淺析3G民族標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA

徐嘯濤 俞芳 夏敏磊

1 浙江機電職業(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，第三代移動通信(3G)一直是人們關(guān)注的熱點。ITU在1996年將3G由原來的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、美國的 CDMA2000和中國的TD-SCDMA最受關(guān)注。TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)是由我國大唐電信和德國西門子公司合作開發(fā)的，作為中國提出的第三代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其目標(biāo)是要建立一個具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的高技術(shù)，高靈活性，高經(jīng)濟效率的最先進的移動通信系統(tǒng)。

1 3G的網(wǎng)絡(luò)體系

作為一個完整的移動通信標(biāo)準(zhǔn)，IMT-2000的標(biāo)準(zhǔn)由兩個主要部分構(gòu)成：核心網(wǎng)絡(luò)(CN)和無線接入網(wǎng)(RAN)。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示，核心網(wǎng)絡(luò)(CN)將基于第二代移動通信的兩種主要網(wǎng)絡(luò)即 GSM MAP和美國的 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(無線接入網(wǎng)系統(tǒng))，它由無線網(wǎng)絡(luò)管理(RNC)無線基站子系統(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、會話層、表達層和應(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)定了無線接口的物理及電氣特性，負(fù)責(zé)對上層鏈路的服務(wù)，具有符合第三代移動通信系統(tǒng)的無線信道結(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)實體的要求對物理層資源進行管理與控制，并負(fù)責(zé)提供 LAC子層業(yè)務(wù)實體所需的QOS級別。LAC子層代表物理層與物理層對應(yīng)獨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別QOS控制，這種控制可通過ARQ等方式實現(xiàn)，以滿足來自更高層業(yè)務(wù)實體的傳輸可靠性。

(3) 高層：集OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會話層、表達層和應(yīng)用層為一體的高層實體，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TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的實現(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)修改和補充，保持與 GSM 高度兼容，最高速率為284kb/s。作為向3G 的過渡階段，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，真正實現(xiàn)IMT-2000所要求的全部功能，最高數(shù)據(jù)達到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，如混合多址方式、上下行鏈路特性的一致、時隙按上下行鏈路所需數(shù)據(jù)量進行動態(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、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)的算法來控制)，不同于傳統(tǒng)的全向天線只產(chǎn)生一個波束，智能天線系統(tǒng)能給出多個波束賦形，每個波瓣對應(yīng)于一個特別終端。由于波束很窄對其他移動終端的干擾很小，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題。

(2) 多址技術(shù)

為了讓多個用戶能夠共享同一個資源，在公眾通信系統(tǒng)中，都設(shè)法利用各方面的資源，設(shè)計出最高效率的多址技術(shù)來滿足要求。目前，能夠考慮的資源是頻率、時間和正交擴頻碼。因而，在TD-SCDMA系統(tǒng)中同時使用了FDMA、TDMA和CDMA的技術(shù)。特別是針對不對稱的IP業(yè)務(wù)，CDMA和TDMA的聯(lián)合使用可以進一步提高系統(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)，隨著基帶信號處理技術(shù)的進步，在TD-SCDMA系統(tǒng)中將實現(xiàn)SDMA的功能。

(3) 軟件無線電技術(shù)

軟件無線電技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的新興技術(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，在通用的硬件平臺上，盡可能通過軟件來定義無線電的功能，以軟件方式替代硬件實施信號處理，實時配置信號波形。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，軟件無線電技術(shù)的采用無疑增加了其使用的靈活性。

(4) 聯(lián)合檢測技術(shù)

聯(lián)合檢測這一重要技術(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)合檢測效率較高，因為它是一個時域和幀控的TDMA方案，因此每載波的大量用戶被分布到各幀的每個傳輸方向的時隙中，最終使得每個時隙中并行用戶的數(shù)量較少，這樣通過較少的計算量和較低的信號要求就可有效地檢測到信號，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)合檢測還是頻譜利用率得到提高，基站和終端控制部分簡單些。

(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)可得到移動臺所在的位置信息，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)點是利用移動臺的位置信息，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臺切換到新的小區(qū)。接力切換避免了頻繁的切換，大大提高了系統(tǒng)容量。在切換時也可根據(jù)系統(tǒng)需要，采用硬切換和軟切換的機理。

(6) 同步CDMA技術(shù)

同步 CDMA是降低多址干擾，簡化基站接收機的一項重要技術(shù)。TD-SCDMA系統(tǒng)中，上行鏈路和下行鏈路一樣，都采用正交碼擴頻。移動臺動態(tài)調(diào)整發(fā)往基站的發(fā)射時間，使上行信號主徑到達基站時保持同步，保證了上行信道信號的不相關(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，同時基站接收機的復(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。因此，3G系統(tǒng)必須采用另一個核心技術(shù)即信道編譯碼技術(shù)以進一步改善通信質(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的頻點為200KHz間隔，8個連續(xù)的 GSM 頻點占 1.6MHz，將來正好安排一個TD-SCDMA載波，利用空出來的第二代頻譜開展第三代的業(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

(1) 不需要對稱頻率，頻譜利用率高，系統(tǒng)容量大

就移動通信技術(shù)的根本性問題——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，隨著我們的移動電話普及率的日益增長，將使得第二代移動通信首先是要解決移動電話用戶的高速增長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題。

(2) 能有效的支持非對稱的傳輸業(yè)務(wù)

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

(3) 與GSM兼容性好

因為 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，從而實現(xiàn)從第二代移動通信技術(shù)到第三代移動通信技術(shù)平滑過渡，最大限度地利用我國現(xiàn)有的非常龐大的第二代移動通信網(wǎng)絡(luò)資源，最大限度地保護現(xiàn)有投資，節(jié)省演進成本。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，擴大，最終把局部覆蓋擴展到全國覆蓋。

(4) 成本低

對于運營商來說，TD-SCDMA系統(tǒng)所需頻帶窄，運營費用低。又因為TD-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擁有自主知識產(chǎn)權(quán)，可避免因使用外國公司專利而必須交付的高額知識產(chǎn)權(quán)費用，從而可進一步產(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)勢恰恰符合了中國國情現(xiàn)狀發(fā)展3G的要求，無疑是建設(shè)中國3G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的最佳方案。

5 總結(jié)

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

[1]王文博.時分雙工CDMA移動通信技術(shù)[M].北京:北京郵電大學(xué)出版社.2001.

[2]羅啟靜.TD-SCDMA系統(tǒng)中的智能天線和上行同步技術(shù)研究[J].西安電子科技大學(xué)碩士論文.2001.

[3]Tero Ojanpera,Ramjee,Prasad著朱旭紅等譯.第三代移動通信技術(shù)[M]北京:人民郵電出版社.2003.

[4]潘濤,林家儒.第三代移動通信系統(tǒng) TD-SCDMA 的核心技術(shù)[J].移動通信.2002.

[5]劉延峰.3G主流技術(shù)及其演進過程[J.黑龍江通信技術(shù).2002.

[6]GSM 09.78 (TS 101046):Digital cellular telecom communications system (Phase 2+).Customized Applications for Mobile network Enhanced Logic(CAMEL):CAMEL Application Part(CAP)speci fication[S].