浅析3G系统的频谱利用效率

辛轩　赵远飞
　　现有的移动通信系统都表现出对对称双工语音业务和相应的低比特率数据业务的良好支持特征。对于这些语音业务，每窄带的业务信道被占用的带宽是20-30KHz，通常整个频谱会被再分为固定数量的业务信道。毫无疑问，对称成对频带上的FDD（频分多址）运行模式适合于语音业务，因此可成为此类型移动通信系统的典型标准。然而，移动用户对高速数据处理能力日渐增长的需求，导致对3G数据传输速率的要求从8kit/s增长到2Mit/s，以实现带有多种应用的对称和非对称业务。

随着每个用户要求的频带和数据吞吐量的迅速增长，3G业务的对称和非对称业务的混合导致频谱分配和频谱管理发生相当大的变化。3G系统被要求支持尽可能高的频谱效率。然而，在满足用户需求的同时，还必须考虑运营商的投资和利润等经济问题。

TD-SCDMA通过处理基本的物理参数，达到了所有3G业务的最佳频谱利用率及其业务的灵活性，并且定义由频率-规则-管理分配所要求的频谱类型。

1.FDD模式不能实现综合最佳频谱利用率

在3G的对称语音业务和多媒体业务方面，上行链路和下行链路产生一个对称双工业务量负载。可是，由于从8kit/s的语音业务到384kit/s的不同的多媒体业务，每种业务所要求的业务信道的带宽都是不同的。因此，原先所定义的以每MHz的语音信道数量来衡量系统效率的概念一般应被更贴切和独立于所传业务的每MHz和每小区数据吞吐量，即频谱效率这一概念的代替。FDD的操作模式，由于上行链路和下行链路的业务负载的对称性，对称业务将在成对对称无线频谱上呈现出最佳的频谱利用率。

在3G的非对称包交换业务和互联网业务方面，人们看到，所有不对称的双工业务的典型特征是上行链路和下行链路中的业务量负载的不对称性，负载的大小取决于不同的业务类型。为了达到最佳频谱利用率，非对称业务要求每种业务都可灵活地利用频谱资源。然而，在一个固定的上/下行链路进行频率分配，想运用灵活的方法理想地实现频谱资源的有效利用是不可能的。最佳频域的频谱利用率是不能通过成对的频谱分配来实现的。因此，对对称频带上的FDD模式，在方便、灵活的适应性要求情况下，实现对称业务和非对称的上/下行链路业务并不是一个最佳的解决方案。

2.TD-SCDMA的总频谱利用率最高

对于实现对称和非对称业务的最佳频谱利用率的目标来说，实现灵活的、自适应的频谱分享是十分必要的。一些为克服FDD模式的缺点的研究工作已在进行。结果表明，在频域上，自适应的频谱分享将导致下列困难----系统自身干扰和引起EMC问题，也就是增加了系统的复杂性和整体费用。因此，TD-SCDMA的设计参照了TDD（时分双工）在不成对的频带上的时域模式。

TDD模式是基于在无线信道时域里的周期地重复TDMA帧结构实现的。这个帧结构被再分为几个时隙。在TDD模式下，可以方便地实现上/下行链路间的灵活切换。这一模式的突出的优势是，在上/下行链路间的时隙分配可以被一个灵活的转换点改变，以满足不同的业务要求。这样，运用TD-SCDMA这一技术，通过灵活地改变上/下行链路的转换点就可以实现所有3G对称和非对称业务。

对于FDD和TDD模式下的对称业务，它们的频谱利用率基本上是相等的。如果在成对的频谱上，对称的FDD模式业务的带宽为5MHz，那么，在成对的频谱中上/下链路的要求就为10MHz的总频谱。然而，对于在成对的频带上非对称FDD-互联网模式，也就是IP业务，是典型的满负荷下行链路和相对小的负荷的上行链路。这样，大多数上行链路频谱不能被利用。作为一种选择，灵活的非对称TDD-互联网模式极容易设立一个转换点，即大约80％的下行链路获得容量（约为50％的下行链路带宽），与此同时，上行链路的容量被减至20％。

上述情况表明，在FDD模式中由于增长的非对称业务量的关系，数据吞吐量有一个固有的下落。然而，TDD模式则在每种独立的业务中都呈现出满负荷的数据吞吐量。在非成对频谱中TDD模式的这种性能是系统固有的灵活时域上/下行链路的资源分配的结果。

据此，我们可以得出结论，在FDD系统中，由于其固定的上/下行链路分配，导致这个问题不能在频域中被彻底解决。而TD-SCDMA时域操作模式可自行解决所有对称和非对称业务以及任何混合业务的上/下行链路资源分配的问题。在时域TDD模式的系统中，对于频率规划管理来说，不成对频域更容易被分配和利用。由于中国建议的TD-SCDMA系统带有无线资源灵活时域分配的显著特点，因此对各种双工业务的全球无线业务发展都可以说是一个里程碑。

----《电信技术》