IMT－2000中的TD－SCDMA无线传输技术

 在１９９９年１１月５日结束的ＩＴＵ ＴＧ８／１第１８次会议上，顺利通过了输出文件：ＩＭＴ＿ＲＳＰＣ，标志着第３代移动通信标准的基本定型。ＴＧ８／１从１９８５年成立，通过１４年的艰苦工作和斗争，全世界各国直接投入了数千人年的劳动和数亿美元的资金，最终达到一个代表当今最新技术又获得各国赞同和认可的标准，是全世界通信界的巨大成功。在此过程中，中国第一次提出自己的建议?押ＴＤ－ＳＣＤＭＡ，又在此无线传输技术（ＲＴＴ）的基础上，通过自己的努力和国际合作，完成了ＴＤ－ＳＣＤＭＡ标准，成为ＣＤＭＡ ＴＤＤ标准的一员。在２０００年５月Ｉ-ＴＵ－Ｒ全会上，此标准总结在ＩＴＵ建议ＩＴＵ－Ｒ Ｍ．１４５７内，今后每年还将进行完善和更新。同时，将在３ＧＰＰ内完成ＣＤＭＡ ＴＤＤ标准的集成，在２００１年初完成的Ｒ＇００中，将完成一个全球统一的ＣＤＭＡ ＴＤＤ标准。这在中国是一次创举，也是中国对国际上第３代移动通信发展的一个贡献。

    中国现在有世界上第三大移动通信网，目前仍然以每月超过１００万用户的速度在增加。从２０００年起，在ＧＳＭ网继续高速发展的同时，中国联通将新建一个ＩＳ－９５的ＣＤ-ＭＡ网。另一方面，第３代移动通信也日益逼近。了解第３代移动通信的技术和标准动态，认真考虑现有ＧＳＭ网和即将建设的ＣＤＭＡ网向第３代移动通信演进的策略，已经是十分紧迫的问题。

１ 第３代移动通信标准概况

    第３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ＩＴＵ ＴＧ８／１成立时，全世界仅有拥有几十万用户的昂贵的第１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下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建议起，第３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，才成为国际经济和技术竞争的一个舞台。

    到现在，第３代移动通信系统的情况已经明确。第３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需要，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，基本实现人类的个人通信。

     在本文中，将主要介绍陆地移动通信系统。ＩＴＵ对第３代陆地移动通信系统的基本要求是：在３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２Ｍｂｉｔ／ｓ）业务?熏实现高质量、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。

     它由核心网、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２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。但从２０００年起，ＩＴＵ和国际标准化组织都在研究全ＩＰ核心网的有关技术并将形成全ＩＰ核心网的标准，且将在２００１年上半年通过的Ｒ＇００中完成第一套全ＩＰ核心网的标准，这是核心网技术的一个重大革命，也标志移动通信网络将彻底和第２代的技术分开，成为未来宽带网络的一个部分。

     在无线接入网，在ＩＭＴ＿ＲＳＰＣ中，则形成了共５种技术标准：

     两种ＴＤＭＡ标准：ＳＣ－ＴＤＭＡ（美国的ＵＭＣ－１３６）和ＭＣ－ＴＤＭＡ（欧洲的ＥＰ－ＤＥＣＴ）。

     ３种ＣＤＭＡ标准：ＭＣ－ＣＤＭＡ（即ｃｄｍａ２０００）、 ＤＳ－ＣＤＭＡ（即ＷＣＤＭＡ）和ＣＤＭＡ ＴＤＤ（包括ＴＤ－ＳＣＤＭＡ和ＵＴＲＡ ＴＤＤ）。

    显然作为主导地位的是ＣＤＭＡ标准。其中，ＭＣ－ＣＤＭＡ是ＦＤＤ双工方式，根据Ｒ＇９９的概念，将基于ＩＳ－４１的核心网；ＤＳ－ＣＤＭＡ也是ＦＤＤ双工方式，ＣＤＭＡ ＴＤＤ是ＴＤＤ双工方式，它们都基于ＭＡＰ核心网。对后者，其无线接口采用相同的高层信令和不同的物理层。由于在ＭＣ－ＣＤＭＡ中没有ＴＤＤ模式的标准，故ＣＤＭＡ ＴＤＤ必须同时能工作于两种核心网。因为ＣＤＭＡ ＴＤＤ是在３ＧＰＰ内，基于ＭＡＰ核心网制定的第２层和第３层协议的技术规范，要工作于ＩＳ－４１核心网，必须如图２所示，联合开发两种核心网之间的接口，即在Ｌ２和Ｌ３中的Ｈｏｏｋ 和Ｅｘｔｅｎｓｉｏｎ部分。目前，图２中两个核心网之间的接口正在开发过程中，由于全ＩＰ核心网的发展，此接口已没有必要。第３代移动通信标准的详细情况参见文献１。

２ ＴＤＤ双工方式在第３代移动通信中的重要性

    在第３代移动通信标准制定过程中，国际上对无线通信中的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。很多国家的运营商都表示了首选ＴＤＤ系统的愿望。其主要原因为在同样满足ＩＭＴ２０００要求的前提下，ＴＤＤ系统有如下特点：

    各国对第３代移动通信需要大约４００ＭＨｚ的频谱资源，在３ＧＨｚ以下，频率资源是非常困难的。ＴＤＤ能使用各种频率资源，不需要成对的频率；

    第３代移动通信业务中，数据业务将占主要地位；而数据业务中，不对称的ＩＰ型的数据业务又最重要。ＴＤＤ方式特别适用于上下行不对称、具有不同数据传输速率的业务；

   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％。

   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：由于ＴＤＤ系统采用多时隙、不连续的传输方式，对抗快衰落和多普勒效应的能力比连续传输的ＦＤＤ方式差，故目前ＩＴＵ要求ＴＤＤ系统中终端的移动速度应达到１２０ｋｍ／ｈ，而ＦＤＤ系统中则要求达到５００ｋｍ／ｈ；另一方面，ＴＤＤ系统中的平均功率和峰值功率之比随时隙数的增加而增加，考虑到耗电和成本因素，用户终端的发射功率不可能很大，故通信距离（小区半径）就比较小。如ＦＤＤ系统的小区半径可能达到数十公里而ＴＤＤ系统一般不超过１０ｋｍ。

    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３代移动通信中的位置已不可动摇。目前，多数人预测第３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系统用来在城市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。

３   ＴＤ－ＳＣＤＭＡ ＲＴＴ的优势

     我们看到有两个ＣＤＭＡ ＴＤＤ物理层标准：ＵＴＲＡ ＴＤＤ和ＴＤ－ＳＣＤＭＡ。这两个标准在高层信令和部分物理层技术是相同的。但是，两种技术的设计出发点是不同的，使用的技术也有差别，导致其主要特性和用途均不同。首先，我们比较这两种ＴＤＤ技术的主要特性，我们可以看到ＴＤ－ＳＣＤＭＡ技术所提供的高性能主要表现在如下几个方面：

（１）频谱灵活性和支持蜂窝网的能力

    ＴＤ－ＳＣＤＭＡ仅需１．６ＭＨｚ的最小带宽，当一个运营商获得５ＭＨｚ带宽就可以支持３个载波，可以组成蜂窝网络在一个地区支持移动业务；使用自动信道分配（ＤＣＡ）技术来提供不对称数据业务。以上是ＵＴＲＡ ＴＤＤ所不能的。

（２）高频谱利用率

   ＴＤ－ＳＣＤＭＡ对话音等对称业务和不对称数据业务所提供的频谱利用率均比ＵＴＲＡ－ＴＤＤ高一倍。也即，在使用相同频带宽度时可支持高一倍的用户。

（３）多种使用环境

    ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统是为ＩＴＵ要求的３个环境设计的，而ＵＴＲＡ－ＴＤＤ不能支持移动环境。

（４）设备成本

     ＴＤ－ＳＣＤＭＡ的设备成本在无线基站方面至少比ＵＴＲＡ－ＴＤＤ低３０％。

     导致上述差别的主要原因是：

（１）设计出发点的不同

     ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统是基于ＩＴＵ对ＩＭＴ－２０００的全部要求来设计的，它本身就可以组成一个完整的蜂窝网络。而ＵＴＲＡ－ＴＤＤ是为ＷＣＤＭＡ设计一个ＴＤＤ模式的补充，用来解决室内办公环境及所谓“热点”地区（如机场、火车站、大商场等）的需求。故ＵＴＲＡ－ＴＤＤ在设计中宁愿牺牲部分特性也要保持和ＷＣＤＭＡ尽可能地相同。

（２）使用技术的差别

    ＴＤ－ＳＣＤＭＡ采用了移动通信技术的最新发展，以获得尽可能高的性能，例如：

    智能天线，它可以极大地降低多址干扰、提高系统容量、提高接收灵敏度、降低发射功率和降低无线基站成本。

    上行同步，它可以简化基站硬件，降低无线基站成本。

     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，是此系统可以灵活使用新技术的关键，也可以降低产品开发周期和成本。

４ ＴＤ－ＳＣＤＭＡ是由第２代向第３代演进的首选技术

    根据国内外多数预测，在２１世纪前十余年，第３代移动通信的市场发展可能至少分为如下阶段：

     初期（２００１年～２００５年）。其特点为：第２代移动通信网（主要是ＧＳＭ和ＩＳ－９５ＣＤＭＡ）继续发展和扩大，在原有的基础上，在局部地区（城市等用户集中地区）提供第３代移动通信业务，数据业务速率限制在３８４ｋｂｉｔ／ｓ及以下，地区或国际漫游依赖于第２代移动通信系统；

    中期（２００４年～２０１０年）。它是第３代移动通信系统的高速成长期，其特点为：第２代移动通信网络和系统停止发展，代之建成全国或全球覆盖的第３代移动通信网络，全面达到ＩＭＴ２０００的各项要求。

      后期（２０１０年以后）。全球２５％以上人口使用第３代移动通信系统，第４代设备开始进入市场，提供更高速率的多媒体业务。

此市场发展预测也就是制定移动通信从第２代到第３代的演进策略的依据。而所谓的演进，就是考虑上述初期的情况和制定对策。

    演进过程建议如下：

    第一阶段：在第２代网络中提供第３代移动通信业务。

     如对现有ＧＳＭ网络扩容时，使用ＴＤ－ＳＣＤＭＡ的基站子系统（ＢＳＳ），同时在用户集中地区，在现有ＧＳＭ基站的站址增加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，此初期系统用户在享受３Ｇ服务时，只能在同一ＢＳＳ的ＴＤ－ＳＣＤ-ＭＡ基站之间实现越区切换，而ＧＳＭ网络的功能将不受影响。

    用此方式，可以比简单地对ＧＳＭ系统网络扩容投入更低，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?熏解决了频谱资源不足造成的容量问题、而且还为最急需的地区提供了第３代移动通信的业务，同时，也为以后向第３代过渡打下了基础。

    到这一步，第３代移动通信的覆盖范围可能逐步达到城市一级，在大城市将有几十到上百个第３代的ＢＴＳ，系统将支持不同ＢＳＳ之间的自动越区切换。当然，其自动漫游还需依靠ＧＳＭ系统。

     第二阶段：过渡到第３代移动通信网络。

     到２００４年～２００５年，第３代移动通信将进入高速成长期，各国的运营商均将开始建设完整的第３代移动通信网络。笔者认为此网络将是基于全ＩＰ的网络。此时，可以由ＲＮＣ通过Ｉｕ接口进入此全ＩＰ的核心网，也可能在基站（Ｎｏｄｅ Ｂ）直接通过Ｉｕｂ接口进入此核心网。对在第

    一阶段中使用的设备来说，唯一需要升级更新的部分就是ＢＳＳ软件升级，满足全ＩＰ核心网的要求。而网络中投资最大的部分ＢＴＳ已经在第一阶段建设了，只需对其接口进行软件升级，不增加硬件的投入。此时，网中不仅有ＴＤＤ的基站，也将有ＦＤＤ的基站，此３Ｇ网将是一个覆盖全国、国际漫游的完整网络。从第２代到第３代的演进或过渡的过程将在上述基本上不大量增加新投资的过程中完成。

５ 小结

  根据以上分析，不难得到如下结论：

（１）第３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）在过去两年间，中国第一次大规模地积极参加了制定和评估第３代移动通信技术和标准的工作，在制定ＩＭＴ＿ＲＳＰＣ中作出了重大贡献。中国提出的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ建议，经过艰苦努力和国际合作，成为ＩＭＴ＿ＲＳＰＣ的组成部分，是一次重大的突破，它将对第３代移动通信的发展产生重大影响。

（３）在第３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上认可。在提供移动数据业务，特别是ＩＰ型业务方面的优势，使ＴＤＤ模式系统在城市及郊区有巨大的竞争力。

（４）中国提出的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，在市场上竞争能力强。

（５）在下世纪初期（２００１年～２００４年），在第２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（大中城市主要地区），依托第２代移动通信网开通第３代业务，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，是向第３代移动通信过渡的平稳方式。

参考文献

１  ＩＴＵ－Ｒ Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄａｔｉｏｎ Ｒ．１４５７，ＩＭＴ．ＲＳＰＣ， Ｄｅｔａｉｌｅｄ ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｒａｄｉｏ ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ ｏｆ ＩＭＴ－２０００， Ｍａｙ ２０００

（收稿日期：２０００－０９－０５）

[摘要] 作为中国对国际上第3代移动通信的贡献，中国提出的TD－SCDMA RTT建议，通过两年多的完善和融合，已经成为ITU IMT_RSPC的一个组成部分。2000年内，将在3GPP内实现CDMA TDD标准的集成，形成国际上统一的TDD标准。文章对此标准和建议首先作了一个简单的介绍，然后结合中国第2代移动通信的发展情况和国际上对TDD方式的看法，着重讨论使用TD－SCDMA的必要性和此技术的竞争能力。

[关键词] 移动通信 无线传输 时分双工

[Abstract] As a contribution of China to the development of the third－generation mobile communications, the TD－SCDMA RTT Recommendation proposed by China, after two years; modification and improvement, has become a part of ITU;s IMT－RSPC. Within the year 2000, a universal TDD standard will be formulated through the integration of 3GPP;s CDMA TDD standards. This paper briefs present technical recommendations for the third－generation mobile communications. Based on the development of the 2nd－generation mobile communications in China and attitudes of other countries towards TDD, the paper emphasizes the necessity of adopting TD－SCDMA and the competitive power of the recommendation.

[Keywords] Mobile communication Radio Transmission Core network TDD