李方村山东移动通信规划设计研究院
[摘要] 本文介绍了第三代移动通信系统技术的三种主流标准：TD-SCDMA、WCDMA 和cdma2000，详细分析了这三种主流标准的技术特点，以及TD-SCDMA 具有的技术优势。
1 引言
2000 年5 月，国际电联批准了IMT-2000 无线接口5 种技术规范，而以其中3 种CDMA技术为主流。即频分双工方式：MC-CDMA(cdma2000)和DS-CDMA(WCDMA)；时分双工方式：CDMA TDD(TD-SCDMA 和UTRA TDD)。中国提出的基于TDD 模式的TD-SCDMA 虽然起步较晚，但它在频谱利用率、对业务支持的灵活性方面以及在许多方面非常符合移动通信未来的发展方向所具有的优势，使它在3G 之争中具有强大的竞争力。这是中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，标志着中国在移动通信领域已经进入世界领先之列。
2 TDD 和FDD 模式比较
现有的移动通信系统都表现出对对称双工语音业务和相应的低比特率数据业务的良好支持特征。对于这些语音业务，每窄带的业务信道被占用的带宽是20-30KHz，通常整个频谱会被再分为固定数量的业务信道。毫无疑问，对称成对频带上的FDD（频分多址）运行模式适合于语音业务，因此可成为此类型移动通信系统的典型标准。然而，移动用户对高速数据处理能力日渐增长的需求，导致对3G 数据传输速率的要求从8kit/s 增长到2Mit/s，以实现带有多种应用的对称和非对称业务。随着每个用户要求的频带和数据吞吐量的迅速增长，3G 业务的对称和非对称业务的混合导致频谱分配和频谱管理发生相当大的变化，3G 系统被要求支持尽可能高的频谱效率。
2．1 TDD 模式不能实现综合最佳频谱利用率
在3G 的对称语音业务和多媒体务方面，上行链路和下行链路产生一个对称双工业务量负载。FDD 的操作模式，由于上行链路和下行链路的业务负载的对称性，对称业务将在成对对称无线频谱上呈现出最佳的频谱利用率。
在3G 的非对称包交换业务和互联网业务方面，人们看到，所有不对称的双工业务的典型特征是上行链路和下行链路中的业务量负载的不对称性，负载的大小取决于不同的业务类型。为了达到最佳频谱利用率，非对称业务要求每种业务都可灵活地利用频谱资源。然而，在一个固定的上/下行链路进行频率分配，想运用灵活的方法理想地实现频谱资源的有效利用是不可能的。最佳频域的频谱利用率是不能通过成对的频谱分配来实现的。因此，对对称频带上的FDD 模式，在方便、灵活的适应性要求情况下，实现对称业务和非对称的上/下行链路业务并不是一个最佳的解决方案。
2．2 TD-SCDMA 的总频谱利用率最高
对于实现对称和非对称业务的最佳频谱利用率的目标来说，实现灵活的、自适应的频谱分享是十分必要的。TDD 模式是基于在无线信道时域里的周期地重复TDMA 帧结构实现的。这个帧结构被再分为几个时隙。
TD-SCDMA 技术采用时分双工模式（TDD），能在同一帧结构的不同时隙中发送上行业务（从移动终端到基站的通信业务）或下行业务（从基站到移动终端的通信业务）。也就是说，根据所传输数据的类型不同，上、下行链路上的频谱可以被灵活地分配。当从基站发送电子邮件和下载互联网信息等非对称数据业务时，更多的时隙将被分配给下行链路。当进行语音电话等对称业务时，上、下行业务占有相同的时隙。码分多址接入技术（CDMA）的特性是在同一时间里同一个传输信道中可支持多个用户。所传输的信号分布在整个带宽上，从而更加有效地利用现有频谱资源。这种灵活性使数据的传输速率可高达2Mbit/s。TD-SCDMA 结合了TDD 和CDMA 的优势，因而能够处理很高的传输速率，同时其上下链路分配的灵活性也能够满足非对称业务的要求。
由上面分析可以看出，在FDD 系统中，由于其固定的上/下行链路分配，导致这个问题不能在频域中被彻底解决。而TD-SCDMA 时域操作模式可自行解决所有对称和非对称业务以及任何混合业务的上/下行链路资源分配的问题。在时域TDD 模式的系统中，对于频率规划管理来说，不成对频域更容易被分配和利用。由于中国建议的TD-SCDMA 系统带有无线资源灵活时域分配的显著特点，因此对各种双工业务的全球无线业务发展都可以说
是一个里程碑。
3 TD-SCDMA、WCDMA、cdma2000 的技术特点
3G 的主要技术体制WCDMA 和TD-SCDMA 是由3GPP 开发和维护的规范，而cdma2000 是由3GPP2 开发和维护规范，这些技术都是以CDMA 技术为核心的。下面简要介绍一下TD-SCDMA、WCDMA和cdma2000 三种主流制式的技术特点。
3．1 TD-SCDMA 制式的主要技术特点
信号带宽：1.23MHz；码片速率1.28Mchip／s；
采用智能天线（Smart Antenna）技术，提高频谱效率；
采用同步CDMA（Synchronous CDMA）技术，降低上行用户间的干扰和保护时隙的宽度；
接收机和发射机采用软件无线电（Software Radio）技术；
采用联合检测技术，降低多址干扰；
多时隙CDMA＋DS-CDMA，具有上下行不对称信道分配能力，适应数据业务；
采用接力切换，降低掉活率，提高切换的效率；
语音编码：AMR 与GSM 兼容；
核心网络基于GSM／GPRS 网络的演进，并保持与GSM／GPRS 网络的兼容性；
基站间采用GPS 或者网络同步方法，降低基站间干扰；
3．2 WCDMA 制式的主要技术特点
基站同步方式：支持异步和同步的基站运行方式，灵活组网；
信号带宽：5MHz；码片速率：3.84Mchip／s；
发射分集方式：TSTD、STTD、FBTD；
信道编码：卷积码和Turbo 码，支持2Mbit／s 速率的数据业务；
调制方式；上行： BPSK，下行：QPSK；
功率控制：上。下行闭环功率控制，外环功率控制；
解调方式：导频辅助的相平解调；
语音编码：AMR 与GSM 兼容；
核心网络基于GSM／GPRS 网络的演进，并保持与GSM／GPRS 网络的兼容性；
MAP 技术和GPRS 隧道技术是WCDMA移动性管理机制的核心，保持与Gffo 网络的兼容性；支持软切换和更软切换。
3．3 cdma2000 制式的主要技术特点
分成两个方案，即cdma2000-1X 和cdma2000-3X 两个阶段，cdma2000-1X 信号带宽为1.25MHz，码片速率1.2288Mchip／s；cdma2000-3X 采用多载波CDMA 技术，前向信号由3 个1.25MHz的载波组成，反向信号是信号带宽为5MHz的单载波，码片速率为3.6864Mchip／s；
兼容IS-95A／B；
前反向同时采用导频辅助相干解调；
快速前向和反向功率控制；
前向发射分集：OTD、STS；
信道编码：卷积码和Turbo 码，cdma2000-1x 最高433.5kbit／s 业务速率（一个基本信道+两个补充信道），cdma2000-1xDO 最高支持2.4Mbit／s 业务速率，cdma2000-3x 最高支持2Mbit／s 业务速率；
可变帧长：5ms，10ms，20ms，40ms，80ms；
支持F-QPCH，延长手机待机时间；
核心网络基于ANSI-41 网络的演进，并保持与ANSI-41；
网络的兼容性；
网络采用GPS 同步，给组网带来一定的复杂性；
支持软切换和更软切换；
4 TD-SCDMA、WCDMA、cdma2000 技术比较分析
三种制式中TD-SCDMA 的优势在于它同时采用了智能天线和联合检测技术，上下行时隙的不对称分配，提高了频谱效率，适应数据业务，其弱点是用户移动速度比较低，基站间干扰比较大，采用基站同步技术能够减少一部分干扰。WCDMA 和cdma2000 的技术特点类似，WCDMA 的优势在于基站无需严格同步。WCDMA 和cdma2000 以及TD-SCDMA 都在向提高下行数据传输速率的方向发展，这方面3GPP2 率先推出了最高支持2.4Mbit／s 业务的cdma20001xDO，而另外两种制式的高速下行传输协议还在制定之中，下面具体这三种主流方案的差别：
（1）频率规划
ITU 目前对第三代移动通信系统的频率规划为：1900MHz-2025MHz（上行FDD）,2110MHZ-2170MHZ（下行FDD）及2110MHZ-2170MHZ(TDD 方式)3 段。TD-SCDMA 利用2110MHZ-2170MHZ 频段。WCDMA、cdma 2000 利用1900MHz-2025MHz（上行）,2110MHZ-2170MHZ（下行）频段。
（2）采用双工模式
TDD:刊登于高密度用户地区，城市及近郊区的局部覆盖。无线传输技术不需要成对频率，具有频谱安排灵活性，适合对称和不对称即语音和第三代移动通信要求的移动数据（或IP）业务。即提高了频谱利用率。TD-SCDMA 采用TDD 模式。
FDD：适合于大区域的全国系统，适合于对称业务如话音、交互式实时数据业务等。WCDMA、CDMA 2000 采用FDD 模式。
（3）提高利用率技术
TD-SCDMA 采用了控分多址（SDMA），码分多址（CDMA），频分多址（FDMA），时分多址（TDMA）相结合的多址技术，采用智能天线，联合检测，上行同步技术，消除扇区间（INTERCELL）和扇区内（INTRACELL）的同信道干扰（CCI），多址干扰（MAI）和码间干扰（ ISI）。缩短频率复用距离，提高了频谱利用率，降低设备成本。WCDMA、cdma2000采用码分多址，频分多址相结合的多址技术，采用智能天线导频符号辅助相干检测的多
用户检测，上下行同步技术，消除各种干扰，提高频谱利用率。
（4）信道分配
3G 系统采用的CDMA 技术中，用户间信息的交换都是占有共同信道，因此不会采用FCA，而是将DCA 和RCA 结合使用。由于全IP 移动骨干网络能更有效地传输非连续话务（包交换）。而包交换的特性使无线频谱利用率的提高更容易实现。则信道的分配有更多的自由空间。虽然3G 系统主要选择DCA 的分配方式，但因每个数据包的长度有限，所以无线资源管理没有足够的时间传送信道质量信息，给动态分配造成困难。此时采用RCA分配方式就变得尤其重要。TD-SCDMA 中采用的DCA 分配方式，可在空域、频域、时域和码域进行信道动态分配。根据实时测试的信道质量选择空闲信道，这就保证了有效利用信道，提高网络的系统容量，同时也保证了通信质量，但TD-SCDMA 对设备的要求较高。
（5）切换
在3G 系统中软切换是CDMA 技术普遍采用的切换技术，对提高网络容量，保证通信质量起着关键作用。
WCDMA：扇区间采用软切换，小区间采用软切换，载频间采用硬件切换WCDMA 的基站不需要同步。因此不需外部同步资源，如：GPS。在设计软切换算法和执行定位业务时，必须考虑基站的异步性。在进入软切换前，移动站测量两个基站的下行SCH 的定时差别。移动站将定时差别报告给服务基站。根据一个符号的解析度来调整新的下行软件切换连接的时间这样能够使移动站的RAKE 接收机从两个基站接收某宏分集的能量。
cdma2000：扇区间采用软切换，小区间也采用软切换，载频间采用硬切换，基本信道的软切换类似于IS-95 的软切换与WCDMA 相近。对辅助信道活动组可以是基本信道的活动组的子集。当不需要分集补偿衰落时，更倾向于从很少几个基站传输，从而增加了整个下行链路的容量。在不变化的条件下，使用优化的方式，只从一个基站传输此基站将发射最小的下行传输功率，对于分组业务，如果辅助信道不在软切换状态，可以简化控制过程。
TD-SCDMA：采用按力切换技术，它不同于传统的软切换和硬切换它可以工作在同频和异频状态，利用已知的移动台用户位置（采用用户定位业务）。结合切换算法和上行同步技术准确地将需切换的移动台切换到新的基站，大大提高了系统质量。
3G 系统中软切换最具有CDMA 的特点：CDMA 的信号结构也非常适合软切换的执行。TD-SCDMA 的接力切换是第三代中新的切换技术。三种主流方案的切换技术都比第二代系统有明显的改善，提高了系统容量，保证了信道质量。
（6）功率控制
3G 系统中分布式功率控制应用很广泛，恒定接收功率控制应用于CDMA 系统中，而TD-SCDMA 系统则在继承第二代GSM 功率控制技术的基础上，主要是智能天线的恒定接受功率控制方式。功率控制技术包括前向和反向信道功率控制，重要的是反向信道功率控制。二者都是采用快速功率控制技术。而TD-SCDMA 系统开环+慢速闭环功率控制速度反为（0-20）bite/s。可见TD-SCDMA 系统中由于采用TDMA 和CDMA 的结合，所以功率控制速度较慢。显然TD-SCDMA 系统中，要能以最快的速度达到最好的同信道干扰控制，克服功率控制速度与性能之间无法同时兼顾的矛盾将是TD-SCDMA 今后发展的主要目标。
5 与WCDMA、cdma2000 相比，TD-SCDMA 的技术优劣
第三代移动通信最主要的挑战，来自能否同时提供诸如语音或视频传输的对称的电路交换业务以及日益增长的非对称包交换业务如移动互联网接入，而TD―SCDMA 具有高达2M 的数据速率，非常适合宽带应用，同时其所采用的技术能使无线频率资源达到最优利用率。TD―SCDMA 的最大特点是具有非对称性，可支持非对称业务。而非对称业务正是互联网发展的一大特点。在移动互联网时代，此优点将表现得更突出，同时，该项技术过
渡到第四代更容易。
TD―SCDMA 的无线传输方案灵活地综合了FDMA，TDMA 和CDMA 等基本传输方法。通过与联合检测相结合，它在传输容量方面表现非凡。通过引进智能天线，容量还可以进一步提高。智能天线凭借其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰，并通过更高的频率复用率来提供更高的话务量。相对于其他两种主流方案，TD－SCDMA 技术的主要技术优势如下：
1、频谱利用率高。由于TD-SCDMA 采用了CDMA 和TDMA 的多址技术，使TD-SCDMA 在传输中很容易设置一个上行和下行链路的转换点，来针对不同类型的业务，类似于可根据交通的流量来控制“红绿灯”转换的时间间隔。对于像互联网这样的“不对称”传输业务，可使其转换“不对称”，而对于像语音这样的“对称”传输业务，可以使其转换“对称”，这样，就使总的频谱效率更高。
2、支持多种通信接口。由于TD－SCDMA 同时满足Iub、A、Gb、Iu、IuR 多种接口的要求，所以TD－SCDMA 的基站子系统既可作为2G 和2.5G GSM 基站的扩容，又可作为3G 网中的基站子系统，能同时兼顾现在的需求和长远未来的发展。
3、频谱灵活性强。由于TD－SCDMA 第三代移动通信系统频谱灵活性强，仅需单一1.6M的频带就可提供速率达2M 的3G 业务需求，而且非常适合非对称业务的传输。
4、系统性能稳定。由于TD－SCDMA 收发在同一频段上，使上行链路和下行链路的无线环境一致性很好，更适合使用新兴的“智能天线”技术；由于利用了CDMA 和TDMA 结合的多址方式，更利于联合检测技术的采用，这些技术都能减少了干扰，提高了系统的性能稳定性。
5、能与传统系统进行兼容。TD－SCDMA 能够实现从现存的通信系统到下一代移动通信系统的平滑过渡。支持现存的覆盖结构，信令协议可以后向兼容，网络不再需要引入新的呼叫模式。
6、支持高速移动通信。在TD-SCDMA 系统中，基带数字信号处理技术是基于智能天线和联合检测，其限制在设备基带数字信号处理能力和算法复杂性之间的矛盾。该技术可以确保TD-SCDMA 系统在移动速度为250km/h 和UMTS(3GPP)移动环境下，可以正常工作。
7、系统设备成本低。由于TD-SCDMA 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，也可达到降低成本的目的。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％。
8、支持与传统系统间的切换功能。TD-SCDMA 技术支持多载波直接扩频系统，可以再利用现有的框架设备，小区规划，操作系统，帐单系统等。在所有环境下支持对称或不对称的数据速率。
6 总结
在世界市场上，由于频率资源的日益紧张，在许多地区，要得到符合FDD 系统要求的成对的频率资源已经十分困难。这样，具有更高的频谱利用率，不需要成对频谱的TD-SCDMA 系统的优势将日益显现。因此，TD-SCDMA 也会大踏步走向世界市场。此外TD-SCDMA 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。并且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。在诸多标准中起步较晚的TD-SCDMA 系统今年4 月完成了其全球的首次呼叫。随后又进行了实时图像传输公开演示，初步验证了TD-SCDMA 系统的性能。正是由于这些突破性的进展，大大增强了人们对TD-SCDMA 系统的信心。所有这些都将确保TD－SCDMA 技术在未来的市场上将有强大的竞争能力。
参考文献：
宽带CDMA：第三代移动通信技术，Tero Ojanpera,Ramjee Prasad 著，朱旭红等译，人民邮电出版社。
----《移动通信在线》
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