TD-SCDMA移動(dòng)通信技術(shù)原理

    TD-SCDMA移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)是信息產(chǎn)業(yè)部電信科學(xué)技術(shù)研究院（現(xiàn)大唐電信集團(tuán)）在

國(guó)家主管部門的支持下，根據(jù)多年的研究而提出的具有一定特色的第三代移動(dòng)通

信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。這是近百年來(lái)我國(guó)通信史上第一個(gè)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的國(guó)際通

信標(biāo)準(zhǔn)，它的出現(xiàn)在我國(guó)通信發(fā)展史上具有里程碑的意義，并將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響

，是整個(gè)中國(guó)通信業(yè)的重大突破。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)公開(kāi)之后，在國(guó)際上引起了強(qiáng)烈

的反響，得到西門子等許多著名公司的重視和支持。1999年月11月在芬蘭赫爾辛

基召開(kāi)的ITU會(huì)議上，TD-SCDMA被列入ITU建議ITU-RM.1457，成為ITU認(rèn)可的第三

代移動(dòng)通信無(wú)線傳輸主流技術(shù)之一。

一、TD-SCDMA技術(shù)概述

　　TD-SCDMA系統(tǒng)全面滿足IMT-2000的基本要求。它采用不需配對(duì)頻率的TDD雙

工模式，以及FDMA/TDMA/CDMA相結(jié)合的多址接入方式，同時(shí)使用1.28Mc/s的低碼

片率，擴(kuò)頻帶寬為1.6MHz（表1）。

表1　TD-SCDMA主要參數(shù)

載波帶寬 　最小頻譜 　雙工型式　多址方式 　　　　　碼塊速率 　調(diào)制 　最大蜂窩范圍 　最大音頻容量(Erl.) 　數(shù)據(jù)流量
 1.6MHz 　　1.6MHz　　　TDD 　　TDMA，CDMA，F(xiàn)DMA 　1.28Mc/s 　QPSK　　40km　　　　　　EFR：55　　　　　　6Mb/s
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　8-PSK
理論最大數(shù)據(jù)率／用戶 　系統(tǒng)對(duì)稱性(DL:UP)
 325kb/s/MHz/cell   　　 1:6-6:1
 

　　3G移動(dòng)系統(tǒng)的主要挑戰(zhàn)之一是既要控制諸如談話和視頻等對(duì)稱線路交換業(yè)務(wù)

，又要控制移動(dòng)因特網(wǎng)接入的非對(duì)稱分組交換業(yè)務(wù)。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，TD-SCDMA集

成了兩項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)：一種是先進(jìn)的TDMA/TDD系統(tǒng)，另一種是自適應(yīng)CDMA組成的對(duì)

稱模式的運(yùn)作。

　　TD-SCDMA技術(shù)所基于的基本技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)如下：

　?。?）TDD（時(shí)分雙工），允許上行和下行在同一頻段上，而不需要成對(duì)的頻

段。在TDD中，上行和下行在同一頻率信道中的不同時(shí)間里傳輸。這可能改變雙

工交換點(diǎn)和從上行移動(dòng)容量至下行，反之亦然，這樣就優(yōu)化了頻譜的使用。它允

許對(duì)稱和非對(duì)稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

　?。?）TDMA（時(shí)分多址），是一種數(shù)字技術(shù)，它將每個(gè)頻率信道分割為許多

時(shí)隙，從而允許傳輸信道在同一時(shí)間由數(shù)個(gè)用戶使用。

　?。?）CDMA（碼分多址），在每個(gè)蜂窩區(qū)使多個(gè)用戶同時(shí)接入同一無(wú)線信道

成為可能，提高了通信息的密度。但每個(gè)用戶會(huì)干擾其他人，從而導(dǎo)致多接入干

擾（MAI）。

　?。?）聯(lián)合檢測(cè)（JD），允許接收機(jī)為所有信號(hào)同時(shí)估計(jì)無(wú)線信道和工作。

通過(guò)單個(gè)通信流量的并行處理，JD消除了多接入干擾（MAI），降低了蜂窩區(qū)內(nèi)

干擾，因此提高了傳輸容量。

　?。?）動(dòng)態(tài)信道分配（DCA），先進(jìn)的TD-SCDMA空中接口充分利用了所有可提

供的多址技術(shù)，充分地使用了這些技術(shù)。TD-SCDMA依據(jù)干擾方案提供了無(wú)線資源

的自適應(yīng)分配，降低了蜂窩區(qū)之間的干擾。

　?。?）終端互同步，通過(guò)精確的對(duì)每個(gè)終端傳輸時(shí)隙的調(diào)諧，TD-SCDMA改善

了手機(jī)的跟蹤，降低了定位的計(jì)算時(shí)間，以及交付尋找的尋找時(shí)間。由于同步，

TD-SCDMA不需要軟交付，這樣可更有利于蜂窩覆蓋區(qū)降低蜂窩間的干擾，并降低

設(shè)施和運(yùn)行成本。

　　（7）智能天線，是在蜂窩區(qū)域通過(guò)蜂窩和分配功率跟蹤移動(dòng)用戶的使用的

波形控制天線。沒(méi)有智能天線，功率將分配至所有的蜂窩區(qū)域內(nèi)。智能天線降低

了多用戶干擾，通過(guò)降低蜂窩間的干擾而提高了系統(tǒng)容量，提高了接收的靈敏度

，并在增加蜂窩范圍的同時(shí)降低了傳輸功率。

二、無(wú)線信道接入

       1.TDMA/TDD

　　結(jié)合了TDD（時(shí)分雙工）的TDMA（時(shí)分多址）極大地改善了網(wǎng)絡(luò)的性能，在

上行和下行方向，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源處理網(wǎng)絡(luò)通信流量。TDMA使用了5ms的幀分成7個(gè)

時(shí)隙，能夠靈活地安排幾個(gè)或一個(gè)要求多個(gè)時(shí)隙的用戶。TDD允許流量上行的規(guī)

格（從手機(jī)到基站），并使用同一幀的時(shí)隙下行（從基站到手機(jī)）。

　　對(duì)使用持續(xù)音頻電話和視頻電話（多媒體應(yīng)用）的對(duì)稱業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，雙向傳輸

的數(shù)量是相同的，上行或下行的時(shí)隙被平等地分開(kāi)。對(duì)于使用因特網(wǎng)訪問(wèn)（下載

）的非對(duì)稱業(yè)務(wù)來(lái)說(shuō)，從基站到終端的傳輸數(shù)據(jù)容量高。相對(duì)于上行，下行使用

了更多的時(shí)隙（見(jiàn)圖1）。

圖1　TDMA/TDD

　　2.不成對(duì)頻段與成對(duì)頻段

　　在單一不成對(duì)的頻段里數(shù)據(jù)加載的自適應(yīng)上行／下行對(duì)稱性的這一能力，優(yōu)

化了空中接口的容量，因此能更有效地使用頻譜。相反，F(xiàn)DD（頻分雙工）方案

——使用于傳統(tǒng)的CDMA3G標(biāo)準(zhǔn)，使用一對(duì)頻段分別上行或下行。作為對(duì)稱加載，

部分頻譜被占用但沒(méi)用于數(shù)據(jù)傳輸，這些閑置的資源也不能為其他業(yè)務(wù)使用，導(dǎo)

致了頻譜的非有效利用。未來(lái)的移動(dòng)應(yīng)用將要求所提供頻譜的有效利用，以及具

有控制極端非對(duì)稱數(shù)據(jù)流量的能力。TD-SCDMA十分適合這些要求，被視為3G業(yè)務(wù)

理想技術(shù)（見(jiàn)圖2）。

圖2　不成對(duì)頻段與成對(duì)頻段

　　3.集成TDMA/TDD和CDMA的操作

　　除了TDMA/TDD規(guī)格，TD-SCDMA使用CDMA（碼分多址）來(lái)進(jìn)一步增加無(wú)線界面

的容量。根據(jù)CDMA，用戶的信息碼通過(guò)由CDMA的擴(kuò)展碼產(chǎn)生的隨機(jī)碼（來(lái)自芯片

）來(lái)增加用戶數(shù)據(jù)的方式鋪在更寬廣的帶寬上。在每個(gè)時(shí)隙中，可傳輸最高達(dá)16

個(gè)數(shù)字的CDMA碼（CDMA的最大加載代理）。使用1.28Mc/s的芯片率，允許1.6MHz

的帶寬。根據(jù)其操作許可證，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商配置多TD-SCDMA1.6MHz的載波帶寬。每

個(gè)無(wú)線電資源設(shè)備因此被特殊的時(shí)隙和特殊載波頻率上的特別碼所確認(rèn)。為了達(dá)

到高符碼率，TDMA/TDD支持變量擴(kuò)展代理和多碼連接（見(jiàn)圖3）。

圖3　集成TDMA/TDD和CDMA的操作

三、聯(lián)合檢測(cè)

　　1.CDMA發(fā)射的問(wèn)題和限制

　　移動(dòng)無(wú)線電傳播受多反射、衍射和信號(hào)能量衰減的影響，起因包括諸如樓房

、山等普通障礙物，以及終端的移動(dòng)性。其結(jié)果被稱為多徑傳播，產(chǎn)生兩種不同

的衰落：慢衰落和快衰落?？焖ヂ浒l(fā)生在不同延遲路徑幾乎在同一瞬間到達(dá)的時(shí)

候，甚至接收機(jī)移動(dòng)了短距離，也會(huì)發(fā)生信號(hào)的終止。慢衰落主要產(chǎn)生于漸變過(guò)

程，信號(hào)能量通過(guò)明確的可識(shí)別時(shí)間瞬間到達(dá)接收機(jī)。

　　此外，這些信號(hào)的衰減相對(duì)于每一種移動(dòng)通信都很普遍。CDMA傳輸因其“自

干擾”特性而受限。每個(gè)CDMA信號(hào)與所有其他信號(hào)在相同無(wú)線載波上是超載的，

而且接收的（寬帶）信號(hào)可能比熱噪音要低（圖4a）。相關(guān)的接收器（匹配的過(guò)

濾相關(guān)器）用來(lái)去擴(kuò)展和接收原始用戶的信號(hào)。理想的相關(guān)檢測(cè)，將依靠擴(kuò)展代

理（相關(guān)增益）從干擾增殖中提高請(qǐng)求用戶信號(hào)。不同碼的正交性將保證請(qǐng)求信

號(hào)的正確檢測(cè)。

　　2.多接入干擾

　　CDMA系統(tǒng)的實(shí)際接收的擴(kuò)展碼并不是完全地正交，相關(guān)的處理不能如此有效

。結(jié)果，多接入干擾（MCI）就在接收機(jī)里產(chǎn)生了：請(qǐng)求信號(hào)沒(méi)有有效地從干擾

用戶中區(qū)分出來(lái)。不容易從MAI里顯現(xiàn)出來(lái)的受檢測(cè)信號(hào)相對(duì)于噪聲來(lái)說(shuō)要低（

圖4b）。多接入干擾使每個(gè)無(wú)線載波的通信流量受限。

圖4　聯(lián)合檢測(cè)

　　3.聯(lián)合檢測(cè)設(shè)備

　　一個(gè)有效的消除MAI的方法是在匹配過(guò)濾相關(guān)器的后面使用聯(lián)合檢測(cè)設(shè)備，

這是一個(gè)擴(kuò)展所有CDMA信號(hào)為并行的經(jīng)過(guò)優(yōu)化的多用戶檢測(cè)接收機(jī)。TD-SCDMA技

術(shù)允許聯(lián)合檢測(cè)接收設(shè)備補(bǔ)充在基站和手機(jī)里。每個(gè)時(shí)隙里的特殊訓(xùn)練序列允許

接收機(jī)評(píng)估無(wú)線信道的參數(shù)。使用特殊的算法，DSP將所有CDMA碼擴(kuò)展成并行，

并去除由內(nèi)在CDMA碼造成的干擾（MAI），從而為CDMA碼準(zhǔn)備了一條清晰的信號(hào)

（圖4c）。

四、智能天線

　　使用全向天線，發(fā)射無(wú)線功率分發(fā)至整個(gè)蜂窩區(qū)。結(jié)果，使用相同的射頻載

波，蜂窩間的交擾產(chǎn)生于所有臨近蜂窩區(qū)。為了進(jìn)一步改善系統(tǒng)抗干擾的突發(fā)性

，TD-SCDMA基站裝備了智能天線，該天線利用了波束賦形概念。另外，智能天線

通過(guò)特殊的終端直接發(fā)射和接收信號(hào)，改善了基站接收機(jī)方向增益的靈敏性，增

加了終端的接收功率，并降低了蜂窩區(qū)間和內(nèi)部間的干擾。TD-SCDMA配置的智能

天線技術(shù)不是傳統(tǒng)的差異波交換天線，而是更先進(jìn)的波束賦形（以及波束控制）

雙向自適應(yīng)天線陣列。基站和手機(jī)間的各自的方向性由一個(gè)可編程的相關(guān)電子調(diào)

相和調(diào)幅的8天線元件同中心陣列獲得。終端跟蹤由每秒200次的間隔5ms的測(cè)量

到達(dá)的快角度所完成（見(jiàn)圖5），并可低成本地提供基于位置的業(yè)務(wù)。

圖5　智能天線

五、動(dòng)態(tài)信道分配

　　蜂窩間界面的進(jìn)一步優(yōu)化由動(dòng)態(tài)信道分配（DCA）獲得。先進(jìn)的TD-SCDMA無(wú)

線界面充分利用了所有可提供多址技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：TDMA（時(shí)分多址）、FDMA（頻分

多址）、CDMA（碼分多址）和SDMA（空分多址）。充分地最佳使用了這些技術(shù)，

TD-SCDMA依據(jù)界面方案提供了理想的和適應(yīng)性的無(wú)線資源分配，使蜂窩間干擾最

小化。

　　使用DCA的三種不同方式

　?。?）時(shí)間域DCA（TDMA操作），通信量動(dòng)態(tài)地分配至最小干擾的時(shí)隙里。
　?。?）頻率域DCA（FDMA操作），通信量動(dòng)態(tài)地分配至最小干擾的無(wú)線載波（

在5MHz頻段上可提供3個(gè)1.6MHz載波）。
　?。?）空間域CDA（SDMA操作）：自適應(yīng)智能天線選擇最合適的方向以單一用

戶方式來(lái)解除這種組合。
　?。?）編碼域CDA（CDMA操作）：通信量隨機(jī)地分配至最少干擾的編碼（見(jiàn)圖

6）。

圖6　動(dòng)態(tài)信道分配

六、終端同步

　　像所有的TDMA系統(tǒng)（GSM包括在內(nèi)）一樣，TD-SCDMA需要手機(jī)和基站之間的

精確同步。這一同步因用戶的移動(dòng)性而更加復(fù)雜，這是因?yàn)樗麄兿鄬?duì)基站的距離

在變化，他們的信號(hào)的傳播時(shí)間也在不斷變化。預(yù)先置于手機(jī)里的精確的計(jì)時(shí)在

傳輸中消除了上述變化的時(shí)間延遲。為了補(bǔ)充這些延時(shí)，避免鄰近時(shí)隙的干擾，

手機(jī)預(yù)先在接收和發(fā)射間設(shè)有時(shí)間補(bǔ)償，這樣使得到達(dá)幀可在基站同步（見(jiàn)圖7

）。

圖7　終端同步

　　信號(hào)到達(dá)基站的這一精確同步的效果，使多用戶的聯(lián)合檢測(cè)得到了極大的改

善。同步配置提供了優(yōu)于異步的許多優(yōu)點(diǎn)。首先，終端的可跟蹤性得到改善，定

位時(shí)間的計(jì)算明顯地降低了。此外，在同步系統(tǒng)中，手機(jī)在不能自動(dòng)接收或發(fā)射

時(shí)，能夠進(jìn)行相鄰基站無(wú)線鏈接質(zhì)量的性能測(cè)量。這樣就降低了交付尋找的尋找

時(shí)間，并在鄰近時(shí)間里產(chǎn)生極大的改善。正因?yàn)橥?，TD-SCDMA不需依靠軟交付

在蜂窩邊緣來(lái)改善覆蓋和降低干擾。