TD-SCDMA标准综述(1)

[编者按] 2000年5月由国际电信联盟无线电通信部(ITU-R)通过了3G的5个标准，其中包括我国提出的TD-SCDMA标准。鉴于第二代移动通信系统(2G)已在中国形成了一个能够基本满足人们语音和短信通信需求的覆盖全国的移动通信网络，因此3G应该以提供因特网业务为主。目前，3G的几个主流标准都存在一些问题，在国际、国内的发展都不顺利，尤其是对TD-SCDMA系统的认识还有待深入。为了使读者对TD-SCDMA标准有所了解，本讲座将分3期对TD-SCDMA标准进行介绍：第1期介绍和比较3G标准以及3G所占用频段的传播特性可能对3G系统产生的影响；第2期讲述CDMA的一些基本原理和TD-SCDMA标准中所使用的一些关键技术；第3期将介绍TD-SCDMA标准的主要技术特征。

      第三代移动通信系统(3G)标准自2000年5月公布以来，发展并不顺利，其中由中国提出的TD-SCDMA具有许多与其它3G标准不同的技术特色，正在中国得到逐步推广应用。第二代移动通信系统(2G)已在国内得到长足发展，形成了基本满足人们语音和短信通信需求的覆盖全国的移动通信网络，并且将在20～30年内长期存在。因此3G应该以提供因特网业务为主，下行容量远大于上行容量5倍以上。

      就此而言，3G的几个主流标准都存在一些问题。CDMA方式的主要技术缺陷是上下行容量基本相同，而且当增加发信功率时，系统产生的自干扰会加大，导致频道容量基本不变。无法利用发信功率换取频谱资源效率，导致CDMA方式的小区频谱利用率很低，虽然可以利用一些高级技术，如多用户接收、智能天线等改善上述问题，但系统的性价比会迅速下降。而且对用户而言上行信道不需要宽带配置，这导致频谱资源的严重浪费。美国因此停止执行CDMA2000标准的3G部分CDMA2000 3X，抛弃以码分多址为主而转向以时分多址(TDMA)为基本方式的EV-DO。由于TDMA的EV-DO方式需要一个独立的下行频道，由此也可以看出国际电信联盟(ITU)将3G 频分双工(FDD)频段对称划分的不合理性。应该认识到3G标准存在许多不合理的地方，还有必要加以研究，以便在应用中予以修正。

1 3G标准简介
      3G标准的基本目标是3G系统能在车载、步行和静止3种环境下为多个用户分别提供最高比特传输速率(Rb)为144 kb/s、384 kb/s和2 048 kb/s的无线接入数据传输，为多个用户提供Rb可变的无线接入是3G标准的核心要求。对应于不同的数据速率要求基站的覆盖半径分别约为12 km、300 m和10 m。显然，满足后两者应用要求的系统建设成本过高，应用价值很低。
ITU-R通过的“IMT-2000无线接口规范”中主要包括5个标准，但是人们常常提及其中的3个3G主流标准。

1.1 3G主流标准
      表1给出了WCDMA、TD-SCDMA和CDMA2000这3种主流3G标准的主要参数。这3种方式均采用CDMA方式，在WCDMA方式中又分为时分双工(TDD)和频分双工(FDD)两类。FDD-WCDMA和TDD-WCDMA的主要倡议者为欧洲和日本，TD-SCDMA由中国提出，CDMA2000由美国为主要倡议者。

      TD-SCDMA标准于1999年12月开始与TDD-WCDMA标准融合后, 作为TDD-CDMA标准的一部分被公布。然而TDD-WCDMA虽然是国际公认的步行移动通信标准，在国际上却没有应用实例，它是一个应用价值极低、被搁置的标准。TD-SCDMA标准的许多内容与TDD-WCDMA雷同，所以国际上有时也把它称为低码片速率(Rc)的TDD-CDMA。

      此处W的含义是宽带，由表1中可见，WCDMA和TD-SCDMA占用的频道带宽分别为5 MHz和1.6 MHz。TD与TDD的含义均为时分双工，即在一个频点上使用不同的时隙(TS)用于上行和下行信道的信息传输。上行信道指由移动台(MS)至基站(BS)的传输信道，反之则为下行信道。TDD一般用于小灵通之类覆盖半径较小的步行移动通信系统。它的优点是无需分配对称的上/下行频段，可以充分利用那些不便于实现上/下行对称频段分配的频谱资源。使用TDD方式时，由于基站收发信设备只在1/2的时间内工作，所以设备和能源的效率较低。GSM等车载移动通信系统一般都使用FDD方式。
SCDMA的含义是小区内上行信道地址码使用同步的沃而什(Walsh)地址码，在TDD-WCDMA系统中也是这么做的，优点是便于在TDD系统中使用联合接收机(JD)，可用于减少TS时隙内多个CDMA信道之间的干扰。在车载移动通信系统中都使用准同步地址码。这是因为上行同步地址码的使用将导致设备的复杂性上升，且很难达到同步地址码的使用效果。

      TD-SCDMA系统的码片速率为TDD-WCDMA系统的1/3，优点是易于收发信机的实现，而缺点是可用带宽较窄，一般需同时使用多个频点。除此之外，它们的主要不同是在TD-SCDMA系统中强调必须使用智能天线技术，在TDD-WCDMA标准中则将其列为可选技术。

      注意表1中各种标准可用的工作频段，若可以用在两个不同频段时，该标准的灵活性较大。不过此处只有CDMA2000可分别用于两个频段，并分别起到移动和个人(步行)移动通信系统的作用，甚至可以考虑在两个频段分别使用两个无线接入网(RAN)，并合用一个核心网(CN)。TD-SCDMA标准的种种特征表明它适用于步行移动通信系统，实际上不应该用于900 MHz频段。

      CDMA2000标准1x部分的码片速率与窄带CDMA IS-95相同，两系统可以兼容。其真正的3G部分CDMA2000 3x的下行链路采用多载波方式，即一个用户可以同时使用3个频道，Rc与IS-95相同，射频设备仍可兼容；上行链路为单载波，码片速率为3.6864 Mc/s，此时才与FDD-WCDMA相当，但占用的射频带宽却远小于WCDMA系统，这说明它的频谱利用率较高。

      FDD-WCDMA低Rb用户或语音用户的移动台(MS)成本也会大幅上升，在CDMA2000系统中则不会出现此类不合理现象。因此CDMA2000的做法要比WCDMA系统合理。但是在移动因特网应用中，要求的上行容量很小，所以上行的宽带频谱配置是一种浪费，然而所要求的下行容量极大，CDMA方式无法满足。所以CDMA2000 3x标准还是被遗弃，这也从一个侧面说明WCDMA系统的不合理性。

      取代CDMA2000 3x标准的1x EV-DO增加了一个专门用于传输高速数据(高于38.4 kb/s)的、带宽为1.23 MHz的载波，它的基本参数见表2。上行链路的Rb要求较低，所以它的参数与CDMA2000 1x RC3类似。突出的改变是在下行链路中采用时分多址 (TDMA)方式区分多个用户，利用插入的前置Wx64区分不同的用户信道，并利用Wx16在各用户占用时隙中构成用户码分子信道。各用户的扩频系数(SF)由基站(BS)据信号传播衰落情况决定，SF≈80～2。

      在1x EV-DO之后提出的1x EV-DV与其主要不同是可以用一个载波同时传输语音、低Rb和高Rb信号，在传输语音与低Rb时使用与CDMA2000 1x相同的无线配置，并将剩余的Walsh码资源组成两个TDMA信道用于高Rb信号的传输。相应的Rb可分为81.6 kb/s、158.4 kb/s……3 091.2 kb/s这18档，选用1/5 Turbo纠错编码，可选用QPSK、8PSK、16QAM调制方式。

      1x EV-DV的相关参数在将在《CDMA2000系统RC10的无线配置》中公布，然而现在可以证明在多个CDMA信道中不可能实现高速数据传输，所以1x EV-DV标准已被废止。在WCDMA R5中给出的高速下行分组接入 (HSDPA)与1x EV-DV有类似的机制，亦被证明无法实现。WCDMA标准现也提出了类似EV-DO需使用独立频点的HSDPA方式。

      如上所述，许多提出的3G标准在应用研究中被否定，这说明已提出的3G标准是很不成熟的，在应用研究过程中还需继续判定它们的合理性。

1.2 3G的其他两个标准
      美国提出的另一个3G标准是时分多址的UWC136标准，此标准以美国的2G标准数字高级移动电话系统(DAMPS)为基础，包括了在北美大量使用的GSM标准，具有3种频道带宽，分别为30 kHz，200 kHz和1.6 MHz。1.6 MHz系统仅限于室内使用。在3G标准中公布UWC136标准说明DAMPS、GSM等2G标准还会长期存在。

      欧洲的2G 数字增强无绳通信(DECT)标准也是3G标准之一，它是一个步行速度的移动通信标准，中国的小灵通系统、日本的PHS系统和DECT系统在2G中作用相同，因此小灵通系统和PHS系统仍应有一定的发展空间。再考虑到CDMA2000标准从CDMA到TDMA的突然转向，更应认识到上述标准的合理性。

1.3 移动通信系统主要指标的比较
      表3给出了所关注的几个移动通信系统的主要指标，其中移动通信系统占用的频段和带宽是系统占用频谱资源效率的重要指标。

      800～900 MHz的频谱资源是优质车载移动通信频谱资源，应该用于小区覆盖半径较大, 运动速度很快的车载移动通信系统；2 GHz频段适用于覆盖半径小于300 m的步行移动通信系统。系统占用带宽是频谱利用率ηf的重要指标，表3中用分配带宽表示。

      就目前已应用的系统而言，小灵通占用的带宽仅为2G系统的15%，却同样能覆盖全部城区，因此小灵通的频谱利用率应该是最高的，主要靠较小的小区覆盖和小区间的频率复用取得。

      表3中的发功率指标中部分系统以最大发功率的形式给出，其中移动台的发功率和覆盖半径的关系应该是在发语音数据的条件下，在发3G高速数据时，发功率需成倍上升。

      从发功率指标可以判定，CDMA系统的主要优势是功率利用率ηp较高，即可以用较小的发功率覆盖较大的小区半径，对人体健康和环境保护的影响较小。这也是3G系统最早都选择CDMA方式的初衷。由于TD-SCDMA的下行信道数要远小于FDD-WCDMA，而且TD-SCDMA还使用智能天线，所以这两个标准给出的基站发功率指标不太合理。从表3中可以看出，GSM系统要求的发功率远远大于CDMA2000 1x系统，小灵通系统要求的发功率最小。由于2 GHz频段原属微波频段，对人体健康的影响较大，在城市环境中设立大功率基站时，环境电磁波辐射较大。小灵通系统的基站发功率才达0.5 W，比较适合城市环境的应用。

      表3中给出的FDD-WCDMA和TD-SCDMA的移动台最大发功率均为2 W，实际上这么大的微波发功率并不适合用于手机，在计算覆盖半径的无线链路预算中一般取手机发功率为21 dBm(0.126 W)，此时密集市区环境中FDD-WCDMA的覆盖半径约为560 m，TD-SCDMA约为313 m。这说明它们的覆盖半径将接近小灵通的参数，将导致基站数和网络建设成本的快速上升。对于在800～900 MHz频段工作的CDMA2000 1x和GSM系统而言，则不会出现此类情况。

1.4 3G移动通信系统的频率分配
      3G的频段为2 GHz，2 GHz属微波频段的低端，具有视距传播特性，对人体健康的影响比2G的900 MHz频段大的多，而且2 GHz频段的电波传播衰落在城区和郊区环境分别比900 MHz频段大14.4 dB和9.5 dB。只考虑这一点，2 GHz频段的MS发信功率约需分别增加至900 MHz频段的27.5倍和9倍。也可以采用减小覆盖半径的方法以避免过大的发功率，但此时系统的建设成本上升。而且2 GHz频段的电波穿透能力和绕射能力均较差，易产生覆盖盲区，即易掉话，此时即使增加发信功率也无济于事。1.8 GHz GSM系统和小灵通的应用情况也证明了这一点。可以认为该频段并不是理想的移动通信频段。

      所以在美国联邦通信委员会(FCC)的规定中将2 GHz定为个人通信频段，其含义是适用于覆盖半径(r)小于300 m的步行速度无线通信系统，并已在1995年采用分段、分地区的方法拍卖完毕。因此在美国并不存在3G的分配频段，虽然也可将此频段用于3G系统，却是极不合理的。

      较理想的覆盖方法是用2 GHz频段在人员稠密地区提供r<1 km的小区覆盖，为低速移动用户提供无线接入。用900 MHz频段提供1 km<r<20 km的小区重叠覆盖，提供高速移动用户业务。若采用双频手机还是有可能给用户提供满足3G要求的各种数据速率。因此3G欲利用2 GHz一个频段要达到900 MHz、2 GHz两个频段的效果，几乎是不可能的。

1.5 移动通信系统两个关键指标间的相互制约性
      频谱利用率ηf和功率利用率ηp是移动通信系统的两个关键指标，可以用来评价系统性能。由香农公式可以看出这两个指标间存在一种相互制约的关系：
C＝BW 10log2(1+S /N )   (1)

      由式(1)可以看出信道容量C(单位是b/s)，即容许提供的信息速率，是信道带宽BW 和收信号功率S 的函数，有S =PT /LP，其中PT 为发信号功率，LP为电波传播损耗。

      在C保持不变时，如果BW 上升，则所要求的S下降。以CDMA2000 1x为例，小区中只有一个语音用户时要求提供的C为9.6 kb/s，每个用户占用的带宽为1.25 MHz，噪声N 的值极小，所以此时要求的S 极小。据表3，约0.2 W的发功率可以传输50 km。但是当小区中的用户增加时，多个用户产生的自干扰会使N 值上升，虽然每个用户占用的带宽不变，但要求的S会大幅上升。这种自干扰是由于CDMA小区内的用户都使用相同的频点在同一时间发信，是无法避免的。实际上它是CDMA系统中无法克服的问题。

      在3G系统中，要求提供的每个用户的速率至少达到144 kb/s，若保持BW不变则要求的S应扩大144÷9.6＝15倍，它等于发功率PT应增加的倍数。这也可以从误比特率(BER)曲线得到证实，见图1。

      当要求的BER为10-4时要求的门限Eb /N0=4.5 dB时，比特能量Eb=Pr·Tb，Pr =S，Tb为比特宽度，当Rb从9.6 kb/s增加到144 kb/s时，为保持Eb不变，则Pr 及PT 都必须增加15倍，应由原来的0.2 W增加至3 W，当用户增加时要求的PT还会大幅上升。

      在3G系统中计划采用 8PSK、16QAM等ηf较高的调制方式，但据图1中8PSK的BER曲线可知此时要求的发功率会增加一倍，导致ηp下降。此时要求的收功率上升，会导致CDMA系统中的自干扰上升，可提供的比特速率下降，所以无法利用发功率换取ηf。另外还经常采用提升纠错编码(ECC)率的方法减少ECC的编码冗余位。在式(1)中BW保持不变时，会使S上升，即ηp下降，因此也很难达到预期的目标。 (待续)

收稿日期：2007-05-16