TD-CDMA前景分析:新型移動通信將如何發展(上)

2019-11-03 09:21:15

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供稿：網友

　　隨著互聯網的普及，數字通信成了我們的身邊之物。從最初只有低速調制解調器，到現在通過ADSL實現高速通信。但由于ADSL屬于有線通信，其使用方式受到一定局限，不能“隨時隨地”地使用。也許用戶正渴望無線ADSL的問世吧。

　　提起無線接續互聯網，也許首先想到的是像無線LAN那樣的接入點服務。這種服務在美國似乎已經非常成功。但實地考察一下就會發現，美國有人群集中且可以長時間休閑的場所，而且國土寬廣，接入點與接入點間的距離遠遠超出了步行的范圍。與日本的國情完全不同。

　　因此，如何確保高速互聯網也能“隨時隨地”地接入就成為一項重要課題。確保移動靈活性，作為無線ADSL， IMT-2000標準中所包含的無線方式TD-CDMA（Time Division-CDMA）值得期待。筆者堅信這種TD-CDMA也一定能適用于第4代移動通信。

TD-CDMA起源于日本

　　TD-CDMA的原型來自于本文作者中川正雄與其學生Riaz Esmailzadeh于1991年8月在日本電子信息通信學會SST（SPRead Spectrum Technology）研究會上提出的方案。

　　作者從PHS（Personal Handy phone System）原理中感受到了TDD（Time Division Duplex：時分雙工）在簡易性方面的魅力。所謂Duplex（雙工），就好比聲音中的“喂喂”、“是的是的”，或者圖像中為相互看到對方而發出的聯絡信號。TDD的別名又叫乒乓傳輸，能高速將雙方的短脈沖信號錯開時間進行交換。將目光轉向PHS以外的話，發現有線通信中的ISDN也在使用這種方式。

　　筆者意識到將TDD用于CDMA首先會有以下好處，就是可將使用同一頻率進行信號傳送的移動電話系統、特別是CDMA中存在的發射信號電平控制（Transmit Power Control:TPC）問題大大簡化。

圖1：CDMA的遠近效應

如果終端與基站距離不同的話，遠處終端的發射信號將被近處終端的發射信號所覆蓋。

圖2：FDD需要防護頻帶

由于FDD的上行鏈路與下行鏈路分別使用不同的頻率，所以需要有較寬的防護頻帶。

圖3：在很短的保護時間內進行切換的TDD

由于TDD使用同一頻率來實現上行鏈路與下行鏈路的切換，所以需要一段很短的保護時間。

圖4：發射信號電平控制系統

相對于基站與終端全都進行控制的FDD，TDD由于上行鏈路與下行鏈路的傳輸具有關聯關系，終端可根據下行鏈路的電平來控制上行鏈路的電平。

　　CDMA在研究階段遇到一個問題，就是距基站遠近不同的手機混在一起使用時，離基站較遠的手機無法進行通信（圖1）。由于手機向基站發出的信號功率大小是一樣的，但遠處手機的信號在到達基站前衰減較多。

　　這樣一來，由于近處手機的信號電平大于遠處的手機，所以基站就只接收距離較近的手機信號。這就是所謂的遠近效應。為消除遠近效應，手機與基站間必須通過控制信號將功率保持在適當的水平上。

　　但如果是TDD的話，無需交換控制信號就可以控制發射信號電平。分析結果表明，在通過TDD控制信號電平時，即使基站不向終端發送控制信號，手機本身也完全可以實現TPC。在當初發表時被命名為TDD-CDMA，后來根據IMT-2000標準進行了改進，就改名為TD-CDMA。有效使用同一頻率

　　首先通過圖2與圖3來比較一下TDD與FDD（Frequency Division Duplex：頻分雙工）的原理有何不同。

　　FDD繼第一代模擬手機之后仍采用傳統的雙工模式。手機到基站的上行鏈路（圖中朝上的箭頭）與基地到手機的下行鏈路（圖中朝下的箭頭）采用不同的頻帶。為防止這兩個頻帶相互干擾而必須保持一定間隔。中間的間隔頻帶就是作為緩沖的保護頻帶，可用于其他用途。在IMT-2000中保護頻帶的帶寬達到100MHz。

　　為什么要有保護頻帶呢？原因就在于手機的結構。手機將信號發送單元與信號接收單元全都收容到同一個小盒子里。因此，在用同一天線接收很微弱信號的同時，還必須將較強的信號發送出去。在對信號接收與發送進行切換的檢波器上，有時接收信號與發送信號的電平差能達到100dB，此時若上行與下行鏈路的頻帶相鄰的話，檢波器就難以切斷發送信號。因此，需要一個保護頻帶將信號頻帶隔開。如果頻率分配比較寬裕的話，也就很容易申請到保護頻帶，但考慮到可以分配的頻率越來越少，今后要獲得頻率配額將會非常困難。

　　而TDD利用的則是同一頻帶。下行鏈路與上行鏈路進行交互傳輸。這樣一來，就可以像圖3那樣通過很短的保護時間將兩條鏈路分離開來。

　　另外，通過轉換開關對上行鏈路與下行鏈路的利用時間進行相互切換。與檢波器相比，轉換開關的切斷效果較好，縮短了保護時間。但如果覆蓋區域較大時，產生的時間差也較大，因此要有更長的保護時間。因為基站與移動臺之間還存在時間延遲問題。

　　如采用TD-CDMA，以目前的保護時間可以完全滿足半徑7公里以內的通信。但半徑范圍超過7公里后再采用這一保護時間就不行了。控制發射信號電平更加簡單

　　手機是否采用CDMA曾在80年代后半期到90年代初引起很大爭議。但不久以后，在“多個手機的發射信號可以以同一電平被基站接收”這一理想狀態下CDMA具有優勢的觀點被大多數人所認可。

　　但FDD使用的TPC（發射信號電平控制）結構復雜。在變動較大的移動通信中，基站要不停地測定輸入信號電平，再將控制信號反饋到移動臺以便進行控制。而且還存在延遲問題。

　　如果是TDD的話，由于使用的是同一頻率，只要上行鏈路的通信狀態保持良好，下行鏈路的通信狀態同樣也是良好的。因此，如果基站的發射信號電平固定的話，移動臺的接收信號電平降低后就會自動提高發射信號電平，從而使基站的發射信號電平保持穩定（圖4）。也就是說，僅靠終端的控制就能調節發射信號電平。而FDD的上行鏈路與下行鏈路頻率不同，所以無法通過一條鏈路的通信狀況去推算另一條鏈路的通信狀況，因此也就難以進行這樣的操作。

　　松下通信產業（現松下移動通信公司）對這一特性進行了詳細試驗。根據該公司的報告，在室內實驗中，TDD的發射信號電平控制所需的輸出功率比FDD還要好數個dB，野外實驗時在橫濱市佐江戶以40km時速行走了1km，完全證實了這一能力。（未完待續）

摘自　日經BP社報道

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