TD-SCDMA無(wú)線傳輸技術(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(xiàng)技術(shù)上升為一項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，然后再形成一個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。

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

    在認(rèn)識(shí)3G的3項(xiàng)主流國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA時(shí)，一定要仔細(xì)研究其技術(shù)特點(diǎn)，認(rèn)真理解各項(xiàng)技術(shù)，要相信近8年來(lái)國(guó)際電聯(lián)和3GPP，以及各國(guó)專家所認(rèn)可的技術(shù)，相信3G是現(xiàn)階段無(wú)線通信發(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(tǒng)的共同點(diǎn)

    在1999年11月5日召開的ITUTG8/1第18次會(huì)議上通過(guò)了輸出文件IMT_RSPC[2]，標(biāo)志著第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)，然后由2個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP和3GPP2分別制定和完善此3個(gè)主流標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，經(jīng)過(guò)數(shù)千人數(shù)年的國(guó)際合作，標(biāo)準(zhǔn)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(guó)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA，標(biāo)志著它將在近年內(nèi)獲得廣泛應(yīng)用。

    1．1第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要目標(biāo)

    a）具有高層次的業(yè)務(wù)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(luò)的無(wú)縫連接；

    （b）較好地解決傳輸誤碼和系統(tǒng)時(shí)延問(wèn)題，因?yàn)橐苿?dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對(duì)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(tǒng)容量，以滿足話音及多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的要求。

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

    c）具有高度的系統(tǒng)靈活性。其靈活性表現(xiàn)在實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一接口，以規(guī)范無(wú)線尋呼、陸地蜂窩、無(wú)繩電話、衛(wèi)星移動(dòng)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(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(yùn)行等，以實(shí)現(xiàn)全球無(wú)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(dòng)通信系統(tǒng)兼容。

    1.2第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的主要要求[1]

    因?yàn)?G考慮的業(yè)務(wù)是移動(dòng)多媒體，即可以同時(shí)傳輸話音和數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸，移動(dòng)通信的主要問(wèn)題是傳輸速率。為此，對(duì)3G及3G后的系統(tǒng)的主要要求就是如何利用無(wú)線手段來(lái)傳輸足夠高的數(shù)據(jù)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(yīng)傳輸2~10Mbit/s的數(shù)

    據(jù)；而2008年以后，則應(yīng)當(dāng)對(duì)每個(gè)用戶提供傳輸至100Mbit/s的能力。對(duì)移動(dòng)速度，則最高應(yīng)能達(dá)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(wèi)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(duì)全球無(wú)縫覆蓋的立體通信網(wǎng)絡(luò)，滿足城市和偏遠(yuǎn)地區(qū)各種用戶密度及高速移動(dòng)（對(duì)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(wù)，最高速率可達(dá)2Mbit/s以上，基本滿足個(gè)人通信的要求。

 
 本文著重介紹3GPP對(duì)第三代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的概念，其定義的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示，并對(duì)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（如電話等業(yè)務(wù)）仍然采用程控交換技術(shù)；對(duì)包交換數(shù)據(jù)，使用GPRS類似的方法，基于ATM的技術(shù)。2005年后，向全I(xiàn)P技術(shù)過(guò)渡。

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

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

    d）連接各設(shè)備之間的接口：無(wú)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(wú)線接入網(wǎng)之間的Uu接口。

    對(duì)WCDMA和TD-SCDMA來(lái)說(shuō)，此網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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)線傳輸技術(shù)（RTT）

    各種移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)別在于所使用的無(wú)線傳輸技術(shù)，而傳輸技術(shù)是根據(jù)物理層技術(shù)而設(shè)計(jì)的，且物理層技術(shù)是進(jìn)步最為顯著、涉及知識(shí)產(chǎn)權(quán)最多的部分，也是競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。

    3  TD-SCDMA的主要優(yōu)勢(shì)

    作為一種ITM-2000的無(wú)線傳輸技術(shù)，TD-SCDMA的核心是使用智能天線等新技術(shù)，盡可能地提高CDMA系統(tǒng)的頻譜利用率，滿足IMT-2000的要求。簡(jiǎn)單地說(shuō)，TD-SCDMA就是一種基于智能天線的時(shí)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(biāo)準(zhǔn)（有興趣的讀者可參閱參考文獻(xiàn)3），而只著重介紹其與其他RTT不同的，具有優(yōu)勢(shì)的核心技術(shù)。

    3.1時(shí)分雙工方式及幀結(jié)構(gòu)

    TD-SCDMA采用了TDD雙工方式，設(shè)計(jì)了1個(gè)多時(shí)隙的幀結(jié)構(gòu)，它將3GPP標(biāo)準(zhǔn)中的1個(gè)10ms的無(wú)線幀分為2個(gè)子幀，每個(gè)子幀又設(shè)計(jì)了7個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙，此外，還有上下行導(dǎo)引時(shí)隙（DwPTS和UpPTS）和作為收發(fā)間隔的保護(hù)時(shí)隙（G）。

    將時(shí)隙設(shè)計(jì)得比較小，并使用子幀的目的是為了支持智能天線的應(yīng)用；設(shè)計(jì)導(dǎo)引時(shí)隙是為了實(shí)現(xiàn)同步CDMA。在每個(gè)基本業(yè)務(wù)單元中，將業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)安放在單元的兩邊；中間設(shè)計(jì)了中間碼（Midamble），應(yīng)用于同步及信道估計(jì)，為使用聯(lián)合檢測(cè)而準(zhǔn)備的，并將缺少保護(hù)和糾錯(cuò)的物理層信令安放在中間碼兩旁。整個(gè)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法是我們所特有的，是為滿足系統(tǒng)技術(shù)而設(shè)計(jì)的[3]。

    使用此幀結(jié)構(gòu)，可以靈活配置上下行時(shí)隙，提供滿足各種要求的不對(duì)稱業(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(duì)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(yù)Rake接收等技術(shù)以提高系統(tǒng)性能；

 c）便于支持上下行不對(duì)稱業(yè)務(wù)；

    d）產(chǎn)品簡(jiǎn)單，成本低。

    但是，TDD采用不連續(xù)接收和發(fā)射，在對(duì)抗多徑衰落及多普勒頻移等方面不如FDD。20世紀(jì)80年代以來(lái)，均認(rèn)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(dòng)速度。

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

 
    3.2智能天線和聯(lián)合檢測(cè)

    參見前一章中對(duì)CDMA系統(tǒng)問(wèn)題的描述，要使CDMA系統(tǒng)自干擾問(wèn)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(yīng)地提供一個(gè)波束，只接收此波束方向內(nèi)的信號(hào)，則干擾將大幅度地降低。簡(jiǎn)單計(jì)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(wèn)題，采用智能天線也能得到解決。

    一個(gè)具有智能天線的TDD基站設(shè)備由多只天線單元組成的天線陣和與各個(gè)天線單元連接的，相干工作的射頻收發(fā)信機(jī)及基帶數(shù)字信號(hào)處理器等主要部分構(gòu)成。簡(jiǎn)單地說(shuō)，此智能天線的工作原理為：來(lái)自各接收機(jī)的信號(hào)首先進(jìn)行解擴(kuò)，然后對(duì)各碼道的接收數(shù)據(jù)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(xù)信號(hào)處理。而對(duì)發(fā)射信號(hào)，首先根據(jù)DOA加上對(duì)每個(gè)天線的權(quán)重，實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束賦形，再交各個(gè)發(fā)射機(jī)，通過(guò)天線發(fā)射出去。當(dāng)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(dá)到所使用擴(kuò)頻碼的數(shù)量，使CDMA系統(tǒng)的容量?jī)?yōu)勢(shì)充分發(fā)揮出來(lái)。

    但是，智能天線并不能克服時(shí)延較長(zhǎng)（如達(dá)到或者超過(guò)一個(gè)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(cè)算法聯(lián)合使用，以充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢(shì)。眾所周知，聯(lián)合監(jiān)測(cè)是一種多用戶檢測(cè)方法，比單用戶檢測(cè)（如Rack）性能要好，但算法復(fù)雜，其復(fù)雜度與CDMA的擴(kuò)頻碼道數(shù)成2次方以上的速度增加。TD-SCDMA采用的最大擴(kuò)頻系數(shù)只有16，故可以接受其復(fù)雜性而使用其高性能。

    3．3獨(dú)特的無(wú)線資源管理技術(shù)

    在CDMAFDD系統(tǒng)中，每個(gè)小區(qū)內(nèi)只有一種無(wú)線資源（即碼），不同業(yè)務(wù)分配不同擴(kuò)頻碼。而這些碼又是相互干擾的，每一個(gè)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(gè)系統(tǒng)的干擾情況全部變化，對(duì)其他正在通信的用戶通信質(zhì)量有明顯影響，無(wú)線資源管理必須采取行動(dòng)來(lái)處理。故在用戶接入、碼的分配與管理等方面的技術(shù)受到廣泛關(guān)注，除復(fù)雜外，往往還受到很多限制。

    在TD-SCDMA系統(tǒng)中，每個(gè)小區(qū)內(nèi)將有3種無(wú)線資源（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)線資源管理的難度就大大降低，并非常有效。特別對(duì)快速信道動(dòng)態(tài)分配和下行功率控制兩個(gè)無(wú)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(wú)線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(guī)劃

    眾所周知，CDMA系統(tǒng)有一個(gè)特點(diǎn)，即給定發(fā)射功率后，擴(kuò)頻系數(shù)越大，小區(qū)的覆蓋越大。對(duì)一個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng)，小區(qū)的覆蓋基本上由手持機(jī)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(jī)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(guān)系（城市內(nèi)手持機(jī)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)TD-SCDMA，這樣就給網(wǎng)絡(luò)規(guī)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(tǒng)，在TD-SCDMA無(wú)線接入技術(shù)中，還包括了下述一系列和別的3G標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)頻碼正交的特點(diǎn)，使系統(tǒng)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(xiàn)同步CDMA？花多大的代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)同步CDMA？

    在TD-SCDMA系統(tǒng)中，同步是基于幀結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，并使用一套開環(huán)和閉環(huán)控制的技術(shù)來(lái)保持。這樣，TD-SCDMA系統(tǒng)幾乎沒(méi)有花代價(jià)，就實(shí)現(xiàn)了同步CDMA。

    當(dāng)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(xiàn)。故TD-SCDMA系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上行同步的主要作用在于簡(jiǎn)化基站的信號(hào)處理過(guò)程，使智能天線更有效的工作。

    b）接力切換：傳統(tǒng)移動(dòng)通信系統(tǒng)在用戶終

端切換中都采用硬切換，對(duì)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(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)線信道作為代價(jià)，特別當(dāng)所有無(wú)線信道資源（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(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(guò)開環(huán)控制實(shí)現(xiàn)同步。這樣，當(dāng)終端在切換前，首先和目標(biāo)基站實(shí)現(xiàn)同步，并獲得開環(huán)測(cè)量的功率和同步所需要的參數(shù)。切換時(shí)，原基站和目標(biāo)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(xiàn)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(tǒng)中的動(dòng)態(tài)信道分配（DCA）是一項(xiàng)重要技術(shù)。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，將DCA和智能天線波束賦形結(jié)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(qiáng)。這對(duì)相鄰小區(qū)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(qū)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(nèi)，發(fā)展最快的又是其物理層技術(shù)。TD-SCDMA作為一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，即將得到我國(guó)和全世界的應(yīng)用，但也承受著巨大的發(fā)展壓力。在未來(lái)的5~10年內(nèi)，移動(dòng)通信將支持更高的移動(dòng)速度和更高的數(shù)據(jù)速率，TD-SCDMA技術(shù)也將繼續(xù)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(diào)制方式；

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

    d）結(jié)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(tǒng)和天線技術(shù)。非常榮幸的是這兩個(gè)方向都是TD-SCDMA系統(tǒng)考慮的出發(fā)點(diǎn)。而目前TD-SCDMA系統(tǒng)所使用的技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到此兩個(gè)方向所可能達(dá)到的水平，還有大量改進(jìn)、完善、甚至完全重新設(shè)計(jì)的空間。目前，國(guó)際上正在制定長(zhǎng)期演進(jìn)（LTE）的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，預(yù)計(jì)在2010年以后投入商用。

    參考文獻(xiàn)

    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(tǒng)標(biāo)準(zhǔn). 北京：人民郵電出版社，2003（尹阜琪編輯）