多载频技术的TD-SCDMA

TD-SCDMA标准的形成过程是什么?TD-SCDMA有哪些突出的技术特点?代表其最新的发展N频点多载波技术和多载波 HSDPA技术将如何演进?TD-SCDMA的标准演进的方向又在哪里?
TD-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。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ITU-R M.1457。在2001年3月，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Release 4版本中，这表明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。

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。2006年1月20日，信息产业部正式颁布了作为第三移动通信技术的TD-SCDMA系列行业标准，为TD-SCDMA的商业运营奠定了良好的基础。近年来，TD-SCDMA的后续增强和演进技术一直在业界进行研究和完善，并以标准的形式逐步得以确立，形成了比较完整的TD-SCDMA技术发展路标。

TD-SCDMA技术诠释

在3GPP Release 4的接入技术中，引入了具有我国自主知识产权的TD-SCDMA标准，由于该标准使用的是时分双工，码片速率是1.28 Mcps，相比3.84Mcps TDD的速率较低，被称为“Low Chip Rate TDD”（LCR TDD）。

TD-SCDMA不仅采用了TDD的时分双工模式，还综合了多种接入技术： TDMA（时分多址）、 CDMA（码分多址）、 FDMA（频分多址）和SCDMA（空分多址）的特点，并能够支持国际电联在承载业务能力和不同无线传播环境方面对第三代移动通信系统的要求。此外TD-SCDMA还采用了 智能天线、 联合检测、同步CDMA等先进的关键无线技术，在 频谱利用率和不对称业务的支持等方面，具有比较突出的优势。

作为一个时分双工的系统，TD-SCDMA空中接口的上行和下行工作在同一频率的不同时隙上，1.6MHz的带宽相对使用5MHz*2成对带宽的 FDD（即 WCDMA）和5MHz带宽的3.84Mcps TDD来说，具有更高的灵活性。通过上下行时隙数量的灵活配置，它能够很好的支持非对称业务。作为一个独立的移动通信系统，它还可以支持与 GSM、WCDMA或3.84Mcps TDD系统之间的切换和 漫游。

从制定标准的角度讲，TD-SCDMA最大程度地和3.84Mcps TDD技术保持了共同性。在空中接口的高层协议和 网络设施方面，TD-SCDMA都和其他模式保持了尽可能的相同。但在物理层结构和关键技术方面，TD-SCDMA却有着自己的特点。因此在高层的 信令和接口协议中，对一些字段和参数做了相应的增加、修改或者扩展，来适应对物理层的支持。

物理层是TD-SCDMA最具有特色的地方，在空中接口物理层的帧结构、同步机制等方面，TD-SCDMA有其自身的特点。

TD-SCDMA的无线帧周期为10ms，一个无线帧周期被分成2个相同的5ms的子帧。每一个无线帧，被分为7个业务时隙和3个特殊时隙：DwPTS（下行导频时隙），GP（保护间隔）和UpPTS（上行导频时隙）。之所以要划分出2个5ms的子帧，主要是为了用来满足空中接口快速功率控制（每秒最大200次）和智能 天线的波束赋型的需要。

事实上，由于传播时延的影响，上下行之间的切换可能会带来干扰。这种干扰决定了小区的大小。通过“DwPTS（下行导频）□GP（保护间隙）□UpPTS（上行导频）”的结构，上行和下行时隙间有了适当的间隔，相互间的干扰很大程度上得到了避免，同时GP的长度也决定了小区的覆盖半径，理论上最大半径可以达到11.25公里。

物理层过程中，最主要的不同点在于TD-SCDMA采用上行同步，和3.84 Mcps TDD中采用的由高层执行的定时提前的同步方式不同。由于减少了高层的参与，实现更为有效和直接。另外每秒200次的快速闭环功率控制用来减小干扰，抵抗深衰落。

TD-SCDMA HSDPA演进

为了能够更好地满足无线数据业务的急剧增加对网络性能带来的需求，3GPP Release 5引入了一项重要的增强技术――HSDPA（全称为高速下行分组接入）。它采用共享的下行信道进行数据传输，可以达到更高的数据吞吐量，它适合于瞬时下行速率要求较高的高突发性业务，并能有效降低数据重传的程度和传输时延，特别适合如 视频点播、网上冲浪等各种上下行不对称的数据业务。

HSDPA中采用了AMC（自适应调制编码）、HARQ（混合自动重传请求）等增强技术提高下行的吞吐量。HSDPA的调制方式采用QPSK和16QAM，并使用更灵活的速率匹配机制实现多种编码速率。AMC在物理层实现了链路的自适应功能：下行的发送机制（包括调制方式、编码速率等等）将根据无线链路的条件在每一个发送时间间隔（TTI）进行实时的改变。而另一个主要特征HARQ和相应的HSDPA调度功能，则是在媒体接入控制层（MAC）完成。在 UMTS 无线接入网，这些功能都被包含在一个新的实体――MAC-hs。MAC-hs位于UE和NodeB，因此HSPDA的重传、调度都是由 基站来完成的。由于减少了Iub接口的消息过程和RNC的参与，重传的时延被缩短、效率得到提高。

3GPP Release 5也制定了TD-SCDMA的HSDPA技术规范，下行方向上定义了高速下行共享信道（HS-DSCH）完成高速的下行数据传输。作为一个时间共享的传输信道，它被映射到一个新定义物理下行数据信道――高速物理下行共享信道（HS-PDSCH）。和HS-DSCH相关的两个物理层的共享控制信道：下行的HS-SCCH和上行的HS-SICH，也在规范中定义，通过这两个控制信道的配合，完成数据传输的闭环控制。

下行HS-DSCH信道用于承载高速共享信道的数据。对于TD-SCDMA系统，承载HS-DSCH的HS-PDSCH的扩频因子可以使用SF16或SF1，多条HS-PDSCH可以采用码复用的方式用于多个UE，也可以给具有多码能力的一个UE使用。在时域上，TD-SCDMA的传输时间间隔为5ms。

HS-SCCH来发送HS-DSCH信道的控制信息。当UE要接收数据时，会先到HS-SCCH来监听在下一个HS-DSCH TTI上是否是传递给自己的数据，HS-SCCH要比HS-DSCH提前最少2个时隙。HS-SCCH携带该每一个HS-DSCH TTI相关的下行信令，包括UE的唯一标识；传输格式和资源信息（TFRI）；HARQ指示：指示UE当前数据块是否是传送过的数据块的重传。

UE用高速共享信息信道（HS-SICH）来传送HARQ的确认信息和信道质量，从而为NodeB的分组调度和重传提供反馈。HS-SICH和关联的HS-DSCH之间是最小8个时隙的定时关系。该信道由下行数据块的接收响应ACK/NAK和信道质量指示（CQI）两部分组成，共有8bit，3条信道之间需要按照高层指定的时序关系，协同工作，从而完成高速可靠的下行数据传输。概括说来主要是依靠UE测量并上报接收的数据质量，NodeB根据反馈合理调整无线资源来实现对共享信道的快速调度和数据传输。

N频点的多载频技术

TD-SCDMA在3GPP R4中完成的技术方案，是一个单载频的技术方案。由于TD-SCDMA的单载频带宽为1.6MHz，系统的整体容量受到限制。为了更好的扩充TD-SCDMA的系统能力，更好的满足不断增长的市场需求，对于TD-SCDMA多载频技术的研究在2005-2006年成为一个热点。在技术研究和外场实验中发现，位于TSO时隙的全向发射的P-CCPCH广播信道，因无智能天线带来的波束赋形增益，其性能需要着重考虑。如何有效降低P-CCPCH广播信道的同频干扰，提高信道的覆盖能力，成为TD-SCDMA规模组网，特别是发展多载频技术的一个难点和重点。

主要的技术特征

综合考虑上述的因素，提出了TD-SCDMA N频点技术的多载频方案。即，每个TD-SCDMA小区可以配置多个载频，称为一个N频点小区。如，在通常的5MHz的频谱内，可配置3个载频。

和传统多载波技术不同的是，这多个载频同属于一个小区，共享公共的资源和信道。每个小区中，仅在一个载频上发送DwPTS和广播信息，在公共广播中发送多个频点的资源信息。针对每个小区，从分配到的n个频点中确定一个作为主载频，其他的作为辅载频。在同一个小区内，仅在主载频的TSO上全向发送DwPTS和广播信息（P-CCPCH），辅载频的TSO不使用。对支持多频点的小区，有且仅有一个主载频。主载频和辅载频使用相同的扰码和基本Midamble码。

对于每个小区的公共控制信道DwPTS、P-CCPCH、PICH、S-CCPCH、PRACH等规定仅配置在主载频上，UpPCH、FPACH在辅载频上的使用可行性，有待进一步研究。业务的多时隙配置限定在同一载频上，同一用户的上下行配置在同一载频。考虑到设备可实现性，主载波和辅载波的时隙转换点建议配置为相同。

对标准的影响

引入N频点技术方案会对原有的单载波技术标准带来一定的修订。主要的影响体现在空中接口（Uu）和Iub接口的技术规范中。

对于Uu接口，需要通知UE有关的多个载频的信息，使UE在小区搜索、业务建立和切换过程中，能够获知系统的多载频配置和业务使用的载频配置。UE在主载频的PRACH信道发起接入请求后，可根据网络的配置转到辅载频建立业务。在切换过程中，UE应能在不同小区的主载频和辅载频之间切换。

对于Iub接口，需要增加RNC对NB多个载频的资源管理功能。一方面类似于Uu接口，需要针对业务建立和切换过程，在相应的信令消息中，增加相应的频点配置信息。另一方面，需要在维护管理过程中，增加对主载频和辅载频的频点和时隙配置信息，和RNC对辅载频的灵活建立删除和修改的能力。

目前中国通信标准化协会（ CCSA）已经在TD-SCDMA行业标准中完成了有关N频点多载频方案制定，并在制定过程中，考虑了和单载波方案的兼容，保证了支持单载频的TD-SCDMA 手机，能够在N频点网络中正常使用。

简而言之，N频点的多载频技术方案，就是在业务时隙采用同频组网的方式，而在承载因全向发射而没有波束赋形增益的广播信道的TSO时隙，采取类似异频组网的主-辅载波技术，在成倍提高TD-SCDMA的系统容量的同时，保证了频谱利用率，并有效降低了系统TSO时隙的同频干扰，提高了广播信道的载干比，降低了手机下行解调能力要求，加快了UE的小区搜索过程。同时，也使得广播信道的发射功率有了更大的余量，提高了小区的覆盖能力。经过实际的外场试验证明，N频点技术应作为TD-SCDMA组网的主要技术方案。

多载波HSDPA

在TD-SCDMA N频点技术逐渐成为TD-SCDMA主要组网方案的条件下，如何将HSDPA和N频点技术相结合，形成TD-SCDMA的多载波HSDPA技术，不论是从市场发展还是技术竞争力的需要，都成为TD-SCDMA技术今后发展的迫切要求。

文中为了和行业标准表述一致，在本节均用“多载波”描述，和上节“多载频”意义相同。

主要的技术特征

TD-SCDMA多载波HSDPA是在原有的单载波HSDPA方案和N频点技术基础上的增强。在兼容N频点行标的前提下，多载波HSDPA技术中的多个载波就是N频点小区中的多个载波；每个载波可单独用于HSDPA，也可以同时用于专用信道。

和单载波HSDPA不同的是，HS-DPSCH和HS-SCCH和HS-SICH可以建立在多载波小区中的多个载波上。每个载波上的HS-DPSCH物理信道可以为多个用户以时分或者码分方式共享，每个用户也可同时分配多个载波上的HS-PDSHC物理信道资源，但要求资源占用的多个载波连续。当数据仅在一个载波上传输时，其机制和单载波HSDPA基本相同。如果数据要在多个载波上传送，就需要MAC-hs把数据流分配到不同的载波，而对于UE，则需要有同时接收多个载波数据的能力，各个载波独立接收后，再由MAC-hs进行合并。而在每个载波上，物理层的处理和单载波HSDPA相同。在每个用户的HARQ功能实体中，为每个载波建立独立的HARQ子实体，每个子实体中建立HARQ进程，每个进程独立按照单载波技术的要求，进行各数据的反馈重传请求（HAQR）处理。

图1　TD-SCDMA的技术标准演进路标

控制和反馈方面，每个载波各自具有至少一对HS-SCCH/HS-SICH，对该载波的HS-DSCH资源进行独立控制和反馈，同时对每个多载波UE，相应的HS-SCCH/HS-SICH在载波上有两种配置方式：1、单单方式。将同一UE的所有控制信道和其伴随的DPCH放在一个载波上发送，以便实现UE上行链路的单载波发送；2、多多方式。HS-SCCH/HS-SICH和HS-PDSCH成对放在相应的载波上，伴随的DPCH信道也放在其中的一个载波上。这样可以根据UE的能力，选择相应的方式进行交互和控制。

标准化工作

TD-SCDMA多载波HSDPA方案，在CCSA中进行标准化工作。从2005年来，经过业界各厂家的研究讨论和评估，逐步确定了多载波HSDPA的技术方案和标准修订内容。2006年8月，多载波HSDPA标准在CCSA TC5WG9#1次会议上正式立项，2006年12月，相应的设备技术要求和接口协议修订方案也基本获得通过，目前已经进入报批阶段。

多载波的TD-SCDMA HSDPA技术，是单载波HSDPA技术的必要延伸和发展。在不改变每个载波的物理层基本技术框架的基础上，通过使用N频点技术，可以获得N倍的单载波吞吐量，较好的克服了TD-SCDMA每个载波较窄，绝对吞吐量较低的缺点，在10MHz的带宽内，可以获得12Mbps以上的峰值吞吐量，为TD-SCDMA不断满足日益增长的数据业务的市场需求带来了良好的前景。