TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)對終端射頻架構(gòu)的影響

1、引言

TDD（時分雙工）無疑是TD-SCDMA系統(tǒng)較顯著的特性之一。它在三個方面具有優(yōu)勢：一是無需成對的頻譜資源；二是射頻收發(fā)信機同頻分時工作，使得收發(fā)信機公用一個本振源成為可能，從而降低成本；三是與FDD相比，通話的功耗較低。在某些應(yīng)用場景中，TD-SCDMA系統(tǒng)的一些特性如接力切換等，有可能出現(xiàn)終端收發(fā)頻率切換需要在保護(hù)間隔內(nèi)完成。

隨著TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)，在TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)中增加了N頻點特性，而N頻點特性則可能要求終端的接收頻率需要在保護(hù)間隔內(nèi)進(jìn)行切換，這對TD-SCDMA終端的射頻收發(fā)信機來說是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為了進(jìn)一步提高TD-SCDMA系統(tǒng)的下行業(yè)務(wù)速率，CCSA（中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會）又提出了TD-SCDMA多載波HSDPA方案，并且要求支持多載波HSDPA的終端能兼容單載波工作。此時終端射頻接收機應(yīng)如何考慮呢?這些是業(yè)界目前非常關(guān)心的問題，下面將從系統(tǒng)角度進(jìn)行分析。

2、對終端收發(fā)信機的要求

2.1　接力切換特性

接力切換的設(shè)計思想是利用上行預(yù)同步技術(shù)，即終端可提前獲取切換后的上行信道發(fā)送時間、功率等信息，在由原基站向目標(biāo)基站轉(zhuǎn)移通信鏈路時，上下行鏈路根據(jù)所設(shè)置的時間關(guān)系分別轉(zhuǎn)移到目標(biāo)基站。

接力切換的關(guān)鍵技術(shù)是上行預(yù)同步技術(shù)。其關(guān)鍵過程是：在由原小區(qū)向目標(biāo)小區(qū)轉(zhuǎn)移無線鏈路時，首先將上行鏈路轉(zhuǎn)移到目標(biāo)小區(qū)，在一段時間內(nèi)，終端繼續(xù)利用原基站和終端之間的下行鏈路進(jìn)行通信，在確保終端與目標(biāo)基站建立了有效和可靠的上行鏈路后，再將下行鏈路轉(zhuǎn)移到目標(biāo)小區(qū)，進(jìn)而完成接力切換過程。

當(dāng)接力切換為異頻接力切換時，目標(biāo)小區(qū)與原小區(qū)的工作頻率不同，如果原小區(qū)中分配的業(yè)務(wù)時隙下行為TSn，而目標(biāo)小區(qū)中分配的業(yè)務(wù)時隙上行為TS（n-1），此時將會形成TS（n-1）/TSn相鄰時隙異頻收發(fā)的情況，而收發(fā)的保護(hù)間隔為12.5 μs或16 chip。對于公用本振源的射頻收發(fā)信機來說，要求本振源的頻率切換在12.5 μs內(nèi)完成。

TD-SCDMA系統(tǒng)的切換類型包括硬切換和接力切換，在CELL-DCH狀態(tài)下，終端需要進(jìn)行SFN-CFN Observed Time Difference的測量，這要求終端解析鄰小區(qū)的BCH信息，從而得到鄰小區(qū)的SFN，而BCH承載在TSO上。如果終端的業(yè)務(wù)在本小區(qū)分配于TS6，而目標(biāo)鄰小區(qū)是異頻時，終端收信機的頻率需要在12.5 μs內(nèi)完成切換。

2.2　N頻點特性

N頻點特性是指針對每一扇區(qū)分配n個工作頻點，從分配到的n個頻點中確定一個頻點作為主載頻，在同一個扇區(qū)內(nèi)，公共控制信道DwPCH、P-CCPCH、S-CCPCH、PICH、PRACH、UpPCH、FPACH等配置在主載頻上。

根據(jù)3GPP的規(guī)定，TD-SCDMA系統(tǒng)在RRC Connected狀態(tài)（CELL_FACH、CELL_PCH、URA_PCH、CELL_DCH）時，均有系統(tǒng)消息的讀取需求。因此，如果業(yè)務(wù)被分配于輔載頻的TS6時，終端亦將面臨在12.5 μs內(nèi)完成頻率切換的挑戰(zhàn)。

2.3　多載波HSDPA

為了提高TD-SCDMA系統(tǒng)的下行業(yè)務(wù)速率，在3GPP R5中提出的HSDPA標(biāo)準(zhǔn)可使系統(tǒng)的理論下行峰值速率達(dá)到2.8 Mbit/s。為了進(jìn)一步提高下行業(yè)務(wù)速率，在3GPP基礎(chǔ)上，CCSA提出了TD-SCDMA多載波HSDPA方案，多載波HSDPA是N頻點特性和HSDPA的有機結(jié)合，可以更好地支持分組業(yè)務(wù)，3載波HSDPA方案的理論峰值速率可以達(dá)到8.4 Mbit/s，該方案中要求支持多載波HSDPA的終端能兼容單載波工作。

接力切換特性將要求收發(fā)信機的本振頻率在12.5 μs內(nèi)完成頻率切換，簡稱需求1。接力切換特性和N頻點特性將要求收信機頻率在12.5 μs內(nèi)完成頻率切換，簡稱需求2。多載波HSDPA要求兼容單載波工作，簡稱需求3。這三種需求對射頻收發(fā)信機的設(shè)計提出了不同挑戰(zhàn)，需要TD-SCDMA終端以及RFIC設(shè)計者仔細(xì)考慮。

3、分析與探討

目前，已應(yīng)用的TD-SCDMA終端射頻收發(fā)信機均由WCDMA（FDD）制式的射頻收發(fā)信機改進(jìn)而來，因此其架構(gòu)與FDD相同，即采用收信機和發(fā)信機各一片的兩片結(jié)構(gòu)。收信機采用零中頻架構(gòu)，發(fā)信機采用直接變頻或二次變頻架構(gòu)，收發(fā)信機采用各自獨立的本振源。對于采用這種架構(gòu)的終端來說，不存在需求1的問題。隨著RFIC工藝的發(fā)展，新一代3G RFIC的收發(fā)信機將采用零中頻架構(gòu)，如果是TDD制式，則收發(fā)信機的本振源頻率將相同，這使得收發(fā)信機公用本振源成為可能。

收發(fā)信機公用本振源將對終端成本、功耗及芯片大小等帶來極大的好處。另外，對于TDD的收發(fā)信機來說，由于分時工作，對兩者之間的隔離度要求也大大降低。收發(fā)信機可以公用本振源以及低隔離度要求的特性更有利于TD-SCDMA的射頻收發(fā)信機向單芯片方向發(fā)展。可見，收發(fā)信機公用本振源的射頻架構(gòu)無疑能充分發(fā)揮TD-SCDMA TDD的先天優(yōu)勢。

對于TD-SCDMA終端來說，本振源的頻率準(zhǔn)確度需要優(yōu)于0.1×10-6。按目前的技術(shù)和工藝水平，切換頻率需要的時間為200 μs左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于12.5 μs。換言之，如果采用收發(fā)信機公用本振源的架構(gòu)，將無法滿足需求1。同理，單本振源的收信機也無法滿足需求2。

如何解決以上矛盾呢?首先應(yīng)從整個TD-SCDMA的系統(tǒng)角度進(jìn)行考慮，本著全系統(tǒng)最優(yōu)而不是局部最優(yōu)的思想來處理這個問題，此時需要在代價和收益之間進(jìn)行平衡。下面進(jìn)行詳細(xì)討論。

對于兩芯片架構(gòu)的收發(fā)信機來說，收發(fā)信機采用各自獨立的本振源，故自然滿足需求1的要求，但是隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，終端收發(fā)信機單芯片化是必然趨勢。對于TDD系統(tǒng)來說，單芯片收發(fā)信機更是情理之中，因為這對終端的小型化和低成本具有決定性作用。在單芯片中設(shè)計兩個本振源的代價是昂貴的：一方面，芯片的面積將增加1/4～1/3；另一方面，由于兩個本振源的頻率間隔可能非常小（如1.6 MHz），從而使得本振源的牽引問題非常突出，從芯片設(shè)計來看，難度和風(fēng)險很大，當(dāng)然成本和功耗也會增加。

需求1要解決的問題只會在目標(biāo)小區(qū)和原小區(qū)的工作時隙為相鄰時隙且異頻收發(fā)時才會出現(xiàn)，從統(tǒng)計角度看，仍屬小概率事件。因此，如果在無線資源管理策略中進(jìn)行規(guī)避對系統(tǒng)容量的影響甚微，當(dāng)然在終端具體實現(xiàn)中亦可采用犧牲部分切換質(zhì)量的方法來解決。

需求2要求終端收信機必須采用雙本振源的架構(gòu)，無論是雙芯片還是單芯片收發(fā)信機都存在這個問題，其代價與需求1相類似。需求2可以歸結(jié)為兩個方面：一方面是本小區(qū)系統(tǒng)消息的讀取問題，另一方面是鄰小區(qū)SFN的解析問題。

按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，由于P-CCPCH和S-CCPCH分配在主載頻上，對CELL_FACH、CELL_PCH、URA_PCH狀態(tài)來說，由于不存在異頻頻率的切換，故不存在問題。在CELL-DCH狀態(tài)下，DCH業(yè)務(wù)將可能分配在輔載頻上，當(dāng)工作時隙分配在TS6時將不能讀取系統(tǒng)消息。根據(jù)3GPP的規(guī)定，此時終端需要讀取SIB 5、SIB6、SIB7、SIB10和SIB17的系統(tǒng)消息。通過仔細(xì)分析這些系統(tǒng)消息，主要涉及開環(huán)功率控制和物理共享信道。從TD-SCDMA系統(tǒng)實際實現(xiàn)來看，終端在CELL-DCH狀態(tài)下不讀取這些系統(tǒng)消息是完全可行的。值得提出的是，對于FDD，3GPP明確規(guī)定在CELL-DCH狀態(tài)下不讀系統(tǒng)消息。

在后續(xù)TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)過程中，為了提高系統(tǒng)容量，也有可能在輔載頻配置公共信道，如UpPCH、FPACH、SCCPCH、PRACH等，此時在CELL_FACH、CELL_PCH、URA_PCH狀態(tài)下，終端則必須讀系統(tǒng)信息，那時網(wǎng)絡(luò)側(cè)還可通過無線資源管理策略禁止將S-CCPCH分配在TS6的方法來應(yīng)對，對系統(tǒng)也不會產(chǎn)生較大的影響。

關(guān)于鄰小區(qū)SFN的解析問題，接力切換介于軟切換和硬切換之間，軟切換只能在同頻小區(qū)間完成，那么對于接力切換，如果定位在只適用于同頻，則無可厚非。由于TD-SCDMA的TDD特性，還可擴(kuò)展用于異頻小區(qū)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)將業(yè)務(wù)配置為異頻TS6時隙且網(wǎng)絡(luò)不下發(fā)CFN-target SFN Frame Offset時，終端側(cè)可以采用丟幀方式進(jìn)行鄰小區(qū)SFN測量。

需求3的實質(zhì)問題是射頻收發(fā)信機如何支持多載波接收的問題。從理論上講，多載波接收機可以有寬帶接收機和多路接收機兩種實現(xiàn)形式。多路接收機的方案需要多套器件，對終端來說，在成本、尺寸、功耗方面的代價非常大，與基帶硬件接口的復(fù)雜度也大大增加。寬帶接收機無疑是一種較好的解決方案，按3載波進(jìn)行考慮，接收機通道應(yīng)至少能支持雙邊帶4.8 MHz帶寬，考慮到還需兼容單載波方式，因此接收機通道帶寬的實現(xiàn)方式應(yīng)可靈活配置。

4、結(jié)束語

對于TD-SCDMA終端來說，采用單本振源射頻收發(fā)信機架構(gòu)是合理的選擇，單本振射頻收發(fā)信機所引入的問題是微小的，而且這些問題還可以通過合理的無線資源管理策略和終端實現(xiàn)方式進(jìn)行規(guī)避和降低。