TD-SCDMA標準綜述

2019-11-03 09:38:32

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子蔭　白杉　廣西桂林76140部隊　　摘要：本文先介紹我國TD-SCDMA標準研究進展，然后介紹了TD-SCDMA技術的特點、TD-SCDMA的智能天線技術、頻譜利用技術、基站與終端技術，最后分析了第二代系統如何向第三代系統過渡。

　　關鍵詞：TD-SCDMA；第三代移動通信；通信標準；智能天線；頻譜利用；基站與終端

　　1.我國TD-SCDMA標準研究進展

　　中國作為3GPP組織成員之一，積極參與IMT-2000標準的制定工作。1997年至1998年期間，我國在無線接入技術方面，開發SCDMA技術，形成了SCDMA無線用戶環路系統產品，達到國際領先水平，在移動通信網絡設備方面，開發了GSM和CDMA(IS-95)等第2代移動通信交換系統，開發了DCS-1800系統的無線基站和基站控制器，并形成了產品，通過了現場實驗，1999年開始大批生產，并供應市場。這些技術基礎使我國在國際電聯有了發言權。

　　我國TD-SCDMA標準的實現大體上分兩步走：第1步在物理層采用TD-SCDMA技術，而二、三層原則上盡量采用原有GSM系統的上層協議，作相應修改和補充，保持與GSM高度兼容，滿足最高速率為284kbit/s的數據傳輸需要（此階段為2.5代移動通信系統）。第2步則在物理層全面采用TD-SCDMA技術，二、三層控制協議采用3GPP的上層協議，盡量也3GPP標準融合，真正實現IMT-2000所要求的全部功能，最高數據傳輸率可達2Mbit/s，即第3代移動通信系統的要求。

　　1999年11月召開的國際電聯芬蘭會議確定的第三代移動通信無線接口標準，是移動通信領域的一個重要里程碑。會議確定了5個IMT-2000技術提案的規范，包括IMT-DS(Direct SPRead)、IMT-MC(Multi Carrier )、IMT-TDD（Time Division Duplexing）、IMT-SC(Single Carrier)及IMT-FT（Frequerncy Time）。這些技術標準涵蓋的幾種技術為：IMT-DS包括UTRA/TDD（WCDMA）；IMT-MC由cdma2000構成；IMT-TDD包括UTRA/TDD和TD-SCDMA。前3種提案采用了CDMA技術，是第三代移動通信發展的主流；后兩種提案采用的TDMA，使現有的第二代TDMA網絡提供部分的第三代業務。中國提交的TD-SCDMA屬于CDMA TDD模式，這是中國在百年的通信史上第一次制定了國際標準。對中國通信業來說，這是一個重大的突破。

　　3GPP正在努力建立一個統一的第三代移動通信技術標準而努力。對于這個標準，現在仍稱為UTRA。UTRA是基于GSM核心網，并且包含FDD和TDD模式的第三代移動通信標準。為了將TD-SCDMA融入UTRA，新的協調工作已在3GPP里開始進行。作為第一步，根據碼片速率的差異，分別將TD-SCDMA和TD-SCDMA稱為3.84Mcps TDD和1.28Mcps TDD。這些工作由3GPP技術規范小組的許多工作組來完成，包括：WG1(物理層)、WG2（協議層，MAS和RLC）、WG3（接口，IuB和IuR）和WG4（RF要求和測試規范）。

　　來自歐洲、中國和韓國的工程師們正在進行不懈的努力。這項標準化工作的目標是要將TD-SCDMA吸收為UTRA第四版標準的部分（Release 2000）。這些規范在3GPP和3GPP2中進行了詳細的闡述，并成為ITU IMT-2000建議的一部分。3GPP的工作組預期在2001年完成2000年版本的標準。

　　2.TD-SCDMA的技術魅力

　　國際電信聯盟（ITU）組織專家組在充分研究了第2代移動通信的頻譜利用率、設備成本、組網能力、可能提供的業務、技術先進性等困擾發展的有關問題后，提出了第3代移動通信的主要特點要求：（1）第3代移動通信是第2代移動通信的演進和發展，不是重新建設一個新移動通信網。（2）全球無縫覆蓋、全球漫游的可提供前兩代系統所不能提供的各種寬帶信息業務，速率達2mbit/s，寬帶在5MHz以上。（3）具有多媒體功能，不僅接受和發送話音、數據信息，而且還能接受和發送靜態、動態圖像及其他數據業務。（4）克服技術難題，包括多徑衰落、多址干擾、遠近效應、體制問題等。（5）實現數據業務，主要Internet所需要的不對稱的、基于包交換（ip）的業務。（6）具有高頻譜利用率，解決全世界存在的系統容量問題。（7）系統設備低價位，業務服務高質量低價位，滿足個人通信化的要求。

　　TD-SCDMA除具備CDMA TDD的所有特點外，還采用了以下的技術，保證了TD-SCDMA有著其獨特的特色和優點，這也是TD－SCDMA提案被國際電聯接受的重要原因。

　　（1）智能天線。TD－SCDMA系統中所用的智能天線采用波束成形技術，方向圖隨移動臺的移動而動態跟蹤（基站裝配智能天線）。由于它的波束很窄，對其他用戶的干擾很小，因而大大提高了系統容量。同時，基站的發射功率也大大降低。另一方面，由于TD－SCDMA系統中的波束很窄，下行鏈路的多徑問題也得到了很好解決。

　　（2）上行同步（Uplink Synchronization）。TD－SCDMA系統中，上行鏈路和下行鏈路一樣，都采用正交碼擴頻。移動臺動態調整發往基站的發射時間，使上行信號到達基站時保持同步，保證了上行信道信號的不相關，降低了碼間干擾。這樣，系統的容量由于碼間干擾的降低大大提高，同時基站接收機的復雜度也大為降低。

　　（3）聯合檢測（Joint Detection）。聯合檢測是TD－SCDMA系統中使用的又一重要技術。在基站側，由于信號從移動臺多徑到達基站，因此上行同步技術只能保證主徑在一定范圍內的同步。聯合檢測技術把同一時隙中多個用戶的信號及多徑信號一起處理，精確地解調出各個用戶的信號。在移動臺側，基站智能天線的波束成形，雖然極大地降低了多用戶干擾的強度，但是多用戶干擾依然存在，尤其是當用戶的位置非常靠近時，多用戶干擾問題仍很嚴重。聯合檢測技術能很好地解決多用戶干擾問題。

　　（4）軟件無線電（Software Radio）。軟件無線電是近幾年發展起來的技術，它把許多以前需要硬件實現的功能用軟件來實現。由于軟件修改較硬件容易，在設計、測試方面非常方便，不同系統的兼容性也易于實現，所以這一技術在TD－SCDMA系統中也被采用。

　　（5）接力切換（Baton Handover）。由于TD－SCDMA系統中智能天線的使用，系統可得到移動臺所在的位置信息。接力切換就是利用移動臺的位置信息，準確地將移動臺切換到新的小區。接力切換避免了頻繁的切換，大大提高了系統容量。在切換時可根據系統需要，采用硬切換或軟切換的機理。

　　（6）低速率模式（Low Chiprate）。TD－SCDMA系統碼片速率（Chiprate）采用的是1.28MHz，為UTRA/TDD碼片速率的1/3，這有利于URTA/TDD系統的兼容。低的碼片速率，在硬件上也容易實現，可大大降低成本。另外，1.28MHz碼片速率的單個載頻占用1.6MHz的帶寬，較之5MHz的URTA/TDD和UTEA/FDD，由于占用帶寬窄，在頻譜安排上有著很大的靈活性。對于利用將來要空置了的第二代頻譜開展第三代業務，可有效地使用日益寶貴的頻譜資源。

　　3　TD－SCDMA的智能天線技術

　　作為TD－SCDMA的關鍵技術之一的智能天線技術能夠提高系統的容量，擴大小區的最大覆蓋范圍，減少移動臺的發射功率，提高信號的質量并增大傳輸數據速率。這些優點給移動網絡運營商提供了很大的靈活性。

　　由空分的獨立的天線元素組成一個天線陣列系統，這個陣列的輸出可與收發信機的一組多個輸入相結合。這多個天線元素結合在一起提供一個綜合的時空信號。與使用單個天線采用固定方式結合天線口信號的接收機相比較，天線陣列系統能夠系統的性能。正因為這個原因，天線陣列經常被稱為智能天線。

　　人們經常使用環狀或線性天線陣列。在TD－SCDMA通信系統中，我們用8個完全相同的天線元素均勻地放置在一個半徑為R的圓形上，組成我們所需的環形天線陣列。這種陣列對于干擾消除技術特別有效。每兩個天線之間的距離是載波波長的一半。由于每個天線在空間上處于不同的位置，所以不同天線元素的信號幅度和相位是不同的。這樣，在不降低信噪比的同時可以產生很多個獨立有方向性的高增益的波束。不同的波束分配給不同的用戶，保證了所有鏈路上的最大的增益。利用自適應的波束成形可以有效地消除干擾，提高系統的容量。各種能夠用數學公式表示的算法都能夠得到實現。

　　隨著交通和通信的發展，對在高速運動中的高速數據業務的需求顯得越來越緊要的。在車速環境中，一般來說是沒有直線視距信號存在，這就意味著接收到的信號是由反射波、折射波和散射波等組成的。接收到信號的平均功率隨著距離的增大而減少。

　　采用智能天線技術的TD－SCDMA移動通信系統不僅適用于室內環境，而且也適用于室外的車速環境。根據我們的分析與仿真，在移動臺速度很高的情況下，該系統同樣能夠正常地工作。在上行鏈路上，基站端的接收機能夠實時地確定接收到信號的波束結構特點，對信號進行解調，不需要任何存儲單元存放過去幀的波束信息。所以無論移動臺的速度多高，在上行鏈路的接收機都可以迅速地在每一幀適應新的波束特點。在TDD雙工模式下，上行鏈路和下行鏈路使用的是同一個頻帶，基站端的發射機可以根據在上行鏈路上得到的接收信號來了解下行鏈路的多徑信道的快衰落特性。這樣，基站的收發信機就可以使用在上行鏈路上得到的信道估測信息來實現下行的波束成形。只有在象TD－SCDMA這樣的TDD雙工系統中上行、下行鏈路的配合才能達到這樣好的程度。在TD－SCDMA系統中，由于無線子幀的長度是5ms，所以允許的下行對上行的最大反應時間為5ms。根據無線幀中上行和下行的信道分配，這個反應時間可以更短。隨著移動臺速度的增加，上行鏈路上的信道特性與下行鏈路上的信道特性的相關性越來越強。下行鏈路信道的特性與上行的存在著偏差，但是這個偏差很小，所以利用上行獲得的波束信息來做下行的波束成形仍然能夠正確工作。

　　4　頻譜利用技術

　　近兩年移動通信市場所顯現的增長趨勢要求實現以下兩種主要業務：一是發送和接收需要同樣帶寬的對稱的低比特率語音業務；二是發送和接收需要不同帶寬的非對稱的高比特率互聯網業務。

　　這兩種不同類型的業務對3G網絡的不同要求是對未來移動通信系統設計的一個特別的挑戰。很明顯，對稱成對頻帶上的FDD（頻分多址）運行模式，即發送和接收分別在帶寬相同（對稱）但頻率不同的兩個頻帶（成對）上進行的模式，非常適合于對稱業務。然而，3G的非對稱業務以及對稱和非對稱業務的混合導致系統頻譜分配和頻譜管理將發生相當大的變化。

　　在3G的對稱語音業務和多媒體業務方面，由于不同的多媒體業務所要求的業務信道的帶寬都是不同的。因此，通常以每MHz的語音信道數量來衡量系統效率的概念，一般被每MHz和每小區數據吞吐量，即頻譜效率這一概念所代替。在3G的非對稱包交換業務和互聯網業務方面，由于其典型特征是上/下行鏈路中的業務量負載的不對稱性，而FDD在一個固定的上/下行鏈路進行頻率分配，想過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。因此，在方便、靈活的條件下，以FDD模式實現對稱非對稱的業務，其頻譜綜合利用率不能達到最佳。

　　在這種情況下，一些為克服FDD模式的缺點的研究工作已在進行。結果表明，在FDD方式下，自適應的頻譜分離將導致系統自身干擾和引起EMC（電磁兼容性）等問題，增加了系統的復雜性和整體費用。因此，TD－SCDMA的設計參照了TDD（時分雙工）在不成對的頻帶上的時域模式，即發送和接收在同一頻帶（不成對）的不同時隙內進行。其突出優勢是：上/下行鏈路間的時隙分配，可以被一個靈活的轉換點改變，以滿足和實現所有3G對稱和非對稱業務的要求。

　　對于FDD和TDD模式下的對稱業務，它們的頻譜利用率基本上是相等的。然而，FDD在實現互聯網業務時，是典型的下行鏈路（接收）滿負載，而上行鏈路（發送）的負載很小。這樣，大多數上行鏈路的頻譜不能被利用。作為一種選擇，TDD模式容易設立一個轉換點，即大約80％的下行鏈路獲得容量，而上行鏈路的容量被減至20％。

　　可見，TD－SCDMA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。但在FDD系統中，由于其固定的上/下行鏈路分配，導致這個問題不能被徹底解決。因此，TD－SCDMA系統具有無線資源靈活時域分配的顯著特點，是針對各種雙工業務的全球無線業務發展的一個里程碑。

　　TD－SCDMA技術目前主要在中國和德國進行開發，計劃2002年底提供正式的商用設備。該系統是一個立足于第一階段兼容現有GSM網絡，并在第2代網絡上實現第3代的業務；第二階段接入全新的第3代網絡，提供更新的3代業務。該技術采用TDD模式，并且同時使用了FDMA/TDMA/CDMA技術，相同的QPSK射。相的同時，還能達到高數據傳輸率和較大的系統容量。

　　5　基站與終端技術

　　TD－SCDMA系統采用時分雙工（TDD）、TDMA/CDMA多址多方式工作，基于同步CDMA、智能天線、多用戶檢測、正向可變擴頻系數等技術，工作在2010MHz到2025MHz頻段。

　　1）基站

　　TD－SCDMA系統基站采用基站高集成度、低成本設計，采用TD－SCDMA的物理層和基于修改的GPRS業務。基站具有以下主要特點：1）基站采用3載波設計，每載波帶寬1.6MHz，其占用5MHz帶寬。2）采用低中頻數字合成技術，以解決多載波的有關問題。3）公用一套智能天線，達到增強所需信號，抑制干擾信號，成倍擴展通信系統容量的目的。4）公用射頻收發信機單元。5）基于軟件無線數字信號處理技術。6）低功耗設計，每個載波基站耗電不超過200W。7）具有高可靠性、可維護性等特點。

　　2）終端

　　TD－SCDMA系統采用雙頻雙模（GSM900和TD－SCDMA）終端，支持TD－SCDMA系統內切換，支持TD－SCDMA系統到GSM系統的切換。在TD－SCDMA系統覆蓋范圍內優先選擇TD－SCDMA系統，在TD－SCDMA系統覆蓋范圍以外，采用現有的GSM系統。終端具有以下主要特點：1）TD－SCDMA系統采用雙頻雙模終端，GSM-900MHz和TD－SCDMA-2000MHz。2）采用固定臺和車載臺，多載波工作，外接天線，提供384kbit/s-2Mbit/s業務，有大尺寸的LCD顯示屏幕。3）終端有6個發射功率等級。4）使用GSM的SIM卡。5）語音編譯碼，GSM/3G，8kbit/s。6）終端設備數據接口或大尺寸LCD顯示屏幕。7）TD－SCDMA系統的價位，平均每戶價格將比GSM擴容降低至少20％，與GSM系統同基站安裝不需另投資。

　　6　第二代向第三代的過渡

　　中國第二代系統采用的是GSM系統，系統幾乎覆蓋了全國。面對如此龐大的GSM網絡，如何向第三代過渡，是革命還是演進？如果不采用第二代向第三代平滑演進的策略，投資龐大的第二代網絡將造成極大的浪費，而采用則對第三代業務的需求來說也是一個平滑演進的過程。另外，直接建立全套的第三代網絡勢必存在一定的風險。如果系統支持第二代向第三代的平滑演進，系統和業務的發展同步，那么，此系統將是中國向第三代過渡的首選。考慮到中國第二代網絡的情況，TD－SCDMA系統設計的一個重要思想就是建立在GSM網絡基礎上逐步向第三代系統過渡，以減少風險和首期投資。

　　目前，給運營商帶來利潤的同時又困擾運營商的一個問題是：每月增長約100萬移動用戶，這樣下去，二三年后，分配給GSM的頻譜資源將全部用完，也就是GSM系統容量達到極限。GSM系統將無法解決這個問題。基于這一考慮，在TD－SCDMA系統建網的第一階段，基于GSM網絡，只需建立TD－SCDMA基站（BTS）（利用第三代頻譜），TD-TDMA基站通過Abis接入GSM的BSC，通過TRAU提供話音業務（GSM網絡不需做任何修改）。由于TD－SCDMA系統的頻譜利用率為GSM系統的3-5倍，建立TD－SCDMA基站，利用第三代頻譜，解決了系統容量不足問題，特別是解決了在GSM網絡中用戶密度大的地區的容量不足的問題。TD－SCDMA采用TDD模式，由于TDD模式的非對稱性，比原有的GSM系統更適合提供數據業務，數據速率也比GPRS提供的速率高。TD－SCDMA基站通過GSM網絡的SGSN提供高達384kb/s的各種速率的數據業務。

　　在網絡的第二階段，GSM網絡和第三代網絡共存，基站控制器（BSC）被連接到無線網絡控制器（UMSC）。最終，網絡升級到完全基于第三代的網絡，提供所有第三代的業務。這一平滑的演進過程，減少了投資和風險。

　　Siemens完全采用從2G向3G平滑演進的TD－SCDMA發展之路，在UMTS的頻率上提供3G要求的從8kb/s到2Mb/s速率的高速數據通信業務。由于TD－SCDMA采用的是TDD模式，因而不需要對稱頻點，可方便配置頻點。同時，由于采用TDD模式，非常適合于數據傳輸。智能天線、聯合檢測等技術的使用便得它的頻譜效率是GSM系統的3-5倍。Siements TD－SCDMA基站設備較GSM基站更具有小型化、設備成本低等優點，一個配置了1/3的TD－SCDMA基站提供的容量相當于兩個同體積目前最新的GSM基站提供的容量。

　　第一代和第二代移動通信系統培育了中國的移動通信市場。據統計，中國的移動用戶已經達到了1億，預計到2002年，中國的移動用戶將達到1.8億。技術培育市場，同時市場也培育技術。中國如此廣闊的通信市場呼喚一流的移動通信設備，這為TD－SCDMA提供了百年難遇的機會和廣闊的成長舞臺。第二代移動通信市場的競爭，幾乎達到白熾化的地步。可以想象，多個標準共存的第三代移動通信系統的競爭將會是如何等激烈！包括中國在內的移動通信市場，只會接受具有競爭力的產品。沒有選擇，TD－SCDMA必須經受殘酷的市場競爭。當然，TD－SCDMA也將積極參與競爭，沒有競爭，就不會有TD－SCDMA的茁壯成長與巨大成功！

摘自《移動通信》2001.9

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