摘要：在本文中，摘要介绍了TD-SCDMA RTT建议的空间接口技术。在简单回顾空间接口中高层信令的基础上，对TD-SCDMA的物理层功能予以介绍。然后对主要的物理层技术，包括帧结构、调制和解调、数据复接和分接、以及信道编码和交织等等方面作了说明。特别著重介绍TD-SCDMA技术的特点和主要设计思想。

I. 前言：3GPP的空间接口标准构成

图1 TD-SCDMA空间接口的结构示意图

    在IMT-2000的空间接口标准中，基于所设计的核心网不同，空间接口（Un接口）的基本结构分为两个大类别，并分别由两个伙伴计划（3GPP和3GPP2）来起草。TD-SCDMA的空间接口是基于3GPP的基本概念，如图1所示的三层结构：由物理层、链路控制层和无线资源控制层所组成。在TD-SCDMA系统中，此Un接口的第二和第三层是3GPP和CWTS融合后的标准，它即能支持3GPP的FDD和TDD系统，也能支持TD-SCDMA系统。

II. 第三层（无线资源控制层）

    无线资源控制层（RRC）处理用户终端（UE）和无线接入网（RAN）之间在第三层控制面的信令以及和更高层（如核心网（CN））之间的关系。其主要功能如下：

    * 广播接入无关的信息（来自CN）

    RRC将向所有UE广播来自网络的系统信息。这些系统信息将周期性广播。此功能支持高层（高于RRC）信息的广播，此信息可能和本小区无关，也可能有关。例如，RRC可能广播与部分小区有关，CN服务区的信息。

    * 广播接入相关的信息

    RRC将向所有UE广播来自网络的系统信息。此功能支持广播典型的特定小区的信息。

    * 建立、维护和释放UE和RAN之间的RRC连接

    一个RRC连接的建立是由来自UE高层的请求而建立的对此UE的第一个信令连接。一个RRC连接的建立也包括小区的重选、允许控制以及第二层信令链路的建立。

    * 无线乘载业务的建立、重新配置和释放

    根据高层的要求，RRC将执行用户面内无线乘载业务的建立、重新配置和释放功能。同时可能和一个UE建立多个无线乘载业务。在建立和重新配置中，RRC层根据来自高层的信息，执行允许控制并选择L2和L1中描述此无线乘载业务过程的参数。

    * RRC接连中无线资源的指定、重新配置和释放

    RRC层处理RCC连接和控制和用户平面所需要得无线资源的指配。在一个RCC连接建立时RCC层将配置无线资源。此功能包括对同一RCC连接中多个无线乘载业务无线资源的指配。RCC在上行和下行中控制无线资源以使UE和RAN之间能够使用不平衡的无线资源进行通信（不对称上下行）。RCC对UE的资源指配还用于越区切换至GSM或其它无线系统等目的。

    * RRC连接的移动功能

    在建立一个RCC连接时，RRC层还执行估计、决定和执行等与RCC移动有关的功能，如装备向GSM或其它无线系统切换、小区重选、小区寻呼面积的更新等基于UE测量的功能。

    * 寻呼

    RRC能广播来自网络的对指定UE的寻呼信息。RRC也能在建立RRC连接的期间开始寻呼。

    * 所需质量的控制

    此功能保证了一个无线乘载业务所要求的质量，还包括指定ì够数量的无线资源。

    * UE测量的报告和对报告的控制

    UE测量是由RCC层控制的，包括TD-SCDMA无线接口和其它系统的测量内容、什么时候进行、以及如何报告等。RCC层还执行将UE测量结果向系统的报告。

    * 加密控制

    RRC提供在无线接入网（RAN）和UE之间设定和取消加密的过程。

    * 空闲模式下小区的选择和重选

    基于空闲模式下测试的结果来选择最合适的基站及确定选择门限。

    * 小区间无线资源分配的仲裁

    此功能保证了RAN全部功能的最佳性能。

    * ODMA功能，如：

    RRC执行提醒广播以允许将所有ODMA路径信息收集起来。

    ODMA近邻接力节点的清单及其相关信息都将由RCC来维护。

    RRC将通过调整广播的功率来激发有关消息以维护所需数量的近邻数量。

    ODMA路径和RCC连接的建立基于路径算法。

    RRC层将控制关口ODMA接力节点和RAN之间代协作通信链路。

    * 碰撞的解决

    当低层出现碰撞时，RRC将通过无线资源的重新分配或释放等进行处理。

    * 慢速DCA

    基于慢速门限确定来指配无线资源。

    * UE的定位

    RRC层将根据来自物理层的信息（方位和距离）确定工作UE的位置。

III. 第二层（媒介接入控制和无线链路控制）

    第二层分为媒介接入控制子层（MAC）和无线链路控制子层（RLC）。

    MAC子层负责处理来自RCL和RRC子层的数据流。它对上层提供不确认传输模式的服务。至RLC子层的接口是通过逻辑信道服务节点。它根据RRC子层的要求指配无线资源并向高层报告测量结果。逻辑信道再分为控制信道和业务信道。如是，它将提供如下功能：

    * 就不同逻辑信道映射到相应的传输信道中，根据当时信源速率选择合适的传输信道的传输格式。它还完成PDU和传输数据块之间的复接和分接，以便后面物理层的进一步处理。

    * 基于来自RRC子层的信息进行公用和专用传输信道之间的动态交换。

    * 基于来自高层的信息和物理层情况（如可使用的发射功率）对一个UE的优先级处理，也从提高频谱效率出发，用一个动态时间表处理多个UE之间的优先级问题。

    * 控制RRC子层的业务量。

    * 确定高层信令的路径及支持相应MAC信令连接的维护。

    * 支持快速DCA。

    * 需要时在RLC透明传输模式中进行加密和解密。

    RLC提供三种不同的数据传输模式。

    * 透明数据传输

    此业务在传输高层的PDU时不增加任何协议信息，可能加上分段和重新装配功能。

    * 不确认的数据传输

    此业务在传输高层PDU时并不保证传输输入端的正确性。

    * 确认的数据传输

    此业务在传输高层PDU时保证每段传输输入端的正确性。当RLC不能正确传输数据时，RCL传输端的用户将得到通知。按序列传输和不按序列传输都支持此服务。在多数情况下，高层协议都能保存自己PDU的顺序。只要低层的不按序列的特性是已知的并能够控制（即高层协议将不会立即要求重新传输一个丢失的PDU），此不按序列的传输将能节约接收的RLC的存储器空间。

    RLC连接还具有数据流建立和释放的原则、解密和解密、质量设定以及在不能纠正差错时向高层报告的功能。

IV. 物理层概述

　每种无线传输技术的基本性能和特点是由其物理层所确定的，或者说，物理层是空间接口性能中最关键的部分。TD-SCDMA物理层的主要功能如下：

    1) 传输信道前向纠错（FEC）编码和解码

    2) 切换测量和接力切换的执行

    3) 传输信道的复接和分接以及传输信道中码的组成

    4) 传输信道和物理信道中间码的映射

    5) 物理信道的调制扩频和解调解扩

    6) 频率跟踪和定时（码片、比特、时隙、子帧）同步，包括上行同步

    7) 功率控制

    8) 随机接入过程

    9) 动态信道分配（DCA）

    10) ODMA过程（选项）

    11) 物理信道的功率加权和合并

    12) 射频控制

    13) 差错检测

    14) 速率匹配（数据复接至DCH）

    15) 无线特性测试，包括FER，SIR，DOA，TA等等

    16) 上下行波束赋形（智能天线）

    17) 用户定位（智能天线）

    在下面章节中，将对其主要内容进行介绍。

V. TD-SCDMA的帧结构

图2 帧和突发结构

图3 主时隙突发结构

    物理信道用4层结构：超帧、无线帧、子帧和时隙/码，如图2所示。一个超帧长720ms，由72个无线帧组成，每个无线帧长10ms（以上，和UTRA TDD完全相同）。TD-SCDMA将每个无线帧分为两个5ms的子帧。每个子帧由7个主时隙（长度675μs）和3个特殊时隙：下行导引时隙（DwPTS）、下行导引时隙（UpPTS）和保护时隙（G）构成。

    主时隙空发结构见图3。此突发类型由两个数据符号内，一个144码片的中间码和一个16码片的保护区。数据区共704码片长。数据区中每个比特用QPSK调制，扩频系数为1至16。中间码是作为训练序列，供多用户检测（联合检测或干扰抵销）时信道估值使用。

    下行导引时隙（DwPTS）由64比特正交码组成，它是无线基站（小区）的导引（Pilot）信号，也是下行同步的信号。而上行导引时隙(UpPTS)由128比特正交码组成，它是用户终端（小区）的导引（Pilot）信号，主要用作随机接入。保护时隙（G）用于区分上下行时隙，使距离较远的终端能实现上行同步。在TD-SCDMA系统中，此时隙的宽度保证了小区的最大半径可能达到10km以上。

    在TD-SCDMA系统中使用独立的DwPTS的原因是解决在蜂窝和移动环境下，TDD系统的小区收索问题。当邻近小区使用相同的载波频率，用户终端在一个小区交汇区域移动状态下开机的条件下，本系统的DwPTS设计能保证用户终端能够在很短时间（3秒）内完成小区收索并完成初始接入。计算机仿真结果明确的证明了此功能。使用独立的UpPTS的原因是用户终端在随机接入时，并未达到上行同步，发射功率是用开环控制的。如果此接入信号和正在工作的码道混在一起，势必对工作中的码道带来较大干扰，基站也较难识别此接入请求。

VI. 映射

    如图1所示，物理层和MAC层的接口处将完成的二层中的传输信道到物理层中物理信道的映射。在表1和图4中，给出了用户面内数据在物理层中的传输链路，即由传输信道到物理信道的映射过程。

表1 传输信道及其向物理信道的映射
传输信道	物理信道	类型和方向	用途
DCH （专用信道）	PDCH （专用物理信道）	专用； 上下行	对一个用户的控制和信息（整个小区或部分小区）
BCH （广播信道）	CCPCH （共用控制物理信道）	公用；下行	广播系统及小区专用信息
FACH （前向接入信道）	CCPCH （共用控制物理信道）	公用；下行	系统知道用户位置时向用户传输的控制信息或短用户数据包
PCH （寻呼信道）	CCPCH （共用控制物理信道）	公用；下行	至用户的控制信息，特别在用户终端在等待模式（休眠）下所必须
RACH （随机接入信道）	PRACH （随机接入物理信道）	公用；上行	来自一个用户的控制信息或短用户数据包
USCH （上行共用信道）	PUSCH （上行共用物理信道）	公用；下行	多个用户按时间分别使用于用户数据和控制信息的共用信道
ODCH （ODMA专用信道）	PDCH （专用物理信道）	专用	ODMA接力专用
ORACH （ODMA随机接入信道）	PRACH （随机接入物理信道）	公用	ODMA接入
SCH （同步信道）	DwPTS （下行导引时隙）	公用；下行	系统同步
DSCH （下行共用信道）	PDSCH （下行共用物理信道）	公用；下行	向多个用户分时传输专用用户数据的共同信道

VII. 数据复接和信道编码

图4 传输信道至物理信道的复接过程

    参见图4，它表明多个传输信道如何复接到一个或多个专用物理信道（DPCH）中。对特定的传输信道，还用循环检测（CRC）来检测传输数据块的差错。根据所需业务种类不同，此CRC的长度可以是0（无CRC），8，16 or 24比特。

    传输块连接和码块分段功能是通过将多个传输块串连，以在一个传输时间段并在需要时在任意码块段中发出。

    信道编码方式为卷积码、Turbo码或无编码。实时业务只使用前向纠错（FEC）编码，而非实时业务则联合使用前向纠错（FEC）编码和自动重发（ARQ）。ARQ功能是在层2的RLC子层完成的。卷积码的速率为1/2或1/3，约束长度为9，Turbo编码仅使用于传输速率超过32kbps的非实时业务，速率为1/2或1/3，交织深度为10，20，40或80毫秒。

    无线帧的分段是按比特进行。用速率匹配方法解决不同速率的信号，使发出的速率和物理信道所支持的速率相同。为此，可以使用比特重复或打孔技术。

    TrCH复接是用串行方式将传输信道合并。每10ms进行一次。此操作也称为码合并的传输信道。

    当需要使用多个物理信道来传输此数据，则在物理信道分段单元内完成此分解。

VIII. 调制和解调技术

    在TD-SCDMA系统中的基本调制技术是QPSK，这和IMT-2000其它技术是相同的。

在调制之后和脉冲成形之前进行扩频。扩频操作分两步完成，首先用扩频码对数据信号扩频，其扩频系数在1至16之间。扩频的第二步操作是加扰码（scrambling），将扰码加到扩频后的信号中。必须说明的是，中间码(midamble，参见图3)是不扩频的。

    扩频码是正交可变扩频系数码（OVSF码），Walsh函数，它用来区分同一时隙中的不同用户。而扰码是用来区分基站的。由于要尽可能和UTRA TDD融合，此扰码的长度也为16。显然，它不可能尽可能将码片白噪声化，导致在频域内带内频谱特性变化很大（超过10db），这是码设计中的一个缺点。

    在上行信道，所使用的中间码是用户根据小区确定的范围从基本序列中推算出来的。在下行信道，此中间码可以是小区共用的，也可以是用户指定的。

    扩频后进行脉冲成形。脉冲成形滤波器是频率域中滚降系数为α=0.22的升余弦滤波器。此滤波器将在发射和接收方均使用。

    必须说明的是，对2Mbps的业务，将使用8PSK调制方式。对此业务，在图3帧结构中将不使用中间码，全部都是数据区。而且，只有一个时隙，在数据区前增加一个序列。在基带信号处理时，也不需要进行多户检测（只有一个用户），只需增加均衡。

IX . 同步CDMA

    在CDMA移动通信系统中，下行链路总是同步的。故同步CDMA所指的上行同步，即要求来自不同距离的不同用户终端的上行信号（每帧）能同步的到达基站。大家知道，移动通信系统是工作在存在严重干扰、多径传播和具有多普勒效应的实际环境中，要实现理想的同步是不可能的。但是让每个上行信号的主径达到同步，对改善系统性能、简化基站接收机的设计（特别是对TDD系统）都有明显的好处。对此，已越来越得到共识：在UTRA TDD系统中也提出了提前发射（TA）的指标要求。在TD-SCDMA系统中，此同步CDMA是通过帧结构的设计（参见图2）和一个开环/闭环的同步控制机制来实现的。

    * 上行同步的建立

    在用户终端随机接入时，用户终端从接收到的DwPTS，可以获得基站要求的UpPTS的到达时刻（图2）。但是，用户终端并不知道距离基站的距离，因而也不能准确的知道应当在什么时刻发射UpPTS。故在随机接入时，只能用开环控制的方法，根据所接收到的DwPTS的信号强度来估计从距离，从而获得估计的发射提前量（Δt=2d/C，式中，d为估计的距离，C为光速）。

    图2中可见，在UpPTS中，只有要求随机接入的信号，一般干扰比较小。当基站获得此信号后，将首先确定其到达时刻和所要求同步的时刻之差（SS），确定所接收到的功率电平和所需电平之差（PC），以及此信号的到达方向，并将此同步和功率控制信号在下一个下行帧的FACH中传送至此终端（闭环控制）。然后，终端将根据此控制信号，在指定的RACH中实现上行同步并完成接入。

    * 上行同步的保持

    由于用户终端是移动的，它和基站的距离也是变化的。故在整个通信过程中，基站将不间断地检测其上行帧中中间码（Midamble）的到达时刻，并对终端的发射时刻进行闭环控制，以保证可靠的同步。

    * 同步精度的要求

    在TD-SCDMA系统中，同步调整的步长是码片宽度的1/8，即大约100ns。在实际系统中所要求和可能达到的精度则将随基带信号处理的能力和检测的能力来确定，一般可能在1/8至1个码片的宽度。因为同步检测和控制是每个子帧（5ms）一次，在此时间内用户终端最多移动十余厘米，因而，同步精度并不限制和影响高速移动。

X. 小结

    根据以上分析，我们不难得到发下结论：

    1． 目前正在集成的CDMA TDD的两个TRR（UTRA TDD和TD-SCDMA）在空间接口标准上有相当大的一致性。其第二和第三层基本上完全相同。在物理层内也有相同的超帧和无线帧、相同的调制、扩频和数据复接方法。

    2．在TD-SCDMA技术的物理层中，使用了独特的帧结构和特殊的DwPTS及UpPTS，使系统能够在蜂窝网络和移动环境下顺利实现小区收索、随机接入和建立上行同步。

    3． 由于基于使用软件无线电的概念和技术和目前物理层技术的相对稳定性，目前已可以根据此标准来开发TD-SCDMA设备，为一两年后供应市场。根据TD-SCDMA物理层技术的优势，所开发的设备可以达到提供高频谱利用率、高灵活性和低成本的目标，在市场上将具有强的竞争能力。

    关于物理层中的一个关键技术：智能天线和联合检测的综合技术，将在此系列文章中分别介绍。

参考文献

1． CWTS: C001 Radio Interface Protocol Architecture

2． CWTS: C002 Services provided by the Physical Layer

3． CWTS: C003 UE functions and Interlayer Procedures in Connected Mode

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5． CWTS: C101 Physical layer-general description

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8． CWTS: C104 Spreading and modulation

9． CWTS: C105 Physical layer procedures description

10． CWTS: C106 Physical layer - Measurements

11． CWTS: C201 Medium Access Control (MAC) Protocol Specification

12． CWTS: C202 Radio Link Control (RLC) Protocol Specification

13． CWTS: C203 Radio Resource Control (RRC) Protocol Specification