TD-SCDMA系统的上行同步技术

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TD-SCDMA系统的上行同步技术
一、引言
TD-SCDMA（Time Division Synchronous CDMA）是时分同步码分多址的英文缩写。在CDMA移动通信系统中，下行链路总是同步的。所以，一般所说的同步CDMA都是指上行同步。上行同步技术是TD-SCDMA系统关键技术之一。所谓上行同步，即要求来自不同距离的不同用户终端的上行信号能够同步到达基站。对于TDD（时分双工）系统来说，上行同步能给系统带来很大的好处。由于移动通信系统工作在具有严重干扰、多径传播和多普勒效应的实际环境中，要实现理想的同步几乎是不可能的。但是，让每个用户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都有明显好处。另外，需要指出的是，我们这里讨论的同步是指空中接口的同步，并不包括网络间的同步。
二、TD-SCDMA系统的帧结构
TD-SCDMA系统能够实现上行同步，与其系统的帧结构特性有密不可分的关系，系统帧结构的设计是实现上行同步的前提。TD-SCDMA系统帧结构的设计考虑到了对智能天线和上行同步等新技术的支持。一个无线帧长为10ms，分成两个5ms子帧。这两个子帧的结构完全相同。图1所示为TD-SCDMA子帧结构。
    s的7个常规时隙（TS0～6）和3个特殊时隙m如图1所示，每个子帧又分成长度为675
（DwPTS、GP和UpPTS）。
每个子帧的DwPTS是作为下行导频和同步设计的。该时隙是由长为64chip的下行同步序列SYNC-DL和32chip的保护间隔组成，其时隙结构如图2所示。采用单独的DwPTS，一是便于下行同步的迅速获取，同时也可以减小对其它下行信号的干扰。
每个子帧的UpPTS是为建立上行同步而设计的。当UE进行随机接入时，将首先在UpPTS上发送SYNC-UL，基站检测到UE发送的SYNC-UL后，将发送FPACH应答，UE接收到基站应答的FPACH后，根据FPACH指示的时间调整量和期望接收功率及测量的路径损耗，设置PRACH的发送定时和发送功率。UpPTS由长为128chip的上行同步序列SYNC-UL和32chip的保护间隔组成，其时隙结构如图3所示。

     GP是长度为96chip的保护间隔，可以防止上下行信号之间的相互干扰。
每个子帧的常规时隙（TS0～6）上的突发结构如图4所示。突发由两个长度分别为352chip的数据块、一个长度为144chip的中间码（Midamble）和一个长度为16chip的保护间隔组成。中间码为一已知的训练序列，用于进行信道估计和测量，如上行同步的保持以及功率测量等。同一小区同一时隙的不同用户所采用的中间码是由一个基本的中间码经过循环移位后产生。
三、上行同步的建立
在UE开机后，它首先必须与小区建立下行同步，然后才能开始建立上行同步。在UE随机接入时，虽然可以接收到基站的DwPTS信号，建立了下行同步，但是并不知道与基站之间的距离，这导致UE的首次上行发送不能同步到达基站。因此，为了减小对常规时隙的干扰，上行信道的首次发送在UpPTS这个特殊时隙上进行。SYNC_UL突发的发送时刻可通过对接收到的DwPTS和/或PCCPCH的功率估计来确定。考虑到无线信道的复杂性，利用功率来估计传输时延非常不准确，可以让UE以一个固定的发送时间提前量来发送SYNC-UL。基站在搜索窗口内检测SYNC-UL序列，可以估计出SYNC-UL接收功率和到达时刻。然后，基站通过FPACH向UE发送反馈信息，给出UE下次发射的功率以及时间调整值，以便建立上行同步。正常情况下基站将在接收到SYNC-UL后的4个子帧内对UE作出应答。如果UE在4个子帧内没有收到来自基站的应答，则认为同步请求发送失败。UE将会随机延迟一段时间，重新开始尝试同步发送。
上行同步建立通常用于系统的随机接入过程，当系统失去上行同步后，重新建立同步的过程也要经过上述步骤。
四、上行同步的保持
因为UE是移动的，它到基站的距离总是在变化。所以在整个通信过程中，基站必须不断地检测UE上行突发中Midamble的到达时刻，并对UE的发送时刻进行闭环控制，以保持可靠的同步。
上行同步的具体过程为：基站在同一时隙通过测量每个UE的Midamble来估计UE的发送时间偏移，然后在下一个可用的下行时隙中发送同步偏移（SS）命令，使UE根据同步偏移命令调整发送时刻，以保证上行同步的稳定性。基站可以在每个子帧检测一次上行同步。上行同步的调整步长是可配置和再设置的，取值范围为1/8～1chip。上行同步的更新有3种可能情况：增加一个步长、减小一个步长或者保持不变。
五、同步精度要求
在TD-SCDMA系统中，同步调整的最小步长为码片宽度的1/8，即大约100ns。在实际系统中所要求和可能达到的精度将由基带信号处理能力和检测能力来确定，一般在1/8到1个码片宽度。因为同步检测和控制可以每个子帧（5ms）进行一次，一般来说，在此时间内UE的移动范围不会超过十几厘米。因此，这个同步精度完全可以满足要求，不会限制UE的高速移动。