TD-SCDMA系统移动台接入过程浅析

上海大唐移动通信公司 王嘉华 马继鹏

　　第三代移动通信系统TD-SCDMA中，移动终端设备（简称UE）接入系统的过程与第二代GSM系统类似，但由于系统对同步性能的特殊要求，接入过程中专门增加了对上行同步的处理。

　　移动终端从开机起，到发出第一个随机接入请求止，可分为下行同步捕获、系统信息读取、建立上行同步、随机接入四个过程。TD-SCDMA 无线帧子帧结构，在一个子帧中，同时存在上行和下行时隙，共计7个。除时隙Ts0必须用于下行、时隙Ts1必须用于上行方向外，其余时隙的方向可以变化。DwPTS和UpPTS分别对应下行和上行同步时隙，GP为上下行间保护时间间隔。

一、下行同步捕获

　　移动台接入系统的第一步是获得与当前小区的同步。该过程是通过捕获小区下行同步时隙DwPTS的SYNC_DL来实现的。SYNC_DL是一个系统预定的64位PN序列，SYNC_DL最多有32种可能的选择。系统中相邻小区的SYNC_DL互不相同，不相邻小区的SYNC_DL可以复用。SYNC_DL包含在TD_SCDMA无线突发中的DwPTS时隙。

　　按照TD-SCDMA的无线帧结构，SYNC_DL在系统中每5ms发送一次，并且每次都以恒定满功率值发送该信息。移动台接入系统时，对32个SYNC_DL码字进行逐一搜索（即用接收信号与32个可能的SYNC_DL逐一做相关），由于该码字彼此间具有较好的正交性，获取相关峰值最大的码字被认为是当前接入小区使用的SYNC_DL。同时，根据相关峰值的时间位置也可以初步确定系统下行的定时。

二、系统信息读取

　　移动终端（UE）在发起一次呼叫前，必须获得一些与当前所在小区相关的系统信息，比如可使用的随机接入信道（P-RACH）和寻呼信道（F-PACH）资源等。这些信息周期性地在BCH信道上广播，BCH是一个传输信道（Transport Channel），它映射到P-CCPCH物理信道。P-CCPCH使用无线子帧中的0时隙（Ts0）。

　　要从Data symbols域中解出系统广播消息，需要得到4个信息：无线信道的参数模型（理想情况下为信道冲激响应）；当前小区使用的扰码（Scrambling code）;系统帧号; BCH信息使用的扩频因子和扩频码。

　　1．无线信道参数由对无线突发中的训练序列（midamble码）解码获得。用户训练序列（midamble码）是一个基本midamble码的不同循环位移的结果，位移间隔可为8的整数倍，同一小区内只使用一种固定的位移方式。系统共有128个基本midamble码，每个SYNC_DL序列对应4个基本midamble码。由于SYNC_DL已经在下行同步捕获阶段获得，UE只需用相关方法逐一测试这4个基本码的不同相位，即可找到当前系统所用的midamble码，同时可以估计出当前无线信道的参数。这些参数用于UE对系统的扰码进行解码。

　　2．小区使用的扰码与midamble码是一一对应的，它被用于区分不同的小区的用户，在同一个小区内，所有用户使用的扰码和midamble码是相同的。

　　3．为了正确解出BCH中的信息，UE必须要知道每一帧的系统帧号。系统帧号体现在物理信道QPSK调制时相位变化的排列图案中。对[n]个连续的DwPTS时隙进行相位检测，就可以找到系统帧号，即取得复帧同步。这样BCH信息在P-CCPCH信道帧结构中的位置就可以确定了。

　　4．按系统要求，BCH消息的扩频因子为16，码道使用0码道和1码道。

　　有了上述信息，UE就可以完成对P-CCPCH的解调和BCH的译码，解读系统消息，获取UE在系统中进一步操作所需要的相关信息。

三、上行链路同步

　　上行链路同步是UE发起一个业务呼叫前必须的过程，如果UE仅驻留在某小区而没有呼叫业务时，UE不用启动上行同步过程。

　　TD-SCDMA系统对上行同步定时有着严格要求，不同用户的数据都要以基站的时间为基准，在预定的时刻到达Node-B。步进调整的时间精度为1/8 chip，对应的时间是0.097μs，每次调整最大变化量为1chip。与此相对应，GSM的空中比特速率为270.833kbit/s，时间调整精度是1bit，对应时间精度为3.69μs。

　　在下行链路上UE和系统取得同步后，由于UE和NODE-B的距离关系，系统还不能正确接受UE发送的消息。为了避免在不恰当的时间发送消息而对系统造成干扰，UE在上行方向首先要在UpPTS时隙上发送SYNC_UL。UpPTS时隙专用于UE和系统的上行同步，没有用户的业务数据。

　　按照系统设置，每个DwPTS序列号对应8个SYNC_UL码字，UE根据收到的DwPTS信息，随机决定将使用的上行SYNC_UL码字。与UE决定SYNC_DL的方式类似，Node-B可以采用逐个做相关运算的办法，判断UE当前使用的是哪个上行同步码字。

　　系统收到UE发送的SYNC_UL，就可得到SYNC_UL的定时和功率信息。并由此决定UE应该使用的发送功率和时间调制值，在接下来的4个子帧中的某一子帧通过F-PACH信道发送给UE。在F-PACH信道中还包含UE初选的SYNC-UL码字信息以及Node-B接收到SYNC_UL的相对时间，以区分在同一时间段内使用不同SYNC-UL的UE，以及不同时间段内使用相同SYNC-UL的UE。UE在F-PACH上接收到这些信息控制命令后，就可得知自己的上行同步请求是否已经被系统接受。

　　从前述TD-SCDMA系统的子帧结构突发方式可以看出，在上下行同步码字间有96chips保护带，对应的距离变化是：L＝V× ( 96 )/1.28M = 22.5公里。也就是说当UE在距离NODE-B 11.25公里以内时，不会由于初始定时信息的缺乏而对系统造成额外干扰。UE根据在 DwPTS和/或 P-CCPCH上接受到的信号时间以及功率大小，决定上行SYNC_UL 突发的初始发送时间和初始发送功率。

　　收到UE发送的第一个突发后，系统就可以根据接受时间和功率调整UE下次发送的时间和功率。这个功能由物理信道突发结构中的SS（Synchronization Shift）域和TPC（Transmission Power Control）域完成。

　　Node-B需要在收到UE消息后的4个子帧（20ms）内完成SS域和TPC控制消息的发送。否则UE视此次同步建立的过程失败，在一定时间后将重新启动上行同步过程。

　　UE接受系统响应的信道为F-PACH，该信道的信息在系统消息中给出，与UE使用的SYNC-UL码有关，对应关系在系统消息中说明。

四、随机接入过程

　　UE发起业务呼叫的初始过程视为随机接入过程，从物理层的连接建立角度出发，上行同步过程也是随机接入的一个步骤。

　　UE在收到系统对上行同步请求的控制后，两帧之后在P-RACH信道上开始发送UE呼叫的第一条消息(RRC-Connection Request)，请求与系统建立RRC连接。该消息使用P-RACH信道，发送时间和功率按照系统新的要求。在发送这条消息时，UE与Node-B之间已经有很高的同步精度。（1/8chip）

　　UE可用的P-RACH资源也与SYNC_UL有对应关系，在系统消息中说明。在发送SYNC_UL时，UE已经知道为这次接入需要使用哪些F-PACH、P-RACH、CCPCH资源。

　　接下来的处理过程与GSM系统类似，UE与系统之间逐步建立完成RR连接建立、鉴权、加密、呼叫建立请求（Setup）等过程。

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