淺析3G民族標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA

徐嘯濤 俞芳 夏敏磊

1 浙江機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 浙江 310053

2 蘇州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇 215200

0 前言

近年來(lái)，第三代移動(dòng)通信(3G)一直是人們關(guān)注的熱點(diǎn)。ITU在1996年將3G由原來(lái)的FPLMTS正式命名為IMT-2000，其含義是3G統(tǒng)一使用2000MHz頻段、最高傳輸速率為2Mb/s。在2000年，ITU已經(jīng)最后確定了第三代標(biāo)準(zhǔn)由六種不同的標(biāo)準(zhǔn)組成，其中歐洲的 WCDMA、美國(guó)的 CDMA2000和中國(guó)的TD-SCDMA最受關(guān)注。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)是由我國(guó)大唐電信和德國(guó)西門子公司合作開(kāi)發(fā)的，作為中國(guó)提出的第三代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是要建立一個(gè)具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)，高靈活性，高經(jīng)濟(jì)效率的最先進(jìn)的移動(dòng)通信系統(tǒng)。

1 3G的網(wǎng)絡(luò)體系

作為一個(gè)完整的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，IMT-2000的標(biāo)準(zhǔn)由兩個(gè)主要部分構(gòu)成：核心網(wǎng)絡(luò)(CN)和無(wú)線接入網(wǎng)(RAN)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示，核心網(wǎng)絡(luò)(CN)將基于第二代移動(dòng)通信的兩種主要網(wǎng)絡(luò)即 GSM MAP和美國(guó)的 IS-41,而兩類RAN(3GPP的DS CDMA+CDMA TDD及3GPP2的MC CDMA)均能夠接入此兩類CN。

RAN就是圖1中的RNS(無(wú)線接入網(wǎng)系統(tǒng))，它由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理(RNC)無(wú)線基站子系統(tǒng)(Node B)和用戶終端(UE)所構(gòu)成。RNS主要由Iu系列接口標(biāo)準(zhǔn)所定義。

圖1 第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

2 TD-SCDMA系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)

TD-SCDMA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分三層：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、高層(包括OSI中的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表達(dá)層和應(yīng)用層)。如圖2所示。

圖2 TD-SCDMA的層次結(jié)構(gòu)圖

(1) 物理層：規(guī)定了無(wú)線接口的物理及電氣特性，負(fù)責(zé)對(duì)上層鏈路的服務(wù)，具有符合第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的無(wú)線信道結(jié)構(gòu)，它由一系列下行物理信道和上行邏輯信道所組成。

(2) 數(shù)據(jù)鏈路層：它由媒體接入控制(MAC)子層和鏈路接入控制(LAC)子層組成，MAC子層根據(jù)LAC不同業(yè)務(wù)實(shí)體的要求對(duì)物理層資源進(jìn)行管理與控制，并負(fù)責(zé)提供 LAC子層業(yè)務(wù)實(shí)體所需的QOS級(jí)別。LAC子層代表物理層與物理層對(duì)應(yīng)獨(dú)立的鏈路管理與控制，并負(fù)責(zé)提供MAC子層所不能提供的更高級(jí)別QOS控制，這種控制可通過(guò)ARQ等方式實(shí)現(xiàn)，以滿足來(lái)自更高層業(yè)務(wù)實(shí)體的傳輸可靠性。

(3) 高層：集OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表達(dá)層和應(yīng)用層為一體的高層實(shí)體，它主要負(fù)責(zé)各種業(yè)務(wù)的呼叫信令處理、話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的控制與處理。

我國(guó)TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)大體上分兩步走：(1)物理層采用TD-SCDMA技術(shù)，二、三層原則上采用原有GSM系統(tǒng)的上層協(xié)議，適當(dāng)作相應(yīng)修改和補(bǔ)充，保持與 GSM 高度兼容，最高速率為284kb/s。作為向3G 的過(guò)渡階段，這一系統(tǒng)被命名為TSM系統(tǒng)。(2)物理層全面采用TD-SCDMA技術(shù)，二、三層控制協(xié)議采用3GPP的上層協(xié)議，盡量與3GPP標(biāo)準(zhǔn)融合，真正實(shí)現(xiàn)IMT-2000所要求的全部功能，最高數(shù)據(jù)達(dá)到2Mb/s。

3 TD-SCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

TD-SCDMA作為CDMA TDD的一種，具備TDD的所有特點(diǎn)，如混合多址方式、上下行鏈路特性的一致、時(shí)隙按上下行鏈路所需數(shù)據(jù)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)分配等。TD-SCDMA的特殊之處在于它使用了智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、上行同步等技術(shù)，這也是TD-SCDMA提案被ITU接收的重要原因。

(1) 智能天線技術(shù)

TD-SCDMA系統(tǒng)所用的智能天線，采用波束形成技術(shù)(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)能給出多個(gè)波束賦形，每個(gè)波瓣對(duì)應(yīng)于一個(gè)特別終端。由于波束很窄對(duì)其他移動(dòng)終端的干擾很小，從而有利于提高系統(tǒng)的容量，也可降低基站的發(fā)射功率。另一方面基站的智能天線的波束很窄，也較好地解決了下行鏈路的多徑問(wèn)題。

(2) 多址技術(shù)

為了讓多個(gè)用戶能夠共享同一個(gè)資源，在公眾通信系統(tǒng)中，都設(shè)法利用各方面的資源，設(shè)計(jì)出最高效率的多址技術(shù)來(lái)滿足要求。目前，能夠考慮的資源是頻率、時(shí)間和正交擴(kuò)頻碼。因而，在TD-SCDMA系統(tǒng)中同時(shí)使用了FDMA、TDMA和CDMA的技術(shù)。特別是針對(duì)不對(duì)稱的IP業(yè)務(wù)，CDMA和TDMA的聯(lián)合使用可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)的容量和靈活性。

另一種正在研究的多址技術(shù)——空分多址(SDMA)是基于智能天線技術(shù)的，它將成倍的提高系統(tǒng)的容量。TD-SCDMA充分使用了智能天線技術(shù)，隨著基帶信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，在TD-SCDMA系統(tǒng)中將實(shí)現(xiàn)SDMA的功能。

(3) 軟件無(wú)線電技術(shù)

軟件無(wú)線電技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)，其核心思想是在盡可能靠近天線的地方使用A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，在通用的硬件平臺(tái)上，盡可能通過(guò)軟件來(lái)定義無(wú)線電的功能，以軟件方式替代硬件實(shí)施信號(hào)處理，實(shí)時(shí)配置信號(hào)波形。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，軟件無(wú)線電技術(shù)的采用無(wú)疑增加了其使用的靈活性。

(4) 聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)

聯(lián)合檢測(cè)這一重要技術(shù)能將所有用戶的多址干擾降至最低，使每載波的用戶負(fù)載量得到提高。TD-SCDMA中聯(lián)合檢測(cè)效率較高，因?yàn)樗且粋€(gè)時(shí)域和幀控的TDMA方案，因此每載波的大量用戶被分布到各幀的每個(gè)傳輸方向的時(shí)隙中，最終使得每個(gè)時(shí)隙中并行用戶的數(shù)量較少，這樣通過(guò)較少的計(jì)算量和較低的信號(hào)要求就可有效地檢測(cè)到信號(hào)，并使多址干擾最小，最終使相同的射頻載波帶寬上允許承載更多的用戶業(yè)務(wù)量。聯(lián)合檢測(cè)還是頻譜利用率得到提高，基站和終端控制部分簡(jiǎn)單些。

(5) 接力切換技術(shù)

由于TD-SCDMA系統(tǒng)中智能天線的使用，系統(tǒng)可得到移動(dòng)臺(tái)所在的位置信息，接力切換技術(shù)不同于傳統(tǒng)的軟切換和硬切換，它可以工作在同頻和異頻狀態(tài)，其出發(fā)點(diǎn)是利用移動(dòng)臺(tái)的位置信息，結(jié)合切換算法和上行同步技術(shù)，準(zhǔn)確地將需要切換地移動(dòng)臺(tái)切換到新的小區(qū)。接力切換避免了頻繁的切換，大大提高了系統(tǒng)容量。在切換時(shí)也可根據(jù)系統(tǒng)需要，采用硬切換和軟切換的機(jī)理。

(6) 同步CDMA技術(shù)

同步 CDMA是降低多址干擾，簡(jiǎn)化基站接收機(jī)的一項(xiàng)重要技術(shù)。TD-SCDMA系統(tǒng)中，上行鏈路和下行鏈路一樣，都采用正交碼擴(kuò)頻。移動(dòng)臺(tái)動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)往基站的發(fā)射時(shí)間，使上行信號(hào)主徑到達(dá)基站時(shí)保持同步，保證了上行信道信號(hào)的不相關(guān)，降低了碼間干擾。這樣，系統(tǒng)的容量由于碼間干擾的降低大大提高，同時(shí)基站接收機(jī)的復(fù)雜度也大為降低。

(7) 高效的信道編譯碼技術(shù)

TD-SCDMA擴(kuò)頻技術(shù)在克服多徑衰落以提供高質(zhì)量的傳輸信道方面有很好的作用，但卻存在頻譜效率非常低的缺點(diǎn)。因此，3G系統(tǒng)必須采用另一個(gè)核心技術(shù)即信道編譯碼技術(shù)以進(jìn)一步改善通信質(zhì)量?，F(xiàn)在用于克服衰落效應(yīng)采用的主要技術(shù)是前向信道糾錯(cuò)編碼和交織技術(shù)。編碼和交織都極大的依賴于信道的特征和業(yè)務(wù)需求。不僅對(duì)業(yè)務(wù)信道和控制信道采用不同的編碼和交織技術(shù)，而且對(duì)于同一信道的不同業(yè)務(wù)也采用不同的編碼和交織技術(shù)。

(8) 低速率技術(shù)

TD-SCDMA中采用的碼片速率為1.28Mcps，是WCDMA中碼片速率3.84Mcps的1/3，這將有利于WCDMA系統(tǒng)的兼容。碼片速率低也方便于硬件的實(shí)現(xiàn)，并使成本較低。1.28Mcps碼片速率，單載頻占用1.6MHz頻帶寬度，頻帶較窄這將有利于靈活地安排頻譜。GSM的頻點(diǎn)為200KHz間隔，8個(gè)連續(xù)的 GSM 頻點(diǎn)占 1.6MHz，將來(lái)正好安排一個(gè)TD-SCDMA載波，利用空出來(lái)的第二代頻譜開(kāi)展第三代的業(yè)務(wù)，使寶貴的頻譜資源被有效利用。

4 TD-SCDMA系統(tǒng)的突出優(yōu)勢(shì)

(1) 不需要對(duì)稱頻率，頻譜利用率高，系統(tǒng)容量大

就移動(dòng)通信技術(shù)的根本性問(wèn)題——頻譜資源利用率而言，TD-SCDMA與其他兩種相比較頻譜利用率是最高的，隨著我們的移動(dòng)電話普及率的日益增長(zhǎng)，將使得第二代移動(dòng)通信首先是要解決移動(dòng)電話用戶的高速增長(zhǎng)與頻譜資源不足的矛盾。TD-SCDMA的頻譜利用率倍于 WCDMA與CDMA2000，而且它不像 FDD標(biāo)準(zhǔn)那樣需要成對(duì)的頻率，可以充分利用零碎頻段。因此，TD-SCDMA可以有效的解決資源緊張的問(wèn)題。

(2) 能有效的支持非對(duì)稱的傳輸業(yè)務(wù)

在 TDD工作模式中，上下性數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鬏斖ㄟ^(guò)控制上，下行的發(fā)送時(shí)間長(zhǎng)短來(lái)決定，可以靈活控制和改變發(fā)送和接收的時(shí)段長(zhǎng)短比例，這尤其適合今后的因特網(wǎng)等非對(duì)稱業(yè)務(wù)的高效傳輸。只有采用 TDD模式時(shí)，才有可能自適應(yīng)地將上行的發(fā)送時(shí)間減少，將下行的接收時(shí)間延長(zhǎng)，來(lái)滿足非對(duì)稱業(yè)務(wù)的高效傳輸。這種優(yōu)勢(shì)是FDD模式所不具備的。

(3) 與GSM兼容性好

因?yàn)?TD-SCDMA系統(tǒng)既可接入到現(xiàn)有的二代GSM/MAP核心網(wǎng)，又可接入3G核心網(wǎng)，無(wú)論用那一種接入方式，都可先利用GSM核心網(wǎng)絡(luò)，在業(yè)務(wù)需求量大的地方先行以“孤島”方式部屬TD-SCDMA基站，與現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)完全兼容，從而實(shí)現(xiàn)從第二代移動(dòng)通信技術(shù)到第三代移動(dòng)通信技術(shù)平滑過(guò)渡，最大限度地利用我國(guó)現(xiàn)有的非常龐大的第二代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)資源，最大限度地保護(hù)現(xiàn)有投資，節(jié)省演進(jìn)成本。這種方式既可充分利用現(xiàn)有投資，又可用較少的代價(jià)提供3G業(yè)務(wù)。待3G的業(yè)務(wù)需求不斷增加，覆蓋孤島不斷增多，擴(kuò)大，最終把局部覆蓋擴(kuò)展到全國(guó)覆蓋。

(4) 成本低

對(duì)于運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，TD-SCDMA系統(tǒng)所需頻帶窄，運(yùn)營(yíng)費(fèi)用低。又因?yàn)門D-SCDMA采用智能天線等新技術(shù)，從而可以大大降低產(chǎn)品成本。另外，TD-SCDMA擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可避免因使用外國(guó)公司專利而必須交付的高額知識(shí)產(chǎn)權(quán)費(fèi)用，從而可進(jìn)一步產(chǎn)品成本。

從以上分析不難看出，TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)所具備的種種技術(shù)優(yōu)勢(shì)恰恰符合了中國(guó)國(guó)情現(xiàn)狀發(fā)展3G的要求，無(wú)疑是建設(shè)中國(guó)3G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最佳方案。

5 總結(jié)

2002年10月25日，中國(guó)的3G手機(jī)頻譜規(guī)劃方案終于塵埃落定，在信息產(chǎn)業(yè)部正式通過(guò)的有關(guān)方案中，大唐電信的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)獲得了強(qiáng)大支持。在這種傾斜政策的背景下，采用具有中國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA，有利于國(guó)內(nèi)更多的制造商投入3G的開(kāi)發(fā)，將帶動(dòng)我國(guó)民族移動(dòng)通信企業(yè)在第三代移動(dòng)通信技術(shù)中飛速發(fā)展，為未來(lái)市場(chǎng)的發(fā)展創(chuàng)造寬松的環(huán)境，并極大地推動(dòng)我國(guó)移動(dòng)通信的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

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