第一章 引 言
我国现在有世界上最大的移动通信网，并且用户仍然在以每月超过600万的速度增加。目前，我国移动通信用户已经超过5亿，我国已经是一个移动通信大国。另外，第三代移动通信，特别是TD-SCDMA在我国的民用也日益逼近。在本文中，我将对TD-SCDMA系统的特点和技术进行简单的介绍，并对第三代移动通信向前演进中的技术问题进行探讨。
1.1
TD-SCDMA简介
TD-SCDMA(时分同步码分多址)，是由大唐电信科技产业集团代表中国提交并于2000年5月被国际电联、2001年3月被3GPP认可的世界第三代移动通信(3G)的三个主要标准之一。 TD-SCDMA采用智能天线、软件无线电、联合检测、接力切换、下行包交换高速数据传输等一系列高新技术,与其它系统相比具有突出的技术优势： ◆ 频谱利用率高。与WCDMA及CDMA2000相比，TD-SCDMA具有最高的频谱利用率，能够更好支持人口密集地区业务，它可以充分利用零碎频段，能有效缓解运营商频谱资源紧张问题。 ◆ 系统容量大。由于采用了诸多先进技术，其干扰下降，系统容量大幅提高。 ◆ 特别适合运营商开展数据业务。由于TD-SCDMA可以动态调整上下行数据传输速率，特别适合处理上下行不对称的IP数据业务。 ◆ 系统成本低。由于采用了智能天线等新技术，TD-SCDMA系统得以降低发射功率，从而降低产品成本。
◆ 代表移动技术发展方向，系统易于升级，保护运营商投资。目前，国际上三代后技术研究的热点包括：TDMA技术、TDD技术、智能天线技术、软件无线电技术、下行包交换高速数据传输技术等，这些技术在TD-SCDMA系统里已经有所应用。此外，TD－SCDMA在通用硬件平台上采用软件无线电技术进行系统设计，升级十分方便。
TD-SCDMA标准在国际权威组织中经历了异常严格的检验和测试，完全符合国际上对3G的全部技术指标要求。它完全满足技术先进性、标准化、公开化的要求，能够作为设备制造商研制开发和生产TD-SCDMA系统设备和运营商使用该设备的技术依据。
TD-SCDMA技术的缘起
第三代移动通信不是凭空出现的，它是近20年来现代移动通信技术和实践的总结和发展。在1985年ITUTG8/1成立，开始考虑21世纪的移动通信技术和标准时，全世界仅仅拥有几十万用户、昂贵的第一代模拟移动通信技术和系统，绝大多数人都预想不到移动通信在21世纪将成为通信领域中的主体。从1996年起，正式确认使用IMT-2000这个名称，至1997年确定了基本要求和征求RTT建议，第三代移动通信才逐渐为多数人所了解，才进入了制定和完成国际标准的快车道，成为国际经济和技术竞争的一个重要舞台。 到现在，第三代移动通信系统的情况已经明确了。第三代移动通信将由卫星移动通信网和地面移动通信网所组成。它们将形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区各种用户密度的通信，是支持话音、数据和多媒体业务的先进的智能化的移动通信网，基本实现人类个人通信的理想。 在3G中，主要是陆地移动通信系统。ITU对第三代陆地移动通信系统的基本要求是：在三种环境(室内、手持机及移动环境)下，支持话音和各种多媒体的数据(高达2Mbps)业务，实现高质量、高频谱利用率及低成本的无线传输技术以及全球兼容的核心网络。而表征移动通信技术的核心是其无线传输技术(RTT)，它也是区分各种标准，确立知识产权的主要部分。 第三代移动通信网络由核心网、无线接入网和用户终端所构成。在核心网络方面，不能离开历史和现状，主要是基于第二代移动通信中的两种网络基础：基于MAP的GSM网络和基于IS-41的CDMA网络，形成了两套网络标准。而在无线传输技术方面，则主要分为频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两大类。 TD-SCDMA是时分双工的CDMA系统，时分双工技术是20世纪80年代后才在移动通信网中使用的，这里，我对此技术的起源做一个简单的介绍。从20世纪90年代初起，我们就在下面几方面积极工作： 我国863计划的个人通信专题开始了数字公众无绳电话项目的研究，对使用TDMA的TDD系统奠定了基础。 电信科学技术研究院在20世纪90年代初期一直在寻求多种技术方面的突破，努力跟踪CDMA技术。在此基础上，1994年夏天，当在美国学成回国的许广涵、陈卫博士提出在TDD的CDMA系统中使用智能天线可以提高系统容量时，双方一拍即合，决定分别进行预研。 到1995年年中，此系统的初步框架形成，我们将它命名为SCDMA，得到邮电部科技司和国家计委科技司的支持，列入国家“八五”计划重点攻关项目，并组织合资的信威公司实施。
1997年年底，项目通过国家鉴定，并获得2000年国家科技进步一等奖。
1.3
TD-SCDMA技术的主要创新
关于TD-SCDMA系统的主要技术及优点已经在很多书籍和文章中多次介绍了，在此不再重复。此系统的主要创新，或者说我们持有的主要知识产权集中在如下方面。 具有智能天线的TDD多时隙码分多址系统，其核心技术在于：同时使用码分、时分和频分多址复用，给无线资源管理带来更多自由度。用软件实现同步CDMA，使系统信号处理简化。TDD可以使用不成对的频谱资源；特别适用于上下行不对称，具有不同数据传输速率的业务；对称的电波传播特性使之便于使用智能天线等新技术。TDD系统是适用于高速移动环境下的技术，即适用于现在TD-SCDMA系统已经能够在陆地上可能实现的最高速度。如，在磁悬浮列车上正常工作，达到ITU对陆地移动通信的高速移动环境要求。TDD系统支持大半径小区的技术，现在，TD-SCDMA系统已经在青岛海面和珠江口实现了覆盖的小区半径超过30km。 独特的帧结构，除多业务时隙外，设计了上下行导引时隙及保护时隙，便于实现上行同步和随机接入。 智能天线技术，包括在TDD系统中使用和实现方法：环行及线形智能天线阵的设计方法，智能天线的校准方法，上下行波束赋形方法，分布式智能天线将智能天线的系统使用于室内覆盖。 在智能天线的基础上使用联合检测技术，克服了本小区及邻近小区的干扰，解决了满足全部码道同时工作问题，达到最高的频谱利用率(与其他3G系统比较)。 简单又有效的无线资源管理技术，解决了码分多址系统中复杂的干扰统计和分析，使接入控制等算法简化；下行功率控制及DCA(动态信道分配)更为有效。 同频组网技术，对扩频系数比较小的CDMA系统要实现同频组网又不损伤容量，其核心问题是抑制邻近小区的干扰。试验网证明，TD-SCDMA系统已经可以实现单载波及多载波的同频组网。 以上情况说明，移动通信已经使以FDD为主流的传统论点受到挑战，TDD系统在第三代移动通信中的位置已不可动摇。换句话说，FDD系统能够做到的TD-SCDMA系统也能够做到，而FDD系统难以实现的，如上下行不对称业务等，TD-SCDMA系统也能够实现。 根据几年来3G应用和标准化的进程，在未来10年间，3G向4G(第四代移动通信技术)演进的路径已经比较清晰了。 3G的发展，包括TD-SCDMA的发展可分为如下三阶段： 3G阶段，现在至2010年。目前，均是用3GPP(第三代伙伴计划)R’4标准建设网络，并立即要升级到R’5，支持高速下行业务(HSDPA)，每终端的峰值传输速率达到2Mbps或者更高一些。从标准上，R’6(HSUPA)、R’7(HSPA+)均已完成，国外已开始使用HSUPA。从R’7开始，已经将网络扁平化、IP(网络互连协议)化包含在内。以上标准都包括TDD (TD-SCDMA)部分，从这方面来说，TD-SCDMA将和3GPP标准化一起演进，路径是非常清楚的。我们需要研究的仅仅是，是否每一步都必须走还是可以跳跃式发展的问题。 LTE(3G的演进)阶段，2010年-2015年。国际上已经看到，要进一步提高峰值数据传输速率，从多址方式上必须从CDMA演进到OFDM(正交频分复用技术)。因此，两三年前就开始讨论如何将第三代移动通信的标准进行演进。对TD-SCDMA来说，就是在现有帧结构上将CDMA改为OFDM，并且考虑增加每载波的带宽，将智能天线和MIMO(多输入多输出系统)技术相结合，可达到或超过100Mbps的峰值传输能力。 4G阶段，ITU将于今年征集4G无线传输技术的建议，并希望在2010年以后完成标准，并逐步开始技术研发工作。4G要求峰值传输速率达到1Gbps以上，以提供更高速率的多媒体业务。我们相信，未来的无线传输技术必定有TDD的部分，TD-SCDMA必然要演进到更高速率和更好性能。不过目前更多地讨论还没有定论的未来是没有必要的。 为促进产业的发展，应立即按R’4及R’5标准大规模建设TD-SCDMA第三代移动通信网络并提供服务。对现有GSM网络扩容时使用TD-SCDMA，尽可能在现有GSM基站的站址上增加TD-SCDMA基站。使用TD-SCDMA/GSM双频双模用户终端，这些初期的3G用户在TD-SCDMA基站覆盖区内可以享受3G服务，在覆盖区域以外，则使用GSM工作。显然，初期系统用户在享受3G服务时，GSM网络的功能将不受影响。 用此方式，可以在GSM系统网络扩容时实现更低的投入，不仅扩大了容量，在用户密集的地区为用户提供了移动通信服务，解决了频谱资源不足造成的容量问题，还为最急需的地区提供了第三代移动通信业务，也为以后统一向3G过渡打下了基础。 到这一步，第三代移动通信的覆盖范围可能逐步达到一级城市，在大城市将有几千到上万个第三代移动通信基站，系统将支持TD-SCDMA和GSM之间自动越区切换。当然，由于 TD-SCDMA还没有达到全国和全球覆盖，在3G没有覆盖的地方还需依靠GSM系统。 尔后，根据市场的发展，进一步扩大网络覆盖的范围和深度。 1.第三代移动通信标准(IMT-RSPC)是全世界各国10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10余年全世界无线通信的发展将起重要的指导作用。 2.在过去10年间，我国第一次大规模积极参加了制定和评估第三代移动通信技术和标准的工作，在制定IMT-RSPC(无线接口技术规范)中作出了重大贡献。我国提出的TD-SCDMA建议，经过艰苦努力与国际合作，成为IMT-RSPC的组成部分，是一次重大的突破，它将对我国和国际第三代移动通信的发展产生重大影响。
3.在第三代移动通信技术中，TDD模式的无线传输技术在频谱灵活性、提供不对称业务和低价格等方面的优势已被国际认可。在提供移动数据业务，特别是IP型业务方面的优势，使TDD模式的系统在城市及郊区有巨大的竞争力。
4.我国提出的TD-SCDMA技术，作为一个完整的系统来设计，又采用了智能天线等先进技术，在技术上被公认有明显优势。根据此标准所开发的设备可以达到提供高频谱利用率、灵活和低成本的目标，在市场上将具有更强的竞争能力。
5.未来几年，在第二代移动通信网中用户密集地区或者数据和多媒体业务需求量大的地区(大中城市)，依托第二代移动通信网开通第三代移动通信业务，如果主要以TD-SCDMA的系统为主，使用双频双模终端，将实现巨大经济效益，是平稳向第三代移动通信过渡的最佳方式。
6.在今后3G的发展过程中，我们可以跨越HSPA+阶段，从R’5直接发展到LTE，为提高数据速率，为移动多媒体业务的开展打下基础。
无线通信系统的演进是物理层面对资源控制逐渐精细化、快速化的过程；也是系统层面逐步减少控制开销的过程。从QPSK演进到HSPA的AMC是前一个过程的体现，而从HSPA的发展中出现的新的功能如PLCCH，F-DPCH等则是后一个过程的体现。由于TD-SCDMA在发展过程中主要的标志性阶段以HSDPA阶段、HSPA阶段、HSPA+阶段为主线，本文将在介绍TD-SCDMA演进路线和HSPA+相关技术的基础上，分析HSPA+在整个系统演进中的地位和作用。 TD-HSDPA可以针对用户所处的无线环境更快、更精确地分配资源，因而在与R99同样的频谱带宽下，获得更高的通信速率。HSDPA中主要采用的技术包括共享高速信道、基于NodeB的快速调度、AMC等。2005年12月CCSA TC5的第8次全会上，TD-SCDMA HSDPA接口和设备的系列标准列入了我国行业标准制定制订计划。2006年底已完成包含多载波HSDPA方案的TD-SCDMA HSDPA行业标准的起草工作。 在引入HSDPA之后，TD网络的下行传输速率和吞吐量得到极大提升，相比而言上行速率仍然偏低。在上行也采用与HSDPA相同的技术如AMC，NodeB调度等，网络可以支持HSUPA，由此TD-SCDMA网络可以进一步演进到HSDPA+HSUPA也就是HSPA阶段。按照CCSA的工作计划，2008年6月将完成TD-SCDMA HSUPA行标的制定工作。 LTE的提出一方面使得已经在3G网络中投入大量资金的运营商担心到LTE演进的非平滑性，另一方面弱化了设备制造商CDMA相关专利在移动通信中所起的作用。因此部分运营商联合设备制造商在3GPP中提出了HSPA+的概念，希望利用CDMA的HSPA同样可以达到LTE相近的性能。TD-HSPA+的研究课题在2007年CCSA TC5 WG9的第15次会议上立项。目前在CCSA和3GPP，TD-HSPA+的主要工作集中在64QAM和EFACH的研究和标准化工作上。 HSPA+是在HSPA基础上的演进，在保留了HSPA的主要特征和控制信道配置基础上，FDD的HSPA+考虑的增强技术包括架构的演进、上行VoIP的RoT控制增强、层2的增强、EFACH、CPC、DL 64QAM、UL 16QAM、MIMO、干扰消除接收机等。针对TD-SCDMA系统的特点，在CCSA和3GPP主要由国内厂商主导，确定了TD-HSPA+的主要研究方向和标准化工作方向，包括： （1）HSDPA引入64QAM：64QAM将在高的SNR区间上使频谱效率和系统吞吐量得到提高，理论上引入64QAM后将使得TD-HSDPA单载波峰值速率和频谱效率提高1.5倍，即分别达到4.2Mbit/s和3.9bit/s/Hz。目前在CCSA和3GPP，TD-HSPA+的64QAM技术正在研究过程当中。 （2）CPC技术：CPC将进一步优化用户在Cell_DCH状态下的性能，进一步降低资源消耗使得UE能够长期保持在Cell_DCH状态，同时降低UE的功耗和复杂性，更好地保证“一直在线”类业务和VoIP等业务的QoS。目前在CCSA和3GPP，正在进行CPC的研究，但是暂时还没有立项。 （3）CELL_FACH增强：由于业务的建立和信道分配延时是一个重要的性能指标，将SRB映射到HSPA上将降低传输延时。TDD系统的增强型CELL_FACH旨在提高CELL_FACH峰值速率和UE状态转换时产生的时延。TD-HSPA+中的EFACH是目前标准会议中讨论较多的技术，其研究课题已经在CCSA立项。 （4）层二增强：TD-SCDMA系统在支持64QAM HSDPA、MIMO之后峰值速率会明显增加，需要引入灵活的RLC PDU大小。较大的RLC PDU的引入势必带来对MAC层分段/串接功能的需求。该项目目前在标准会议中讨论较少。 （5）MIMO：MIMO技术是在物理层提高系统吞吐量的一个重要手段，通过空间分集和复用，可以极大地提高通信速率。MIMO技术的标准工作暂时还没有启动，其相关研究也在进行当中。 （6）网络架构的优化：为了达到更高的延时性能，网络中的RNC已经成为事实上的瓶颈。但是如何进行网络架构优化需要进一步的研究，如用户面的RNC和NodeB功能合一，保留控制面协议在RNC实现；保持现有网络架构，仅在NodeB实现必要的RNC功能的镜像；将RNC和NodeB完全合一等。目前，关于如何优化网络架构还没有开始讨论，其相关细节有待进一步的研究。 2.4 TD-HSPA+在TD-SCDMA网络演进中的地位 TD-SCDMA到HSDPA，再到HSPA，系统的兼容性得到了很好的保持。从2004年开始，3GPP为了应对WiMAX技术带来的竞争提出了LTE 3G系统应该由HSPA演进到LTE。但是由于LTE TDD采用了OFDM技术，某种程度上对于以前的TD-SCDMA和HSPA系统兼容性较差，这也是HSPA+在性能上逊于LTE然而提出的时间却晚于LTE的原因。HSPA+的提出一方面体现了部分设备厂商延续CDMA技术使用时间的需求，另一方面体现了已经在3G及其演进投入相当资金的运营商对3G系统演进更加平滑的希望。因此，TD系统整体上的演进路线有两条： （1）TD-SCDMA基本型—>HSDPA—>HSPA—>HSPA+—>LTE TDD （2）TD-SCDMA基本型—>HSDPA—>HSPA—>LTE TDD 表1比较了R6，TD-HSPA+和LTE在性能上的主要特性。可以看出，HSPA+的目标是在5MHz的带宽下达到与LTE等同的性能。因此TD-HSPA+不仅仅将增强技术简单地组合，为了达到接近LTE的性能，还需要在系统架构等多方面进行修改。TD-HSPA+相关标准的制定要晚于LTE，相应的商业部署时间也会晚于LTE的商用，因此目前来看即使HSPA+可以提供LTE等同的性能，市场选择HSPA+的可能性也较难预测。 对于一些已经将3G网络升级到HSDPA和HSUPA并且有一定规模的运营商来说，HSPA+是一个很好的选择。HSPA+不仅可以最大限度地兼容HSPA系统，还可以很小的投资升级网络以达到LTE等同的性能；加上HSPA+采用与3G相同的带宽和频段，这都会极大降低网络部署的难度，使其商用进程更加迅速。 但是对于仅仅部分部署了WCDMA或者TD-SCDMA基本型的运营商，暂时还没有升级到HSPA的网络，如果LTE标准化和商用化的过程较为顺利，HSPA+很可能会被跳过，直接演进到LTE。现在看来，大多数运营商属于后者。
第三章
TD-SCDMA与其他移动通信系统融合分析
移动通信系统多网融合覆盖现状
跨入21世纪，我国移动通信产业呈现出勃勃生机，移动通信网络规模和用户规模得到高速发展，越来越多的移动通信网络共存需要通过技术手段实现融合，从而避免网络的重复性建设。2006年，作为3G主流标准之一的TD-SCDMA在部分城市进行规模性试验，拉开了国内3G网络建设的序幕。参考国外3G建网经验，室内是3G业务发生的主要场所，所以必须通过建设合理的室内分布系统来满足流畅的TD-SCDMA高速率数据业务，保证高的QoS，提升3G网络的质量。
目前各运营商均独立建设兼容自己运营网络的覆盖分布系统，少数大型建筑物会采用多个运营商的移动通信系统融合到一套覆盖分布系统的建设模式。TD-SCDMA网络建设必将通过和其他移动通信系统进行兼容的覆盖方式，达到低成本和快速建网的目标。以下通过对TD-SCDMA与其它移动通信系统的融合思路与各系统间的干扰分析，给网络建设工程提供参考，一些观点仍需在进一步实际网络建设中得到验证和完善。
3.2
TD-SCDMA多系统融合覆盖思路
多系统兼容覆盖方案设计时，需要充分考虑各系统的频率特性，保证较好的隔离度和插入损耗等指标。同时也要考虑各系统的覆盖特性，使各信号源功率能够最大限度发挥其覆盖效果。
频率考虑：尽量选择频率较为接近的系统进行合路，避免频段交错的现象，降低多网融合时合路器的设计难度，使分布系统发挥最好的性能。
功率考虑：在满足频率要求的同时，尽量使单信号源覆盖面积相近的系统的先合路，达到最优的覆盖效果，有利于与功率差别较大的系统设计规划。
合路考虑：覆盖能力强的信源一级合路，其支线上二级合路覆盖能力弱的信号。
3.2.1.
TD-SCDMA与单一运营商的网络融合
与单一运营商的网络合路可以采用两频或三频合路器直接合路，具体融合方案如下。
方案一：2G、TD-SCDMA主干线合路，工程实施容易，但中继放大时需要采用分路-放大-合路方式进行合路，合路分路器数量多，容易实施。
方案二：2G、TD-SCDMA主干线单独传输。容易对各系统信号接入功率进行独立控制，但主干线工程实施时较复杂。如图1所示。
单从成本考虑，对于系统主干线较长，馈线价格超过合路/分路器价格的系统采用方案一较节约成本，否则采用方案二更节约成本。实际设计需要参考现场的物业环境要求。
3.2.2． TD-SCDMA与多运营商的网络融合
通常采用POI（多系统合路平台）合路，分为接入POI内部合路组网和POI后端输出信号接入组网两种方式。
综合对比两种接入组网方式，前端合路可以通过POI抑制TD-SCDMA与其它移动通信系统之间的干扰，系统稳定性好、维护方便，如果POI不支持TD-SCDMA接入能力时，必须更换部分内部模块满足TD-SCDMA的接入；后端合路需要额外采用特殊的合路器，实现难度较大、成本较高，但现场实施和后期维护较容易，这种接入方式处理功率和覆盖能力差别较大的网络融合设计时系统组网较为灵活。
多系统兼容合路时的干扰主要分为杂散干扰、互调干扰和阻塞干扰。杂散干扰是系统本身不完善性造成在必要带宽之外的某个或某些频率的无用发射，对该频谱的其他用户造成干扰。互调干扰是系统内部有用信号在单个系统或多个系统间相互作用而产生不需要的干扰分量。一般干扰会造成系统接收灵敏度降低，减小系统覆盖范围，相应影响系统通信质量，严重时将阻塞系统接收，造成系统瘫痪，形成阻塞。 杂散干扰对系统最直接的一个影响就是降低了系统的接收灵敏度，在分析杂散干扰时我们主要考虑其它(b)系统的带外杂散落到本(a)系统带宽内的功率与本系统的底部噪声功率的比值关系。 信号产生的三阶互调信号的频率成分落在某系统的上行频段内会造成干扰。为了便于理论分析，只考虑下行信号产生的三阶互调产物落在上行频段内的情况，每个系统都是单载波。表1为f1-f6具体说明。 表2是通过计算所得出的会对系统产生影响的三阶互调频率成分。
假定，WCDMA系统基站输出功率为43dBm，TD-SCDMA系统输出功率为33dBm，多频合路器的三阶互调抑制度为140dBc。WCDMA与TD-SCDMA两系统之间产生的三阶互调落入TD-SCDMA（低）系统的三阶互调产物信号强度为：43-140-10*log(5MHz/1.6MHz)=-102dBm 以上两种信号合路时会对TD-SCDMA（低）系统造成一定程度的影响，在合路过程中，可以采用降低系统下行功率、频率规划以及提高合路器件的线性等方式将系统之间的干扰降低到可以接受的程度。 对于整个系统的阻塞干扰信号的抑制，只能通过多频合路器的通道隔离度来实现，通常隔离度能满足杂散干扰的要求，就能满足阻塞干扰的要求，这里不再过多分析。 通常我们可以通过以下几个方面改善或消除TD-SCDMA与多系统共网时的干扰问题。 －提高基站设备的ACLR（邻道泄露功率比）、ACS（邻信道选择性）性能。
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发表于 2010-8-11 16:36:32