基于同步碼分多址技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)----陳金岳 黃丹云

基于同步碼分多址技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)----陳金岳  黃丹云

摘要  中國(guó)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)（TD－SCDMA）是基于同步碼分多址技術(shù)（SCDMA）的
      未來(lái)陸地通信系統(tǒng)，它廣泛采用了智能天線和軟件無(wú)線電技術(shù)，工作于TDD方式。
      系統(tǒng)向下兼容在中國(guó)有廣大基礎(chǔ)的第二代GSM網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)支持電路交換和分組數(shù)
      據(jù)交換業(yè)務(wù)。TD－SCDMA相對(duì)于第二代移動(dòng)通信和其他的第三代移動(dòng)通倍建議，
      有更好的頻譜利用率，并且支持更為精確的接力切換概念和系統(tǒng)切換的概念。未
      來(lái)的系統(tǒng)將工作于ITU為IMT－20O0劃定的頻率范圍內(nèi)，完全滿足國(guó)際電信聯(lián)盟對(duì)
      IMT-2000所提出的各項(xiàng)要求。
關(guān)鍵詞  SCDMA  TD－SCDMA  IMT－2OOO  RTT

1  引言
    20世紀(jì)末，移動(dòng)通信技術(shù)和Internet技術(shù)的發(fā)展極大地影響了人們的生活、學(xué)習(xí)和
工作方式，二者的結(jié)合是信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的必然之路。人們對(duì)移動(dòng)通信的多媒體接入能力
提出了較高的要求，由于制式、技術(shù)以及其他各方面的原因，第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)在支
持全球漫游、頻譜利用率以及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)方面都有較大的不足，盡管GSM的Phase 2+支持
較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但是由于它只是對(duì)第二代移動(dòng)通信技術(shù)的補(bǔ)綴，并且是以犧牲其
他用戶的利益為代價(jià)的，對(duì)系統(tǒng)對(duì)用戶并不利。因而，ITU和世界上其他的電信標(biāo)準(zhǔn)實(shí)
體和研究單位都早已開(kāi)始了未來(lái)移動(dòng)通信的研究，以期望未來(lái)的移動(dòng)通信系統(tǒng)有較強(qiáng)的
多媒體接入能力、固定電話的線路質(zhì)量、更高的頻譜利用率，以及真正的全球漫游能
力。在滿足話音通信的同時(shí)，能滿足未來(lái)無(wú)所不及的移動(dòng)計(jì)算時(shí)代的需求。到1998年6月
30日ITU征求第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)建議的最后截止日，共收到了16份有關(guān)第三代移動(dòng)通信
的標(biāo)準(zhǔn)建議，其中陸地環(huán)境的10份，衛(wèi)星通信的6份，大部分由主要的工業(yè)國(guó)家提出。中
國(guó)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)是由北京信威通信公司代表中國(guó)電信技術(shù)研究院向ITU提交
的，它是由在廣泛試驗(yàn)和理論基礎(chǔ)之上的同步碼分多址無(wú)線本地環(huán)路系統(tǒng)演變而來(lái)，也
是中國(guó)在移動(dòng)通信領(lǐng)域所提出的第一個(gè)完整建議。
    中國(guó)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)采用 TDMA和 SCDMA作為系統(tǒng)接入的框架結(jié)構(gòu)，同時(shí)包含
有關(guān)同步接入的機(jī)理。系統(tǒng)在基站采用智能天線技術(shù)以提高系統(tǒng)接收靈敏度，消除同信
道干擾，抵消多徑，降低手機(jī)的發(fā)射功率（綠色手機(jī)的概念）。TDD雙工方式的采用可以
最大限度地提高接入的效率并簡(jiǎn)化智能天線的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為將來(lái)Internet的非對(duì)稱業(yè)務(wù)
提供了動(dòng)態(tài)碼道分配的前提，TDD方式的采用還適合于頻率不成對(duì)的部署環(huán)境。本文介紹
中國(guó)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)空中接口的主要技術(shù)參數(shù)和相應(yīng)的各種性能，作為系統(tǒng)根基的
SCDMA－WLL的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行結(jié)果，足以證明基于TD－SCDMA技術(shù)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的建議
是一套可行的成熟的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)同樣可以適用于基
于FDD的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)。
2   TD－SCDMA的無(wú)線傳輸技術(shù)
    TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)建議所采用的空中接口技術(shù)是最為先進(jìn)的傳輸技術(shù)之一，TDD類的標(biāo)準(zhǔn)
建議容易融合進(jìn)各種各樣的先進(jìn)技術(shù)，如智能天線技術(shù)、同步CDMA技術(shù)以及軟件無(wú)線電
技術(shù)，同時(shí)這可以避免FDD－CDMA技術(shù)領(lǐng)域諸多專利的糾紛。TD－SCDMA技術(shù)相對(duì)于其他
第三代移動(dòng)通信的標(biāo)準(zhǔn)有較多的優(yōu)勢(shì)。表1為T(mén)D-SCDMA的無(wú)線參數(shù)。
    （l）RF信道
    從表1中可以看出，TD－SCDMA系統(tǒng)將工作于ITU劃定的頻段內(nèi)，每一載波帶寬為1.6M-
Hz，擴(kuò)頻后的碼片速率大約為l.3542 Mchip／s，預(yù)留2O0 kHz作為頻率合成器的步長(zhǎng)。
    （2）系統(tǒng)的碼道
    每一個(gè)射頻碼道包括10時(shí)隙，去除保護(hù)時(shí)隙后，每一時(shí)隙平均長(zhǎng)度為 478 us，每一
個(gè)時(shí)隙又包含 16個(gè)Walsh區(qū)分的碼道，這些時(shí)隙和碼道通過(guò)使用直接擴(kuò)譜技術(shù)來(lái)共享同
一射頻信道。圖1為系統(tǒng)碼道的示意圖。圖中橫向代表每一幀的時(shí)隙數(shù)，共有10個(gè)；縱向
代表碼道數(shù)，共有16個(gè)。
    圖1中由每一時(shí)隙和碼道確定的物理信道（ Mux0d，Muxd，Mux0u，Muxu，Muxlu等）
可以作為資源單元，分配給任何一個(gè)用戶。G代表著上、下行業(yè)務(wù)的保護(hù)時(shí)隙，它可以保
證手機(jī)和基站之間 20 km的通信范圍。在每一時(shí)隙單元之間，還有8個(gè)碼片的保護(hù)時(shí)隙，
以防止不同時(shí)隙之間的重疊。UP代表著上行導(dǎo)標(biāo)序列，用于手機(jī)和基站間的接入，它是
一個(gè)長(zhǎng)度為96 bit的二進(jìn)制序列碼，用于上行接入碼道的區(qū)別。DP代表著下行接入序列，
它是長(zhǎng)度為128 bit的G0ld序列碼，用于對(duì)基站小區(qū)的識(shí)別，這一序列碼可以采用復(fù)用的
方式用于不同的基站，目的是用于正向接入信道。上述的碼道經(jīng)過(guò)動(dòng)態(tài)分配，可以支持
多至 2 O48 kbit／S的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但此時(shí)至少要有一個(gè)碼道用于上行的接入。圖1為數(shù)據(jù)
業(yè)務(wù)的對(duì)稱傳輸形式，即上下行業(yè)務(wù)各占用一半的資源單元。對(duì)于非對(duì)稱的業(yè)務(wù)，特別
是Internet業(yè)務(wù)可以使下行的資源單元多于上行的資源單元。圖2為一個(gè)基本的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
單元圖，即Mux的結(jié)構(gòu)圖示。
    圖 2的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以復(fù)用于下行或上行的碼道中，D／V／C代表著數(shù)據(jù)、語(yǔ)音和控
制信令。當(dāng)D／V／C全部為控制信令時(shí)，此時(shí)整個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)主要用于上、下行的接入。L1
是第一物理層的各種信令，它攜帶著功率控制、同步偏離、忙閑指示等信令。Midamble主
要用于聯(lián)合檢測(cè)，以消除同碼道的干擾。G的長(zhǎng)度為8個(gè)碼片，主要是為避免時(shí)隙與時(shí)隙之
間的重疊。
    （3）同步碼分多址技術(shù)（SCDMA）
    中國(guó)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)最為重要的特點(diǎn)是同步碼分多址技術(shù)，它意味著代表所有用
戶的偽隨機(jī)碼在到達(dá)基站時(shí)是同步的，由于偽隨機(jī)碼之間是同步正交性，因而這一系統(tǒng)可
以有效地消除碼間干擾，在系統(tǒng)容量方面將帶來(lái)極大的好處，它的系統(tǒng)容量是其他第三代
移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)的4～5倍。
    同步的建立過(guò)程是，當(dāng)一個(gè)手機(jī)加電工作時(shí)，它將接收來(lái)自基站的最強(qiáng)信號(hào)，通過(guò)解
相關(guān)獲得接收同步，并且從公共控制物理信道中獲得要求的信息。在接收同步建立之后，
手機(jī)用戶將開(kāi)始空中注冊(cè)。基站的響應(yīng)則是，接收注冊(cè)信息，搜尋發(fā)射的功率冗余度和同
步，并且將功率控制和同步偏移信息在下一個(gè)下行的公共控制物理通道中發(fā)送。手機(jī)將調(diào)
整它的發(fā)射功率和發(fā)射時(shí)間以建立起初始的同步。
    同步的維持依靠在每一個(gè)上行時(shí)隙中的EMPTY或者SYNC2序列（上行的接入幀除外），
只有當(dāng)這一時(shí)隙某一碼道分配的Walsh數(shù)和現(xiàn)行的幀號(hào)匹配時(shí)，SYNC2才有功率發(fā)射，而其
他手機(jī)雖然處于同一時(shí)隙，但由于被分配以不同的Walsh碼，它們的SYNC2轉(zhuǎn)到Empty狀態(tài)，
不進(jìn)行任何功率發(fā)射。這一設(shè)計(jì)的目的可以使基站以較少的干擾來(lái)接收SYNC2序列以維持
手機(jī)與基站的同步。在下行的幀中，同步偏移和功率控制信息被傳送給手機(jī)以進(jìn)行閉環(huán)的
功率控制和同步控制。
    （4）智能天線技術(shù)
    在中國(guó)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)建議中將采用智能天線技術(shù)，它由一個(gè)環(huán)形的天線陣列
和相應(yīng)的發(fā)送接收單元組成，由相應(yīng)的算法來(lái)控制。不同于傳統(tǒng)的全向天線只產(chǎn)生一個(gè)波
束，智能天線系統(tǒng)可以給出多個(gè)波束賦形，每一個(gè)波瓣對(duì)應(yīng)于一個(gè)特別的手機(jī)用戶，波束
也可以動(dòng)態(tài)地追蹤用戶。在接收方面，它可以實(shí)現(xiàn)空間選擇接收，不但能增加接收靈敏度，
而且還能將來(lái)自不同位置的手機(jī)的共碼道干擾降至最小以增加容量。智能天線的波束賦形
是雙向的，它在消除干擾的同時(shí)增大了CDMA系統(tǒng)的容量，并且也降低了基站的發(fā)射功率要
求，即便是有某個(gè)天線單元損壞，也不影響系統(tǒng)的工作。
    （5）切換技術(shù)
    中國(guó)的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)提出了接力切換的概念，它不同于硬切換和軟切換，是一
種嶄新的切換技術(shù)，主要原理是基于同步碼分多址技術(shù)和智能天線的結(jié)合。在移動(dòng)系統(tǒng)中，
對(duì)于移動(dòng)用戶的準(zhǔn)確定位一直是人們追求的目標(biāo)。TD－SCDMA系統(tǒng)可以利用天線陣列和同
步碼分多址技術(shù)中碼片周期的精巧測(cè)定，得出用戶的大體位置，在手機(jī)的輔助之下，伺服
的基站根據(jù)周圍的空中傳播條件和信號(hào)質(zhì)量，命令手機(jī)切換到信號(hào)更為優(yōu)良的
基站。它可以對(duì)整個(gè)基站網(wǎng)絡(luò)的容量進(jìn)行動(dòng)態(tài)地優(yōu)化分配，也可以實(shí)現(xiàn)不同系統(tǒng)之間的切
換。
    （6）軟件無(wú)線電技術(shù)
    DSP（數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)）技術(shù)的發(fā)展為軟件無(wú)線電技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提供了可能性。在本系
統(tǒng)中，許多由RF、基帶模擬電路和ASIC實(shí)現(xiàn)的傳統(tǒng)無(wú)線傳輸功能將由DSP技術(shù)來(lái)完成。這些
功能包括智能RF波束賦形、板內(nèi)RF校正、載波恢復(fù)以及定時(shí)調(diào)整。采用軟件無(wú)線電技術(shù)的
主要優(yōu)勢(shì)在于：通過(guò)軟件的方式靈活地完成硬件的功能；在重復(fù)性和精確性方面有獨(dú)特的
優(yōu)勢(shì)；不會(huì)老化也不對(duì)環(huán)境過(guò)分敏感；以簡(jiǎn)單的硬件成本實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的硬件功能；隨著DSP技
術(shù)的不斷發(fā)展，成本進(jìn)一步下降而性能則不斷增強(qiáng)。
3   TD－SCDMA系統(tǒng)的性能和特征
    基于TD－SCDMA的中國(guó)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)完全可以滿足ITU對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的
各項(xiàng)要求。它所具有的主要性能為：相對(duì)于第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)在容量和頻譜利用率方面
的改進(jìn)；多媒體業(yè)務(wù)的提供，除了傳統(tǒng)的語(yǔ)音業(yè)務(wù)之外，還提供基于分組的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；在
操作的靈活性方面，它完全向下兼容在中國(guó)占主導(dǎo)地位的第二代移動(dòng)通信網(wǎng)（GSM網(wǎng)）。
    （1）頻譜利用率
    頻譜利用率是ITU對(duì)第三代移動(dòng)通信提出的一個(gè)主要要求。在我們常見(jiàn)的第二代移動(dòng)通
信系統(tǒng)中，IS－95的CDMA技術(shù)提供了最高的頻譜利用率。對(duì)于CDMA這種自干擾系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，
假若能解決偽隨機(jī)碼之間的碼間干擾和遠(yuǎn)近問(wèn)題，那么系統(tǒng)將具有巨大的容量。TD-SCDMA
技術(shù)通過(guò)擴(kuò)頻碼之間的正交性并結(jié)合智能天線技術(shù)，提供的容量將是IS－95CDMA系統(tǒng)的4～
5倍，這已經(jīng)由SCDMA技術(shù)的無(wú)線本地環(huán)路的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行得以證實(shí)。
    TD-SCDMA系統(tǒng)容量是GSM的20倍，是其他第三代標(biāo)
準(zhǔn)的4倍。另外，由于采用了碼分多址技術(shù)，系統(tǒng)的部署不需要頻率規(guī)劃。再者，TD－SCD-
MA系統(tǒng)是工作于TDD方式的，它不需要像其他基于FDD的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)那樣需要成對(duì)
的頻率源，因而在頻率的利用方面更具有靈活性。
    （2）多媒體業(yè)務(wù)的提供
    基于TD-SCDMA的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，將提供從基本的語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)到數(shù)字業(yè)務(wù)和分
組視頻方面的業(yè)務(wù)。雖然所有的用戶共享同一頻率資源，但是由于結(jié)合了智能天線，可以
根據(jù)業(yè)務(wù)的質(zhì)量級(jí)別和要求動(dòng)態(tài)地分配功率給用戶，并且能保證干擾不超出上限，因而在
提供業(yè)務(wù)的種類和質(zhì)量方面具有無(wú)可比擬的優(yōu)越性。
    在TD－SCDMA系統(tǒng)中，通信資源是由Walsh碼道和時(shí)隙確定的資源單元為單位來(lái)分配給
用戶的，可以是每個(gè)用戶一個(gè)資源單元，也可以是一個(gè)用戶占用多個(gè)資源單元。系統(tǒng)的總
碼道數(shù)為：Walsh擴(kuò)譜系數(shù)*每幀的時(shí)隙數(shù)=16*1O=16o，這16o個(gè)資源單元也可以被定義為
碼道。對(duì)同一用戶不同業(yè)務(wù)碼道的組合，就形成了多媒體業(yè)務(wù)，一個(gè)用戶在獲得語(yǔ)音通信
業(yè)務(wù)的同時(shí)，也可以進(jìn)行數(shù)據(jù)方面的通信，像WWW和E－mail。對(duì)于2 Mbit／s的業(yè)務(wù)，超
過(guò) 90％的碼道將分配給一個(gè)用戶，同時(shí)亦可保證部分語(yǔ)音通信業(yè)務(wù)的同時(shí)開(kāi)展。TD－SC-
DMA可提供的業(yè)務(wù)種類如下：
    ·室內(nèi)環(huán)境下，多至2 Mbit／s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
    ·步行或低速移動(dòng)環(huán)境下，多至 384 kbit/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
    ·高速移動(dòng)環(huán)境下，多至 144 kbit/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
    TD-SCDMA的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的同一連接可同時(shí)傳送語(yǔ)音、數(shù)據(jù)、視頻等多種業(yè)
務(wù)。它們可以是基于分組的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，方便Internet接入，其無(wú)處不在的全球網(wǎng)絡(luò)連接能
力可以支持未來(lái)的移動(dòng)計(jì)算，適應(yīng)普遍計(jì)算時(shí)代的需求。
    （3）互操作性
    作為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，它必須考慮到成千上萬(wàn)的GSM的用戶，特別是在GSM堪稱是
世界第一大網(wǎng)的中國(guó)，兼容性更是一個(gè)突出的問(wèn)題。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)必須兼容第二代
移動(dòng)通信系統(tǒng)，在兼容的基礎(chǔ)上逐步實(shí)現(xiàn)由第二代到第三代的轉(zhuǎn)變�？紤]到這一點(diǎn)，TD-
SCDMA系統(tǒng)通過(guò)多時(shí)隙組合，以GSM超長(zhǎng)幀的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)GSM基站信號(hào)的同步搜尋，另外在
手機(jī)的輔助下，第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的基站通過(guò)精確的接力切換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)由第三代系統(tǒng)
到第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的切換。
    由于采用了同步碼分多址技術(shù)，所有的TD－SCDMA的基站都應(yīng)該保持同步以利于切換
的實(shí)現(xiàn)。同步的信號(hào)可以來(lái)自上一層的控制單元，或者由GPS提供。中國(guó)TD-SCDMA技術(shù)支
持多種蜂窩分布技術(shù)，從宏蜂窩到微微蜂窩，適合于多種地理環(huán)境。
4  結(jié)論
    基于TD－SCDMA的中國(guó)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)工作于TDD方式，因而它得以采用更多的新
技術(shù)。由于采用了同步碼分多址技術(shù)、智能天線技術(shù)、軟件無(wú)線電技術(shù)，系統(tǒng)以最高的頻
譜利用率滿足了ITU對(duì)第三代移動(dòng)通信的各種要求，并在部署和業(yè)務(wù)的靈活性方面具有無(wú)
可比擬的優(yōu)越性，理論和實(shí)踐都證實(shí)，采用TD-SCDMA技術(shù)的中國(guó)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是一
套行之有效的下一代移動(dòng)通信的解決方案。