TD-SCDMA無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的突出特點(diǎn)

　　0  前言

    通過(guò)近10年的努力，TD-SCDMA已從一項技術(shù)上升為一項國際標準，然后再形成一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。

    2006年，它必然成為我國部署3G網(wǎng)絡(luò )的主角。根據業(yè)界的預測：到2008年，我國將會(huì )在大城市建成上億用戶(hù)的3G網(wǎng)絡(luò )；到2010年，將有2億以上的3G用戶(hù)。那時(shí)，我國的3G時(shí)代才真正到來(lái)。

    在認識3G的3項主流國際標準，即cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA時(shí)，一定要仔細研究其技術(shù)特點(diǎn)，認真理解各項技術(shù)，要相信近8年來(lái)國際電聯(lián)和3GPP，以及各國專(zhuān)家所認可的技術(shù)，相信3G是現階段無(wú)線(xiàn)通信發(fā)展的必然階段。

    本文介紹了TD-SCDMA移動(dòng)通信技術(shù)的特點(diǎn)及其中無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的地位，然后分析其特點(diǎn)，并簡(jiǎn)要介紹TD-SCDMA的未來(lái)發(fā)展。

    １ 第三代移動(dòng)通信系統的共同點(diǎn)

    在1999年11月5日召開(kāi)的ITUTG8/1第18次會(huì )議上通過(guò)了輸出文件IMT_RSPC[2]，標志著(zhù)第三代移動(dòng)通信標準的基本定型，TD-SCDMA、W-CDMA和cdma2000一起列入ITUIMT-RSPC，成為世界3大主流標準，然后由2個(gè)國際標準化組織3GPP和3GPP2分別制定和完善此3個(gè)主流標準。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)數千人數年的國際合作，標準均已基本定型。2006年1月，信息產(chǎn)業(yè)部也正式公布了我國的行業(yè)標準TD-SCDMA，標志著(zhù)它將在近年內獲得廣泛應用。

    1．1第三代移動(dòng)通信系統的主要目標

    a）具有高層次的業(yè)務(wù)質(zhì)量，其中包括：

    （a）提高話(huà)音和數據質(zhì)量，支持網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接；

    （b）較好地解決傳輸誤碼和系統時(shí)延問(wèn)題，因為移動(dòng)數據業(yè)務(wù)對誤碼率和傳輸時(shí)延提出了更高的要求；

    （c）提高頻譜利用率，從而增加系統容量，以滿(mǎn)足話(huà)音及多種數據業(yè)務(wù)的要求。

    b）提供多種新型業(yè)務(wù)，包括寬帶數據和視頻業(yè)務(wù)。

    c）具有高度的系統靈活性。其靈活性表現在實(shí)現統一接口，以規范無(wú)線(xiàn)尋呼、陸地蜂窩、無(wú)繩電話(huà)、衛星移動(dòng)通信等多種系統。該系統必須能與各種形式的廣域網(wǎng)進(jìn)行相互操作及網(wǎng)絡(luò )集成。靈活性還包括多功能、多環(huán)境能力、多操作模式、多頻段運行等，以實(shí)現全球無(wú)縫漫游。

    d）具有良好的系統兼容性能，首先必須能夠與GSM等第二代移動(dòng)通信系統兼容。

    1.2第三代移動(dòng)通信系統的主要要求[1]

    因為3G考慮的業(yè)務(wù)是移動(dòng)多媒體，即可以同時(shí)傳輸話(huà)音和數據，對數據傳輸，移動(dòng)通信的主要問(wèn)題是傳輸速率。為此，對3G及3G后的系統的主要要求就是如何利用無(wú)線(xiàn)手段來(lái)傳輸足夠高的數據速率。簡(jiǎn)單地說(shuō)，2005年前，在低速移動(dòng)時(shí)，要求傳輸速率為384kbit/s；高速移動(dòng)時(shí)為64或128kbit/s。2005年后，低速移動(dòng)時(shí)應傳輸2~10Mbit/s的數

    據；而2008年以后，則應當對每個(gè)用戶(hù)提供傳輸至100Mbit/s的能力。對移動(dòng)速度，則最高應能達到500km/h。

    1.3第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )

    第三代移動(dòng)通信由衛星移動(dòng)通信網(wǎng)和地面移動(dòng)通信網(wǎng)所組成。它們將形成一個(gè)對全球無(wú)縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡(luò )，滿(mǎn)足城市和偏遠地區各種用戶(hù)密度及高速移動(dòng)（對TDD方式為120km/h，FDD方式為500km/h）的需求，并支持話(huà)音、數據和多媒體等多種業(yè)務(wù)，最高速率可達2Mbit/s以上，基本滿(mǎn)足個(gè)人通信的要求。

 
 本文著(zhù)重介紹3GPP對第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的概念，其定義的網(wǎng)絡(luò )拓撲如圖1所示，并對其簡(jiǎn)單說(shuō)明如下：

    a）核心網(wǎng)：它是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的核心，在3G初期，將從GSM網(wǎng)絡(luò )概念出發(fā)：在電路域（如電話(huà)等業(yè)務(wù)）仍然采用程控交換技術(shù)；對包交換數據，使用GPRS類(lèi)似的方法，基于A(yíng)TM的技術(shù)。2005年后，向全IP技術(shù)過(guò)渡。

    b）無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)：完成用戶(hù)終端向核心網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行無(wú)線(xiàn)接入的全部處理，是移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的最主要部分。

    c）用戶(hù)終端：它不僅是2G的手持機，而更可能是功能完善的智能個(gè)人終端。

    d）連接各設備之間的接口：無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)到核心網(wǎng)之間的Iu接口、RNC之間的Iur接口、RNC與Node_B之間的Iub接口以及終端和無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)之間的Uu接口。

    對WCDMA和TD-SCDMA來(lái)說(shuō)，此網(wǎng)絡(luò )結構是完全相同的，它們所提供的業(yè)務(wù)也將是完全相同的。

    2  3G無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)（RTT）

    各種移動(dòng)通信標準的區別在于所使用的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，而傳輸技術(shù)是根據物理層技術(shù)而設計的，且物理層技術(shù)是進(jìn)步最為顯著(zhù)、涉及知識產(chǎn)權最多的部分，也是競爭的焦點(diǎn)。

    3  TD-SCDMA的主要優(yōu)勢

    作為一種ITM-2000的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，TD-SCDMA的核心是使用智能天線(xiàn)等新技術(shù)，盡可能地提高CDMA系統的頻譜利用率，滿(mǎn)足IMT-2000的要求。簡(jiǎn)單地說(shuō)，TD-SCDMA就是一種基于智能天線(xiàn)的時(shí)分雙工、同步CDMA系統。

    本文不可能全面介紹TD-SCDMA系統和標準（有興趣的讀者可參閱參考文獻3），而只著(zhù)重介紹其與其他RTT不同的，具有優(yōu)勢的核心技術(shù)。

    3.1時(shí)分雙工方式及幀結構

    TD-SCDMA采用了TDD雙工方式，設計了1個(gè)多時(shí)隙的幀結構，它將3GPP標準中的1個(gè)10ms的無(wú)線(xiàn)幀分為2個(gè)子幀，每個(gè)子幀又設計了7個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙，此外，還有上下行導引時(shí)隙（DwPTS和UpPTS）和作為收發(fā)間隔的保護時(shí)隙（G）。

    將時(shí)隙設計得比較小，并使用子幀的目的是為了支持智能天線(xiàn)的應用；設計導引時(shí)隙是為了實(shí)現同步CDMA。在每個(gè)基本業(yè)務(wù)單元中，將業(yè)務(wù)數據安放在單元的兩邊；中間設計了中間碼（Midamble），應用于同步及信道估計，為使用聯(lián)合檢測而準備的，并將缺少保護和糾錯的物理層信令安放在中間碼兩旁。整個(gè)幀結構設計方法是我們所特有的，是為滿(mǎn)足系統技術(shù)而設計的[3]。

    使用此幀結構，可以靈活配置上下行時(shí)隙，提供滿(mǎn)足各種要求的不對稱(chēng)業(yè)務(wù)（從上下行1∶6到6∶1）的TDD雙工工作方式。眾所周知，TDD與FDD雙工方式相比有如下優(yōu)點(diǎn)：

    a）只需要單一載波頻率，頻譜使用有較高的靈活性；

    b）上下行使用相同載波頻率，可以通過(guò)對上行鏈路的估值獲得上下行電波傳播特性，便于使用諸如智能天線(xiàn)、預Rake接收等技術(shù)以提高系統性能；

 c）便于支持上下行不對稱(chēng)業(yè)務(wù)；

    d）產(chǎn)品簡(jiǎn)單，成本低。

    但是，TDD采用不連續接收和發(fā)射，在對抗多徑衰落及多普勒頻移等方面不如FDD。20世紀80年代以來(lái)，均認為T(mén)DD方式主要使用于微小區，難以支持較大的小區范圍和較高的移動(dòng)速度。

    在TD-SCDMA系統中，采用智能天線(xiàn)技術(shù)加上聯(lián)合檢測技術(shù)克服了TDD方式的缺點(diǎn)，在小區覆蓋方面和WCDMA相當，支持的移動(dòng)速度也達到250km/h，完全滿(mǎn)足單獨組網(wǎng)的要求。

 
    3.2智能天線(xiàn)和聯(lián)合檢測

    參見(jiàn)前一章中對CDMA系統問(wèn)題的描述，要使CDMA系統自干擾問(wèn)題獲得解決的一條途徑就是使用智能天線(xiàn)。如果天線(xiàn)能夠自適應地提供一個(gè)波束，只接收此波束方向內的信號，則干擾將大幅度地降低。簡(jiǎn)單計算，如果此天線(xiàn)波束寬度只有小區覆蓋的1/m，則干擾將降低到1/m，系統容量可能增加m倍。此外，前面討論的TDD雙工方式所存在的問(wèn)題，采用智能天線(xiàn)也能得到解決。

    一個(gè)具有智能天線(xiàn)的TDD基站設備由多只天線(xiàn)單元組成的天線(xiàn)陣和與各個(gè)天線(xiàn)單元連接的，相干工作的射頻收發(fā)信機及基帶數字信號處理器等主要部分構成。簡(jiǎn)單地說(shuō)，此智能天線(xiàn)的工作原理為：來(lái)自各接收機的信號首先進(jìn)行解擴，然后對各碼道的接收數據進(jìn)行合并，得到來(lái)波方向（DOA）及接收波束賦形，然后，再進(jìn)行后續信號處理。而對發(fā)射信號，首先根據DOA加上對每個(gè)天線(xiàn)的權重，實(shí)現發(fā)射波束賦形，再交各個(gè)發(fā)射機，通過(guò)天線(xiàn)發(fā)射出去。當天線(xiàn)陣的單元數足夠多，此接收和發(fā)射波束就可能足夠窄，CDMA系統的容量就可能達到所使用擴頻碼的數量，使CDMA系統的容量?jì)?yōu)勢充分發(fā)揮出來(lái)。

    但是，智能天線(xiàn)并不能克服時(shí)延較長(cháng)（如達到或者超過(guò)一個(gè)碼片寬度）的多徑。為此，在TD-SCDMA系統中，我們將智能天線(xiàn)和聯(lián)合檢測算法聯(lián)合使用，以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢。眾所周知，聯(lián)合監測是一種多用戶(hù)檢測方法，比單用戶(hù)檢測（如Rack）性能要好，但算法復雜，其復雜度與CDMA的擴頻碼道數成2次方以上的速度增加。TD-SCDMA采用的最大擴頻系數只有16，故可以接受其復雜性而使用其高性能。

    3．3獨特的無(wú)線(xiàn)資源管理技術(shù)

    在CDMAFDD系統中，每個(gè)小區內只有一種無(wú)線(xiàn)資源（即碼），不同業(yè)務(wù)分配不同擴頻碼。而這些碼又是相互干擾的，每一個(gè)新用戶(hù)的接入，特別是要求高數據速率用戶(hù)的接入將使整個(gè)系統的干擾情況全部變化，對其他正在通信的用戶(hù)通信質(zhì)量有明顯影響，無(wú)線(xiàn)資源管理必須采取行動(dòng)來(lái)處理。故在用戶(hù)接入、碼的分配與管理等方面的技術(shù)受到廣泛關(guān)注，除復雜外，往往還受到很多限制。

    在TD-SCDMA系統中，每個(gè)小區內將有3種無(wú)線(xiàn)資源（即載波頻率、時(shí)隙及碼）。其中，載波頻率和時(shí)隙都是相互正交的，只有碼之間存在干擾。這樣，無(wú)線(xiàn)資源管理的難度就大大降低，并非常有效。特別對快速信道動(dòng)態(tài)分配和下行功率控制兩個(gè)無(wú)線(xiàn)資源管理的主要功能，可以大大提高系統容量和通信質(zhì)量，由于TD-SCDMA系統無(wú)線(xiàn)資源的正交特性而可以充分發(fā)揮作用。

    3.4易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )規劃

    眾所周知，CDMA系統有一個(gè)特點(diǎn)，即給定發(fā)射功率后，擴頻系數越大，小區的覆蓋越大。對一個(gè)移動(dòng)通信系統，小區的覆蓋基本上由手持機的發(fā)射功率所限制。

    圖3示出了TD-SCDMA和WCDMA系統在手持機最大發(fā)射功率為24dBm條件下的小區半徑和數據傳輸速率的關(guān)系（城市內手持機環(huán)境）。顯然，由于WCDMA只有碼一種資源，其小區覆蓋隨數據傳輸速率變化非常明顯，遠遠超過(guò)TD-SCDMA，這樣就給網(wǎng)絡(luò )規劃帶來(lái)了困難。

    3．5其他特殊技術(shù)

    作為一個(gè)完整的系統，在TD-SCDMA無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)中，還包括了下述一系列和別的3G標準不同的、更有效的技術(shù)：

    a）上行同步：眾所周知，同步CDMA可以充分發(fā)揮擴頻碼正交的特點(diǎn)，使系統具有更好的特性和更高的容量。問(wèn)題在于用什么技術(shù)來(lái)實(shí)現同步CDMA？花多大的代價(jià)來(lái)實(shí)現同步CDMA？

    在TD-SCDMA系統中，同步是基于幀結構來(lái)實(shí)現的，并使用一套開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制的技術(shù)來(lái)保持。這樣，TD-SCDMA系統幾乎沒(méi)有花代價(jià)，就實(shí)現了同步CDMA。

    當然，由于移動(dòng)通信所處的、具有多徑的電波傳播環(huán)境，使真正的同步CDMA無(wú)法實(shí)現。故TD-SCDMA系統實(shí)現上行同步的主要作用在于簡(jiǎn)化基站的信號處理過(guò)程，使智能天線(xiàn)更有效的工作。

    b）接力切換：傳統移動(dòng)通信系統在用戶(hù)終

端切換中都采用硬切換，對數據傳輸是不利的。CDMA（IS-95）系統采用了軟切換，是一個(gè)大的進(jìn)步。但采用軟切換要付出占用更多網(wǎng)絡(luò )及無(wú)線(xiàn)信道作為代價(jià)，特別當所有無(wú)線(xiàn)信道資源（碼）都可以作為業(yè)務(wù)使用時(shí)，使用軟切換的代價(jià)就太高了。

    接力切換的概念是充分利用TDD雙工方式的特點(diǎn)，即不連續接收和發(fā)射。另外，由于在TDD系統中，上下行鏈路的電波傳播特性相同，可以通過(guò)開(kāi)環(huán)控制實(shí)現同步。這樣，當終端在切換前，首先和目標基站實(shí)現同步，并獲得開(kāi)環(huán)測量的功率和同步所需要的參數。切換時(shí)，原基站和目標基站同時(shí)和此終端通信，在不產(chǎn)生任何中斷情況下就實(shí)現了切換。這樣，接力切換具有軟切換的主要優(yōu)點(diǎn)，但又克服了軟切換的缺點(diǎn)。而且，接力切換可以在工作載波頻率不同的基站間進(jìn)行，比軟切換的適用范圍大大推廣了。

    c）動(dòng)態(tài)信道分配：TDD系統中的動(dòng)態(tài)信道分配（DCA）是一項重要技術(shù)。在TD-SCDMA系統中，將DCA和智能天線(xiàn)波束賦形結合進(jìn)行考慮，部分引入空分多址（SDMA）概念，將使DCA的手段大大增強。這對相鄰小區使用不同上下行比例業(yè)務(wù)有非常明顯的效果。

    4  發(fā)展方向

    移動(dòng)通信在市場(chǎng)和技術(shù)兩個(gè)驅動(dòng)力的作用下，在過(guò)去20年間獲得了高速發(fā)展。在移動(dòng)通信領(lǐng)域內，發(fā)展最快的又是其物理層技術(shù)。TD-SCDMA作為一個(gè)國際標準，即將得到我國和全世界的應用，但也承受著(zhù)巨大的發(fā)展壓力。在未來(lái)的5~10年內，移動(dòng)通信將支持更高的移動(dòng)速度和更高的數據速率，TD-SCDMA技術(shù)也將繼續發(fā)展，其主要發(fā)展方向可能在下面幾個(gè)方面：

    a）多載波TD-SCDMA，最大使用12個(gè)載波，占用20MHz的帶寬；

    b）使用更高的QAM、頻譜效率更高的調制方式；

    c）多天線(xiàn)收發(fā)技術(shù)，包括智能天線(xiàn)、空間分集、時(shí)空編碼等技術(shù)；

    d）結合其他多址技術(shù)，如OFDM；

    e）下一代網(wǎng)絡(luò )（NGN）。

    總的說(shuō)來(lái)，目前移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展中最受學(xué)術(shù)和工程界關(guān)注的兩個(gè)主要方向是TDD系統和天線(xiàn)技術(shù)。非常榮幸的是這兩個(gè)方向都是TD-SCDMA系統考慮的出發(fā)點(diǎn)。而目前TD-SCDMA系統所使用的技術(shù)還遠遠沒(méi)有達到此兩個(gè)方向所可能達到的水平，還有大量改進(jìn)、完善、甚至完全重新設計的空間。目前，國際上正在制定長(cháng)期演進(jìn)（LTE）的有關(guān)標準，預計在2010年以后投入商用。

    參考文獻

    1ITU-R建議M.1225.Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000，1997

    2ITU-R建議M.1457.Detailed specifications of the radio interfaces of International Mobile Telecommunications-2000 （IMT-2000），2000

    3李世鶴.TD-SCDMA第三代移動(dòng)通信系統標準. 北京：人民郵電出版社，2003（尹阜琪編輯）