TDSCDMA基本原理TD基本原理.docx
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TDSCDMA基本原理TD基本原理
TD-SCDMA基本原理
课程目标:
●了解TD-SCDMA系统的发展历程
●了解TD-SCDMA网络接口
●掌握TD-SCDMA系统物理层技术
●掌握TD-SCDMA系统物理层过程
参考资料:
●3GPPR4TS25.201V4.3.0
●3GPPR4TS25.221V4.7.0
●3GPPR4TS25.222V4.6.0
●3GPPR4TS25.223V4.5.0
●3GPPR4TS25.224V4.8.0
●《中兴通讯TD-SCDMA基本原理》
目录
第1章TD-SCDMA发展概述（1
1.1移动通信技术发展（1
1.23G无线传输技术RTT标准（2
1.33G标准化格局（4
1.4中国3G频谱分配（5
1.5TD-SCDMA标准发展历程（5
1.6TD-SCDMA优势—中国制造（6
第2章网络结构和接口（7
2.1UTRAN网络结构图（7
2.2UTRAN通用协议模型（8
2.3空中接口Uu（9
2.4Iub口（11
2.5Iu口（11
第3章物理层结构和信道映射（13
3.1TD-SCDMA概述（13
3.2物理信道帧结构（14
3.3常规时隙（15
3.4下行导频时隙（16
3.5上行导频时隙（16
3.6三种信道模式（17
3.7物理信道及其分类（17
3.8传输信道及其分类（19
3.9传输信道到物理信道的映射（20
第4章信道编码与复用（21
第5章扩频与调制（25
5.1扩频与调制过程图（25
5.2数据调制（26
i
5.3扩频调制（27
5.3.1概述（27
5.3.2正交可变扩频因子（OVSF码（28
5.3.3扩频调制的原理、优点（29
5.4码资源-SYNC_DL（30
5.5码资源-SYNC_UL（30
5.6码资源-midamble码（31
5.7码资源-扰码（31
5.8码资源汇总（31
第6章物理层过程（33
6.1小区搜索过程（33
6.2上行同步过程（34
6.3基站间同步（35
6.4随机接入过程（36
ii
第1章TD-SCD
MA发展概述
知识点
●概述
1.1移动通信技术发展
图1.1-1移动通信发展史
第一代移动通信系统的典型代表是美国AMPS系统和后来改进型系统TACS,以
及NMT和NTT等,AMPS（先进移动电话系统使用模拟蜂窝传输的800MHz
频带,在美洲和部分环太平洋国家广泛使用;TACS（全向入网通信系统是80
年代欧洲的模拟移动通信的制式,也是我国80年代采用的模拟移动通信制式,使
用900MHz频带。
而北欧也于瑞典开通了NMT（Nordic移动电话系统,德国
开通C-450系统等。
第一代移动通信系统为模拟制式,以FDMA技术为基础。
第二代移动通信系统（2ndGeneration,2G是以传送语音和数据为主的数字通信
系统,典型的系统有GSM（采用TDMA方式、DAMPS、IS-95CDMA和日本的
JDC（现在改名为PDC等数字移动通信系统。
2G除提供语音通信服务之外,也
可提供低速数据服务和短消息服务。
第三代移动通信系统（3rdGeneration,3G,国际电联也称IMT-2000（International
MobileTelecommunicationsintheyear2000,欧洲的电信业巨头们则称其为UMTS
1
（通用移动通信系统,包括WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000三大标准。
它能够将语音通信和多媒体通信相结合,其可能的增值服务将包括图像、音乐、
网页浏览、视频会议以及其他一些信息服务。
3G意味着全球适用的标准、新型业
务、更大的覆盖面以及更多的频谱资源,以支持更多用户。
3G系统与现有的2G
系统有根本的不同。
3G系统采用CDMA技术和分组交换技术,而不是2G系统
通常采用的TDMA技术和电路交换技术。
在电路交换的传输模式下,无论通话双
方是否说话,线路在接通期间保持开通,并占用带宽。
与现在的2G系统相比,
3G将支持更多的用户,实现更高的传输速率。
1.23G无线传输技术RTT标准
图1.2-1IMT2000RTT标准
3G的无线传输技术（RTT有以下需求:
信息传输速率:
144kbps高速运动
384kbps步行运动
2Mbps室内运动
根据带宽需求实现的可变比特速率信息传递;
一个连接中可以同时支持具有不同QoS要求的业务;
满足不同业务的延时要求（从实时要求的语音业务到尽力而为的数据业务。
1999年11月召开的国际电联芬兰会议确定了第三代移动通信无线接口技术标准,
并于2000年5月举行的ITU-R2000年全会上最终批准通过,此标准包括码分多
址（CDMA和时分多址（TDMA两大类五种技术。
它们分别是:
WCDMA、
2
CDMA2000、CDMATDD、UWC-136和EP-DECT。
其中,前三种基于CDMA技术的为目前所公认的主流技术,它又分成频分双工（FDD和时分双工（TDD两种方式。
TD-SCDMA属CDMATDD技术。
WCDMA最早由欧洲和日本提出,其核心网基于演进的GSM/GPRS网络技术,空中接口采用直接序列扩频的宽带CDMA。
目前,这种方式得到欧洲、北美、亚太地区各GSM运营商和日本、韩国多数运营商的广泛支持,是第三代移动通信中最具竞争力的技术之一。
3GPPWCDMA技术的标准化工作十分规范,目前全球3GPPR99标准的商用化程度最高,全球绝大多数3G试验系统和设备研发都基于该技术标准规范。
今后3GPPR99的发展方向将是基于全IP方式的的网络架构,并将演进为R4、R5两个阶段的序列标准。
2001年3月的第一个R4版本初步确定了未来发展的框架,部分功能进一步增强,并启动部分全IP演进内容。
R5为全IP方式的第一个版本,其核心网的传输、控制和业务分离,IP化将从核心网（CN逐步延伸到无线接入部分（RAN和终端（UE。
CDMA2000由北美最早提出,其核心网采用演进的IS-95CDMA核心网（ANSI-41,能与现有的IS-95CDMA向后兼容。
CDMA技术得到IS-95CDMA运营商的支持,主要分布在北美和亚太地区。
其无线单载波CDMA20001x采用与IS-95相同的带宽,容量提高了一倍,第一阶段支持144kbps业务速率,第二阶段支持614kbps,3GPP2已完成这部分的标准化工作。
目前增强型单载波CDMA20001xEV在技术发展中较受重视,极具商用潜力。
CDMATDD包括欧洲的UTRANTDD和我国提出的TD-SCDMA技术。
在IMT2000中,TDD拥有自己独立的频谱（1785~1805MHz,并部分采用了智能天线或上行同步技术,适合高密度低速接入、小范围覆盖、不对称数据传输。
2001年3月,3GPP通过R4版本,由我国大唐电信提出的TD-SCDMA被接纳为正式标准。
我国提出的TD-SCDMA标准在技术上有着巨大的优势,这些优势简单说就是,第一,TD-SCDMA有最高的频谱利用率。
因为我国标准是一种时分双工（TDD的移动通信系统,只用一段频率就可完成通信的收信和发信,而WCDMA和cdma2000采用的都是频分双工（FDD的移动通信系统,需要两段不同的频率才能完成通信的收信和发信。
第二,TD-SCDMA采用了世界领先的智能天线技术。
基站天线可以自动追踪用户手机的方向,使通信效率更高,干扰更少,设备成本更低。
另一方面,我国政府和运营商给予我国提出的3G标准以巨大的支持,同时,大唐集团也采取了广泛的联合策略,他们与西门子公司结成战略联盟,发挥双方各自的技术优势,使这一起步较晚的标准得到了广泛的支持。
同时,为了与世界融合,大唐集团也在标准上做出了一定的让步,如修改了一些技术参数等等。
3
1.33G标准化格局
图1.3-13G组织
IMT-2000标准化的研究工作由ITU负责和领导。
其中,ITU-R的SG8-TG8/1工
作组负责制定RTT部分的标准,ITU-T的SG11WP3工作组负责制定网络部分的
标准。
此外,ITU还专门成立了中间协调组（ICG,在ITU-R与ITU-T之间协调
它们的研究工作内容。
由于ITU要求第三代移动通信的实现应易于从第二代系统逐步演进,而第二代系
统又存在两大互不兼容的通信体制:
GSM和CDMA,所以IMT-2000的标准化研
究实际上出现了两种不同的主流演进趋势。
一种是以由欧洲ETSI、日本
ARIB/TTC、美国T1、韩国TTA和中国CWTS为核心发起成立的3GPP组织,专
门研究如何从GSM系统向IMT-2000演进;另一种是以美国TIA、日本ARIB/TTC、
韩国TTA和中国CWTS为首成立的3GPP2组织,专门研究如何从CDMA系统向
IMT-2000演进。
自从3GPP和3GPP2成立之后,IMT-2000的标准化研究工作就
主要由这两个组织承担,而ITU则负责标准的正式制定和发布方面的管理工作。
4
1.4中国3G频谱分配
图1.4-1中国3G频谱分配
2002年10月,国家信息产业部下发文件《关于第三代公众移动通信系统频率规
划问题的通知》（信部无[2002]479号中规定:
主要工作频段（FDD方式:
1920~1980MHz/2110~2170MHz;TDD方式:
1880~1920MHz、2010~2025MHz。
补充工作频段（FDD方式:
1755~1785MHz/1850~1880MHz;TDD方式:
2300~2400MHz,与无线电定位业务共用。
从中可以看到TDD得到了155MHz
的频段,而FDD（包括WCDMAFDD和CDMA2000共得到了290MHz的频
段。
1.5TD-SCDMA标准发展历程
图1.5-1TD-SCDMA发展历程
5
1998年11月国际电联第八组织在伦敦召开第15次会议,确定要在日韩美欧中
等10项方案中淘汰若干项。
当时国际电联内代表美国利益的CDMA2000和代表
欧洲利益的WCDMA正斗得激烈,对来自中国的TDS也是排斥有加。
原邮电部
科技司司长周寰向信产部领导求助,然后,中国信息产业部致函各外企驻中国机
构,提醒他们注意“对TDS封杀可能造成的后果”。
在巨大的中国市场诱惑下,
最年轻,实力最弱的TDS得以保留。
1999年2月中国的TD-SCDMA在3GPP中标准化
2000年5月在土耳其国际电联全会上,中国大唐集团（即前信产部科技研究院,
周寰任董事长的TDS系统被投票采纳为国际三大3G标准之一,与欧洲的
WCDMA和美国的CDMA2000并列。
2001年3月3GPP第11次全会正式接纳由中国提出的TD-SCDMA第三代移动
通信标准全部技术方案。
被3GPP接纳,就标志着TD-SCDMA已被全球电信运营
商和设备制造商所接受。
2002年10月信息产业部通过【2002】479号文件公布TD-SCDMA频谱规划,
为TD-SCDMA标准划分了总计155MHz（1880-1920MHz、2010-2025MHz及补充
频段2300-2400MHz共计155MHz频率的非对称频段。
1.6TD-SCDMA优势—中国制造
●自主的知识产权,可以避免西方国家的技术壁垒
●TD-SCDMA的发展,可以拉动上下游经济
●TD-SCDMA可以保障国家的通信安全
●TD-SCDMA可以保证技术的可持续性发展
6
第2章网络结构
和接口
知识点
●UTRAN网络结构
●接口及其功能
2.1UTRAN网络结构图
图2.1-1UTRAN网络结构
UMTS系统由核心网CN、无线接入网UTRAN和手机终端UE三部分组成。
UTRAN由基站控制器RNC和基站NodeB组成。
CN通过Iu接口与UTRAN的RNC相连。
其中Iu接口又被分为连接到电路交换
域的Iu-CS,分组交换域的Iu-PS,广播控制域的Iu-BC。
NodeB与RNC之间的
接口叫做Iub接口。
在UTRAN内部,RNC通过Iur接口进行信息交互。
Iur接口
可以是RNC之间物理上的直接连接,也可以靠通过任何合适传输网络的虚拟连接
来实现。
NodeB与UE之间的接口叫Uu接口。
7
TR-001-C1TD-SCDMA基本原理
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2.2UTRAN通用协议模型
图2.2-1UTRAN通用协议模型
可以从图上看到,UTRAN层次从水平方向上可以分为传输网络层和无线网络层;从垂直方向上则包括四个平面:
●控制平面●用户平面
●传输网络层控制平面●
传输网络层用户平面
控制平面:
包含应用层协议,如:
RANAP、RNSAP、NBAP和传输层应用协议的信令承载。
用户平面:
包括数据流和相应的承载,每个数据流的特征都由一个和多个接口的帧协议来描述。
传输网络层控制平面:
为传输层内的所有控制信令服务,不包含任何无线网络层信息。
它包括为用户平面建立传输承载（数据承载的ALCAP协议,以及ALCAP需要的信令承载。
传输网络层用户平面:
用户平面的数据承载和控制平面的信令承载都属于传输网络层的用户平面。
第2章网络结构和接口
9
2.3空中接口Uu
l
L1
L2/MAC
L2/RLC
L2/BMC
L2/PDCPL3
图2.3-1Uu接口
无线接口从协议结构上可以划分为三层:
●物理层（L1●数据链路层（L2●
网络层（L3
L2分为控制平面（C-平面和用户平面（U-平面。
在控制平面中包括媒体接入控制MAC和无线链路控制RLC两个子层;在用户平面除MAC和RLC外,还有分组数据会聚协议PDCP和广播/多播控制协议BMC。
L3也分为控制平面（C-平面和用户平面（U-平面。
在控制平面上,L3的最低层为无线资源控制（RRC,它属于接入层（AS,终止于RAN。
移动性管理（MM和连接管理（CM等属于非接入层（NAS,其中CM层还可按其任务进一步划分为呼叫控制（CC、补充业务（SS、短消息业务（SMS等功能实体。
接入层通过业务接入点（SAP承载上层的业务,非接入层信令属于核心网功能。
TR-001-C1TD-SCDMA基本原理
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RLC和MAC之间的业务接入点（SAP提供逻辑信道,物理层和MAC之间的SAP提供传输信道。
RRC与下层的PDCP、BMC、RLC和物理层之间都有连接,用以对这些实体的内部控制和参数配置。
图2.3-2RRC状态转移图
UE的状态基本是按照UE使用的信道来定义的。
●CELL_DCH状态是UE占有专用的物理信道。
●
CELL_FACH状态是UE在数据量小的情况下不使用任何专用信道而使用公共信道。
上行使用RACH、下行使用FACH。
这个状态下UE可以发起小区重选过程,且UTRAN可以确知UE位于哪个小区。
●CELL_PCH状态下UE仅仅侦听PCH和BCH信道。
这个状态下UE可以进行小区重选,重选时转入CELL_FACH状态,发起小区更新,之后再回到CELL_PCH状态。
网络可以确知UE位于哪个小区。
●URA_PCH状态和CELL_PCH状态相似,但网络只知道UE位于哪个URA区。
CELL_PCH和URA_PCH状态的引入是为了UE能够始终处于在线状态而又不至于浪费无线资源。
第2章网络结构和接口
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2.4Iub口
Iub接口是RNC和NodeB之间的接口,完成RNC和NodeB之间的用户数据传送、用户数据及信令的处理和NodeB逻辑上的O&M等。
它是一个标准接口,允许不同厂家的互联。
功能:
管理Iub接口的传输资源、NodeB逻辑操作维护、传输操作维护信令、系统信息管理、专用信道控制、公共信道控制和定时以及同步管理。
2.5Iu口
Iu接口是连接UTRAN和CN的接口,也可以把它看成是RNS和核心网之间的一个参考点。
它将系统分成用于无线通信的UTRAN和负责处理交换、路由和业务控制的核心网两部分。
结构:
一个CN可以和几个RNC相连,而任何一个RNC和CN之间的Iu接口可以分成三个域:
电路交换域（Iu-CS、分组交换域（Iu-PS和广播域（Iu-BC,它们有各自的协议模型。
功能:
Iu接口主要负责传递非接入层的控制信息、用户信息、广播信息及控制Iu接口上的数据传递等。
.
第3章物理层结
构和信道映射
知识点
●物理信道结构
●传输信道
●物理信道及其映射
3.1TD-SCDMA概述
图3.1-1TD-SCDMA多址技术
TD-SCDMA系统的多址方式很灵活,可以看作是FDMA/TDMA/CDMA的有机结
合。
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TR-001-C1TD-SCDMA基本原理
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3.2物理信道帧结构
图3.2-1TD-SCDMA物理信道结构
3GPP定义的一个TDMA帧长度为10ms。
TD-SCDMA系统为了实现快速功率控制和定时提前校准以及对一些新技术的支持（如智能天线、上行同步等,将一个10ms的帧分成两个结构完全相同的子帧,每个子帧的时长为5ms。
每一个子帧又分成长度为675us的7个常规时隙（TS0~TS6和3个特殊时隙:
DwPTS（下行导频时隙、G（保护间隔和UpPTS（上行导频时隙。
常规时隙用作传送用户数据或控制信息。
在这7个常规时隙中,TS0总是固定地用作下行时隙来发送系统广播信息,而TS1总是固定地用作上行时隙。
其它的常规时隙可以根据需要灵活地配置成上行或下行以实现不对称业务的传输,如分组数据。
用作上行链路的时隙和用作下行链路的时隙之间由一个转换点（SwitchPoint分开。
每个5ms的子帧有两个转换点（UL到DL和DL到UL,第一个转换点固定在TS0结束处,而第二个转换点则取决于小区上下行时隙的配置。
第3章物理层结构和信道映射
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3.3常规时隙
图3.3-1常规时隙
TS0~TS6共7个常规时隙被用作用户数据或控制信息的传输,它们具有完全相同的时隙结构。
每个时隙被分成了4个域:
两个数据域、一个训练序列域（Midamble和一个用作时隙保护的空域（GP。
Midamble码长144chip,传输时不进行基带处理和扩频,直接与经基带处理和扩频的数据一起发送,在信道解码时被用作进行信道估计。
数据域用于承载来自传输信道的用户数据或高层控制信息,除此之外,在专用信道和部分公共信道上,数据域的部分数据符号还被用来承载物理层信令。
Midamble用作扩频突发的训练序列,在同一小区同一时隙上的不同用户所采用的midamble码由同一个基本的midamble码经循环移位后产生。
整个系统有128个长度为128chips的基本midamble码,分成32个码组,每组4个。
一个小区采用哪组基本midamble码由小区决定,当建立起下行同步之后,移动台就知道所使用的midamble码组。
NodeB决定本小区将采用这4个基本midamble中的哪一个。
一个载波上的所有业务时隙必须采用相同的基本midamble码。
原则上,midamble的发射功率与同一个突发中的数据符号的发射功率相同。
训练序列的作用体现在上下行信道估计、功率测量、上行同步保持。
传输时Midamble码不进行基带处理和扩频,直接与经基带处理和扩频的数据一起发送,在信道解码时它被用作进行信道估计。
在TD-SCDMA系统中,存在着3种类型的物理层信令:
TFCI、TPC和SS。
TFCI（TransportFormatCombinationIndicator用于指示传输的格式,TPC（TransmitPowerControl用于功率控制,SS（SynchronizationShift是TD-SCDMA系统中所特有的,用于实现上行同步,该控制信号每个子帧（5ms发射一次。
在一个常规时隙的突发中,如果物理层信令存在,则它们的位置被安排在紧靠Midamble序列,如下图所示:
TR-001-C1TD-SCDMA基本原理
16
子帧#2n
子帧
图3.3-2常规时隙
对于每个用户,TFCI信息将在每10ms无线帧里发送一次。
对每一个CCTrCH,高层信令将指示所使用的TFCI格式。
对于每一个所分配的时隙是否承载TFCI信息也由高层分别告知。
如果一个时隙包含TFCI信息,它总是按高层分配信息的顺序采用该时隙的第一个信道码进行扩频。
TFCI是在各自相应物理信道的数据部分发送,这就是说TFCI和数据比特具有相同的扩频过程。
如果没有TPC和SS信息传送,TFCI
就直接与midamble码域相邻。
3.4下行导频时隙
图3.4-1下行导频时隙
每个子帧中的DWPTS是为建立下行导频和同步而设计的。
这个时隙通常是由长为64chips的SYNC_DL和32chips的保护码间隔组成。
SYNC-DL是一组PN码,用于区分相邻小区,系统中定义了32个码组,每组对应一个SYNC-DL序列,SYNC-DL码集在蜂窝网络中可以复用。
3.5上行导频时隙
图3.5-1上行导频时隙
第3章物理层结构和信道映射
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每个子帧中的UpPTS是为上行同步而设计的,当UE处于空中登记和随机接入状态时,它将首先发射UpPTS,当得到网络的应答后,发送RACH。
这个时隙通常由长为128chips的SYNC_UL和32chips的保护间隔组成。
3.6三种信道模式
逻辑信道:
MAC子层向RLC子层提供的服务,它描述的是传送什么类型的信息传输信道:
物理层向高层提供的服务,它描述的是信息如何在空中接口上传输物理信道:
承载传输信道的信息
3.7物理信道及其分类
物理信道根据其承载的信息不同被分成了不同的类别,有的物理信道用于承载传输信道的数据,而有些物理信道仅用于承载物理层自身的信息。
⒈专用物理信道
专用物理信道DPCH（DedicatedPhysicalCHannel用于承载来自专用传输信道DCH的数据。
物理层将根据需要把来自一条或多条DCH的层2数据组合在一条或多条编码组合传输信道CCTrCH（CodedCompositeTransportCHannel内,然后再根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域。
DPCH可以位于频带内的任意时隙和任意允许的信道码,信道的存在时间取决于承载业务类别和交织周期。
一个UE可以在同一时刻被配置多条DPCH,若UE允许多时隙能力,这些物理信道还可以位于不同的时隙。
物理层信令主要用于DPCH。
2.公共物理信道
根据所承载传输信道的类型,公共物理信道可划分为一系列的控制信道和业务信道。
在3GPP的定义中,所有的公共物理信道都是单向的（上行或下行。
（1主公共控制物理信道
主公共控制物理信道（P-CCPCH,PrimaryCom
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