TD-SCDMA移动通信系统的增强和演进（上）

时分－同步码分多址(TD-SCDMA)是由中国提出的时分双工(TDD)模式的第3代移动通信技术标准，是3GPP标准的一个重要组成部分。TD-SCDMA采用了很多先进的无线通信技术，如上行同步码分多址、智能天线、联合检测、软件无线电、接力切换和动态信道分配技术等[1]。TDD模式不需要对称频带，无线资源在上下行间可以灵活分配，更适合于数据传输这样的非对称业务，在无线频带资源越来越短缺的今天，逐渐成为B3G/4G系统研究的焦点。在中国，频分双工(FDD)，包括宽带码分多址(WCDMA)和CDMA2000模式，总共分得90 MHz频带带宽，而TDD模式分得了155 MHz的带宽，反映出中国政府对TD-SCDMA的大力支持，并预示了其良好的发展前景。

与WCDMA和CDMA2000系统相比，TD-SCDMA有其技术上的优势，但缺乏商用经验。而在未来的演进过程中，TD-SCDMA与WCDMA具有很好的兼容性，这为未来在多系统之间进行切换和漫游打下了良好的基础。同时TD-SCDMA与WCDMA使用的都是3GPP提出的核心网版本，这种天然的结合使两种系统在未来的发展道路上可以相互扶持与互补。从商业和投资的角度来看，核心网只占总系统投资的30%左右，所以，在未来演进过程中，TD-SCDMA与WCDMA的兼容依然是研究的重点。虽然与CDMA2000系统的体系结构有较大的差异，但为了全球通信服务的普遍性和用户的方便性，与CDMA2000系统的兼容也成为商业和技术研究关注的焦点。

TD-SCDMA在热点覆盖地区峰值速率可达2 Mb/s，在中速移动环境下可达384 kb/s，在高速移动环境下可达144 kb/s。然而随着移动通信业务的高速增长，TD-SCDMA的2 Mb/s的峰值速率将无法满足需求。同时，根据国际电信联盟(ITU)的估计，新的B3G蜂窝系统可提供的100 Mb/s～1 Gb/s的峰值速率预计将在2015年实现。与CDMA2000采用3载波的技术相似，TD-SCDMA也有单载波和多载波系统之分，采用多载波可以实现更高的传输速率，但也会加大系统的复杂度。另一方面，移动通信技术和无线宽带接入技术的融合也进行得如火如荼。TD-SCDMA与无线局域网(WLAN)的融合可以在室内环境或热点地区提供54 Mb/s的峰值速率，有效地弥补了TD-SCDMA热点地区的覆盖。随着以IEEE 802.16系列标准为基础的无线城域网技术(一般称为WiMAX)的发展，TD-SCDMA与WiMAX的融合也已进入正式规划日程当中，并成为现今技术讨论的焦点。WiMAX可以在20 MHz的带宽下提供75 Mb/s的峰值速率，为TD-SCDMA系统起到了强有力的补充效果，尤其是IEEE 802.16e的提出，使融合系统在移动速度支持上得到很大改善。

3GPP从2004年11月开始着手其长期演进计划(LTE)，LTE的目标是增大蜂窝通信系统的覆盖范围和容量，提高吞吐量，降低成本并减少服务时延，同时改善服务质量，为用户提供新的体验和感受。LTE的发展将在现有3G规划频带上，以成熟的B3G新技术为基础，向B3G/4G系统平滑过渡，并保持通信系统在未来的可持续发展性。

中国政府出资发展TDD未来演进系统，并致力于B3G/4G TDD系统中空中接口和新网络构架等关键技术的研究。其目标是对3G网络的全网覆盖，并提供100 Mb/s～1 Gb/s的峰值速率。通过采用多输入多输出(MIMO)多天线技术和正交频分复用(OFDM)多载波技术，第一个发布版本在20 MHz的带宽内在下行传输中可以实现100 Mb/s的速率，在上行可达50 Mb/s的传输速率，同时，频带利用率可达2 bps/Hz～5 bps/Hz。由于TDD系统的众多优点，TD-SCDMA演进到LTE/B3G TDD将势在必行[2]。

本文论述了TDD系统由TD-SCDMA到TDD未来演进系统的演进过程。由于TDD未来演进系统到2015年才能实现商用，并且TD-SCDMA到TDD未来演进系统数据速率的跨度很大，所以在TD-SCDMA到TDD未来演进系统过程中必将存在一些过渡阶段。TD-SCDMA的演进从引入新技术角度和峰值速率角度大体可分为4个阶段，而每个阶段又有着不同的技术层次：TD-SCDMA单载波和多载波阶段、HSxPA TDD的单载波和多载波以及与无线宽带技术融合阶段、LTE TDD单载波和多载波阶段、TDD未来演进阶段(TDD B3G/4G)。

1 TD-SCDMA到B3G TDD未来演进

TD-SCDMA的演进目标是提供更高速率的服务，降低时延和成本，改善覆盖范围和容量。而为了达到这样的目的，将引入许多先进的技术，如自适应调制编码(AMC)、混合自动请求重传(HARQ)、OFDM、MIMO和多载波技术等，其中许多革命性技术在演进过程中起着关键的作用，是峰值速率不断提高的根本动力。

在TD-SCDMA演进的过程中，随着用户业务需求的不断扩大，单载频系统中的部分小区(例如繁华地带)可能会出现业务量过大而无法承受的情况，因此必须考虑使用新的技术方案来对系统进行扩容。系统扩容可以通过小区分裂或者增加载频等方式来实现。相对于前者来说，后者对网络规划、设计等影响较小，且成本更低。因此，引入多载波技术可以有效解决系统容量不足的问题。通过引入HSxPA(包括HSDPA和HSUPA，还有增强技术HSPA+)能够进一步地提高上下行链路数据业务的吞吐量，HSxPA时代最显著的技术是AMC和HARQ。

MIMO和OFDM技术是在B3G/4G系统中最为革命性的技术，是LTE TDD时代显著的标志。OFDM技术可以有效地改善频谱效率，随着计算机的发展和现代信号处理技术的进步，快速傅立叶变换/快速傅立叶逆变换(FFT/IFFT)的实现使OFDM技术在系统中实现的复杂程度大大降低。随着MIMO多天线技术的发展，在通信链路中引入了空域的概念，与时域、频域和码域一起获得分集或复用增益，使通信系统的容量成倍增加，从而从本质上提高了传输速率。但MIMO技术更适于平坦信道，而在宽带无线通信中大多是频率选择性信道，这时，OFDM与MIMO的结合，恰好利用了OFDM的循环前缀(CP)技术，克服多径影响，把频率选择性信道改造为平坦信道，再应用MIMO技术，传输增益显著[3]。

如上所述，从TD-SCDMA到TDD未来演进时代的演进过程如图1所示，演进过程大体分为4个阶段，每个阶段又分不同层次：分别是单载波/多载波TD-SCDMA系统、单载波/多载波HSxPA系统、 LTE系统和基于TD-SCDMA的第4代移动通信系统(即TDD B3G/4G)。

1.1 TD-SCDMA第1阶段

第一阶段主要包括单载波和多载波的TD-SCDMA，采用的关键技术包括CDMA、上行同步、智能天线、联合检测、动态信道分配等，核心网基于3GPP标准的R4版本，单载波极限速率为2 Mb/s，而对于N 载波技术，理论极限速率可以达到N× 2 Mb/s。

1.1.1单载波技术

TD-SCDMA阶段就是现在的TD-SCDMA系统，采用了智能天线、联合检测、动态信道分配、软件无线电、上行同步码分多址技术、接力切换、低码片速率、多时隙、可变扩频、自适应功率调整和3GPP提出的高层协议和核心网。TD-SCDMA核心网采用R4版本。TD-SCDMA与WCDMA系统有很好的兼容性，并且满足了国际电联和3GPP提出的3G系统的指标要求，实现了3G的各种场景环境。由于采用TDD模式，上下行链路使用同一频率，同一时刻上下行链路的空间物理特性相似，可以采取一些自适应无线信号处理技术，同时实现上下行链路间的灵活切换。这一模式的优势是，在上下行链路间的时隙分配可以被一个转换点改变，以满足不同的业务要求。通过改变上下行链路的转换点可以实现所有3G对称和非对称业务。TD-SCDMA与联合检测相结合，在传输容量方面有显著增益。通过引进智能天线，容量还可以进一步提高。智能天线凭借其天线定向性和智能性减小了小区内和小区间的干扰，能够提供更好的通信质量，提高系统容量，并且扩大小区的覆盖范围。

1.1.2 多载波技术

多载波技术是相对单载波技术而言的，就是在一个小区中配置多个载频。若将每个载频视为一个逻辑小区，则多载波小区实际上等效于将原来独立的多个单载波小区合并到一起，并将公共信道进行合并，这样就形成了一个多载波小区，从而大大提高系统的业务承载能力。多载波技术的提出是从发展的角度来看待网络容量的演变，这将有利于TD-SCDMA系统的进一步完善。在不考虑频率间相互干扰的情况下，多载波TD-SCDMA系统的容量将会是单载波系统容量的N 倍(N 为载波数)。然而由于小区内载频间的混叠干扰，系统容量将会小于N 倍单载频系统的容量。

1.2 TD-SCDMA第2阶段

TD-SCDMA演进的第二阶段主要包括引入高速数据分组接入(HSDPA)和高速上行分组接入(HSUPA)，同时需要考虑和其他无线宽带接入系统的融合，共同支撑高速数据业务的传输，比如TD-SCDMA和WiMAX在核心网的融合等。此时采用的关键技术主要包括AMC、HARQ、快速分组调度(FPS)等，核心网基于IP多媒体子系统(IMS)，对于单载波HSDPA/HSUPA来说，理论极限速率为2.8 Mb/s，对于3载波HSDPA/HSUPA来说，理论极限速率为8.4 Mb/s；当与WiMAX融合时，其理论极限速率可达75 Mb/s(20 MHz带宽时)。

1.2.1单载波技术

HSxPA可以在现有TD-SCDMA网络的基础上进行演进，在无线接入网络进行相应地修改，使得下行传输速率提升到每载波2.8 Mb/s，其中网络架构及核心网络保持不变。HSxPA为运营商提供了更广阔的空间，为数据业务最终超过语音业务奠定了理论技术基础。HSxPA是一种新的通用移动通信系统陆地无线接入网(UTRAN)传输技术，是对普通传输技术的一种补充。它通过采用高阶调制方式和快速重传机制增加系统吞吐量，减少传输时延，提高峰值速率。

HSxPA与普通传输技术相比，其主要区别在于对信道质量变化进行补偿。普通传输技术通过快速功率控制维持恒定的数据速率，适合实时数据的传输，例如话音业务。而在HSxPA中，所有用户的下行总发射功率在传输过程中维持恒定。假定每个用户的功率保持恒定，则离基站近的用户路损较小，干扰较低，从而信道容量更高。离基站远的用户信道容量相对较低，HSxPA通过改变编码调制方式，以及HARQ机制来使数据速率随信道容量的变化而变化。显然，这种方式不能用于承载实时业务，但对数据业务则非常合适。在信道质量良好的情况下，HSxPA的理论峰值速率可以达到2.8 Mb/s。如果捆绑多个载波提供HSxPA的话，理论峰值速率可以达到N×2.8 Mb/s(N 为载波个数)。在这个阶段里，根据3GPP的R5版本，基于全IP的核心网将建成并投入使用，并引入IMS以提供基于IP的服务质量(QoS)。

1.2.2 多载波技术

在TD-SCDMA系统中，由于每个载波带宽只有1.6 MHz，所以即使使用5个下行时隙，TDD HSxPA也只能达到2.8 Mb/s的下行速率。而FDD的理论峰值速率能达到14.4 Mb/s，WLAN能达到54 Mb/s。与它们相比，TD-SCDMA有不错的频谱效率，然而单个用户的峰值速率则远远不够。

若采用多载波的与HSxPA，允许用户同时在多个载波上收发数据，则在3个载波的情况下，数据被分配到3个载波上同时传输，数据传输速率可以达到8.4 Mb/s。随着载波个数的增长，峰值速率还可以继续增长。这种方案的好处是，既可以达到很高的峰值速率，又可以实现灵活的配置。当所在地区的数据业务需求不是很大时，可以只使用一部分载波捆绑实现HSxPA业务。随着需求的增长，可以通过网络重新规划，使用更多的载波提供HSxPA业务。

对于WCDMA，如果要在10 MHz的带宽内提供HSDPA，要求上、下行的5 MHz带宽分别都是连续的。而TD-SCDMA则可以使用6个分离的1.6 MHz载波。在载波资源受限的情况下，这无疑是一个极大的优势。

1.2.3 MIMO与HSxPA的结合

在通信系统中，通过采用多天线技术，在空域上实现空间分集、空间复用和波束成形，系统性能和传输能力能够得到很大提高。尤其在发送和接收时，不同天线上的衰落相对独立，信道容量和天线数呈线性增长关系。3GPP在R5版本中已经提出了很多MIMO方案来增强系统性能(如基于每根天线的速率控制)。在R6版本中，3GPP将MIMO技术引入TD-SCDMA系统，从而在3载波上可实现14.4 Mb/s的峰值速率。有关HSxPA的演进和增强(称为HSPA+)目前还在标准化过程中，建议采用MIMO和高阶调制编码方案，以提供更高的传输速率。

1.2.4 分布式天线系统技术

TD-SCDMA采用了智能天线和联合检测技术，系统容量受限主要是由于小区间干扰引起的，而不是由于小区内干扰引起的。TD-SCDMA小区的呼吸效应并不明显，如果可以减弱小区间干扰，就可进一步改善系统容量。使用分布式天线可以增加覆盖范围并减少快衰影响。分布式天线采用多根邻近的天线使用一个处理单元的方法，形成一个逻辑的多天线阵列，同时为用户服务。下行同时发射相同的信号给用户，上行多个天线同时接收，送回处理中心进行处理。天线端尽量简化以减少成本，除了基本的部分，对信号的处理通常集中在处理中心。

分布式天线系统对服务区域实现了较好的均匀覆盖，性能得到提高，特别是提高了切换的性能，当用户在同一个服务区域内移动时，尽管使用了不同的天线为其服务，但不需要进行切换。通过多个不同地点天线的接收，可以实现宏分集以抵抗阴影衰落。资源管理更加灵活，处理中心可以实现统一动态地分配资源，优化资源使用，极大地提高频谱效率，并且通过软件配置、管理的小区结构能更好地适应不同时段、不同地点的业务变化。

1.2.5 MBMS技术

组播和广播业务(MBMS)是对现有WCDMA移动网络的增强，可与现有移动网络无缝融合，方便移动运营商对手机电视业务的运营。然而3GPP在R6版本中的TDD模式下也提出了MBMS。MBMS技术与其他数字电视广播技术具有完全不同的商业模式，MBMS提供了一套完全由移动运营商运营、控制的广播/多播传输通道。

MBMS可以利用蜂窝网已有的双向信道实现交互。除了广播业务，MBMS还可以提供更丰富的组播业务；通过点对点修复机制，实现高可靠的下载业务。通过交互信道实现灵活的计费。MBMS可用于承载移动广播电视业务，但并不局限于此，MBMS还可以为用户提供多种丰富的推(PUSH)业务，而其中许多业务已经在现网中开始运营，如果将MBMS引入网络，能够为增加业务传送容量带来收益。

如何将MBMS与蜂窝网络数据复用在一起渐渐成为人们关注的焦点，现在新的提案中大致有两种模式，一种是时分复用(TDM)模式，另一种是频分复用(FDM)模式。在TDM模式中，可以使用长的循环嵌缀，来得到更好的抗多径性能。但TDM模式不支持可变带宽，只能工作在10 MHz的带宽下。在FDM模式中，由于MBMS与蜂窝网络数据复用在一个OFDM符号里，所以只可使用蜂窝系统的CP(CP较短)。但FDM模式支持可变带宽，可以工作在多种选择的带宽模式下。

MBMS的引入对于现有的蜂窝系统是一种有效的补充，可在现有网络上增加和改善一些功能实体，为用户提供更多的服务。

1.2.6 TD-SCDMA和BWA的融合

TD-SCDMA和宽带无线接入(BWA)相比，峰值速率不够高，但可以实现大面积覆盖，而BWA在低速移动环境下可以提供高速率业务，如IEEE 802.11a WLAN可以提供54 Mb/s的峰值速率。TD-SCDMA和WLAN的融合，可以在热点地区使用WLAN来提供高速率业务传输，同时使用TD-SCDMA来实现全网覆盖。

TD-SCDMA与WiMAX的融合也已进入规划日程，并成为现今技术讨论的焦点。WiMAX可以在20 MHz的带宽下提供75 Mb/s的峰值速率，为TD-SCDMA系统在热点地区的覆盖起到了强有力的补充效果，尤其802.16e(WiMAX的扩展版本)的提出，使融合系统在移动速度支持上得到很大改善。TD-SCDMA和BWA的融合需要TD-SCDMA终端可以同时支持BWA接入和TD-SCDMA蜂窝网接入，并且TD-SCDMA和BWA系统应该增加一些特殊的功能实体以支持双系统融合后的协议标准[4]。