朱冉等

摘 要：本文通過ADS軟件與MATLAB軟件對系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，根據(jù)TD-SCDMA物理層信道協(xié)議和移動(dòng)通信典型物理信道特征為理論依據(jù)，在軟件ADS中搭建了專用物理信道電路與主公共控制信道電路，對物理信道中設(shè)計(jì)所用到的數(shù)據(jù)調(diào)制、擴(kuò)頻和加擾等功能模塊進(jìn)行了研究，逐一進(jìn)行仿真分析，并且不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)的比較與計(jì)算，確保每一個(gè)模塊數(shù)據(jù)的正確性，直至最終重現(xiàn)TD-SCDMA的信號(hào)結(jié)構(gòu)，并保證該生成的TD-SCDMA信號(hào)在物理層的幀結(jié)構(gòu)上和TD-SCDMA協(xié)議一致。

關(guān)鍵詞：TD-SCDMA；物理信道；幀結(jié)構(gòu)；ADS；物理信道協(xié)議

Abstract：This paper uses ADS and MATLAB software system to do some modeling and simulation， as the basis of TD-SCDMA physical layer channel protocol and typical physical channel characteristics in mobile communications， build a dedicated physical channel circuit and a primary common control channel circuit by ADS software， and make a further reach on data modulation， spread spectrum and scrambling these important functional modules. What's more， repeat make comparison and calculation of data to ensure the correctness of each module data， until eventually reproduce the structure of TD-SCDMA signal， and ensure that the physical layer frame structure of TD-SCDMA signal that generated is meeting the TD-SCDMA protocol.

Key words：TD-SCDMA；frame structure；ADS；Physical channel agreement

TD-SCDMA是我國提出的第三代無線通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，但是相對于另兩個(gè)主要3G標(biāo)準(zhǔn)起步較晚，技術(shù)不夠成熟，可以參考的資料較少。根據(jù)TD-SCDMA物理層信道協(xié)議和移動(dòng)通信典型物理信道特征為理論依據(jù)，通過仿真軟件對系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，重現(xiàn)其信號(hào)結(jié)構(gòu)，進(jìn)而搭建TD-SCDMA仿真平臺(tái)，這對于實(shí)際工作有一定的指導(dǎo)意義，也是尋找、解決實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中問題的有益嘗試。

1 TD-SCDMA簡介

TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access，時(shí)分同步碼分多址）是一種第三代無線通信的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，也是ITU批準(zhǔn)的三個(gè)3G標(biāo)準(zhǔn)中的一個(gè)，相對于另兩個(gè)主要3G標(biāo)準(zhǔn)（CDMA2000、WCDMA）它的起步較晚。TD-SCDMA中文含義為時(shí)分同步碼分多址接入，TD-SCDMA是針對無線環(huán)境下對稱和非對稱的3G業(yè)務(wù)所設(shè)計(jì)的，它運(yùn)行在不成對的射頻頻譜上。TD-SCDMA傳輸方向的時(shí)域自適應(yīng)資源分配，可取得獨(dú)立于對稱業(yè)務(wù)負(fù)載關(guān)系的頻譜分配的最佳利用率。因此，TD-SCDMA通過最佳自適應(yīng)資源的分配和最佳頻譜效率，可支持速率從8kbit/s到2Mbit/s的語音、互聯(lián)網(wǎng)等所有的3G業(yè)務(wù)[1]。

在TD-SCDMA中，物理信道根據(jù)其承載的信息不同被分成了不同的類別，有的物理信道用于承載傳輸信道的數(shù)據(jù)，而有些物理信道僅用于承載物理層自身的信息。各個(gè)信道承載不同的業(yè)務(wù)功能，本文主要仿真的兩條信道：專用物理信道DPCH電路與主公共控制物理信道P-CCPCH信道。

2 軟件的設(shè)計(jì)與建模

ADS電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA軟件全稱為 Advanced Design System），是美國安捷倫（Agilent）公司所生產(chǎn)擁有的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件；ADS功能十分強(qiáng)大，包含時(shí)域電路仿真（SPICE-like Simulation）、頻域電路仿真（Harmonic Balance、Linear Analysis）、三維電磁仿真（EM Simulation）、通信系統(tǒng)仿真（Communication System Simulation）和數(shù)字信號(hào)處理仿真設(shè)計(jì)（DSP），是當(dāng)今國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件軟件。本次仿真主要在ADS2005A這一軟件版本中進(jìn)行[2]。

2.1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)TD-SCDMA的物理信道以及其標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，并且借助ADS軟件平臺(tái)，選擇相關(guān)設(shè)計(jì)模塊，搭建了重現(xiàn)TD-SCDMA信號(hào)的設(shè)計(jì)框架，具體流程如圖1所示。TD-SCDMA主要由編碼復(fù)用、擴(kuò)頻調(diào)制和基帶濾波三大模塊組成，數(shù)據(jù)源經(jīng)過編碼復(fù)用和擴(kuò)頻調(diào)制模塊后的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，再經(jīng)過數(shù)字濾波和數(shù)模轉(zhuǎn)換就可得到TD-SCDMA的基帶信號(hào)[3]。

根據(jù)圖1，可以看出要得到TD-SCDMA信號(hào)，首先要對每個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，提高數(shù)據(jù)在信道上的抗干擾能力，在TD-SCDMA系統(tǒng)中采用了3種信道編碼方案：卷積編碼、Turbo編碼和無編碼。然后，再進(jìn)行擴(kuò)頻調(diào)制，其中包括了數(shù)據(jù)調(diào)制，TD-SCDMA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)調(diào)制通常采用QPSK方式，在提供2Mbit/s業(yè)務(wù)時(shí)采用8PSK調(diào)制方式。接著，經(jīng)過調(diào)制后的數(shù)據(jù)流還要用擴(kuò)頻碼對數(shù)據(jù)信號(hào)擴(kuò)頻，其擴(kuò)頻因子（Spread Factor， SF）為1～16，隨后是加擾碼操作。最后進(jìn)行數(shù)據(jù)的求和，經(jīng)過數(shù)字濾波和DAC轉(zhuǎn)換就可 得到TD-SCDMA的基帶信號(hào)。

專用物理信道DPCH（Dedicated Physical Channel）用于承載來自專用傳輸信道DCH的數(shù)據(jù)，DPCH所使用的碼和時(shí)隙等配置信息是通過信令消息配置給UE（User Equipment）的。DPCH可以位于頻帶內(nèi)的任意時(shí)隙和任意允許的信道碼，一個(gè)UE可以在同一時(shí)刻被配置多條DPCH，若UE允許多時(shí)隙能力，這些物理信道還可以位于不同的時(shí)隙。除此之外，DPCH支持TPC，SS，和TFCI所有物理層信令。在ADS軟件中選擇了多路傳輸，調(diào)制，擴(kuò)頻和擾碼等相關(guān)模塊，搭建了TD-SCDMA_DPCH的設(shè)計(jì)電路，本次設(shè)計(jì)中輸入信號(hào)為隨機(jī)比特輸入，具體框圖組成如圖2所示。

主公共控制物理信道（P-CCPCH，Primary Common Control Physical Channel）僅用于承載來自傳輸信道BCH的數(shù)據(jù)，提供全小區(qū)覆蓋模式下的系統(tǒng)信息廣播，UE上電后將搜索并解碼該信道上的數(shù)據(jù)以獲取小區(qū)系統(tǒng)信息。與專用物理信道DPCH相似，在ADS軟件中依舊選擇了調(diào)制，擴(kuò)頻和擾碼等相關(guān)模塊，唯一不同之處是P-CCPCH需要兩個(gè)碼分信道來承載數(shù)據(jù)，故在設(shè)計(jì)電路時(shí)搭建了P-CCPCH1和P-CCPCH2兩個(gè)碼分信道，分別輸入兩個(gè)隨機(jī)比特信號(hào)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖后進(jìn)行求和，疊加后的脈沖依舊將被接入到一個(gè)子幀的時(shí)隙中。TD-SCDMA中P-CCPCH具體框圖組成如圖3所示。

主公共控制物理信道是單向下行信道，幀格式中沒有物理層信令TFCI、TPC或SS，為了滿足信息容量的要求，P-CCPCH使用兩個(gè)碼分信道來承載BCH數(shù)據(jù)（P-CCPCH1和P-CCPCH2）。P-CCPCHs固定映射到時(shí)隙0（TS0）的擴(kuò)頻因子SF=16的兩個(gè)碼道。P-CCPCH使用固定的擴(kuò)頻因子SF=16傳播。P-CCPCH1和P- CCPCHP2總是分別使用第一和第二信道編碼。

3 仿真與分析

3.1 專用物理信道DPCH電路的仿真

本次仿真中選擇的是下行物理信道且SF=16，調(diào)制方式為QPSK。數(shù)據(jù)源首先經(jīng)過MUX多路傳輸模塊，該數(shù)據(jù)與輸入的數(shù)據(jù)比特一致，因?yàn)镸UX模塊只負(fù)責(zé)傳輸4路輸入數(shù)據(jù)，并不改變數(shù)據(jù)。然后數(shù)據(jù)被調(diào)制、擴(kuò)頻，數(shù)據(jù)重復(fù)的次數(shù)等于擴(kuò)頻因子的大小，故本次仿真將重復(fù)16次。隨后數(shù)據(jù)分別與OVSF擴(kuò)頻碼和Scramble擾碼相乘，進(jìn)行擴(kuò)頻加擾，最后，數(shù)據(jù)再與序列碼和保護(hù)時(shí)隙復(fù)用，轉(zhuǎn)變成脈沖。傳輸時(shí)Midamble碼不進(jìn)行基帶處理和擴(kuò)頻，直接與經(jīng)基帶處理和擴(kuò)頻的數(shù)據(jù)一起發(fā)送，在信道解碼時(shí)它被用作進(jìn)行信道估計(jì)。

按照DPCH的信道結(jié)構(gòu)，DPCH可以位于頻帶內(nèi)的任意時(shí)隙和任意允許的信道碼，如SlotIndex設(shè)置，脈沖被接入到一個(gè)子幀的時(shí)隙中。除該時(shí)隙以外的其他數(shù)據(jù)將全部為0。在本次仿真中SlotIndex設(shè)置為1，脈沖被接入到一個(gè)子幀的TS1中，除TS1以外的其他數(shù)據(jù)將全部為0。最終DPCH數(shù)據(jù)的頻域圖如下所示。

3.2 主公共控制物理信道P-CCPCH電路的仿真分析

與專用物理信道DPCH相似，P-CCPCH的輸入數(shù)據(jù)依舊需要調(diào)制，擴(kuò)頻和擾碼等相關(guān)模塊，相同模塊在此就不作重復(fù)仿真，唯一不同之處是P-CCPCH需要兩個(gè)碼分信道來承載數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖后進(jìn)行求和，疊加后的脈沖依舊將被接入到一個(gè)子幀的時(shí)隙中，最終得到P-CCPCH數(shù)據(jù)的頻域圖如圖5所示。

根據(jù)協(xié)議規(guī)定，信道持續(xù)時(shí)間為一個(gè)無線幀（10ms），每個(gè)無線幀包括12800個(gè)碼片。根據(jù)擴(kuò)頻通信的原理，信號(hào)頻域圖類似于噪聲。

3.3 TD-SCDMA一般信號(hào)分析

只需將各個(gè)物理信道產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)用便可得由各物理信道綜合而成的一幀（12800chips）基帶信號(hào)。以所有物理信道進(jìn)行復(fù)用后輸出的基帶信號(hào)為例進(jìn)行測試，其中TS0時(shí)隙是P-CCPCH，其后是DwPCH、GP和UpPCH，TS1、TS2、TS3是上行時(shí)隙，本次研究中暫不考慮上行信道信號(hào)，所以這3個(gè)時(shí)隙的數(shù)據(jù)全為0，TS4時(shí)隙是DPCH，TS5時(shí)隙是SCCPCH，TS6時(shí)隙是PICH。TD-SCDMA的時(shí)域圖如圖6所示。

物理信道DPCH，PICH，SCCPCH可以位于任何時(shí)隙位置，而P-CCPCH則固定于TS0中，PRACH可以位于任意上行時(shí)隙，各自物理信道的信號(hào)仿真在此就不一一列舉了。信號(hào)幀結(jié)構(gòu)中特殊時(shí)隙DwPTS、GP和UpPTS的位置是固定不變的。

下行導(dǎo)頻時(shí)隙位于TS0時(shí)隙后，包括96chips，計(jì)算可得時(shí)隙位于865chips～960chips，但是其中包括前端32chips的保護(hù)空域，故只在897chips～960chips處有數(shù)據(jù)。而上行導(dǎo)頻時(shí)隙位于GP時(shí)隙后，包括160chips，同樣計(jì)算可得時(shí)隙位于1057chips～1215chips，但是其中包括后端32chips的保護(hù)空域，故只在1057chips～1183chips處有數(shù)據(jù)。仿真結(jié)果與理論相符。

在擴(kuò)頻因?yàn)镾F=1的情況下，TD-SCDMA信號(hào)帶寬為1.6MHZ，在頻譜圖中可以發(fā)現(xiàn)它的頻寬基本上占了1.8MHZ到3.4MHZ這段區(qū)間，這是和協(xié)議里規(guī)定的TD-SCDMA信號(hào)的帶寬是相一致的，進(jìn)一步證明了所獲取的信號(hào)是正確的。

4 小結(jié)

通過對TD-SCDMA專用物理信道和主公共控制物理信道做了比較完整的測試與仿真，對其余物理信道進(jìn)行了仿真，最后將各個(gè)物理信道產(chǎn)生的數(shù)據(jù)進(jìn)行求和得到由各物理信道綜合而成的一幀基帶信號(hào)，該信號(hào)無論是從時(shí)域上還是頻域上都與TD-SCDMA所規(guī)定的信號(hào)結(jié)構(gòu)特征是一致的。這就證明了所獲得信號(hào)的正確性，證明了ADS中設(shè)計(jì)的TD-SCDMA的物理信道信號(hào)發(fā)生電路是正確的，可靠的，穩(wěn)定的。

[參考文獻(xiàn)]

[1]TD-SCDMA技術(shù)專題[OL].http：//www.cww.net.cn/tech/techHtml/158.htm，2011.

[2]Agilent ADS功能概述[Z].http：//articles.e-works.net.cn/eda/article88343.htm.

[3]孫靜靜.基于TD-SCDMA基帶信號(hào)發(fā)生器的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2007.