TD-SCDMA的高频谱利用率探讨

   众所周知，第三代移动通信最主要的目标之一就是提高频谱利用率。目前，各国蜂窝移动通信虽然有了很大发展，但系统容量仍然不能满足需求。而解决系统容量的最有效途径就是提高现有的频谱利用率。相对于2G系统，3G系统的频谱利用率有了普遍提高，其中TD-SCDMA拥有比其它3G技术更高的频谱利用率。本文从4个方面对TD-SCDMA的高频谱利用率进行了探讨。

1 时分双工(TDD)方式
    在3G系统中有两种双工方式：频分双工(FDD)和TDD。FDD上行频段和下行频段分开，数据分别传送，此种方式非常适合对称双工语音业务的需求。然而随着移动数据业务的发展和丰富，上、下行数据量在很多时候是明显不对称的。更有专家估计，到2005年，上、下行数据量的比值约为1∶5，到2010年，这一比值将达到1∶10。显然，用FDD方式传送数据在上行频段造成了资源浪费。由于TD-SCDMA采用TDD方式，上、下行链路在同一载波上传输，可根据不同的业务类型来调整链路的上、下行转换点，避免了上、下行数据量不对称造成的频率资源浪费，因此它可以提高频谱利用率，扩大业务容量。
    做一个简单的比较：假设上、下行数据业务的比值为1∶5，采用FDD的WCDMA基本带宽为5 MHz，上、下行占用带宽为10 MHz，其频谱利用率在此种业务需求下，仅能达到60%，有相当一部分的频率资源被浪费；而采用TDD方式的TD-SCDMA系统可以灵活地调整上、下行链路的转换点，仅将常规时隙TS0 ～TS6中的TS1作为上行时隙，其余的时隙TS0（在TD-SCDMA系统中主要用于广播信息的发送）和TS2～TS6用作下行数据传输，充分地利用了频率资源，理想状态下的频谱利用率接近100％。
    当上、下行数据量比值达到为1:10时，FDD系统的频谱利用率继续下降，TD-SCDMA系统适合非对称业务的优势则更加明显。

2 智能天线和联合检测技术相结合
    智能天线[1,2]本质上是利用多个天线阵元空间的正交性，即空分多址复用功能，来提高系统的容量和频谱利用率。TD-SCDMA智能天线系统由8个等距排列的天线阵元及相连的收发信机和先进的数字信号处理算法组成。当移动台距离天线足够远，并且实际信号入射角的均值和方差满足一定条件时，可以近似地认为信号来自同一个方向。接收时，每个阵元的输入被自适应地加权调整，并与其它的信号相加；发射时，根据终端到达的信号在天线阵上产生的相位差，利用先进的数字信号处理算法提取出用户终端的位置信息，再根据该位置信息，有效地产生多波束赋形，每个波束指向一个特定的用户终端并自动跟踪其移动。智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了系统频谱利用率。
    虽然标准中也建议FDD系统采用智能天线，但实现上存在相当的困难，所以WCDMA和CDMA2000目前都未选用该技术。由于TD-SCDMA系统采用TDD方式，上、下行链路使用相同频率传输信号且间隔时间短，链路无线传播环境差异不大，根据上行链路计算的权值可以应用到下行链路，因此利于采用智能天线技术。
    另外，TD-SCDMA系统是个干扰受限系统。包括多径干扰、小区间干扰和小区内用户干扰在内的多个系统干扰，破坏了各个信道的正交性，降低了系统的频谱利用率。在TD-SCDMA系统中，基站和终端都采用了联合检测[1]算法来消除多址干扰(MAI)和符号间干扰。该联合检测技术是在传统检测技术的基础上，充分利用造成MAI干扰的所有用户信号及其多径的先验信息（如确知的用户信道码和训练序列、各用户的信道估计等），把用户信号的分离当作一个统一的相互关联的联合检测过程来完成，从而具有优良的抗干扰性能，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著地提高系统容量。联合检测的基本原理如图1所示。

    图1中e＝A ·d+n，d是发射的数据符号序列，A是与扩频码c和信道脉冲响应h相关的矩阵，n为噪声，信道脉冲响应h可根据接收信号中的训练序列码（Midamble）估计得出。由此可以估计出d序列。
    将智能天线和联合检测技术相结合，能够获得较为理想的效果。智能天线与联合检测算法相结合的结构原理图如图2所示。

    从图2可以看出，系统根据从8个天线阵元接收到的信号进行信道冲激响应估计，估计结果一方面用于上行空域滤波加权矢量W的估计，另一方面被用于算式e＝A·d+n中A矩阵的估计。在TD-SCDMA系统中，由于上下行都在同一载频，上行空域滤波和下行赋形可以采用同一套参数，因此不需要估计赋形参数，直接使用上行空域滤波加权矢量W即可。

3 同步码分多址(CDMA)技术
    TDD系统对同步的要求较高。TD-SCDMA系统同步包括上下行同步、基站同步（主要采用GPS方式）和网络节点同步等。在CDMA移动通信系统中，下行链路总是同步的，故同步CDMA尤指上行同步[2]，即要求来自不同距离的不同用户终端的上行信号（每帧）能同步到达基站。而移动通信系统工作在存在严重干扰、多径传播和具有多普勒效应的实际环境中，要实现理想的同步非常困难。采用同步CDMA技术的目的是使所有用户的伪随机码在到达基站时同步。伪随机码之间的同步正交性使得各个码道在解扩时完全正交，从而消除多址干扰，提高了TD-SCDMA系统的容量和频谱利用率。
    相对于其他CDMA系统来说，TD-SCDMA系统对上行同步定时的要求尤其严格，不同用户的数据都要以基站的时间为基准，上行链路各终端信号要在基站解调器处完全同步。TD-SCDMA系统使用同步偏移符号来进行时序调整，调整步长为1/8 码片(chip)，相当的时长是0.097 μs，每次调整的最大变化量为1 chip。相比较而言，GSM的空中比特速率为270.833 kb/s，时间调整精度是1 bit，对应的时长为3.69 μs。

4 动态信道分配
    在TD-SCDMA系统当中，网络的可用带宽按载频进行划分，每个载频又分为多个时隙。在每个时隙当中，用扩频码划分为若干信道，因此，每个信道与载频、时隙以及扩频码相对应。信道分配过程也就是载频、时隙和扩频码等资源的分配过程。DCA一方面是为了保持所需要的QoS，减少干扰；另一方面通过最小化重用距离使系统容量达到最大化[3]。
    TD-SCDMA系统通过频域、时域、码域及空域的DCA，使频谱利用率得以优化。在时域上，采用时分多址(TDMA)技术，可以通过选择接入时隙来减小激活用户之间的干扰。每载频多时隙，将受干扰最小的时隙动态地分配给处于激活状态的用户，减少了每个时隙中同时处于激活状态的用户数量。如果使用中的无线载波的原有时隙发生干扰，通过改变时隙可进行时域的动态信道分配。同样，在码域上，可以通过改变分配的码道来避免偶然出现的码道质量恶化。在空域上，通过智能天线技术的使用，通过用户定位和波束赋形来减少小区内用户之间的干扰，增加系统容量。通过智能天线，可基于每用户进行定向空间去耦（降低多址干扰），通过选择用户间最有利的方向去耦，进行空域动态信道分配。
    TD-SCDMA采用由无线网络控制器(RNC)控制的DCA技术，即在一定的区域内，将几个小区的可用信道资源集中起来，由RNC统一管理，按照小区网络性能参数、系统负荷情况和业务的QoS参数等诸多因素，将信道动态分配给用户[4]。TD-SCDMA系统中的DCA包括慢速DCA（将资源分配到小区）和快速DCA（对业务进行资源分配）。理想的DCA算法能适应业务和干扰，并且使信道重用得到优化。

5 结论
    综上所言，TD-SCDMA系统集CDMA、TDMA、频分多址(FDMA) 和空分多址(SDMA)等技术于一体，充分利用了各个技术的优势特性，比使用FDD的WCDMA和CDMA2000在频谱利用率上有相当的优势，这可以从表1中的具体数据对比看出来。

    随着移动通信业务的发展和市场竞争的加剧，每个运营商在系统和标准的选择上都愈来愈谨慎，投资回报率成为经营活动中最重要的筹码。毫无疑问，系统的高频谱利用率可以降低网络建设与运营成本，能够提供在尽可能短的时间内收回投资成本的机会。运营商在选择自己的3G标准和系统时，应该考虑到频谱利用率这一重要因素，使自己在今后更加激烈的移动通信市场竞争中处于有利地位。

6 参考文献
[1] 李小文, 李贵勇, 陈贤亮等. TD-SCDMA第三代移动通信系统、信令及实现[M]. 北京:人民邮电出版社, 2003.
[2] 3GPP Technical Report 25.928 , 1.28 Mcps Functionality for UTRA TDD Physical Layger[S].
[3] 3GPP Technical Report 25.922 , Radio Resource Management Strategies [S].
[4] 李世鹤. TD-SCDMA第三代移动通信系统标准[M]. 北京:人民邮电出版社, 2003.

收稿日期：2004-01-09

[摘要] 文章通过对TD-SCDMA系统中所采用的关键技术，如智能天线、联合检测、同步CDMA以及动态信道分配等的分析，阐述了TD-SCDMA系统对比于其他移动通信系统所拥有的更高的频谱利用率，突出了其作为中国第一个拥有自主知识产权的国际通信标准在技术上的优势。

[关键词] 时分同步码分多址；智能天线；联合检测；同步；动态信道分配；TD-SCDMA

[Abstract] TD-SCDMA is the first international telecommunication standard proposed by China Wireless Telecommunication Standard Group. This article analyzes its key technologies, such as the smart antenna, joint detection, synchronization and dynamical channel allocation and finally concludes the optimum spectrum efficiency of TD-SCDMA.

[Keywords] TD-SCDMA; smart antenna; joint detection;synchronization; dynamical channel allocation