TD-SCDMA和WCDMA、cdma2000

2019-11-03 09:27:01

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李方村山東移動通信規劃設計研究院　　[摘要] 本文介紹了第三代移動通信系統技術的三種主流標準：TD-SCDMA、WCDMA 和cdma2000，詳細分析了這三種主流標準的技術特點，以及TD-SCDMA 具有的技術優勢。

1 引言

　　2000 年5 月，國際電聯批準了IMT-2000 無線接口5 種技術規范，而以其中3 種CDMA技術為主流。即頻分雙工方式：MC-CDMA(cdma2000)和DS-CDMA(WCDMA)；時分雙工方式：CDMA TDD(TD-SCDMA 和UTRA TDD)。中國提出的基于TDD 模式的TD-SCDMA 雖然起步較晚，但它在頻譜利用率、對業務支持的靈活性方面以及在許多方面非常符合移動通信未來的發展方向所具有的優勢，使它在3G 之爭中具有強大的競爭力。這是中國移動通信界的一次創舉，也是中國對第三代移動通信發展的貢獻，標志著中國在移動通信領域已經進入世界領先之列。

2 TDD 和FDD 模式比較

　　現有的移動通信系統都表現出對對稱雙工語音業務和相應的低比特率數據業務的良好支持特征。對于這些語音業務，每窄帶的業務信道被占用的帶寬是20-30KHz，通常整個頻譜會被再分為固定數量的業務信道。毫無疑問，對稱成對頻帶上的FDD（頻分多址）運行模式適合于語音業務，因此可成為此類型移動通信系統的典型標準。然而，移動用戶對高速數據處理能力日漸增長的需求，導致對3G 數據傳輸速率的要求從8kit/s 增長到2Mit/s，以實現帶有多種應用的對稱和非對稱業務。隨著每個用戶要求的頻帶和數據吞吐量的迅速增長，3G 業務的對稱和非對稱業務的混合導致頻譜分配和頻譜管理發生相當大的變化，3G 系統被要求支持盡可能高的頻譜效率。

2．1 TDD 模式不能實現綜合最佳頻譜利用率

　　在3G 的對稱語音業務和多媒體務方面，上行鏈路和下行鏈路產生一個對稱雙工業務量負載。FDD 的操作模式，由于上行鏈路和下行鏈路的業務負載的對稱性，對稱業務將在成對對稱無線頻譜上呈現出最佳的頻譜利用率。

　　在3G 的非對稱包交換業務和互聯網業務方面，人們看到，所有不對稱的雙工業務的典型特征是上行鏈路和下行鏈路中的業務量負載的不對稱性，負載的大小取決于不同的業務類型。為了達到最佳頻譜利用率，非對稱業務要求每種業務都可靈活地利用頻譜資源。然而，在一個固定的上/下行鏈路進行頻率分配，想運用靈活的方法理想地實現頻譜資源的有效利用是不可能的。最佳頻域的頻譜利用率是不能通過成對的頻譜分配來實現的。因此，對對稱頻帶上的FDD 模式，在方便、靈活的適應性要求情況下，實現對稱業務和非對稱的上/下行鏈路業務并不是一個最佳的解決方案。

2．2 TD-SCDMA 的總頻譜利用率最高

　　對于實現對稱和非對稱業務的最佳頻譜利用率的目標來說，實現靈活的、自適應的頻譜分享是十分必要的。TDD 模式是基于在無線信道時域里的周期地重復TDMA 幀結構實現的。這個幀結構被再分為幾個時隙。

TD-SCDMA 技術采用時分雙工模式（TDD），能在同一幀結構的不同時隙中發送上行業務（從移動終端到基站的通信業務）或下行業務（從基站到移動終端的通信業務）。也就是說，根據所傳輸數據的類型不同，上、下行鏈路上的頻譜可以被靈活地分配。當從基站發送電子郵件和下載互聯網信息等非對稱數據業務時，更多的時隙將被分配給下行鏈路。當進行語音電話等對稱業務時，上、下行業務占有相同的時隙。碼分多址接入技術（CDMA）的特性是在同一時間里同一個傳輸信道中可支持多個用戶。所傳輸的信號分布在整個帶寬上，從而更加有效地利用現有頻譜資源。這種靈活性使數據的傳輸速率可高達2Mbit/s。TD-SCDMA 結合了TDD 和CDMA 的優勢，因而能夠處理很高的傳輸速率，同時其上下鏈路分配的靈活性也能夠滿足非對稱業務的要求。

　　由上面分析可以看出，在FDD 系統中，由于其固定的上/下行鏈路分配，導致這個問題不能在頻域中被徹底解決。而TD-SCDMA 時域操作模式可自行解決所有對稱和非對稱業務以及任何混合業務的上/下行鏈路資源分配的問題。在時域TDD 模式的系統中，對于頻率規劃管理來說，不成對頻域更容易被分配和利用。由于中國建議的TD-SCDMA 系統帶有無線資源靈活時域分配的顯著特點，因此對各種雙工業務的全球無線業務發展都可以說是一個里程碑。

3 TD-SCDMA、WCDMA、cdma2000 的技術特點

　　3G 的主要技術體制WCDMA 和TD-SCDMA 是由3GPP 開發和維護的規范，而cdma2000 是由3GPP2 開發和維護規范，這些技術都是以CDMA 技術為核心的。下面簡要介紹一下TD-SCDMA、WCDMA和cdma2000 三種主流制式的技術特點。

3．1 TD-SCDMA 制式的主要技術特點

　　信號帶寬：1.23MHz；碼片速率1.28Mchip／s；

　　采用智能天線（Smart Antenna）技術，提高頻譜效率；

　　采用同步CDMA（Synchronous CDMA）技術，降低上行用戶間的干擾和保護時隙的寬度；

　　接收機和發射機采用軟件無線電（Software Radio）技術；

　　采用聯合檢測技術，降低多址干擾；

　　多時隙CDMA＋DS-CDMA，具有上下行不對稱信道分配能力，適應數據業務；

　　采用接力切換，降低掉活率，提高切換的效率；

　　語音編碼：AMR 與GSM 兼容；

　　核心網絡基于GSM／GPRS 網絡的演進，并保持與GSM／GPRS 網絡的兼容性；

　　基站間采用GPS 或者網絡同步方法，降低基站間干擾；

3．2 WCDMA 制式的主要技術特點

　　基站同步方式：支持異步和同步的基站運行方式，靈活組網；

　　信號帶寬：5MHz；碼片速率：3.84Mchip／s；

　　發射分集方式：TSTD、STTD、FBTD；

　　信道編碼：卷積碼和Turbo 碼，支持2Mbit／s 速率的數據業務；

　　調制方式；上行： BPSK，下行：QPSK；

　　功率控制：上。下行閉環功率控制，外環功率控制；

　　解調方式：導頻輔助的相平解調；

　　語音編碼：AMR 與GSM 兼容；

　　核心網絡基于GSM／GPRS 網絡的演進，并保持與GSM／GPRS 網絡的兼容性；

　　MAP 技術和GPRS 隧道技術是WCDMA移動性管理機制的核心，保持與Gffo 網絡的兼容性；支持軟切換和更軟切換。

3．3 cdma2000 制式的主要技術特點

　　分成兩個方案，即cdma2000-1X 和cdma2000-3X 兩個階段，cdma2000-1X 信號帶寬為1.25MHz，碼片速率1.2288Mchip／s；cdma2000-3X 采用多載波CDMA 技術，前向信號由3 個1.25MHz的載波組成，反向信號是信號帶寬為5MHz的單載波，碼片速率為3.6864Mchip／s；

　　兼容IS-95A／B；

　　前反向同時采用導頻輔助相干解調；

　　快速前向和反向功率控制；

　　前向發射分集：OTD、STS；

　　信道編碼：卷積碼和Turbo 碼，cdma2000-1x 最高433.5kbit／s 業務速率（一個基本信道+兩個補充信道），cdma2000-1xDO 最高支持2.4Mbit／s 業務速率，cdma2000-3x 最高支持2Mbit／s 業務速率；

　　可變幀長：5ms，10ms，20ms，40ms，80ms；

　　支持F-QPCH，延長手機待機時間；

　　核心網絡基于ANSI-41 網絡的演進，并保持與ANSI-41；

　　網絡的兼容性；

　　網絡采用GPS 同步，給組網帶來一定的復雜性；

　　支持軟切換和更軟切換；

4 TD-SCDMA、WCDMA、cdma2000 技術比較分析

　　三種制式中TD-SCDMA 的優勢在于它同時采用了智能天線和聯合檢測技術，上下行時隙的不對稱分配，提高了頻譜效率，適應數據業務，其弱點是用戶移動速度比較低，基站間干擾比較大，采用基站同步技術能夠減少一部分干擾。WCDMA 和cdma2000 的技術特點類似，WCDMA 的優勢在于基站無需嚴格同步。WCDMA 和cdma2000 以及TD-SCDMA 都在向提高下行數據傳輸速率的方向發展，這方面3GPP2 率先推出了最高支持2.4Mbit／s 業務的cdma20001xDO，而另外兩種制式的高速下行傳輸協議還在制定之中，下面具體這三種主流方案的差別：

（1）頻率規劃

　　ITU 目前對第三代移動通信系統的頻率規劃為：1900MHz-2025MHz（上行FDD）,2110MHZ-2170MHZ（下行FDD）及2110MHZ-2170MHZ(TDD 方式)3 段。TD-SCDMA 利用2110MHZ-2170MHZ 頻段。WCDMA、cdma 2000 利用1900MHz-2025MHz（上行）,2110MHZ-2170MHZ（下行）頻段。

（2）采用雙工模式

　　TDD:刊登于高密度用戶地區，城市及近郊區的局部覆蓋。無線傳輸技術不需要成對頻率，具有頻譜安排靈活性，適合對稱和不對稱即語音和第三代移動通信要求的移動數據（或IP）業務。即提高了頻譜利用率。TD-SCDMA 采用TDD 模式。

　　FDD：適合于大區域的全國系統，適合于對稱業務如話音、交互式實時數據業務等。WCDMA、CDMA 2000 采用FDD 模式。

（3）提高利用率技術

　　TD-SCDMA 采用了控分多址（SDMA），碼分多址（CDMA），頻分多址（FDMA），時分多址（TDMA）相結合的多址技術，采用智能天線，聯合檢測，上行同步技術，消除扇區間（INTERCELL）和扇區內（INTRACELL）的同信道干擾（CCI），多址干擾（MAI）和碼間干擾（ ISI）。縮短頻率復用距離，提高了頻譜利用率，降低設備成本。WCDMA、cdma2000采用碼分多址，頻分多址相結合的多址技術，采用智能天線導頻符號輔助相干檢測的多用戶檢測，上下行同步技術，消除各種干擾，提高頻譜利用率。

（4）信道分配

　　3G 系統采用的CDMA 技術中，用戶間信息的交換都是占有共同信道，因此不會采用FCA，而是將DCA 和RCA 結合使用。由于全IP 移動骨干網絡能更有效地傳輸非連續話務（包交換）。而包交換的特性使無線頻譜利用率的提高更容易實現。則信道的分配有更多的自由空間。雖然3G 系統主要選擇DCA 的分配方式，但因每個數據包的長度有限，所以無線資源管理沒有足夠的時間傳送信道質量信息，給動態分配造成困難。此時采用RCA分配方式就變得尤其重要。TD-SCDMA 中采用的DCA 分配方式，可在空域、頻域、時域和碼域進行信道動態分配。根據實時測試的信道質量選擇空閑信道，這就保證了有效利用信道，提高網絡的系統容量，同時也保證了通信質量，但TD-SCDMA 對設備的要求較高。

（5）切換

　　在3G 系統中軟切換是CDMA 技術普遍采用的切換技術，對提高網絡容量，保證通信質量起著關鍵作用。

　　WCDMA：扇區間采用軟切換，小區間采用軟切換，載頻間采用硬件切換WCDMA 的基站不需要同步。因此不需外部同步資源，如：GPS。在設計軟切換算法和執行定位業務時，必須考慮基站的異步性。在進入軟切換前，移動站測量兩個基站的下行SCH 的定時差別。移動站將定時差別報告給服務基站。根據一個符號的解析度來調整新的下行軟件切換連接的時間這樣能夠使移動站的RAKE 接收機從兩個基站接收某宏分集的能量。

　　cdma2000：扇區間采用軟切換，小區間也采用軟切換，載頻間采用硬切換，基本信道的軟切換類似于IS-95 的軟切換與WCDMA 相近。對輔助信道活動組可以是基本信道的活動組的子集。當不需要分集補償衰落時，更傾向于從很少幾個基站傳輸，從而增加了整個下行鏈路的容量。在不變化的條件下，使用優化的方式，只從一個基站傳輸此基站將發射最小的下行傳輸功率，對于分組業務，如果輔助信道不在軟切換狀態，可以簡化控制過程。

　　TD-SCDMA：采用按力切換技術，它不同于傳統的軟切換和硬切換它可以工作在同頻和異頻狀態，利用已知的移動臺用戶位置（采用用戶定位業務）。結合切換算法和上行同步技術準確地將需切換的移動臺切換到新的基站，大大提高了系統質量。

　　3G 系統中軟切換最具有CDMA 的特點：CDMA 的信號結構也非常適合軟切換的執行。TD-SCDMA 的接力切換是第三代中新的切換技術。三種主流方案的切換技術都比第二代系統有明顯的改善，提高了系統容量，保證了信道質量。

（6）功率控制

　　3G 系統中分布式功率控制應用很廣泛，恒定接收功率控制應用于CDMA 系統中，而TD-SCDMA 系統則在繼承第二代GSM 功率控制技術的基礎上，主要是智能天線的恒定接受功率控制方式。功率控制技術包括前向和反向信道功率控制，重要的是反向信道功率控制。二者都是采用快速功率控制技術。而TD-SCDMA 系統開環+慢速閉環功率控制速度反為（0-20）bite/s。可見TD-SCDMA 系統中由于采用TDMA 和CDMA 的結合，所以功率控制速度較慢。顯然TD-SCDMA 系統中，要能以最快的速度達到最好的同信道干擾控制，克服功率控制速度與性能之間無法同時兼顧的矛盾將是TD-SCDMA 今后發展的主要目標。

5 與WCDMA、cdma2000 相比，TD-SCDMA 的技術優劣

　　第三代移動通信最主要的挑戰，來自能否同時提供諸如語音或視頻傳輸的對稱的電路交換業務以及日益增長的非對稱包交換業務如移動互聯網接入，而TD―SCDMA 具有高達2M 的數據速率，非常適合寬帶應用，同時其所采用的技術能使無線頻率資源達到最優利用率。TD―SCDMA 的最大特點是具有非對稱性，可支持非對稱業務。而非對稱業務正是互聯網發展的一大特點。在移動互聯網時代，此優點將表現得更突出，同時，該項技術過渡到第四代更容易。

　　TD―SCDMA 的無線傳輸方案靈活地綜合了FDMA，TDMA 和CDMA 等基本傳輸方法。通過與聯合檢測相結合，它在傳輸容量方面表現非凡。通過引進智能天線，容量還可以進一步提高。智能天線憑借其定向性降低了小區間頻率復用所產生的干擾，并通過更高的頻率復用率來提供更高的話務量。相對于其他兩種主流方案，TD－SCDMA 技術的主要技術優勢如下：

　　1、頻譜利用率高。由于TD-SCDMA 采用了CDMA 和TDMA 的多址技術，使TD-SCDMA 在傳輸中很容易設置一個上行和下行鏈路的轉換點，來針對不同類型的業務，類似于可根據交通的流量來控制“紅綠燈”轉換的時間間隔。對于像互聯網這樣的“不對稱”傳輸業務，可使其轉換“不對稱”，而對于像語音這樣的“對稱”傳輸業務，可以使其轉換“對稱”，這樣，就使總的頻譜效率更高。

　　2、支持多種通信接口。由于TD－SCDMA 同時滿足Iub、A、Gb、Iu、IuR 多種接口的要求，所以TD－SCDMA 的基站子系統既可作為2G 和2.5G GSM 基站的擴容，又可作為3G 網中的基站子系統，能同時兼顧現在的需求和長遠未來的發展。

　　3、頻譜靈活性強。由于TD－SCDMA 第三代移動通信系統頻譜靈活性強，僅需單一1.6M的頻帶就可提供速率達2M 的3G 業務需求，而且非常適合非對稱業務的傳輸。

　　4、系統性能穩定。由于TD－SCDMA 收發在同一頻段上，使上行鏈路和下行鏈路的無線環境一致性很好，更適合使用新興的“智能天線”技術；由于利用了CDMA 和TDMA 結合的多址方式，更利于聯合檢測技術的采用，這些技術都能減少了干擾，提高了系統的性能穩定性。

　　5、能與傳統系統進行兼容。TD－SCDMA 能夠實現從現存的通信系統到下一代移動通信系統的平滑過渡。支持現存的覆蓋結構，信令協議可以后向兼容，網絡不再需要引入新的呼叫模式。

　　6、支持高速移動通信。在TD-SCDMA 系統中，基帶數字信號處理技術是基于智能天線和聯合檢測，其限制在設備基帶數字信號處理能力和算法復雜性之間的矛盾。該技術可以確保TD-SCDMA 系統在移動速度為250km/h 和UMTS(3GPP)移動環境下，可以正常工作。

　　7、系統設備成本低。由于TD-SCDMA 上下行工作于同一頻率，對稱的電波傳播特性使之便于利用智能天線等新技術，也可達到降低成本的目的。設備成本在無線基站方面，TD－SCDMA 的設備成本至少比UTRA TDD 低30％。

　　8、支持與傳統系統間的切換功能。TD-SCDMA 技術支持多載波直接擴頻系統，可以再利用現有的框架設備，小區規劃，操作系統，帳單系統等。在所有環境下支持對稱或不對稱的數據速率。

6 總結

　　在世界市場上，由于頻率資源的日益緊張，在許多地區，要得到符合FDD 系統要求的成對的頻率資源已經十分困難。這樣，具有更高的頻譜利用率，不需要成對頻譜的TD-SCDMA 系統的優勢將日益顯現。因此，TD-SCDMA 也會大踏步走向世界市場。此外TD-SCDMA 能以比簡單的GSM 網絡擴容更低的費用改造網絡，不僅可解決頻譜資源不足造成的容量問題，滿足用戶密集區的移動通信需求，還可為最急需的用戶提供第三代業務。同時，為今后全網進入第三代打下基礎。并且在第三代移動通信技術中，TDD 模式的無線傳輸技術在頻譜靈活性、提供不對稱業務和低價格等方面的優勢已被國際上認可。在諸多標準中起步較晚的TD-SCDMA 系統今年4 月完成了其全球的首次呼叫。隨后又進行了實時圖像傳輸公開演示，初步驗證了TD-SCDMA 系統的性能。正是由于這些突破性的進展，大大增強了人們對TD-SCDMA 系統的信心。所有這些都將確保TD－SCDMA 技術在未來的市場上將有強大的競爭能力。

參考文獻：

寬帶CDMA：第三代移動通信技術，Tero Ojanpera,Ramjee Prasad 著，朱旭紅等譯，人民郵電出版社。

----《移動通信在線》