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摘要 TD-SCDMA以其具有的明显优势被3GPP接受并作为3个3G主流国际标准之一。随着研究的深入，TD-SCDMA即将投入商用并不断演进和发展，在此背景下本文对TD-SCDMA发展和增强的途径、发展和增强中的关键技术进行了介绍。
1、TD-SCDMA的特点
TD-SCDMA无线传输方案是FDMA、TDMA和CDMA 3种基本传输模式的灵活结合。它采用直接序列扩频、低码片速率的TDD（时分双工）模式，码片速率为1.28 Mchip/s，载波带宽为1.6 MHz。TD-SCDMA采用了TDD方式，这使得它具有区别于其他两种标准的突出特点。
TD-SCDMA在系统性能方面具有明显的竞争优势：系统容量大，抗干扰能力强，频谱利用率高，系统可以在带宽为1.6 MHz的单载波上提供高达2 Mbit/s的数据业务和48路语音通信。TD-SCDMA不需要成对的工作频段，这对缓解当前移动频段资源紧张的问题是极为重要的。由于其节约了大量昂贵的频谱资源，同时采用低码片速率以及对基站射频设计采取有效措施，显著地降低了硬件设备制造的技术难度，整个网络的投资费用大幅度降低。TD-SCDMA能够提供第三代移动通信系统所规定的各种业务，包括高质量的语音、宽带数据和多媒体业务，尤其适合今后将迅速发展的IP等非对称数据业务。
2、TD-SCDMA发展和增强的途径
TD-SCDMA发展和增强的目标是提高系统在更高的移动速度条件下的容量和频谱效率。对于语音业务，目标是提高系统能容纳的用户数量和增大系统的覆盖半径。对数据业务，目标是提高峰值数据率和系统的吞吐量以及覆盖半径，降低服务的时延。
TD-SCDMA发展和增强需要对全新的蜂窝系统进行大量的投资。系统升级的一条基本准则是实现平滑的发展，以对现有的资源进行充分利用。通过对系统进行最小的修改来获得最大的系统性能的加强，保护现有投资以获得最大的经济效益。
考虑到TD-SCDMA系统的现状和未来需求，TD-SCDMA系统的发展和增强主要经历以下几个阶段：TSM（TD-SCDMA system for mobile）、LCR（low chip rate）、HDR（high data rate）、B3G TDD和4G，如图1所示。
图1 TD-SCDMA的演进
（1）TSM
TSM是TD-SCDMA系统发展的第一个阶段，其核心网与GSM/GPRS兼容。TSM是基于GSM的网络，保留了GSM网络的大部分组成，包括BSC、MSC等，但是其空中接口改为了TD-SCDMA，并且与LCR类似，因此TD-SCDMA获得了比GSM更高的频谱效率并可提供更高的数据速率。由于TSM基于成熟的GSM高层协议栈，因此网络建设非常容易。出于同样的原因，介于2G和3G之间的TSM，不仅能使2G到3G之间的过渡非常平滑，还能节省时间和投资。对于没有GSM网络的运营商，这个阶段可以被跳过。
（2）LCR
LCR能提供所有3G要求的服务，并且已作为IMT-2000 RTT 的一种被ITU和3GPP接受。LCR采用了3GPP和TD-SCDMA的高层协议栈和空中接口，满足ITU的所有需求。
LCR可以支持3个版本的3GPP的核心网。由于在物理层可以完全兼容，TSM和LCR能够在同一个RAN（无线接入网）中共存。
（3）HDR
HDR是TD-SCDMA发展和增强的阶段。相比于最初的TD-SCDMA，HDR能提供更高的传输性能和覆盖能力。基于MIMO AMC、HARQ（混合自动重传请求）等，HDR能提供比HSDPA（高速下行分组接入）和cdma2000 EV-DO更高的数据传输能力。在本阶段，HDR和LCR能共存于同一个RAN（无线接入网）中。
（4）B3G TDD
在这一阶段，B3G TDD系统被启动，TD-SCDMA依然具有良好的兼容性，因此TD-SCDMA的HDR、LCR和B3G TDD系统能够在同一个RAN中共存。B3G的发展将会持续相当长的时间，其发展过程中非常重要的一点是要能实现平滑的演进。
TD-SCDMA和B3G TDD之间主要有以下几个共同点：
●相同的帧长度和相似的帧结构；
●都是基于软件无线电；
●都采用了上行同步；
●都是基于全IP核心网；
●相似的多址方案：TDMA、FDMA、CDMA、SDMA。
关于平滑演进的考虑有以下两点：
●物理层。保持相同的帧周期和公共时隙，如同步时隙。
●高层协议。TD-SCDMA的高层协议与WCDMA非常类似，因此，B3G TDD的设计也应该使得其高层协议与WCDMA和TD-SCDMA相兼容，这样就保证了高层协议的平滑发展。
（5）4G
在这一阶段，TD-SCDMA将与4G、5G以及其他系统共存。这是由于各代系统的发展非常迅速，新的系统和标准将可能每10年发展一代，而对移动通信系统的投资非常巨大，所以一种现有的系统不会在新系统出现后很快消失，而是会与新系统共存相当长的时期，相互合作、相互竞争。换句话说，即使在4G甚至5G出现后，TD-SCDMA也将会继续存在。
3、TD-SCDMA发展和增强中的关键技术
TD-SCDMA发展和增强中的关键技术包括以下几种。
（1）多用户检测
多用户检测是宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。在实际的CDMA通信系统中，各个用户信号之间存在一定的相关性，这就是多址干扰存在的根源。由个别用户产生的多址干扰固然很小，可是随着用户数的增加或信号功率的增大，多址干扰就成为宽带CDMA通信系统的一个主要干扰。由于传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差。多用户检测技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用链路频谱资源，显著提高系统容量。随着多用户检测技术的不断发展，各种不是特别复杂的高性能的多用户检测器算法不断被提出，在4G实际系统中采用多用户检测技术将是切实可行的。
（2）智能天线
在工程应用中，TD-SCDMA系统由于结合了智能天线技术和多用户检测的迫零块线形均衡（ZF-BLE）技术的优势从而实现了很高的性能。与传统的多扇区或全向天线不同，典型的TD-SCDMA系统配置的智能天线是由8个天线元素组成的天线阵列。
智能天线在上行链路采用空分技术，下行采用波束成型技术。而由于TDD的特点，可以很容易地使用上行链路的波束成型矩阵得到下行链路的波束成型矩阵，而且上下行链路具有对称的传输性能。在TD-SCDMA系统的发送端，智能天线根据接收到的移动台的信号在天线阵上产生的相位差，利用DSP算法提取出移动台的位置信息。利用这个位置信息可以在基站的天线阵产生多个波束赋形，每个波束指向一个特定的移动台并不断地跟踪它，从而可以有效地减少同频干扰，提高下行链路的容量。在接收端，智能天线通过空间选择性分集，可以大大提高接收机的灵敏度，有效合并多径分量，抵消多径衰落，提高上行链路容量。
（3）软件无线电
软件无线电是将标准化、模块化的硬件功能单元经过一个通用硬件平台，利用软件加载方式来实现各种类型的无线电通信系统的一种具有开放式结构的新技术。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用宽带A/D和D/A变换器，并尽可能多地用软件来定义无线功能，各种功能和信号处理都尽可能用软件实现。其软件系统包括各类无线信令规则与处理软件、信号流变换软件、信源编码软件、信道纠错编码软件、调制解调算法软件等。软件无线电使得系统具有灵活性和适应性，能够适应不同的网络和空中接口，并且它能支持采用不同空中接口的多模式手机和基站，能实现各种应用的可变QoS。
（4）动态信道分配
动态信道分配（DCA）的目的是进一步减少干扰，增加系统容量。与2G系统使用固定信道分配（FCA）不同，3G系统提供的各种各样的对称和非对称服务需要更加灵活的信道分配体制，采用DCA策略可确保蜂窝系统能预见在不同的负载情况下需要分配的无线资源，因此能有效增加传输量，减少干扰，增加系统容量。
TD-SCDMA系统继承了CDMA和TDMA的优点，一个典型的物理信道可以被载波频率、时隙和扩频码共同确定。在TD-SCDMA系统中，DCA算法由RNC集中执行。具体而言，RNC综合各种信息，包括路径损耗，可用的频率、时隙等，为目标终端附近的若干小区分配可用资源。在实际操作中，信道动态分配分为两个阶段：第一个阶段是当呼叫建立时，执行慢速DCA对信道进行分配；第二个阶段是当呼叫接入后，为了保证业务质量RNC使用快速DCA对资源进行再分配。
（5）接力切换
接力切换技术是TD-SCDMA系统的关键特征，该技术利用了软切换与硬切换技术的优点。基于同步CDMA和智能天线技术的信息，接力切换具有相当高的效率，这是因为系统能对移动终端进行精确的定位。
在TD-SCDMA系统中，接力切换同时支持同频率切换和不同频率切换，而且具有相当高的切换精度。在与不同系统的切换过程中，其切换时延与在TD-SCDMA系统内切换的时延比较接近。接力切换的过程由4步组成：首先，移动终端监听当前基站的广播信道以获得邻近小区的信息，包括位置、频率、能量级、传输时延等；当移动终端发现处于切换极限时，系统发出切换命令；此时，移动台给目标基站发出上行导频信号和闭环同步信号，同时保持与原基站信号和服务的联系；在信号联系（例如与目标基站进行开环同步）被建立之后，移动终端中断与原基站的服务连接并与目标基站建立连接。
（6）MIMO
MIMO（多输入多输出）技术是指利用多发射、多接收天线进行空间分集的技术，它采用的是分立式多天线，能够有效地将通信链路分解成许多并行的子信道，从而大大提高系统容量。信息论已经证明，当不同的接收天线与不同的发射天线之间互不相关时，MIMO系统能够很好地提高系统的抗衰落和抗噪声性能，从而获得巨大的容量。例如：当接收天线和发送天线数目都为8根，且平均信噪比为20 dB时，链路容量可以高达42 bit/s/Hz，这是单天线系统所能达到容量的40多倍。因此，在功率带宽受限的无线信道中，MIMO技术是实现高数据速率，提高系统容量、传输质量的空间分集技术。在无线频谱资源相对匮乏的今天，MIMO系统已经体现出其优越性，也会在4G移动通信系统中继续应用。
除了以上讨论的关键技术外，TD-SCDMA系统还采用了许多其他的先进技术，如上行同步和统一的低码片速率等，这些技术都有助于提高系统的性能并能在很大程度上提高频谱利用率。
