TD-SCDMA技术标准的发展

 1、前言

　　2000年5月的ITU-R全会上由我国提出的TD-SCDMA无线传输技术（RTT）被正式接纳为IMT-2000方案之一，随后开始了在3GPP组织内的标准融合和制定工作，在2001年3月的3GPP RAN第11次全会上，包含TD-SCDMA无线接入技术在内的3GPP R4版本规范正式发布。此时，TD-SCDMA系统具备了一整套技术标准，构成了一个完整的移动通信系统。在3GPP的技术中，又常称TD-SCDMA为LCR TDD（低码片速率TDD）。

　　TD-SCDMA与WCDMA这两种3G制式都是在3GPP组织内进行标准化工作的，在实际的标准制定中，TD-SCDMA标准具有鲜明的特征。TD-SCDMA与WCDMA在核心网络、业务应用等方面共用技术标准，差异主要体现在无线接入网（RAN）部分，特别是在无线接口物理层技术方面。

　　2、我国TD-SCDMA行业标准的制定

　　在积极参与国际标准制定和完善的同时，国内的标准化组织等部门也在同步起草相关规范，并根据国际标准的最新版本不断进行更新和完善。国内对3G的标准化工作主要是由信息产业部无线通信标准研究组（CWTS）、中国通信标准化协会（CCSA）和信息产业部3G技术试验专家组进行的。2000年初，CWTS启动了TD-SCDMA、WCDMA和cdma20001x三种制式的标准研究。并起草了一批通信行业参考性技术文件。2001-2004年的3G技术试验过程中，3G技术试验专家组先后三次组织制定和更新了三种制式的技术规范，经过试验验证，这些规范基本构成了我国3G标准体系，为我国3G技术标准的制定奠定了坚实的基础。2004年初，CCSA正式全面启动了3G系列标准的起草及审查工作，2004年底，完成了基于3GPP R4的TD-SCDMA第一版行业标准的起草与审查工作。

　　2006年1月，信息产业部以“信部科2006（91）号文”发布了TD-SCDMA方面的23项推荐性通信行业标准，包括Uu接口物理层技术要求（分六部分）、Uu接口层2技术要求（分两部分）、Uu接口层3技术要求、Iub接口技术要求（分八部分）、无线接入子系统设备技术要求、无线接入子系统设备测试方法、Iub接口测试方法、终端设备技术要求和终端设备测试方法（分两部分）等标准。这些标准构成了包括系统设备、终端设备以及相关接口所组成的TD-SCDMA无线接入网完整的标准体系，为TD-SCDMA系统设备、终端芯片和终端设备等产品的设计、开发、测试验证提供了严格、统一的技术依据。标准的发布必将进一步发挥其引导示范作用，为TD-SCDMA技术和产业的发展壮大提供重要的技术保障。

　　随着技术发展和研究的深入，在制定TD-SCDMA基于3GPP R4的第一版行业标准中引入了N频点（多载频）特性。简单来说，N频点特性是针对未考虑多载频配置对网络运行的影响所带来的一些问题而提出的。

　　具体地说，此前的TD-SCDMA标准（即纳入3GPP R4的LCR TDD）中，在Uu接口、Iub接口均是针对各载频分别进行资源的操作与配置，每个载频都被当作一个逻辑小区，在每个小区都配置一整套公共信道。如一个三扇区三载频基站，将被视作9个小区，所有小区都发送各自的导频和广播信息等公共信道，而其中的BCH、FACH和PCH等公共信道在小区覆盖区内是全向发射的。因此在采用多载频基站组网时，不但对基站发射功率要求较高，而且在同频组网情形下，将可能在某些覆盖区域存在大量的同频邻小区，而这些同频邻小区都配置有全向发射的公共信道，彼此间的干扰将很突出。因此在多载频基站所组成的无线网络中，可能出现诸如小区搜索困难、终端测量复杂、切换困难和系统效率偏低等问题。

　　为解决上述问题，面向同一扇区／小区配置多个载频，行业标准中引入了N频点技术。N频点技术的主要特性包括：

　　●每小区／扇区配置N个（典型为3个）载频，其中一个为主载频，其它为辅载频。承载P-CCPCH信道的载频为主载频，不承载P-CCPCH的载频为辅载频，每小区／扇区有且只有一个主载频，同一UE所占用的上下行时隙配置在同一载频上。

　　●所有公共信道均配置于主载频，辅载频仅配置业务信道和有条件地配置部分公共信道（如UE在切换时可以在辅载频上使用UpPCH、FPACH信道进行上行同步建立）。

　　基于N频点技术的原理，相应地在上述已经发布的Uu接口物理层技术要求、Uu接口层3技术要求和Iub接口技术要求等行业标准中将N频点相关的技术内容纳入，N频点技术实际也成为TD-SCDMA技术标准一个不可分割的组成部分。

　　采用N频点系统设备，在无线网络规划时可按照相邻小区“主载频异频、辅载频可同频”原则组网，即考虑以三个载频（5MHz）为最小频率单元来组网。图1给出了采用三个载频（F1、F2、F3）按照这种原则进行频率规划的方式。即对两个相邻小区（小区1、小区2），其中小区1配置F1为主载频，F2、F3为辅载频；小区2配置F2为主载频，F1、F3为辅载频。则从频率资源使用率这个角度看，完全可认为这两个小区是“同频”的。从图1可看出，小区的主载频和与其紧邻的第一圈邻小区的主载频均是异频的，因此将大大减少小区间公共信道的干扰。

图1　N频点组网频率规划方式

　　3、高速下行分组接入（HSDPA）

　　为了满足用户日益增长的对高速分组数据业务的需求，3GPP在R5引入了HSDPA技术。对TD-SCDMA和WCDMA而言，HSDPA所采用的关键技术是基本一致的。

　　HSDPA采用共享HS-DSCH信道机制，通过使用自适应调制编码（AMC）、混合自动请求重传（HARQ）以及快速调度等技术获得比较高的用户速率和系统吞吐量。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，补偿由于信道变化对接收信号所造成的衰落影响，其中调制方式可选择QPSK或16QAM，信道编码采用1/3 Turbo码以及通过相应码率匹配后产生其它速率的Turbo码，HARQ重传机制采用了N信道停等（stop-and-wait，SAW）方式，合并机制采用增量冗余（IR）方式（Chase合并作为其一特例也被采用）。

　　HSDPA在UE和Node B的MAC层引入了MAC-hs实体，完成相关调度、反馈和重传等功能。在网络侧重传直接在Node B进行控制，提高了重传的速度，减少数据传输的时延。同时。为了完成相应的控制、调度和反馈，HSDPA在物理层引入了HS-SCCH和HS-SICH上行和下行两条控制信道，快速完成UE和Node B之间的信息交互。

　　对于FDD，HSDPA理论峰值速率可达14.4Mbit/s。而对于3GPP R5中定义的TD-SCDMA HSDPA，1.6MHz带宽上理论峰值速率可达到2.8Mbit/s。因此，与FDD HSDPA相比，TD-SCDMA HSDPA单个载波上可提供的下行峰值速率偏低，难以满足用户对更高速率分组数据业务的需求。

　　在已经发布的基于3GPP R4的第一版行业标准中。引入N频点特性。因此，在2005年，业内提出了将N频点特性和HS-DPA特性有机结合起来，通过多载波捆绑的方式提高TD-SCDMA HSDPA系统中单用户峰值速率，即所谓的多载波HSDPA方案。

　　多载波HSDPA方案的主要技术原理是当发送给一个用户的下行数据需在多个载波上同时传输时，由位于Node B的MAC-hs协议层对数据进行分流，即将数据流分配到不同的载波，各载波独立进行编码映射、调制发送。UE接收时，则需要有同时接收多个载波数据的能力，各个载波独立进行译码处理后，由UE内的MAC-hs协议层进行合并。多个载波上的HS-PDSCH物理信道资源为多个用户终端以时分或者码分的方式共享，一个用户终端可被同时分配一个或者多个载波上的HS-PDSCH物理信道资源。

　　采用N个载波的多载波HSDPA方案，理论上可以获得N倍2.8Mbit/s的峰值速率，如3载波的HSDPA方案理论的峰值速率可以达到8.4Mbit/s。

　　2005下半年起，针对多载波HSDPA方案，业内企业和研究单位开展了多次富有成效的技术讨论，方案得到了进一步完善。在此基础上，2005年12月的CCSA TC5第8次全会上，TD-SCDMA HSDPA接口和设备的系列标准列入了行业标准制定计划。与CCSA TC5第8次全会同期召开的TC5 WG9 #3会议和2006年3月的TC5 WG9 #4会议，已经开始了对多载波HS-DPA方案和标准的讨论。预计在2006年中，包含多载波HSDPA方案的TD-SCDMA HSDPA行业标准将基本完成起草工作。

　　4、上行链路增强技术

　　3GPP R5引入HSDPA后，下行链路的传输速率和吞吐量得到了很大提高。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。

　　2003年6月，3GPP RAN第20次全会上，对TDD（包括LCR TDD和HCR TDD）上行链路增强的可行性研究被列为研究项目（study item）。研究目的是考察包括Node B快速调度、HARQ和AMC等上行链路增强技术对提高上行链路的覆盖和吞吐量，降低时延的可行性和性能。

　　在随后的时间内，RAN1工作组主要承担了该项研究工作，并取得了较好的进展，形成了一个技术报告（TR 25.804）。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上行链路增强研究和考虑的主要技术如下：

　　（1）Node B控制的快速分组调度

　　在3GPP R99／R4／R5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中将TFC控制和时间调度功能移到Node B，可更好地对Node B接收机的上行干扰进行控制，降低背景噪声提升（RoT）的扰动，从而提高上行容量、增大覆盖。

　　由于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（0VSF）区分用户，而上行OVSF码字资源有限，因此需要对包括时隙和OVSF码字的物理资源进行动态分配和重分配，避免出现码资源短缺，保障系统上行链路高效工作。

　　综上所述，Node B控制的快速分组调度作为一种TDD上行链路增强技术，包括如下两个方面：快速控制用户传输数据速率（即速率调度），以对上行干扰进行更好地控制；快速控制传输数据所用的时隙和OVSF码字资源（即物理资源调度），从而有效地使用物理资源，避免码字受限。

　　研究表明对诸如在线游戏这类对时延要求比较高的业务来说，Node B控制的分组调度可显著降低分组时延。从另一个角度看，则在达到一定时延前提下，与R5调度方式相比能支持更多的用户。分组呼叫的吞吐量与业务的统计特性尤其是分组呼叫的平均时长紧密相关，分组呼叫的平均时长越短，采用Node B控制的分组调度对提高吞吐量的作用就越大。

　　（2）HARQ

　　在HSUPA中上行链路引入HARQ。Node B控制的HARQ可对接收到的出错数据进行快速重传，从而降低了RLC层重传次数和时延。由于Node B控制的重传从时延开销角度看更小，因此与R5相比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。

　　（3）AMC

　　对于TD-SCDMA系统，R5标准中上行链路一般采用QPSK调制，8PSK为可选方式。由于TDD系统中上行码资源有限，因此在I-ISUPA中引入更高阶调制（如8PSK、16QAM）有可能提高系统的吞吐量。

　　（4）帧内扰码跳码技术

　　对采用短码的CDMA系统而言，跳码技术可改善性能、降低性能的可变性。TD-SCDMA系统中，由扰码和信道化码一起构成有效扩频码，小区内在同一时隙上发送的各个突发，采用相同扰码，但信道化码各自是惟一的。目前的TD-SCDMA系统内，扰码作为小区的一个参数，除非终端进行了小区重选，否则扰码是不变的。在帧内逐时隙改变上行扰码这种跳码技术的性能。可作为TD-SCDMA上行链路增强的一种物理层技术进一步开展研究。

　　HSUPA的引入对无线网络协议框架的影响，主要包括需引入新的增强型上行传输信道E-UCH（enhanced uplink channel）以及新的MAC功能实体。

　　2006年3月在三亚召开的3GPP RAN第31次全会上，正式通过了由我国相关企业和研究单位提出的开展TD-SCDMA上行链路增强工作项目（work item）建议，旨在将上行链路增强技术写入3GPP R7规范。

　　按照工作计划，2006年12月的3GPP RAN第34次全会上将完成规范工作。在这么紧张的时间内要完成规范的制定工作，迫切需要相关企业和研究单位共同努力，高效地推进标准的逐步制定和完善。

　　5、HSPA演进与LTE

　　面对WiMAX等宽带无线通信技术的快速发展，为了保证3G系统持续演进的竞争力，3GPP从2004年开始了LTE的研究。LTE研究的目标是要使3GPP无线接入技术向“高数据速率、低延迟和优化分组数据应用”方向演进。2005年6月3GPP提出了LTE的系统需求，形成了需求报告TR25.913。随后开始了对各种全新的空中接口技术和接入网络结构的研究，对LTE的研究也成为3GPP相关工作组的工作重点。我国的有关研究机构和企业也积极参与到LTE的研究过程中，提交技术提案，部分提案已写入物理层、层二和层三等评估报告中。从LTE研究的空中接口技术和接入网络架构来看，与此前的3GPP系统（包括HSDPA、HSUPA）相比，LTE可以认为是一种“革命性”的全新系统，基本摒弃了3GPP一直坚持的后向兼容原则。

　　在对LTE研究积极推进以及基本完成HSDPA、HSUPA（统称HSPA）的标准制订后，3GPP对基于HSPA无线网络的容量和性能增强的研究也一直在进行。

　　业界普遍认为，HSPA网络将构成未来3G系统不可或缺的部分，并且必须提供向LTE的平滑演进路径。在全球主要移动运营商的推动下，2006年3月的3GPP RAN第31次全会通过了开展HSPA演进（HSPA+）研究项目的决定，试图进一步对HSDPA、HSUPA进行增强，为未来的3GPP系统提供平滑的演进路径，并且确定研究要遵循如下指导原则：

　　●HSPA的频谱效率、峰值数据速率、时延性能应继续演进提高，并应考虑与LTE系统的权衡。

　　●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使用共享信道、只提供分组业务的网络而运行。

　　●HSPA演进之前的终端（包括R99终端和HSPA终端）应能与实现了HSPA演进新特性的终端共用同一载波，且性能不会降低，HSPA演进应支持后向兼容。

　　●理想地，HSPA网络设施应可通过简单升级就能支持HSPA演进所定义的部分特性。

　　按照计划，预计在2006年底通过关于HSPA演进的研究报告。目前看来，HSPA+更强调与此前3GPP系统的后向兼容性，这与LTE是存在明显差异的。如将LTE、HSPA+视作HSDPA、HSUPA之后的两种发展方向，可以认为两者实质上存在一定的竞争，今后HSPA+与LTE的发展前景与相互关系目前尚难预料。HSPA+的研究刚刚起步，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，将进一步扩大TD-SCDMA技术的后续发展空间。

　　6、结束语

　　对于当前和今后一段时间内TD-SCDMA的研究和标准化工作，首先需要业界群策群力，争取在较短的时间内高效地完成多载波HSDPA行业标准的制定，为产品的开发奠定技术基础；与此同时，对HSUPA的研究和标准化也是一项重要而迫切的任务。在HSDPA、HSUPA标准化工作的基础上，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。总之，标准化工作的任务是艰巨的，但应该相信，TD-SCDMA技术和产品在实际应用中将不断发展，从而又将推动标准向前发展。