TD-SCDMA的發(fā)展與增強(qiáng)

摘要　TD-SCDMA以其具有的明顯優(yōu)勢被3GPP接受并作為3個(gè)3G主流國際標(biāo)準(zhǔn)之一。隨著研究的深入，TD-SCDMA即將投入商用并不斷演進(jìn)和發(fā)展，在此背景下本文對TD-SCDMA發(fā)展和增強(qiáng)的途徑、發(fā)展和增強(qiáng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了介紹。

1、TD-SCDMA的特點(diǎn)

TD-SCDMA無線傳輸方案是FDMA、TDMA和CDMA 3種基本傳輸模式的靈活結(jié)合。它采用直接序列擴(kuò)頻、低碼片速率的TDD（時(shí)分雙工）模式，碼片速率為1.28 Mchip/s，載波帶寬為1.6 MHz。TD-SCDMA采用了TDD方式，這使得它具有區(qū)別于其他兩種標(biāo)準(zhǔn)的突出特點(diǎn)。

TD-SCDMA在系統(tǒng)性能方面具有明顯的競爭優(yōu)勢：系統(tǒng)容量大，抗干擾能力強(qiáng)，頻譜利用率高，系統(tǒng)可以在帶寬為1.6 MHz的單載波上提供高達(dá)2 Mbit/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和48路語音通信。TD-SCDMA不需要成對的工作頻段，這對緩解當(dāng)前移動(dòng)頻段資源緊張的問題是極為重要的。由于其節(jié)約了大量昂貴的頻譜資源，同時(shí)采用低碼片速率以及對基站射頻設(shè)計(jì)采取有效措施，顯著地降低了硬件設(shè)備制造的技術(shù)難度，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的投資費(fèi)用大幅度降低。TD-SCDMA能夠提供第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)所規(guī)定的各種業(yè)務(wù)，包括高質(zhì)量的語音、寬帶數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務(wù)，尤其適合今后將迅速發(fā)展的IP等非對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

2、TD-SCDMA發(fā)展和增強(qiáng)的途徑

TD-SCDMA發(fā)展和增強(qiáng)的目標(biāo)是提高系統(tǒng)在更高的移動(dòng)速度條件下的容量和頻譜效率。對于語音業(yè)務(wù)，目標(biāo)是提高系統(tǒng)能容納的用戶數(shù)量和增大系統(tǒng)的覆蓋半徑。對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，目標(biāo)是提高峰值數(shù)據(jù)率和系統(tǒng)的吞吐量以及覆蓋半徑，降低服務(wù)的時(shí)延。

TD-SCDMA發(fā)展和增強(qiáng)需要對全新的蜂窩系統(tǒng)進(jìn)行大量的投資。系統(tǒng)升級的一條基本準(zhǔn)則是實(shí)現(xiàn)平滑的發(fā)展，以對現(xiàn)有的資源進(jìn)行充分利用。通過對系統(tǒng)進(jìn)行最小的修改來獲得最大的系統(tǒng)性能的加強(qiáng)，保護(hù)現(xiàn)有投資以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益。

考慮到TD-SCDMA系統(tǒng)的現(xiàn)狀和未來需求，TD-SCDMA系統(tǒng)的發(fā)展和增強(qiáng)主要經(jīng)歷以下幾個(gè)階段：TSM（TD-SCDMA system for mobile）、LCR（low chip rate）、HDR（high data rate）、B3G TDD和4G，如圖1所示。

圖1　TD-SCDMA的演進(jìn)

（1）TSM

TSM是TD-SCDMA系統(tǒng)發(fā)展的第一個(gè)階段，其核心網(wǎng)與GSM/GPRS兼容。TSM是基于GSM的網(wǎng)絡(luò)，保留了GSM網(wǎng)絡(luò)的大部分組成，包括BSC、MSC等，但是其空中接口改為了TD-SCDMA，并且與LCR類似，因此TD-SCDMA獲得了比GSM更高的頻譜效率并可提供更高的數(shù)據(jù)速率。由于TSM基于成熟的GSM高層協(xié)議棧，因此網(wǎng)絡(luò)建設(shè)非常容易。出于同樣的原因，介于2G和3G之間的TSM，不僅能使2G到3G之間的過渡非常平滑，還能節(jié)省時(shí)間和投資。對于沒有GSM網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營商，這個(gè)階段可以被跳過。

（2）LCR

LCR能提供所有3G要求的服務(wù)，并且已作為IMT-2000 RTT 的一種被ITU和3GPP接受。LCR采用了3GPP和TD-SCDMA的高層協(xié)議棧和空中接口，滿足ITU的所有需求。

LCR可以支持3個(gè)版本的3GPP的核心網(wǎng)。由于在物理層可以完全兼容，TSM和LCR能夠在同一個(gè)RAN（無線接入網(wǎng)）中共存。

（3）HDR

HDR是TD-SCDMA發(fā)展和增強(qiáng)的階段。相比于最初的TD-SCDMA，HDR能提供更高的傳輸性能和覆蓋能力。基于MIMO AMC、HARQ（混合自動(dòng)重傳請求）等，HDR能提供比HSDPA（高速下行分組接入）和cdma2000 EV-DO更高的數(shù)據(jù)傳輸能力。在本階段，HDR和LCR能共存于同一個(gè)RAN（無線接入網(wǎng)）中。

（4）B3G TDD

在這一階段，B3G TDD系統(tǒng)被啟動(dòng)，TD-SCDMA依然具有良好的兼容性，因此TD-SCDMA的HDR、LCR和B3G TDD系統(tǒng)能夠在同一個(gè)RAN中共存。B3G的發(fā)展將會(huì)持續(xù)相當(dāng)長的時(shí)間，其發(fā)展過程中非常重要的一點(diǎn)是要能實(shí)現(xiàn)平滑的演進(jìn)。

TD-SCDMA和B3G TDD之間主要有以下幾個(gè)共同點(diǎn)：

●相同的幀長度和相似的幀結(jié)構(gòu)；

●都是基于軟件無線電；

●都采用了上行同步；

●都是基于全I(xiàn)P核心網(wǎng)；

●相似的多址方案：TDMA、FDMA、CDMA、SDMA。

關(guān)于平滑演進(jìn)的考慮有以下兩點(diǎn)：

●物理層。保持相同的幀周期和公共時(shí)隙，如同步時(shí)隙。

●高層協(xié)議。TD-SCDMA的高層協(xié)議與WCDMA非常類似，因此，B3G TDD的設(shè)計(jì)也應(yīng)該使得其高層協(xié)議與WCDMA和TD-SCDMA相兼容，這樣就保證了高層協(xié)議的平滑發(fā)展。

（5）4G

在這一階段，TD-SCDMA將與4G、5G以及其他系統(tǒng)共存。這是由于各代系統(tǒng)的發(fā)展非常迅速，新的系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)將可能每10年發(fā)展一代，而對移動(dòng)通信系統(tǒng)的投資非常巨大，所以一種現(xiàn)有的系統(tǒng)不會(huì)在新系統(tǒng)出現(xiàn)后很快消失，而是會(huì)與新系統(tǒng)共存相當(dāng)長的時(shí)期，相互合作、相互競爭。換句話說，即使在4G甚至5G出現(xiàn)后，TD-SCDMA也將會(huì)繼續(xù)存在。

3、TD-SCDMA發(fā)展和增強(qiáng)中的關(guān)鍵技術(shù)

TD-SCDMA發(fā)展和增強(qiáng)中的關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾種。

（1）多用戶檢測

多用戶檢測是寬帶CDMA通信系統(tǒng)中抗干擾的關(guān)鍵技術(shù)。在實(shí)際的CDMA通信系統(tǒng)中，各個(gè)用戶信號之間存在一定的相關(guān)性，這就是多址干擾存在的根源。由個(gè)別用戶產(chǎn)生的多址干擾固然很小，可是隨著用戶數(shù)的增加或信號功率的增大，多址干擾就成為寬帶CDMA通信系統(tǒng)的一個(gè)主要干擾。由于傳統(tǒng)的檢測技術(shù)完全按照經(jīng)典直接序列擴(kuò)頻理論對每個(gè)用戶的信號分別進(jìn)行擴(kuò)頻碼匹配處理，因而抗多址干擾能力較差。多用戶檢測技術(shù)在傳統(tǒng)檢測技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對單個(gè)用戶的信號進(jìn)行檢測，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠(yuǎn)近效應(yīng)問題，降低了系統(tǒng)對功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用鏈路頻譜資源，顯著提高系統(tǒng)容量。隨著多用戶檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，各種不是特別復(fù)雜的高性能的多用戶檢測器算法不斷被提出，在4G實(shí)際系統(tǒng)中采用多用戶檢測技術(shù)將是切實(shí)可行的。

（2）智能天線

在工程應(yīng)用中，TD-SCDMA系統(tǒng)由于結(jié)合了智能天線技術(shù)和多用戶檢測的迫零塊線形均衡（ZF-BLE）技術(shù)的優(yōu)勢從而實(shí)現(xiàn)了很高的性能。與傳統(tǒng)的多扇區(qū)或全向天線不同，典型的TD-SCDMA系統(tǒng)配置的智能天線是由8個(gè)天線元素組成的天線陣列。

智能天線在上行鏈路采用空分技術(shù)，下行采用波束成型技術(shù)。而由于TDD的特點(diǎn)，可以很容易地使用上行鏈路的波束成型矩陣得到下行鏈路的波束成型矩陣，而且上下行鏈路具有對稱的傳輸性能。在TD-SCDMA系統(tǒng)的發(fā)送端，智能天線根據(jù)接收到的移動(dòng)臺(tái)的信號在天線陣上產(chǎn)生的相位差，利用DSP算法提取出移動(dòng)臺(tái)的位置信息。利用這個(gè)位置信息可以在基站的天線陣產(chǎn)生多個(gè)波束賦形，每個(gè)波束指向一個(gè)特定的移動(dòng)臺(tái)并不斷地跟蹤它，從而可以有效地減少同頻干擾，提高下行鏈路的容量。在接收端，智能天線通過空間選擇性分集，可以大大提高接收機(jī)的靈敏度，有效合并多徑分量，抵消多徑衰落，提高上行鏈路容量。

（3）軟件無線電

軟件無線電是將標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個(gè)通用硬件平臺(tái)，利用軟件加載方式來實(shí)現(xiàn)各種類型的無線電通信系統(tǒng)的一種具有開放式結(jié)構(gòu)的新技術(shù)。軟件無線電的核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用寬帶A/D和D/A變換器，并盡可能多地用軟件來定義無線功能，各種功能和信號處理都盡可能用軟件實(shí)現(xiàn)。其軟件系統(tǒng)包括各類無線信令規(guī)則與處理軟件、信號流變換軟件、信源編碼軟件、信道糾錯(cuò)編碼軟件、調(diào)制解調(diào)算法軟件等。軟件無線電使得系統(tǒng)具有靈活性和適應(yīng)性，能夠適應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò)和空中接口，并且它能支持采用不同空中接口的多模式手機(jī)和基站，能實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用的可變QoS。

（4）動(dòng)態(tài)信道分配

動(dòng)態(tài)信道分配（DCA）的目的是進(jìn)一步減少干擾，增加系統(tǒng)容量。與2G系統(tǒng)使用固定信道分配（FCA）不同，3G系統(tǒng)提供的各種各樣的對稱和非對稱服務(wù)需要更加靈活的信道分配體制，采用DCA策略可確保蜂窩系統(tǒng)能預(yù)見在不同的負(fù)載情況下需要分配的無線資源，因此能有效增加傳輸量，減少干擾，增加系統(tǒng)容量。

TD-SCDMA系統(tǒng)繼承了CDMA和TDMA的優(yōu)點(diǎn)，一個(gè)典型的物理信道可以被載波頻率、時(shí)隙和擴(kuò)頻碼共同確定。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，DCA算法由RNC集中執(zhí)行。具體而言，RNC綜合各種信息，包括路徑損耗，可用的頻率、時(shí)隙等，為目標(biāo)終端附近的若干小區(qū)分配可用資源。在實(shí)際操作中，信道動(dòng)態(tài)分配分為兩個(gè)階段：第一個(gè)階段是當(dāng)呼叫建立時(shí)，執(zhí)行慢速DCA對信道進(jìn)行分配；第二個(gè)階段是當(dāng)呼叫接入后，為了保證業(yè)務(wù)質(zhì)量RNC使用快速DCA對資源進(jìn)行再分配。

（5）接力切換

接力切換技術(shù)是TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵特征，該技術(shù)利用了軟切換與硬切換技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。基于同步CDMA和智能天線技術(shù)的信息，接力切換具有相當(dāng)高的效率，這是因?yàn)橄到y(tǒng)能對移動(dòng)終端進(jìn)行精確的定位。

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，接力切換同時(shí)支持同頻率切換和不同頻率切換，而且具有相當(dāng)高的切換精度。在與不同系統(tǒng)的切換過程中，其切換時(shí)延與在TD-SCDMA系統(tǒng)內(nèi)切換的時(shí)延比較接近。接力切換的過程由4步組成：首先，移動(dòng)終端監(jiān)聽當(dāng)前基站的廣播信道以獲得鄰近小區(qū)的信息，包括位置、頻率、能量級、傳輸時(shí)延等；當(dāng)移動(dòng)終端發(fā)現(xiàn)處于切換極限時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出切換命令；此時(shí)，移動(dòng)臺(tái)給目標(biāo)基站發(fā)出上行導(dǎo)頻信號和閉環(huán)同步信號，同時(shí)保持與原基站信號和服務(wù)的聯(lián)系；在信號聯(lián)系（例如與目標(biāo)基站進(jìn)行開環(huán)同步）被建立之后，移動(dòng)終端中斷與原基站的服務(wù)連接并與目標(biāo)基站建立連接。

（6）MIMO

MIMO（多輸入多輸出）技術(shù)是指利用多發(fā)射、多接收天線進(jìn)行空間分集的技術(shù)，它采用的是分立式多天線，能夠有效地將通信鏈路分解成許多并行的子信道，從而大大提高系統(tǒng)容量。信息論已經(jīng)證明，當(dāng)不同的接收天線與不同的發(fā)射天線之間互不相關(guān)時(shí)，MIMO系統(tǒng)能夠很好地提高系統(tǒng)的抗衰落和抗噪聲性能，從而獲得巨大的容量。例如：當(dāng)接收天線和發(fā)送天線數(shù)目都為8根，且平均信噪比為20 dB時(shí)，鏈路容量可以高達(dá)42 bit/s/Hz，這是單天線系統(tǒng)所能達(dá)到容量的40多倍。因此，在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術(shù)是實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率，提高系統(tǒng)容量、傳輸質(zhì)量的空間分集技術(shù)。在無線頻譜資源相對匱乏的今天，MIMO系統(tǒng)已經(jīng)體現(xiàn)出其優(yōu)越性，也會(huì)在4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中繼續(xù)應(yīng)用。

除了以上討論的關(guān)鍵技術(shù)外，TD-SCDMA系統(tǒng)還采用了許多其他的先進(jìn)技術(shù)，如上行同步和統(tǒng)一的低碼片速率等，這些技術(shù)都有助于提高系統(tǒng)的性能并能在很大程度上提高頻譜利用率。