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TD-SCDMA:优势在于美妙的应用
杨  骅
  2003年11月25日13:58 【字号 】【留言】【论坛】【打印】【关闭
TD-SCDMA不但由于采用了一系列特色技术,成为国际第三代移动通信技术标准,而且因其在今后的使用中,可为运营商和最终用户带来实际的利益,为运营商在移动通信运营市场的竞争中增加优势,而成为具有应用前景的3G技术。
我们分别从频率利用率、成本、终端移动速度、网络覆盖、所支持的业务特点及漫游能力等几个方面,来探讨TD-SCDMA在今后3G运营中的应用前景。
TD-SCDMA运营成本分析TD-SCDMA系统设备的低成本、网络建设的低成本、高频谱利用率、高收益的优势终将会给运营商、最终用户带来实惠。

  频谱利用率高:我们知道在移动通信系统中频谱就是市场,频谱利用率高的系统其网络建设与运营成本必将下降。为使自己在移动通信市场竞争中处于有利的地位,运营商都在寻求频谱利用率高的系统进行移动通信业务的运营。

  从支持用户语音业务来看,TD-SCDMA每1.6MHz的带宽内可提供48个公共信道,若按每用户的忙时平均话务量为20mErl来计算,则每个载波所支持的最大用户数为2400个用户/1.6MHz。考虑到为保证一定的服务等级,呼损为1%时,用户的阻塞因子为0.75,那么在宏小区情况下,每个只有一个载波的发射机所支持的语音用户数为2400×0.75=1800个用户/1.6MHz。从支持用户数据业务来看,TD-SCDMA每时隙总传输速率为281.6kbps,则每载波的所支持的最大的数据吞吐量(若全为非对称的Internet下行业务)为1971.2Kbps。

  在孤岛式小区中,若设计每个发射机有3个载波,则最大的语音用户数为2400×3=7200个用户/4.8MHz。考虑到为保证一定的服务等级,呼损为1%时,用户的阻塞因子为0.875,那么在宏小区情况下,每个发射机所支持的语音用户数为7200×0.875=6300个用户/1.6MHz。从数据业务来看,每个载波所支持的最大的数据吞吐量为1971.2Kbps,那么每个有三个载波的发射机所支持的最大的数据吞吐量(如全为非对称的Internet下行业务)为1971.2×3=5.9136Mbps。

  可见从频谱利用率而言,TD-SCDMA与其他系统相比有着很明显的优势,并且由于TD-SCDMA采用TDD的双工方式,能使用各种频率资源,不需要成对的频率,可以做到见缝插针,只要有2M的带宽,就可以运营TD-SCDMA系统,具有最高的频谱利用率和频率使用灵活性。此外,当未来3G系统发展到一定规模时,势必会退出部分2G频段用于3G网络,由于TD-SCDMA不需要成对的频率,并具有可充分利用零碎频段的优势。因此,从2G退出的频段很有可能首先为TD-SCDMA所用。

  TD-SCDMA的这种频谱利用率高的特点,决定了今后实际运营中,在提供同等业务能力的情况下,可占用最少的频率。即在今后的3G运营中TD-SCDMA的频率使用费最低。

  产品设备成本低:单从系统设备成本来看,TD-SCDMA也比其他技术有明显优势。第三代移动通信系统主要由三部分组成,即核心网、无线接入网和用户终端。若与其他两种技术比较,核心网和用户终端的成本各系统基本相同。而接入网部分(主要是Node_B),即基站,各个不同的系统有较大的差异。TD-SCDMA由于采用了智能天线、软件无线电等技术,使得其基站成本大幅下降。

  TD-SCDMA一方面由于采用智能天线技术后,其基站的功放部分在天线上,避免了因馈线系统的衰减而需加大基站射频发射功率的设计,大幅度降低了对大功率射频器件的要求,降低了射频器件的成本;另一方面,TD-SCDMA采用软件无线电技术后,在系统功能增加、技术升级时,只需进行软件升级而不需更换设备硬件,这样也就降低了系统维护与升级的成本。

  三载波的Node_B的成本比较如下表:


  在移动通信系统中,投资最大的部分在于基站。因此,不同技术制式的设备成本主要差别在Node_B。此外,TD-SCDMA基站系统的独特设计,保证了其基站即可与GSM核心网相接提供3G业务,又可与3GPP核心网相接提供3G业务。这就使已有GSM网络的运营商在进行3G网络建设时,可直接将TD-SCDMA基站建设在GSM核心网上,而不需再进行核心网的建设,这就进一步降低了TD-SCDMA网络建设的成本,为移动通信运营商在市场中的竞争创造了有得条件。   可见,TD-SCDMA系统设备的低成本、网络建设的低成本、高频谱利用率、高收益的优势终将会给运营商、最终用户带来实惠。

终端移动速度: TD-SCDMA系统目前的现场演示实验的终端移动速度为125km/h(受北京市汽车时速的限制),计算机仿真结果表明TD-SCDMA系统在移动速度达到250km/h时,仍能保持较好的误码特性。可见,TD-SCDMA系统在终端移动速度上的性能并不亚于其他三代标准。

  ITU-R M.1225文件定义了第三代移动通信系统在四种工作环境下提供数据业务的最低要求:
●移动卫星
●高速移动:FDD:500km/h,TDD:120km/h, 64-144kbps
●室内外慢速移动:30km/h, 384kbps
●室内固定用户:3km/h, 2Mbps

  目前,没有任何一个系统能够达到500km/h的移动速度。根据计算机仿真的WCDMA系统的移动速度低于300km/h。而TD-SCDMA系统目前的现场演示实验的终端移动速度为125km/h(受北京市汽车时速的限制),计算机仿真结果表明TD-SCDMA系统在移动速度达到250km/h时,仍能保持较好的误码特性。可见,TD-SCDMA系统在终端移动速度上的性能并不亚于其他三代标准。

  从理论上分析,影响系统高速移动性能的主要原因是由多径传播引起的快衰落以及物体高速运动而导致的多普勒效应。TD-SCDMA系统采用快速功率控制来解决快衰落问题,用调整解调器适应的频带宽度来对抗多普勒效应(WCDMA系统也是如此)。但仅此并不足以完全解决上述问题,在TD-SCDMA系统中还另外采用了很多先进的技术来保证系统的良好性能:首先是智能天线技术。利用TD-SCDMA系统时分双工的优良特性,使用智能天线利用上下行波束赋形减少发射的方向角,可以明显的降低系统干扰,极大的缓解多径传播对系统性能的影响。然后是多用户联合检测技术,使用训练序列(Midamble)对信道进行估值,获得主要多径幅度和相位信息,然后利用算法将多径干扰抵消,可以有效的解决快衰落问题。所以,就高速运动信道环境而言,TD-SCDMA移动通信系统的应用前景是十分乐观的。倘若TD-SCDMA使用自适应信道估测技术,将会得到更好的系统在高速环境下的性能。

覆盖范围及组网: TD-SCDMA不但因其频谱利用率高、系统容量大而特别适合在人口高密度地区使用,而且也可在宏小区(Macro)、微小区(Micro)及微微小区(Pico)等各种环境下使用,能够支持各种无线网络环境。

  在3G技术的定义中,FDD模式的覆盖距离是30km, TDD方式的覆盖距离是11km, 主要是根据TDD模式下受到上行和下行保护时隙间隔的影响。但由于TD-SCDMA采用了智能天线技术,因此,在发射电平和灵敏度和FDD相同的情况下,智能天线能增加通信距离。

  TD-SCDMA系统的覆盖半径主要取决于两方面的因素:一是系统的发射电平及接收灵敏度,二是收发时间间隙,主要是上下行保护时隙的宽度以及电波传播速度之间的关系。

  就系统的发射电平和接受灵敏度而言,TD-SCDMA系统与FDD系统是相同的。而且由于采用了智能天线,利用上、下行波束赋形技术,获得了额外的系统增益,使得系统的链路预算要优于WCDMA系统,在同等发射功率条件下覆盖半径也明显大于WCDMA系统。初步的推算为:由于TD-SCDMA的带宽只有WCDMA的1/3,较WCDMA系统所获得的增益为5dB,智能天线带来的额外系统增益为9 dB,但由于采用了TDD多时隙的方案,使TD-SCDMA多失去8 dB,所以在相同的传播情况下,TD-SCDMA的链路预算要比WCDMA系统多6 dB,相当于覆盖半径要大50%。根据ITU规定的环境下最大通信距离的计算结果,WCDMA系统在8K的语音及384K的数据传输情况下的覆盖半径分别为10Km和5Km,而TD-SCDMA的这一数值分别为10Km和16Km,这一结果已经在1998年向ITU提交建议时一并提交,并获得认可。而且,目前建成的演示系统也证明了上述分析的正确性。

  就收发时间间隙而言,TD-SCDMA在进行帧结构设计时就充分考虑到了基站系统在作为宏小区应用时所需要的保护时隙,系统的设计完全能满足广域覆盖要求。  如上图所示TD-SCDMA帧结构中用深蓝色标识的即为上下行保护时

隙。它的宽度为T=75us,用于区分上下行时隙,使距离较远的终端能实现上行同步。在TD-SCDMA系统中,此时隙的宽度保证了小区的最大半径可能达到11Km以上。初步的推算为T>d/c(d为小区半径,c为光速),可以看到,保护时隙的设置是保留有充分的余量的,TD-SCDMA完全可以在宏小区(Macro),微小区(Micro)及微微小区(Pico)等各种环境下使用。当需要的小区覆盖半径超过12Km时,还可以通过灵活的对保护时隙进行设置来实现基站的超远距离覆盖,这时有可能需要牺牲一个业务主时隙,使系统的容量降低大概16%,但由于TD-SCDMA的系统容量要远远大于WCDMA系统,即使牺牲了这一部分容量,也仍然可以使系统的容量比WCDMA系统高。这一技术已经在现场演示实验网中得到了验证。目前的演示证明,当小区的覆盖半径超过16Km时,仍然能保证系统稳定的传输。根据智能天线的特点,TD-SCDMA可提供各种网络配置:
    
    在用户稀少的地区,每基站的覆盖半径可以超过10km,并支持高速移动的用户进行多媒体通信(144kbps);

    ● 在城市内,每个基站的覆盖半径从500m至2km,每基站可提供超过200Erl. 的容量(5MHz频宽,3扇区);
    ●在用户高度密集区,可使用分布式智能天线,提供3维小区覆盖,小区半径可在100m以下;
    ●如此,TD-SCDMA系统可以提供几个用户/平方公里到超过十万用户/平方公里的各种情况。


    可见, TD-SCDMA不但因其频谱利用率高、系统容量大而特别适合在人口高密度地区使用,而且也可在宏小区(Macro)、微小区(Micro)及微微小区(Pico)等各种环境下使用,能够支持各种无线网络环境。

TD-SCDMA更适应未来移动通信业务:TD-SCDMA由于同时采用了FDMA、CDMA、TDMA及SDMA的多址技术,对于像因特网这样的“不对称”传输业务,可使其转换“不对称”,而对于像语音这样的“对称”传输业务可以使其转换“对称”,这样,就使总的频谱效率更高。在无线传输上,TD-SCDMA还可根据传输要求的不同,灵活地选择传输模式,充分利用现有的频谱资源,满足多种不同的需要。再者,TD-SCDMA采用了智能天线、上行同步等先进技术,系统对基于位置的服务有其独特的优势。
    业务应用是启动3G移动通信市场的关键因素,第三代移动通信市场的发展需要开发出有特色的,用户真正接受的业务内容。现在手机用户费用86%集中在话音,但以后随着移动通信技术的发展,使用数据增值服务的用户比例必将增多。基于移动互联网开展的各种移动数据业务,可以不受时空地域的限制,为人们提供如移动证券、移动购物、移动银行、移动在线支付和城市导航等丰富多彩的个性化信息服务,这将成为未来移动通信的发展方向,而无线互联网的应用主要以非对称业务为主。

    在第二代移动通信系统中主要以提供话音业务为主,其上下行的占用的时间(或带宽)基本相同。在这种应用中FDD与TDD的使用效率基本相同,均可提供对对称业务的支持。但在第三代系统中,无线互联网的应用将打破上下行传统的对称平衡传输模式。如下图所示,我们知道FDD的模式因其上行链路和下行链路是相互独立的,资源不能相互利用,而难以做到自动调节上下行带宽。因此,在满足非对称业务应用时,其频谱大幅降低,造成频率资源的浪

费。

   TD-SCDMA采用了CDMA和TDMA的多址技术,可利用在每个无线信道时域里的一个定期重复的TDMA帧结构,然后再将这个帧分为几个时隙。使TD-SCDMA在传输中很容易设置一个上行和下行链路的转换点,来针对不同类型的业务。相当于可根据交通的流量来控制红绿灯转换的时间间隔,对于像因特网这样的“不对称”传输业务,可使其转换“不对称”,而对于像语音这样的“对称”传输业务可以使其转换“对称”,这样,就使总的频谱效率更高。

    此外,TD-SCDMA可以根据无线环境的差别采用不同的调制技术,信号速率有2Mbps、768kbps、384kbps,192kbps和96kbps等多种方式。因此在无线传输上,TD-SCDMA依靠其独特的操作模式,可根据传输要求的不同,灵活地选择传输模式,充分利用现有的频谱资源,满足多种不同的需要。

    再者,由于TD-SCDMA采用了智能天线、上行同步等先进技术,系统对基于位置的服务有其独特的优势。从2G增值业务的发展可以预测,运营3G的运营商若想获取最大收入必须依靠增值业务,基于位置的服务将是其中最有前景的增值业务。由于TD-SCDMA系统可在不增加任何附加设备的情况下,系统通过智能天线测角,用同步CDMA测距,就可提供用户精确的方位和距离等位置信息。这与2G以及其他3G技术提供的基于位置的增值服务有本质的不同,因为在其他系统中,系统需要增加额外的如GPS等设备来获取用户的位置信息。TD-SCDMA系统可为运营商降低运营此类业务的成本,为运营商获取更多的利润创造了条件。

    所以,TD-SCDMA更适合今后移动数据及多媒体传输等业务的应用。

TD-SCDMA 具有全球漫游的基础:无论采取哪种分配频率的方式,而随着TDD技术融合,目前国际上只有TD-SCDMA一种TDD技术制式在进行实际的产品开发。因此,TD-SCDMA可实现在不同国家间的应用与漫游,其市场前景看好。

    国际电联在确定第三代移动通信标准时,定义了FDD与TDD两种技术模式,并为这两种制式规划了相应的使用频段。早在1999年3月欧洲某些国家已经完成了牌照的发放及频段的分配(如芬兰),也有一些国家至今还未完成牌照的发放工作(如爱尔兰)。有的国家采用所谓的“选美”方式进行牌照发放,另外一些国家则采取“拍卖”的方式(其中德国和 英国最为典型)。在亚洲的部分运营商也进行了TDD频谱的分配,例如香港,台湾,新加坡也分别对一些运营商分配了5MHz的TDD频段。

    而在美国,由于其国家无线电频谱管理的特色,使其频谱的使用比较自由和凌乱,3G频率规划困难较大,短期内难以清理出用于FDD方式的成对3G频率。以FDD方式工作的纯3G的WCDMA、CDMA2000制式设备的使用,尚看不到应用前景。前不久美国公布了TDD频段的规划,为TDD腾出了31MHz的频率,这使TDD技术设备在美国的发展提供了一定的空间。从美国已清理出的TDD频段来看,也都是一些零散的频段,很少有超过4兆赫兹的,这样的频段在第三代移动通信系统中也只有TD-SCDMA才可使用。TD-SCDMA由于采用TDD方式,并且是低码片速率的系统,只要运营商能提供2M以上的带宽,就可以实现TD-SCDMA第三代移动通信系统的运营。

    可见,无论采取哪种分配频率的方式,除美国外多数国家共同点是FDD和 TDD频段同时被授予运营商,部分国家有拥有单一TDD频段的运营商。而随着TDD技术融合,目前国际上只有TD-SCDMA一种TDD技术制式在进行实际的产品开发。因此,TD-SCDMA可实现在不同国家间的应用与漫游,其市场前景看好。

    但由于FDD技术中有欧洲的WCDMA与美国的CDMA2000两种技术制式,而欧美两大阵营又互不相让,致使美国的CDMA2000难以进入欧洲市场,欧洲的WCDMA也难以在北美大发展。结果将是此两种技术的全球漫游均受到政治与经济利益的制约而实现困难,其全球市场均有一定的局限性。

    因此,TD-SCDMA具有频谱利用率高,系统容量大,系统设备成本竞争优势强,移动速度可满足ITU的要求,网络建设费用低,可最佳适合移动因特耐特这种非对称数据业务的应用,在全球均拥有可使用的TDD频段,可实现全球漫游等特点。这使得今后使用TD-SCDMA技术设备的运营商,在第三代移动通信的市场竞争中,在资费竞争、开展各种基于移动非对称及位置的业务,以及实现全球漫游等方面具有明显的优势。可见,TD-SCDMA是具有广泛应用前景的3G技术。


(责任编辑:管理员)
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