時(shí)分－同步碼分多址(TD-SCDMA)是由中國(guó)提出的時(shí)分雙工(TDD)模式的第3代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是3GPP標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要組成部分。 TD-SCDMA采用了很多先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)，如上行同步碼分多址、智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、軟件無(wú)線電、接力切換和動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)等[1]。TDD模式不需要對(duì)稱(chēng)頻帶，無(wú)線資 源在上下行間可以靈活分配，更適合于數(shù)據(jù)傳輸這樣的非對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù)，在無(wú)線頻帶資源越來(lái)越短缺的今天，逐漸成為B3G/4G系統(tǒng)研究的焦點(diǎn)。在中國(guó)，頻分雙工(FDD)，包括寬帶碼分多址(WCDMA)和CDMA2000模式，總共分得90 MHz頻帶帶寬，而TDD模式分得了155 MHz的帶寬，反映出中國(guó)政府對(duì)TD-SCDMA的大力支持，并預(yù)示了其良好的發(fā)展前景。
與WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)相比，TD-SCDMA有其技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，但缺乏商用經(jīng)驗(yàn)。而在未來(lái)的演進(jìn)過(guò)程中，TD-SCDMA與 WCDMA具有很好的兼容性，這為未來(lái)在多系統(tǒng)之間進(jìn)行切換和漫游打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)TD-SCDMA與WCDMA使用的都是3GPP提出的核心網(wǎng)版本，這種天然的結(jié)合使兩種系統(tǒng)在未來(lái)的發(fā)展道路上可以相互扶持與互補(bǔ)。從商業(yè)和投資的角度來(lái)看，核心網(wǎng)只占總系統(tǒng)投資的30%左右，所以，在未來(lái)演進(jìn)過(guò)程中，TD-SCDMA與WCDMA的兼容依然是研究的重點(diǎn)。雖然與CDMA2000系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)有較大的差異，但為了全球通信服務(wù)的普遍性和用戶的方便性，與CDMA2000系統(tǒng)的兼容也成為商業(yè)和技術(shù)研究關(guān)注的焦點(diǎn)。
TD-SCDMA在熱點(diǎn)覆蓋地區(qū)峰值速率可達(dá)2 Mb/s，在中速移動(dòng)環(huán)境下可達(dá)384 kb/s，在高速移動(dòng)環(huán)境下可達(dá)144 kb/s。然而隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的高速增長(zhǎng)，TD-SCDMA的2 Mb/s的峰值速率將無(wú)法滿足需求。同時(shí)，根據(jù)國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)的估計(jì)，新的B3G蜂窩系統(tǒng)可提供的100 Mb/s～1 Gb/s的峰值速率預(yù)計(jì)將在2015年實(shí)現(xiàn)。與CDMA2000采用3載波的技術(shù)相似，TD-SCDMA也有單載波和多載波系統(tǒng)之分，采用多載波可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，但也會(huì)加大系統(tǒng)的復(fù)雜度。另一方面，移動(dòng)通信技術(shù)和無(wú)線寬帶接入技術(shù)的融合也進(jìn)行得如火如荼。TD-SCDMA與無(wú)線局域網(wǎng)(WLAN) 的融合可以在室內(nèi)環(huán)境或熱點(diǎn)地區(qū)提供54 Mb/s的峰值速率，有效地彌補(bǔ)了TD-SCDMA熱點(diǎn)地區(qū)的覆蓋。隨著以IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無(wú)線城域網(wǎng)技術(shù)(一般稱(chēng)為WiMAX)的發(fā)展，TD-SCDMA與WiMAX的融合也已進(jìn)入正式規(guī)劃日程當(dāng)中，并成為現(xiàn)今技術(shù)討論的焦點(diǎn)。WiMAX可以在20 MHz的帶寬下提供75 Mb/s的峰值速率，為T(mén)D-SCDMA系統(tǒng)起到了強(qiáng)有力的補(bǔ)充效果，尤其是IEEE 802.16e的提出，使融合系統(tǒng)在移動(dòng)速度支持上得到很大改善。
3GPP從2004年11月開(kāi)始著手其長(zhǎng)期演進(jìn)計(jì)劃(LTE)，LTE的目標(biāo)是增大蜂窩通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和容量，提高吞吐量，降低成本并減少服務(wù)時(shí)延，同時(shí)改善服務(wù)質(zhì)量，為用戶提供新的體驗(yàn)和感受。LTE的發(fā)展將在現(xiàn)有3G規(guī)劃頻帶上，以成熟的B3G新技術(shù)為基礎(chǔ)，向B3G/4G系統(tǒng)平滑過(guò)渡，并保持通信系統(tǒng)在未來(lái)的可持續(xù)發(fā)展性。
中國(guó)政府出資發(fā)展TDD未來(lái)演進(jìn)系統(tǒng)，并致力于B3G/4G TDD系統(tǒng)中空中接口和新網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架等關(guān)鍵技術(shù)的研究。其目標(biāo)是對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)覆蓋，并提供100 Mb/s～1 Gb/s的峰值速率。通過(guò)采用多輸入多輸出(MIMO)多天線技術(shù)和正交頻分復(fù)用(OFDM)多載波技術(shù)，個(gè)發(fā)布版本在20 MHz的帶寬內(nèi)在下行傳輸中可以實(shí)現(xiàn)100 Mb/s的速率，在上行可達(dá)50 Mb/s的傳輸速率，同時(shí)，頻帶利用率可達(dá)2 bps/Hz～5 bps/Hz。由于TDD系統(tǒng)的眾多優(yōu)點(diǎn)，TD-SCDMA演進(jìn)到LTE/B3G TDD將勢(shì)在必行[2]。
本文論述了TDD系統(tǒng)由TD-SCDMA到TDD未來(lái)演進(jìn)系統(tǒng)的演進(jìn)過(guò)程。由于TDD未來(lái)演進(jìn)系統(tǒng)到2015年才能實(shí)現(xiàn)商用，并且TD- SCDMA到TDD未來(lái)演進(jìn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率的跨度很大，所以在TD-SCDMA到TDD未來(lái)演進(jìn)系統(tǒng)過(guò)程中必將存在一些過(guò)渡階段。TD-SCDMA的演進(jìn)從引入新技術(shù)角度和峰值速率角度大體可分為4個(gè)階段，而每個(gè)階段又有著不同的技術(shù)層次：TD-SCDMA單載波和多載波階段、HSxPA TDD的單載波和多載波以及與無(wú)線寬帶技術(shù)融合階段、LTE TDD單載波和多載波階段、TDD未來(lái)演進(jìn)階段(TDD B3G/4G)。
1 TD-SCDMA到B3GTDD未來(lái)演進(jìn)
TD-SCDMA的演進(jìn)目標(biāo)是提供更高速率的服務(wù)，降低時(shí)延和成本，改善覆蓋范圍和容量。而為了達(dá)到這樣的目的，將引入許多先進(jìn)的技術(shù)，如自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)、混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳(HARQ)、OFDM、MIMO和多載波技術(shù)等，其中許多革命性技術(shù)在演進(jìn)過(guò)程中起著關(guān)鍵的作用，是峰值速率不斷提高的根本動(dòng)力。
在TD-SCDMA演進(jìn)的過(guò)程中，隨著用戶業(yè)務(wù)需求的不斷擴(kuò)大，單載頻系統(tǒng)中的部分小區(qū)(例如繁華地帶)可能會(huì)出現(xiàn)業(yè)務(wù)量過(guò)大而無(wú)法承受的情況，因此必須考慮使用新的技術(shù)方案來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容。
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MIMO和OFDM技術(shù)是在B3G/4G系統(tǒng)中為革命性的技術(shù)，是LTE TDD時(shí)代顯著的標(biāo)志。OFDM技術(shù)可以有效地改善頻譜效率，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，快速傅立葉變換/快速傅立葉逆變換 (FFT/IFFT)的實(shí)現(xiàn)使OFDM技術(shù)在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度大大降低。隨著MIMO多天線技術(shù)的發(fā)展，在通信鏈路中引入了空域的概念，與時(shí)域、頻域和碼域一起獲得分集或復(fù)用增益，使通信系統(tǒng)的容量成倍增加，從而從本質(zhì)上提高了傳輸速率。但MIMO技術(shù)更適于平坦信道，而在寬帶無(wú)線通信中大多是頻率選擇性信道，這時(shí)，OFDM與MIMO的結(jié)合，恰好利用了OFDM的循環(huán)前綴(CP)技術(shù)，克服多徑影響，把頻率選擇性信道改造為平坦信道，再應(yīng)用MIMO 技術(shù)，傳輸增益顯著[3]。
如上所述，從TD-SCDMA到TDD未來(lái)演進(jìn)時(shí)代的演進(jìn)過(guò)程如圖1所示，演進(jìn)過(guò)程大體分為4個(gè)階段，每個(gè)階段又分不同層次：分別是單載波/多載波TD-SCDMA系統(tǒng)、單載波/多載波HSxPA系統(tǒng)、 LTE系統(tǒng)和基于TD-SCDMA的第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)(即TDD B3G/4G)。
1.1TD-SCDMA第1階段
階段主要包括單載波和多載波的TD-SCDMA，采用的關(guān)鍵技術(shù)包括CDMA、上行同步、智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、動(dòng)態(tài)信道分配等，核心網(wǎng)基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的R4版本，單載波極限速率為2 Mb/s，而對(duì)于N 載波技術(shù)，理論極限速率可以達(dá)到N× 2 Mb/s。
1.1.1單載波技術(shù)
TD-SCDMA階段就是現(xiàn)在的TD-SCDMA系統(tǒng)，采用了智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、動(dòng)態(tài)信道分配、軟件無(wú)線電、上行同步碼分多址技術(shù)、接力切換、低碼片速率、多時(shí)隙、可變擴(kuò)頻、自適應(yīng)功率調(diào)整和3GPP提出的高層協(xié)議和核心網(wǎng)。TD-SCDMA核心網(wǎng)采用R4版本。TD-SCDMA與 WCDMA系統(tǒng)有很好的兼容性，并且滿足了國(guó)際電聯(lián)和3GPP提出的3G系統(tǒng)的指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了3G的各種場(chǎng)景環(huán)境。由于采用TDD模式，上下行鏈路使用同一頻率，同一時(shí)刻上下行鏈路的空間物理特性相似，可以采取一些自適應(yīng)無(wú)線信號(hào)處理技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上下行鏈路間的靈活切換。這一模式的優(yōu)勢(shì)是，在上下行鏈路間的時(shí)隙分配可以被一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)改變，以滿足不同的業(yè)務(wù)要求。通過(guò)改變上下行鏈路的轉(zhuǎn)換點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)所有3G對(duì)稱(chēng)和非對(duì)稱(chēng)業(yè)務(wù)。TD-SCDMA與聯(lián)合檢測(cè)相結(jié)合，在傳輸容量方面有顯著增益。通過(guò)引進(jìn)智能天線，容量還可以進(jìn)一步提高。智能天線憑借其天線定向性和智能性減小了小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的干擾，能夠提供更好的通信質(zhì)量，提高系統(tǒng)容量，并且擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍。
1.1.2多載波技術(shù)
多載波技術(shù)是相對(duì)單載波技術(shù)而言的，就是在一個(gè)小區(qū)中配置多個(gè)載頻。若將每個(gè)載頻視為一個(gè)邏輯小區(qū)，則多載波小區(qū)實(shí)際上等效于將原來(lái)獨(dú)立的多個(gè)單載波小區(qū)合并到一起，并將公共信道進(jìn)行合并，這樣就形成了一個(gè)多載波小區(qū)，從而大大提高系統(tǒng)的業(yè)務(wù)承載能力。多載波技術(shù)的提出是從發(fā)展的角度來(lái)看待網(wǎng)絡(luò)容量的演變，這將有利于TD-SCDMA系統(tǒng)的進(jìn)一步完善。在不考慮頻率間相互干擾的情況下，多載波TD-SCDMA系統(tǒng)的容量將會(huì)是單載波系統(tǒng)容量的N 倍(N 為載波數(shù))。然而由于小區(qū)內(nèi)載頻間的混疊干擾，系統(tǒng)容量將會(huì)小于N 倍單載頻系統(tǒng)的容量。
1.2TD-SCDMA第2階段
TD-SCDMA演進(jìn)的第二階段主要包括引入高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)和高速上行分組接入(HSUPA)，同時(shí)需要考慮和其他無(wú)線寬帶接入系統(tǒng)的融合，共同支撐高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，比如TD-SCDMA和WiMAX在核心網(wǎng)的融合等。此時(shí)采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括AMC、HARQ、快速分組調(diào)度(FPS)等，核心網(wǎng)基于IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)，對(duì)于單載波HSDPA/HSUPA來(lái)說(shuō)，理論極限速率為2.8 Mb/s，對(duì)于3載波HSDPA/HSUPA來(lái)說(shuō)，理論極限速率為8.4 Mb/s；當(dāng)與WiMAX融合時(shí)，其理論極限速率可達(dá)75 Mb/s(20 MHz帶寬時(shí))。
1.2.1單載波技術(shù)
HSxPA可以在現(xiàn)有TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行演進(jìn)，在無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)地修改，使得下行傳輸速率提升到每載波2.8 Mb/s，其中網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及核心網(wǎng)絡(luò)保持不變。HSxPA為運(yùn)營(yíng)商提供了更廣闊的空間，為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)終超過(guò)語(yǔ)音業(yè)務(wù)奠定了理論技術(shù)基礎(chǔ)。HSxPA是一種新的通用移動(dòng)通信系統(tǒng)陸地?zé)o線接入網(wǎng)(U
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HSxPA與普通傳輸技術(shù)相比，其主要區(qū)別在于對(duì)信道質(zhì)量變化進(jìn)行補(bǔ)償。普通傳輸技術(shù)通過(guò)快速功率控制維持恒定的數(shù)據(jù)速率，適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，例如話音業(yè)務(wù)。而在HSxPA中，所有用戶的下行總發(fā)射功率在傳輸過(guò)程中維持恒定。假定每個(gè)用戶的功率保持恒定，則離基站近的用戶路損較小，干擾較低，從而信道容量更高。離基站遠(yuǎn)的用戶信道容量相對(duì)較低，HSxPA通過(guò)改變編碼調(diào)制方式，以及HARQ機(jī)制來(lái)使數(shù)據(jù)速率隨信道容量的變化而變化。顯然，這種方式不能用于承載實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，但對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則非常合適。在信道質(zhì)量良好的情況下，HSxPA的理論峰值速率可以達(dá)到2.8 Mb/s。如果捆綁多個(gè)載波提供HSxPA的話，理論峰值速率可以達(dá)到N×2.8 Mb/s(N 為載波個(gè)數(shù))。在這個(gè)階段里，根據(jù)3GPP的R5版本，基于全I(xiàn)P的核心網(wǎng)將建成并投入使用，并引入IMS以提供基于IP的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。
1.2.2多載波技術(shù)
在TD-SCDMA系統(tǒng)中，由于每個(gè)載波帶寬只有1.6 MHz，所以即使使用5個(gè)下行時(shí)隙，TDD HSxPA也只能達(dá)到2.8 Mb/s的下行速率。而FDD的理論峰值速率能達(dá)到14.4 Mb/s，WLAN能達(dá)到54 Mb/s。與它們相比，TD-SCDMA有不錯(cuò)的頻譜效率，然而單個(gè)用戶的峰值速率則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
若采用多載波的與HSxPA，允許用戶同時(shí)在多個(gè)載波上收發(fā)數(shù)據(jù)，則在3個(gè)載波的情況下，數(shù)據(jù)被分配到3個(gè)載波上同時(shí)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到8.4Mb/s。隨著載波個(gè)數(shù)的增長(zhǎng)，峰值速率還可以繼續(xù)增長(zhǎng)。這種方案的好處是，既可以達(dá)到很高的峰值速率，又可以實(shí)現(xiàn)靈活的配置。當(dāng)所在地區(qū)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求不是很大時(shí)，可以只使用一部分載波捆綁實(shí)現(xiàn)HSxPA業(yè)務(wù)。隨著需求的增長(zhǎng)，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重新規(guī)劃，使用更多的載波提供HSxPA業(yè)務(wù)。
對(duì)于WCDMA，如果要在10 MHz的帶寬內(nèi)提供HSDPA，要求上、下行的5 MHz帶寬分別都是連續(xù)的。而TD-SCDMA則可以使用6個(gè)分離的1.6 MHz載波。在載波資源受限的情況下，這無(wú)疑是一個(gè)極大的優(yōu)勢(shì)。
1.2.3MIMO與HSxPA的結(jié)合
在通信系統(tǒng)中，通過(guò)采用多天線技術(shù)，在空域上實(shí)現(xiàn)空間分集、空間復(fù)用和波束成形，系統(tǒng)性能和傳輸能力能夠得到很大提高。尤其在發(fā)送和接收時(shí)，不同天線上的衰落相對(duì)獨(dú)立，信道容量和天線數(shù)呈線性增長(zhǎng)關(guān)系。3GPP在R5版本中已經(jīng)提出了很多MIMO方案來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)性能(如基于每根天線的速率控制)。在R6版本中，3GPP將MIMO技術(shù)引入TD-SCDMA系統(tǒng)，從而在3載波上可實(shí)現(xiàn)14.4 Mb/s的峰值速率。有關(guān)HSxPA的演進(jìn)和增強(qiáng)(稱(chēng)為HSPA+)目前還在標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程中，建議采用MIMO和高階調(diào)制編碼方案，以提供更高的傳輸速率。
1.2.4分布式天線系統(tǒng)技術(shù)
TD-SCDMA采用了智能天線和聯(lián)合檢測(cè)技術(shù)，系統(tǒng)容量受限主要是由于小區(qū)間干擾引起的，而不是由于小區(qū)內(nèi)干擾引起的。TD-SCDMA小區(qū)的呼吸效應(yīng)并不明顯，如果可以減弱小區(qū)間干擾，就可進(jìn)一步改善系統(tǒng)容量。使用分布式天線可以增加覆蓋范圍并減少快衰影響。分布式天線采用多根鄰近的天線使用一個(gè)處理單元的方法，形成一個(gè)邏輯的多天線陣列，同時(shí)為用戶服務(wù)。下行同時(shí)發(fā)射相同的信號(hào)給用戶，上行多個(gè)天線同時(shí)接收，送回處理中心進(jìn)行處理。天線端盡量簡(jiǎn)化以減少成本，除了基本的部分，對(duì)信號(hào)的處理通常集中在處理中心。
分布式天線系統(tǒng)對(duì)服務(wù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了較好的均勻覆蓋，性能得到提高，特別是提高了切換的性能，當(dāng)用戶在同一個(gè)服務(wù)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，盡管使用了不同的天線為其服務(wù)，但不需要進(jìn)行切換。通過(guò)多個(gè)不同地點(diǎn)天線的接收，可以實(shí)現(xiàn)宏分集以抵抗陰影衰落。資源管理更加靈活，處理中心可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一動(dòng)態(tài)地分配資源，優(yōu)化資源使用，極大地提高頻譜效率，并且通過(guò)軟件配置、管理的小區(qū)結(jié)構(gòu)能更好地適應(yīng)不同時(shí)段、不同地點(diǎn)的業(yè)務(wù)變化。 （未完）