TD-SCDMA引领3G之路

过去几年里，中国已经成为最大的蜂窝手机终端市场，拥有超过3亿GSM、CDMA和PAS网络用户。这个数字预期还会继续增长，因为还没有为半数以上的人群提供服务。此外，还有两个因素会进一步加速市场的增长。第一，一部分人口，特别是农村人口将受益于业界最初推出的低成本手机。这些入门手机将以基本语音通信功能为主，功能有限，但能够使更多人受益于移动电话。第二，当3G牌照发放给电信运营商后，新的业务将出现在高速数据传输网络上，推动现有的手机用户升级他们的手机以享受新提供的服务。

因此，中国无线通信标准化组织(CWTS)针对3G移动通信提出的TD-SCDMA(时分同步码分多址)技术成为国际电信联盟(ITU)考虑的射频传输技术(RTT)之一也就不足为怪了。基于时分复用(TDD)和同步CDMA的组合，TD-SCDMA能够提供许多优点，最终为运营商降低了投资成本并且节省了资金，从而为从2G向3G业务过渡提供了一条可行途径。TD-SCDMA系统还采用了一些独特的新技术，例如联合检测(JD)、自适应天线、动态信道分配和接力切换。TD-SCDMA演进的一个重要基础是已经被第三代移动通信合作计划(3GPP) TDD标准用作其低码片速率(LCR)版本。

什么是TD-SCDMA？

TD-SCDMA 的体系结构完全遵循3GPP标准，并且由三部分组成：用户设备(UE)、射频接入网(RAN)和核心网。TD-SCDMA的RAN的设计原则是与其他的RAN共享相同的核心网，例如WCDMA系统，这样就大大简化了多模系统设计。物理层(第1层)描述了基站(BS)和UE之间的传输，包括了两个方向的传输：上行链路(从UE到BS)和下行链路(从BS到UE)。在手机设计中，系统实现最复杂的部分在下行链路，例如接收机设计。因为TD-SCDMA 基于TDD模式，所以下行链路(DL)和上行链路(UL)共享相同的频带。图1示出每个子帧包含7个常规时隙和3个特殊时隙(阴影部分)，常规时隙用于数据传输和接收，特殊时隙用于时钟同步和其他控制目的。

图1  TD-SCDMA子帧和时隙结构

TS0总是用于DL广播信道，TS1总是用于UL。每个子帧中最多有两个UL/DL时隙切换点，第一个时隙切换点是固定的，而第二个时隙切换点可以灵活变化。TD-SCDMA 网络可以根据系统实际业务量动态改变第二个时隙切换点的位置重新安排UL/DL容量。TD-SCDMA 系统中的所有基站都是时间同步的，所以小区搜索和切换均可轻松实现。UL也是同步的，意味着不同的手机必须以几乎相同的时间向基站发送信号以便所有信号会同时到达基站接收天线。

TD-SCDMA 同时支持多种业务。不同用户使用不同时隙，不同业务在同一时隙中使用不同数量的码道。因此，不同时隙之间信号功率幅度(在DL或UL中)可能差异很大。这意味着UE应该能够在不同时隙之间快速地调整接收增益和传输增益。典型的数据时隙包括四部分：数据部分1、数据部分2、用于信道估计的训练序列(midamble)和防止脉冲串间干扰(IBI)的保护间隔(GP)。

目前的方案是使用训练序列便于接收机无线传输信道估计。训练序列码分配策略有3种，不同的码信道可以共用相同的训练序列或使用不同的训练序列码。每个训练序列码序列都是按照这种方法产生，以便可以使用有效的算法用于无线传输信道估计。

在发射端，将二进制编码比特(bit)映射到QPSK(或8PSK)复数符号。对于HSDPA技术还使用了16 QAM调制。为了降低信号的峰均比(PAR)，每个物理信道的复数符号在用信道标识码—也称作正交可变扩频因子(OVSF)码—扩频之前先乘以一个信道标识码特定倍数(CCSM)。在TD-SCDMA系统的下行链路中，扩频因子可以是1或者16。在扩频之后，具有码片速率的信号再与扰码(16码片的复数序列)相乘。最后，码片序列的实部(I)和虚部(Q)通过一个根号升余弦(RRC)滤波器，并且上变频到要求的载波频率。

联合检测接收机

接收机设计是UE开发中最困难的工作，因为在整个UE实现中该部分设计复杂度最高。虽然LCR中的多个用户通过分配给它们的OVSF码实现多路复用，但是因为多路信道中存在延迟扩散，而且UE输入端的接收信号会受到多用户干扰(MUI)以及符号间干扰(ISI)，所以并不能保证不同用户之间完全正交。CDMA系统中采用的传统接收机(例如，RAKE接收器)在这种情况下的性能很差，所以最好是选用比较复杂的多用户接收机设计。

多用户接收领域的研究兴起于20世纪的最后十年，它为多用户检测技术的开发与分析提供了理论框架。研究结果表明某些接收机结构，例如线性接收机，比较适合特定的链路情况。特别是在TD-SCDMA情况下，一个时隙中最大码道数和扰码长度为16，所以很容易并行处理全部码信道。

在不同标准下可以获得不同的多用户检测(MUD)算法。可以通过采用线性接收器结构应用准最佳的多用户检测器—通常称作联合检测—来降低MUI。用于线性接收机设计的方法有好几种——最常见的两种优化准则是迫零线性块均衡器(ZF-BLE)和最小均方误差线性块均衡器(MMSE-BLE)。ZF-BLE可以完全消除ISI和MAI，但会增强噪声。MMSE-BLE则在减小ISI/MAI影响和降低噪声之间进行平衡。联合检测的复杂度与符号星座图无关。

虽然联合检测算法是接收机结构的核心问题，但是影响性能的关键却在外围功能中。一般包括信道估计、有效码检测、信噪比(SNR)估计和同步。一个时隙中有多少有效CDMA码道，有哪些有效码道，这些都是非常重要的信息。

LCR接收机中的信道估计是基于结构化的训练序列完成的。在标准中针对训练序列的设计提出了不同的方案。公共训练序列分配(CMA)方案的应用是通过高层将其作为物理信道配置的一部分以信令的方式发送给UE。

第一种训练序列分配方案是CMA，同一时隙中的所有下行信道使用相同的基本训练序列。信道估计结构是根据训练序列的周期循环特性得到的。信道抽头的数量和信道估计的长度直接影响了通用信道矩阵T的结构和尺寸。信道估计的难题之一是如何去除那些并不影响接收机效果的只有噪声的信道抽头。另一个难题是判断是否存在具有特定移位的训练序列。如果训练序列无效，那意味着所有相关的码信道都无效。但训练序列有效并不能确定多少相关的码信道有效。

SNR估计可以看作信道估计的整数部分。MMSE JD接收机需要进行SNR估计以便获得优于ZF对应的性能。接收机设计中可以采用不同的方法实现SNR估计—当然，要在估计质量和估计算法复杂程度之间折衷

集成解决方案

UE的典型功能划分如图2所示，组成该系统的芯片组成员包括射频发射和接收部分、包含混合信号和电源管理模块的模拟基带(ABB)部分，以及数字基带(DBB)部分。一个完整的手机设计包括芯片组、存储器模块、应用模块(照相机、显示器等)，以及其他的外设，例如蓝牙、SD卡和MMC存储卡。每个模块的设计有不同的难题，然而，TD-SCDMA的系统要求给DBB设计带来了其特殊的问题。

图2   基于集成解决方案的UE模块划分

为了获得稳定的性能余量，应当提供经过优化的完整信号链——RF信号、混合信号和数字信号。如果单独设计信号链的每一环节，那么每一环节必须设计成能够与未知性能的信号链的其它环节集成。如果对整个信号链优化，那么就要对各个环节之间的成本和复杂程度进行权衡以实现更为有效的解决方案。例如，如果可以使用数字滤波器补偿RF滤波器引入的失真，那么可以放宽对RF滤波器的要求。

最灵活的解决方案是全软件解决方案，它使用数字基带处理器可以做到，例如ADI公司的AD6903能够提供足够的处理器周期处理大多数软件算法和一定等级UE软件控制代码。系统芯片(SOC)是推动多模手机集成朝着容易生产出低成本高性能解决方案方向发展的关键技术。现在市场上可提供的解决方案涉及到根据不同分类方法的各种类型的集成电路(IC)，分类方法包括根据芯片组、DBB体系结构、采用的半导体工艺以及通信功能和应用功能。

SoftFone-LCR＋芯片组中的AD6903数字基带处理器是适合于TD-SCDMA终端的可扩展解决方案的一个实例。AD6903基于Blackfin处理器作为计算引擎。它由Blackfin内核、一级(L1)代码和数据存储器(可配置为高速缓存或者SRAM)、统一的二级(L2)存储器、Blackfin DMA控制器和外设(时间和事件处理器、Blackfin中断控制器、高速数据记录器、维特比协处理器和外部协处理器接口)组成。微控制器(MCU)子系统由ARM内核、高速缓存和DMA组成。系统中最低一级的片内存储器称为系统RAM，可以用Blackfin内核和ARM内核访问。系统的其余部分包括用于控制无线终端存在的大多数设备以及控制模拟基带(ABB)和射频系统的通用连接性外设。 该器件具有高级DBB平台的所有特性，包括用有效方法处理新功能和吸收许多硬件功能的能力以达到各类UE所需的速度。其它优点还包括可调的功耗控制、有效处理控制码，灵活的I/O口，以及支持优化的编译器以生成高质量代码。

图3  AD6903顶层结构图

为了取得民用成功，TD-SCDMA 手机必须以相同成本达到或者超过现有手机的性能。获得现有手机性能和价格匹配的最便捷的方法就是构建一个目前可接受的民用平台。例如SoftFone-LCR+平台是根据ADI公司为 GSM/GPRS/EDGE标准建立的SoftFone 平台，这是几年来为提高性价比和降低功耗做出投资的最终结果。这些改进包括提高性能和降低处理器内核的功耗，例如Blackfin 处理器和ARM9内核，采用使处理器性能与功耗匹配成比例变化的动态电压，以及采用先进的RF和混合信号技术，例如直接下变频接收机和S-D数据转换器。

最后，当TD-SCDMA 网络遍及全中国时，可能在一段时间内还会存在覆盖盲区。因此，大多数TD-SCDMA 手机还需要在不提供TD-SCDMA 网络覆盖的情况下能够接入其它现有网络。中国现在可提供GSM和CDMA网络，但因为TD-SCDMA 属于3GPP标准，所以最可能的双模操作是GSM/TD-SCDMA 。幸运的是，双模TD-SCDMA 手机只需新添几个系统单元。在GSM和TD-SCDMA 之间不存在软切换，所以需要两个独立的射频单元，一个用于GSM，另一个用于TD-SCDMA ，无需修改即可使用。GSM和TD-SCDMA 系统可以共享音频、电源管理和辅助功能，因此GSM信号链只需再加一对DAC和ADC，而这些已经集成到SoftFone-LCR 芯片组模拟接口IC中。