TD-SCDMA标准演进对终端射频架构的影响

admin

1、引言
    TDD（时分双工）无疑是TD-SCDMA系统较显著的特性之一。它在三个方面具有优势：一是无需成对的频谱资源；二是射频收发信机同频分时工作，使得收发信机公用一个本振源成为可能，从而降低成本；三是与FDD相比，通话的功耗较低。在某些应用场景中，TD-SCDMA系统的一些特性如接力切换等，有可能出现终端收发频率切换需要在保护间隔内完成。
    随着TD-SCDMA标准的演进，在TD-SCDMA标准中增加了N频点特性，而N频点特性则可能要求终端的接收频率需要在保护间隔内进行切换，这对TD-SCDMA终端的射频收发信机来说是一个严峻的挑战。为了进一步提高TD-SCDMA系统的下行业务速率，CCSA（中国通信标准化协会）又提出了TD-SCDMA多载波HSDPA方案，并且要求支持多载波HSDPA的终端能兼容单载波工作。此时终端射频接收机应如何考虑呢?这些是业界目前非常关心的问题，下面将从系统角度进行分析。
2、对终端收发信机的要求
    2.1　接力切换特性
    接力切换的设计思想是利用上行预同步技术，即终端可提前获取切换后的上行信道发送时间、功率等信息，在由原基站向目标基站转移通信链路时，上下行链路根据所设置的时间关系分别转移到目标基站。
    接力切换的关键技术是上行预同步技术。其关键过程是：在由原小区向目标小区转移无线链路时，首先将上行链路转移到目标小区，在一段时间内，终端继续利用原基站和终端之间的下行链路进行通信，在确保终端与目标基站建立了有效和可靠的上行链路后，再将下行链路转移到目标小区，进而完成接力切换过程。
    当接力切换为异频接力切换时，目标小区与原小区的工作频率不同，如果原小区中分配的业务时隙下行为TSn，而目标小区中分配的业务时隙上行为TS（n-1），此时将会形成TS（n-1）/TSn相邻时隙异频收发的情况，而收发的保护间隔为12.5 μs或16 chip。对于公用本振源的射频收发信机来说，要求本振源的频率切换在12.5 μs内完成。
    TD-SCDMA系统的切换类型包括硬切换和接力切换，在CELL-DCH状态下，终端需要进行SFN-CFN Observed Time Difference的测量，这要求终端解析邻小区的BCH信息，从而得到邻小区的SFN，而BCH承载在TSO上。如果终端的业务在本小区分配于TS6，而目标邻小区是异频时，终端收信机的频率需要在12.5 μs内完成切换。
    2.2　N频点特性
    N频点特性是指针对每一扇区分配n个工作频点，从分配到的n个频点中确定一个频点作为主载频，在同一个扇区内，公共控制信道DwPCH、P-CCPCH、S-CCPCH、PICH、PRACH、UpPCH、FPACH等配置在主载频上。
    根据3GPP的规定，TD-SCDMA系统在RRC Connected状态（CELL_FACH、CELL_PCH、URA_PCH、CELL_DCH）时，均有系统消息的读取需求。因此，如果业务被分配于辅载频的TS6时，终端亦将面临在12.5 μs内完成频率切换的挑战。
    2.3　多载波HSDPA
    为了提高TD-SCDMA系统的下行业务速率，在3GPP R5中提出的HSDPA标准可使系统的理论下行峰值速率达到2.8 Mbit/s。为了进一步提高下行业务速率，在3GPP基础上，CCSA提出了TD-SCDMA多载波HSDPA方案，多载波HSDPA是N频点特性和HSDPA的有机结合，可以更好地支持分组业务，3载波HSDPA方案的理论峰值速率可以达到8.4 Mbit/s，该方案中要求支持多载波HSDPA的终端能兼容单载波工作。
    接力切换特性将要求收发信机的本振频率在12.5 μs内完成频率切换，简称需求1。接力切换特性和N频点特性将要求收信机频率在12.5 μs内完成频率切换，简称需求2。多载波HSDPA要求兼容单载波工作，简称需求3。这三种需求对射频收发信机的设计提出了不同挑战，需要TD-SCDMA终端以及RFIC设计者仔细考虑。
3、分析与探讨
    目前，已应用的TD-SCDMA终端射频收发信机均由WCDMA（FDD）制式的射频收发信机改进而来，因此其架构与FDD相同，即采用收信机和发信机各一片的两片结构。收信机采用零中频架构，发信机采用直接变频或二次变频架构，收发信机采用各自独立的本振源。对于采用这种架构的终端来说，不存在需求1的问题。随着RFIC工艺的发展，新一代3G RFIC的收发信机将采用零中频架构，如果是TDD制式，则收发信机的本振源频率将相同，这使得收发信机公用本振源成为可能。
    收发信机公用本振源将对终端成本、功耗及芯片大小等带来极大的好处。另外，对于TDD的收发信机来说，由于分时工作，对两者之间的隔离度要求也大大降低。收发信机可以公用本振源以及低隔离度要求的特性更有利于TD-SCDMA的射频收发信机向单芯片方向发展。可见，收发信机公用本振源的射频架构无疑能充分发挥TD-SCDMA TDD的先天优势。
    对于TD-SCDMA终端来说，本振源的频率准确度需要优于0.1×10-6。按目前的技术和工艺水平，切换频率需要的时间为200 μs左右，远远大于12.5 μs。换言之，如果采用收发信机公用本振源的架构，将无法满足需求1。同理，单本振源的收信机也无法满足需求2。
    如何解决以上矛盾呢?首先应从整个TD-SCDMA的系统角度进行考虑，本着全系统最优而不是局部最优的思想来处理这个问题，此时需要在代价和收益之间进行平衡。下面进行详细讨论。
    对于两芯片架构的收发信机来说，收发信机采用各自独立的本振源，故自然满足需求1的要求，但是随着半导体工艺的发展，终端收发信机单芯片化是必然趋势。对于TDD系统来说，单芯片收发信机更是情理之中，因为这对终端的小型化和低成本具有决定性作用。在单芯片中设计两个本振源的代价是昂贵的：一方面，芯片的面积将增加1/4～1/3；另一方面，由于两个本振源的频率间隔可能非常小（如1.6 MHz），从而使得本振源的牵引问题非常突出，从芯片设计来看，难度和风险很大，当然成本和功耗也会增加。
    需求1要解决的问题只会在目标小区和原小区的工作时隙为相邻时隙且异频收发时才会出现，从统计角度看，仍属小概率事件。因此，如果在无线资源管理策略中进行规避对系统容量的影响甚微，当然在终端具体实现中亦可采用牺牲部分切换质量的方法来解决。
    需求2要求终端收信机必须采用双本振源的架构，无论是双芯片还是单芯片收发信机都存在这个问题，其代价与需求1相类似。需求2可以归结为两个方面：一方面是本小区系统消息的读取问题，另一方面是邻小区SFN的解析问题。
    按现行行业标准，由于P-CCPCH和S-CCPCH分配在主载频上，对CELL_FACH、CELL_PCH、URA_PCH状态来说，由于不存在异频频率的切换，故不存在问题。在CELL-DCH状态下，DCH业务将可能分配在辅载频上，当工作时隙分配在TS6时将不能读取系统消息。根据3GPP的规定，此时终端需要读取SIB 5、SIB6、SIB7、SIB10和SIB17的系统消息。通过仔细分析这些系统消息，主要涉及开环功率控制和物理共享信道。从TD-SCDMA系统实际实现来看，终端在CELL-DCH状态下不读取这些系统消息是完全可行的。值得提出的是，对于FDD，3GPP明确规定在CELL-DCH状态下不读系统消息。
    在后续TD-SCDMA标准的演进过程中，为了提高系统容量，也有可能在辅载频配置公共信道，如UpPCH、FPACH、SCCPCH、PRACH等，此时在CELL_FACH、CELL_PCH、URA_PCH状态下，终端则必须读系统信息，那时网络侧还可通过无线资源管理策略禁止将S-CCPCH分配在TS6的方法来应对，对系统也不会产生较大的影响。
    关于邻小区SFN的解析问题，接力切换介于软切换和硬切换之间，软切换只能在同频小区间完成，那么对于接力切换，如果定位在只适用于同频，则无可厚非。由于TD-SCDMA的TDD特性，还可扩展用于异频小区，当网络侧将业务配置为异频TS6时隙且网络不下发CFN-target SFN Frame Offset时，终端侧可以采用丢帧方式进行邻小区SFN测量。
    需求3的实质问题是射频收发信机如何支持多载波接收的问题。从理论上讲，多载波接收机可以有宽带接收机和多路接收机两种实现形式。多路接收机的方案需要多套器件，对终端来说，在成本、尺寸、功耗方面的代价非常大，与基带硬件接口的复杂度也大大增加。宽带接收机无疑是一种较好的解决方案，按3载波进行考虑，接收机通道应至少能支持双边带4.8 MHz带宽，考虑到还需兼容单载波方式，因此接收机通道带宽的实现方式应可灵活配置。
4、结束语
    对于TD-SCDMA终端来说，采用单本振源射频收发信机架构是合理的选择，单本振射频收发信机所引入的问题是微小的，而且这些问题还可以通过合理的无线资源管理策略和终端实现方式进行规避和降低。