TD-SCDMA直放站同步方式分析

摘要

    文章首先介绍了TD-SCDMA制式信号物理层的帧结构的特点，进而分析了目前TD-SCDMA直放站可以采用的四种同步方式的原理和优缺点。

    1、背景技术

    TD-SCDMA是国际电信联盟ITU正式发布的第三代移动通信空中接口技术规范之一，其关键技术有可调整上下行切换点的时分双工技术、智能天线技术、联合检测技术。TD-SCDMA的优势突出表现在系统抗干扰和系统容量之间得到了很好的均衡、对混合业务的高效支持、系统自身有良好的持续发展和技术演进性。

    TD-SCDMA的多址接入方案属于DS-SCDMA，码片速率为1.28Mc/s，扩频带宽约为1.6MHz，采用不需配对频率的TDD工作方式。它的下行和上行的信息是在同一载频的不同时隙上进行传送的。TD-SCDMA的物理信道采用四层结构：系统帧、无线帧、子帧和时隙/码。图1是TD-SCDMA的物理信道信号格式。

    图1 TD-SCDMA的物理信道信号格式

    其帧结构将10ms的无线帧分成两个5ms的子帧，每个子帧中有7个常规时隙和3个特殊时隙。三个特殊时隙分别为下行导频时隙DwPTS、主保护时隙GP和上行导频时隙UpPTS。在7个常规时隙中TSO总是分配给下行链路，而TS1总是分配给上行链路。通过灵活配置上下行时隙的个数，使TD-SCDMA适用于上下行对称及非对称业务模式。上行时隙和下行时隙之间由转换点分开。在TD-SCDMA系统中，每个5ms的子帧有两个转换点：第一个转换点是从下行链路转到上行链路，位置在DwPTS和UpPTS之间的GP；第二个转换点是从上行链路转到下行链路，位置在每个子帧中最后一个上行时隙和第二个下行时隙之间，TSO是第一个下行时隙。其中，第一个转换点相对于每个子帧的开始时间是固定的；第二个转换点随着分配给上下行的时隙数不同而变化。

    无论何种无线通信的覆盖区域都将产生弱信号区和盲区，而对一些偏远地区和用户数不多的盲区，要架设基站成本太高，基础设施也较复杂，为此提供一种成本低、架设简单，却具有小型基站功能、经济有效的设备——直放站是很有必要的。因此，TD-SCDMA直放站在TD-SCDMA网络中扮演着重要角色。

    2、同步方式介绍

    在TD-SCDMA系统中，上行链路信号和下行链路信号处于同一频率，通过时分复用的方式区分上行和下行。因此TD-SCDMA直放站需要获取两个转换点位置信息，完成对射频信道的上下行切换。

    现有能实现与基站同步的方法有：功率检测法、特征窗搜寻法、GPS同步法以及下行同步码相关检测同步法。功率检测法主要是通过对射频信号的功率进行快速检测，然后对检测值快速做出响应；特征窗搜寻法的基础是：SYNC-DL前有48个码片的保护间隔，SYNC-DL后有96码片的保护间隔，且SYNC-DL信号的功率很大。现有特征窗搜寻法仅仅按照一定的匹配准则去查找SYNC-DL。但现有的特征窗搜寻法容易受用户终端或临近基站的干扰出现误判。下行同步码相关法不容易受干扰，但其技术复杂度高，会相应提高设备成本。GPS同步方式则通过设备接收GPS信号作为时间参考，同时调整直放站的开关时间与基站同步，这种方式，工程开通比较复杂需要携带额外的仪表。下面对这三种同步方式进行详细的比较和分析。

    3、三种同步方式的分析比较

    3.1功率检测法

    功率检测法主要用于有线耦合方式的场合，它首先对射频功率进行快速的检测，响应时间一般在ns级，然后将检测值与门限值进行比较，当高于门限值则说明有信号通过，立即打开下行链路，低于门限值则打开上行链路。这种方法虽然实现简单，但是由于根据单纯的功率检测值不能分辨出上下行，所以这种方式不能在无线耦合方式中用，比如用于室外覆盖的无线直放站。另外，功率响应时间再快，开关使能信号也不可避免的会落后于信号，这样会损伤源信号，导致EVM等指标下降，严重的甚至会使终端接入不了。

    3.2特征窗搜寻法

    设备采用下行功率检测的方式实现上下行同步切换控制。针对TD-SCDMA帧结构的特征，采用特征窗匹配的方法，通过检测下行链路信号的功率来确定TD-SCDMA系统的2个上下行转换点的位置，从而达到实现同步切换。

    首先介绍一下TD时隙的特征，如图2所示：

    图2 TD时隙示意

    TSO的有数据长度为848码片长度（662.5us），而TSO和DwPTS之间的间隔宽度为48码片长度（37.5us），DwPTS的宽度为64码片（50us），根据这个特征，我们可以通过快速功率检测的方式在时域上面需要该特征窗的位置，并确认DwPTS在时域上的具体位置。

    如图3所示，直放站通过内部的射频功率耦合链路将一部分输入的射频信号提取，进行高速射频对数放大器的检波，将射频的功率信号转换为电压信号，该电压信号通过高速运放放大后经AD转换为数字信号，进而通过CPU（如DSP等）对采样值进行分析处理，通过上述的时隙窗的特征，判断DwPTS的准确位置，设定一个时间基准点，最后根据该基准点控制射频链路进行上下行切换。

    图3 直放站下行检测的流程

    3.3GPS同步方式

    由于网内各基站信号与GPS是同步的，即基站信号与GPS秒脉冲下降沿之间的相位差是恒定不变的，直放站得到GPS秒脉冲后，通过调整直放站上下行开关使能信号与GPS秒脉冲下降沿之间的相位差，达到与基站的同步。具体原理如图4所示：

    图4 GPS同步原理

    具体过程是首先测出GPS秒脉冲下降沿与下行导频结束时刻之间的相位差，比如是Nchip长，然后调节上下行开关使能信号与GPS秒脉冲下降沿之间的相位差，使得下行使能在下行导频结束时关闭下行，从而实现对基站信号的上下行同步切换。

    3.4下行同步码相关检测同步方式

    在TD-SCDMA系统中，标识小区的码称为下行同步码（SYNC-DL）序列，在下行导频时隙发射，基站将在小区的全方向发射。整个系统有32组长度为64的基本SYNC-DL，每个SYNC-DL标识一个基站和对应一个码组（包含7个上行同步码、4个扰码和4个中间码）。基于下行同步码相关检测的同步方式就是直放站首先将基站耦合的信号进行下变频，然后通过高速AD采样后进行数字解调，通过相关法找到下行同步码，从而达到与基站同步。如图5所示：

    图5 直放站相关调解流程

    首先通过射频耦合电路将部分射频信号提取，通过下变频电路将信号频率降低到中频段，进而进行数字化处理将射频信号变为数字信号，再进行QPSK的解调处理，最后进行同步码相关，从小区使用的32个SYNC-DL相关码中寻找出某一个相关码确定DwPTS时域中的位置。

    4、结论

    通过上面的分析，我们可以得出，功率检测法实现最容易，成本也低，但是这种方法应用场合有限，并且对源信号有一定损伤，所以该方案不可行；特征窗搜寻法成本较低，但容易受到临近基站或用户终端的干扰，比较适合室内使用；而GPS同步方式抗干扰能力强，但它的缺点是工程开通时必须先检测出GPS秒脉冲和基站信号之间的相位差，并且这种同步方式一旦直放站所在地的GPS信号没有了则无法再与基站同步。另外，如果基站对信号的相位进行了调整，那么直放站就要重新设置GPS秒脉冲与开关使能信号之间的相位差；下行同步码相关检测的方式由于是直接解调到基带，获得下行同步码，所以不太容易受到外界干扰，但是这种方式对基带信号处理的速度要求高，增加设备信号处理的复杂度，造成相应得成本也提高了。