5G

TD-SCDMA技术发展历程

作者:李世鹤来源:中国电子报发布时间:2008-07-10 13:46我要评论

 
大唐移动通信设备有限公司 李世鹤


 


摘要


作为我国对国际上第三代移动通信的贡献,我国提出的TD-SCDMA RTT建议,通过完善和融合,已经成为ITU IMT_RSPC (TG-8/1输出文件) 的一个组成部分。20003月,在3GPP内实现了CDMA TDD标准的集成,形成国际上统一的TDD标准。在本文中,将对此技术的缘起和发展历程作一个简单的介绍。事实证明,通过20余年改革开放的中国人完全有能力在高科技领域内有所发明创新,能够形成具有自主知识产权的完整技术和产业链,能够装备我国的现代移动通信网。


一、前言


我国现在有世界上最大的移动通信网,并且仍然以每月超过600万用户的速度在增加。目前,我国移动通信用户已经超过5亿,我国已经是一个移动通信大国。另一方面,第三代移动通信,特别是TD-SCDMA在我国的商用也日益逼近。在本文中,将对TD-SCDMA系统的特点和技术进行简单的介绍,并对第三代移动通信向前演进的技术问题进行探讨。


二、TD-SCDMA技术的缘起


第三代移动通信不是凭空出现的,它是近20年来现代移动通信技术和实践的总结和发展。在1985ITU TG8/1成立,开始考虑21世纪的移动通信技术和标准时,全世界仅仅拥有几十万用户、昂贵的第一代模拟移动通信技术和系统,绝大多数人都预想不到移动通信在下一世纪将成为通信领域中的主体。从1996年起,正式确认使用IMT-2000这个名称,至1997年确定了基本要求和征求RTT建议起,第三代移动通信才逐渐为多数人所了解,才进入了制定和完成国际标准的快车道,成为国际经济和技术竞争的一个重要舞台。


到现在,第三代移动通信系统的情况已经明确了。第三代移动通信将由卫星移动通信网和地面移动通信网所组成。它们将形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络,满足城市和偏远地区各种用户密度的通信,是支持话音、数据和多媒体业务的、先进的、智能化的移动通信网,基本实现人类个人通信的理想。


3G中,主要是陆地移动通信系统。ITU对第三代陆地移动通信系统的基本要求是:在三种环境 (室内、手持机及移动环境) 下,支持话音和各种多媒体的数据 (高达2Mbps) 业务,实现高质量、高频谱利用率及低成本的无线传输技术以及全球兼容的核心网络。而表征移动通信技术的核心是其无线传输技术 (RTT),它也是区分各种标准,确立知识产权的主要部分。


 


 



1  第三代移动通信网络示意图


如图1所示,它由核心网、无线接入网和用户终端所构成。在核心网络方面,不能离开历史和现状,主要是基于第二代移动通信中的两种网络基础:基于MAPGSM网络和基于IS-41CDMA网络,形成了两套网络标准。而在无线传输技术方面,则主要分为频分双工 (FDD) 和时分双工 (TDD) 两大类。


TD-SCDMA是时分双工的CDMA系统,时分双工技术是上世纪80年代后才在移动通信网中使用的,其优点我们将在后面的篇幅中说明,这里,将对此技术的起缘作一个简单的介绍。从上世纪90年代初起,我们就在下面几方面积极工作:


我国863计划的个人通信专题开始了数字公众无绳电话项目的研究,对使用TDMATDD系统有了基础。


电信科学技术研究院在上世纪90年代初期一直在寻求多种技术方面的突破,在CDMA技术上努力跟踪。


在此基础上,1994年夏天,当在美国学成的许广涵、陈卫博士提出在TDDCDMA系统中使用智能天线可以大大提高系统容量时,双方一拍即合,决定分别进行预研。到1995年中,此系统的初步框架形成,我们将它命名为SCDMA,得到邮电部科技司和国家计委科技司的支持,进入国家八五计划重点攻关项目,并组织合资的信威公司实施。1997年底,项目通过国家鉴定,并获得2000年国家科技进步一等奖。


1997ITU向全世界征求第三代移动通信无线传输技术的标准建议时,我国整体国力,包括经济实力、电信网络规模和科技实力都有了一定基础,也在邮电部科技司的领导下,谋求在国际标准上有所突破。19981月,在科技部、邮电部等部委组织的香山会议上,我们提出基于SCDMA技术的建议“TD-SCDMA”。虽然有争议,但当时在邮电部科技委的强烈支持下,决定用半年时间,完善此建议,并有可能向ITU提出。此技术的初稿一经在国际上出现,就受到西门子等国际大公司的关心。至建议提出,在审核和融合的过程中,又吸收了国际上的先进技术,如使用GSM中已经使用的中间码联合检测技术,使系统性能进一步提高。


三、TD-SCDMA技术的主要创新


关于TD-SCDMA系统的主要技术及其优点已经在很多书籍和文章中多次介绍了,在此不再重复。此系统的主要创新,或者说我们持有的主要知识产权集中在如下方面:


具有智能天线的TDD的多时隙码分多址系统,其核心技术又在于:


——同时使用码分、时分和频分多址复用,给无线资源管理带来更多自由度;


——用软件实现同步CDMA,使系统信号处理简化;


——TDD可以使用不成对的频谱资源;特别适用于上下行不对称,具有不同数据传输速率的业务;对称的电波传播特性使之便于使用诸如智能天线等新技术;


——TDD系统是适用于高速移动环境下的技术,即适用于现在TD-SCDMA系统已经能够在陆地上可能实现的最高速度:在磁悬浮列车上正常工作,达到ITU对陆地移动通信的高速移动环境要求;


——TDD系统支持大半径小区的技术,现在,TD-SCDMA系统已经在青岛海面和珠江口实现了覆盖半径超过30km的小区。


独特的帧结构,除多业务时隙外,设计了上下行导引时隙及保护时隙,便于实现上行同步和随机接入;


智能天线技术,包括在TDD系统中使用和实现方法:


——环行及线形智能天线阵的设计方法;


——智能天线的校准方法;


——上下行波束赋形方法;


——分布式智能天线,将智能天线的系统使用于室内覆盖。


在智能天线的基础上使用联合检测技术,克服了本小区及邻近小区的干扰,解决了同时满足全部码道同时工作,达到最高的频谱利用率 (与其他3G系统比较)


简单又有效的无线资源管理技术,解决了码分多址系统中复杂的干扰统计和分析,使接入控制等算法大大简化;下行功率控制及DCA更为有效。


同频组网技术,对扩频系数比较小的CDMA系统要实现同频组网又不损伤容量,其核心问题是抑制邻近小区的干扰。试验网证明:TD-SCDMA系统已经可以实现单载波及多载波的同频组网。


以上情况说明,移动通信已经使以FDD为主流的传统论点受到挑战,TDD系统在第三代移动通信中的位置已不可动摇。换句话说,FDD系统能够做到的TD-SCDMA系统也能做到,而FDD系统难以实现的,如上下行不对称业务等,TD-SCDMA系统也能够实现。


四、TD-SCDMA技术发展方向


根据几年来3G应用和标准化的进程,在未来十年间,第三代移动通信向4G演进的路径已经比较清晰了。如图2所示,3G的发展,包括TD-SCDMA的发展可能至少分为如下三个阶段:


3G阶段,现在至2010年。目前,均是用3GPP R4标准建设网络,并立即要升级到R5,支持高速下行业务 (HSDPA),每终端的峰值传输速率达到2Mbps或者更高一些。从标准上,R6 (HSUPA)R7 (HSPA+) 均已完成,国外已开始使用HSUPA。从R7开始,已经将网络扁平化、IP化包含在内。以上标准都包括TDD (TD-SCDMA) 部分,从这方面来说,TD-SCDMA将和3GPP标准化一起演进,路径是非常清楚的。我们需要研究的仅仅是,是否每一步都必须走还是可以跳越式发展的问题。对此,下面还将讨论。


LTE阶段,2010年-2015年。国际上已经看到,要进一步提高峰值数据传输速率,从多址方式上必须从CDMA演进到OFDM。因而,从两三年前,就开始讨论如何将第三代移动通信的标准进行演进。对TD-SCDMA来说,就是在现有帧结构上将CDMA改为OFDM,并且考虑增加每载波的带宽,将智能天线和MIMO技术相结合,可达到或超过100Mbps的峰值传输能力。TDD LTE的标准将在今年确定。


4G(IMT Advance)阶段。国际电联 (ITU) 将于2008年来征集4G的无线传输技术的建议,并希望在2010年以后完成标准,并逐步开始技术研发工作。4G要求峰值传输速率达到1Gbps以上,提供更高速率的多媒体业务。我们相信,未来的无线传输技术必定有TDD的部分,TD-SCDMA必然要演进到更高速率和更好的性能。不过目前更多地讨论还没有定论的未来是没有必要的。




2  3G4G的演进路标


为促进产业的发展,应立即按R4R5标准大规模建设TD-SCDMA第三代移动通信网络并提供服务。对现有GSM网络扩容时使用TD-SCDMA,尽可能在现有GSM基站的站址增加TD-SCDMA基站。使用TD-SCDMA/GSM双频双模用户终端,这些初期的3G用户在TD-SCDMA基站覆盖区内可以享受3G服务。在覆盖区域以外,则使用GSM工作。显然,此初期系统用户在享受3G服务时,GSM网络的功能将不受影响。


用此方式,可以在GSM系统网络扩容时实现更低的投入,不仅扩大了容量,在用户密集的地区为用户提供了移动通信服务,解决了频谱资源不足造成的容量问题,同时,还为最急需的地区提供了第三代移动通信的业务,也为以后统一向3G过渡打下了基础。


到这一步,第三代移动通信的覆盖范围可能逐步达到城市一级,在大城市将有几千到上万个第三代的基站,系统将支持TD-SCDMAGSM之间的自动越区切换。当然,还没有达到全国和全球覆盖,在3G没有覆盖的地方还依靠GSM系统。


尔后,根据市场的发展,进一步扩大网络覆盖的范围和深度。


五、小结


根据以上分析,我们不难得到如下结论:


1.第三代移动通信标准 (IMT-RSPC) 是全世界各国十余年合作和艰苦工作的结晶,是现代无线通信技术发展的反映,对今后十余年全世界无线通信的发展将起重要的指导作用。


2.在过去十年间,我国第一次大规模地积极参加了制定和评估第三代移动通信技术和标准的工作,在制定IMT-RSPC中作出了重大贡献。我国提出的TD-SCDMA建议,经过艰苦努力和国际合作,成为IMT_RSPC的组成部分,是一次重大的突破,它将对我国和国际上第三代移动通信的发展产生重大影响。


3.在第三代移动通信技术中,TDD模式的无线传输技术在频谱灵活性、提供不对称业务和低价格等方面的优势已被国际上认可。在提供移动数据业务,特别是IP型业务方面的优势,使TDD模式的系统在城市及其郊区有巨大的竞争力。


4.我国提出的TD-SCDMA技术,作为一个完整的系统来设计,又采用了智能天线等先进技术,在技术上被公认有明显优势。根据此标准所开发的设备可以达到提供高频谱利用率、灵活和低成本的目标,在市场上将具有更强的竞争能力。


5.未来几年间,在第二代移动通信网中用户密集地区或者数据和多媒体业务需求量大的地区 (大中城市主要地区),依托第二代移动通信网开通第三代移动通信业务,如果主要以TD-SCDMA的系统为主,使用双频双模终端,将会收到巨大的经济效益,是平稳地向第三代移动通信过渡的最佳方式。


6 .在向后3G的发展过程中,我们可以跨越HSPA+阶段,从R5直接发展到LTE,为大大提高数据速率,为移动多媒体业务的开展打下基础。

责任编辑:电子信息产业网
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