TD-SCDMA引領(lǐng)3G之路

過去幾年里，中國(guó)已經(jīng)成為最大的蜂窩手機(jī)終端市場(chǎng)，擁有超過3億GSM、CDMA和PAS網(wǎng)絡(luò)用戶。這個(gè)數(shù)字預(yù)期還會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，因?yàn)檫€沒有為半數(shù)以上的人群提供服務(wù)。此外，還有兩個(gè)因素會(huì)進(jìn)一步加速市場(chǎng)的增長(zhǎng)。第一，一部分人口，特別是農(nóng)村人口將受益于業(yè)界最初推出的低成本手機(jī)。這些入門手機(jī)將以基本語(yǔ)音通信功能為主，功能有限，但能夠使更多人受益于移動(dòng)電話。第二，當(dāng)3G牌照發(fā)放給電信運(yùn)營(yíng)商后，新的業(yè)務(wù)將出現(xiàn)在高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)上，推動(dòng)現(xiàn)有的手機(jī)用戶升級(jí)他們的手機(jī)以享受新提供的服務(wù)。

因此，中國(guó)無線通信標(biāo)準(zhǔn)化組織(CWTS)針對(duì)3G移動(dòng)通信提出的TD-SCDMA(時(shí)分同步碼分多址)技術(shù)成為國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)考慮的射頻傳輸技術(shù)(RTT)之一也就不足為怪了?；跁r(shí)分復(fù)用(TDD)和同步CDMA的組合，TD-SCDMA能夠提供許多優(yōu)點(diǎn)，最終為運(yùn)營(yíng)商降低了投資成本并且節(jié)省了資金，從而為從2G向3G業(yè)務(wù)過渡提供了一條可行途徑。TD-SCDMA系統(tǒng)還采用了一些獨(dú)特的新技術(shù)，例如聯(lián)合檢測(cè)(JD)、自適應(yīng)天線、動(dòng)態(tài)信道分配和接力切換。TD-SCDMA演進(jìn)的一個(gè)重要基礎(chǔ)是已經(jīng)被第三代移動(dòng)通信合作計(jì)劃(3GPP) TDD標(biāo)準(zhǔn)用作其低碼片速率(LCR)版本。

什么是TD-SCDMA？

TD-SCDMA 的體系結(jié)構(gòu)完全遵循3GPP標(biāo)準(zhǔn)，并且由三部分組成：用戶設(shè)備(UE)、射頻接入網(wǎng)(RAN)和核心網(wǎng)。TD-SCDMA的RAN的設(shè)計(jì)原則是與其他的RAN共享相同的核心網(wǎng)，例如WCDMA系統(tǒng)，這樣就大大簡(jiǎn)化了多模系統(tǒng)設(shè)計(jì)。物理層(第1層)描述了基站(BS)和UE之間的傳輸，包括了兩個(gè)方向的傳輸：上行鏈路(從UE到BS)和下行鏈路(從BS到UE)。在手機(jī)設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)最復(fù)雜的部分在下行鏈路，例如接收機(jī)設(shè)計(jì)。因?yàn)門D-SCDMA 基于TDD模式，所以下行鏈路(DL)和上行鏈路(UL)共享相同的頻帶。圖1示出每個(gè)子幀包含7個(gè)常規(guī)時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙(陰影部分)，常規(guī)時(shí)隙用于數(shù)據(jù)傳輸和接收，特殊時(shí)隙用于時(shí)鐘同步和其他控制目的。

圖1  TD-SCDMA子幀和時(shí)隙結(jié)構(gòu)

TS0總是用于DL廣播信道，TS1總是用于UL。每個(gè)子幀中最多有兩個(gè)UL/DL時(shí)隙切換點(diǎn)，第一個(gè)時(shí)隙切換點(diǎn)是固定的，而第二個(gè)時(shí)隙切換點(diǎn)可以靈活變化。TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際業(yè)務(wù)量動(dòng)態(tài)改變第二個(gè)時(shí)隙切換點(diǎn)的位置重新安排UL/DL容量。TD-SCDMA 系統(tǒng)中的所有基站都是時(shí)間同步的，所以小區(qū)搜索和切換均可輕松實(shí)現(xiàn)。UL也是同步的，意味著不同的手機(jī)必須以幾乎相同的時(shí)間向基站發(fā)送信號(hào)以便所有信號(hào)會(huì)同時(shí)到達(dá)基站接收天線。

TD-SCDMA 同時(shí)支持多種業(yè)務(wù)。不同用戶使用不同時(shí)隙，不同業(yè)務(wù)在同一時(shí)隙中使用不同數(shù)量的碼道。因此，不同時(shí)隙之間信號(hào)功率幅度(在DL或UL中)可能差異很大。這意味著UE應(yīng)該能夠在不同時(shí)隙之間快速地調(diào)整接收增益和傳輸增益。典型的數(shù)據(jù)時(shí)隙包括四部分：數(shù)據(jù)部分1、數(shù)據(jù)部分2、用于信道估計(jì)的訓(xùn)練序列(midamble)和防止脈沖串間干擾(IBI)的保護(hù)間隔(GP)。

目前的方案是使用訓(xùn)練序列便于接收機(jī)無線傳輸信道估計(jì)。訓(xùn)練序列碼分配策略有3種，不同的碼信道可以共用相同的訓(xùn)練序列或使用不同的訓(xùn)練序列碼。每個(gè)訓(xùn)練序列碼序列都是按照這種方法產(chǎn)生，以便可以使用有效的算法用于無線傳輸信道估計(jì)。

在發(fā)射端，將二進(jìn)制編碼比特(bit)映射到QPSK(或8PSK)復(fù)數(shù)符號(hào)。對(duì)于HSDPA技術(shù)還使用了16 QAM調(diào)制。為了降低信號(hào)的峰均比(PAR)，每個(gè)物理信道的復(fù)數(shù)符號(hào)在用信道標(biāo)識(shí)碼—也稱作正交可變擴(kuò)頻因子(OVSF)碼—擴(kuò)頻之前先乘以一個(gè)信道標(biāo)識(shí)碼特定倍數(shù)(CCSM)。在TD-SCDMA系統(tǒng)的下行鏈路中，擴(kuò)頻因子可以是1或者16。在擴(kuò)頻之后，具有碼片速率的信號(hào)再與擾碼(16碼片的復(fù)數(shù)序列)相乘。最后，碼片序列的實(shí)部(I)和虛部(Q)通過一個(gè)根號(hào)升余弦(RRC)濾波器，并且上變頻到要求的載波頻率。

聯(lián)合檢測(cè)接收機(jī)

接收機(jī)設(shè)計(jì)是UE開發(fā)中最困難的工作，因?yàn)樵谡麄€(gè)UE實(shí)現(xiàn)中該部分設(shè)計(jì)復(fù)雜度最高。雖然LCR中的多個(gè)用戶通過分配給它們的OVSF碼實(shí)現(xiàn)多路復(fù)用，但是因?yàn)槎嗦沸诺乐写嬖谘舆t擴(kuò)散，而且UE輸入端的接收信號(hào)會(huì)受到多用戶干擾(MUI)以及符號(hào)間干擾(ISI)，所以并不能保證不同用戶之間完全正交。CDMA系統(tǒng)中采用的傳統(tǒng)接收機(jī)(例如，RAKE接收器)在這種情況下的性能很差，所以最好是選用比較復(fù)雜的多用戶接收機(jī)設(shè)計(jì)。

多用戶接收領(lǐng)域的研究興起于20世紀(jì)的最后十年，它為多用戶檢測(cè)技術(shù)的開發(fā)與分析提供了理論框架。研究結(jié)果表明某些接收機(jī)結(jié)構(gòu)，例如線性接收機(jī)，比較適合特定的鏈路情況。特別是在TD-SCDMA情況下，一個(gè)時(shí)隙中最大碼道數(shù)和擾碼長(zhǎng)度為16，所以很容易并行處理全部碼信道。

在不同標(biāo)準(zhǔn)下可以獲得不同的多用戶檢測(cè)(MUD)算法?？梢酝ㄟ^采用線性接收器結(jié)構(gòu)應(yīng)用準(zhǔn)最佳的多用戶檢測(cè)器—通常稱作聯(lián)合檢測(cè)—來降低MUI。用于線性接收機(jī)設(shè)計(jì)的方法有好幾種——最常見的兩種優(yōu)化準(zhǔn)則是迫零線性塊均衡器(ZF-BLE)和最小均方誤差線性塊均衡器(MMSE-BLE)。ZF-BLE可以完全消除ISI和MAI，但會(huì)增強(qiáng)噪聲。MMSE-BLE則在減小ISI/MAI影響和降低噪聲之間進(jìn)行平衡。聯(lián)合檢測(cè)的復(fù)雜度與符號(hào)星座圖無關(guān)。

雖然聯(lián)合檢測(cè)算法是接收機(jī)結(jié)構(gòu)的核心問題，但是影響性能的關(guān)鍵卻在外圍功能中。一般包括信道估計(jì)、有效碼檢測(cè)、信噪比(SNR)估計(jì)和同步。一個(gè)時(shí)隙中有多少有效CDMA碼道，有哪些有效碼道，這些都是非常重要的信息。

LCR接收機(jī)中的信道估計(jì)是基于結(jié)構(gòu)化的訓(xùn)練序列完成的。在標(biāo)準(zhǔn)中針對(duì)訓(xùn)練序列的設(shè)計(jì)提出了不同的方案。公共訓(xùn)練序列分配(CMA)方案的應(yīng)用是通過高層將其作為物理信道配置的一部分以信令的方式發(fā)送給UE。

第一種訓(xùn)練序列分配方案是CMA，同一時(shí)隙中的所有下行信道使用相同的基本訓(xùn)練序列。信道估計(jì)結(jié)構(gòu)是根據(jù)訓(xùn)練序列的周期循環(huán)特性得到的。信道抽頭的數(shù)量和信道估計(jì)的長(zhǎng)度直接影響了通用信道矩陣T的結(jié)構(gòu)和尺寸。信道估計(jì)的難題之一是如何去除那些并不影響接收機(jī)效果的只有噪聲的信道抽頭。另一個(gè)難題是判斷是否存在具有特定移位的訓(xùn)練序列。如果訓(xùn)練序列無效，那意味著所有相關(guān)的碼信道都無效。但訓(xùn)練序列有效并不能確定多少相關(guān)的碼信道有效。

SNR估計(jì)可以看作信道估計(jì)的整數(shù)部分。MMSE JD接收機(jī)需要進(jìn)行SNR估計(jì)以便獲得優(yōu)于ZF對(duì)應(yīng)的性能。接收機(jī)設(shè)計(jì)中可以采用不同的方法實(shí)現(xiàn)SNR估計(jì)—當(dāng)然，要在估計(jì)質(zhì)量和估計(jì)算法復(fù)雜程度之間折衷

集成解決方案

UE的典型功能劃分如圖2所示，組成該系統(tǒng)的芯片組成員包括射頻發(fā)射和接收部分、包含混合信號(hào)和電源管理模塊的模擬基帶(ABB)部分，以及數(shù)字基帶(DBB)部分。一個(gè)完整的手機(jī)設(shè)計(jì)包括芯片組、存儲(chǔ)器模塊、應(yīng)用模塊(照相機(jī)、顯示器等)，以及其他的外設(shè)，例如藍(lán)牙、SD卡和MMC存儲(chǔ)卡。每個(gè)模塊的設(shè)計(jì)有不同的難題，然而，TD-SCDMA的系統(tǒng)要求給DBB設(shè)計(jì)帶來了其特殊的問題。

圖2   基于集成解決方案的UE模塊劃分

為了獲得穩(wěn)定的性能余量，應(yīng)當(dāng)提供經(jīng)過優(yōu)化的完整信號(hào)鏈——RF信號(hào)、混合信號(hào)和數(shù)字信號(hào)。如果單獨(dú)設(shè)計(jì)信號(hào)鏈的每一環(huán)節(jié)，那么每一環(huán)節(jié)必須設(shè)計(jì)成能夠與未知性能的信號(hào)鏈的其它環(huán)節(jié)集成。如果對(duì)整個(gè)信號(hào)鏈優(yōu)化，那么就要對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)之間的成本和復(fù)雜程度進(jìn)行權(quán)衡以實(shí)現(xiàn)更為有效的解決方案。例如，如果可以使用數(shù)字濾波器補(bǔ)償RF濾波器引入的失真，那么可以放寬對(duì)RF濾波器的要求。

最靈活的解決方案是全軟件解決方案，它使用數(shù)字基帶處理器可以做到，例如ADI公司的AD6903能夠提供足夠的處理器周期處理大多數(shù)軟件算法和一定等級(jí)UE軟件控制代碼。系統(tǒng)芯片(SOC)是推動(dòng)多模手機(jī)集成朝著容易生產(chǎn)出低成本高性能解決方案方向發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)?，F(xiàn)在市場(chǎng)上可提供的解決方案涉及到根據(jù)不同分類方法的各種類型的集成電路(IC)，分類方法包括根據(jù)芯片組、DBB體系結(jié)構(gòu)、采用的半導(dǎo)體工藝以及通信功能和應(yīng)用功能。

SoftFone-LCR＋芯片組中的AD6903數(shù)字基帶處理器是適合于TD-SCDMA終端的可擴(kuò)展解決方案的一個(gè)實(shí)例。AD6903基于Blackfin處理器作為計(jì)算引擎。它由Blackfin內(nèi)核、一級(jí)(L1)代碼和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(可配置為高速緩存或者SRAM)、統(tǒng)一的二級(jí)(L2)存儲(chǔ)器、Blackfin DMA控制器和外設(shè)(時(shí)間和事件處理器、Blackfin中斷控制器、高速數(shù)據(jù)記錄器、維特比協(xié)處理器和外部協(xié)處理器接口)組成。微控制器(MCU)子系統(tǒng)由ARM內(nèi)核、高速緩存和DMA組成。系統(tǒng)中最低一級(jí)的片內(nèi)存儲(chǔ)器稱為系統(tǒng)RAM，可以用Blackfin內(nèi)核和ARM內(nèi)核訪問。系統(tǒng)的其余部分包括用于控制無線終端存在的大多數(shù)設(shè)備以及控制模擬基帶(ABB)和射頻系統(tǒng)的通用連接性外設(shè)。 該器件具有高級(jí)DBB平臺(tái)的所有特性，包括用有效方法處理新功能和吸收許多硬件功能的能力以達(dá)到各類UE所需的速度。其它優(yōu)點(diǎn)還包括可調(diào)的功耗控制、有效處理控制碼，靈活的I/O口，以及支持優(yōu)化的編譯器以生成高質(zhì)量代碼。

圖3  AD6903頂層結(jié)構(gòu)圖

為了取得民用成功，TD-SCDMA 手機(jī)必須以相同成本達(dá)到或者超過現(xiàn)有手機(jī)的性能。獲得現(xiàn)有手機(jī)性能和價(jià)格匹配的最便捷的方法就是構(gòu)建一個(gè)目前可接受的民用平臺(tái)。例如SoftFone-LCR+平臺(tái)是根據(jù)ADI公司為 GSM/GPRS/EDGE標(biāo)準(zhǔn)建立的SoftFone 平臺(tái)，這是幾年來為提高性價(jià)比和降低功耗做出投資的最終結(jié)果。這些改進(jìn)包括提高性能和降低處理器內(nèi)核的功耗，例如Blackfin 處理器和ARM9內(nèi)核，采用使處理器性能與功耗匹配成比例變化的動(dòng)態(tài)電壓，以及采用先進(jìn)的RF和混合信號(hào)技術(shù)，例如直接下變頻接收機(jī)和S-D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。

最后，當(dāng)TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)遍及全中國(guó)時(shí)，可能在一段時(shí)間內(nèi)還會(huì)存在覆蓋盲區(qū)。因此，大多數(shù)TD-SCDMA 手機(jī)還需要在不提供TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)覆蓋的情況下能夠接入其它現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)現(xiàn)在可提供GSM和CDMA網(wǎng)絡(luò)，但因?yàn)門D-SCDMA 屬于3GPP標(biāo)準(zhǔn)，所以最可能的雙模操作是GSM/TD-SCDMA 。幸運(yùn)的是，雙模TD-SCDMA 手機(jī)只需新添幾個(gè)系統(tǒng)單元。在GSM和TD-SCDMA 之間不存在軟切換，所以需要兩個(gè)獨(dú)立的射頻單元，一個(gè)用于GSM，另一個(gè)用于TD-SCDMA ，無需修改即可使用。GSM和TD-SCDMA 系統(tǒng)可以共享音頻、電源管理和輔助功能，因此GSM信號(hào)鏈只需再加一對(duì)DAC和ADC，而這些已經(jīng)集成到SoftFone-LCR 芯片組模擬接口IC中。