可以进行数据方面的通信,像WWW和E-mail。对于2 Mbit/s的业务,超 过 90%的码道将分配给一个用户,同时亦可保证部分语音通信业务的同时开展。TD-SC- DMA可提供的业务种类如下: ·室内环境下,多至2 Mbit/s的数据业务。 ·步行或低速移动环境下,多至 384 kbit/s的数据业务。 ·高速移动环境下,多至 144 kbit/s的数据业务。 TD-SCDMA的第三代移动通信系统中的同一连接可同时传送语音、数据、视频等多种业 务。它们可以是基于分组的数据业务,方便Internet接入,其无处不在的全球网络连接能 力可以支持未来的移动计算,适应普遍计算时代的需求。 (3)互操作性 作为第三代移动通信系统,它必须考虑到成千上万的GSM的用户,特别是在GSM堪称是 世界第一大网的中国,兼容性更是一个突出的问题。第三代移动通信系统必须兼容第二代 移动通信系统,在兼容的基础上逐步实现由第二代到第三代的转变。考虑到这一点,TD- SCDMA系统通过多时隙组合,以GSM超长帧的方式实现对GSM基站信号的同步搜寻,另外在 手机的辅助下,第三代移动通信系统的基站通过精确的接力切换技术,实现由第三代系统 到第二代移动通信系统的切换。 由于采用了同步码分多址技术,所有的TD-SCDMA的基站都应该保持同步以利于切换 的实现。同步的信号可以来自上一层的控制单元,或者由GPS提供。中国TD-SCDMA技术支 持多种蜂窝分布技术,从宏蜂窝到微微蜂窝,适合于多种地理环境。 4 结论 基于TD-SCDMA的中国第三代移动通信系统工作于TDD方式,因而它得以采用更多的新 技术。由于采用了同步码分多址技术、智能天线技术、软件无线电技术,系统以最高的频 谱利用率满足了ITU对第三代移动通信的各种要求,并在部署和业务的灵活性方面具有无 可比拟的优越性,理论和实践都证实,采用TD-SCDMA技术的中国第三代移动通信系统是一 套行之有效的下一代移动通信的解决方案。