TD-SCDMA 系统综述

TD-SCDMA 系统综述

摘要：作为我国对国际上第三代移动通信的贡献，我国提出的TD-SCDMA RTT建议，通过一年多的完善和融合，已经成为ITU IMT_RSPC(TG-8/1输出文件)的一个组成部分。在本文中，将在对第三代移动通信的背景和标准的回顾的基础上，对TDD技术，特别是对TD-SCDMA RTT作一个综述和对比性的介绍，以著重讨论使用TD-SCDMA的必要性和此技术的竞争能力。对TD-SCDMA各方面的详细介绍将在后续的文章中进行。 I. 前言 在20世纪的最后20年内，现代移动通信技术走过了第一代(模拟系统)和第二代(窄带数字系统)两个阶段。在新千年之交的时期，将要完成第三代移动通信(正式名称为IMT-2000)标准的制定工作，为今后十余年移动通信的发展打下基础。 从20世纪90年代起，移动通信就以极高速度发展。1999年，在通信设备市场中，移动通信产品所占份额已超过通信产品的50%。而且，此比例还在逐渐增加。手持机的逐渐普及并带来对通信个人化的强烈需求，互联网的高速发展又带来了移动数据通信的机遇。回顾近十年的发展，可以说，移动通信技术的发展开辟了一个巨大的市场，而市场的急需又推动了第三代移动通信技术进步和国际标准的制定。 国际电联(ITU)从80年代中(1985)就建立了TG8/1，研究未来陆地移动通信系统(FPLMTS)。当时，第二代移动通信中GSM的技术还没有成熟，CDMA技术还没有出现，故在TG8/1的前十年，进展十分缓慢。工作的加速是在最近5年内：首先是确定了正式名称：IMT-2000，即在2000年后使用，工作于2000MHz频带，最高数据传输速率为2000kbps；然后，是制定了M1225号建议[1]，提出了对IMT-2000无线传输技术(RTT)的最低要求。这样，就可能在1998年中征求RTT建议，并能够在1999年底前确定RTT技术。 简单地说，ITU对IMT-2000 陆地移动通信RTT的最低要求为： 三种环境：室内、手持机和高速移动环境； 所能传输的业务数据速率： ＊ 室内： 2Mbps ＊ 手持机： 384kbps ＊ 高速移动： FDD方式 64/144kbps，移动速度达到500km/h TDD方式 64/144kbps，移动速度达到120km/h 业务质量：数据业务的误码率不超过10-3或10-6(根据具体业务要求)； 全球无缝覆盖。 另一方面，在对各种RTT评估时，除满足上述基本要求外，应当著重考虑如下几方面的特性： 无线频谱利用率，在有限频谱资源条件下为尽可能多的用户服务； 技术(设备)的复杂性，它将影响到设备的可靠性和制造成本； 系统设备成本，低成本才可能被用户所接受。 在1999年11月5日结束的ITU TG/1第18次会议上，顺利通过了输出文件：IMT_RSPC[2]，标志著第三代移动通信标准的基本定型。 图1 第三代移动通信网络示意图 II. IMT-2000标准的构成 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)。这里，我们仅考虑IMT-2000 RTT中的主要部分：CDMA，其网络拓扑如图1所示：其核心网络将基于第二代移动通信的两种主要网络：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。在本文中，我们将只讨论CDMA TDD的RAN。 根据3GPP的概念，RAN就是图1中的RNS(无线接入网系统)，它由无线网络管理器(RNC)、无线基站子系统(Node B)和用户终端(UE)所构成。从图1可见，RNS主要由Iu系列接口标准所定义。由于IP技术的快速发展，此部分的标准将在2000年底左右确定。在本文中，将主要介绍图中的空间接口(Uu)的技术。 III. 在IMT-2000中的TDD RTT 在第三代移动通信标准制定过程中，国际上对TDD双工方式第一次给予了高度重视，在CDMA和TDMA系统中都制定了TDD的标准。很多国家的营运商都表示了首先选用TDD系统的愿望。其主要原因为如下两个方面： 1. 根据目前对市场的预测，IMT-2000在投入运行后不久，数据业务将会超过话音业务。而数据业务的最主要部分将是不对称的，IP型的业务； 2. 在同样满ìIMT2000要求的前提下，TDD系统有如下特点： ＊TDD能使用各种频率资源，不需要成对的频率； ＊TDD适用于不对称的上下行数据传输速率，特别适用于IP型的数据业务； ＊TDD上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于使用诸如智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的； ＊TDD系统设备成本较低，将可能比FDD系统低20%-50%。 和FDD系统比较，TDD系统的主要问题是在终端的移动速度和覆盖距离等方面，予以简要说明： 小区覆盖距离：影响小区最大半径的因素如下： ＊TDD使用相同频率而用时间来划分上下行时隙。由于电波传播需要时间，在上下行时隙之间必须留下保护时隙。小区半径越大，此保护时隙就越长，系统开销就越大，系统效率将降低； ＊CDMA TDD系统要求比较大的峰值/平均功率比(超过10dB)。由于CDMA系统必须工作在线性状态，故要求放大器有较大的线性输出能力，这就限制了手持机的通信距离(成本及电池容量)。 移动速度问题：也如目前ITU要求TDD系统达到120km/h，而FDD系统则要求达到500km/h。这主要是因为FDD系统是连续控制，而TDD系统是时间分隔控制的。在高速移动时，多普勒效应将导致快衰落，速度越高，衰落变换频率越高，衰落深度越深，TDD系统较难解决此问题。 以上情况说明，移动通信一定是以FDD为主流的传统论点已受到挑战，TDD系统在第三代移动通信中的位置已不可动摇。目前，多数人预测第三代移动通信网络的前景是一个共同的网络，卫星移动通信系统用来完成全球无缝覆盖，FDD系统用来建设全国和国际移动通信网，而TDD系统用来在城　人口集中地区提供高密度和高容量的话音、数据及多媒体业务，用双模甚至多模用户终端来实现全球漫游。 IV. 多址技术的选择 为了让多个用户能够共享同一个资源，在公众移动通信系统中，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、时间和波形(码)。因而，在IMT-2000中的CDMA TDD模式均同时使用了FDMA、TDMA和CDMA的技术(见图2)。 众所周知，在移动通信系统中，都必须使用多个载波频率，以充分利用一个频段资源，这就是传统的FDMA。在CDMA技术出现的初期，即美国的IS-95CDMA系统，是使用直接扩频(DS)技术的，并没有采用时分多址(TDMA)技术。近年的发展证明：CDMA和TDMA的联合使用可以进一步提高系统的容量和灵活性，特别是对不对称的IP型业务。因而，在CDMA TDD技术中均同时采用这几种多址技术。 另一种正在研究的多址技术：空分多址(SDMA)将可能成倍地提高系统的容量。SDMA是基于智能天线技术，用波束赋形来分隔不同方向的用户，使同一组资源可以在不同方向上复用。此技术的使用首先要求天线波束赋形的技术更完善，不同波束之间的干扰大大降低。按目前的技术水平，包括算法的复杂度和微电子的能力，在存在多址干扰的环境下和使用有限天线阵列尺寸的条件下达到理解的赋形波束是相当困难的。TD-SCDMA RTT充分使用了智能天线技术，随著基带信号处理技术的进步，在TD-SCDMA系统中增加SDMA的功能是下一步的目标。 V. 基带数字信号处理技术 现代移动通信技术的进展在非常大的程度上依靠了基带数字信号处理技术的进步。大家知道，移动通信系统是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。要实现可靠的通信，必须保证接收机能克服这些干扰和衰落，获得可靠的接收信号，这对CDMA系统来说更是至关重要的。目前，在移动通信系统中主要使用的基带数字信号处理技术包括如下几个方面： 1． 信道编码和交织 在IMT-2000中，一致使用卷积码(R=1/2及1/3)作为低速率数据的信道编码方式，对速率较高(例如32kbps)的数据信号则使用Turbo码。 信道交织深度则选用10至80ms。 2． RAKE接收 这是FDD方式主要采用的抗多径衰落的措施，使用时间上的分集将时延不同的分量合并，以获得最佳的接收效果。 3． 联合检测 在CDMA TDD技术中均采用联合检测技术。通过对已知的训练序列(Midamble)进行信道估值，对多码道信号联合处理。理论上，联合检测比上述RAKE接收等单信道检测的效果要好。但由于算法的复杂性，目前还只能在TDD系统中使用。 4． 干扰抵销 和联合检测类似，同样通过对已知的训练序列(Midamble)进行信道估值，对多码道信号联合处理，找出干扰和多径分量进行抵销。目前，此技术达到的效果和联合检测差不多。 5． 同步CDMA 同步CDMA或称上行同步，是降低多址干扰，简化基站接收机的一项重要技术。在TD-SCDMA RTT中使用了此技术，为实现智能天线打下基础。 6． 智能天线 目前，最受到关注的是智能天线技术。从一定意义上，TD-SCDMA系统就是基于智能天线来设计的。 现代智能天线的基本原理是在无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射，同时，通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。由于TDD系统上下行链路工作在相同频率，电波传播特性是对称的，故可以用上行波束赋形的结果直接使用于下行波束赋形。智能天线可以充分使用多天线分集效果，大大降低多址干扰，增加接收灵敏度和发射的EIRP。可以使用低输出功率放大器来大大降低基站设备成本。 目前，智能天线的算法还在不断发展，能力还在不断提高。随著微电子技术的进步，更多天线单元，更宽频带的信号都可能实现实时处理，空分多址(SDMA)可能成为现实，无线传输技术将达到一个新的台阶。 VI. TD-SCDMA系统 根据上述对双工方式、多址技术和基带数字信号处理技术的分析和介绍，我们就不难对TD-SCDMA的设计思路有更清楚的了解。TD-SCDMA RTT是根据目前国际上无线接入技术的发展，参考了国际上新的CDMA系统，又引入了我国具有知识产权的技术和特点来设计的。从1998年中的第1个建议稿开始，在过去一年半时间内，吸收了国内外很多意见、建议，参照了国际标准化工作中出现的新技术和思路，至今已数易其稿。2000年内还将在3GPP内进一步集成和完善，以后还可能不断修改。在本文中，对本系统的介绍仅仅是一个概貌，但其基本技术和优势是不会改变和放弃的。TD-SCDMA系统的要点如下所述： 1．和3GPP UTRA TDD的相同之处： 使用TDD双工方式； 同时使用FDMA/TDMA/CDMA； 使用相同的QPSK射频调制解调技术； 使用相同的正交可变扩频系数的扩频调制方法； 使用相同的超帧和无线帧长度； 使用相同的数据复接和分接方法； 在信道编码和交织方面，使用和3GPP完全相同的技术； CDMA TDD将使用完全相同的第二、第三层信令。 2．TD-SCDMA所使用的特殊技术和设计： 是一个同步CDMA的系统，用软件和帧结构设计来实现严格的上行同步； 是一个基于智能天线的系统，充分发挥了智能天线的优势，并在未来可能使用SDMA； 基于软件无线电技术，所有基带数字信号处理均用软件实现，而不依赖ASIC； 在基带数字信号处理上，联合使用了智能天线和联合检测技术，达到比UTRA TDD高一倍的频谱利用率； 基于智能天线，使用接力切换技术，和CDMA的软切换相比，简化了用户终端的设计，克服了软切换要长期大量占用网络资源和基站下行容量资源的缺点。 由此可见，TD-SCDMA系统和UTRA TDD在网络和高层信令的考虑上是完全一致的。换句话说，CDMA TDD的系统结构和基本考虑是完全相同的，因而，完全可能在2000年内实现集成，成为一个统一的标准。但应当注意的是，TD-SCDMA使用和实现了智能天线为代表的新技术，导致各方面的优势，对此可参见下面一节中的比较。 VII. 两种CDMA TDD RTT的比较 在文献[2] 中，我们看到有两个CDMA TDD物理层标准：UTRA TDD和TD-SCDMA。在此将通过对此两种物理层技术的主要指标和特性进行比较(见表1)。 表1 两种TDD标准物理层参数和特性比较 项目 UTRA TDD TD-SCDMA 备注 占用带宽 5MHz 1.6MHz 每载波码速率 3.84Mcps 1.28Mcps 扩频方式 DS, SF=1/2/4/8/16 DS, SF=1/2/4/8/16 调制方式 QPSK QPSK 信道编码 卷积码:R=1/2,1/3 Turbo 卷积码:R=1/2,1/3 Turbo 交织 10/20/40/80ms 10/20/40/80ms 帧结构 起帧720ms,无线帧10ms 起帧720ms,无线帧10ms 子帧 无 5ms 突发结构 Midamble Midamble 时隙数 15 7 上行同步 TA(精度8chip) 1/8chip 智能天线 困难 基于智能天线 容量:每时隙话音信道数 8 16 同时工作 每载波提供的话音信道数 7x8=56 3x6=48 对称业务 频谱利用率(话音) 10Erl./MHz(使用话音激活可能增加50%) 25Erl./MHz 对称话音业务 容量:每时隙总传输速率 220.8kbps 281.6kbps 数据业务 每载波提供的总传输速率 3.31Mbps 1.971Mbps 不对称数据业务 频谱利用率(数据) 0.662Mbps/MHz 1.232Mbps/MHz 其它功能如ODMA,DCA,ARQ, DTX等等 提供 提供 在表1中，我们可以所看到的TD-SCDMA技术所提供的高性能主要表现在高的频谱利用率方面。此外，TD-SCDMA还是一种低成本的系统。达到高性能和低成本的主要原因是TD-SCDMA使用了如下主要技术： 1. 智能天线，它可以极大的降低多址干扰、提高系统容量、提高接受灵敏度、降低发射功率和降低无线基站成本。 2. 上行同步，它可以简化基站硬件，降低无线基站成本。 3. 软件无线电，实现智能天线和多用户检测等基带数字信号处理，是此系统可以灵活地使用新技术的关键，也可以降低产品开发周期和成本。 造成两种TDD RTT性能差别的主要原因是基本设计思想的差别： UTRA TDD是为W-CDMA FDD模式的补充，主要应用于室内(办公室、机场、车站、商场等)环境。 TD-SCDMA是作为一个完整的移动通信系统来设计的，要求在各种环境(移动、手持机和室内)下工作，并达到最高的频谱利用率。 VIII. 小结 根据以上分析，我们不难得到如下结论： 1. 第三代移动通信标准(IMT_RSPC)是全世界各国十余年合作和艰苦工作的结晶，是现代无线通信技术发展的反映，对今后十余年全世界无线通信的发展将起重要的作用。 2. 我国提出的TD-SCDMA技术，是在国际上CDMA TDD技术的基础上，增加了我国具有知识产权的新技术，通过长达两年的努力和国内外合作完成的。目前在技术上被公认有明显优势，但还将在3GPP内，在2000年内完成CDMA TDD的集成，成为国际上唯一的TDD模式的标准。 3. 由于基于使用软件无线电的概念和技术和目前物理层技术的相对稳定性，目前已可以根据此标准来开发TD-SCDMA设备，为一两年后供应市场。根据TD-SCDMA物理层技术的优势，所开发的设备可以达到提供高频谱利用率、高灵活性和低成本的目标，在市场上将具有强的竞争能力。 4. 在下世纪初期(2001　2004年)，在第二代移动通信网中用户密集地区或要求数据和多媒体业务的地区(大中城　主要地区)，依托第二代移动通信网开通第三代移动通信业务，主要是以TD-SCDMA的系统为主，使用双频双模终端，将会收到巨大的经济效益，是平稳地向第三代移动通信过渡的方式。 参考文献 [1]. ITU-R Recommendation M.1225. [2].Draft new ITU-R [IMT.RSPC] "Detailed specification of the radio interfaces of IMT-2000", Doc.8-1/TEMP/275-E, Nov.5,1999.