TD-SCDMA移動通信技術原理

    TD-SCDMA移動通信標準是信息產業部電信科學技術研究院（現大唐電信集團）在

國家主管部門的支持下，根據多年的研究而提出的具有一定特色的第三代移動通

信系統標準。這是近百年來我國通信史上第一個具有完全自主知識產權的國際通

信標準，它的出現在我國通信發展史上具有里程碑的意義，并將產生深遠的影響

，是整個中國通信業的重大突破。TD-SCDMA標準公開之后，在國際上引起了強烈

的反響，得到西門子等許多著名公司的重視和支持。1999年月11月在芬蘭赫爾辛

基召開的ITU會議上，TD-SCDMA被列入ITU建議ITU-RM.1457，成為ITU認可的第三

代移動通信無線傳輸主流技術之一。

一、TD-SCDMA技術概述

　　TD-SCDMA系統全面滿足IMT-2000的基本要求。它采用不需配對頻率的TDD雙

工模式，以及FDMA/TDMA/CDMA相結合的多址接入方式，同時使用1.28Mc/s的低碼

片率，擴頻帶寬為1.6MHz（表1）。

表1　TD-SCDMA主要參數

載波帶寬 　最小頻譜 　雙工型式　多址方式 　　　　　碼塊速率 　調制 　最大蜂窩范圍 　最大音頻容量(Erl.) 　數據流量
 1.6MHz 　　1.6MHz　　　TDD 　　TDMA，CDMA，FDMA 　1.28Mc/s 　QPSK　　40km　　　　　　EFR：55　　　　　　6Mb/s
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　8-PSK
理論最大數據率／用戶 　系統對稱性(DL:UP)
 325kb/s/MHz/cell   　　 1:6-6:1
 

　　3G移動系統的主要挑戰之一是既要控制諸如談話和視頻等對稱線路交換業務

，又要控制移動因特網接入的非對稱分組交換業務。面對這一挑戰，TD-SCDMA集

成了兩項先進技術：一種是先進的TDMA/TDD系統，另一種是自適應CDMA組成的對

稱模式的運作。

　　TD-SCDMA技術所基于的基本技術標準如下：

　　（1）TDD（時分雙工），允許上行和下行在同一頻段上，而不需要成對的頻

段。在TDD中，上行和下行在同一頻率信道中的不同時間里傳輸。這可能改變雙

工交換點和從上行移動容量至下行，反之亦然，這樣就優化了頻譜的使用。它允

許對稱和非對稱數據業務。

　　（2）TDMA（時分多址），是一種數字技術，它將每個頻率信道分割為許多

時隙，從而允許傳輸信道在同一時間由數個用戶使用。

　　（3）CDMA（碼分多址），在每個蜂窩區使多個用戶同時接入同一無線信道

成為可能，提高了通信息的密度。但每個用戶會干擾其他人，從而導致多接入干

擾（MAI）。

　　（4）聯合檢測（JD），允許接收機為所有信號同時估計無線信道和工作。

通過單個通信流量的并行處理，JD消除了多接入干擾（MAI），降低了蜂窩區內

干擾，因此提高了傳輸容量。

　　（5）動態信道分配（DCA），先進的TD-SCDMA空中接口充分利用了所有可提

供的多址技術，充分地使用了這些技術。TD-SCDMA依據干擾方案提供了無線資源

的自適應分配，降低了蜂窩區之間的干擾。

　?。?）終端互同步，通過精確的對每個終端傳輸時隙的調諧，TD-SCDMA改善

了手機的跟蹤，降低了定位的計算時間，以及交付尋找的尋找時間。由于同步，

TD-SCDMA不需要軟交付，這樣可更有利于蜂窩覆蓋區降低蜂窩間的干擾，并降低

設施和運行成本。

　?。?）智能天線，是在蜂窩區域通過蜂窩和分配功率跟蹤移動用戶的使用的

波形控制天線。沒有智能天線，功率將分配至所有的蜂窩區域內。智能天線降低

了多用戶干擾，通過降低蜂窩間的干擾而提高了系統容量，提高了接收的靈敏度

，并在增加蜂窩范圍的同時降低了傳輸功率。

二、無線信道接入

       1.TDMA/TDD

　　結合了TDD（時分雙工）的TDMA（時分多址）極大地改善了網絡的性能，在

上行和下行方向，依據網絡資源處理網絡通信流量。TDMA使用了5ms的幀分成7個

時隙，能夠靈活地安排幾個或一個要求多個時隙的用戶。TDD允許流量上行的規

格（從手機到基站），并使用同一幀的時隙下行（從基站到手機）。

　　對使用持續音頻電話和視頻電話（多媒體應用）的對稱業務來說，雙向傳輸

的數量是相同的，上行或下行的時隙被平等地分開。對于使用因特網訪問（下載

）的非對稱業務來說，從基站到終端的傳輸數據容量高。相對于上行，下行使用

了更多的時隙（見圖1）。

圖1　TDMA/TDD

　　2.不成對頻段與成對頻段

　　在單一不成對的頻段里數據加載的自適應上行／下行對稱性的這一能力，優

化了空中接口的容量，因此能更有效地使用頻譜。相反，FDD（頻分雙工）方案

——使用于傳統的CDMA3G標準，使用一對頻段分別上行或下行。作為對稱加載，

部分頻譜被占用但沒用于數據傳輸，這些閑置的資源也不能為其他業務使用，導

致了頻譜的非有效利用。未來的移動應用將要求所提供頻譜的有效利用，以及具

有控制極端非對稱數據流量的能力。TD-SCDMA十分適合這些要求，被視為3G業務

理想技術（見圖2）。

圖2　不成對頻段與成對頻段

　　3.集成TDMA/TDD和CDMA的操作

　　除了TDMA/TDD規格，TD-SCDMA使用CDMA（碼分多址）來進一步增加無線界面

的容量。根據CDMA，用戶的信息碼通過由CDMA的擴展碼產生的隨機碼（來自芯片

）來增加用戶數據的方式鋪在更寬廣的帶寬上。在每個時隙中，可傳輸最高達16

個數字的CDMA碼（CDMA的最大加載代理）。使用1.28Mc/s的芯片率，允許1.6MHz

的帶寬。根據其操作許可證，網絡運營商配置多TD-SCDMA1.6MHz的載波帶寬。每

個無線電資源設備因此被特殊的時隙和特殊載波頻率上的特別碼所確認。為了達

到高符碼率，TDMA/TDD支持變量擴展代理和多碼連接（見圖3）。

圖3　集成TDMA/TDD和CDMA的操作

三、聯合檢測

　　1.CDMA發射的問題和限制

　　移動無線電傳播受多反射、衍射和信號能量衰減的影響，起因包括諸如樓房

、山等普通障礙物，以及終端的移動性。其結果被稱為多徑傳播，產生兩種不同

的衰落：慢衰落和快衰落?？焖ヂ浒l生在不同延遲路徑幾乎在同一瞬間到達的時

候，甚至接收機移動了短距離，也會發生信號的終止。慢衰落主要產生于漸變過

程，信號能量通過明確的可識別時間瞬間到達接收機。

　　此外，這些信號的衰減相對于每一種移動通信都很普遍。CDMA傳輸因其“自

干擾”特性而受限。每個CDMA信號與所有其他信號在相同無線載波上是超載的，

而且接收的（寬帶）信號可能比熱噪音要低（圖4a）。相關的接收器（匹配的過

濾相關器）用來去擴展和接收原始用戶的信號。理想的相關檢測，將依靠擴展代

理（相關增益）從干擾增殖中提高請求用戶信號。不同碼的正交性將保證請求信

號的正確檢測。

　　2.多接入干擾

　　CDMA系統的實際接收的擴展碼并不是完全地正交，相關的處理不能如此有效

。結果，多接入干擾（MCI）就在接收機里產生了：請求信號沒有有效地從干擾

用戶中區分出來。不容易從MAI里顯現出來的受檢測信號相對于噪聲來說要低（

圖4b）。多接入干擾使每個無線載波的通信流量受限。

圖4　聯合檢測

　　3.聯合檢測設備

　　一個有效的消除MAI的方法是在匹配過濾相關器的后面使用聯合檢測設備，

這是一個擴展所有CDMA信號為并行的經過優化的多用戶檢測接收機。TD-SCDMA技

術允許聯合檢測接收設備補充在基站和手機里。每個時隙里的特殊訓練序列允許

接收機評估無線信道的參數。使用特殊的算法，DSP將所有CDMA碼擴展成并行，

并去除由內在CDMA碼造成的干擾（MAI），從而為CDMA碼準備了一條清晰的信號

（圖4c）。

四、智能天線

　　使用全向天線，發射無線功率分發至整個蜂窩區。結果，使用相同的射頻載

波，蜂窩間的交擾產生于所有臨近蜂窩區。為了進一步改善系統抗干擾的突發性

，TD-SCDMA基站裝備了智能天線，該天線利用了波束賦形概念。另外，智能天線

通過特殊的終端直接發射和接收信號，改善了基站接收機方向增益的靈敏性，增

加了終端的接收功率，并降低了蜂窩區間和內部間的干擾。TD-SCDMA配置的智能

天線技術不是傳統的差異波交換天線，而是更先進的波束賦形（以及波束控制）

雙向自適應天線陣列。基站和手機間的各自的方向性由一個可編程的相關電子調

相和調幅的8天線元件同中心陣列獲得。終端跟蹤由每秒200次的間隔5ms的測量

到達的快角度所完成（見圖5），并可低成本地提供基于位置的業務。

圖5　智能天線

五、動態信道分配

　　蜂窩間界面的進一步優化由動態信道分配（DCA）獲得。先進的TD-SCDMA無

線界面充分利用了所有可提供多址技術的優勢：TDMA（時分多址）、FDMA（頻分

多址）、CDMA（碼分多址）和SDMA（空分多址）。充分地最佳使用了這些技術，

TD-SCDMA依據界面方案提供了理想的和適應性的無線資源分配，使蜂窩間干擾最

小化。

　　使用DCA的三種不同方式

　　（1）時間域DCA（TDMA操作），通信量動態地分配至最小干擾的時隙里。
　　（2）頻率域DCA（FDMA操作），通信量動態地分配至最小干擾的無線載波（

在5MHz頻段上可提供3個1.6MHz載波）。
　　（3）空間域CDA（SDMA操作）：自適應智能天線選擇最合適的方向以單一用

戶方式來解除這種組合。
　　（4）編碼域CDA（CDMA操作）：通信量隨機地分配至最少干擾的編碼（見圖

6）。

圖6　動態信道分配

六、終端同步

　　像所有的TDMA系統（GSM包括在內）一樣，TD-SCDMA需要手機和基站之間的

精確同步。這一同步因用戶的移動性而更加復雜，這是因為他們相對基站的距離

在變化，他們的信號的傳播時間也在不斷變化。預先置于手機里的精確的計時在

傳輸中消除了上述變化的時間延遲。為了補充這些延時，避免鄰近時隙的干擾，

手機預先在接收和發射間設有時間補償，這樣使得到達幀可在基站同步（見圖7

）。

圖7　終端同步

　　信號到達基站的這一精確同步的效果，使多用戶的聯合檢測得到了極大的改

善。同步配置提供了優于異步的許多優點。首先，終端的可跟蹤性得到改善，定

位時間的計算明顯地降低了。此外，在同步系統中，手機在不能自動接收或發射

時，能夠進行相鄰基站無線鏈接質量的性能測量。這樣就降低了交付尋找的尋找

時間，并在鄰近時間里產生極大的改善。正因為同步，TD-SCDMA不需依靠軟交付

在蜂窩邊緣來改善覆蓋和降低干擾。