7．4．3　TD－SCDMA关键技术

1．接力切换

接力切换是TD－SCDM A移动通信系统的核心技术之一。其设计思想是利用智能天线获取UE的位置距离信息，同时使用上行预同步技术，在切换测量期间，使用上行预同步的技术，提前获取切换后的上行信道发送时间、功率信息，从而达到减少切换时间，提高切换的成功率、降低切换掉话率的目的。

完成接力切换的条件是网络知道UE的准确位置信息，通过上行同步技术使系统获得用户信号传输的时间偏移，进而计算出UE与基站的距离。同时，智能天线及其基带数字信号处理技术使网络能精确知道DOA（信号到达角）。

接力切换分三个过程，即测量过程、判决过程和执行过程。

（1）接力切换的测量

当前服务小区的导频信号强度在一段时间内持续低于某一个门限值时，UE向RNC发送由接收信号强度下降事件触发的测量报告，从而可启动系统的接力切换测量过程。

接力切换测量开始后，当前服务小区不断地检测UE的位置信息，并将它发送到RNC。RNC可以根据这些测量信息分析确定哪些相邻小区最有可能成为UE切换的目标小区，并作为切换候选小区。在确定了候选小区后，RNC通知UE对它们进行监测和测量，把测量结果报告给RNC。RNC根据确定的切换算法判断是否进行切换。如果判断应该进行切换，则RNC可根据UE对候选小区的测量结果确定切换的目标小区，然后系统向UE发送指令，开始实行切换过程。

UE测量报告的门限值设置基本上是以满足业务质量为基准，并有一定的滞后。因为TD－SCDM A采用TDD方式，上、下行工作频率相同，其环境参数可互为估计，这是优于FDD的一大特点，在接力切换测量中可以得到充分利用。接力切换利用Node　B的测量来估计下行测量值，所以具有快速的特点。如果Node　B的测量处于基准值以下，则可发送报告请求切换，这样可以防止UE的测量报告处理不当或延迟较大而造成掉话。同时，测量报告反映目标小区，RNC决定切换时机。

接力切换的切换候选小区数目较少。在精确知道UE位置的情况下，对接力切换来说就可以不必把与当前小区相邻的6个小区全都作为切换候选小区，而只需把UE移动方向一侧的少数几个相邻小区作为切换候选小区。小区切换候选小区数目的减少，使得UE所需的切换测量时间减少，切换时延也相应减少，掉话率下降。

（2）接力切换的判决

接力切换的判决过程是根据各种测量信息合并综合系统信息，根据一定的准则和算法，来判决UE是否应当切换和如何进行切换的。

首先处理当前小区的测量结果，测量结果有3种情况。第一种，其服务质量足够好，则判决不对其他监测小区的测量报告进行处理。第二种，服务质量介于业务需求门限和质量好门限之间，则激活切换算法对所有的测量报告进行整体评估。如果评估结果表明，监测小区中存在比当前服务小区信号更好的小区，则判决进行切换。第三种，当前小区的服务质量已低于业务需求门限，则立即对监测小区进行评估，选择信号最强的小区进行切换。

（3）接力切换的执行过程

一旦判决切换，则RNC立即执行控制算法，判断目标基站是否可以接受该切换申请。如果允许接入，当前服务小区将UE的位置信息及其他相关信息传送到RNC，RNC再将这些信息传送给目标小区，通知目标小区对UE进行扫描，确定信号最强的方向，对UE进行精确的定位和波束成型，做好建立信道的准备并反馈给RNC。

UE在与当前服务小区保持业务信道连接的同时，RNC通过当前服务小区的广播信道或前向接入信道通知UE目标小区的相关系统信息（同步信息、目标小区使用的扰码、传输时间和帧偏移等），并通知UE向目标基站发SYNC＿U L，与目标小区取得上行同步。由于UE获得了目标小区的相关系统信息，可以使UE在接入目标小区时，缩短上行同步的过程（这也意味着切换所需要的执行时间较短）。

当UE的切换准备就绪时，由RNC通过当前服务小区向UE发送切换命令。UE在收到切换命令之后开始执行切换过程。UE根据已得到的目标小区的相应信息，接入目标小区，同时网络释放原有链路。

接力切换是介于硬切换和软切换之间的一种新的切换方法。接力切换的突出优点是切换高成功率和信道高利用率。其特点如下：

①与软切换相比，两者都具有较高的切换成功率、较低的掉话率以及较小的上行干扰等优点。它们的不同之处在于接力切换并不需要同时有多个基站为一个移动台提供服务，因而克服了软切换需要占用的信道资源较多、信令复杂导致系统负荷加重，以及增加下行链路干扰等缺点。

②与硬切换相比，两者都具有较高的资源利用率、较为简单的算法，以及相对较轻的信令负荷等优点。不同之处在于接力切换断开原基站并与目标基站建立通信链路几乎是同时进行的，因而克服了传统硬切换掉话率较高、切换成功率较低的缺点。

③从测量过程来看，接力切换是在精确知道UE位置的情况下进行切换测量的。因此，一般情况下它只需对与UE移动方向一致的靠近UE一侧少数几个小区进行测量。UE所需要的切换测量时间减少，测量工作量减少，切换时延也就相对减少，所以切换掉话率随之下降。另外，由于需要监测的相邻小区数目减少，因而也相应减少了UE、Node　B和RNC之间的信令交互，缩短了UE测量的时间，减轻了网络的负荷，进而使系统性能得到优化。

2．智能天线

智能天线目前仅适用于在基站系统中应用。

智能天线采用空分复用的概念，利用在信号入射方向上的差别，将同频率、同时隙、同码道的信号区分开来，所以可以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地利用有限的频谱资源。

（1）智能天线的原理

智能天线是自适应天线阵，其原理是：对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角（DOA）估计，并进行空间滤波，抑制其他移动台的干扰；对基站发送信号进行波束赋形，使基站发出的信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。

上行波束赋形是借助有用信号和干扰信号在入射角度上的差异（DOA估计），选择恰当的合并权值（赋形权值计算），形成正确的天线接收模式，将主瓣对准有用信号，低增益旁瓣对准干扰信号。

下行波束赋形是在TDD方式的系统中，由于其上下行电波传播条件相同，则可以直接将此上行波束赋形用于下行波束赋形，形成正确的天线发射模式，即将主瓣对准有用信号，低增益旁瓣对准干扰信号。

智能天线是一个天线阵列。阵列天线就是一列取向相同、同极化、低增益的天线按一定方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的方向图，形成所希望的波束，这种多单元的结构称为天线阵，组成这种阵列的天线称为阵元，天线阵的阵元大多采用对称振子。天线阵的排列方式有多种几何形状，一般是等距的。天线阵列又分为固定多波束天线阵和自适应天线阵两种。

固定多波束天线阵用一组预先设计好的相互重叠的波束覆盖整个空域，系统扫描每个波束的输出，选择具有最大功率的波束或较大功率的几个波束，合并作为最终判决信号的输出，能达到对工作波束以外的干扰的抑制。固定多波束天线阵的每个波束的指向是固定的，波束宽度也随天线元数目而确定。当用户在小区中移动时，基站在不同的相应波束中进行选择，使接收信号最强。因为用户信号并不一定在波束中心，当用户位于波束边缘及干扰信号位于波束中央时，接收效果最差，所以多波束天线不能实现信号最佳接收。

自适应天线阵的天线各阵元通过自适应网络，自适应调整加权值，根据噪声、干扰和多径情况，形成若干个自适应波束，达到自适应改变天线方向图，自适应跟踪多个用户的目的。自适应天线阵一般采用4～16天线阵元结构，阵元间距为半个波长。天线阵元分布方式有直线形、圆环形和平面形，可以完成用户信号接收和发送。自适应天线阵列系统采用数字信号处理技术识别用户信号到达方向，并在此方向形成天线主波束，主波束方向指向目标用户，而在其他方向上抑制干扰用户。一个阵列至少可以在M－1个方向上形成方向图零点。

智能天线技术研究的核心是波束赋形的算法。算法可以分为非盲算法、半盲算法和盲算法3类。

非盲算法是须借助参考信号的算法。采用非盲算法时，由于发送时的参考信号是预先知道的，对接收到的参考信号进行处理可以确定出信道响应，再按一定准则确定各加权值，或者直接根据某一准则自适应地调整权值，以使输出误差尽量减小或稳定在可预知的范围内。常用的准则有M MSE（最小均方误差）、L MS（最小均方）和RLS（递归最小二乘），等等。非盲算法相对盲算法而言，通常误差较小，收敛速度也较快，但发送参考信号浪费了一定的系统带宽。

盲算法无须发送参考信号或导频信号，而是充分利用调制信号本身固有的、与具体承载信息比特无关的一些特征来调整权值以使输出误差尽量小。常见的算法有常数模算法（CM A）、子空间算法、判决反馈算法，等等。

半盲算法则先用非盲算法确定初始权值，再用盲算法进行跟踪和调整。这样做一方面可综合二者的优点，另一方面也是与实际的通信系统相一致的，因为通常导频信息不是时时发送而是与对应的业务信道时分复用的。

（2）智能天线的技术实现

如图7－17所示，智能天线系统主要包含如下部分：智能天线阵列、多RF通道收发信机子系统、基带智能天线算法。

图7－17　智能天线的原理框图

对于采用智能天线的TD－SCDM A系统，Node　B端的处理分为上行链路和下行链路处理。上行链路处理主要包括如下部分：

①各个天线的射频（RF）单元对接收的信号进行下变频以及A／D转换，形成接收到的天线阵列基带信号。

②根据用户训练序列的循环偏移的形成特性，采用算法对各个天线上接收到的训练序列进行快速信道估计，得到各个用户的信道冲激响应。

③对于信道估计的结果，一方面用于形成联合检测的系统矩阵；另一方面用于用户的DOA估计，为下行链路的波束赋形选择方向。

④根据用户到各天线的信道冲激响应以及用户分配的码信息形成的系统矩阵进行联合检测，同时获取多用户的解扰和解扩以及解调后的比特信息，然后经过译码，就可以得到用户的发送数据。

下行链路处理主要包括如下部分：

①首先对用户的下行链路的发送数据进行编码调制，然后根据用户分配的码信息和小区信息进行扩频加扰，形成用户的发送码片信息。

②然后根据上行链路中确定的用户DOA，选择下行波束赋形的权值，对用户进行下行波束赋形，以便形成用户的发射波束，达到空分的目的，并最终生成用户待发送的各个天线上的基带信号。

③对基带信号进行D／A转换和上变频操作，最终由天线单元发送出去。

（3）智能天线的校准

智能天线的校准主要有两种方法。第一种是使用直接测量方法，即对每一套射频收发信机进行测量，获得与幅度、相位有关的数据，然后加上由测量获得的天线单元及馈线电缆的幅度、相位特性，以耦合成一组校准数据。该方法的校准过程非常复杂，所有测量都难以在现场进行，特别是对于已经投入业务运行的移动通信系统来说，更是一个复杂且难以保证实行的过程。第二种是用信标收发信机进行校准，该方法将信标收发信机放在没有多径传播的远场区域收集阵列天线单元的幅度、相位特性和传输系数，然后形成阵列的响应，并耦合成一组校准数据。该方法也受到实际系统的限制。

TD－SCDMA系统采用的智能天线校准方法是由耦合结构、馈电电缆和信标收发信机连接成的校准链路。耦合结构是指信标天线与智能天线阵的天线单元成耦合连接；信标收发信机与基站的射频收发信机结构相同，并通过数字总线连接到基站的基带处理器。校准的过程分为3步：

①耦合结构校准。由矢量网络分析仪对耦合结构进行校准，分别记录每个天线的接收和发射传输系数。

②接收校准。由信标收发信机在给定的工作载波频率发射有确定电平的信号，被校准的天线单元接收该信号，由基站的基带处理器分别检测各链路的输出。并根据此计算各链路的传输系数与参考链路的传输系数之比，通过可变增益放大器控制调节各链路的相位和幅度。

③发射校准。让其中一个被校准的天线单元发射，由信标收发信机在给定的工作载波频率分别接收各条链路发射的有确定电平的信号，由基站的基带处理器检测并处理，并据此计算各链路的传输系数与参考链路的传输系数之比，通过可变增益放大器控制调节各链路的相位和幅度。

通过以上3步，可以实现智能天线的实时校准。该方法不仅简单方便，而且可以在实际系统中很好地工作。

（4）使用智能天线的好处

①提高了基站接收机的灵敏度。基站接收到的信号是来自各天线单元和收信机所接收到的信号之和。智能天线波束成型的结果等效于增大天线的增益，提高接收灵敏度。

②提高了基站发射机的等效发射功率。智能天线波束成型算法可以将多径传播综合考虑，克服了多径传播引起数字无线通信系统性能恶化，还可利用多径的能量来改善性能。

③减少了小区间干扰。智能天线波束成型后，只有来自主瓣和较大副瓣方向的信号才会对有用信号形成干扰，大大降低了多用户干扰问题，同时波束成形后也大大减少了小区间干扰。

④实现用户定位。智能天线获取的DOA提供了用户终端的方位信息，以用来实现用户定位。

⑤降低基站的成本。智能天线系统虽使用了多部发射机，但可以用多只小功率放大器来代替大功率放大器，这样可降低基站的成本。同时，多部发射机增加了设备的冗余，提高了设备的可靠性。

⑥扩大覆盖范围。采用智能天线可以使发射需要的输入端信号功率降低，同时也意味着能承受更大的功率衰减量，使得覆盖距离和范围增加。

⑦实现信道的动态分配。智能天线具备定位和跟踪用户终端的能力，从而可以自适应地调整系统参数以满足业务要求。这表明使用智能天线可以改变小区边界，能随着业务需求的变化为每个小区分配一定数量的信道，即实现信道的动态分配。

⑧实现接力切换。智能天线获得的移动用户的位置信息，可以实现接力切换，避免了软切换中所占用的大量无线资源及频繁的切换，提高了系统容量和效率。

另外，在TD－SCDM A系统中，智能天线结合联合检测和上行同步，理论上系统能工作在满码道情况。

（5）单独采用智能天线存在的问题

①组成智能天线的阵元数有限，所形成的指向用户的波束有一定的宽度，同时还有副瓣，对其他用户而言仍然是干扰。

②在TDD模式下，上、下行波束赋形采用同样的空间参数，由于用户的移动，其传播环境是随机变化的，从而使波束赋形产生偏差，特别在用户高速移动时更为显著。

③当用户都在同一方向时，智能天线作用有限。

④对时延超过一个码片宽度的多径干扰没有简单有效的办法。

（6）智能天线和其他抗干扰技术的结合

目前，在智能天线算法的复杂性和实时实现的可能性之间必须进行折中。在多径严重的高速移动环境下，必须将智能天线和其他抗干扰的数字信号处理技术结合使用，才可能达到最佳的效果。这些数字信号处理技术包括联合检测（Joint detection）、干扰抵消及Rake接收等。目前，智能天线和联合检测或干扰抵消的结合已有实用的算法，而与Rake接收机的结合算法还在研究中。

3．联合检测

（1）联合检测原理

CDM A系统中多个用户的信号在时域和频域上是混叠的，接收时需要用一定的信号分离方法把各个用户的信号分离开来。信号分离的方法大致可以分为单用户检测和多用户检测技术两种。

单用户检测（Single－user Detection）是将单个用户的信号分离看作是各自独立的过程的信号分离技术，技术实现简单，通过扰码可以降低其他用户的干扰，基站侧通过扰码的匹配相同增强信号，不同则减弱信号，但是其他用户的干扰不能消除仍然存在，只是会降低，并将其他用户作为干扰处理。但是，随着用户数的增加，其他用户的干扰也会随着加重，使信噪比恶化，降低了系统的性能和容量。

多用户检测技术（Multi－user Detection）充分利用M AI中的先验信息而将所有用户信号的分离看作一个统一的过程。多用户检测包括联合检测（JD）和干扰抵消（IC）。

联合检测技术（Joint Detection）：目前第三代移动通信技术中的热点，是在传统检测技术的基础上，充分利用造成M AI干扰的所有用户信号及其多径的先验信息，把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完成，从而具有优良的抗干扰性能，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著地提高系统容量。

干扰抵消技术（Interference Cancellation）：基本思想是判决反馈，它首先从总的接收信号中判决出其中部分的数据，根据数据和用户扩频码重构出数据对应的信号，再从总接收信号中减去重构信号，如此循环迭代，直到预先设定的条件得到满足后停止。IC技术并没有完全利用多用户信息，在判断信号的时候，其他没有被抵消的信号仍然被看做噪声来处理，但与单用户检测相比，确实有进步。

联合检测的性能优于干扰抵消，但是复杂度也高于干扰抵消。因此，一般在基站侧主要采用联合检测，而在终端侧多采用干扰抵消。

联合检测算法的前提是能得到所有用户的扩频码和信道冲激响应。TD－SCDM A系统中在帧结构中设置了用来进行信道估计的训练序列（Midamble），根据接收到的训练序列部分信号和已知的训练序列就可以估算出信道冲激响应，而扩谱码也是确知的，那么我们就可以达到估计用户原始信号的目的。

联合检测算法的具体实现方法有多种，大致分为非线性算法、线性算法和判决反馈算法三大类。根据目前的情况，在TD－SCDM A系统中采用了线性算法中的一种，即迫零线性块均衡（ZF－BLE）法。

（2）联合检测技术的好处

①降低干扰。联合检测技术的使用可以降低甚至完全消除M AI干扰。

②扩大容量。联合检测技术充分利用了M AI的所有用户信息，使得在相同误码率的前提下，所需的接收信号SNR可以大大降低，这样就大大提高了接收机性能并增加了系统容量。

③削弱“远近效应”的影响。由于联合检测技术能完全消除M AI干扰，因此产生的噪声量将与干扰信号的接收功率无关，从而大大减少“远近效应”对信号接收的影响。

④降低功率控制的要求。由于联合检测技术可以削弱“远近效应”的影响，从而降低对功控模块的要求，简化功率控制系统的设计。

⑤减小呼吸效应。联合检测将参与干扰作为可知信号，从用户信号中消除，因此随着用户增加，干扰不会累加，信号质量更好。这带来的另一个好处TD－SCDM A系统呼吸效应不明显。

（3）单独采用联合检测遇到的问题：

①对小区间的干扰没有办法解决。

②信道估计的不准确性将影响到干扰消除的效果。

③当用户增多或信道增多时，算法的计算量会非常大，难以实时实现。

（4）智能天线技术和联合检测技术的结合

智能天线技术和联合检测技术相结合，不等于将两者简单相加。如果只是将两者简单相加，就相当于N个单根天线使用联合检测技术的系统，虽然获得了分集增益，但是由于运算量也增加了N倍，难以实现实时处理。在TD－SCDM A系统中，智能天线技术和联合检测技术相结合的方法使得在计算量未大幅增加的情况下，上行能获得分集接收的好处，下行能实现波束成型。

4．动态信道分配

基于移动无线系统的CDM A一般受到两种系统自身干扰：小区内干扰也称之为多用户接入干扰（M AI），作为典型的CDM A传输方案，它是由在一个小区内的多用户接入产生的；小区间干扰是在小区复用过程中由周围小区的相互间作用所产生的。

上述两种干扰使得系统的数据吞吐量减小，尽可能地最小化它们相互间所产生的影响是非常有必要的。TD－SCDM A系统的小区内干扰是通过联合检测来最小化的，小区间干扰发生在典型的移动无线网络的频率再利用过程里，将小区间干扰最小化的最好方法是通过动态信道分配技术来逃逸干扰。

动态信道分配技术一般包括两个方面：一是把资源分配到小区，也叫慢速动态信道分配（慢速DCA）。二是把资源分配给承载业务，也叫快速动态信道分配（快速DCA）。

（1）慢速动态信道分配

慢速动态信道分配的重要任务是对小区资源分配或信道指派，其功能是在每个小区内分配和调整上、下行链路资源，并根据本地干扰和业务情况为小区的不同信道分配不同的优先级别，为接纳控制DCA提供参考，以提高其执行速度。

某一特定信道优先级划分的依据是其他信道在本信道所产生的累积干扰低于某一给定门限值的概率。该优先级的值一般根据基站或移动终端所进行的干扰测量值计算获得并根据系统负荷动态调整。对于每一个小区，不同信道按照不同的优先级进行排序，当有新的信道占用需要产生时，将首先占用最高优先级的时隙。根据这一原则，可以保证系统首先使用干扰最小的信道，并可根据相邻小区间的实际业务负荷分配网络资源。

（2）快速动态信道分配

快速动态信道分配主要用于进行信道调整。信道调整是在呼叫接入后，系统根据承载业务要求和干扰受限条件以及终端移动要求，由RNC所进行的时隙和码道的动态调整以及信道间的切换。

信道间切换的触发原因主要有两种：第一是某一信道通信质量恶化而该恶化无法用功率控制加以克服；第二是为了提高系统资源利用率，RNC需对已占用资源重新组织。

在TD－SCDMA系统，采用TDM A方式，在上下链路上每个移动用户设备只活动在上／下链路每帧的一个时隙中以操作一个双工无线链路。这样在非激活状态的时隙，可以通过使用用户设备以分析在其所在的时隙和其他信道里的干扰情况。基于这种方式，通过移动台协助的小区内切换，受干扰的移动用户既可以避开时隙的干扰又可以避开无线载波的干扰。“干扰逃逸”存在有3种不同的动态信道分配形式。

①时域动态信道分配：如果在目前使用的无线载波的原有的时隙中发生干扰，通过改变时隙可进行时域的动态信道分配。

②频域动态信道分配：如果在目前使用的无线载波的所有时隙中发生干扰，通过改变无线载波可进行频域动态信道分配。

③空域动态信道分配：通过选择用户间最有利的方向去耦，进行空域动态信道分配。空域动态信道分配是通过智能天线的定向性来实现的。它的产生与时域和频域动态信道分配有关。

通过合并时域、频域和空域的动态信道分配技术，TD－SCDM A能够自动将系统自身的干扰降低。