子荫 白杉 广西桂林76140部队
摘要：本文先介绍我国TD-SCDMA标准研究进展，然后介绍了TD-SCDMA技术的特点、TD-SCDMA的智能天线技
术、频谱利用技术、基站与终端技术，最后分析了第二代系统如何向第三代系统过渡。
关键词：TD-SCDMA；第三代移动通信；通信标准；智能天线；频谱利用；基站与终端
1.我国TD-SCDMA标准研究进展
中国作为3GPP组织成员之一，积极参与IMT-2000标准的制定工作。1997年至1998年期间，我国在无线接入技术方面，开发SCDMA技术，形成了SCDMA无线用户环路系统产品，达到国际领先水平，在移动通信网络设备方面，开发了GSM和CDMA(IS-95)等第2代移动通信交换系统，开发了DCS-1800系统的无线基站和基站控制器，并形成了产品，通过了现场实验，1999年开始大批生产，并供应市场。这些技术基础使我国在国际电联有了发言权。
我国TD-SCDMA标准的实现大体上分两步走：第1步在物理层采用TD-SCDMA技术，而二、三层原则上尽量采用原有GSM系统的上层协议，作相应修改和补充，保持与GSM高度兼容，满足最高速率为284kbit/s的数据传输需要（此阶段为2.5代移动通信系统）。第2步则在物理层全面采用TD-SCDMA技术，二、三层控制协议采用3GPP的上层协议，尽量也3GPP标准融合，真正实现IMT-2000所要求的全部功能，最高数据传输率可达2Mbit/s，即第3代移动通信系统的要求。
1999年11月召开的国际电联芬兰会议确定的第三代移动通信无线接口标准，是移动通信领域的一个重要里程碑。会议确定了5个IMT-2000技术提案的规范，包括IMT-DS(Direct Spread)、IMT-MC(Multi Carrier )、IMT-TDD（Time Division Duplexing）、IMT-SC(Single Carrier)及IMT-FT（Frequerncy Time）。这些技术标准涵盖的几种技术为：IMT-DS包括UTRA/TDD（WCDMA）；IMT-MC由cdma2000构成；IMT-TDD包括UTRA/TDD和TD-SCDMA。前3种提案采用了CDMA技术，是第三代移动通信发展的主流；后两种提案采用的TDMA，使现有的第二代TDMA网络提供部分的第三代业务。中国提交的TD-SCDMA属于CDMA TDD模式，这是中国在百年的通信史上第一次制定了国际标准。对中国通信业来说，这是一个重大的突破。
3GPP正在努力建立一个统一的第三代移动通信技术标准而努力。对于这个标准，现在仍称为UTRA。UTRA是基于GSM核心网，并且包含FDD和TDD模式的第三代移动通信标准。为了将TD-SCDMA融入UTRA，新的协调工作已在3GPP里开始进行。作为第一步，根据码片速率的差异，分别将TD-SCDMA和TD-SCDMA称为3.84Mcps TDD和1.28Mcps TDD。这些工作由3GPP技术规范小组的许多工作组来完成，包括：WG1(物理层)、WG2（协议层，MAS和RLC）、WG3（接口，IuB和IuR）和WG4（RF要求和测试规范）。
来自欧洲、中国和韩国的工程师们正在进行不懈的努力。这项标准化工作的目标是要将TD-SCDMA吸收为UTRA第四版标准的部分（Release 2000）。这些规范在3GPP和3GPP2中进行了详细的阐述，并成为ITU IMT-2000建议的一部分。3GPP的工作组预期在2001年完成2000年版本的标准。
2.TD-SCDMA的技术魅力
国际电信联盟（ITU）组织专家组在充分研究了第2代移动通信的频谱利用率、设备成本、组网能力、可能提供的业务、技术先进性等困扰发展的有关问题后，提出了第3代移动通信的主要特点要求：（1）第3代移动通信是第2代移动通信的演进和发展，不是重新建设一个新移动通信网。（2）全球无缝覆盖、全球漫游的可提供前两代系统所不能提供的各种宽带信息业务，速率达2mbit/s，宽带在5MHz以上。（3）具有多媒体功能，不仅接受和发送话音、数据信息，而且还能接受和发送静态、动态图像及其他数据业务。（4）克服技术难题，包括多径衰落、多址干扰、远近效应、体制问题等。（5）实现数据业务，主要Internet所需要的不对称的、基于包交换（ip）的业务。（6）具有高频谱利用率，解决全世界存在的系统容量问题。（7）系统设备低价位，业务服务高质量低价位，满足个人通信化的要求。
TD-SCDMA除具备CDMA TDD的所有特点外，还采用了以下的技术，保证了TD-SCDMA有着其独特的特色和优点，这也是TD－SCDMA提案被国际电联接受的重要原因。
（1）智能天线。TD－SCDMA系统中所用的智能天线采用波束成形技术，方向图随移动台的移动而动态跟踪（基站装配智能天线）。由于它的波束很窄，对其他用户的干扰很小，因而大大提高了系统容量。同时，基站的发射功率也大大降低。另一方面，由于TD－SCDMA系统中的波束很窄，下行链路的多径问题也得到了很好解决。
（2）上行同步（Uplink Synchronization）。TD－SCDMA系统中，上行链路和下行链路一样，都采用正交码扩频。移动台动态调整发往基站的发射时间，使上行信号到达基站时保持同步，保证了上行信道信号的不相关，降低了码间干扰。这样，系统的容量由于码间干扰的降低大大提高，同时基站接收机的复杂度也大为降低。
（3）联合检测（Joint Detection）。联合检测是TD－SCDMA系统中使用的又一重要技术。在基站侧，由于信号从移动台多径到达基站，因此上行同步技术只能保证主径在一定范围内的同步。联合检测技术把同一时隙中多个用户的信号及多径信号一起处理，精确地解调出各个用户的信号。在移动台侧，基站智能天线的波束成形，虽然极大地降低了多用户干扰的强度，但是多用户干扰依然存在，尤其是当用户的位置非常靠近时，多用户干扰问题仍很严重。联合检测技术能很好地解决多用户干扰问题。
（4）软件无线电（Software Radio）。软件无线电是近几年发展起来的技术，它把许多以前需要硬件实现的功能用软件来实现。由于软件修改较硬件容易，在设计、测试方面非常方便，不同系统的兼容性也易于实现，所以这一技术在TD－SCDMA系统中也被采用。
（5）接力切换（Baton Handover）。由于TD－SCDMA系统中智能天线的使用，系统可得到移动台所在的位置信息。接力切换就是利用移动台的位置信息，准确地将移动台切换到新的小区。接力切换避免了频繁的切换，大大提高了系统容量。在切换时可根据系统需要，采用硬切换或软切换的机理。
（6）低速率模式（Low Chiprate）。TD－SCDMA系统码片速率（Chiprate）采用的是1.28MHz，为UTRA/TDD码片速率的1/3，这有利于URTA/TDD系统的兼容。低的码片速率，在硬件上也容易实现，可大大降低成本。另外，1.28MHz码片速率的单个载频占用1.6MHz的带宽，较之5MHz的URTA/TDD和UTEA/FDD，由于占用带宽窄，在频谱安排上有着很大的灵活性。对于利用将来要空置了的第二代频谱开展第三代业务，可有效地使用日益宝贵的频谱资源。
3 TD－SCDMA的智能天线技术
作为TD－SCDMA的关键技术之一的智能天线技术能够提高系统的容量，扩大小区的最大覆盖范围，减少移动台的发射功率，提高信号的质量并增大传输数据速率。这些优点给移动网络运营商提供了很大的灵活性。
由空分的独立的天线元素组成一个天线阵列系统，这个阵列的输出可与收发信机的一组多个输入相结合。这多个天线元素结合在一起提供一个综合的时空信号。与使用单个天线采用固定方式结合天线口信号的接收机相比较，天线阵列系统能够系统的性能。正因为这个原因，天线阵列经常被称为智能天线。
人们经常使用环状或线性天线阵列。在TD－SCDMA通信系统中，我们用8个完全相同的天线元素均匀地放置在一个半径为R的圆形上，组成我们所需的环形天线阵列。这种阵列对于干扰消除技术特别有效。每两个天线之间的距离是载波波长的一半。由于每个天线在空间上处于不同的位置，所以不同天线元素的信号幅度和相位是不同的。这样，在不降低信噪比的同时可以产生很多个独立有方向性的高增益的波束。不同的波束分配给不同的用户，保证了所有链路上的最大的增益。利用自适应的波束成形可以有效地消除干扰，提高系统的容量。各种能够用数学公式表示的算法都能够得到实现。
随着交通和通信的发展，对在高速运动中的高速数据业务的需求显得越来越紧要的。在车速环境中，一般来说是没有直线视距信号存在，这就意味着接收到的信号是由反射波、折射波和散射波等组成的。接收到信号的平均功率随着距离的增大而减少。
采用智能天线技术的TD－SCDMA移动通信系统不仅适用于室内环境，而且也适用于室外的车速环境。根据我们的分析与仿真，在移动台速度很高的情况下，该系统同样能够正常地工作。在上行链路上，基站端的接收机能够实时地确定接收到信号的波束结构特点，对信号进行解调，不需要任何存储单元存放过去帧的波束信息。所以无论移动台的速度多高，在上行链路的接收机都可以迅速地在每一帧适应新的波束特点。在TDD双工模式下，上行链路和下行链路使用的是同一个频带，基站端的发射机可以根据在上行链路上得到的接收信号来了解下行链路的多径信道的快衰落特性。这样，基站的收发信机就可以使用在上行链路上得到的信道估测信息来实现下行的波束成形。只有在象TD－SCDMA这样的TDD双工系统中上行、下行链路的配合才能达到这样好的程度。在TD－SCDMA系统中，由于无线子帧的长度是5ms，所以允许的下行对上行的最大反应时间为5ms。根据无线帧中上行和下行的信道分配，这个反应时间可以更短。随着移动台速度的增加，上行链路上的信道特性与下行链路上的信道特性的相关性越来越强。下行链路信道的特性与上行的存在着偏差，但是这个偏差很小，所以利用上行获得的波束信息来做下行的波束成形仍然能够正确工作。
4 频谱利用技术
近两年移动通信市场所显现的增长趋势要求实现以下两种主要业务：一是发送和接收需要同样带宽的对称的低比特率语音业务；二是发送和接收需要不同带宽的非对称的高比特率互联网业务。
这两种不同类型的业务对3G网络的不同要求是对未来移动通信系统设计的一个特别的挑战。很明显，对称成对频带上的FDD（频分多址）运行模式，即发送和接收分别在带宽相同（对称）但频率不同的两个频带（成对）上进行的模式，非常适合于对称业务。然而，3G的非对称业务以及对称和非对称业务的混合导致系统频谱分配和频谱管理将发生相当大的变化。
在3G的对称语音业务和多媒体业务方面，由于不同的多媒体业务所要求的业务信道的带宽都是不同的。因此，通常以每MHz的语音信道数量来衡量系统效率的概念，一般被每MHz和每小区数据吞吐量，即频谱效率这一概念所代替。在3G的非对称包交换业务和互联网业务方面，由于其典型特征是上/下行链路中的业务量负载的不对称性，而FDD在一个固定的上/下行链路进行频率分配，想过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。因此，在方便、灵活的条件下，以FDD模式实现对称非对称的业务，其频谱综合利用率不能达到最佳。
在这种情况下，一些为克服FDD模式的缺点的研究工作已在进行。结果表明，在FDD方式下，自适应的频谱分离将导致系统自身干扰和引起EMC（电磁兼容性）等问题，增加了系统的复杂性和整体费用。因此，TD－SCDMA的设计参照了TDD（时分双工）在不成对的频带上的时域模式，即发送和接收在同一频带（不成对）的不同时隙内进行。其突出优势是：上/下行链路间的时隙分配，可以被一个灵活的转换点改变，以满足和实现所有3G对称和非对称业务的要求。
对于FDD和TDD模式下的对称业务，它们的频谱利用率基本上是相等的。然而，FDD在实现互联网业务时，是典型的下行链路（接收）满负载，而上行链路（发送）的负载很小。这样，大多数上行链路的频谱不能被利用。作为一种选择，TDD模式容易设立一个转换点，即大约80％的下行链路获得容量，而上行链路的容量被减至20％。
可见，TD－SCDMA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。但在FDD系统中，由于其固定的上/下行链路分配，导致这个问题不能被彻底解决。因此，TD－SCDMA系统具有无线资源灵活时域分配的显著特点，是针对各种双工业务的全球无线业务发展的一个里程碑。
TD－SCDMA技术目前主要在中国和德国进行开发，计划2002年底提供正式的商用设备。该系统是一个立足于第一阶段兼容现有GSM网络，并在第2代网络上实现第3代的业务；第二阶段接入全新的第3代网络，提供更新的3代业务。该技术采用TDD模式，并且同时使用了FDMA/TDMA/CDMA技术，相同的QPSK射。相的同时，还能达到高数据传输率和较大的系统容量。
5 基站与终端技术
TD－SCDMA系统采用时分双工（TDD）、TDMA/CDMA多址多方式工作，基于同步CDMA、智能天线、多用户检测、正向可变扩频系数等技术，工作在2010MHz到2025MHz频段。
1）基站
TD－SCDMA系统基站采用基站高集成度、低成本设计，采用TD－SCDMA的物理层和基于修改的GPRS业务。基站具有以下主要特点：1）基站采用3载波设计，每载波带宽1.6MHz，其占用5MHz带宽。2）采用低中频数字合成技术，以解决多载波的有关问题。3）公用一套智能天线，达到增强所需信号，抑制干扰信号，成倍扩展通信系统容量的目的。4）公用射频收发信机单元。5）基于软件无线数字信号处理技术。6）低功耗设计，每个载波基站耗电不超过200W。7）具有高可靠性、可维护性等特点。
2）终端
TD－SCDMA系统采用双频双模（GSM900和TD－SCDMA）终端，支持TD－SCDMA系统内切换，支持TD－SCDMA系统到GSM系统的切换。在TD－SCDMA系统覆盖范围内优先选择TD－SCDMA系统，在TD－SCDMA系统覆盖范围以外，采用现有的GSM系统。终端具有以下主要特点：1）TD－SCDMA系统采用双频双模终端，GSM-900MHz和TD－SCDMA-2000MHz。2）采用固定台和车载台，多载波工作，外接天线，提供384kbit/s-2Mbit/s业务，有大尺寸的LCD显示屏幕。3）终端有6个发射功率等级。4）使用GSM的SIM卡。5）语音编译码，GSM/3G，8kbit/s。6）终端设备数据接口或大尺寸LCD显示屏幕。7）TD－SCDMA系统的价位，平均每户价格将比GSM扩容降低至少20％，与GSM系统同基站安装不需另投资。
6 第二代向第三代的过渡
中国第二代系统采用的是GSM系统，系统几乎覆盖了全国。面对如此庞大的GSM网络，如何向第三代过渡，是革命还是演进？如果不采用第二代向第三代平滑演进的策略，投资庞大的第二代网络将造成极大的浪费，而采用则对第三代业务的需求来说也是一个平滑演进的过程。另外，直接建立全套的第三代网络势必存在一定的风险。如果系统支持第二代向第三代的平滑演进，系统和业务的发展同步，那么，此系统将是中国向第三代过渡的首选。考虑到中国第二代网络的情况，TD－SCDMA系统设计的一个重要思想就是建立在GSM网络基础上逐步向第三代系统过渡，以减少风险和首期投资。
目前，给运营商带来利润的同时又困扰运营商的一个问题是：每月增长约100万移动用户，这样下去，二三年后，分配给GSM的频谱资源将全部用完，也就是GSM系统容量达到极限。GSM系统将无法解决这个问题。基于这一考虑，在TD－SCDMA系统建网的第一阶段，基于GSM网络，只需建立TD－SCDMA基站（BTS）（利用第三代频谱），TD-TDMA基站通过Abis接入GSM的BSC，通过TRAU提供话音业务（GSM网络不需做任何修改）。由于TD－SCDMA系统的频谱利用率为GSM系统的3-5倍，建立TD－SCDMA基站，利用第三代频谱，解决了系统容量不足问题，特别是解决了在GSM网络中用户密度大的地区的容量不足的问题。TD－SCDMA采用TDD模式，由于TDD模式的非对称性，比原有的GSM系统更适合提供数据业务，数据速率也比GPRS提供的速率高。TD－SCDMA基站通过GSM网络的SGSN提供高达384kb/s的各种速率的数据业务。
在网络的第二阶段，GSM网络和第三代网络共存，基站控制器（BSC）被连接到无线网络控制器（UMSC）。最终，网络升级到完全基于第三代的网络，提供所有第三代的业务。这一平滑的演进过程，减少了投资和风险。
Siemens完全采用从2G向3G平滑演进的TD－SCDMA发展之路，在UMTS的频率上提供3G要求的从8kb/s到2Mb/s速率的高速数据通信业务。由于TD－SCDMA采用的是TDD模式，因而不需要对称频点，可方便配置频点。同时，由于采用TDD模式，非常适合于数据传输。智能天线、联合检测等技术的使用便得它的频谱效率是GSM系统的3-5倍。Siements TD－SCDMA基站设备较GSM基站更具有小型化、设备成本低等优点，一个配置了1/3的TD－SCDMA基站提供的容量相当于两个同体积目前最新的GSM基站提供的容量。
第一代和第二代移动通信系统培育了中国的移动通信市场。据统计，中国的移动用户已经达到了1亿，预计到2002年，中国的移动用户将达到1.8亿。技术培育市场，同时市场也培育技术。中国如此广阔的通信市场呼唤一流的移动通信设备，这为TD－SCDMA提供了百年难遇的机会和广阔的成长舞台。第二代移动通信市场的竞争，几乎达到白炽化的地步。可以想象，多个标准共存的第三代移动通信系统的竞争将会是如何等激烈！包括中国在内的移动通信市场，只会接受具有竞争力的产品。没有选择，TD－SCDMA必须经受残酷的市场竞争。当然，TD－SCDMA也将积极参与竞争，没有竞争，就不会有TD－SCDMA的茁壮成长与巨大成功！
摘自《移动通信》2001.9
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