TD-SCDMA无线传输技术

hszhangtao

摘要  我国提出的TD－SCDMA无线传输技术（RTT）建议已成为ITU IMT－RSPC（TG8／1输出文件）的一个组成部分，并将实现CDMA TDD标准的集成，开发IS－41核心网的接口，形成统一的TDD国际标准。文章对该标准和建议作简单介绍，着重讨论采用TD－SCDMA的必要性和该技术的竞争力。
关键词  第三代移动通信标准  TDD方式  TD-SCDMA无线传输技术

    在1999年11月5日结束的ITU TG8/1第18次会议上，）顺利地通过了IMT－RSPC输出文件，标志着第三代移动通信标准基本定型。1985年 TG8／1成立，世界各国投入数千人的劳动和数亿美元的资金，经过14年的艰苦工作，最终通过一个代表当今最新技术，并获得各国认可的标准，这是全球通信业的巨大成功。在此过程中，我国第一次提出了自己的建议：TD－SCDMA，并在此无线传输技术（RTT）的基础上与国际合作，完成了TD-SCDMA标准，成为CDMA TDD标准的一员。 2000年，在3GPP内将完成 CDMATDD标准的集成，并通过国际合作，形成用于IS－41核心网的接口（ Hook and  Extension），使CDMATDD模式不仅可以用于基于MAP的核心网，也能用于IS－41的核心网，成为名副其实的第三代移动通信国际标准。这是我国移动通信界的一次创举，也是中国对第三代移动通信发展的贡献。
    目前，我国拥有世界上第三大移动通信网，并仍以每月100多万用户的速度增长。从2000年起，在GSM网继续高速发展的同时，中国联通将新建一个IS－95的CDMA网。因此，了解第三代移动通信技术和标准的动态，认真考虑现有GSM网和即将建设的CDMA网向第三代移动通信演进的策略，是一个十分紧迫的问题。本文将简单介绍第三代移动通信标准，对TDD模式的特点和TD－SCDMA标准和技术进行说明，并对向第三代移动通信演进的策略问题提出笔者的看法。

1第三代移动通信标准概况
    第三代移动通信是近20年来现代移动通信技术和实践的总结和发展。1985年ITU TG8／1成立时，当时昂贵的第一代模拟移动通信系统在全世界仅有几十万用户，没想到二十多年后，移动通信竟成为通信领域中的主流。1996年，ITU正式确认使用 IMT－2000这个名称； 1997年，确定了基本要求和征求RTT建议。至此，第三代移动通信进入了制定和完成国际标准的快车道，成为全球通信业技术和市场竞争的一个焦点。
    目前，第三代移动通信系统的框架已确定，将以卫星移动通信网与地面移动通信网结合，形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区不同密度用户的通信需求，支持话音、数据和多媒体业务，实现人类个人通信的理想。
    ITU对第三代陆地移动通信系统的基本要求是：在室内、手持机及移动三种环境下，支持话音和各种多媒体数据业务（速率达2Mb／s），实现高质量、高频谱利用率、低成本的无线传输技术以及全球兼容的核心网络。
    第三代移动通信网由核心网、无线接入网和用户终端构成。鉴于历史和现状，核心网主要是以第二代移动通信的两种网络为基础：基于MAP的GSM网络和基于IS－41的CDMA网络，从而形成了两套网络标准。在IMT－RSPC中，无线接入网形成了5种技术标准：
    ·两种 TfDMA标准：SC－TDMA（美国的UMC－136）和MC－TDMA（欧洲的EP－DECT）
    ·三种CDMA标准：MG CDMA（CDMA2000）、DS－CDMA（W－CDMA）和CDMA TDD（包括TDSCDMA和UTRATDD）。
    显然作为主导地位的是CDMA标准，其中MC－CDMA是FDD方式，将基于IS－41核心网；DSCDMA和CDMATDD（TDD方式）将基于MAP核心网， CDMA TDD的无线接口采用相同的高层信令和不同的物理层。由于在MC－CDMA中没有TDD模式的标准，故 CDMA TDD必须同时工作于两种核心网。由于CDMA TDD是3GPP内基于MAP核心网制定的第2层和第3层协议的技术规范，工作于IS－41核心网，必须在L2和L3中同时开发两种核心网之间的接口（Hook and Extension）。目前开发两种核心网之间接口的工作已开始，预计今年将完成。

2 TDD方式在第三代移动通信中的重要性
    在第三代移动通信标准制定的过程中，业内人士第一次对无线通信中的TDD方式给予了高度重视，在CDMA和TDMA系统中均制定了TDD标准。许多国家的运营商表示了首先选用TDD系统的愿望。主要原因是在满足IMT2000要求的前提下，TDD系统具有以下优点：
    （1）第三代移动通信需要大约400MHz的频谱资源，在3 GHz以下很难实现。而TDD则能使用各种频率资源，不需要成对的频率；
    （2）在第三代移动通信中，数据业务将占主要地位，尤其是不对称的IP业务。TDD方式特别适用于上下行不对称、不同传输速率的数据业务；
    （3）TDD上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于利用智能天线等新技术，可达到提高性能、降低成本的目的；
    （4）TDD系统设备成本低，比FDD系统低20％～ 50％。
    TDD系统的主要缺陷在于终端的移动速度和覆盖距离：（1）采用多时隙不连续传输方式，抗快衰落和多普勒效应能力比连续传输的FDD方式差，因此ITU要求TDD系统用户终端的移动速度达120 km／h，而FDD系统则要求达到500km／h；（2）TDD系统平均功率与峰值功率之比随时隙数增加而增加，考虑到耗电和成本因素，用户终端的发射功率不可能很大，故通信距离（小区半径）较小，一般不超过10km，而 FDD系统的小区半径可达到数10km。
    尽管如此，移动通信以FDD为主流的传统观点已受到挑战，TDD系统在第三代移动通信中的位置被广泛接受。多数人预测，第三代移动通信网络将是一个综合的网络，卫星移动通信系统用于实现全球缝覆盖，FDD系统用于建设国内和国际移动通信网，TDD系统则用于为城市人口密集区提供高密度大容量话有、数据和多媒体业务，用户通过双频双模或多模终端实现全球漫游。

3  TD-SCDMA RTT的优势
    CDMA TDD两种物理层标准（UTRA TDD和TD－SCDMA）的高层信令和部分物理层技术是相同的，但两种标准的设计出发点不同，所用的技术也不同，因此主要特性和用途均不同。
    1 TD-SCDMA技术的高性能主要表现在：
    （1）频谱灵活性和支持蜂窝网的能力
    1 TDSCDMA仅需要1.6 MHZ的最小带宽。若带宽为5 MHz则支持3个载波，在一个地区可组成蜂窝网，支持移动业务，并可通过自动信道分配（DCA）技术提供不对称数据业务。这些都是UTRA TDD所不能提供的。
    （2）高频谱利用率
    TD－SCDMA为对称话音业务和不对称数据业务提供的频谱利用率比UTRA TDD高一倍。换言之，在使用相同频带宽度时，TD-SCDMA可支持多一倍的用户。
    （3）多种使用环境
    1 TD－SCDMA系统是按照ITU要求的三种环境设计的，而 UTRA TDD则不支持移动环境。
    （4）设备成本
    在无线基站方面，TD－SCDMA的设备成本至少比UTRA TDD低 30％。
    TD－SCDMA与  UTRA TDD两种标准产生上述差别的主要原因是：
    （1）设计的出发点不同
    TD－SCDMA系统是根据ITU对IMT－2000的全部要求设计的，它本身就可以组成一个完整的蜂窝网络。UTRA TDD则是为 WCDMA设计的TDD补充模式，用于解决室内办公环境和“热点”地区（如机场、火车站和大商场等）的通信需求，因此在设计中，为了尽可能与WCDMA保持一致，UTRA TDD宁愿牺牲部分特性。
    （2）使用的技术不同
    TD－SCDMA采用最新技术，以获最佳性能：
    ·智能无线，尽量降低多址干扰、提高容量和接收灵敏度以及降低发射功率和无线基站成本。
    ·上行同步，可以简化基站硬件，降低无线基站成本。
    ·软件无线电，可实现智能天线和多用户检测等基带数字信号处理，使系统可灵活地使用新技术，并可降低产品开发周期和成本。

4 TD-SCDMA是向第三代移动通信演进的首选技术
    据预测，第三代移动通信市场的发展至少分为以下三个阶段：
    （1）初期（2001～2005年）
    第二代移动通信网（主要是GSM和IS95CDMA）继续发展和扩大；局部地区（城市等用户密集区）开始提供第三代移动通信业务，数据传输速率局限在384kb／S以下；地区和国际漫游仍依赖第二代移动通信系统；
    （2）中期（2004～2010年）
    第三代系统的高速成长期，第二代网络和系统停止发展，全国或全球覆盖的第三代移动通信网建设成功，全面达到IMT2000的各项要求。
    （3）后期（2010年～）
    全球25%以上人口使用第三代系统，开始推出第四代设备，提供更高速率的多媒体业务。
    上述市场预测也是制定第二代移动通信向第三代演进策略的依据。笔者建议，演进过程可分以下两阶段进行：
    （1）在第二代网络中提供第三代业务
    当现有GSM网络扩容时，使用TD－SCDMA的基站子系统（BSS）；在用户集中地区的GSM基站中，增加TD－SCDMA基站。用户使用TD．SCDMA／ GSM双频双模用户终端，在TD－SCD－MA基站覆盖区内，可以享受3G服务；在覆盖区域外，则以GSM方式通信。初期用户享受3G服务时，只能在同一BSS的TD－SCDMA基站之间实现越区切换，但GSM功能不受影响。用此方式，能以比简单的GSM网络扩容更低的费用改造网络，不仅可解决频谱资源不足造成的容量问题，满足用户密集区的移动通信需求，还可为最急需的用户提供第三代业务。同时，为今后全网进入第三代打下基础。按此步骤，第三代移动通信的覆盖范围可逐步扩大到城市一级。大城市将有几十到上百个第三代BTS，系统将支持不同BSS之间的自动越区切换。在没有达到全国和全球覆盖之前，自动漫游当然还得依靠GSM系统。上述解决方案不仅可以在GSM系统中采纳，同样可以在IS-95标准的第二代CDMA系统中采纳。在CDMA系统中使用TD-SCDMA技术，主要目的是在用户密集区，解决用户高密度的话音和数据业务需求；此外，在提供数据业务方面（特别是各种因特网接人服务），TD－SCDMA将是一种更经济灵活的方式。这些特点也是目前北美运营海关心TD-SCDMA的原因所在。
    （2）过渡到第三代移动通信网络
    2004～2005年，第三代移动通信进入高速发展期，各国运营商将开始建设完整的第三代网络。此时，网络中投资最大的BTS部分已经在第一阶段建设完毕，唯一需要投入的费用就是BSS软件升级，以此满足3G对无线网络控制器（RNC）的全部要求；加上第三代MSC，网络中不仅有TDD的基站，也将有FDD的基站，形成一个全国覆盖。国际漫游的完整3G网络。在不大量增加新投资的情况下，完成向第三代的演进。
    在过去两年间，我国首次大规模参加了制定和评估第三代移动通信技术和标准的工作。我国提出的  TD-SCDMA建议，已成为IMT－RSPC的组成部分，并将对我国和全球第三代移动通信的发展产生重大影响。在第三代移动通信技术中，TDD模式的无线传输技术在频谱灵活性、提供不对称业务和低价格等方面的优势已被国际上认可。根据我国提出的TD-SCDMA技术标准开发的设备，可达到提供高频谱利用率、灵活和低成本的目标，在市场上将有较强的竞争能力。本世纪初（2001～2004年），在第二代移动通信网用户密集区或要求数据和多媒体业务的地区，将依托第二代移动通信网，以TD-SCDMA的技术为主，使用双频双模终端，开通第三代移动通信业务，平稳地向第三代移动通信过渡，并将收到巨大的经济效益。