TD-SCDMA 基本原理V2.0
TD-SCDMA基本原理
培训教材
版本：V2.0
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TD基本原理培训教材
内部公开▲
本文中的所有信息均为中兴通讯股份有限公司内部信息，不得向外传播
关键字：
基本原理
摘要：
本文主要描述TD-SCDMA 系统基本原理及物理层结构及其实现过程。
缩略语：
参考资料：
《TD-SCDMA 第三代移动通信系统技术与实现》
《TD-SCDMA 第三代移动通信系统标准》
目录
1TD-SCDMA概述 (1)
2TD-SCDMA系统网络结构与接口 (3)
2.1 概述 (3)
2.2 UTRAN结构及各部分功能 (3)
2.2.1 UTRAN基本结构 (3)
2.2.2 UTRAN RNC和NODEB功能 (4)
2.3 UTRAN通用协议模型 (5)
2.4 TD-SCDMA系统网络接口 (7)
2.4.1 空中接口 (7)
2.4.2 Iub接口 (8)
2.4.3 Iur接口 (9)
2.4.4 Iu接口 (9)
3TD-SCDMA物理层结构和信道映射 (10)
3.1 概述 (10)
3.2 物理信道分析 (10)
3.2.1 帧结构分析 (11)
3.2.2 时隙结构 (12)
3.3 传输信道到物理信道的映射 (15)
3.3.1 物理信道 (15)
3.3.2 传输信道 (17)
4TD-SCDMA信道编码及复用 (22)
5TD-SCDMA扩频与调制 (27)
5.1 数据调制 (28)
5.1.1 符号速率与符号周期 (28)
5.1.2 几种数据调制的方式 (28)
5.2 扩频调制 (29)
5.2.1 基本扩频参数 (29)
5.2.2 扩频码 (30)
5.2.3 扰码 (31)
5.2.4 同步码的产生 (31)
6物理层过程 (34)
6.1 功率控制 (34)
6.1.1 上行链路控制 (34)
6.2 上行同步 (37)
6.2.1 上行同步(下行同步)准备 (37)
6.2.2 上行同步的建立 (37)
6.2.3 上行同步的维护 (38)
6.3 小区搜索 (38)
6.4 随机接入 (39)
6.4.1 随机接入准备 (39)
6.4.2 随机接入过程 (39)
图目录
图1-1什么是TD-SCDMA (1)
图2-1UTRAN结构图 (4)
图2-2UTRAN地面接口的通用协议模型 (6)
图2-3Uu接口协议 (8)
图3-1 TD-SCDMA物理信道结构 (11)
图3-2 DwPTS时隙结构 (13)
图3-3 UpPTS时隙结构 (13)
图3-4常规时隙结构 (13)
图3-5 TD-SCDMA物理层信令结构 (14)
图3-6 PICH突发结构 (17)
图3-7 RLC PDU到物理层的映射示例 (18)
图3-8传输信道到物理信道的映射示例 (20)
图4-1用于上行及下行链路的传输信道编码/复用步骤 (23)
图5-1 TD-SCDMA系统扩频调制框图（QPSK调制） (27)
图5-2复值码片序列的脉冲成形 (28)
图5-3 OVSF码树形结构图 (30)
图5-4数据符号的扩频和加扰 (31)
图6-1TD-SCDMA的随机接入过程 (41)
表目录
表3-1 TD-SCDMA传输信道和物理信道间的映射关系 (20)
表4-1 BCH参数 (24)
表5-1 QPSK数据调制映射关系 (29)
表5-3 各种码之间的关系 (33)
表6-1 发射功率控制特性 (34)
内部公开▲1 TD-SCDMA概述
Time Duplex-Synchronous Code Division Multiple Access (时分双工的同步码分多
址)。见图1-1。
TD-SCDMA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，是中国电信界百年来第一个完整的通信技术标准，
是UTRA-FDD可替代的方案。TD-SCDMA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。从下图可以看出：
图1-1什么是TD-SCDMA
(1)在时间轴上，上行和下行分开，实现了TDD模式。这也是时分多址。TDD
模式反映在频率上，是上行下行共用一个频点，节省了带宽。
(2)在频率轴上，不同频点的载波可以共存。这是频分多址。
(3)在能量轴上，每个频点的每个时隙可以容纳16个码道。（对于下行，扩频因
子最大为16，这意味着可以有16个正交的码数据流存在一个时隙内。以语音用
户为例，每个AMR12.2K占用两个码道，一个时隙内可以容纳8个用户。）这是
码分多址。
(4)通过使用智能天线技术，针对不同的用户使用不同的赋形波束覆盖，实现了
空分多址。智能天线是TD最为关键的技术，是TD实现的基础和前提，智能天
线由于采用了波束赋形技术，可以有效的降低干扰，提高系统的容量，智能技
内部公开▲术是接力切换等技术的前提。
内部公开▲2 TD-SCDMA系统网络结构与接口
2.1 概述
TD-SCDMA系统网络结构遵循ITU统一要求，通过3GPP组织内融合后，
TD-SCDMA和WCDMA的网络结构基本相同，相应接口定义也基本一致，但接
口的部分功能和信令有一些差异，特别是空中接口的物理层，每个标准各有特色。
2.2 UTRAN结构及各部分功能
2.2.1 UTRAN基本结构
UMTS与第二代移动通信系统在逻辑结构方面基本相同。从功能上看可以分成不
同功能的子网，包括核心网（CN）、无线接入网（UTRAN）和用户设备（UE）
三部分组成。
A. UMTS的核心网CN是由GSM系统的CN演化而成，它具有与GSM系统相似
的结构：
(1)CN通过A接口与GSM系统的BSC相连，通过Iu接口与UTRAN的RNC
相连。
(2)CN主要处理UMTS内部所有语音呼叫、数据连接和交换，以及与外部其它
网络的连接和路由选择。
B.UTRAN完成所有与无线有关的功能。
在UTRAN内部，第三代的无线网络子系统（RNS）和第二代的BSS地位相同。
RNS部分通过Iu接口与CN相连。
RNS包括无线网络控制器（RNC）和一个或多个Node B。Node B可以处理一个
或多个小区，并通过Iub接口与RNC相连。RNC之间通过Iur进行信息交互，Iur
接口可以是RNCs之间物理上的直接连接，也可以靠通过任何合适传输网络的虚
拟连接来实现。
内部公开▲
2.2.2
◆
(1)
(2)
的接口信息流，发送到不同的网络单元。RNC不仅要控制本接入服务区内的Node
B，还要通过与相邻RNC 间的连接控制相邻RNC 接入服务区内的Node B，从
而形成整个无线接入服务网络。
◆NodeB 产品是TD-SCDMA RAN 系统的重要组成网元，NodeB 通过Iub 接
口与RNC相连，NodeB 通过Uu 接口与UE 通信。
内部公开▲
TD-SCDMA 的NodeB 产品采用智能天线和联合检测技术，可以满足大城市、城
市中心地区等话务量密集区域对于容量的要求，也可以满足农村、交通干线以及
城镇和大中城市地区对于覆盖的要求。中兴NodeB 单机柜最大支持33载扇，支
持全向智能天线阵、3 扇区智能天线阵等多种配置。采用数字收发信机技术，集
成度高，业务支持能力强。支持E1、STM-1 传输方式及混合传输方式；支持灵
活的组网方式，可以采用链型、星型和混合型等组网方式；目前基站同步采用GPS
时钟方式。
2.3 UTRAN通用协议模型
对于UTRAN协议不但可以从UE到核心网的连接进行描述，而且可以按照层次
予以说明。UTRAN的协议结构设计是根据相同的通用协议模型进行的，通常的
设计思想是要保证各层几个平面在逻辑上彼此独立，这样便于后续版本的修改，
使其影响最小化。
UTRAN地面接口的通用协议模型如图2-2。图中ALCAP表示传输网络层控制平
面相应协议的集合。
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图2-2UTRAN地面接口的通用协议模型
从水平方向来看：UTRAN从层次上可以分为无线网络层和传输网络层两部分。UTRAN涉及的内容都是相关无线网络层的，而传输网络层使用标准的传输技术，根据UTRAN的具体应用进行选择。
从垂直方向看：包括4个平面：
(1)控制平面
控制平面包含应用层协议，如：RANAP、RASAP、NBAP和传输层应用协议的信令承载。应用层协议和其他相关因素一起用于建立到UE的承载（Iu的无线接入承载以及随后的无线连接）。应用协议的信令承载可以和ALCAP的信令承载类型相同，也可以是不同的类型。信令承载的建立是操作维护行为。
(2)用户平面
用户收发的所有信息，例如语音和分组数据，都经过用户平面传输。用户平面包括数据流和相应的承载，每个数据流的特征都由一个和多个接口的帧协议来描述。
(3)传输网络层控制平面
传输网络层控制平面为传输层内的所有控制信令服务，不包含任何无线网络层的信息。它包括为用户平面建立传输承载（数据承载）的ALCAP协议，以及ALCAP 需要的信令承载。使用传输网络层控制平面的时候，无线网络层用户平面中数据
内部公开▲承载的传输建立方式如下：对无线网络层控制平面的应用协议进行一次信令处理，
通过ALCAP协议建立数据承载。该ALCAP协议是针对用户平面技术而定的。
控制平面和用户平面的独立性要求必须进行一次ALCAP的信令处理。ALCAP不
一定用于所有类型的数据承载，如果没有ALCAP的信令处理，传输网络层控制
平面就没有存在地必要了。此时，我们采用预先配置的数据承载。另外，传输网
络控制层的ALCAP协议不同于为应用协议或在实时操作期间的ALCAP建立信令
承载。ALCAP的信令承载不一定和应用协议的承载是同一类型。ALCAP信令承
载的建立被认为是操作维护行为。
(4)传输网络层用户平面
用户平面的数据承载和控制平面的信令承载都属于传输网络层的用户平面。传输
网络层用户平面的数据承载在实时操作期间由传输网络层控制平面直接控制，但
是为应用协议建立信令承载所需的控制操作被认为是操作维护行为。
2.4 TD-SCDMA系统网络接口
TD-SCDMA系统的网络接口主要有空中接口（Uu接口）、Iub接口、Iur接口和Iu
接口。下面分别对它们进行介绍。
2.4.1 空中接口
第三代移动通信系统的空中接口是指移动终端和接入网之间的接口Uu。无线接口
从协议结构上可以划分为三层（如图2-3）：物理层（L1）；数据链路层（L2）；网
络层（L3）。
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L3划分为多个子层，其中最底层就是无线资源管理（RRC）层。RRC层属于接
入层（AS），而其上面的移动性管理（MM）和呼叫控制（CC）则属于非接入层
（NAS）。
RLC和MAC之间的业务接入点（SAP）提供逻辑信道，物理层和MAC之间的
SAP提供传输信道。RRC与下层的PDCP、BMC、RLC和物理层之间都有连接，
用以对这些实体的内部控制和参数配置。
2.4.2 Iub接口
Iub接口是RNC和Node B之间的接口，完成RNC和Node B之间的用户数据传
送、用户数据及信令的处理和Node B逻辑上的O&M等。它的协议栈是典型的三
平面表示：无线网络层、传输网络层和物理层。
内部公开▲功能：管理Iub接口的传输资源、Node B逻辑操作维护、传输操作维护信令、系
统信息管理、专用信道控制、公共信道控制和定时以及同步管理。
2.4.3 Iur接口
I ur接口是两个RNC之间的逻辑接口，用来传送RNC之间的控制信令和用户数据。
Iur 接口是一个开放接口
功能：支持基本的RNC之间的移动性、支持公共信道业务、支持专用信道业务和
支持系统管理过程。
2.4.4 Iu接口
Iu接口是连接UTRAN和CN的接口，也可以把它看成是RNS和核心网之间的一
个参考点。同GSM的A接口一样，Iu接口也是一个开放接口，它将系统分成用
于无线通信的UTRAN和负责处理交换、路由和业务控制的核心网两部分。
结构：一个CN可以和几个RNC相连，而任何一个RNC和CN之间的Iu接口可
以分成三个域：电路交换域（Iu-CS）、分组交换域（Iu-PS）和广播域（Iu-BC），
它们有各自的协议模型。
功能：Iu接口主要负责传递非接入层的控制信息、用户信息、广播信息及控制Iu
接口上的数据传递等。
思考题：
1简要描述TD－SCDMA的UTRAN基本结构以及各个部分的功能
2简要描述TD－SCDMA的UTRAN通用协议模型
3TD－SCDMA系统主要有哪些网络接口？他们的作用是什么？
内部公开▲3 TD-SCDMA物理层结构和信道映射
3.1 概述
TD-SCDMA物理层是空中接口的最底层，支持比特流在物理介质上的传输。物理
层与数据链路层的MAC子层及网络层的RRC子层相连。物理层向MAC层提供
不同的传输信道，传输信道定义了信息是如何在空中接口上传输的。物理信道在
物理层定义，物理层受RRC的控制。
TD-SCDMA的多址接入方案是采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA），扩频带
宽约为1.6MHz，这是根据码速率而来的，TD的码速率为1.28M,采用滚降系数为
0.22的滤波器。那么占用的带宽为
1.28×(1+α)=1.5616约为1.6M, (α=0.22)
上行扩频因子为1 2 4 8 16 ，下行的扩频因子为1（只在下行数据速率为2M的时
候）和16之间，因此各自调制符号速率的变化范围为80.0K符号/s～1.28M符号
/s。
3.2 物理信道分析
TD-SCDMA系统的物理信道采用四层结构：系统帧号、无线帧、子帧、时隙/码。
系统使用时隙和扩频码来在时域和码域上区分不同的用户信号。图3-1给出了物
理信道的层次结构。
无线帧 (10ms)
内部公开▲
图3-1 TD-SCDMA物理信道结构
◆TDD模式下的物理信道是一个突发，在所分配到的无线帧中的特定时隙发
射。无线帧的分配可以是连续的，即每一帧的相应时隙都可以分配给某物理信道，也可以
是不连续的分配，即仅有部分无线帧中的相应时隙分配给该物理信道。数据部分对称地分
布于训练序列的两端。
◆一个突发的持续时间就是一个时隙。一个发射机可以同时发射几个突发，在
这种情况下，几个突发的数据部分必须使用不同OVSF的信道码，但应使用相同的扰码。
◆突发的数据部分由信道码和扰码共同扩频。信道码是一个OVSF码，同一个时
隙上不同扩频因子的信道码是相互正交的，以区分同一个时隙上的不同用户，当一个码已
经在一个时隙中采用，则其父系上的码和下级码树路径上的码就不能在同一个时隙上使用。
扩频因子可以取1，2，4，8或16，物理信道的数据速率取决于所用的OVSF码所采用的扩
频因子。
◆因此，一个物理信道是由频率、时隙、信道码、训练序列位移和无线帧分配
等诸多参数来共同定义的。建立一个物理信道的同时，也就给出了它的初始结构。物理信
道的持续时间可以无限长，也可以是分配所定义的持续时间。
3.2.1 帧结构分析
3GPP定义的一个TDMA帧长度为10ms。一个10ms的帧分成两个结构完全相同
的子帧，每个子帧的时长为5ms。这是考虑到了智能天线技术的运用，智能天线
每隔5ms进行一次波束的赋形。下面是一些帧结构的特点
?子帧分成7个常规时隙（TS0 ~ TS6）
?每个时隙长度为864chips，占675us）
?DwPTS（下行导频时隙，长度为96chips，占75us）、
?GP（保护间隔，长度96chips，75us）
?UpPTS（上行导频时隙，长度160chips，125us）。
?子帧总长度为6400chips，占5ms，得到码片速率为1.28Mcps。
TS0总是固定地用作下行时隙来发送系统广播信息，是广播信道PCCPCH独自占
用的时隙。
而TS1总是固定地用作上行时隙。其它的常规时隙可以根据需要灵活地配置成上
行或下行以实现不对称业务的传输，上下行的转换由一个转换点（Switch Point）
内部公开▲分开。每个5ms的子帧有两个转换点（UL到DL和DL到UL），第一个转换点
固定在TS0结束处，而第二个转换点则取决于小区上下行时隙的配置。
3.2.2 时隙结构
3.2.2.1
作用：下行导频和下行同步。终端开机时必须取得下行导频信号。以便进行下行
同步并通过BCH获取小区信息进行稍后的上行同步过程。
每个子帧中的DwPTS由Node B以最大功率在全方向或在某一扇区上发射。这个
时隙通常是由长为64chips的SYNC_DL和32chips的保护码间隔组成，其结构如
图3-2所示。
内部公开▲
图3-2 DwPTS时隙结构
个CCTrCH，高层信令将指示所使用的TFCI格式。对于每一个所分配的时隙是否承载TFCI 信息也由高层分别告知。如果一个时隙包含TFCI信息，它总是按高层分配信息的顺序采用该时隙的第一个信道码进行扩频。TFCI是在各自相应物理信道的数据部分发送，这就是说TFCI和数据比特具有相同的扩频过程。对于每个用户，TFCI信息将在每10ms无线帧里发送一次。