TD-SCDMA的發(fā)展與增強

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

1、TD-SCDMA的特點

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合。它采用直接序列擴頻、低碼片速率的TDD（時分雙工）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)別于其他兩種標準的突出特點。

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，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2 Mbit/s的數(shù)據(jù)業(yè)務和48路語音通信。TD-SCDMA不需要成對的工作頻段，這對緩解當前移動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，同時采用低碼片速率以及對基站射頻設計采取有效措施，顯著地降低了硬件設備制造的技術難度，整個網(wǎng)絡的投資費用大幅度降低。TD-SCDMA能夠提供第三代移動通信系統(tǒng)所規(guī)定的各種業(yè)務，包括高質(zhì)量的語音、寬帶數(shù)據(jù)和多媒體業(yè)務，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。

2、TD-SCDMA發(fā)展和增強的途徑

TD-SCDMA發(fā)展和增強的目標是提高系統(tǒng)在更高的移動速度條件下的容量和頻譜效率。對于語音業(yè)務，目標是提高系統(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，目標是提高峰值數(shù)據(jù)率和系統(tǒng)的吞吐量以及覆蓋半徑，降低服務的時延。

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

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)展和增強主要經(jīng)歷以下幾個階段：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

（1）TSM

TSM是TD-SCDMA系統(tǒng)發(fā)展的第一個階段，其核心網(wǎng)與GSM/GPRS兼容。TSM是基于GSM的網(wǎng)絡，保留了GSM網(wǎng)絡的大部分組成，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)絡建設非常容易。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)省時間和投資。對于沒有GSM網(wǎng)絡的運營商，這個階段可以被跳過。

（2）LCR

LCR能提供所有3G要求的服務，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RAN（無線接入網(wǎng)）中共存。

（3）HDR

HDR是TD-SCDMA發(fā)展和增強的階段。相比于最初的TD-SCDMA，HDR能提供更高的傳輸性能和覆蓋能力�；�于MIMO AMC、HARQ（混合自動重傳請求）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RAN（無線接入網(wǎng)）中。

（4）B3G TDD

在這一階段，B3G TDD系統(tǒng)被啟動，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RAN中共存。B3G的發(fā)展將會持續(xù)相當長的時間，其發(fā)展過程中非常重要的一點是要能實現(xiàn)平滑的演進。

TD-SCDMA和B3G TDD之間主要有以下幾個共同點：

●相同的幀長度和相似的幀結構；

●都是基于軟件無線電；

●都采用了上行同步；

●都是基于全IP核心網(wǎng)；

●相似的多址方案：TDMA、FDMA、CDMA、SDMA。

關于平滑演進的考慮有以下兩點：

●物理層。保持相同的幀周期和公共時隙，如同步時隙。

●高層協(xié)議。TD-SCDMA的高層協(xié)議與WCDMA非常類似，因此，B3G TDD的設計也應該使得其高層協(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)和標準將可能每10年發(fā)展一代，而對移動通信系統(tǒng)的投資非常巨大，所以一種現(xiàn)有的系統(tǒng)不會在新系統(tǒng)出現(xiàn)后很快消失，而是會與新系統(tǒng)共存相當長的時期，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也將會繼續(xù)存在。

3、TD-SCDMA發(fā)展和增強中的關鍵技術

TD-SCDMA發(fā)展和增強中的關鍵技術包括以下幾種。

（1）多用戶檢測

多用戶檢測是寬帶CDMA通信系統(tǒng)中抗干擾的關鍵技術。在實際的CDMA通信系統(tǒng)中，各個用戶信號之間存在一定的相關性，這就是多址干擾存在的根源。由個別用戶產(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)的一個主要干擾。由于傳統(tǒng)的檢測技術完全按照經(jīng)典直接序列擴頻理論對每個用戶的信號分別進行擴頻碼匹配處理，因而抗多址干擾能力較差。多用戶檢測技術在傳統(tǒng)檢測技術的基礎上，充分利用造成多址干擾的所有用戶信號信息對單個用戶的信號進行檢測，從而具有優(yōu)良的抗干擾性能，解決了遠近效應問題，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的不斷發(fā)展，各種不是特別復雜的高性能的多用戶檢測器算法不斷被提出，在4G實際系統(tǒng)中采用多用戶檢測技術將是切實可行的。

（2）智能天線

在工程應用中，TD-SCDMA系統(tǒng)由于結合了智能天線技術和多用戶檢測的迫零塊線形均衡（ZF-BLE）技術的優(yōu)勢從而實現(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，下行采用波束成型技術。而由于TDD的特點，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)接收到的移動臺的信號在天線陣上產(chǎn)生的相位差，利用DSP算法提取出移動臺的位置信息。利用這個位置信息可以在基站的天線陣產(chǎn)生多個波束賦形，每個波束指向一個特定的移動臺并不斷地跟蹤它，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

軟件無線電是將標準化、模塊化的硬件功能單元經(jīng)過一個通用硬件平臺，利用軟件加載方式來實現(xiàn)各種類型的無線電通信系統(tǒng)的一種具有開放式結構的新技術。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)具有靈活性和適應性，能夠適應不同的網(wǎng)絡和空中接口，并且它能支持采用不同空中接口的多模式手機和基站，能實現(xiàn)各種應用的可變QoS。

（4）動態(tài)信道分配

動態(tài)信道分配（DCA）的目的是進一步減少干擾，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)能預見在不同的負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，一個典型的物理信道可以被載波頻率、時隙和擴頻碼共同確定。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、時隙等，為目標終端附近的若干小區(qū)分配可用資源。在實際操作中，信道動態(tài)分配分為兩個階段：第一個階段是當呼叫建立時，執(zhí)行慢速DCA對信道進行分配；第二個階段是當呼叫接入后，為了保證業(yè)務質(zhì)量RNC使用快速DCA對資源進行再分配。

（5）接力切換

接力切換技術是TD-SCDMA系統(tǒng)的關鍵特征，該技術利用了軟切換與硬切換技術的優(yōu)點�；�于同步CDMA和智能天線技術的信息，接力切換具有相當高的效率，這是因為系統(tǒng)能對移動終端進行精確的定位。

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，接力切換同時支持同頻率切換和不同頻率切換，而且具有相當高的切換精度。在與不同系統(tǒng)的切換過程中，其切換時延與在TD-SCDMA系統(tǒng)內(nèi)切換的時延比較接近。接力切換的過程由4步組成：首先，移動終端監(jiān)聽當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、傳輸時延等；當移動終端發(fā)現(xiàn)處于切換極限時，系統(tǒng)發(fā)出切換命令；此時，移動臺給目標基站發(fā)出上行導頻信號和閉環(huán)同步信號，同時保持與原基站信號和服務的聯(lián)系；在信號聯(lián)系（例如與目標基站進行開環(huán)同步）被建立之后，移動終端中斷與原基站的服務連接并與目標基站建立連接。

（6）MIMO

MIMO（多輸入多輸出）技術是指利用多發(fā)射、多接收天線進行空間分集的技術，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，當不同的接收天線與不同的發(fā)射天線之間互不相關時，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，鏈路容量可以高達42 bit/s/Hz，這是單天線系統(tǒng)所能達到容量的40多倍。因此，在功率帶寬受限的無線信道中，MIMO技術是實現(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。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，也會在4G移動通信系統(tǒng)中繼續(xù)應用。

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