第14章 TDD移动通信系统

信息理论与技术教研中心ITTCBUPTInformationTheory&TechnologyCenter第十四章TDD移动通信系统牛凯[e-mail]&TechnologyCenter•本章重点介绍TDD移动通信系统，首先说明时分双工(TDD)系统的工作原理和技术优势，其次介绍TD-SCDMA系统的关键技术，以及UTRATDD系统的主要特点，并与前者进行对比。最后概要介绍TD-HSPA，说明TDD在B3G与4G标准中的特色技术。BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理•14.1.1技术特点•移动通信一般都需要支持双向通信，这种双向功能可以通过两种不同的方式来实现。一种是通过频分方式，称它为频率双向、双工，即FDD(FrequencyDivisionDuplex)。2G的GSM、IS95系统，3G的WCDMA、CDMA2000系统均采用FDD方案。•另一种是通过时分方式，称为时隙双向、双工，即TDD(TimeDivisionDuplex)，无线个人通信系统CT-2、CT-3、DECT、PHS等均采用TDD，3G标准中，我国提出的TD-SCDMA和欧洲提出的UTRATDD均采用了TDD-CDMA技术。BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理TDD系统的结构如下图所示，发送与接收依靠天线开关在时间上进行区分。基带发送基带接收90PALNA90天线开关带通滤波器带通滤波器Tx链路Rx链路图14.1TDD系统结构BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理•选择TDD模式主要有两方面因素，一方面，是TDD具有更高的频率利用率，另一方面，TDD具有信道互易特性。•TDD系统中不需要双工隔离器，而代之以天线开关，发射和接收链路以时分方式工作，上下行工作于同一个频段，降低了对滤波器设计的要求，从而节省了成本，提高了频谱利用率。因此与FDD相比，TDD不需要占用两个对称频段，更能有效利用无线频率资源。BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理•TDD双工方式在2G系统中已经得到应用，包括PHS、DECT等TDD-TDMA系统。在3G标准中，TDD系统得到了进一步的应用。例如3GPPR99协议中，引入了UTRAFDD与TDD(3.84Mcps)两种模式。•而在R4协议中，引入了低码片速率(1.28Mcps)的TDD模式。在R7协议中，又引入了扩展的TDD模式，信号带宽10MHz，码片速率可达7.68MHz。BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理•14.1.2信道互易•TDD的一个典型特点是具有信道互易特性，如下图所示。由于上下行工作在相同频率，因此基站和移动台之间电磁传播环境类似。各个障碍物对应的多径信道响应的幅度、相位与时延变化在一定的时间间隔中对于上行和下行基本相同，多普勒频率也是类似的。图14.2TDD信道互易示例BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理•信道互易性是TDD系统的特性，基于这一特点可以极大方便信道估计与预测。•但需要指出的是，信道互易成立是有条件的，其一，要求信道是线性系统，只有信道响应是线性时变(时不变)响应，信道互易才能成立；•其二，要求信道估计与预测远小于相干时间，如果接近或超过相干时间，则信道估计误差增大或产生错误，一般的，运动速度越快，多普勒频移越大，从而相干时间越短，导致信道估计误差增大，造成系统性能下降，这也就是TDD只适用于中低速移动通信的主要原因。BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理•14.1.3信道非对称•传统上，无线接入主要是针对话音业务进行优化，话音业务具有上下行对称特性，因此采用FDD可以满足要求。但随着无线数据业务的不断增长，上下行数据速率呈现出非对称特性。典型情况下，下行业务速率与上行业务速率比值为4:1。BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理•14.1.3信道非对称•尽管FDD可以方便的支持对称接入业务，但对于支持非对称业务，不够灵活。而TDD技术，由于采用分时方式支持上下行发送，因此能够根据业务属性，动态调整上下行切换点，灵活分配传输速率，从而更方便的支持对称业务和非对称业务，甚至混合类型业务。BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理•14.1.4同步发送•TDD系统中，同一小区基站向用户发送的信号保持同步，而由于用户与基站距离远近不同，因此上行信号是异步关系，存在相对时延。BS向UE1发送BS接收UE1信号UE1接收BS信号UE1向BS发送BSUE1UE2rBS向UE2发送BS接收UE2信号UE2接收BS信号UE2向BS发送BS向UE1发送BS向UE2发送一个上下行发送周期下行发送上行接收mbm图14.4TDD上下行时序关系为了防止上行链路与下行链路相互干扰，必须引入保护时间b。BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理•14.1.5系统干扰•与FDD系统相比，TDD有可能引入更多的干扰。如下图所示，在同频组网条件下，当基站之间异步或基站同步但切换点不一致时，则在基站和终端都会受到干扰。一般的，基站间的干扰更严重，终端间的干扰次之。干扰链路通信链路TXRXTXRXRXTXRXTXBS1BS2UE1UE2BS1UE1BS2UE2TXRXTXRXRXTXRXTXBS1BS2UE1UE2帧同步相对误差干扰时段基站异步情况的相互干扰基站同步情况的相互干扰图14.5TDD系统中的干扰BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理•14.1.5系统干扰•为了减小邻小区干扰，可以采用异频组网方式，但这样做降低了频谱利用率。•更好的方法是采用动态信道分配(DCA)，从而既保证对非对称业务的灵活支持，又有效降低了小区间干扰。因此DCA技术是TDD系统的一项基本技术，是区别于FDD系统的重要特色。BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.1TDD原理•TDD系统的技术优势可以总结如下：•系统结构简化，有利于新技术应用•灵活支持非对称业务•频段分配灵活，频谱效率提高•TDD技术也存在一些主要缺点，列举如下：•移动速率与覆盖距离受限–TDD移动速率为120km/h和10公里的较小覆盖范围•脉冲发射，干扰较大•同步精度高，网络侧处理复杂BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.2TD-SCDMA•14.2.1概述•TD-SCDMA系统的物理层主要技术与WCDMA基本类似，而网络结构与后者是一样的，都采用了UMTS网络结构。两者之间的主要区别在于空中接口：TD-SCDMA采用了TDD的时分双工方式，另外在物理层运用了一些有特色的技术，比如智能天线、联合检测、低码片速率与软件无线电，以及同步CDMA的一系列新技术。•在网络方面，TD-SCDMA后向兼容GSM系统，支持GSM/MAP核心网，使网络能够由GSM平滑演进到TD-SCDMA。同时，它与WCDMA具有相同的网络结构和高层指令，两类制式可以使用同一核心网。BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.2TD-SCDMA•14.2.2物理层技术•1.系统参数表14.3TD-SCDMA的主要参数占用带宽/MHz1.6每载波码片速率/Mcps1.28扩频方式DS，SF=1/2/4/8/16调制方式QPSK/8PSK信道编码卷积码：R=1/2，1/3，turbo码帧结构帧长10ms，分为两个子帧，每个子帧5ms交织/ms10/20/40/80BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.2TD-SCDMA•14.2.2物理层技术表14.3TD-SCDMA的主要参数(续)时隙数7个业务时隙，两个特殊时隙上行同步精度1/8chip容量(每时隙话音信道数)16同时工作每载波话音信道数48对称业务容量(每时隙总传输速率)281.6kbps数据业务每载波总传输速率1.971Mbps数据业务话音频谱利用率25对称话音业务数据频谱利用率1.232非对称话音业务智能天线波束成形，与联合检测组合•多址方式•SDMA/CDMA/TDMA/FDMABUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.2TD-SCDMA•14.2.2物理层技术表14.4中国TD-SCDMA规划无线频谱分配频段属性备注1900~1920MHz上/下行共用3G核心频段2010~2025MHz上/下行共用3G核心频段、中国移动TD运营频段1850~1910MHz上/下行共用1930~1990MHz上/下行共用1910~1930MHz上/下行共用1880~1900MHz上/下行共用中国移动TD运营频段2300~2400MHz上/下行共用3G扩展频段BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.2TD-SCDMA•2.帧结构与信道类型•TD-SCDMA的物理信道采用三层帧结构：无线帧，子帧和时隙/码。无线帧1无线帧210ms无线子帧1无线子帧25ms时隙0Gp时隙1时隙2时隙3时隙4时隙5时隙65ms(6400chip)转换点转换点下行导频时隙(96chip)主保护时隙(96chip)上行导频时隙(160chip)上/下行对称分配时隙0时隙1时隙2时隙3时隙4时隙5时隙65ms(6400chip)转换点转换点上/下行不对称分配Gp32chipSYNC-DL64chipSYNC-UL(128chip)Gp32chip数据(352chip)midamble(144chip)数据(352chip)Gp16chip时隙(突发)结构上/下行导频时隙结构Gp图14.6TD-SCDMA的帧结构BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.2TD-SCDMA•2.帧结构与信道类型•与WCDMA类似，TD-SCDMA的信道类型也分为逻辑信道、传输信道与物理信道。BCCHPCCHDCCHCCCHSHCCHCTCHDTCHBCHPCHRACHFACHUSCHDSCHDCHPCCPCHSCCPCHPRACHPUSCHPDSCHDPCHDwPCHUpPCHFPACHPICHRLC层逻辑信道MAC层传输信道物理信道PHY层图14.7网络侧信道映射关系BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.2TD-SCDMA•3.智能天线技术•TD-SCDMA系统中基于信道互易性可以方便的应用智能天线、联合检测等先进技术。解扩单元解扩单元解扩单元联合检测单元信道响应估计编码调制扩频……用户扩频码…………Midamble序列自适应权重调整/波束成形用户扩频码发送数据接收数据……………………信号合并………………………………时延、幅度、相位1w1w2w2wMwMw…………图14.8采用智能天线与联合检测的TD-SCDMA系统BUPTInformationTheory&TechnologyCenter§14.2TD-SCDMA•TD-SCDMA系统采用的智能天线技术分为两类，一类是预多波束方法，另一类是自适应波束成形方法。•在实际系统中往往采用对信道相关矩阵进行特征分解，提取最大特征值对应的特征向量，作为波束成形向量。•基于信道互易性，采用智能天线能产生最大的载干比(C/I)增益。下