基于同步碼分多址技術的第三代移動通信系統----陳金岳黃丹云

2019-11-03 09:52:07

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基于同步碼分多址技術的第三代移動通信系統----陳金岳黃丹云摘要中國的第三代移動通信系統（TD－SCDMA）是基于同步碼分多址技術（SCDMA）的未來陸地通信系統，它廣泛采用了智能天線和軟件無線電技術，工作于TDD方式。系統向下兼容在中國有廣大基礎的第二代GSM網絡，同時支持電路交換和分組數據交換業務。TD－SCDMA相對于第二代移動通信和其他的第三代移動通倍建議，有更好的頻譜利用率，并且支持更為精確的接力切換概念和系統切換的概念。未來的系統將工作于ITU為IMT－20O0劃定的頻率范圍內，完全滿足國際電信聯盟對 IMT-2000所提出的各項要求。關鍵詞 SCDMA TD－SCDMA IMT－2OOO RTT1 引言 20世紀末，移動通信技術和Internet技術的發展極大地影響了人們的生活、學習和工作方式，二者的結合是信息產業發展的必然之路。人們對移動通信的多媒體接入能力提出了較高的要求，由于制式、技術以及其他各方面的原因，第二代移動通信系統在支持全球漫游、頻譜利用率以及數據業務方面都有較大的不足，盡管GSM的Phase 2+支持較高的數據傳輸速率，但是由于它只是對第二代移動通信技術的補綴，并且是以犧牲其他用戶的利益為代價的，對系統對用戶并不利。因而，ITU和世界上其他的電信標準實體和研究單位都早已開始了未來移動通信的研究，以期望未來的移動通信系統有較強的多媒體接入能力、固定電話的線路質量、更高的頻譜利用率，以及真正的全球漫游能力。在滿足話音通信的同時，能滿足未來無所不及的移動計算時代的需求。到1998年6月30日ITU征求第三代移動通信標準建議的最后截止日，共收到了16份有關第三代移動通信的標準建議，其中陸地環境的10份，衛星通信的6份，大部分由主要的工業國家提出。中國的第三代移動通信系統標準是由北京信威通信公司代表中國電信技術研究院向ITU提交的，它是由在廣泛試驗和理論基礎之上的同步碼分多址無線本地環路系統演變而來，也是中國在移動通信領域所提出的第一個完整建議。中國的第三代移動通信系統采用 TDMA和 SCDMA作為系統接入的框架結構，同時包含有關同步接入的機理。系統在基站采用智能天線技術以提高系統接收靈敏度，消除同信道干擾，抵消多徑，降低手機的發射功率（綠色手機的概念）。TDD雙工方式的采用可以最大限度地提高接入的效率并簡化智能天線的實現，同時為將來Internet的非對稱業務提供了動態碼道分配的前提，TDD方式的采用還適合于頻率不成對的部署環境。本文介紹中國第三代移動通信系統空中接口的主要技術參數和相應的各種性能，作為系統根基的SCDMA－WLL的現場運行結果，足以證明基于TD－SCDMA技術的第三代移動通信系統的建議是一套可行的成熟的第三代移動通信系統的標準。本系統的關鍵技術同樣可以適用于基于FDD的第三代移動通信系統。2 TD－SCDMA的無線傳輸技術 TD-SCDMA標準建議所采用的空中接口技術是最為先進的傳輸技術之一，TDD類的標準建議容易融合進各種各樣的先進技術，如智能天線技術、同步CDMA技術以及軟件無線電技術，同時這可以避免FDD－CDMA技術領域諸多專利的糾紛。TD－SCDMA技術相對于其他第三代移動通信的標準有較多的優勢。表1為TD-SCDMA的無線參數。（l）RF信道從表1中可以看出，TD－SCDMA系統將工作于ITU劃定的頻段內，每一載波帶寬為1.6M-Hz，擴頻后的碼片速率大約為l.3542 Mchip／s，預留2O0 kHz作為頻率合成器的步長。（2）系統的碼道每一個射頻碼道包括10時隙，去除保護時隙后，每一時隙平均長度為 478 us，每一個時隙又包含 16個Walsh區分的碼道，這些時隙和碼道通過使用直接擴譜技術來共享同一射頻信道。圖1為系統碼道的示意圖。圖中橫向代表每一幀的時隙數，共有10個；縱向代表碼道數，共有16個。圖1中由每一時隙和碼道確定的物理信道（ Mux0d，Muxd，Mux0u，Muxu，Muxlu等）可以作為資源單元，分配給任何一個用戶。G代表著上、下行業務的保護時隙，它可以保證手機和基站之間 20 km的通信范圍。在每一時隙單元之間，還有8個碼片的保護時隙，以防止不同時隙之間的重疊。UP代表著上行導標序列，用于手機和基站間的接入，它是一個長度為96 bit的二進制序列碼，用于上行接入碼道的區別。DP代表著下行接入序列，它是長度為128 bit的G0ld序列碼，用于對基站小區的識別，這一序列碼可以采用復用的方式用于不同的基站，目的是用于正向接入信道。上述的碼道經過動態分配，可以支持多至 2 O48 kbit／S的數據業務，但此時至少要有一個碼道用于上行的接入。圖1為數據業務的對稱傳輸形式，即上下行業務各占用一半的資源單元。對于非對稱的業務，特別是Internet業務可以使下行的資源單元多于上行的資源單元。圖2為一個基本的數據結構單元圖，即Mux的結構圖示。圖 2的數據結構，可以復用于下行或上行的碼道中，D／V／C代表著數據、語音和控制信令。當D／V／C全部為控制信令時，此時整個數據結構主要用于上、下行的接入。L1是第一物理層的各種信令，它攜帶著功率控制、同步偏離、忙閑指示等信令。Midamble主要用于聯合檢測，以消除同碼道的干擾。G的長度為8個碼片，主要是為避免時隙與時隙之間的重疊。（3）同步碼分多址技術（SCDMA）中國第三代移動通信系統最為重要的特點是同步碼分多址技術，它意味著代表所有用戶的偽隨機碼在到達基站時是同步的，由于偽隨機碼之間是同步正交性，因而這一系統可以有效地消除碼間干擾，在系統容量方面將帶來極大的好處，它的系統容量是其他第三代移動通信標準的4～5倍。同步的建立過程是，當一個手機加電工作時，它將接收來自基站的最強信號，通過解相關獲得接收同步，并且從公共控制物理信道中獲得要求的信息。在接收同步建立之后，手機用戶將開始空中注冊。基站的響應則是，接收注冊信息，搜尋發射的功率冗余度和同步，并且將功率控制和同步偏移信息在下一個下行的公共控制物理通道中發送。手機將調整它的發射功率和發射時間以建立起初始的同步。同步的維持依靠在每一個上行時隙中的EMPTY或者SYNC2序列（上行的接入幀除外），只有當這一時隙某一碼道分配的Walsh數和現行的幀號匹配時，SYNC2才有功率發射，而其他手機雖然處于同一時隙，但由于被分配以不同的Walsh碼，它們的SYNC2轉到Empty狀態，不進行任何功率發射。這一設計的目的可以使基站以較少的干擾來接收SYNC2序列以維持手機與基站的同步。在下行的幀中，同步偏移和功率控制信息被傳送給手機以進行閉環的功率控制和同步控制。（4）智能天線技術在中國的第三代移動通信系統建議中將采用智能天線技術，它由一個環形的天線陣列和相應的發送接收單元組成，由相應的算法來控制。不同于傳統的全向天線只產生一個波束，智能天線系統可以給出多個波束賦形，每一個波瓣對應于一個特別的手機用戶，波束也可以動態地追蹤用戶。在接收方面，它可以實現空間選擇接收，不但能增加接收靈敏度，而且還能將來自不同位置的手機的共碼道干擾降至最小以增加容量。智能天線的波束賦形是雙向的，它在消除干擾的同時增大了CDMA系統的容量，并且也降低了基站的發射功率要求，即便是有某個天線單元損壞，也不影響系統的工作。（5）切換技術中國的第三代移動通信系統提出了接力切換的概念，它不同于硬切換和軟切換，是一種嶄新的切換技術，主要原理是基于同步碼分多址技術和智能天線的結合。在移動系統中，對于移動用戶的準確定位一直是人們追求的目標。TD－SCDMA系統可以利用天線陣列和同步碼分多址技術中碼片周期的精巧測定，得出用戶的大體位置，在手機的輔助之下，伺服的基站根據周圍的空中傳播條件和信號質量，命令手機切換到信號更為優良的基站。它可以對整個基站網絡的容量進行動態地優化分配，也可以實現不同系統之間的切換。（6）軟件無線電技術 DSP（數字信號處理技術）技術的發展為軟件無線電技術的實現提供了可能性。在本系統中，許多由RF、基帶模擬電路和ASIC實現的傳統無線傳輸功能將由DSP技術來完成。這些功能包括智能RF波束賦形、板內RF校正、載波恢復以及定時調整。采用軟件無線電技術的主要優勢在于：通過軟件的方式靈活地完成硬件的功能；在重復性和精確性方面有獨特的優勢；不會老化也不對環境過分敏感；以簡單的硬件成本實現復雜的硬件功能；隨著DSP技術的不斷發展，成本進一步下降而性能則不斷增強。3 TD－SCDMA系統的性能和特征基于TD－SCDMA的中國第三代移動通信系統完全可以滿足ITU對第三代移動通信系統的各項要求。它所具有的主要性能為：相對于第二代移動通信系統在容量和頻譜利用率方面的改進；多媒體業務的提供，除了傳統的語音業務之外，還提供基于分組的數據業務；在操作的靈活性方面，它完全向下兼容在中國占主導地位的第二代移動通信網（GSM網）。（1）頻譜利用率頻譜利用率是ITU對第三代移動通信提出的一個主要要求。在我們常見的第二代移動通信系統中，IS－95的CDMA技術提供了最高的頻譜利用率。對于CDMA這種自干擾系統來說，假若能解決偽隨機碼之間的碼間干擾和遠近問題，那么系統將具有巨大的容量。TD-SCDMA技術通過擴頻碼之間的正交性并結合智能天線技術，提供的容量將是IS－95CDMA系統的4～5倍，這已經由SCDMA技術的無線本地環路的現場運行得以證實。 TD-SCDMA系統容量是GSM的20倍，是其他第三代標準的4倍。另外，由于采用了碼分多址技術，系統的部署不需要頻率規劃。再者，TD－SCD-MA系統是工作于TDD方式的，它不需要像其他基于FDD的第三代移動通信系統那樣需要成對的頻率源，因而在頻率的利用方面更具有靈活性。（2）多媒體業務的提供基于TD-SCDMA的第三代移動通信系統，將提供從基本的語音通信業務到數字業務和分組視頻方面的業務。雖然所有的用戶共享同一頻率資源，但是由于結合了智能天線，可以根據業務的質量級別和要求動態地分配功率給用戶，并且能保證干擾不超出上限，因而在提供業務的種類和質量方面具有無可比擬的優越性。在TD－SCDMA系統中，通信資源是由Walsh碼道和時隙確定的資源單元為單位來分配給用戶的，可以是每個用戶一個資源單元，也可以是一個用戶占用多個資源單元。系統的總碼道數為：Walsh擴譜系數*每幀的時隙數=16*1O=16o，這16o個資源單元也可以被定義為碼道。對同一用戶不同業務碼道的組合，就形成了多媒體業務，一個用戶在獲得語音通信業務的同時，也可以進行數據方面的通信，像WWW和E－mail。對于2 Mbit／s的業務，超過 90％的碼道將分配給一個用戶，同時亦可保證部分語音通信業務的同時開展。TD－SC-DMA可提供的業務種類如下： ·室內環境下，多至2 Mbit／s的數據業務。 ·步行或低速移動環境下，多至 384 kbit/s的數據業務。 ·高速移動環境下，多至 144 kbit/s的數據業務。 TD-SCDMA的第三代移動通信系統中的同一連接可同時傳送語音、數據、視頻等多種業務。它們可以是基于分組的數據業務，方便Internet接入，其無處不在的全球網絡連接能力可以支持未來的移動計算，適應普遍計算時代的需求。（3）互操作性作為第三代移動通信系統，它必須考慮到成千上萬的GSM的用戶，特別是在GSM堪稱是世界第一大網的中國，兼容性更是一個突出的問題。第三代移動通信系統必須兼容第二代移動通信系統，在兼容的基礎上逐步實現由第二代到第三代的轉變。考慮到這一點，TD-SCDMA系統通過多時隙組合，以GSM超長幀的方式實現對GSM基站信號的同步搜尋，另外在手機的輔助下，第三代移動通信系統的基站通過精確的接力切換技術，實現由第三代系統到第二代移動通信系統的切換。由于采用了同步碼分多址技術，所有的TD－SCDMA的基站都應該保持同步以利于切換的實現。同步的信號可以來自上一層的控制單元，或者由GPS提供。中國TD-SCDMA技術支持多種蜂窩分布技術，從宏蜂窩到微微蜂窩，適合于多種地理環境。4 結論基于TD－SCDMA的中國第三代移動通信系統工作于TDD方式，因而它得以采用更多的新技術。由于采用了同步碼分多址技術、智能天線技術、軟件無線電技術，系統以最高的頻譜利用率滿足了ITU對第三代移動通信的各種要求，并在部署和業務的靈活性方面具有無可比擬的優越性，理論和實踐都證實，采用TD-SCDMA技術的中國第三代移動通信系統是一套行之有效的下一代移動通信的解決方案。