第3代移动通信—TDD与FDD

第3代移动通信—TDD与FDD

 

　　1、第三代移动通信是中国移动通信发展的必然趋势

　　我国移动通信运营业自引入以来，以年均增长80%-150%的速度超乎寻常地发展，目前移动用户数已超过8500万，GSM用户仍以每月近200万用户的速度高速增长。随着运营者间的激烈竞争，手机入网费和各种资费将不断下调，GSM移动用户数还将大幅增加。虽然中国的移动通信发展非常快，但移动电话人口普及率只有6.7%，北欧一些国家已超过70%，相比之下，我国GSM移动通信的发展潜力非常大。

　　GSM网继续高速发展，面临的第一个问题是频率资源，它是制约我国移动通信高速发展的重要因素之一。在我国许多城市，900MHz的频率资源十分紧张，已采用900M/1800M双频组网的方式解决频率资源不足问题，但1800MHz频率的穿透力比800MHz
GSM基站同址建设，建设成本将增加。随着用户对高速移动数据业务需求的增长，单一用户所占频带宽度将增加。中国加入WTO后，将增加新的电信服务运营者，要把有限的频率资源分配给更多的运营者，这将进一步加剧我国移动通信频率资源紧张的矛盾。

　　GSM网高速发展面临的另一个问题是无法满足高速增长的数据业务需求。随着因特网的飞速发展，用户对随时、随地接入因特网的需求日益增加。日本NTT
DoCoMo公司I-mode业务向世人展示了移动上网的巨大魅力，该业务开展仅两年，就已拥有2000多万用户。目前，通过移动网络获取信息已成趋势，而GSM网的用户数据传输速率只有9.6kb/s，难以提供新业务，提高GSM网数据业务传输速率已成为急待解决的问题。在GSM网上实现GPRS功能，是提高GSM数据速率（提高到115kb/s）的有效方法。但是，实现GPRS功能是一项巨大的工程，除了要改造全网的基站、基站控制器外，还要新增GPRS手机及SGSN、GGSN网关设备。另外，GPRS仍是GSM方式，与CDMA、第三代移动通信（3G）各种制式相比，频谱利用率较差，利用该方式开展数据业务，将使频谱资源紧缺的问题更加严重。GPRS只是过渡方案。

　　因此，引入高效的第三代移动通信系统（3G），已成为世界移动通信领域的热点话题。

　　2、第三代移动通信系统特点

　　为了统一全球移动通信标准和频段，达到3G全球漫游的目的，提高移动通信的频谱利用率和数据业务传输速率，满足多媒体业务需求，国际电联ITU-R提出了第三代移动通信的基本要求：（1）数据速率可从几kb/s到2Mb/s；（2）高速移动时最高数据速率可达144kb/s，慢速移动时最高数据速率可达384kb/s，静止时最高数据速率可达2Mb/s。

　　第三代移动通信系统具有如下特点：（1）具备支持从话音到多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务；（2）全球无缝覆盖；（3）高频谱利用率；（4）高服务质量；（5）高保密性；（6）低成本。

　　3、第三代移动通信标准的构成

　　第三代移动通信标准分为核心网和空中接口两大部分。

　　3.1 核心网标准

　　第三代移动通信的核心网主要有基于MAP演进的核心网和基于IS-41演进的核心网两种。

　　3.2 空中接口标准

　　2000年5月5日，在土耳其举行的ITU-R全会上，通过了包括中国提案在内的五种无线传输技术的规范，其中三种基于CDMA技术，两种基于TDMA技术。

　　（1）基于CDMA的技术规范

　　IMT-2000 CDMA DS（WCDMA、cdma2000 DS） IMT-2000
CDMA TDD（TD-SCDMA、TD-CDMA）

　　（2）基于TDMA技术的技术规范

　　IMT-2000 CDMA SC（uwc 136） IMT-2000 TDMA MC（DECT）

　　由于TDMA技术不是第三代移动通信的主流技术，所以TDMA SC和TDMA MC只作为区域性标准，用于IS-136和DECT系统的升级。

　　基于CDMA技术的三种RTT技术规范是第三代移动通信的主流技术，也称为一个家庭，三个成员。CDMA
DS和CDMA MC是频分双工模式（FDD），CDMA TDD是时分双工模式（TDD），ITU-R为3G的FDD模式和TDD模式划分了独立的频段，在将来的组网上，TDD模式和FDD模式将共存于3G网络。

　　4、FDD模式和TDD模式的特点

　　4.1 FDD模式

　　FDD模式的特点是在分离（上下行频率间隔190MHz）的两个对称频率信道上，系统进行接收和传送，用保证频段来分离接收和传送信道。

　　采用包交换等技术，可突破二代发展的瓶颈，实现高速数据业务，并可提高频谱利用率，增加系统容量。但FDD必须采用成对的频率，即在每2x5MHz的带宽内提供第三代业务。该方式在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在非对称的分组交换（互联网）工作时，频谱利用率则大大降低（由于低上行负载，造成频谱利用率降低约40%），在这点上，TDD模式有着FDD无法比拟的优势。

　　4.2 TDD模式

　　在TDD模式的移动通信系统中，接收和传送在同一频率信道（即载波）的不同时隙，用保证时间来分离接收和传送信道。

　　该模式在不对称业务中有着不可比拟的灵活性，TD-SCDMA只需一个不对称频段的频率分配，其每载波为1.6MHz。由于每RC内时域上下行切换的切换点可灵活变动，所以对于对称业务（语音和多媒体等）和不对称业务（包交换和因特网等），可充分利用无线频谱。

　　TDD系统有如下特点：

　　（1）不需要成对的频率，能使用各种频率资源，适用于不对称的上下行数据传输速率，特别适用于IP型的数据业务；

　　（2）上下行工作于同一频率，电波传播的对称特性使之便于使用智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的；

　　（3）设备成本较低，比FDD系统低20%-50%。

　　ITU要求TDD系统移动速度达到120km/h，要求FDD系统移动速度达到500km/h。FDD是连续控制的系统，TDD是时间分隔控制的系统。在高速移动时，多普勒效应会导致快衰落，速度越高，衰落变换频率越高，衰落深度越深。在目前芯片处理速度和算法的基础上，当数据率为144kb/s时，TDD的最大移动速度可达250km/h，与FDD系统相比，还有一定差距。

　　4.3 FDD与TDD各有所长

　　TDD与FDD两种模式各具相互无法替代的优点，FDD适用于大区制的国际间和国家范围内的覆盖及对称业务（如话音、交互式实时数据业务等）。TDD适用于高密度用户地区（城市及近郊区）的局部覆盖和对称及不对称的数据业务（如话音、实时数据业务，特别是互联网方式的业务）。与FDD相比，TDD可大幅度节省频率资源，提供成本低廉的设备。

　　基于各标准设计的出发点及其技术特点，得出以下结论：在未来的3G网络中，将依靠卫星通信实现全球覆盖，依靠FDD模式实现全国范围内或国际间的通信，而在广大的城镇、郊区等人口密集地区，CDMA
TDD将发挥巨大作用。与此同时，为了实现全球漫游，必须为用户提供多模、多频的用户终端设备。

　　5、TD-SCDMA的主要技术特点

　　TD-SCDMA是中国提出的第三代移动通信技术标准，其产品已进入性能样机开发后期，计划于2001年一季度末、二季度初进行现场试验，2002年底至2003年初提供正式商用设备。

　　TD-SCDMA具有以下主要技术特点：（1）采用智能天线技术；（2）采用上行同步方式；（3）采用接力切换方式；（4）采用低码片速率。

　　TD-SCDMA是目前世界上唯一采用智能天线的第三代移动通信系统。由于采用TDD模式，上下行链路使用同一频率，同一时刻上下行链路的空间物理特性完全相同，所以只要根据上行数据在基站端进行空间参数的估值，再根据估值下行链路的数据进行数字赋形，就可达到自适应波束赋形的目的，充分发挥智能天线的作用。
在CDMA系统中，多个用户的信号的时域和频域上是混叠的，接收时需要将各个用户的信号分离。理想情况下，利用扩频码的正交特性可保证无偏差地解调用户数据。而在实际系统中，由于同步不准确及空间信道的多径特性等造成的影响，导致各用户信号之间无法维持理想的正交特性。这时对某一特定用户而言，所有工作在同频段的其他用户信号都是干扰信号，随着用户数增加，干扰逐渐增大，当系统用户数增加到一定数量时，干扰会使系统无法将有用信号提取出来，因此，CDMA系统是干扰受限系统，提高系统容量非常重要。

　　由于采用智能天线和上行同步技术，只有来自主瓣方向和较大副瓣方向的多径干扰才会影响有用信号，极大地降低了多址干扰，有效提高了系统容量，从而提高了频谱利用率。采用智能天线，可有效提高天线增益。智能天线采用多个小功率的线性功率放大器代替单一的大功率线性放大器，其价格远低于单一大功率线性放大器，因此采用智能天线可大大降低基站的成本。在智能天线系统中，有8台收发信机共同工作，任何一台收发信机损坏都不会影响系统的基本工作特性，提高了设备的冗余度。采用智能天线，可大致定位用户的方位和距离，基站和基站控制器可采用接力切换方式，根据用户的方位和距离信息，判断用户是否移动到应切换给另一基站的临近区域，如果进入切换区，便由基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换目的。接力切换可提高切换成功率，减少切换时对邻近基站信道资源的占用时间。

　　TD-SCDMA系统采用1.28Mb/s的码片速率，只需占用单一的1.6MHz频带宽度，就可传送2Mb/s的数据业务，而对于其它3G
FDD方案而言，要传送2Mb/s的数据业务，均需要2x5MHz带宽，即需两个对称的5MHz带宽，作为上下行频段，且上下行频段间需要有190MHz频率间隔作保护。目前频谱资源十分紧张，要找到符合要求的对称频段非常困难。TD-SCDMA系统可以“见缝插针”，只要有满足一个载波的频段（1.6MHz）就可使用，可以灵活有效地利用现有的频率资源。

　　TD-SCDMA是TDD工作模式，上下行数据的传输由控制上下行的发送时间决定，发送时段内不接收，接收时段内不发送，而且可以灵活控制和改变发送和接收的时段长短比例。对于因特网等非对称业务的数据传输，下行数据量远大于上行数据量，这时可增加下行的时段时间，缩短上行的时段时间，达到高效率传送非对称业务数据的目的。

　　根据上述特点，TD-SCDMA系统适用于大中城市及城乡结合部，这些地区人口密度高，频率资源紧张，移动速率不高（200km/h以内），但需要大量小半径、高容量的小区覆盖，同时这些地区的数据业务（特别是因特网等非对称数据业务）需求较大，能充分发挥TD-SCDMA的技术优势。在农村及大区全覆盖地区，用FDD方式比合适。(电信快报)