TD-SCDMA无线传输技术的突出特点

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    0  前言
    通过近10年的努力，TD-SCDMA已从一项技术上升为一项国际标准，然后再形成一个产业链。
    2006年，它必然成为我国部署3G网络的主角。根据业界的预测：到2008年，我国将会在大城市建成上亿用户的3G网络；到2010年，将有2亿以上的3G用户。那时，我国的3G时代才真正到来。
    在认识3G的3项主流国际标准，即cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA时，一定要仔细研究其技术特点，认真理解各项技术，要相信近8年来国际电联和3GPP，以及各国专家所认可的技术，相信3G是现阶段无线通信发展的必然阶段。
    本文介绍了TD-SCDMA移动通信技术的特点及其中无线传输技术的地位，然后分析其特点，并简要介绍TD-SCDMA的未来发展。
    １ 第三代移动通信系统的共同点
    在1999年11月5日召开的ITUTG8/1第18次会议上通过了输出文件IMT_RSPC[2]，标志着第三代移动通信标准的基本定型，TD-SCDMA、W-CDMA和cdma2000一起列入ITUIMT-RSPC，成为世界3大主流标准，然后由2个国际标准化组织3GPP和3GPP2分别制定和完善此3个主流标准。近年来，经过数千人数年的国际合作，标准均已基本定型。2006年1月，信息产业部也正式公布了我国的行业标准TD-SCDMA，标志着它将在近年内获得广泛应用。
    1．1第三代移动通信系统的主要目标
    a）具有高层次的业务质量，其中包括：
    （a）提高话音和数据质量，支持网络的无缝连接；
    （b）较好地解决传输误码和系统时延问题，因为移动数据业务对误码率和传输时延提出了更高的要求；
    （c）提高频谱利用率，从而增加系统容量，以满足话音及多种数据业务的要求。
    b）提供多种新型业务，包括宽带数据和视频业务。
    c）具有高度的系统灵活性。其灵活性表现在实现统一接口，以规范无线寻呼、陆地蜂窝、无绳电话、卫星移动通信等多种系统。该系统必须能与各种形式的广域网进行相互操作及网络集成。灵活性还包括多功能、多环境能力、多操作模式、多频段运行等，以实现全球无缝漫游。
    d）具有良好的系统兼容性能，首先必须能够与GSM等第二代移动通信系统兼容。
    1.2第三代移动通信系统的主要要求[1]
    因为3G考虑的业务是移动多媒体，即可以同时传输话音和数据，对数据传输，移动通信的主要问题是传输速率。为此，对3G及3G后的系统的主要要求就是如何利用无线手段来传输足够高的数据速率。简单地说，2005年前，在低速移动时，要求传输速率为384kbit/s；高速移动时为64或128kbit/s。2005年后，低速移动时应传输2~10Mbit/s的数
    据；而2008年以后，则应当对每个用户提供传输至100Mbit/s的能力。对移动速度，则最高应能达到500km/h。
    1.3第三代移动通信网络
    第三代移动通信由卫星移动通信网和地面移动通信网所组成。它们将形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区各种用户密度及高速移动（对TDD方式为120km/h，FDD方式为500km/h）的需求，并支持话音、数据和多媒体等多种业务，最高速率可达2Mbit/s以上，基本满足个人通信的要求。
    本文着重介绍3GPP对第三代移动通信网络的概念，其定义的网络拓扑如图1所示，并对其简单说明如下：
    a）核心网：它是移动网络的核心，在3G初期，将从GSM网络概念出发：在电路域（如电话等业务）仍然采用程控交换技术；对包交换数据，使用GPRS类似的方法，基于ATM的技术。2005年后，向全IP技术过渡。
    b）无线接入网：完成用户终端向核心网络进行无线接入的全部处理，是移动网络的最主要部分。
    c）用户终端：它不仅是2G的手持机，而更可能是功能完善的智能个人终端。
    d）连接各设备之间的接口：无线接入网到核心网之间的Iu接口、RNC之间的Iur接口、RNC与Node_B之间的Iub接口以及终端和无线接入网之间的Uu接口。
    对WCDMA和TD-SCDMA来说，此网络结构是完全相同的，它们所提供的业务也将是完全相同的。
    2  3G无线传输技术（RTT）
    各种移动通信标准的区别在于所使用的无线传输技术，而传输技术是根据物理层技术而设计的，且物理层技术是进步最为显著、涉及知识产权最多的部分，也是竞争的焦点。
    3  TD-SCDMA的主要优势
    作为一种ITM-2000的无线传输技术，TD-SCDMA的核心是使用智能天线等新技术，尽可能地提高CDMA系统的频谱利用率，满足IMT-2000的要求。简单地说，TD-SCDMA就是一种基于智能天线的时分双工、同步CDMA系统。
    本文不可能全面介绍TD-SCDMA系统和标准（有兴趣的读者可参阅参考文献3），而只着重介绍其与其他RTT不同的，具有优势的核心技术。
    3.1时分双工方式及帧结构
    TD-SCDMA采用了TDD双工方式，设计了1个多时隙的帧结构，它将3GPP标准中的1个10ms的无线帧分为2个子帧，每个子帧又设计了7个业务时隙，此外，还有上下行导引时隙（DwPTS和UpPTS）和作为收发间隔的保护时隙（G）。
    将时隙设计得比较小，并使用子帧的目的是为了支持智能天线的应用；设计导引时隙是为了实现同步CDMA。在每个基本业务单元中，将业务数据安放在单元的两边；中间设计了中间码（Midamble），应用于同步及信道估计，为使用联合检测而准备的，并将缺少保护和纠错的物理层信令安放在中间码两旁。整个帧结构设计方法是我们所特有的，是为满足系统技术而设计的[3]。
    使用此帧结构，可以灵活配置上下行时隙，提供满足各种要求的不对称业务（从上下行1∶6到6∶1）的TDD双工工作方式。众所周知，TDD与FDD双工方式相比有如下优点：
    a）只需要单一载波频率，频谱使用有较高的灵活性；
    b）上下行使用相同载波频率，可以通过对上行链路的估值获得上下行电波传播特性，便于使用诸如智能天线、预Rake接收等技术以提高系统性能；
    c）便于支持上下行不对称业务；
    d）产品简单，成本低。
    但是，TDD采用不连续接收和发射，在对抗多径衰落及多普勒频移等方面不如FDD。20世纪80年代以来，均认为TDD方式主要使用于微小区，难以支持较大的小区范围和较高的移动速度。
    在TD-SCDMA系统中，采用智能天线技术加上联合检测技术克服了TDD方式的缺点，在小区覆盖方面和WCDMA相当，支持的移动速度也达到250km/h，完全满足单独组网的要求。
    3.2智能天线和联合检测
    参见前一章中对CDMA系统问题的描述，要使CDMA系统自干扰问题获得解决的一条途径就是使用智能天线。如果天线能够自适应地提供一个波束，只接收此波束方向内的信号，则干扰将大幅度地降低。简单计算，如果此天线波束宽度只有小区覆盖的1/m，则干扰将降低到1/m，系统容量可能增加m倍。此外，前面讨论的TDD双工方式所存在的问题，采用智能天线也能得到解决。
    一个具有智能天线的TDD基站设备由多只天线单元组成的天线阵和与各个天线单元连接的，相干工作的射频收发信机及基带数字信号处理器等主要部分构成。简单地说，此智能天线的工作原理为：来自各接收机的信号首先进行解扩，然后对各码道的接收数据进行合并，得到来波方向（DOA）及接收波束赋形，然后，再进行后续信号处理。而对发射信号，首先根据DOA加上对每个天线的权重，实现发射波束赋形，再交各个发射机，通过天线发射出去。当天线阵的单元数足够多，此接收和发射波束就可能足够窄，CDMA系统的容量就可能达到所使用扩频码的数量，使CDMA系统的容量优势充分发挥出来。
    但是，智能天线并不能克服时延较长（如达到或者超过一个码片宽度）的多径。为此，在TD-SCDMA系统中，我们将智能天线和联合检测算法联合使用，以充分发挥两者的优势。众所周知，联合监测是一种多用户检测方法，比单用户检测（如Rack）性能要好，但算法复杂，其复杂度与CDMA的扩频码道数成2次方以上的速度增加。TD-SCDMA采用的最大扩频系数只有16，故可以接受其复杂性而使用其高性能。
    3．3独特的无线资源管理技术
    在CDMAFDD系统中，每个小区内只有一种无线资源（即码），不同业务分配不同扩频码。而这些码又是相互干扰的，每一个新用户的接入，特别是要求高数据速率用户的接入将使整个系统的干扰情况全部变化，对其他正在通信的用户通信质量有明显影响，无线资源管理必须采取行动来处理。故在用户接入、码的分配与管理等方面的技术受到广泛关注，除复杂外，往往还受到很多限制。
    在TD-SCDMA系统中，每个小区内将有3种无线资源（即载波频率、时隙及码）。其中，载波频率和时隙都是相互正交的，只有码之间存在干扰。这样，无线资源管理的难度就大大降低，并非常有效。特别对快速信道动态分配和下行功率控制两个无线资源管理的主要功能，可以大大提高系统容量和通信质量，由于TD-SCDMA系统无线资源的正交特性而可以充分发挥作用。
    3.4易于进行网络规划
    众所周知，CDMA系统有一个特点，即给定发射功率后，扩频系数越大，小区的覆盖越大。对一个移动通信系统，小区的覆盖基本上由手持机的发射功率所限制。
    图3示出了TD-SCDMA和WCDMA系统在手持机最大发射功率为24dBm条件下的小区半径和数据传输速率的关系（城市内手持机环境）。显然，由于WCDMA只有码一种资源，其小区覆盖随数据传输速率变化非常明显，远远超过TD-SCDMA，这样就给网络规划带来了困难。
    3．5其他特殊技术
    作为一个完整的系统，在TD-SCDMA无线接入技术中，还包括了下述一系列和别的3G标准不同的、更有效的技术：
    a）上行同步：众所周知，同步CDMA可以充分发挥扩频码正交的特点，使系统具有更好的特性和更高的容量。问题在于用什么技术来实现同步CDMA？花多大的代价来实现同步CDMA？
    在TD-SCDMA系统中，同步是基于帧结构来实现的，并使用一套开环和闭环控制的技术来保持。这样，TD-SCDMA系统几乎没有花代价，就实现了同步CDMA。
    当然，由于移动通信所处的、具有多径的电波传播环境，使真正的同步CDMA无法实现。故TD-SCDMA系统实现上行同步的主要作用在于简化基站的信号处理过程，使智能天线更有效的工作。
    b）接力切换：传统移动通信系统在用户终端切换中都采用硬切换，对数据传输是不利的。CDMA（IS-95）系统采用了软切换，是一个大的进步。但采用软切换要付出占用更多网络及无线信道作为代价，特别当所有无线信道资源（码）都可以作为业务使用时，使用软切换的代价就太高了。
    接力切换的概念是充分利用TDD双工方式的特点，即不连续接收和发射。另外，由于在TDD系统中，上下行链路的电波传播特性相同，可以通过开环控制实现同步。这样，当终端在切换前，首先和目标基站实现同步，并获得开环测量的功率和同步所需要的参数。切换时，原基站和目标基站同时和此终端通信，在不产生任何中断情况下就实现了切换。这样，接力切换具有软切换的主要优点，但又克服了软切换的缺点。而且，接力切换可以在工作载波频率不同的基站间进行，比软切换的适用范围大大推广了。
    c）动态信道分配：TDD系统中的动态信道分配（DCA）是一项重要技术。在TD-SCDMA系统中，将DCA和智能天线波束赋形结合进行考虑，部分引入空分多址（SDMA）概念，将使DCA的手段大大增强。这对相邻小区使用不同上下行比例业务有非常明显的效果。
    4  发展方向
    移动通信在市场和技术两个驱动力的作用下，在过去20年间获得了高速发展。在移动通信领域内，发展最快的又是其物理层技术。TD-SCDMA作为一个国际标准，即将得到我国和全世界的应用，但也承受着巨大的发展压力。在未来的5~10年内，移动通信将支持更高的移动速度和更高的数据速率，TD-SCDMA技术也将继续发展，其主要发展方向可能在下面几个方面：
    a）多载波TD-SCDMA，最大使用12个载波，占用20MHz的带宽；
    b）使用更高的QAM、频谱效率更高的调制方式；
    c）多天线收发技术，包括智能天线、空间分集、时空编码等技术；
    d）结合其他多址技术，如OFDM；
    e）下一代网络（NGN）。
    总的说来，目前移动通信技术发展中最受学术和工程界关注的两个主要方向是TDD系统和天线技术。非常荣幸的是这两个方向都是TD-SCDMA系统考虑的出发点。而目前TD-SCDMA系统所使用的技术还远远没有达到此两个方向所可能达到的水平，还有大量改进、完善、甚至完全重新设计的空间。目前，国际上正在制定长期演进（LTE）的有关标准，预计在2010年以后投入商用。
    参考文献
    1ITU-R建议M.1225.Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000，1997
    2ITU-R建议M.1457.Detailed specifications of the radio interfaces of International Mobile Telecommunications-2000 （IMT-2000），2000
    3李世鹤.TD-SCDMA第三代移动通信系统标准. 北京：人民邮电出版社，2003
     作者：李世鹤