TD-SCDMA系统概述

1TD-SCDMA系统概述2012年2月摘要：本文介绍了TD-SCDMA标准的形成、发展现状以及未来趋势，详细阐述了TD-SCDMA系统所应用的关键技术：TDD技术、智能天线技术、联合检测技术、动态信道分配技术、接力切换技术等。最后介绍了关键技术的未来发展，并就本文做了总结。关键词：TD-SCDMA;智能天线；联合检测；动态信道分配；接力接力切换TD-SCDMASYSTEMOVERVIEWAbstract:ThisarticleintroducestheTD-SCDMAstandardformation,developmentstatusandfuturetrends,elaboratedontheTD-SCDMAsystembytheapplicationofkeytechnologies:TDDtechnology,smartantennatechnology,jointdetectiontechniques,dynamicchannelallocationtechnologies,relayswitchingtechnologyandsoon.Finally,thefuturedevelopmentofkeytechnologies,andasummaryofthisarticle.Keyword:TD-SCDMA;SmartAntenna;JointDetection;DynamicChannelAllocation;RelaySwitching1.引言目前，码分多址接入(CDMA)方式已成为第三代移动通信技术中的主要技术。由中国标准协会中国无线通信标准组织(CWTS)制定的标准——时分同步码分多址(TD-SCDMA)，已被国际电联(ITU)和第三代协作项目组织(3GPP)接受，成为IMT-2000的大家庭中的一员。由于UTRATDD的欧洲主要提出者德国西门子公司转而全力支持TD-SCDMA系统，TD-SCDMA因此成为当前3G系统中事实上的唯一的TDD标准。TD-SCDMA虽然在支持高速移动能力上有一定劣势，但随着研究的深入，时分双工(TDD)方式在频谱利用率、制造成本以及演进策略方面的优势越来越明显。2.TD-SCDMA标准2.1TD-SCDMA标准的形成TD-SCDMA作为具有我国自主知识产权的第三代移动通信标准，在我国的通信发展史上具有重要的意义。在1998年6月，当它作为第三代移动通信无线接口传输建议提交到国际电联时，就在国际上引起了强烈的反响，并得到了西门子等许多国际著名公司和众多运营商的支持。1999年TD-SCDMA标准以其具备的技术优势被ITU采纳，作为ITU认可的第三代移动通信无线传输技术之一，列入了ITU-RM.1457。由于ITU并不负责具体的标准制定，TD-SCDMA标准的技术细节，是在另一个国际标准组织3GPP完成的。1999年12月3GPPRAN第7次全会上正式确定了TD-SCDMA和另一个TDD的接入技术UTRATDD（也叫3.84McpsTDD）标准的融合原则。在2001年3月的RAN第11次全会（美国加州）上，TD-SCDMA被正式列入3GPP关于第三代移动通信系统的技术规范，包含在3GPPRelease4版本中，这表2明TD-SCDMA作为一个国际标准，被众多的业界通信制造商和运营商所接受，并为以后的市场化打开了局面。从此TD-SCDMA进入了稳定发展和逐步完善的阶段。在我国的标准化组织——中国通信标准协会（CCSA）的第五技术委员会（TC5）中，TD-SCDMA的标准化工作也在稳步地进行，目前CCSA已经制定了TD_SCDMA的一整套行业标准报批稿，包括系统体系、空中接口和网元接口的详细的技术规范，为TD-SCDMA的产业发展和商用化奠定了良好的基础[6]。2002年10月23日，信息产业部公布TD-SCDMA频谱规划，为TD-SCDMA标准划分了总计155MHz（1880～1920MHz、2010～2025MHz及补充频段2300～2400MHz）的非对称频段。这一丰富的频率资源，为TD-SCDMA的发展提供了更为充分的条件。标准的形成可以由图2-1简单概括：TD-SCDMA成为3G主流标准之一TD提到ITUTD在3GPP融合ITU正式通过3G标准TD写入3GPPR4规范TD率先成为中国通信行业标准1999年12月1998年6月2000年5月2001年3月2006年1月TD-SCDMA产业联盟图2-1TD-SCDMA标准形成2.2TD-SCDMA标准的现状自2001年3月3GPPR4发布后，TD-SCDMA标准规范的实质性工作主要在3GPP体系下完成。在R4标准发布之后的两年多时间里，大唐与其他众多的业界运营商、设备制造商一起，又经过无数次会议讨论、邮件组讨论，通过提交的大量文稿，对TD-SCDMA标准规范的物理层处理、高层协议栈消息、网络和接口信令消息、射频指标和参数、一致性测试等部分的内容进行了一次次的修订和完善，使得到目前为止的TD-SCDMAR4规范达到了相当稳定和成熟的程度。在3GPP的体系框架下，经过融合完善后，由于双工方式的差别，TD-SCDMA的所有技术特点和优势得以在空中接口的物理层体现。物理层技术的差别是TD-SCDMA与WCDMA最主要的差别所在：在核心网方面，TD-SCDMA与WCDMA采用完全相同的标准规范，包括核心网与无线接入网之间采用相同的Iu接口；在空中接口高层协议栈上，TD-SCDMA与WCDMA二者也完全相同。这些共同之处保证了两个系统之间的无缝漫游、切换、业务支持的一致性、QoS的保证等，也保证了TD-SCDMA和WCDMA在标准技术的后续发展上保持相当的一致性。2006年1月20日已经被宣布为中国的通信行业标准。2.3TD-SCDMA标准的后续发展在3G技术和系统蓬勃发展之际，不论是各个设备制造商、运营商，还是各个研究机构、政府、ITU，都已经开始对3G以后的技术发展方向展开研究。在ITU认定的几个技术发展方3向中，包含了智能天线技术和TDD时分双工技术，认为这两种技术都是以后技术发展的趋势，而智能天线和TDD时分双工这两项技术，在目前的TD-SCDMA标准体系中已经得到了很好的体现和应用，从这一点中，也能够看到TD-SCDMA标准的技术有相当的发展前途[9]。另外，在R4之后的3GPP版本发布中，TD-SCDMA标准也不同程度地引入了新的技术特性，用以进一步提高系统的性能，其中主要包括：通过空中接口实现基站之间的同步，作为基站同步的另一个备用方案，尤其适用于紧急情况下对于通信网可靠性的保证；终端定位功能，可以通过智能天线，利用信号到达角对终端用户位置定位，以便更好地提供基于位置的服务；高速下行分组接入，采用混合自动重传、自适应调制编码，实现高速率下行分组业务支持；多天线输入输出技术(MIMO)，采用基站和终端多天线技术和信号处理，提高无线系统性能；上行增强技术，采用自适应调制和编码、混合ARQ技术、对专用/共享资源的快速分配以及相应的物理层和高层信令支持的机制，增强上行信道和业务能力。在政府和运营商的全力支持下，TD-SCDMA产业联盟和产业链已基本建立起来，产品的开发也得到进一步的推动，越来越多的设备制造商纷纷投入到TD-SCDMA产品的开发阵营中来。随着设备开发、现场试验的大规模开展，TD-SCDMA标准也必将得到进一步的验证和加强。其演进阶段见图2-2。3GPP(R4)语音数据N频点3GPP(R5/6/7)HSDPA/HSUPA/多载波3GPPLTEOFDMAMIMO2002-2006年2007-2009年2010-基本版本TD增强技术长期演进版本TD-SCDMA演进可分为3个阶段图2-2TD-SCDMA演进TD-SCDMA标准之所以发展如此蓬勃，是因为它相对于cmda2000和WCDMA具有自己独有的优势和特点，下面就TD-SCDMA系统主要关键技术做详细介绍。3.TD-SCDMA系统的关键技术在TD-SCDMA为时分复用同步码分多址接入系统，无线传输方案综合了FDMA、TDMA和CDMA等多种多址方式。故TD-SCDMA系统相对其他3G标准具有自己独有的特点，概括来说主要应用了TDD技术、智能天线技术、联合检测技术、动态信道分配技术、接力切换技术以及功率控制技术等关键技术，这也使TD-SCDMA具有其他3G标准所没有的技术优势。4下面一一加以介绍。3.1TDD技术要突出TD-SCDMA系统由无线接入网、核心网和用户终端设备三部分组成。TD-SCDMA技术的主特点都集中在其无线接入网的无线传输技术中,其基本特征及主要特点如下[3]:(1)采用不需要配对频率的TDD方式,。上下行链路的信息是在同一载频的不同时间间隔上传送的。且TD-SCDMA的码片速率是1.28Mcps，故被称为“1.28McpsTDD”。由于它的码片速率低于在Release99中引入的3.84Mcps的TDD方式，因此也被称为“LowChipRateTDD”(LCRTDD)。而3.84Mcps的TDD则被称为HighChipRateTDD（HCRTDD）。如图3-1所示(2)在TDD模式下,在周期性重复的时间帧里传输基本的TDMA突发脉冲(与GSM相同),周期性地转换传输方向,在同一个载波上交替地进行上下行链路传输。这样,可以根据业务的不同而任意调整上下行转换点,适用于不对称的上下行数据传输速率,尤其适合IP分组型数据业务。对于对称和不对称业务,TDD模式都可提供最佳频谱利用率和最佳业务容量。(3)由于采用TDD的双工方式,使得用同一频率的上下行链路具有相似的电波传播特性,便于采用智能天线等新技术,提高系统性能、降低成本。(4)TD-SCDMA是同步的CDMA,它克服了异步CDMA技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同,造成码道非正交所带来的干扰问题,既提高了系统的容量,又使硬件得到简化。它与UTRATDD的最大区别是:UTRATDD是WCDMA(FDD)系统的一个补充,用于室内环境,提供高速数据和多媒体业务;而TD-SCDMA是基于ITU对IMT-2000的全部要求来设计的,解决了移动速度和小区半径等TDD的问题,本身就可以组成一个完整的蜂窝网络。UplinkDownlinkUplink/DownlinkUplink/DownlinkPaired5MHzbanduse(e.g.FDDmode)Single5MHzbanduse(e.g.3.84McpsTDD)Single1.6MHzbanduse(e.g.1.28McpsTDD)fff图3-1FDD,HCRTDD和LCRTDD的最小带宽需求比较3.2智能天线技术53.2.1智能天线的作用智能天线的基本思想是:天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。智能天线技术的核心是自适应天线波束赋形技术，如图3-2所示。在移动通信发展的早期，运营商为节约投资，总是希望用尽可能少的基站覆盖尽可能大的区域。这就意味着用户的信号在到达基站收发信设备前可能经历了较长的传播路径，有较大的路径损耗，为使接收到的有用信号不至于低于门限值，可能增加移动台的发射功率，或者增加基站天线的接收增益。由于移动台的发射功率通常是有限的，真正可行的是增加天线增益，相对而言用智能天线实现较大增益比用单天线容易[9]。在移动通信发展的中晚期，为增加容量、支持更多用户，需要收缩小区范围、降低频率复用系数来提高频率利用率，通常采用的是小区分裂和扇区化，随之而来的是干扰增加，利用智能天线可在很大程度上抑制CCI和MAI干扰。3.2.2智能天线的原理智能天线技术的原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图。如果使用数字信号处理方法在基带进行处理，使得辐射方向图的主瓣自适应地指向用户来波方向，就能达到提高信号的载干比，降低发射功率，提