TD-CDMA前景分析:新型移动通信将如何发展（上）

poorman

随着互联网的普及，数字通信成了大家的身边之物。从最初只有低速调制解调器，到现在通过ADSL实现高速通信。但由于ADSL属于有线通信，其使用方式受到一定局限，不能“随时随地”地使用。也许用户正渴望无线ADSL的问世吧。
　　提起无线接续互联网，也许首先想到的是像无线LAN那样的接入点服务。这种服务在美国似乎已经非常成功。但实地考察一下就会发现，美国有人群集中且可以长时间休闲的场所，而且国土宽广，接入点与接入点间的距离远远超出了步行的范围。与日本的国情完全不同。

　　因此，如何确保高速互联网也能“随时随地”地接入就成为一项重要课题。确保移动灵活性，作为无线ADSL， IMT-2000标准中所包含的无线方式TD-CDMA（Time Division-CDMA）值得期待。笔者坚信这种TD-CDMA也一定能适用于第4代移动通信。

TD-CDMA起源于日本
　　TD-CDMA的原型来自于本文编辑中川正雄与其学生Riaz Esmailzadeh于1991年8月在日本电子信息通信学会SST（Spread Spectrum Technology）研究会上提出的方案。

　　编辑从PHS（Personal Handy phone System）原理中感受到了TDD（Time Division Duplex：时分双工）在简易性方面的魅力。所谓Duplex（双工），就好比声音中的“喂喂”、“是的是的”，或者图像中为相互看到对方而发出的联络信号。TDD的别名又叫乒乓传输，能高速将双方的短脉冲信号错开时间进行交换。将目光转向PHS以外的话，发现有线通信中的ISDN也在使用这种方式。

　　笔者意识到将TDD用于CDMA首先会有以下好处，就是可将使用同一频率进行信号传送的移动电话系统、特别是CDMA中存在的发射信号电平控制（Transmit Power Control:TPC）问题简化。

随着互联网的普及，数字通信成了大家的身边之物。从最初只有低速调制解调器，到现在通过ADSL实现高速通信。但由于ADSL属于有线通信，其使用方式受到一定局限，不能“随时随地”地使用。也许用户正渴望无线ADSL的问世吧。
　　提起无线接续互联网，也许首先想到的是像无线LAN那样的接入点服务。这种服务在美国似乎已经非常成功。但实地考察一下就会发现，美国有人群集中且可以长时间休闲的场所，而且国土宽广，接入点与接入点间的距离远远超出了步行的范围。与日本的国情完全不同。

　　因此，如何确保高速互联网也能“随时随地”地接入就成为一项重要课题。确保移动灵活性，作为无线ADSL， IMT-2000标准中所包含的无线方式TD-CDMA（Time Division-CDMA）值得期待。笔者坚信这种TD-CDMA也一定能适用于第4代移动通信。

TD-CDMA起源于日本
　　TD-CDMA的原型来自于本文编辑中川正雄与其学生Riaz Esmailzadeh于1991年8月在日本电子信息通信学会SST（Spread Spectrum Technology）研究会上提出的方案。

　　编辑从PHS（Personal Handy phone System）原理中感受到了TDD（Time Division Duplex：时分双工）在简易性方面的魅力。所谓Duplex（双工），就好比声音中的“喂喂”、“是的是的”，或者图像中为相互看到对方而发出的联络信号。TDD的别名又叫乒乓传输，能高速将双方的短脉冲信号错开时间进行交换。将目光转向PHS以外的话，发现有线通信中的ISDN也在使用这种方式。

　　笔者意识到将TDD用于CDMA首先会有以下好处，就是可将使用同一频率进行信号传送的移动电话系统、特别是CDMA中存在的发射信号电平控制（Transmit Power Control:TPC）问题简化。


图1：CDMA的远近效应
如果终端与基站距离不同的话，远处终端的发射信号将被近处终端的发射信号所覆盖。

  
图2：FDD需要防护频带
由于FDD的上行链路与下行链路分别使用不同的频率，所以需要有较宽的防护频带。

  
图3：在很短的保护时间内进行切换的TDD
由于TDD使用同一频率来实现上行链路与下行链路的切换，所以需要一段很短的保护时间。

  
图4：发射信号电平控制系统
相对于基站与终端全都进行控制的FDD，TDD由于上行链路与下行链路的传输具有关联关系，终端可根据下行链路的电平来控制上行链路的电平。

　　CDMA在研究阶段遇到一个问题，就是距基站远近不同的手机混在一起使用时，离基站较远的手机无法进行通信（图1）。由于手机向基站发出的信号功率大小是一样的，但远处手机的信号在到达基站前衰减较多。

　　这样一来，由于近处手机的信号电平大于远处的手机，所以基站就只接收距离较近的手机信号。这就是所谓的远近效应。为消除远近效应，手机与基站间必须通过控制信号将功率保持在适当的水平上。

　　但如果是TDD的话，无需交换控制信号就可以控制发射信号电平。分析结果表明，在通过TDD控制信号电平时，即使基站不向终端发送控制信号，手机本身也完全可以实现TPC。在当初发表时被命名为TDD-CDMA，后来根据IMT-2000标准进行了改进，就改名为TD-CDMA。

有效使用同一频率
　　首先通过图2与图3来比较一下TDD与FDD（Frequency Division Duplex：频分双工）的原理有何不同。

　　FDD继第一代模拟手机之后仍采用传统的双工模式。手机到基站的上行链路（图中朝上的箭头）与基地到手机的下行链路（图中朝下的箭头）采用不同的频带。为防止这两个频带相互干扰而必须保持一定间隔。中间的间隔频带就是作为缓冲的保护频带，可用于其他用途。在IMT-2000中保护频带的带宽达到100MHz。

　　为什么要有保护频带呢？原因就在于手机的结构。手机将信号发送单元与信号接收单元全都收容到同一个小盒子里。因此，在用同一天线接收很微弱信号的同时，还必须将较强的信号发送出去。在对信号接收与发送进行切换的检波器上，有时接收信号与发送信号的电平差能达到100dB，此时若上行与下行链路的频带相邻的话，检波器就难以切断发送信号。因此，需要一个保护频带将信号频带隔开。如果频率分配比较宽裕的话，也就很容易申请到保护频带，但考虑到可以分配的频率越来越少，今后要获得频率配额将会非常困难。

　　而TDD利用的则是同一频带。下行链路与上行链路进行交互传输。这样一来，就可以像图3那样通过很短的保护时间将两条链路分离开来。

　　另外，通过转换开关对上行链路与下行链路的利用时间进行相互切换。与检波器相比，转换开关的切断效果较好，缩短了保护时间。但如果覆盖区域较大时，产生的时间差也较大，因此要有更长的保护时间。因为基站与移动台之间还存在时间延迟问题。

　　如采用TD-CDMA，以目前的保护时间可以完全满足半径7公里以内的通信。但半径范围超过7公里后再采用这一保护时间就不行了。

控制发射信号电平更加简单
　　手机是否采用CDMA曾在80年代后半期到90年代初引起很大争议。但不久以后，在“多个手机的发射信号可以以同一电平被基站接收”这一理想状态下CDMA具有优势的观点被大多数人所认可。

　　但FDD使用的TPC（发射信号电平控制）结构复杂。在变动较大的移动通信中，基站要不停地测定输入信号电平，再将控制信号反馈到移动台以便进行控制。而且还存在延迟问题。

　　如果是TDD的话，由于使用的是同一频率，只要上行链路的通信状态保持良好，下行链路的通信状态同样也是良好的。因此，如果基站的发射信号电平固定的话，移动台的接收信号电平降低后就会自动提高发射信号电平，从而使基站的发射信号电平保持稳定（图4）。也就是说，仅靠终端的控制就能调节发射信号电平。而FDD的上行链路与下行链路频率不同，所以无法通过一条链路的通信状况去推算另一条链路的通信状况，因此也就难以进行这样的操作。

　　松下通信产业（现松下移动通信企业）对这一特性进行了详细试验。根据该企业的报告，在室内实验中，TDD的发射信号电平控制所需的输出功率比FDD还要好数个dB，野外实验时在横滨市佐江户以40km时速行走了1km，完全证实了这一能力。