TD与WCDMA混合组网下的一体化基站构想

摘要　未来的3G网络可能是WCDMA、TD-SCDMA混合组成的网络，如何降低建设成本是开发商和运营商不得不思考的问题。文章首先阐述了WCDMA和TD-SCDMA混和组网的必要性和可行性，然后提出了在同一个平台内实现两种体制的基带处理一体化终端，最后论述了一体化实现的有关问题。

    WCDMA和TD-SCDMA是3G标准的两种主要制式，未来，中国的3G网很有可能出现WCDMA和TD-SCDMA两种制式共存的局面。同时，由于WCDMA与TD-SCDMA技术拥有相同的核心网络，这使它们合并组网也成为可能。所以我们可以大胆推测，WCDMA和TD-SCDMA混合组网是我国3G移动通信网络的发展趋势，如果能在基站内以硬件共用的方式实现这两种移动通信体制，将极大地降低建网成本，并有利于日常维护、更新升级。

    1、WCDMA与TD-SCDMA混合组网

    1.1　混合组网的必要性

    WCDMA采用DS-CDMA多址方式，并通过自适应天线、多用户检测、分集接收、分层式小区结构等先进技术来提高系统性能；采用导频符号相干RAKE接收方式，解决了上行信道容量受限的问题；采用精确的功率控制，抗衰落性能较好；使用码片速率为3.84Mchips/s的5MHz信道带宽，支持高速数据速率，并且增加了多径分集的优势；同时支持各种可变的用户数据速率，可以实现快速的无线容量分配，可达到分组数据业务的最佳吞吐量[1,2]。

    TD-SCDMA系统采用了智能天线技术，可以极大地降低多址干扰，提高系统容量；而采用上行同步技术和软件无线电技术，可以简化硬件成本，降低开发周期；具有较高的频谱灵活性和频谱利用率，支持非对称数据业务。按UMTS的分析，到2010年，上、下行的业务比将达到1:10，而工作在TDD模式的TD-SCDMA系统在处理这种不对称业务方面有着天然的优势。因为TD-SCDMA系统可以通过调整上、下行时隙的转换点来灵活地适应无线移动用户在上、下链路上业务量大小不对称的要求，从而可以很方便地均衡上、下行业务。WCDMA系统需要对称频带，在目前频率资源十分紧张的情况下，要找到符合要求的对称频段非常困难，而TD-SCDMA系统可以“见缝插针”，只要有满足一个载波的频段（1.6M）就可使用，因而可以灵活有效地利用现有的频率资源，不足之处在于覆盖距离较FDD方式小，抗衰落和抗多普勒效应能力比连续传输的FDD方式差[1，3]。

    国家大力扶持民族产业，因此TD-SCDMA的前景是乐观的，必有运营商得到TD-SCDMA牌照。而WCDMA技术在拥有全球最大GSM移动通信网络的中国移动通信市场也将占有重要的位置，因此，为了适应3G系统的业务需求，估计运营商在规划和建设3G移动通信网络时，会将WCDMA和TD-SCDMA两种制式结合起来混合组网。

    1.2　混合组网的可行性

    首先，WCDMA和TD-SCDMA两种体制的核心网络主要基于GSM MAP，两者的主要区别在于对无线接口的定义不同，这为两者混合组网提供了必要的技术基础；其次，当两者进行混合组网时，无需重复建设核心网络，可以在满足多用户需求时提供高质量的通信服务，从而降低建网成本。WCDMA技术更适合广泛领域的覆盖，比如农村地区；而TD-SCDMA更适合热点地区的覆盖，比如人口密集的城市。因此，两者的有效结合可以达到进一步降低建网成本的目的。

    1.3　混合组网对一体化基站的需求

    随着移动通信技术的迅猛发展，新的通信体制和通信产品不断推出，通信产品的生存周期短，开发费用上升，传统的开发设计思路已很难适应。如果能在基站的一个硬件系统内实现WCDMA和TD-SCDMA两种体制兼容，并具有较强的扩展能力，不仅可以降低建网成本，简化电路设计，还具备抗干扰能力强、设备体积小、操作维护灵活、更新换代便捷等优点。

    2、一体化基站研究

    2.1　一体化结构

    本文所指的“一体化”是指在同一个硬件平台上实现WCDMA、TD-SCDMA移动通信信号的基带处理。基带处理涵盖调制/解调、扩频/解扩、信道编译码、交织/去交织等内容。一种简单易行的一体化实现途径是：预先将各种体制的基带处理软件保存到存储单元，使用时从存储单元选择其中的一种加载到一体化单元，然后再与其它单元协调运行完成所需功能。图1是一体化单元的结构框图。

图1　一体化单元框图

    2.2　一体化基站的可行性

    一体化基站的实现主要要满足[4]：

    ◆器件具有可编程性。

    ◆通信功能软件化。

    ◆可编程器件能满足通信软件运行对硬件资源的需求。

    目前，以DSP、FPGA为代表的可编程器件已在通信领域广泛使用，这些器件正向着更快的运行速度、更强的运算能力和更加快捷的应用开发等方向发展。数字信号处理技术在通信领域的应用，也使得通信功能以软件的形式实现成为现实。因此，对我们而言，一体化的关键在于，构造的硬件平台能否达到两种3G通信体制的运行要求。

    CDMA系统的一个关键问题是PN码的同步问题，尤其是对同步建立时间有严格限制，如何进行PN码的快速同步，这不仅需要合适的算法，还需要有与算法相适应的硬件。这种算法对实时性要求相当高，选用FPGA是一种不错的选择。目前，FPGA的运算能力几乎是不受限制的，完全可以并行处理，而目前推出的片上逻辑资源可达数百万门级的FPGA，能够满足我们的实时运算要求。3G系统的另一个特点是在扩频调制前和解扩后，信息符号的速率比较低，对这种信号的基带处理可以使用常规DSP器件完成。例如TI公司的TMS320C6416，其时钟速率可达到600MHz，指令周期低至ns，接口资源丰富，本身含有Viterbi译码、Turbo译码的协处理器，功能强大，降低了原本很耗资源的Viterbi泽码和Turbo译码算法。我们在工程样机上运行时做测试，192比特的（4，1，9）Viterbi译码的译码时间＜0.1ms。

    基于以上考虑，我们考虑一种名为DSP+FPGA的一体化结构，这种结构可以满足对控制能力和实时信号处理都有一定要求的系统。它最大的特点是结构灵活，有较强的通用性，适于模块化设计，能够提高算法效率，同时，它开发周期较短，系统易于维护和扩展，适合于实时信号处理。这种结构以DSP为主处理器，FPGA为从处理器，在功能分配上，DSP完成控制和低速通信信号处理，FPGA则主要完成实时性要求较高的算法运算，一些用于通道连接的接口也在FPGA中实现。图2给出了一体化单元中DSP和FPGA在功能上的具体分配。

图2　一体化单元中DSP和FPGA功能具体分配

    3、一体化实现的有关问题

    3.1　软件配置

    软件配置是指软件的配置和加载。软件包括每种3G移动通信信号基带处理的DSP程序和FPGA程序，这些程序统一存储在存储单元中，存储介质选用通用的flash存储器，当使用某种体制时，就把其对应的程序加载到DSP和FPGA中。

    在实现配置时，目前，比较通用的做法是将存储单元与DSP以总线方式相连，作为DSP的外部数据空间。这样，DSP程序的存储可以借助于DSP本身的开发环境烧录到flash中，加载时，把DSP程序直接从flash中引导到DSP内部程序空间执行即可。对于FPGA，其软件配置则要在DSP的配合下完成。存储时，首先将FPGA程序在其开发环境中转化为通用的格式，然后借助于DSP烧录到flash中，加载时，也是先把FPGA程序逐字节或逐字读入DSP中，然后按照FPGA程序的加载时序写入FPGA。

    另外一种可行方法是将flash通过总线（如PCI总线）与PC相连，通过总线对FPGA进行动态配置，这是最灵活、最方便的方法。配置文件可放在系统中的任何地方，需要配置时，在CPU或嵌入式系统的控制下，把配置文件读出后透过PCI总线对指定的FPGA和DSP芯片实施配置。

    3.2　变频/射频单元

    软件无线电要求减少功能单一、灵活性差的硬件电路，尤其是减少模拟环节，使数字化（A/D、D/A变换）尽量靠近天线。对一体化单元来说，最理想的情况是射频低通采样数字化，将模拟电路的数量降到最低。但是，对工作在2GHz左右的3G移动终端来说，其采样速率至少要在4GHz，这样高的采样速率，A/D/A很难达到，后续的数字信号处理器也很难满足要求，因此，我们可考虑采用中频带通采样软件无线电结构[5]。

    对这两种体制来说，如果射频单元都设置在一个模块内，很难实现。因为频段太宽，滤波器很难实现。我们可以采用不同的模块，对于不同的信号，直接更换射频模块就可以了。数字下变频器可采用AD公司的AD6652，实现中频（IF）数据下变频和多载波收发器内的数字信号处理。它通过将12位双ADC的输出直接耦合到一个片内四通道多模式数字RSP，从而减少PCB面积，并且能提高信号完整性。该器件适用于单载波和多种无线电结构，可以定制，以适合指定的无线电标准。对于数字上变频器，可以采用AD公司的AD6633，它是ADI公司首款采用波峰因数降低技术的数字上变频器，它适用于CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA等3G无线发送器。AD6633以125MSPS速度工作，并且可处理4或6个通道，它能通过降低波峰因数来防止信号失真。AD6633还具有可编程宽带通道滤波器，以适应CDMA2000、WCDMA或TD-SCDMA标准，使制造商能够使用一个器件跨越多种平台。

    4、结束语

    3G技术的蓬勃发展给我们带来了机会，也带来了挑战，因此，我们应该加快3G相关技术尤其是多种体制一体化终端关键技术的研究。实现多种移动通信体制的一体化，要根据各种3G体制的特点和可编程器件的功能合理选择方案，才能做到既能实现功能，又能兼顾成本。本文提出的设想对3G移动通信终端来说仅仅是一个构想，许多问题还需在实践中验证。

参考文献

【l】　施志勇，朱桑权.关于WCDMA和TD-SCDMA混合组网的探讨[J].移动通信，2005(4).

【2】　Harri Holma，Antti Toskala著，陈泽强，周华，付景兴等译.WCDMA技术与系统设计[M].北京：机械工业出版社，2005.

【3】　彭文根，王文博.TD-SCDMA移动通信系统[M].北京：机械工业出版社，2006.

【4】　金永刚，李志强，李广侠.基于DSP+FPGA结构的多种扩频体制一体化设计构想[R].解放军理工大学通信工程学院第二届科学报告会.2003年10月.

【5】　杨小牛，楼才义，徐建良.软件无线电原理与应用[M].北京：电子工业出版社，2001