3G增强技术在TD-SCDMA中的应用及发展

摘要　简要介绍了TD-SCDMA系统及其特点，着重阐述了TD-SCDMA系统增强型技术HSDAP和HSUPA，最后分析了TD-SCDMA增强型技术的发展趋势。

1、TD-SCDMA系统及其特点

TD-SCDMA系统灵活地结合了TDMA和CDMA两种基本传输模式，采用了智能天线、多用户检测（JD）、正交可变扩频系数、Turbo编码技术、ODMA等技术。TD-SCDMA工作于2010～2025MHz，载波带宽1.6MHz，码片速率为1.28Mchips，最多能提供2Mbit/s的传输速率，其网络结构由无线接入网、核心网和用户设备三部分组成。TD-SCDMA系统技术的突出特点都集中在其无线接入网的无线传输技术中，其主要特点有：（1）采用TDD方式，通过灵活改变上/下行链路间的时隙分配可以实现3G对称和非对称业务，满足不同的业务要求；（2）采用智能天线，利用其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰，并通过更高的频率复用率提供了更高的上下行容量；（3）采用联合检测，把所有用户的信号当作有用信号加以利用，消除和减轻了多径多址干扰；（4）同步CDMA克服了异步CDMA多址技术由于移动终端发射的码道信号到达基站时间不同，造成码道非正交所带来的干扰问题，提高了TD-SCDMA系统容量和频谱利用率；（5）采用软件无线电，通过软件方式更加灵活地完成硬件的功能。

2、TD-SCDMA系统增强型技术

2.1　HSDPA技术

3G定义的2Mbit/s的峰值传输速率对于大部分现有的分组业务而言基本够用，然而对于许多对流量和迟延要求较高的数据业务，需要系统提供更高的传输速率和更短的时延。为了更好地发展数据业务，TD-SCDMA在R5中引入高速下行链路分组接入（HSDPA，High Speed Downlink Packet Access）技术，在现有技术的基础上使下行数据峰值速率有了很大的提高。

HSDPA通过采用自适应调制编码（AMC），混合自动请求重发（HARQ），快速调度等关键技术增加系统吞吐量，减少传输时延，提高峰值速率。AMC能够通过自适应地调整HS-DSCH信道传输数据的调制和编码方式。HARQ是通过发送冗余信息，改变编码速率来自适应信道条件，采用选择性重传和停止等待重传两种方式。HSDPA中的调度主要由Node B中新增的MAC-hs功能实体完成，其核心思想是合理分配共享资源（码字、功率），最大化资源的利用率。HSDPA的调度很大程度上决定AMC和HARQ的效率和性能。

HSDPA主要靠其专用信道HS-DSCH来承载高速业务，HS-DSCH对应的物理信道为HS-PDSCH。HS-DSCH采用QPSK或16QAM的调制方式，信道编码只采用卷积码，TTI（传输时间间隔）为2ms，不复用传输信道。为了支持HS-DSCH的操作，HSDPA在物理层引入了一个上行的HS-DSCH共享信息信道（HS-SCCH）和一个下行的HS-DSCH共享控制信道（HS-SICH），用于基站和UE控制信息的交互。HS-SCCH用于承载相关下行控制信息，传送从Node B到UE的下行信令，包括UE识别、HARQ相关的信息以及链路自适应机制所选择的HS-DSCH传输格式的参数。HS-SCCH扩频因子为16，调制方式为QPSK。HS-SICH用于反馈相关的上行信息，向Node B传递用于支持HARQ的ACK/NACK信令，同时它还传输用于链路自适应的信道质量指示（CQI，Channel Quality Indicator）。CQI用于指示当前信道的质量，Node B根据CQI决定下一次发送的传输格式。HS-SICH的扩频因子为16。

对于WCDMA系统，HSDPA理论峰值速率可达14.4Mbit/s，但是WCDMA系统如果要在10Mbit/s的带宽内提供HSDPA，须要求上下行的5Mbit/s带宽分别都是连续的，而对于每个载波宽度只有1.6MHz的TD-SCDMA系统，HSDPA理论峰值速率虽然只有2.8Mbit/s，但TD-SCDMA可以使用若干个分离的1.28M载波。如采用多载波HSDPA方案，TD-SCDMA理论峰值速率可以达到N×2.8Mbit/s（N为载波个数），在10Mbit/s带宽内能够达到的峰值速率大于WCDMA。此外，由于TD-SCDMA系统采用动态信道分配，可以动态地调整上下行时隙，使得系统能更好地支持HSDPA的非对称业务，对于WCDMA在带宽资源受限的情况下，这是一个优势。

2.2　HSUPA技术

与下行链路相比而言，上行链路速率和吞吐量偏低，为满足要求更高的上行速率业务发展需要，3GPP从R6版本开始，开展了对上行链路增强或称为高速上行分组接入（HSUPA）的研究和标准制定工作。在2006年2月的RAN1 #44会议上，完成了针对TD-SCDMA上行增强技术的验证工作。TD-SCDMA上行链路增强研究主要考虑了同步HARQ，AMC以及更为灵活的快速数据调度算法等技术。

2.2.1 自适应编码调制（AMC）

AMC是一种链路自适应技术，其基本原理是通过改变调制和编码的格式使它在系统限制范围内和信道条件相适应，提高小区平均吞吐量。通过采用AMC技术，处于有利位置的用户可以在理想信道条件下使用较高阶的调制编码方式和较高的编码速率，获得尽可能高的数据吞吐率，而在不太理想的信道条件下则使用较低阶的调制编码方式和较低的编码速率。AMC链路自适应用基于改变调制编码方式代替改变发射功率，减少了冲突。

以前版本中的TDD系统上行调制方式为QPSK，在Release 6中HSUPA引入8PSK调制方式。TDD系统中OVSF码资源有限，所以高阶调制方式的引进有可能提高系统的吞吐量。

2.2.2　自动重传请求（HARQ）

HARQ是指在接收到的数据包发生错误时，发送端按照某种方式重传。终端在收到数据后向基站发送报告信息，说明接收的数据正确或者错误。终端收到基站重传数据后，在进行解码时，不会抛弃传输失败的数据块而是结合前次传输的数据块以及重传的数据块，充分利用它们携带的相关信息，这样就可以增加正确译码的概率。由于HARQ将前向纠错编码FEC和ARQ技术结合在一起，使发送端发送的码不仅具有检错能力，还具有一定的纠错能力，从而可以得到更低的剩余误块率。

HARQ具有链路自适应性，它可以自动根据瞬时信道条件，灵活调整有效编码速率，补偿因采用链路适配所带来的误码。HARQ数据包的重传在移动终端和基站间直接进行，绕开了Iub接口传输，使得Node B控制的重传时延更小，因此物理信道可工作于误码概率稍高的条件下，这样就提升了系统的容量。HSUPA支持两种合并机制：对基站重发相同的分组包进行前后合并或对基站重发含有不同编码（即冗余信息）的分组包进行增量冗余合并。

2.2.3　基于Node B的快速调度

Node B控制的快速分组调度在R6之前的版本标准中，支持对UE的传输格式组合（TFC）进行控制，但控制实体位于RNC。HSUPA将TFC控制和时间调度功能移到Node B，能够对上行负载的快速变化做出及时响应，大大缩短了调度控制信令和UE响应的时延。不仅如此，这样做还可以更好地对Node B接收机的上行干扰进行控制，降低背景噪声，保留较高的上行RoT门限值，使小区负载总是处于十分接近预负载门限的水平，从而提供了更大的上行吞吐量，充分利用了有限的带宽资源。快速调度技术是HSUPA的一个重要要素，某种程度上决定了系统的性能。TDD系统中Node B快速调度包括快速速率调度和快速物理资源调度。

在基于Node B的快速速率调度中，由Node B控制TFCs集合，称之为"Node B控制的TFC子集"，该子集的大小由RNC在连接建立初始时配置，在连接过程中可以用信令来改变该集合的大小和内容。UE使用Rels 5中的TFC选择算法从这些子集中选取合适的TFC。当用户有足够的功率余量和待传的数据时，可以选择子集中的任何TFC。

在TD-SCDMA系统中同一小区内不同用户采用相同扰码，上行链路采用正交可变扩频因子码（OVSF）区分用户，上行OVSF码字资源是有限的。Node B的快速物理资源调度可以根据用户的传输需求和信道条件，对包括时隙和OVSF码字的物理资源进行动态分配和重分配，避免码资源短缺，保障系统高效工作。将物理资源分配功能移至Node B能够避免处理过程中Iub接口的延时，从而减小物理资源的初始请求/响应的延时，也避免了UTRAN栈的延时，使得响应的重传延时减少；能够更好地跟踪UE缓存状态，根据UE缓冲器指示快速改变资源分配，降低时延，改善小区吞吐量；能够更好地跟踪无线链路的性能，根据无线链路的性能分配资源，更有效地利用物理资源空间，减少为防止过载而预留的系统资源，从而改善小区整体的吞吐量。

3、TD-SCDMA增强型技术的发展趋势

在基本完成HSDPA、HSUPA（统称HSPA）的标准制订后，3GPP寻求进一步增强UMTS系统通信能力的技术方案，保持UMTS系统在中长期的技术领先性与竞争力。业界普遍认为，HSPA网络将构成未来3G系统的一部分，并且须提供一个向LTE平滑过渡的途径。2006年3月，3GPP RAN第31次全会通过了开展HSPA演进（HSPA+）项目的决定，试图进一步对HSDPA、HSUPA进行增强，对基于HSPA的无线网络的容量和性能进行研究。2006年6月，3GPP RAN第32次会议上引入了HSPA+的技术报告。HSPA+的目标如下。

* 在转化到3GPP LTE中的OFDM平台之前，充分开发CDAM系统的潜能；

* 在5MHz频谱内能够达到LTE的性能要求；

* HSPA演进系统和LTE系统间的互操作应使得从一种技术向另一种技术尽可能平滑，并应便于两种技术的共同运行；

* 演进的HSPA网络应能作为一种只提供分组业务的网络而运行；

* 与HSPA演进之前的系统相兼容，且以前的终端设备性能不会降低；

* HSPA网络设施通过简单升级就能支持HSPA演进系统的网络设施。

LTE系统在接口技术和网络结构上都将做出较大的变革，与现有系统并不具有十分明确的演进关系，是一种"革命性"的全新系统。HSPA+通过增强结构来改进性能，同时向后兼容UTRAN现有的无线接口，与LTE相比更强调与此前3GPP系统的后向兼容性。HSPA+为RAN和核心网提供增强技术，平衡HSPA和LTE的运行和发展。

目前，HSPA+的研究工作处于早期讨论阶段，没有进入正式地标准制定阶段，应抓紧时间、集中力量积极开展TDD HSPA+的研究，取得较大突破，形成相应的国际标准，进一步扩大TD-SCDMA技术的后续发展空间。

4、结束语

当前，我国正处在建设和运营第三代移动通信网络的前夕，3G的运行需要提供更高速率、更大带宽的业务，以及支持这些业务的增强型技术。将HSPA引入TD-SCDMA将能够进一步发挥TD-SCDMA系统的优势，使其能提供更高速、可靠的业务。目前，需要进一步对TD-SCDMA的继续演进开展研究，并推动相关标准的制定。我们相信，TD-SCDMA技术和产品在实际应用中将不断发展，TD-SCDMA在未来仍将是国际通信的主流标准之一。