TD-SCDMA引領(lǐng)3G之路

過去幾年里，中國已經(jīng)成為最大的蜂窩手機(jī)終端市場，擁有超過3億GSM、CDMA和PAS網(wǎng)絡(luò)用戶。這個數(shù)字預(yù)期還會繼續(xù)增長，因?yàn)檫€沒有為半數(shù)以上的人群提供服務(wù)。此外，還有兩個因素會進(jìn)一步加速市場的增長。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)將以基本語音通信功能為主，功能有限，但能夠使更多人受益于移動電話。第二，當(dāng)3G牌照發(fā)放給電信運(yùn)營商后，新的業(yè)務(wù)將出現(xiàn)在高速數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)上，推動現(xiàn)有的手機(jī)用戶升級他們的手機(jī)以享受新提供的服務(wù)。

因此，中國無線通信標(biāo)準(zhǔn)化組織(CWTS)針對3G移動通信提出的TD-SCDMA(時分同步碼分多址)技術(shù)成為國際電信聯(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(JD)、自適應(yīng)天線、動態(tài)信道分配和接力切換。TD-SCDMA演進(jìn)的一個重要基礎(chǔ)是已經(jīng)被第三代移動通信合作計劃(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)，這樣就大大簡化了多模系統(tǒng)設(shè)計。物理層(第1層)描述了基站(BS)和UE之間的傳輸，包括了兩個方向的傳輸：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。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示出每個子幀包含7個常規(guī)時隙和3個特殊時隙(陰影部分)，常規(guī)時隙用于數(shù)據(jù)傳輸和接收，特殊時隙用于時鐘同步和其他控制目的。

圖1  TD-SCDMA子幀和時隙結(jié)構(gòu)

TS0總是用于DL廣播信道，TS1總是用于UL。每個子幀中最多有兩個UL/DL時隙切換點(diǎn)，第一個時隙切換點(diǎn)是固定的，而第二個時隙切換點(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)量動態(tài)改變第二個時隙切換點(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間向基站發(fā)送信號以便所有信號會同時到達(dá)基站接收天線。

TD-SCDMA 同時支持多種業(yè)務(wù)。不同用戶使用不同時隙，不同業(yè)務(wù)在同一時隙中使用不同數(shù)量的碼道。因此，不同時隙之間信號功率幅度(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。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。

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。對于HSDPA技術(shù)還使用了16 QAM調(diào)制。為了降低信號的峰均比(PAR)，每個物理信道的復(fù)數(shù)符號在用信道標(biāo)識碼—也稱作正交可變擴(kuò)頻因子(OVSF)碼—擴(kuò)頻之前先乘以一個信道標(biāo)識碼特定倍數(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)通過一個根號升余弦(RRC)濾波器，并且上變頻到要求的載波頻率。

聯(lián)合檢測接收機(jī)

接收機(jī)設(shè)計是UE開發(fā)中最困難的工作，因?yàn)樵谡麄€UE實(shí)現(xiàn)中該部分設(shè)計復(fù)雜度最高。雖然LCR中的多個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輸入端的接收信號會受到多用戶干擾(MUI)以及符號間干擾(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。

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，一個時隙中最大碼道數(shù)和擾碼長度為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(MUD)算法?？梢酝ㄟ^采用線性接收器結(jié)構(gòu)應(yīng)用準(zhǔn)最佳的多用戶檢測器—通常稱作聯(lián)合檢測—來降低MUI。用于線性接收機(jī)設(shè)計的方法有好幾種——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)合檢測的復(fù)雜度與符號星座圖無關(guān)。

雖然聯(lián)合檢測算法是接收機(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、有效碼檢測、信噪比(SNR)估計和同步。一個時隙中有多少有效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)中針對訓(xùn)練序列的設(shè)計提出了不同的方案。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)量和信道估計的長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估計可以看作信道估計的整數(shù)部分。MMSE JD接收機(jī)需要進(jìn)行SNR估計以便獲得優(yōu)于ZF對應(yīng)的性能。接收機(jī)設(shè)計中可以采用不同的方法實(shí)現(xiàn)SNR估計—當(dāng)然，要在估計質(zhì)量和估計算法復(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。一個完整的手機(jī)設(shè)計包括芯片組、存儲器模塊、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存儲卡。每個模塊的設(shè)計有不同的難題，然而，TD-SCDMA的系統(tǒng)要求給DBB設(shè)計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)化的完整信號鏈——RF信號、混合信號和數(shù)字信號。如果單獨(dú)設(shè)計信號鏈的每一環(huán)節(jié)，那么每一環(huán)節(jié)必須設(shè)計成能夠與未知性能的信號鏈的其它環(huán)節(jié)集成。如果對整個信號鏈優(yōu)化，那么就要對各個環(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UE軟件控制代碼。系統(tǒng)芯片(SOC)是推動多模手機(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)展解決方案的一個實(shí)例。AD6903基于Blackfin處理器作為計算引擎。它由Blackfin內(nèi)核、一級(L1)代碼和數(shù)據(jù)存儲器(可配置為高速緩存或者SRAM)、統(tǒng)一的二級(L2)存儲器、Blackfin DMA控制器和外設(shè)(時間和事件處理器、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)中最低一級的片內(nèi)存儲器稱為系統(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DBB平臺的所有特性，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)性能和價格匹配的最便捷的方法就是構(gòu)建一個目前可接受的民用平臺。例如SoftFone-LCR+平臺是根據(jù)ADI公司為 GSM/GPRS/EDGE標(biāo)準(zhǔn)建立的SoftFone 平臺，這是幾年來為提高性價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態(tài)電壓，以及采用先進(jìn)的RF和混合信號技術(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)遍及全中國時，可能在一段時間內(nèi)還會存在覆蓋盲區(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)只需新添幾個系統(tǒng)單元。在GSM和TD-SCDMA 之間不存在軟切換，所以需要兩個獨(dú)立的射頻單元，一個用于GSM，另一個用于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信號鏈只需再加一對DAC和ADC，而這些已經(jīng)集成到SoftFone-LCR 芯片組模擬接口IC中。