TD-SCDMA無線傳輸技術的突出特點

　　0  前言

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

    2006年，它必然成為我國部署3G網(wǎng)絡的主角。根據(jù)業(yè)界的預測：到2008年，我國將會在大城市建成上億用戶的3G網(wǎng)絡；到2010年，將有2億以上的3G用戶。那時，我國的3G時代才真正到來。

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

    本文介紹了TD-SCDMA移動通信技術的特點及其中無線傳輸技術的地位，然后分析其特點，并簡要介紹TD-SCDMA的未來發(fā)展。

    １ 第三代移動通信系統(tǒng)的共同點

    在1999年11月5日召開的ITUTG8/1第18次會議上通過了輸出文件IMT_RSPC[2]，標志著第三代移動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個國際標準化組織3GPP和3GPP2分別制定和完善此3個主流標準。近年來，經(jīng)過數(shù)千人數(shù)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，標志著它將在近年內(nèi)獲得廣泛應用。

    1．1第三代移動通信系統(tǒng)的主要目標

    a）具有高層次的業(yè)務質(zhì)量，其中包括：

    （a）提高話音和數(shù)據(jù)質(zhì)量，支持網(wǎng)絡的無縫連接；

    （b）較好地解決傳輸誤碼和系統(tǒng)時延問題，因為移動數(shù)據(jù)業(yè)務對誤碼率和傳輸時延提出了更高的要求；

    （c）提高頻譜利用率，從而增加系統(tǒng)容量，以滿足話音及多種數(shù)據(jù)業(yè)務的要求。

    b）提供多種新型業(yè)務，包括寬帶數(shù)據(jù)和視頻業(yè)務。

    c）具有高度的系統(tǒng)靈活性。其靈活性表現(xiàn)在實現(xiàn)統(tǒng)一接口，以規(guī)范無線尋呼、陸地蜂窩、無繩電話、衛(wèi)星移動通信等多種系統(tǒng)。該系統(tǒng)必須能與各種形式的廣域網(wǎng)進行相互操作及網(wǎng)絡集成。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，以實現(xiàn)全球無縫漫游。

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

    1.2第三代移動通信系統(tǒng)的主要要求[1]

    因為3G考慮的業(yè)務是移動多媒體，即可以同時傳輸話音和數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)傳輸，移動通信的主要問題是傳輸速率。為此，對3G及3G后的系統(tǒng)的主要要求就是如何利用無線手段來傳輸足夠高的數(shù)據(jù)速率。簡單地說，2005年前，在低速移動時，要求傳輸速率為384kbit/s；高速移動時為64或128kbit/s。2005年后，低速移動時應傳輸2~10Mbit/s的數(shù)

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

    1.3第三代移動通信網(wǎng)絡

    第三代移動通信由衛(wèi)星移動通信網(wǎng)和地面移動通信網(wǎng)所組成。它們將形成一個對全球無縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡，滿足城市和偏遠地區(qū)各種用戶密度及高速移動（對TDD方式為120km/h，F(xiàn)DD方式為500km/h）的需求，并支持話音、數(shù)據(jù)和多媒體等多種業(yè)務，最高速率可達2Mbit/s以上，基本滿足個人通信的要求。

 
 本文著重介紹3GPP對第三代移動通信網(wǎng)絡的概念，其定義的網(wǎng)絡拓撲如圖1所示，并對其簡單說明如下：

    a）核心網(wǎng)：它是移動網(wǎng)絡的核心，在3G初期，將從GSM網(wǎng)絡概念出發(fā)：在電路域（如電話等業(yè)務）仍然采用程控交換技術；對包交換數(shù)據(jù)，使用GPRS類似的方法，基于ATM的技術。2005年后，向全IP技術過渡。

    b）無線接入網(wǎng)：完成用戶終端向核心網(wǎng)絡進行無線接入的全部處理，是移動網(wǎng)絡的最主要部分。

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

    d）連接各設備之間的接口：無線接入網(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接口以及終端和無線接入網(wǎng)之間的Uu接口。

    對WCDMA和TD-SCDMA來說，此網(wǎng)絡結構是完全相同的，它們所提供的業(yè)務也將是完全相同的。

    2  3G無線傳輸技術（RTT）

    各種移動通信標準的區(qū)別在于所使用的無線傳輸技術，而傳輸技術是根據(jù)物理層技術而設計的，且物理層技術是進步最為顯著、涉及知識產(chǎn)權最多的部分，也是競爭的焦點。

    3  TD-SCDMA的主要優(yōu)勢

    作為一種ITM-2000的無線傳輸技術，TD-SCDMA的核心是使用智能天線等新技術，盡可能地提高CDMA系統(tǒng)的頻譜利用率，滿足IMT-2000的要求。簡單地說，TD-SCDMA就是一種基于智能天線的時分雙工、同步CDMA系統(tǒng)。

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

    3.1時分雙工方式及幀結構

    TD-SCDMA采用了TDD雙工方式，設計了1個多時隙的幀結構，它將3GPP標準中的1個10ms的無線幀分為2個子幀，每個子幀又設計了7個業(yè)務時隙，此外，還有上下行導引時隙（DwPTS和UpPTS）和作為收發(fā)間隔的保護時隙（G）。

    將時隙設計得比較小，并使用子幀的目的是為了支持智能天線的應用；設計導引時隙是為了實現(xiàn)同步CDMA。在每個基本業(yè)務單元中，將業(yè)務數(shù)據(jù)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。整個幀結構設計方法是我們所特有的，是為滿足系統(tǒng)技術而設計的[3]。

    使用此幀結構，可以靈活配置上下行時隙，提供滿足各種要求的不對稱業(yè)務（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：

    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、預Rake接收等技術以提高系統(tǒng)性能；

 c）便于支持上下行不對稱業(yè)務；

    d）產(chǎn)品簡單，成本低。

    但是，TDD采用不連續(xù)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，均認為TDD方式主要使用于微小區(qū)，難以支持較大的小區(qū)范圍和較高的移動速度。

    在TD-SCDMA系統(tǒng)中，采用智能天線技術加上聯(lián)合檢測技術克服了TDD方式的缺點，在小區(qū)覆蓋方面和WCDMA相當，支持的移動速度也達到250km/h，完全滿足單獨組網(wǎng)的要求。

 
    3.2智能天線和聯(lián)合檢測

    參見前一章中對CDMA系統(tǒng)問題的描述，要使CDMA系統(tǒng)自干擾問題獲得解決的一條途徑就是使用智能天線。如果天線能夠自適應地提供一個波束，只接收此波束方向內(nèi)的信號，則干擾將大幅度地降低。簡單計算，如果此天線波束寬度只有小區(qū)覆蓋的1/m，則干擾將降低到1/m，系統(tǒng)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題，采用智能天線也能得到解決。

    一個具有智能天線的TDD基站設備由多只天線單元組成的天線陣和與各個天線單元連接的，相干工作的射頻收發(fā)信機及基帶數(shù)字信號處理器等主要部分構成。簡單地說，此智能天線的工作原理為：來自各接收機的信號首先進行解擴，然后對各碼道的接收數(shù)據(jù)進行合并，得到來波方向（DOA）及接收波束賦形，然后，再進行后續(xù)信號處理。而對發(fā)射信號，首先根據(jù)DOA加上對每個天線的權重，實現(xiàn)發(fā)射波束賦形，再交各個發(fā)射機，通過天線發(fā)射出去。當天線陣的單元數(shù)足夠多，此接收和發(fā)射波束就可能足夠窄，CDMA系統(tǒng)的容量就可能達到所使用擴頻碼的數(shù)量，使CDMA系統(tǒng)的容量優(yōu)勢充分發(fā)揮出來。

    但是，智能天線并不能克服時延較長（如達到或者超過一個碼片寬度）的多徑。為此，在TD-SCDMA系統(tǒng)中，我們將智能天線和聯(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(jiān)測是一種多用戶檢測方法，比單用戶檢測（如Rack）性能要好，但算法復雜，其復雜度與CDMA的擴頻碼道數(shù)成2次方以上的速度增加。TD-SCDMA采用的最大擴頻系數(shù)只有16，故可以接受其復雜性而使用其高性能。

    3．3獨特的無線資源管理技術

    在CDMAFDD系統(tǒng)中，每個小區(qū)內(nèi)只有一種無線資源（即碼），不同業(yè)務分配不同擴頻碼。而這些碼又是相互干擾的，每一個新用戶的接入，特別是要求高數(shù)據(jù)速率用戶的接入將使整個系統(tǒng)的干擾情況全部變化，對其他正在通信的用戶通信質(zhì)量有明顯影響，無線資源管理必須采取行動來處理。故在用戶接入、碼的分配與管理等方面的技術受到廣泛關注，除復雜外，往往還受到很多限制。

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

    3.4易于進行網(wǎng)絡規(guī)劃

    眾所周知，CDMA系統(tǒng)有一個特點，即給定發(fā)射功率后，擴頻系數(shù)越大，小區(qū)的覆蓋越大。對一個移動通信系統(tǒng)，小區(qū)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(tǒng)在手持機最大發(fā)射功率為24dBm條件下的小區(qū)半徑和數(shù)據(jù)傳輸速率的關系（城市內(nèi)手持機環(huán)境）。顯然，由于WCDMA只有碼一種資源，其小區(qū)覆蓋隨數(shù)據(jù)傳輸速率變化非常明顯，遠遠超過TD-SCDMA，這樣就給網(wǎng)絡規(guī)劃帶來了困難。

    3．5其他特殊技術

    作為一個完整的系統(tǒng)，在TD-SCDMA無線接入技術中，還包括了下述一系列和別的3G標準不同的、更有效的技術：

    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，使系統(tǒng)具有更好的特性和更高的容量。問題在于用什么技術來實現(xiàn)同步CDMA？花多大的代價來實現(xiàn)同步CDMA？

    在TD-SCDMA系統(tǒng)中，同步是基于幀結構來實現(xiàn)的，并使用一套開環(huán)和閉環(huán)控制的技術來保持。這樣，TD-SCDMA系統(tǒng)幾乎沒有花代價，就實現(xiàn)了同步CDMA。

    當然，由于移動通信所處的、具有多徑的電波傳播環(huán)境，使真正的同步CDMA無法實現(xiàn)。故TD-SCDMA系統(tǒng)實現(xiàn)上行同步的主要作用在于簡化基站的信號處理過程，使智能天線更有效的工作。

    b）接力切換：傳統(tǒng)移動通信系統(tǒng)在用戶終

端切換中都采用硬切換，對數(shù)據(jù)傳輸是不利的。CDMA（IS-95）系統(tǒng)采用了軟切換，是一個大的進步。但采用軟切換要付出占用更多網(wǎng)絡及無線信道作為代價，特別當所有無線信道資源（碼）都可以作為業(yè)務使用時，使用軟切換的代價就太高了。

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

    c）動態(tài)信道分配：TDD系統(tǒng)中的動態(tài)信道分配（DCA）是一項重要技術。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，將DCA和智能天線波束賦形結合進行考慮，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(qū)使用不同上下行比例業(yè)務有非常明顯的效果。

    4  發(fā)展方向

    移動通信在市場和技術兩個驅(qū)動力的作用下，在過去20年間獲得了高速發(fā)展。在移動通信領域內(nèi)，發(fā)展最快的又是其物理層技術。TD-SCDMA作為一個國際標準，即將得到我國和全世界的應用，但也承受著巨大的發(fā)展壓力。在未來的5~10年內(nèi)，移動通信將支持更高的移動速度和更高的數(shù)據(jù)速率，TD-SCDMA技術也將繼續(xù)發(fā)展，其主要發(fā)展方向可能在下面幾個方面：

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

    b）使用更高的QAM、頻譜效率更高的調(diào)制方式；

    c）多天線收發(fā)技術，包括智能天線、空間分集、時空編碼等技術；

    d）結合其他多址技術，如OFDM；

    e）下一代網(wǎng)絡（NGN）。

    總的說來，目前移動通信技術發(fā)展中最受學術和工程界關注的兩個主要方向是TDD系統(tǒng)和天線技術。非常榮幸的是這兩個方向都是TD-SCDMA系統(tǒng)考慮的出發(fā)點。而目前TD-SCDMA系統(tǒng)所使用的技術還遠遠沒有達到此兩個方向所可能達到的水平，還有大量改進、完善、甚至完全重新設計的空間。目前，國際上正在制定長期演進（LTE）的有關標準，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第三代移動通信系統(tǒng)標準. 北京：人民郵電出版社，2003（尹阜琪編輯）