基于多載頻技術(shù)的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的形成

　　TD-SCDMA作為具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，在我國(guó)的通信發(fā)展史上具有重要的意義。1999年TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)以其具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)被ITU采納，作為ITU認(rèn)可的第三代移動(dòng)通信無線傳輸技術(shù)之一，列入ITU-R M.1457。在2001年3月，TD-SCDMA被正式列入3GPP關(guān)于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范，包含在Release 4版本中，這表明TD-SCDMA作為一個(gè)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，被眾多的業(yè)界通信制造商和運(yùn)營(yíng)商所接受，并為以后的市場(chǎng)化打開了局面。

　　2002年10月23日，信息產(chǎn)業(yè)部公布TD-SCDMA頻譜規(guī)劃，為TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)劃分了總計(jì)155MHz的非對(duì)稱頻段，這一豐富的頻率資源，為TD-SCDMA的發(fā)展提供了更為充分的條件。2006年1月20日，信息產(chǎn)業(yè)部正式頒布了作為第三移動(dòng)通信技術(shù)的TD-SCDMA系列行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，為TD-SCDMA的商業(yè)運(yùn)營(yíng)奠定了良好的基礎(chǔ)。近年來，TD-SCDMA的后續(xù)增強(qiáng)和演進(jìn)技術(shù)一直在業(yè)界進(jìn)行研究和完善，并以標(biāo)準(zhǔn)的形式逐步得以確立，形成了比較完整的TD-SCDMA技術(shù)發(fā)展路標(biāo)。

　　TD-SCDMA技術(shù)詮釋

　　在3GPP Release 4的接入技術(shù)中，引入了具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)，由于該標(biāo)準(zhǔn)使用的是時(shí)分雙工，碼片速率是1.28 Mcps，相比3.84Mcps TDD的速率較低，被稱為“Low Chip Rate TDD”（LCR TDD）。

　　TD-SCDMA不僅采用了TDD的時(shí)分雙工模式，還綜合了多種接入技術(shù)：TDMA（時(shí)分多址）、CDMA（碼分多址）、FDMA（頻分多址）和SCDMA（空分多址）的特點(diǎn)，并能夠支持國(guó)際電聯(lián)在承載業(yè)務(wù)能力和不同無線傳播環(huán)境方面對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的要求。此外TD-SCDMA還采用了智能天線、聯(lián)合檢測(cè)、同步CDMA等先進(jìn)的關(guān)鍵無線技術(shù)，在頻譜利用率和不對(duì)稱業(yè)務(wù)的支持等方面，具有比較突出的優(yōu)勢(shì)。

　　作為一個(gè)時(shí)分雙工的系統(tǒng)，TD-SCDMA空中接口的上行和下行工作在同一頻率的不同時(shí)隙上，1.6MHz的帶寬相對(duì)使用5MHz*2成對(duì)帶寬的FDD（即WCDMA）和5MHz帶寬的3.84Mcps TDD來說，具有更高的靈活性。通過上下行時(shí)隙數(shù)量的靈活配置，它能夠很好的支持非對(duì)稱業(yè)務(wù)。作為一個(gè)獨(dú)立的移動(dòng)通信系統(tǒng)，它還可以支持與GSM、 WCDMA或3.84Mcps TDD系統(tǒng)之間的切換和漫游。

　　從制定標(biāo)準(zhǔn)的角度講，TD-SCDMA最大程度地和3.84Mcps TDD技術(shù)保持了共同性。在空中接口的高層協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)設(shè)施方面，TD-SCDMA都和其他模式保持了盡可能的相同。但在物理層結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù)方面，TD- SCDMA卻有著自己的特點(diǎn)。因此在高層的信令和接口協(xié)議中，對(duì)一些字段和參數(shù)做了相應(yīng)的增加、修改或者擴(kuò)展，來適應(yīng)對(duì)物理層的支持。

　　物理層是TD-SCDMA最具有特色的地方，在空中接口物理層的幀結(jié)構(gòu)、同步機(jī)制等方面，TD-SCDMA有其自身的特點(diǎn)。

　　TD-SCDMA的無線幀周期為10ms，一個(gè)無線幀周期被分成2個(gè)相同的5ms的子幀。每一個(gè)無線幀，被分為7個(gè)業(yè)務(wù)時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙： DwPTS（下行導(dǎo)頻時(shí)隙），GP（保護(hù)間隔）和UpPTS（上行導(dǎo)頻時(shí)隙）。之所以要?jiǎng)澐殖?個(gè)5ms的子幀，主要是為了用來滿足空中接口快速功率控制（每秒最大200次）和智能天線的波束賦型的需要。

　　事實(shí)上，由于傳播時(shí)延的影響，上下行之間的切換可能會(huì)帶來干擾。這種干擾決定了小區(qū)的大小。通過“DwPTS（下行導(dǎo)頻）□GP（保護(hù)間隙） □UpPTS（上行導(dǎo)頻）”的結(jié)構(gòu)，上行和下行時(shí)隙間有了適當(dāng)?shù)拈g隔，相互間的干擾很大程度上得到了避免，同時(shí)GP的長(zhǎng)度也決定了小區(qū)的覆蓋半徑，理論上最大半徑可以達(dá)到11.25公里。

　　物理層過程中，最主要的不同點(diǎn)在于TD-SCDMA采用上行同步，和3.84 Mcps TDD中采用的由高層執(zhí)行的定時(shí)提前的同步方式不同。由于減少了高層的參與，實(shí)現(xiàn)更為有效和直接。另外每秒200次的快速閉環(huán)功率控制用來減小干擾，抵抗深衰落。

　　TD-SCDMA HSDPA演進(jìn)

　　為了能夠更好地滿足無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的急劇增加對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能帶來的需求，3GPP Release 5引入了一項(xiàng)重要的增強(qiáng)技術(shù)——HSDPA（全稱為高速下行分組接入）。它采用共享的下行信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以達(dá)到更高的數(shù)據(jù)吞吐量，它適合于瞬時(shí)下行速率要求較高的高突發(fā)性業(yè)務(wù)，并能有效降低數(shù)據(jù)重傳的程度和傳輸時(shí)延，特別適合如視頻點(diǎn)播、網(wǎng)上沖浪等各種上下行不對(duì)稱的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

    HSDPA中采用了AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼）、HARQ（混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求）等增強(qiáng)技術(shù)提高下行的吞吐量。HSDPA的調(diào)制方式采用QPSK和 16QAM，并使用更靈活的速率匹配機(jī)制實(shí)現(xiàn)多種編碼速率。AMC在物理層實(shí)現(xiàn)了鏈路的自適應(yīng)功能：下行的發(fā)送機(jī)制（包括調(diào)制方式、編碼速率等等）將根據(jù)無線鏈路的條件在每一個(gè)發(fā)送時(shí)間間隔（TTI）進(jìn)行實(shí)時(shí)的改變。而另一個(gè)主要特征HARQ和相應(yīng)的HSDPA調(diào)度功能，則是在媒體接入控制層（MAC）完成。在UMTS無線接入網(wǎng)，這些功能都被包含在一個(gè)新的實(shí)體——MAC-hs。MAC-hs位于UE和NodeB，因此HSPDA的重傳、調(diào)度都是由基站來完成的。由于減少了Iub接口的消息過程和RNC的參與，重傳的時(shí)延被縮短、效率得到提高。 

　　3GPP Release 5也制定了TD-SCDMA的HSDPA技術(shù)規(guī)范，下行方向上定義了高速下行共享信道（HS-DSCH）完成高速的下行數(shù)據(jù)傳輸。作為一個(gè)時(shí)間共享的傳輸信道，它被映射到一個(gè)新定義物理下行數(shù)據(jù)信道——高速物理下行共享信道（HS-PDSCH）。和HS-DSCH相關(guān)的兩個(gè)物理層的共享控制信道：下行的 HS-SCCH和上行的HS-SICH，也在規(guī)范中定義，通過這兩個(gè)控制信道的配合，完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈]環(huán)控制。

　　下行HS-DSCH信道用于承載高速共享信道的數(shù)據(jù)。對(duì)于TD-SCDMA系統(tǒng)，承載HS-DSCH的HS-PDSCH的擴(kuò)頻因子可以使用 SF16或SF1，多條HS-PDSCH可以采用碼復(fù)用的方式用于多個(gè)UE，也可以給具有多碼能力的一個(gè)UE使用。在時(shí)域上，TD-SCDMA的傳輸時(shí)間間隔為5ms。

　　HS-SCCH來發(fā)送HS-DSCH信道的控制信息。當(dāng)UE要接收數(shù)據(jù)時(shí)，會(huì)先到HS-SCCH來監(jiān)聽在下一個(gè)HS-DSCH TTI上是否是傳遞給自己的數(shù)據(jù)，HS-SCCH要比HS-DSCH提前最少2個(gè)時(shí)隙。HS-SCCH攜帶該每一個(gè)HS-DSCH TTI相關(guān)的下行信令，包括UE的唯一標(biāo)識(shí)；傳輸格式和資源信息（TFRI）；HARQ指示：指示UE當(dāng)前數(shù)據(jù)塊是否是傳送過的數(shù)據(jù)塊的重傳。

　　UE用高速共享信息信道（HS-SICH）來傳送HARQ的確認(rèn)信息和信道質(zhì)量，從而為NodeB的分組調(diào)度和重傳提供反饋。HS-SICH和關(guān)聯(lián)的HS-DSCH之間是最小8個(gè)時(shí)隙的定時(shí)關(guān)系。該信道由下行數(shù)據(jù)塊的接收響應(yīng)ACK/NAK和信道質(zhì)量指示（CQI）兩部分組成，共有8bit，3 條信道之間需要按照高層指定的時(shí)序關(guān)系，協(xié)同工作，從而完成高速可靠的下行數(shù)據(jù)傳輸。概括說來主要是依靠UE測(cè)量并上報(bào)接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量，NodeB根據(jù)反饋合理調(diào)整無線資源來實(shí)現(xiàn)對(duì)共享信道的快速調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸。

　　N頻點(diǎn)的多載頻技術(shù)

　　TD-SCDMA在3GPP R4中完成的技術(shù)方案，是一個(gè)單載頻的技術(shù)方案。由于TD-SCDMA的單載頻帶寬為1.6MHz，系統(tǒng)的整體容量受到限制。為了更好的擴(kuò)充TD- SCDMA的系統(tǒng)能力，更好的滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求，對(duì)于TD-SCDMA多載頻技術(shù)的研究在2005-2006年成為一個(gè)熱點(diǎn)。在技術(shù)研究和外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，位于TSO時(shí)隙的全向發(fā)射的P-CCPCH廣播信道，因無智能天線帶來的波束賦形增益，其性能需要著重考慮。如何有效降低P-CCPCH廣播信道的同頻干擾，提高信道的覆蓋能力，成為TD-SCDMA規(guī)模組網(wǎng)，特別是發(fā)展多載頻技術(shù)的一個(gè)難點(diǎn)和重點(diǎn)。

　　主要的技術(shù)特征

　　綜合考慮上述的因素，提出了TD-SCDMA N頻點(diǎn)技術(shù)的多載頻方案。即，每個(gè)TD-SCDMA小區(qū)可以配置多個(gè)載頻，稱為一個(gè)N頻點(diǎn)小區(qū)。如，在通常的5MHz的頻譜內(nèi)，可配置3個(gè)載頻。

　　和傳統(tǒng)多載波技術(shù)不同的是，這多個(gè)載頻同屬于一個(gè)小區(qū)，共享公共的資源和信道。每個(gè)小區(qū)中，僅在一個(gè)載頻上發(fā)送DwPTS和廣播信息，在公共廣播中發(fā)送多個(gè)頻點(diǎn)的資源信息。針對(duì)每個(gè)小區(qū)，從分配到的n個(gè)頻點(diǎn)中確定一個(gè)作為主載頻，其他的作為輔載頻。在同一個(gè)小區(qū)內(nèi)，僅在主載頻的TSO上全向發(fā)送 DwPTS和廣播信息（P-CCPCH），輔載頻的TSO不使用。對(duì)支持多頻點(diǎn)的小區(qū)，有且僅有一個(gè)主載頻。主載頻和輔載頻使用相同的擾碼和基本 Midamble碼。

　　對(duì)于每個(gè)小區(qū)的公共控制信道DwPTS、P-CCPCH、PICH、S-CCPCH、PRACH等規(guī)定僅配置在主載頻上，UpPCH、 FPACH在輔載頻上的使用可行性，有待進(jìn)一步研究。業(yè)務(wù)的多時(shí)隙配置限定在同一載頻上，同一用戶的上下行配置在同一載頻。考慮到設(shè)備可實(shí)現(xiàn)性，主載波和輔載波的時(shí)隙轉(zhuǎn)換點(diǎn)建議配置為相同。

　　對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的影響

　　引入N頻點(diǎn)技術(shù)方案會(huì)對(duì)原有的單載波技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)帶來一定的修訂。主要的影響體現(xiàn)在空中接口（Uu）和Iub接口的技術(shù)規(guī)范中。

　　對(duì)于Uu接口，需要通知UE有關(guān)的多個(gè)載頻的信息，使UE在小區(qū)搜索、業(yè)務(wù)建立和切換過程中，能夠獲知系統(tǒng)的多載頻配置和業(yè)務(wù)使用的載頻配置。 UE在主載頻的PRACH信道發(fā)起接入請(qǐng)求后，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的配置轉(zhuǎn)到輔載頻建立業(yè)務(wù)。在切換過程中，UE應(yīng)能在不同小區(qū)的主載頻和輔載頻之間切換。 

    對(duì)于Iub接口，需要增加RNC對(duì)NB多個(gè)載頻的資源管理功能。一方面類似于Uu接口，需要針對(duì)業(yè)務(wù)建立和切換過程，在相應(yīng)的信令消息中，增加相應(yīng)的頻點(diǎn)配置信息。另一方面，需要在維護(hù)管理過程中，增加對(duì)主載頻和輔載頻的頻點(diǎn)和時(shí)隙配置信息，和RNC對(duì)輔載頻的靈活建立刪除和修改的能力。

　　目前中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）已經(jīng)在TD-SCDMA行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中完成了有關(guān)N頻點(diǎn)多載頻方案制定，并在制定過程中，考慮了和單載波方案的兼容，保證了支持單載頻的TD-SCDMA手機(jī)，能夠在N頻點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中正常使用。

　　簡(jiǎn)而言之，N頻點(diǎn)的多載頻技術(shù)方案，就是在業(yè)務(wù)時(shí)隙采用同頻組網(wǎng)的方式，而在承載因全向發(fā)射而沒有波束賦形增益的廣播信道的TSO時(shí)隙，采取類似異頻組網(wǎng)的主-輔載波技術(shù)，在成倍提高TD-SCDMA的系統(tǒng)容量的同時(shí)，保證了頻譜利用率，并有效降低了系統(tǒng)TSO時(shí)隙的同頻干擾，提高了廣播信道的載干比，降低了手機(jī)下行解調(diào)能力要求，加快了UE的小區(qū)搜索過程。同時(shí)，也使得廣播信道的發(fā)射功率有了更大的余量，提高了小區(qū)的覆蓋能力。經(jīng)過實(shí)際的外場(chǎng)試驗(yàn)證明，N頻點(diǎn)技術(shù)應(yīng)作為TD-SCDMA組網(wǎng)的主要技術(shù)方案。

　　多載波HSDPA

　　在TD-SCDMA N頻點(diǎn)技術(shù)逐漸成為TD-SCDMA主要組網(wǎng)方案的條件下，如何將HSDPA和N頻點(diǎn)技術(shù)相結(jié)合，形成TD-SCDMA的多載波HSDPA技術(shù)，不論是從市場(chǎng)發(fā)展還是技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力的需要，都成為TD-SCDMA技術(shù)今后發(fā)展的迫切要求。

　　文中為了和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)表述一致，在本節(jié)均用“多載波”描述，和上節(jié)“多載頻”意義相同。

　　主要的技術(shù)特征

　　TD-SCDMA多載波HSDPA是在原有的單載波HSDPA方案和N頻點(diǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上的增強(qiáng)。在兼容N頻點(diǎn)行標(biāo)的前提下，多載波HSDPA技術(shù)中的多個(gè)載波就是N頻點(diǎn)小區(qū)中的多個(gè)載波；每個(gè)載波可單獨(dú)用于HSDPA，也可以同時(shí)用于專用信道。

　　和單載波HSDPA不同的是，HS-DPSCH和HS-SCCH和HS-SICH可以建立在多載波小區(qū)中的多個(gè)載波上。每個(gè)載波上的HS- DPSCH物理信道可以為多個(gè)用戶以時(shí)分或者碼分方式共享，每個(gè)用戶也可同時(shí)分配多個(gè)載波上的HS-PDSHC物理信道資源，但要求資源占用的多個(gè)載波連續(xù)。當(dāng)數(shù)據(jù)僅在一個(gè)載波上傳輸時(shí)，其機(jī)制和單載波HSDPA基本相同。如果數(shù)據(jù)要在多個(gè)載波上傳送，就需要MAC-hs把數(shù)據(jù)流分配到不同的載波，而對(duì)于 UE，則需要有同時(shí)接收多個(gè)載波數(shù)據(jù)的能力，各個(gè)載波獨(dú)立接收后，再由MAC-hs進(jìn)行合并。而在每個(gè)載波上，物理層的處理和單載波HSDPA相同。在每個(gè)用戶的HARQ功能實(shí)體中，為每個(gè)載波建立獨(dú)立的HARQ子實(shí)體，每個(gè)子實(shí)體中建立HARQ進(jìn)程，每個(gè)進(jìn)程獨(dú)立按照單載波技術(shù)的要求，進(jìn)行各數(shù)據(jù)的反饋重傳請(qǐng)求（HAQR）處理。

　　控制和反饋方面，每個(gè)載波各自具有至少一對(duì)HS-SCCH/HS-SICH，對(duì)該載波的HS-DSCH資源進(jìn)行獨(dú)立控制和反饋，同時(shí)對(duì)每個(gè)多載波UE，相應(yīng)的HS-SCCH/HS-SICH在載波上有兩種配置方式：1、單單方式。將同一UE的所有控制信道和其伴隨的DPCH放在一個(gè)載波上發(fā)送，以便實(shí)現(xiàn)UE上行鏈路的單載波發(fā)送；2、多多方式。HS-SCCH/HS-SICH和HS-PDSCH成對(duì)放在相應(yīng)的載波上，伴隨的DPCH信道也放在其中的一個(gè)載波上。這樣可以根據(jù)UE的能力，選擇相應(yīng)的方式進(jìn)行交互和控制。

　　標(biāo)準(zhǔn)化工作

　　TD-SCDMA多載波HSDPA方案，在CCSA中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作。從2005年來，經(jīng)過業(yè)界各廠家的研究討論和評(píng)估，逐步確定了多載波 HSDPA的技術(shù)方案和標(biāo)準(zhǔn)修訂內(nèi)容。2006年8月，多載波HSDPA標(biāo)準(zhǔn)在CCSA TC5WG9#1次會(huì)議上正式立項(xiàng)，2006年12月，相應(yīng)的設(shè)備技術(shù)要求和接口協(xié)議修訂方案也基本獲得通過，目前已經(jīng)進(jìn)入報(bào)批階段。

　　多載波的TD-SCDMA HSDPA技術(shù)，是單載波HSDPA技術(shù)的必要延伸和發(fā)展。在不改變每個(gè)載波的物理層基本技術(shù)框架的基礎(chǔ)上，通過使用N頻點(diǎn)技術(shù)，可以獲得N倍的單載波吞吐量，較好的克服了TD-SCDMA每個(gè)載波較窄，絕對(duì)吞吐量較低的缺點(diǎn)，在10MHz的帶寬內(nèi)，可以獲得12Mbps以上的峰值吞吐量，為TD- SCDMA不斷滿足日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的市場(chǎng)需求帶來了良好的前景。