淺析3G民族標準TD-SCDMA

徐嘯濤 俞芳 夏敏磊

1 浙江機電職業技術學院 浙江 310053

2 蘇州信息職業技術學院 江蘇 215200

0 前言

近年來，第三代移動通信(3G)一直是人們關注的熱點。ITU在1996年將3G由原來的FPLMTS正式命名為IMT-2000，其含義是3G統一使用2000MHz頻段、最高傳輸速率為2Mb/s。在2000年，ITU已經最后確定了第三代標準由六種不同的標準組成，其中歐洲的 WCDMA、美國的 CDMA2000和中國的TD-SCDMA最受關注。TD-SCDMA標準是由我國大唐電信和德國西門子公司合作開發的，作為中國提出的第三代移動通信技術標準，其目標是要建立一個具有我國自主知識產權的高技術，高靈活性，高經濟效率的最先進的移動通信系統。

1 3G的網絡體系

作為一個完整的移動通信標準，IMT-2000的標準由兩個主要部分構成：核心網絡(CN)和無線接入網(RAN)。其網絡拓撲圖如圖1所示，核心網絡(CN)將基于第二代移動通信的兩種主要網絡即 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(無線接入網系統)，它由無線網絡管理(RNC)無線基站子系統(Node B)和用戶終端(UE)所構成。RNS主要由Iu系列接口標準所定義。

圖1 第三代移動通信系統網絡示意圖

2 TD-SCDMA系統的層次結構

TD-SCDMA系統結構分三層：物理層、數據鏈路層、高層(包括OSI中的網絡層、傳輸層、會話層、表達層和應用層)。如圖2所示。

圖2 TD-SCDMA的層次結構圖

(1) 物理層：規定了無線接口的物理及電氣特性，負責對上層鏈路的服務，具有符合第三代移動通信系統的無線信道結構，它由一系列下行物理信道和上行邏輯信道所組成。

(2) 數據鏈路層：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LAC不同業務實體的要求對物理層資源進行管理與控制，并負責提供 LAC子層業務實體所需的QOS級別。LAC子層代表物理層與物理層對應獨立的鏈路管理與控制，并負責提供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，以滿足來自更高層業務實體的傳輸可靠性。

(3) 高層：集OSI模型中的網絡層、傳輸層、會話層、表達層和應用層為一體的高層實體，它主要負責各種業務的呼叫信令處理、話音業務和數據業務的控制與處理。

我國TD-SCDMA標準的實現大體上分兩步走：(1)物理層采用TD-SCDMA技術，二、三層原則上采用原有GSM系統的上層協議，適當作相應修改和補充，保持與 GSM 高度兼容，最高速率為284kb/s。作為向3G 的過渡階段，這一系統被命名為TSM系統。(2)物理層全面采用TD-SCDMA技術，二、三層控制協議采用3GPP的上層協議，盡量與3GPP標準融合，真正實現IMT-2000所要求的全部功能，最高數據達到2Mb/s。

3 TD-SCDMA系統的關鍵技術

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據量進行動態分配等。TD-SCDMA的特殊之處在于它使用了智能天線、聯合檢測、上行同步等技術，這也是TD-SCDMA提案被ITU接收的重要原因。

(1) 智能天線技術

TD-SCDMA系統所用的智能天線，采用波束形成技術(由相應的算法來控制)，不同于傳統的全向天線只產生一個波束，智能天線系統能給出多個波束賦形，每個波瓣對應于一個特別終端。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的容量，也可降低基站的發射功率。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

為了讓多個用戶能夠共享同一個資源，在公眾通信系統中，都設法利用各方面的資源，設計出最高效率的多址技術來滿足要求。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系統中同時使用了FDMA、TDMA和CDMA的技術。特別是針對不對稱的IP業務，CDMA和TDMA的聯合使用可以進一步提高系統的容量和靈活性。

另一種正在研究的多址技術——空分多址(SDMA)是基于智能天線技術的，它將成倍的提高系統的容量。TD-SCDMA充分使用了智能天線技術，隨著基帶信號處理技術的進步，在TD-SCDMA系統中將實現SDMA的功能。

(3) 軟件無線電技術

軟件無線電技術是近幾年發展起來的新興技術，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系統中，軟件無線電技術的采用無疑增加了其使用的靈活性。

(4) 聯合檢測技術

聯合檢測這一重要技術能將所有用戶的多址干擾降至最低，使每載波的用戶負載量得到提高。TD-SCDMA中聯合檢測效率較高，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務量。聯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

由于TD-SCDMA系統中智能天線的使用，系統可得到移動臺所在的位置信息，接力切換技術不同于傳統的軟切換和硬切換，它可以工作在同頻和異頻狀態，其出發點是利用移動臺的位置信息，結合切換算法和上行同步技術，準確地將需要切換地移動臺切換到新的小區。接力切換避免了頻繁的切換，大大提高了系統容量。在切換時也可根據系統需要，采用硬切換和軟切換的機理。

(6) 同步CDMA技術

同步 CDMA是降低多址干擾，簡化基站接收機的一項重要技術。TD-SCDMA系統中，上行鏈路和下行鏈路一樣，都采用正交碼擴頻。移動臺動態調整發往基站的發射時間，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，降低了碼間干擾。這樣，系統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雜度也大為降低。

(7) 高效的信道編譯碼技術

TD-SCDMA擴頻技術在克服多徑衰落以提供高質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系統必須采用另一個核心技術即信道編譯碼技術以進一步改善通信質量。現在用于克服衰落效應采用的主要技術是前向信道糾錯編碼和交織技術。編碼和交織都極大的依賴于信道的特征和業務需求。不僅對業務信道和控制信道采用不同的編碼和交織技術，而且對于同一信道的不同業務也采用不同的編碼和交織技術。

(8) 低速率技術

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系統的兼容。碼片速率低也方便于硬件的實現，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務，使寶貴的頻譜資源被有效利用。

4 TD-SCDMA系統的突出優勢

(1) 不需要對稱頻率，頻譜利用率高，系統容量大

就移動通信技術的根本性問題——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標準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務

在 TDD工作模式中，上下性數據傳輸的傳輸通過控制上，下行的發送時間長短來決定，可以靈活控制和改變發送和接收的時段長短比例，這尤其適合今后的因特網等非對稱業務的高效傳輸。只有采用 TDD模式時，才有可能自適應地將上行的發送時間減少，將下行的接收時間延長，來滿足非對稱業務的高效傳輸。這種優勢是FDD模式所不具備的。

(3) 與GSM兼容性好

因為 TD-SCDMA系統既可接入到現有的二代GSM/MAP核心網，又可接入3G核心網，無論用那一種接入方式，都可先利用GSM核心網絡，在業務需求量大的地方先行以“孤島”方式部屬TD-SCDMA基站，與現有的GSM網絡完全兼容，從而實現從第二代移動通信技術到第三代移動通信技術平滑過渡，最大限度地利用我國現有的非常龐大的第二代移動通信網絡資源，最大限度地保護現有投資，節省演進成本。這種方式既可充分利用現有投資，又可用較少的代價提供3G業務。待3G的業務需求不斷增加，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，從而可以大大降低產品成本。另外，TD-SCDMA擁有自主知識產權，可避免因使用外國公司專利而必須交付的高額知識產權費用，從而可進一步產品成本。

從以上分析不難看出，TD-SCDMA標準所具備的種種技術優勢恰恰符合了中國國情現狀發展3G的要求，無疑是建設中國3G網絡系統的最佳方案。

5 總結

2002年10月25日，中國的3G手機頻譜規劃方案終于塵埃落定，在信息產業部正式通過的有關方案中，大唐電信的TD-SCDMA標準獲得了強大支持。在這種傾斜政策的背景下，采用具有中國自主知識產權的第三代移動通信標準TD-SCDMA，有利于國內更多的制造商投入3G的開發，將帶動我國民族移動通信企業在第三代移動通信技術中飛速發展，為未來市場的發展創造寬松的環境，并極大地推動我國移動通信的產業化發展。

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

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

[3]Tero Ojanpera,Ramjee,Prasad著朱旭紅等譯.第三代移動通信技術[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 TD-SCDMA 的核心技術[J].移動通信.2002.

[5]劉延峰.3G主流技術及其演進過程[J.黑龍江通信技術.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].