TD-SCDMA标准分析

近年来，移动通信在经过第1代(模拟系统)和第2代(窄带数字系统)的蓬勃发展后，正面临着一个新的历史发展机遇。包括GSM、IS-95等系统在内的第2代移动通信系统以话音业务为主，它们所提供的低速率电路型数据业务已不再能满足通信需求。互联网的高速发展给移动数据通信业务带来了空前的发展机遇，第3代移动通信(3G)技术在这样的背景下应运而生。3G理论研究、技术开发和标准制定工作起始于20世纪80年代中期，国际电信联盟(ITU)从1985年开始研究未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)，后更名为国际移动通信2000(IMT-2000)。欧洲电信标准协会(ETSI)从1987年开始对3G行研究，并将其称为通用移动通信系统(UMTS)。

　　1999年11月召开的国际电联芬兰会议确定了3G无线接口技术标准，并于2000年5月举行的ITU-R 2000年全会上最终批准通过，标准包括码分多址(CDMA)和时分多址(TDMA)两大类5种技术。它们分别是：WCDMA、 cdma 2000、  CDMA TDD、UWC-136和EP-DECT。其中，前3种基于CDMA的技术是目前所公认的主流技术，有频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种工作方式。CDMA TDD包括欧洲提出的UTRA(UMTS陆地无线接入)和中国提出的TD-SCDMA(时分同步码分多址)技术。2001年3月，3GPP通过R4版本，由中国提出的TD-SCDMA被接纳为正式标准。由于UTRA TDD的欧洲主要提出者西门子公司已经宣布放弃对其继续进行研发，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TDD标准。虽然TD-SCDMA到目前为止在全球范围内还没有发出1张牌照，但是各国几乎都预留了频段，这是TD-SCDMA全球应用的基础。3GPP规定的TDD标准只有TD-SCDMA，如果各国运营商日后决定启用TDD频段的话，则非TD-SCDMA莫属。事实上，多数运营商是通过竞拍得到TDD频段的，由于无线频谱资源有限、频段日趋紧张，他们是不可能将TDD频谱资源长期闲置不用的。可见，未来TD-SCDMA比WCDMA和cdma 2000具有更为广泛的应用前景，漫游的区域也将是广阔的，其发展潜力巨大[1—4]。

　　1 TD-SCDMA标准

　　由于无线通信领域的特殊性，频谱的划分通常被视作各国政府对本国所采用移动通信体制的重要政策导向。2002年10月，中国信息产业部下发文件《关于第3代公众移动通信系统频率规划问题的通知》(信部无[2002]479号)规定了3G的主要工作频段；FDD方式：1 920～1 980 MHz、2 110～2 170 MHz；TDD方式：1 880～1 920 MHz、2 010～2 025 MHz(补充频段，FDD方式：1 755～1 785 MHz、1 850～1 880 MHz；TDD方式：2 300～2 400 MHz，与无线电定位业务共用)。此规划明确规定在中国TDD方式具有155 MHz的工作频段，而FDD方式(包括WCDMA FDD和cdma 2000)仅得到了2×90 MHz的频段。中国把如此大一部分国际核心频段预留给了TD-SCDMA标准，同时又富有战略性地将扩展频段中的相当一部分也划分给了TDD，表明中国政府希望TD-SCDMA能尽快商用化，并使中国的3G标准对周边及亚太地区产生影响，进而拓展到全球范围,预示中国政府对于TD-SCDMA标准的支持已经进入了实质性阶段。

　　1.1 TD-SCDMA标准的多址方式

　　TD-SCDMA是FDMA、TDMA和CDMA 3种基本传输模式的灵活结合，其基本特性之一是在TDD模式下，采用在周期性重复的时间帧里传输基本的TDMA突发脉冲的工作模式，通过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。

　　1.2 TD-SCDMA系统的网络架构

　　UMTS系统由核心网(CN)、UMTS的无线接入网(UTRAN)和用户设备(UE)3部分组成。UMTS的CN是由GSM系统的CN演化而成，它具有与GSM系统相似的结构。CN通过A接口与GSM系统的基站控制器(BSC)相连，通过Iu接口与UTRAN的无线网络控制器(RNC)相连。其中Iu接口又被分为连接到电路交换域(CS)、分组交换域(PS)和广播控制域(BC)的接口。

　　UTRAN由若干通过Iu接口连接到CN的无线网络子系统(RNS)组成。每1个RNS包含1个RNC和1个或多个NodeB。NodeB与RNC之间的接口为Iub接口。在UTRAN内部，RNC通过Iur接口进行信息交互。Iur接口可以是RNC之间物理上的直接连接，也可以靠通过传输网络的虚拟连接来实现。每个RNS管理1组小区资源。在UE和UTRAN的每个连接中，1个RNS充当服务无线网络子系统(SRNS)，1个或多个漂移无线网络子系统(DRNS)通过提供无线资源来支持SRNS。

　　TD-SCDMA的内容由3GPP的R4规定(在R99中只包含了3.84 Mcps TDD)。TD-SCDMA是在R4及R4之后的版本才被纳入3GPP的，此时TDD包括了3.84 Mcps和1.28 Mcps两个选项，后者即为TD-SCDMA。在R4架构下，移动交换中心(MSC)分离为MSC服务器(MSC-Server)和电路域-媒体网关(CS-MGW)。标准的兼容性决定了1.28 Mcps TDD同样能够提供R99中所需要的全部功能。

　　1.3 TD-SCDMA标准的优缺点

　　所有的标准都有其优点和缺点，TD-SCDMA标准也一样。

　　TD-SCDMA标准的优点：

　　(1)有利于频谱的有效利用

　　TDD由于不需要使用成对的频率，故各种频率资源在TDD模式下均能够得到有效的利用，从而可以充分利用不成对的频段，分配频段相对来说更加简单。

　　(2)更适合于不对称业务

　　在FDD DS-CDMA系统中，前向业务信道与反向业务信道占用的是不同频段，在前向信道与反向信道之间采用保护频带以消除干扰；对于TDD DS-CDMA系统，前向和反向信道工作于同一频段，前向与反向信道的信息通过时分复用的方式来传送。TDD特别适用于不对称的上、下行数据传输速率，当进行对称业务传输时，可选用对称的转换点位置；当进行非对称业务传输时，可选择非对称的转换点位置。

　　(3)上、下行链路中具有对称信道特性

　　由于TDD系统中上、下行链路工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于使用智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的。上行功率控制中也可充分利用上、下行链路的对称电波传播特性。TDD发射机根据接收到的信号就能够知道多径信道的衰落，这是由于所设计的TDD帧长通常要比信道相干的时间更短。

　　(4)设备成本低

　　由于信道是对称的，所以可能简化接收机。如果基站采用前置RAKE技术，则TDD终端的复杂性可大大降低。与FDD相比，无高收、发隔离的要求，可使用单片集成电路(IC)来实现射频(RF)收发信机，设备费可能比FDD方式降低20%～30%。

　　TD-SCDMA标准的缺点：

　　(1)移动速度与覆盖问题

　　TDD采用多时隙的不连续传输，对抗快衰落、多普勒效应能力比连续传输的FDD差。目前ITU-R对TDD系统移动速度的要求是达到120 km/h；而对FDD系统则要求达到500 km/h。另外，TDD的平均功率和峰值功率的比值随时隙数增加而增加，考虑到耗电和成本因素，用户终端发射功率不可能太大，故小区半径较小。

　　(2)基站的同步问题

　　对于TDD CDMA系统来说，为减少基站间的干扰，基站间同步是必须的。这可以采用全球定位系统(GPS)通过用额外的电缆分布公共时钟来实现，但这也同时增加了基础设施的费用。

　　(3)干扰问题

　　TDD系统中的干扰不同于FDD系统，因为TDD系统的同步困难，相关的干扰使之成为TDD系统使用的主要问题。TDD系统的干扰有多种形式，如：TDD蜂窝内的干扰、TDD蜂窝间的干扰、不同运营商间的干扰、TDD/FDD系统间的干扰、来自功率脉动的干扰等。

　　1.4 TD-SCDMA标准的专利分析

　　关于知识产权的争论历来都是移动通信领域中的重要问题，任何一个国家如果要摆脱受制于人的被动局面，都必须在知识产权方面有所建树。在3G核心技术知识产权多元化的背景下，一个国家、一个企业所掌握的专利在所有核心专利中所占比重将直接影响到国家、企业的利益，进而影响到他们对于该项技术的决策。中国究竟拥有多少TD-SCDMA标准的核心知识产权，这是TD-SCDMA在中国是否得到广泛使用的前提所在。虽然在技术不断发展、多种技术相互交织的今天，人们很难用一个确切的数字来准确回答这一问题，但中国拥有TD-SCDMA核心知识产权的事实却是毋庸置疑的，可以看到在这些知识产权中的很大一部分是无法用其他技术来回避的，例如，构成TD-SCDMA基础的智能天线、同步CDMA、接力切换、联合检测等技术就是区别于其他3G系统的核心技术。事实上，由于TD-SCDMA的存在，给中国3G建设所带来的好处已经开始显现，WCDMA和cdma 2000都已先后宣布降低其在中国的专利使用费。

　　2 TD-SCDMA空间接口技术

　　2.1 空间接口标准

　　在IMT-2000的空间接口标准中，基于不同的核心网设计，空间接口(Uu接口)的基本结构被分为两大类，分别由3GPP和3GPP2两个标准化组织来起草。TD-SCDMA的Uu接口是基于3GPP概念提出的。在Uu接口上，协议栈按其功能和任务，被分为物理层(即L1)、数据链路层(即L2)和网络层(即L3)3层。其中L2又分为媒体接入控制(MAC)、无线链路控制(RLC)、分组数据会聚协议(PDCP)和广播/多播控制(BMC)等4个子层。L3和RLC按其功能又被分为控制平面(C平面)和用户平面(U平面)，L2的PDCP和BMC只存在于用户平面中。在控制平面上，L3又分为无线资源控制(RRC)、移动性管理(MM)和连接管理(CM)等3个子层。按信令及过程是否和接入有关，Uu接口协议也被分作接入层(包括L1、L2和L3的RRC子层)和非接入层(包括MM、CM)，其中，非接入层信令属于核心网功能。

　　2.2 物理层技术

　　2.2.1 物理信道及帧结构

　　TD-SCDMA系统与其他3G系统的最大不同在于物理层技术不同。TD-SCDMA的扩频带宽为1.6 MHz，符号速率可以根据1.28 Mcps的码速率和扩频因子得到。在TD-SCDMA系统中，1个10 ms的无线帧可以分成2个5 ms子帧，每个子帧由7个675 us的常规时隙(TS0—TS6)和3个特殊时隙(下行导频时隙、保护间隔和上行导频时隙)组成。常规时隙用来传送用户数据或控制信息，TS0总是固定地用作下行时隙来发送系统广播信息，而TS1总是固定地用作上行时隙。其他的常规时隙可以根据需要灵活地配置成上行或下行以实现不对称业务的传输，如分组数据的传输。用作上行链路的时隙和用作下行链路的时隙之间由1个转换点分开。每个5 ms的子帧中设有两个转换点，第1个转换点固定在TS0结束处，而第2个转换点则取决于小区上、下行时隙的配置(见图1)。

　　除下行导频(DwPTS)和上行导频(UpPTS)突发外，其他所有用于信息传输的突发都具有相同的结构：由2个数据部分、1个训练序列码和1个保护时间片组成。数据部分对称地分布于训练序列的两端。1个突发的持续时间就是1个时隙。突发的数据部分由信道码和扰码共同扩频。信道码是一个正交可变扩频因子(OVSF)，扩频因子值可以取1、2、4、8或16，物理信道的数据速率取决于所用的OVSF码所采用的扩频因子值。

　　在TD-SCDMA系统中，每个小区一般使用1个基本的训练序列码。对这个基本的训练序列码进行等长的循环移位(长度取决于同一时隙的用户数)又可以得到一系列的训练序列。同一时隙的不同用户将使用不同的训练序列位移。因此，一个物理信道是由频率、时隙、信道码、训练序列位移和无线帧分配等诸多参数共同定义的。建立一个物理信道的同时，也就给出了它的初始结构。物理信道的持续时间可以无限长，也可以是分配所定义的持续时间。

　　2.2.2 信道编码方案

　　TD-SCDMA有3种信道编码方式：

　　(1)在物理信道上可以采用前向纠错编码，即卷积编码，编码速率为1/2～1/3，用来传输误码率要求不高于10-3的业务和分组数据业务。

　　(2)Turbo编码，用于传输速率高于32 Kb/s、误码率优于10-3的业务。

　　(3)无信道编码。

　　信道编码的具体方式由高层选择，为了使传输错误随机化，需要进一步进行比特交织。

　　2.2.3 调制和扩频方案

　　TD-SCDMA采用QPSK方式进行调制(室内环境下的2 Mb/s业务采用8PSK调制)，成形滤波器采用滚降系数为0.22的根升余弦滤波器。

　　TD-SCDMA采用了多种不同的扩频码：

　　(1)采用信道码区分相同资源的

　　不同信道。

　　(2)采用下行导频中的伪随机噪

　　声(PN)码和长度为16的扰码来区分不同的基站。

　　(3)采用上行导频中的PN码和周期为16码片或长度为144码片的序列来区分不同的移动终端。

　　2.2.4 物理层过程

　　在TD-SCDMA系统中，与物理层有关的过程有：闭环和开环功率控制，TD-SCDMA系统内的切换测量，为向GSM900/GSM1800切换作准备的测量过程，为向CDMA TDD/FDD模式切换作准备的测量过程，随机接入处理，动态信道分配(DCA)，开环、闭环上行同步控制，UE定位(采用智能天线)。

　　3 结束语

　　从美国和欧盟国家对第2代移动通信产业发展的过程来看，一个技术标准能否最终得到推广使用，并不单纯取决于技术因素，而是诸多政治、经济因素综合作用的结果。中国政府适时地发布了3G频谱划分，规定了工作频段，为TD-SCDMA在中国的发展提供了强劲动力。

　　当前TD-SCDMA相对于其他两项3G标准，其成熟度虽然仍有欠缺，但该技术的先进性正在逐步显现。国际上3G商用时间表的一再推迟为TD-SCDMA产业的发展赢得了宝贵的时间。WCDMA在欧洲和日本发展所面临的严峻形势，也增加了人们对TD-SCDMA产业的发展信心。中国何时发放3G牌照、发放何种制式的牌照这两个问题近年来在业内诸多媒体被频繁炒作，多数人认为问题的根源在于TD-SCDMA的商用化进程跟不上市场需求。虽然这一表述已被中国政府有关部门所否认，但不可否认的是关于TD-SCDMA的争论已成为中国3G的关键因素[5—6]。

　　目前，大唐电信和德国西门子公司所开发的TD-SCDMA系统，已经完成了大唐内部试验网的演示(车速125 km/h，半径16 km)，通过了国家“863”C3G验收以及信息产业部的MTnet第1阶段和第2阶段(以数据业务为主)测试，现正在建设现场试验网。随着TD-SCDMA产业化进程的不断推进，正有越来越多的国内外企业开始加盟此标准的研发，中兴通讯、普天等一大批企业陆续加大了各自在TD-SCDMA方面的研发投入。新近成立的TD-SCDMA产业联盟已经覆盖了从系统设备到终端的完整产业链。产业联盟的发展有助于中国实现通信产业在3G中的群体突破，提高移动通信制造群体在国家经济建设中的地位和对国民经济的贡献。

　　4 参考文献

　　[1] 3GPP TS25.221, Physical Channels and Mapping of Transport Channels onto Physical Channels (TDD) [S].

　　[2] 3GPP TS25.222, Multiplexing and Channel Coding (TDD) [S].

　　[3] 3GPP TS25.223, Spreading and Modulation (TDD) [S].

　　[4] 3GPP TS25.224, Physical Layer Procedures (TDD) [S].

　　[5] 孙立新, 尤肖虎, 张萍. 第3代移动通信技术 [M]. 北京:人民邮电出版社, 2000.

　　[6] 李世鹤, 杨贵亮, 李峰. TD-SCDMA RTT的空间接口技术综述 [J]. 中国移动通信, 2000(2):7-12.

[摘要] 文章介绍了TD-SCDMA标准的多址方式、网络架构，分析了TD-SCDMA系统的特点，详细讨论了TD-SCDMA的空间接口技术，对TD-SCDMA标准的未来进行了展望。

[关键词] 第3代移动通信/时分同步码分多址/无线接口/物理层过程/TD-SCDMA

[Abstract] The multiple access modes and network architechures in TD-SCDMA standards are introduced first. The characteristics of the TD-SCDMA system are analyzed and the air interface technologies of TD-SCDMA are discussed in detail. Finally, the future development of TD-SCDMA standards is prospected.

[Keywords] 3G/TD-SCDMA/air interface/physical layer procedure