基于多載頻技術(shù)的TD-SCDMA標準演進

TD-SCDMA標準的形成

　　TD-SCDMA作為具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代移動通信標準，在我國的通信發(fā)展史上具有重要的意義。1999年TD-SCDMA標準以其具備的技術(shù)優(yōu)勢被ITU采納，作為ITU認可的第三代移動通信無線傳輸技術(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作為一個國際標準，被眾多的業(yè)界通信制造商和運營商所接受，并為以后的市場化打開了局面。

　　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標準劃分了總計155MHz的非對稱頻段，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通信技術(shù)的TD-SCDMA系列行業(yè)標準，為TD-SCDMA的商業(yè)運營奠定了良好的基礎(chǔ)。近年來，TD-SCDMA的后續(xù)增強和演進技術(shù)一直在業(yè)界進行研究和完善，并以標準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。

　　TD-SCDMA技術(shù)詮釋

　　在3GPP Release 4的接入技術(shù)中，引入了具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的TD-SCDMA標準，由于該標準使用的是時分雙工，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的時分雙工模式，還綜合了多種接入技術(shù)：TDMA（時分多址）、CDMA（碼分多址）、FDMA（頻分多址）和SCDMA（空分多址）的特點，并能夠支持國際電聯(lián)在承載業(yè)務(wù)能力和不同無線傳播環(huán)境方面對第三代移動通信系統(tǒng)的要求。此外TD-SCDMA還采用了智能天線、聯(lián)合檢測、同步CDMA等先進的關(guān)鍵無線技術(shù)，在頻譜利用率和不對稱業(yè)務(wù)的支持等方面，具有比較突出的優(yōu)勢。

　　作為一個時分雙工的系統(tǒng)，TD-SCDMA空中接口的上行和下行工作在同一頻率的不同時隙上，1.6MHz的帶寬相對使用5MHz*2成對帶寬的FDD（即WCDMA）和5MHz帶寬的3.84Mcps TDD來說，具有更高的靈活性。通過上下行時隙數(shù)量的靈活配置，它能夠很好的支持非對稱業(yè)務(wù)。作為一個獨立的移動通信系統(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。

　　從制定標準的角度講，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。因此在高層的信令和接口協(xié)議中，對一些字段和參數(shù)做了相應(yīng)的增加、修改或者擴展，來適應(yīng)對物理層的支持。

　　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)、同步機制等方面，TD-SCDMA有其自身的特點。

　　TD-SCDMA的無線幀周期為10ms，一個無線幀周期被分成2個相同的5ms的子幀。每一個無線幀，被分為7個業(yè)務(wù)時隙和3個特殊時隙： DwPTS（下行導頻時隙），GP（保護間隔）和UpPTS（上行導頻時隙）。之所以要劃分出2個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。

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

　　物理層過程中，最主要的不同點在于TD-SCDMA采用上行同步，和3.84 Mcps TDD中采用的由高層執(zhí)行的定時提前的同步方式不同。由于減少了高層的參與，實現(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

　　為了能夠更好地滿足無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的急劇增加對網(wǎng)絡(luò)性能帶來的需求，3GPP Release 5引入了一項重要的增強技術(shù)——HSDPA（全稱為高速下行分組接入）。它采用共享的下行信道進行數(shù)據(jù)傳輸，可以達到更高的數(shù)據(jù)吞吐量，它適合于瞬時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延，特別適合如視頻點播、網(wǎng)上沖浪等各種上下行不對稱的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

    HSDPA中采用了AMC（自適應(yīng)調(diào)制編碼）、HARQ（混合自動重傳請求）等增強技術(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制實現(xiàn)多種編碼速率。AMC在物理層實現(xiàn)了鏈路的自適應(yīng)功能：下行的發(fā)送機制（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發(fā)送時間間隔（TTI）進行實時的改變。而另一個主要特征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新的實體——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。作為一個時間共享的傳輸信道，它被映射到一個新定義物理下行數(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)。對于TD-SCDMA系統(tǒng)，承載HS-DSCH的HS-PDSCH的擴頻因子可以使用 SF16或SF1，多條HS-PDSCH可以采用碼復用的方式用于多個UE，也可以給具有多碼能力的一個UE使用。在時域上，TD-SCDMA的傳輸時間間隔為5ms。

　　HS-SCCH來發(fā)送HS-DSCH信道的控制信息。當UE要接收數(shù)據(jù)時，會先到HS-SCCH來監(jiān)聽在下一個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個時隙。HS-SCCH攜帶該每一個HS-DSCH TTI相關(guān)的下行信令，包括UE的唯一標識；傳輸格式和資源信息（TFRI）；HARQ指示：指示UE當前數(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個時隙的定時關(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測量并上報接收的數(shù)據(jù)質(zhì)量，NodeB根據(jù)反饋合理調(diào)整無線資源來實現(xiàn)對共享信道的快速調(diào)度和數(shù)據(jù)傳輸。

　　N頻點的多載頻技術(shù)

　　TD-SCDMA在3GPP R4中完成的技術(shù)方案，是一個單載頻的技術(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。為了更好的擴充TD- SCDMA的系統(tǒng)能力，更好的滿足不斷增長的市場需求，對于TD-SCDMA多載頻技術(shù)的研究在2005-2006年成為一個熱點。在技術(shù)研究和外場實驗中發(fā)現(xiàn)，位于TSO時隙的全向發(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)的一個難點和重點。

　　主要的技術(shù)特征

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

　　和傳統(tǒng)多載波技術(shù)不同的是，這多個載頻同屬于一個小區(qū)，共享公共的資源和信道。每個小區(qū)中，僅在一個載頻上發(fā)送DwPTS和廣播信息，在公共廣播中發(fā)送多個頻點的資源信息。針對每個小區(qū)，從分配到的n個頻點中確定一個作為主載頻，其他的作為輔載頻。在同一個小區(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。對支持多頻點的小區(qū)，有且僅有一個主載頻。主載頻和輔載頻使用相同的擾碼和基本 Midamble碼。

　　對于每個小區(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，有待進一步研究。業(yè)務(wù)的多時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?？紤]到設(shè)備可實現(xiàn)性，主載波和輔載波的時隙轉(zhuǎn)換點建議配置為相同。

　　對標準的影響

　　引入N頻點技術(shù)方案會對原有的單載波技術(shù)標準帶來一定的修訂。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。

　　對于Uu接口，需要通知UE有關(guān)的多個載頻的信息，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。 

    對于Iub接口，需要增加RNC對NB多個載頻的資源管理功能。一方面類似于Uu接口，需要針對業(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)的頻點配置信息。另一方面，需要在維護管理過程中，增加對主載頻和輔載頻的頻點和時隙配置信息，和RNC對輔載頻的靈活建立刪除和修改的能力。

　　目前中國通信標準化協(xié)會（CCSA）已經(jīng)在TD-SCDMA行業(yè)標準中完成了有關(guān)N頻點多載頻方案制定，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，能夠在N頻點網(wǎng)絡(luò)中正常使用。

　　簡而言之，N頻點的多載頻技術(shù)方案，就是在業(yè)務(wù)時隙采用同頻組網(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，保證了頻譜利用率，并有效降低了系統(tǒng)TSO時隙的同頻干擾，提高了廣播信道的載干比，降低了手機下行解調(diào)能力要求，加快了UE的小區(qū)搜索過程。同時，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)過實際的外場試驗證明，N頻點技術(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)，不論是從市場發(fā)展還是技術(shù)競爭力的需要，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)標準表述一致，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頻點技術(shù)基礎(chǔ)上的增強。在兼容N頻點行標的前提下，多載波HSDPA技術(shù)中的多個載波就是N頻點小區(qū)中的多個載波；每個載波可單獨用于HSDPA，也可以同時用于專用信道。

　　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)中的多個載波上。每個載波上的HS- DPSCH物理信道可以為多個用戶以時分或者碼分方式共享，每個用戶也可同時分配多個載波上的HS-PDSHC物理信道資源，但要求資源占用的多個載波連續(xù)。當數(shù)據(jù)僅在一個載波上傳輸時，其機制和單載波HSDPA基本相同。如果數(shù)據(jù)要在多個載波上傳送，就需要MAC-hs把數(shù)據(jù)流分配到不同的載波，而對于 UE，則需要有同時接收多個載波數(shù)據(jù)的能力，各個載波獨立接收后，再由MAC-hs進行合并。而在每個載波上，物理層的處理和單載波HSDPA相同。在每個用戶的HARQ功能實體中，為每個載波建立獨立的HARQ子實體，每個子實體中建立HARQ進程，每個進程獨立按照單載波技術(shù)的要求，進行各數(shù)據(jù)的反饋重傳請求（HAQR）處理。

　　控制和反饋方面，每個載波各自具有至少一對HS-SCCH/HS-SICH，對該載波的HS-DSCH資源進行獨立控制和反饋，同時對每個多載波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放在一個載波上發(fā)送，以便實現(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成對放在相應(yīng)的載波上，伴隨的DPCH信道也放在其中的一個載波上。這樣可以根據(jù)UE的能力，選擇相應(yīng)的方式進行交互和控制。

　　標準化工作

　　TD-SCDMA多載波HSDPA方案，在CCSA中進行標準化工作。從2005年來，經(jīng)過業(yè)界各廠家的研究討論和評估，逐步確定了多載波 HSDPA的技術(shù)方案和標準修訂內(nèi)容。2006年8月，多載波HSDPA標準在CCSA TC5WG9#1次會議上正式立項，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)進入報批階段。

　　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每個載波較窄，絕對吞吐量較低的缺點，在10MHz的帶寬內(nèi)，可以獲得12Mbps以上的峰值吞吐量，為TD- SCDMA不斷滿足日益增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的市場需求帶來了良好的前景。