浅析3G民族标准TD-SCDMA

徐啸涛 俞芳 夏敏磊

1 浙江机电职业技术学院 浙江 310053

2 苏州信息职业技术学院 江苏 215200

0 前言

近年来，第三代移动通信(3G)一直是人们关注的热点。ITU在1996年将3G由原来的FPLMTS正式命名为IMT-2000，其含义是3G统一使用2000MHz频段、最高传输速率为2Mb/s。在2000年，ITU已经最后确定了第三代标准由六种不同的标准组成，其中欧洲的 WCDMA、美国的 CDMA2000和中国的TD-SCDMA最受关注。TD-SCDMA标准是由我国大唐电信和德国西门子公司合作开发的，作为中国提出的第三代移动通信技术标准，其目标是要建立一个具有我国自主知识产权的高技术，高灵活性，高经济效率的最先进的移动通信系统。

1 3G的网络体系

作为一个完整的移动通信标准，IMT-2000的标准由两个主要部分构成：核心网络(CN)和无线接入网(RAN)。其网络拓扑图如图1所示，核心网络(CN)将基于第二代移动通信的两种主要网络即 GSM MAP和美国的 IS-41,而两类RAN(3GPP的DS CDMA+CDMA TDD及3GPP2的MC CDMA)均能够接入此两类CN。

RAN就是图1中的RNS(无线接入网系统)，它由无线网络管理(RNC)无线基站子系统(Node B)和用户终端(UE)所构成。RNS主要由Iu系列接口标准所定义。

图1 第三代移动通信系统网络示意图

2 TD-SCDMA系统的层次结构

TD-SCDMA系统结构分三层：物理层、数据链路层、高层(包括OSI中的网络层、传输层、会话层、表达层和应用层)。如图2所示。

图2 TD-SCDMA的层次结构图

(1) 物理层：规定了无线接口的物理及电气特性，负责对上层链路的服务，具有符合第三代移动通信系统的无线信道结构，它由一系列下行物理信道和上行逻辑信道所组成。

(2) 数据链路层：它由媒体接入控制(MAC)子层和链路接入控制(LAC)子层组成，MAC子层根据LAC不同业务实体的要求对物理层资源进行管理与控制，并负责提供 LAC子层业务实体所需的QOS级别。LAC子层代表物理层与物理层对应独立的链路管理与控制，并负责提供MAC子层所不能提供的更高级别QOS控制，这种控制可通过ARQ等方式实现，以满足来自更高层业务实体的传输可靠性。

(3) 高层：集OSI模型中的网络层、传输层、会话层、表达层和应用层为一体的高层实体，它主要负责各种业务的呼叫信令处理、话音业务和数据业务的控制与处理。

我国TD-SCDMA标准的实现大体上分两步走：(1)物理层采用TD-SCDMA技术，二、三层原则上采用原有GSM系统的上层协议，适当作相应修改和补充，保持与 GSM 高度兼容，最高速率为284kb/s。作为向3G 的过渡阶段，这一系统被命名为TSM系统。(2)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，尽量与3GPP标准融合，真正实现IMT-2000所要求的全部功能，最高数据达到2Mb/s。

3 TD-SCDMA系统的关键技术

TD-SCDMA作为CDMA TDD的一种，具备TDD的所有特点，如混合多址方式、上下行链路特性的一致、时隙按上下行链路所需数据量进行动态分配等。TD-SCDMA的特殊之处在于它使用了智能天线、联合检测、上行同步等技术，这也是TD-SCDMA提案被ITU接收的重要原因。

(1) 智能天线技术

TD-SCDMA系统所用的智能天线，采用波束形成技术(由相应的算法来控制)，不同于传统的全向天线只产生一个波束，智能天线系统能给出多个波束赋形，每个波瓣对应于一个特别终端。由于波束很窄对其他移动终端的干扰很小，从而有利于提高系统的容量，也可降低基站的发射功率。另一方面基站的智能天线的波束很窄，也较好地解决了下行链路的多径问题。

(2) 多址技术

为了让多个用户能够共享同一个资源，在公众通信系统中，都设法利用各方面的资源，设计出最高效率的多址技术来满足要求。目前，能够考虑的资源是频率、时间和正交扩频码。因而，在TD-SCDMA系统中同时使用了FDMA、TDMA和CDMA的技术。特别是针对不对称的IP业务，CDMA和TDMA的联合使用可以进一步提高系统的容量和灵活性。

另一种正在研究的多址技术——空分多址(SDMA)是基于智能天线技术的，它将成倍的提高系统的容量。TD-SCDMA充分使用了智能天线技术，随着基带信号处理技术的进步，在TD-SCDMA系统中将实现SDMA的功能。

(3) 软件无线电技术

软件无线电技术是近几年发展起来的新兴技术，其核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用A/D和D/A转换器，在通用的硬件平台上，尽可能通过软件来定义无线电的功能，以软件方式替代硬件实施信号处理，实时配置信号波形。在TD-SCDMA系统中，软件无线电技术的采用无疑增加了其使用的灵活性。

(4) 联合检测技术

联合检测这一重要技术能将所有用户的多址干扰降至最低，使每载波的用户负载量得到提高。TD-SCDMA中联合检测效率较高，因为它是一个时域和帧控的TDMA方案，因此每载波的大量用户被分布到各帧的每个传输方向的时隙中，最终使得每个时隙中并行用户的数量较少，这样通过较少的计算量和较低的信号要求就可有效地检测到信号，并使多址干扰最小，最终使相同的射频载波带宽上允许承载更多的用户业务量。联合检测还是频谱利用率得到提高，基站和终端控制部分简单些。

(5) 接力切换技术

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，接力切换技术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，其出发点是利用移动台的位置信息，结合切换算法和上行同步技术，准确地将需要切换地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。在切换时也可根据系统需要，采用硬切换和软切换的机理。

(6) 同步CDMA技术

同步 CDMA是降低多址干扰，简化基站接收机的一项重要技术。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，使上行信号主径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。

(7) 高效的信道编译码技术

TD-SCDMA扩频技术在克服多径衰落以提供高质量的传输信道方面有很好的作用，但却存在频谱效率非常低的缺点。因此，3G系统必须采用另一个核心技术即信道编译码技术以进一步改善通信质量。现在用于克服衰落效应采用的主要技术是前向信道纠错编码和交织技术。编码和交织都极大的依赖于信道的特征和业务需求。不仅对业务信道和控制信道采用不同的编码和交织技术，而且对于同一信道的不同业务也采用不同的编码和交织技术。

(8) 低速率技术

TD-SCDMA中采用的码片速率为1.28Mcps，是WCDMA中码片速率3.84Mcps的1/3，这将有利于WCDMA系统的兼容。码片速率低也方便于硬件的实现，并使成本较低。1.28Mcps码片速率，单载频占用1.6MHz频带宽度，频带较窄这将有利于灵活地安排频谱。GSM的频点为200KHz间隔，8个连续的 GSM 频点占 1.6MHz，将来正好安排一个TD-SCDMA载波，利用空出来的第二代频谱开展第三代的业务，使宝贵的频谱资源被有效利用。

4 TD-SCDMA系统的突出优势

(1) 不需要对称频率，频谱利用率高，系统容量大

就移动通信技术的根本性问题——频谱资源利用率而言，TD-SCDMA与其他两种相比较频谱利用率是最高的，随着我们的移动电话普及率的日益增长，将使得第二代移动通信首先是要解决移动电话用户的高速增长与频谱资源不足的矛盾。TD-SCDMA的频谱利用率倍于 WCDMA与CDMA2000，而且它不像 FDD标准那样需要成对的频率，可以充分利用零碎频段。因此，TD-SCDMA可以有效的解决资源紧张的问题。

(2) 能有效的支持非对称的传输业务

在 TDD工作模式中，上下性数据传输的传输通过控制上，下行的发送时间长短来决定，可以灵活控制和改变发送和接收的时段长短比例，这尤其适合今后的因特网等非对称业务的高效传输。只有采用 TDD模式时，才有可能自适应地将上行的发送时间减少，将下行的接收时间延长，来满足非对称业务的高效传输。这种优势是FDD模式所不具备的。

(3) 与GSM兼容性好

因为 TD-SCDMA系统既可接入到现有的二代GSM/MAP核心网，又可接入3G核心网，无论用那一种接入方式，都可先利用GSM核心网络，在业务需求量大的地方先行以“孤岛”方式部属TD-SCDMA基站，与现有的GSM网络完全兼容，从而实现从第二代移动通信技术到第三代移动通信技术平滑过渡，最大限度地利用我国现有的非常庞大的第二代移动通信网络资源，最大限度地保护现有投资，节省演进成本。这种方式既可充分利用现有投资，又可用较少的代价提供3G业务。待3G的业务需求不断增加，覆盖孤岛不断增多，扩大，最终把局部覆盖扩展到全国覆盖。

(4) 成本低

对于运营商来说，TD-SCDMA系统所需频带窄，运营费用低。又因为TD-SCDMA采用智能天线等新技术，从而可以大大降低产品成本。另外，TD-SCDMA拥有自主知识产权，可避免因使用外国公司专利而必须交付的高额知识产权费用，从而可进一步产品成本。

从以上分析不难看出，TD-SCDMA标准所具备的种种技术优势恰恰符合了中国国情现状发展3G的要求，无疑是建设中国3G网络系统的最佳方案。

5 总结

2002年10月25日，中国的3G手机频谱规划方案终于尘埃落定，在信息产业部正式通过的有关方案中，大唐电信的TD-SCDMA标准获得了强大支持。在这种倾斜政策的背景下，采用具有中国自主知识产权的第三代移动通信标准TD-SCDMA，有利于国内更多的制造商投入3G的开发，将带动我国民族移动通信企业在第三代移动通信技术中飞速发展，为未来市场的发展创造宽松的环境，并极大地推动我国移动通信的产业化发展。

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