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，因為還沒有為半數(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。這些入門手機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)有的手機用戶升級他們的手機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，最終為運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)。在手機設(shè)計中，系統(tǒng)實現(xiàn)最復(fù)雜的部分在下行鏈路，例如接收機設(shè)計。因為TD-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，第一個時隙切換點是固定的，而第二個時隙切換點可以靈活變化。TD-SCDMA 網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)系統(tǒng)實際業(yè)務(wù)量動態(tài)改變第二個時隙切換點的位置重新安排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現(xiàn)。UL也是同步的，意味著不同的手機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)的保護間隔(GP)。

目前的方案是使用訓(xùn)練序列便于接收機無線傳輸信道估計。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—也稱作正交可變擴頻因子(OVSF)碼—擴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，擴頻因子可以是1或者16。在擴頻之后，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

接收機設(shè)計是UE開發(fā)中最困難的工作，因為在整個UE實現(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碼實現(xiàn)多路復(fù)用，但是因為多路信道中存在延遲擴散，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(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)雜的多用戶接收機設(shè)計。

多用戶接收領(lǐng)域的研究興起于20世紀的最后十年，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)果表明某些接收機結(jié)構(gòu)，例如線性接收機，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，但會增強噪聲。MMSE-BLE則在減小ISI/MAI影響和降低噪聲之間進行平衡。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接收機需要進行SNR估計以便獲得優(yōu)于ZF對應(yīng)的性能。接收機設(shè)計中可以采用不同的方法實現(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。一個完整的手機設(shè)計包括芯片組、存儲器模塊、應(yīng)用模塊(照相機、顯示器等)，以及其他的外設(shè)，例如藍牙、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)雜程度進行權(quán)衡以實現(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終端的可擴展解決方案的一個實例。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到各類UE所需的速度。其它優(yōu)點還包括可調(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 手機必須以相同成本達到或者超過現(xiàn)有手機的性能。獲得現(xiàn)有手機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，以及采用先進的RF和混合信號技術(shù)，例如直接下變頻接收機和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)，但因為TD-SCDMA 屬于3GPP標(biāo)準(zhǔn)，所以最可能的雙模操作是GSM/TD-SCDMA 。幸運的是，雙模TD-SCDMA 手機只需新添幾個系統(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。