TD-SCDMA主要关键技术及无线组网浅析

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摘要：
         TD-SCDMA是我国自主研发的第3代移动通信标准之一，与其它两个标准WCDMA、CDMA2000相比，虽然起步稍晚，但是，从技术与经济上看，有后来居上的优势。本文分析研究了TD-SCDMA的主要关键技术，并由此浅析影响其无线组网的主要因素。

　　TD-SCDMA是由我国自主创新提出的国际第3代移动通信标准，也是我国第一次被国际上采纳的通信标准。TD-SCDMA有4个明显的突出优势，即频谱利用率高、频谱灵活应用能力强、可适用多种移动通信环境和系统设备成本低。这些突出优势来源于其拥有多方面的关键技术。2006年春节前夕，信息产业部正式将TD-SCDMA列为我国第3代移动通信行业标准。由于组网、商业产业链等原因，我国3G牌照还处于待发放前夕，有的预计2007年将在经济发达地区首先试用，有的认为最晚在2008年北京奥运会前商用。无论如何，第3代移动通信系统的基础设施成本非常巨大，尤其是无线接入部分，充分考虑 TD-SCDMA的关键技术对组网的影响并提出合理的实现方法或策略是实现TD-SCDMA商用的基础。

1、TD-SCDMA主要关键技术分析

　　TD-SCDMA系统与WCDMA、CDMA2000相比，具有5个方面的关键技术优势。

　　1.1　智能天线技术

　　智能天线是由若干空间分隔的同心圆形天线阵列组成，每个天线的输出通过多输入接收机组合在一起，本质上，它是采用数字波束成型技术的自适应天线阵。其突出优点呈现在2个方面：第一，可增加系统容量及覆盖范围，借助有用信号和干扰信号在入射角上的差异，选择恰当的合并权值，将天线阵列方向图主瓣对准和自适应跟踪接收信号，而旁瓣或零陷对准主要的干扰信号，从而可有效地抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子；第二，可减少多径效应，智能天线波束成型算法可将多径传播综合考虑，克服了多径传播引起数字无线通信系统性能的恶化，从接收角度看，基站利用智能天线对来自移动台的多径电波方向进行波达方向（DOA）估计，并进行空间滤波，也成为上行波束成型，可抑制其它移动台干扰和多径干扰。

　　智能天线的现存问题主要有2个。

　　第一，在高速移动环境下，性能受到影响。移动通信本身是一个时变信道，终端用户具有移动性，由于智能天线是由接收信号对上下行波束成型，因多谱勒频移特性，要求TDD的周期不能太长。例如，当移动用户速度达到100 Km/h时，其多谱勒频移接近20 Hz，用户端在10 ms内的位置变化达到28 CM，TD-SCDMA工作在2G Hz频段，已超过一个波长，这对下行波束成型将带来较大误差。为此，就要将TDD周期至少缩短一半，使收发间隔控制在子帧5 ms内，否则，无法保证智能天线的正常算法功能。

　　第二，在PLMN中，智能天线只能克服一个码片间隔内的多径干扰，而无法克服一个码片时间外多径时延引起的干扰。

　　1.2　同步CDMA技术

　　同步CDMA指上行链路各终端用户信号与基站解调器要求完全一致，其同步功能通过软件设计和物理层帧结构设计实现。具体的实现是根据一定算法由基站向终端用户发送一个“同步移动指令”。同步CDMA技术可让使用正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，从而克服了异步 CDMA多址技术存在的问题，大大提高了CDMA系统的容量和频谱利用率。

　　同步CDMA技术的问题在于，系统对同步要求非常严格，上行同步要求为1/8 Chip宽度，网络同步要求为5 us。此外，在移动环境下实现严格同步存在难度，特别是高速移动环境中，基站到用户的电波传播时间不断变化，实现严格同步更加困难。
　　1.3　联合检测技术

　　联合检测技术（JD）是在多用户检测技术（MUD）基础上提出的，TD-SCDMA首次在CDMA上采用JD，实现了智能天线与JD技术的有机结合。由于TD-SCDMA采用低码片速率，扩频增益较小，为了更好地解决智能天线主波束内多用户干扰问题和克服多径时延干扰问题，TD-SCDMA引入 JD算法。JD算法的核心问题是利用智能天线空域滤波的结果、小区内用户的已知信息、信号估计的结果，对小区内所有用户信号数据进行联合检测，以得到多个用户的数据信息，从而提取有用用户信息，并利用所有用户的信道编码和信道信息，消除符号间干扰（ISI）和用户间多址干扰（MAI）。

　　JD通过最小化MAI，分别允许每个载波高业务负载因子和每兆Hz的高数据吞吐量。从降低干扰看，JD具有提高系统容量、覆盖范围以及减少“呼吸效应”和远近效应等优点。

　　但是，JD运算量很大，并且仅消除了小区内的干扰。由于相关技术因素和成本限制，目前，JD仅能在基站内实现。

　　1.4　软件无线电技术

　　软件无线电技术的基本概念是高速A/D、D/A转换器硬件功能尽可能依靠天线来处理，芯片硬件上的功能由软件定义，从而采用软件编程实现专用芯片的特定功能。由于TD-SCDMA的TDD模式和低码片速率（1.28 Mchip/s），使数字信号的处理量大大降低，适合于基站和终端采用软件无线电结构，所有基带数字信号处理采用软件很方便。其最大优点首先是在同一硬件平台上利用软件处理基带信号，针对不同的功能采用不同软件来处理，由于软件价格比高速硬件芯片低廉得多，可大大减少终端用户费用和系统基站成本；其次，当系统欲增加新功能时，可应用软件升级实现，因而具有高度的灵活性和可编程性，能实现多模式通信系统的无缝连接；最后，采用该技术，在TD-SCDMA系统中可实现智能天线、同步检测和载波恢复等功能。有待进一步解决的问题是多功能软件的开发和应用。

　　1.5　动态信道分配技术

　　动态信道分配（DCA）指所有信道资源设置于中心存储区内，根据小区之间和本小区内的干扰情况，按照一定算法，利用剩余信道资源进行信道分配和调整，可有效分配空、时、频、码信道资源。由于能较好地避免干扰、使信道重用距离最小化，提高了系统容量。并且，该技术能很好地适应3G多种业务的需要，特别是高速率的上、下行不对称数据业务和多媒体业务。

　　DCA应用上的问题在于计算和控制的复杂性，当系统负荷很高时，DCA的效率不如固定信道分配（FCA）。此外，如存在剩余信道资源不足时，DCA也无法发挥作用。

2、TD-SCDMA系统无线组网对关键技术的考虑

　　无线组网的主要工作是小区规划，衡量组网效果主要考虑4个方面的指标，即容量（移动用户数量）、覆盖（小区服务范围）、质量（QoS）、和成本（网元数量），这些指标是相互制约的，只能在平衡得失后折衷考虑。据估计，TD-SCDMA系统无线网络部分的投资接近总投资的2/3，进行合理的无线网络规划可大大降低投资成本，特别要考虑TD-SCDMA关键技术对相关指标的影响。下面将仅对容量、覆盖和成本进行有关分析。

　　2.1　TD-SCDMA容量规划需要考虑的因素

　　TD-SCDMA网络受到众多因素的影响，　网络的大小、覆盖的范围均取决于容量的需求，初期建网最关键的是话务负荷，归纳起来，影响TD-SCDMA容量规划的主要因素有以下几个方面。

　　（1）TD-SCDMA系统容量受限于码资源。

　　由于TD-SCDMA系统采用智能天线及JD技术后，通过智能天线的波束赋形的“空分特性”及在不同时隙分配信道的“时分特性”，可使系统自干扰非常小，因而系统容量不再受限于干扰，而主要受限于码资源。在容量规划时，主要问题在于需要基于不同的时隙配置可提供上、下行链路资源单元（RU）的数量，从而进行可提供的容量算法。在TD-SCDMA系统中，不同速率业务的承载是经过资源单元来估算的，在一个时隙中，一个扩频因子为16的码道为一个 RU，对一个5 ms子帧中，6个时隙上下行链路总共可提供16个RU。每个时隙中，有着不同的用户，采用扩频码后，可保证同一时隙中不同扩频因子的扩频码是正交的。扩频码的作用是用于区分同一时隙中的不同用户，因此，信道扩频码数量越多，扩频码平均正交性越好，小区容量越高。

　　（2）智能天线性能对系统容量的影响

　　在进行TD-SCDMA系统容量规划时，要充分考虑智能天线的影响。在街道密集的市区，由于建筑物等的穿透损耗影响，应考虑智能天线不能工作在理想情况，容量减少；在郊区且用户移动速度不大时，可不考虑多谱勒频移的影响，可认为智能天线工作在理想情况，系统容量可增大；在室内环境，对容量规划按全向天线特性进行。为了充分发挥智能天线的优势，提高系统容量，目前正在探讨在同一小区或扇区内分配多扰码的方案。前述智能天线存在的两个问题，还有待在无线组网时进行合理解决。此外，TD-SCDMA的智能天线赋形和分时隙规划也给规划软件的计算带来极大的负担和挑战。

　　（3）DCA技术的影响

　　DCA技术能有效分配空、时、频、码信道资源，可提高系统容量。在进行网络容量规划时，要设置一定的剩余信道资源，否则，DCA不能有效发挥作用，综合考虑系统容量与DCA之间的关系是容量规划的重要环节之一。采用慢速DCA技术可避免不同相邻基站间存在的交叉时隙干扰，如存在交叉时隙干扰，还应采用快速DCA算法，使干扰影响最小。

　　（4）同频或异频组网的影响

　　TD-SCDMA系统组网的最大问题在于解决相邻小区的同频干扰，由于JD算法仅能应用于小区内，不能解决同频干扰问题（邻区内），为此，系统容量规划时，要考虑一定的余量，以充分发挥DCA的优点，这样，必然损失系统容量。为了解决同频干扰对组网的风险，可采用异频组网方案，以有效解决邻小区同频干扰。但进行异频组网时，需要重点探讨核心频段的15 MHz内的9个频点上的频率规划方案。异频组网的频谱利用率远低于同频组网。在组网初期，用户数量较少，异频组网可满足容量要求，随着用户的增加，系统必将扩容，9个频点很难满足扩容要求，从远期看，异频组网有可能过渡到同频合理组网的方案。

　　2.2　TD-SCDMA覆盖规划需要考虑的因素

　　（1）传播模型的选择。

　　传播模型选择是无线覆盖规划的重要前提，其中，无线传播损耗是关键参数，此参数与频率、距离、天线高度等参量有关。为了提高预测的准确性，一般采用“分段传播模型”和“传播模型校准”的方法。对TD-SCDMA系统，由于其TDD时分特性和采用智能天线具有的空分特性，使干扰源与有用信号在时、空上错开，干扰显得不太重要，最主要的是对有用信号的预测，而有用信号一般来自距离较近的宿主基站。因此，在传播模型的选择上，TD-SCDMA系统以采用短距离传播模型为宜。在实际组网时，可实测无线传播损耗，以满足TD-SCDMA移动用户的接收参考灵敏度，从而确定覆盖范围大小。

　　（2）智能天线和频段的影响。

　　由于TD-SCDMA系统的上、下行信道使用同一载频，上、下射频信道完全对称，从而有利于智能天线的使用。如前所述，智能天线的突出优点是可增加覆盖范围，其正常算法和参数是在物理层验证和系统调整的，而目前采用的性能评估是物理层和系统级分离的，其赋型增益的取值需进一步在商用网上进行实验确定，由于对不同业务需求的Eb/No要求不同，究竟采用多少也有必要通过商用网的实验结果来确定。

　　另外，由于受频段影响TD-SCDMA工作在2000 MHz附近，比800 MHz～900 MHz频段的2G系统要高出一倍以上，由于高频段电磁波空间传播路径损耗比低频段要大得多，因此其无线覆盖范围比2G系统要小。但根据相关分析，在TD- SCDMA帧结构中，由于有一个“保护时隙”（75微秒），用于保护和区分上、下行时隙，有可能实际小区最大半径达10 Km以上。

　　（3）穿透损耗的影响

　　由于TD-SCDMA系统的核心频段在2 GHz范围，小区建筑物和车辆的穿透损耗是影响无线覆盖的重要因素之一，对建筑物内部通信，在覆盖规划时，一般假设有15～30 dB的穿透损耗，对汽车要考虑3～6 dB。小区覆盖设计的重要准则在于对90%以上位置区域和99%时间内，使移动台和基站处的接收信号要满足TD-SCDMA系统规定的参考灵敏度。对基站收发信机，其门限为-108 dBm，对移动台为-104 dBm。

　　（4）承载业务速率的影响

　　在3G系统中，采用了多种速率的承载方式，而由于对不同速率承载的处理增益不同，要求的Eb/No值也不同，因而引起系统对不同速率承载的覆盖能力有明显的差别，通常承载速率越高的业务，其覆盖区域便变小。进行覆盖规划时，需满足连续覆盖的承载速率要求。从链路预算看，因TD-SCDMA的带宽窄，噪声较低，且在智能天线赋形和干扰余量等方面，得到较大的增益，其各种业务覆盖半径虽有不同，但差异较小。

　　（5）网络负荷的影响

　　TD-SCDMA是基于CDMA技术的，存在“小区呼吸效应”，即小区覆盖范围随负荷改变而改变，低负荷时，覆盖范围大；高负荷时，覆盖范围小。因此，必须考虑负荷水平对覆盖变化的影响。但对TD-SCDMA系统，因采用时分帧控的帧结构，即同一时隙码分的用户比较少，加之采用智能天线及JD 等关键技术，能最大限度消除码间干扰，故负荷变化对覆盖影响相对较小，这与WCDMA、CDMA2000完全码分的系统是不同的。

　　2.3　影响TD-SCDMA系统成本低的因素

　　前已提及，无线接入网部分约占组网成本的2/3，3G网络规划要以竞争优势和效益为原则，设法降低成本是保持优势的重要目标。TD-SCDMA与其它两个3G标准相比，系统设备成本低是其突出的优势，表现在以下方面：

　　（1）采用智能天线，在一定容量和覆盖前提下，可降低发射功率，其基站设备成本便可降低。

　　（2）采用同步CDMA技术，可简化基站硬件，从而降低基站成本。

　　（3）应用软件无线电技术，不仅可缩短产品开发周期，而且，以软件代替基站专用硬件芯片，无疑可大大降低成本。

　　（4）可在1.6 MHz的带宽上提供高达2 Mbit/s的数据业务，使单一基站支持的用户容量多，等效于系统组网费用降低。

　　对运营商来说，减少投资费用是主要的考虑因素，对组建一个TD-SCDMA网络提供无线覆盖的目标是为达到一定的容量、网络覆盖以及可接受的质量。

3、结语

　　本文论述了TD-SCDMA系统的关键技术及其优势与问题，并结合这些关键技术讨论了影响容量、覆盖及成本的主要因素。与WCDMA、 CDMA2000相比，TD-SCDMA在覆盖半径、切换区规划等方面，无线网络的规划难度降低了，但在智能天线性能等方面，其规划难度增加了。由于TD -SCDMA尚处于商用化前夕，其无线网络规划技术还有待在实践中逐步验证和完善。

参考文献

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