HSDPA的TD-SCDMA直放站转换点获取方法

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　　时分同步的码分多址（TD-SCDMA）技术是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一，它得到了CWTS及3GPP的全面支持。TD-SCDMA是集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体、系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术。它采用了智能天线、联合检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术。
　　TD-SCDMA系统直放站与其他移动通信系统直放站一样，可以对基站和手机发出的信号进行增强和转发，从而对通信网络的覆盖范围进行拓展或补充。目前已有的直放站可以运行在GSM、IS-95、cdma2000、WCDMA等使用FDD双工方式的移动通信系统中，上行无线信号和下行无线信号处于不同的频率。因此，现有的直放站一般包括两套处理系统，分别对上行信号和下行信号进行接收、放大和发射等处理。这两套处理系统工作在不同的频率。在TD-SCDMA系统中，使用TDD双工方式，上行信号和下行信号处于同一频率。在上行信号时间，直放机对上行信号接收、放大和发射，在下行信号时间，直放机对下行信号接收、放大和发射。为了正确地完成这一过程，直放机必须知晓准确的上下行切换时间。
　　1、TD-SCDMA物理层
　　TD-SCDMA的物理信道采用4层结构：系统帧、无线帧、子帧和时隙/码。图1所示为TD-SCDMA的物理信道的传输格式。在一个子帧中，同时存在上行和下行时隙，共计7个固定长度的业务时隙。除了时隙TS0必须用于下行方向，时隙TS1必须用于上行方向外，其余时隙的方向可以变化。
　　DwPTS和UpPTS分别对应下行和上行同步时隙，GP为上、下行同步时隙间的保护间隔。如图1，一个TDMA帧的长度为10 ms，分成两个子帧，每一个子帧又分成长度为675μs的7个常规时隙（TS0～TS6）和3个特殊时隙：下行导频时隙（DwPTS）、保护间隔（GP）和上行导频时隙（UpPTS），它们的时间长度分别为75μs、75μs、125μs。根据信号方向的不同，每一个时隙分为上行方向和下行方向两种类型，上行方向是指在该时隙里传输的无线信号由用户终端设备（UE）发射，基站（NodeB）接收；下行方向是指在该时隙里传输的无线信号由NodeB发射，UE接收因此TD-SCDMA直放站需要控制信号来控制设备内的射频开关，完成上下行切换。TD-SCDMA系统中，有两个上下行切换点，分别被称为第一转换点和第二转换点。第一转换点位于下行导频时隙DwPTS和上行导频时隙UpPTS之间，直放站从接收下行信号状态切换到接收上行信号；在目前的TD-SCDMA系统中第二转换点位于TS3和TS4之间，时隙分配比为3:3，但在升级到HSDPA的TD系统中，时隙分配比将不在固定，可能为1:5、2:4、3:3……，第二转换点可能位于TS1～TS5任意一个时隙后。解决上下行切换点的控制，成为TD-SCDMA直放站的关键技术。

　　

　　2、获取第一转换点
　　图2为DwPTS结构图。在TD-SCDMA系统中，一共定义了32个下行同步码（SYNC-DL）。下行同步码是32组64码片的PN序列，每个小区都将使用固定的下行同步码，且相邻小区的下行同步码互不相同。UE利用SYNC-DL（在DwPTS中）获得与一个小区的DwPTS同步。
　　这一步是典型地通过一个或多个匹配滤波器（或任何类似的装置）与接收到的从PN序列集中选出来的SYNC-DL进行匹配实现。

　　

　　图2　DwPCH的帧结构

　　数字匹配相关是伪随机序列的一种快速捕获方法，能大大缩小捕获时间，见图3。在捕获过程中，接收信号与本地序列连续地进行相关运算，每进行一次相关运算得到的相关结果都与一门限相比较。由于本地序列是静止的，相关过程相当于接收信号滑过本地序列，每来一个数据产生一个相关结果，当滑到两个序列的相位对齐时，必有一个很高的相关峰输出，此时本地序列与接收信号同步。

　　

　　图3　匹配相关示意图

　　匹配滤波器的相关运算结果为：
　　（1）
　　其中，Cn为SYNC_DL码，L为SYNC_DL码序列长度。相关峰为：
　　（2）
　　3、获取第二转换点
　　在升级到HSDPA的TD-SCDMA系统中，第二转换点相对于每个子帧的开始时间将随着上下行时隙分配比的改变而改变的，这给直放机实时获取第二转换点带来了很大麻烦。到目前为止几乎所有厂家都采用的是基站端利用网管系统实时告知的方案，如图4。基站控制器RNC的无线资源管理模块RRM通过各个小区的测量信息计算得到本小区的最优第二转换点，由RNC的操作维护模块OAM通知网管OMC-R，OMC-R经由本机配置的无线Modem（如短消息模块，GPRS模块）通过空中接口通知TD-SCDMA同步模块更改第二转换点。这种方案需要基站的配合，安装麻烦，成本较高，且不同厂家设备之间兼容困难。文章提供一种自动获取第二转换点的方法。

　　

　　图4　第二转换点获取常规办法

　　基站信号到终端，终端信号到基站都会经历一个传输时延△t，见图5。基站为了让每个终端发送的信号在其期望的时间收到，会要求终端提前一个△t发送信号，而基站信号也必须经历一个△t才能到达终端。在标准3GPP TS 25.224中，对随机接入过程进行了描述。要求UE在发送之前，要根据P-CCPCH的路径损耗估计传输时延。

　　

　　图5　无线传输时延示意图

　　理论的传播模型和基于测量的传播模型都表明，无论是室内还是室外无线信道，平均接收信号功率都是随着距离的增加以对数规律减小。任意发射-接收距离d的平均路径损失PL（d）可以表示为距离的函数，即：
　　（3）
　　式中：d0为参考距离；n为路径损失指数，取值如表1所示。

　　

　　表1　不同环境的路径损失指数

　　参考距离d0的路径损失PL（d0）可以由下式计算：
　　（4）
　　式中：Gt和Gr分别为发射天线和接收天线增益；λ为信号波长（单位：m）；L为系统损耗。对于1～2 GHz工作频率，使用低增益天线的实际通信系统，参考距离d0的典型取值为1 m（室内环境）和100 m或1 km（室外环境）。
　　则由式（3）：
　　（5）
　　继而：
　　
　　其中c为光速。
　　以图6所示为例，假设基站在t=0时刻发射了一个下行导频信号，如果TS2时隙是上行时隙，为了保证基站在TS2时隙准确的收到手机的上行信号，那么手机必须提前一个时间也就是在t=（96+160+864）Tc-△t时刻发射信号，由于直放机距离手机较近，也可以认为直放站会在t=（96+160+864）Tc-△t时刻收到手机上行信号。但是如果TS2时隙是下行时隙，基站会准时在t=（96+160+864）Tc时刻发射下行信号，也就意味着直放站和手机在t=（96+160+864）Tc+△t时刻才能收到下行信号。这样，如果站在直放站角度看，可能的上行信号会比可能的下行信号提前2△t到达，所以直放站可以在除去TS0和TS1之外的每个时隙前先默认后面的时隙为上行时隙，在一个由2△t确定的时间段内△T=f（△t）内搜索上行信号，如果没有收到上行信号，则认为是第二个转换点到来，迅速将同步开关切换到下行，便能赶上接收下行信号。

　　

　　图6　定时提前示意图

　　4、实现

　　

　　图7　系统设计框图

　　本方案采用ATERA的Cyclone系列FPGA芯片作信号处理器，信号由Agilent的E4438C信号源提供，设计框图如图7所示，具体实现步骤如下：
　　●步骤1：开机后，直放站切换到接收下行信号状态，接收下行信号。
　　●步骤2：直放机通过捕获下行导频信号（DwPTS）到达直放站的时间，找到第一个切换点，实现第一次由接收下行信号转换到接收上行信号的
　　切换，并推算出每一个时隙开始和结束的时间。
　　●步骤3：从TS2时隙结束的时间开始，依次假设后面每个时隙结束的时间为可能的第二个切换时间，计算一个时间切换段△T内上行信号的强度。
　　●步骤4：通过判断步骤3计算的信号强度来决定该时间切换段是否为一个真实的时间切换段，若是立即将直放站转换为接收下行信号，否则该切换点不是一个真实的切换点，再去判决下一个时隙的结束时间。
　　●步骤5：此时隙结束后，重复步骤4，处理下一时隙。
　　●步骤6：为降低直放站对基站干扰，当直放机连续n个子帧（n的值根据实际情况决定）没有收到上行导频信号以后，即认为直放站服务区内的所有用户均为待机状态且没有被呼叫，直放机进入休眠状态，默认切换到下行状态。当直放站再次收到上行导频信号，则迅速恢复到正常状态，执行步骤1～6的上下行切换。
　　本方案采用基带解码同步方案，得到同步帧头指示脉冲波形，上波为信号源帧头指示，下波为同步模块检测的帧头指示，同步误差小于100 ns（1/8 chip），完全满足要求。仿真测试中得到第一切换点指示波形，切换位置在DwPTS和UpPTS之间，切换准确。得到的第二切换点指示波形，切换位置在TS3和TS4之间，切换点真伪判断正确，切换精确。
　　5、结语
　　随着TD-SCDMA移动通信系统大规模应用的逐步临近，TD-SCDMA直放站的应用也指日可待，而TD-SCDMA直放站中最关键的技术即为直放站的帧同步和上下行切换控制。文章介绍的TD-SCDMA直放站同步和切换实现的方法无需与施主基站配合使用，自主获得转换点信息，能工作在上下时隙分配方式处于不断变化的系统中，符合HSDPA的需求，成本低廉，必将拥有广阔的应用前景。