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基金項(xiàng)目：國家“863”計(jì)劃項(xiàng)目(2006AA01Z257)；國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(60602058、60572120)
時(shí)分－同步碼分多址(TD-SCDMA)是由中國提出的時(shí)分雙工(TDD)模式的第3代移動(dòng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是3GPP標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)重要組成部分。TD-SCDMA采用了很多先進(jìn)的無線通信技術(shù)，如上行同步碼分多址、智能天線、聯(lián)合檢測、軟件無線電、接力切換和動(dòng)態(tài)信道分配技術(shù)等[1]。TDD模式不需要對(duì)稱頻帶，無線資源在上下行間可以靈活分配，更適合于數(shù)據(jù)傳輸這樣的非對(duì)稱業(yè)務(wù)，在無線頻帶資源越來越短缺的今天，逐漸成為B3G/4G系統(tǒng)研究的焦點(diǎn)。在中國，頻分雙工(FDD)，包括寬帶碼分多址(WCDMA)和CDMA2000模式，總共分得90 MHz頻帶帶寬，而TDD模式分得了155 MHz的帶寬，反映出中國政府對(duì)TD-SCDMA的大力支持，并預(yù)示了其良好的發(fā)展前景。
與WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)相比，TD-SCDMA有其技術(shù)上的優(yōu)勢，但缺乏商用經(jīng)驗(yàn)。而在未來的演進(jìn)過程中，TD-SCDMA與WCDMA具有很好的兼容性，這為未來在多系統(tǒng)之間進(jìn)行切換和漫游打下了良好的基礎(chǔ)。同時(shí)TD-SCDMA與WCDMA使用的都是3GPP提出的核心網(wǎng)版本，這種天然的結(jié)合使兩種系統(tǒng)在未來的發(fā)展道路上可以相互扶持與互補(bǔ)。從商業(yè)和投資的角度來看，核心網(wǎng)只占總系統(tǒng)投資的30%左右，所以，在未來演進(jìn)過程中，TD-SCDMA與WCDMA的兼容依然是研究的重點(diǎn)。雖然與CDMA2000系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)有較大的差異，但為了全球通信服務(wù)的普遍性和用戶的方便性，與CDMA2000系統(tǒng)的兼容也成為商業(yè)和技術(shù)研究關(guān)注的焦點(diǎn)。
TD-SCDMA在熱點(diǎn)覆蓋地區(qū)峰值速率可達(dá)2 Mb/s，在中速移動(dòng)環(huán)境下可達(dá)384 kb/s，在高速移動(dòng)環(huán)境下可達(dá)144 kb/s。然而隨著移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的高速增長，TD-SCDMA的2 Mb/s的峰值速率將無法滿足需求。同時(shí)，根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)的估計(jì)，新的B3G蜂窩系統(tǒng)可提供的100 Mb/s～1 Gb/s的峰值速率預(yù)計(jì)將在2015年實(shí)現(xiàn)。與CDMA2000采用3載波的技術(shù)相似，TD-SCDMA也有單載波和多載波系統(tǒng)之分，采用多載波可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，但也會(huì)加大系統(tǒng)的復(fù)雜度。另一方面，移動(dòng)通信技術(shù)和無線寬帶接入技術(shù)的融合也進(jìn)行得如火如荼。TD-SCDMA與無線局域網(wǎng)(WLAN)的融合可以在室內(nèi)環(huán)境或熱點(diǎn)地區(qū)提供54 Mb/s的峰值速率，有效地彌補(bǔ)了TD-SCDMA熱點(diǎn)地區(qū)的覆蓋。隨著以IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無線城域網(wǎng)技術(shù)(一般稱為WiMAX)的發(fā)展，TD-SCDMA與WiMAX的融合也已進(jìn)入正式規(guī)劃日程當(dāng)中，并成為現(xiàn)今技術(shù)討論的焦點(diǎn)。WiMAX可以在20 MHz的帶寬下提供75 Mb/s的峰值速率，為TD-SCDMA系統(tǒng)起到了強(qiáng)有力的補(bǔ)充效果，尤其是IEEE 802.16e的提出，使融合系統(tǒng)在移動(dòng)速度支持上得到很大改善。
3GPP從2004年11月開始著手其長期演進(jìn)計(jì)劃(LTE)，LTE的目標(biāo)是增大蜂窩通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和容量，提高吞吐量，降低成本并減少服務(wù)時(shí)延，同時(shí)改善服務(wù)質(zhì)量，為用戶提供新的體驗(yàn)和感受。LTE的發(fā)展將在現(xiàn)有3G規(guī)劃頻帶上，以成熟的B3G新技術(shù)為基礎(chǔ)，向B3G/4G系統(tǒng)平滑過渡，并保持通信系統(tǒng)在未來的可持續(xù)發(fā)展性。
中國政府出資發(fā)展TDD未來演進(jìn)系統(tǒng)，并致力于B3G/4G TDD系統(tǒng)中空中接口和新網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架等關(guān)鍵技術(shù)的研究。其目標(biāo)是對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)覆蓋，并提供100 Mb/s～1 Gb/s的峰值速率。通過采用多輸入多輸出(MIMO)多天線技術(shù)和正交頻分復(fù)用(OFDM)多載波技術(shù)，第一個(gè)發(fā)布版本在20 MHz的帶寬內(nèi)在下行傳輸中可以實(shí)現(xiàn)100 Mb/s的速率，在上行可達(dá)50 Mb/s的傳輸速率，同時(shí)，頻帶利用率可達(dá)2 bps/Hz～5 bps/Hz。由于TDD系統(tǒng)的眾多優(yōu)點(diǎn)，TD-SCDMA演進(jìn)到LTE/B3G TDD將勢在必行[2]。
本文論述了TDD系統(tǒng)由TD-SCDMA到TDD未來演進(jìn)系統(tǒng)的演進(jìn)過程。由于TDD未來演進(jìn)系統(tǒng)到2015年才能實(shí)現(xiàn)商用，并且TD-SCDMA到TDD未來演進(jìn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率的跨度很大，所以在TD-SCDMA到TDD未來演進(jìn)系統(tǒng)過程中必將存在一些過渡階段。TD-SCDMA的演進(jìn)從引入新技術(shù)角度和峰值速率角度大體可分為4個(gè)階段，而每個(gè)階段又有著不同的技術(shù)層次：TD-SCDMA單載波和多載波階段、HSxPA TDD的單載波和多載波以及與無線寬帶技術(shù)融合階段、LTE TDD單載波和多載波階段、TDD未來演進(jìn)階段(TDD B3G/4G)。
1 TD-SCDMA到B3GTDD未來演進(jìn)
TD-SCDMA的演進(jìn)目標(biāo)是提供更高速率的服務(wù)，降低時(shí)延和成本，改善覆蓋范圍和容量。而為了達(dá)到這樣的目的，將引入許多先進(jìn)的技術(shù)，如自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)、混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳(HARQ)、OFDM、MIMO和多載波技術(shù)等，其中許多革命性技術(shù)在演進(jìn)過程中起著關(guān)鍵的作用，是峰值速率不斷提高的根本動(dòng)力。
在TD-SCDMA演進(jìn)的過程中，隨著用戶業(yè)務(wù)需求的不斷擴(kuò)大，單載頻系統(tǒng)中的部分小區(qū)(例如繁華地帶)可能會(huì)出現(xiàn)業(yè)務(wù)量過大而無法承受的情況，因此必須考慮使用新的技術(shù)方案來對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)容。系統(tǒng)擴(kuò)容可以通過小區(qū)分裂或者增加載頻等方式來實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于前者來說，后者對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計(jì)等影響較小，且成本更低。因此，引入多載波技術(shù)可以有效解決系統(tǒng)容量不足的問題。通過引入HSxPA(包括HSDPA和HSUPA，還有增強(qiáng)技術(shù)HSPA+)能夠進(jìn)一步地提高上下行鏈路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的吞吐量，HSxPA時(shí)代最顯著的技術(shù)是AMC和HARQ。
MIMO和OFDM技術(shù)是在B3G/4G系統(tǒng)中最為革命性的技術(shù)，是LTE TDD時(shí)代顯著的標(biāo)志。OFDM技術(shù)可以有效地改善頻譜效率，隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)代信號(hào)處理技術(shù)的進(jìn)步，快速傅立葉變換/快速傅立葉逆變換(FFT/IFFT)的實(shí)現(xiàn)使OFDM技術(shù)在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度大大降低。隨著MIMO多天線技術(shù)的發(fā)展，在通信鏈路中引入了空域的概念，與時(shí)域、頻域和碼域一起獲得分集或復(fù)用增益，使通信系統(tǒng)的容量成倍增加，從而從本質(zhì)上提高了傳輸速率。但MIMO技術(shù)更適于平坦信道，而在寬帶無線通信中大多是頻率選擇性信道，這時(shí)，OFDM與MIMO的結(jié)合，恰好利用了OFDM的循環(huán)前綴(CP)技術(shù)，克服多徑影響，把頻率選擇性信道改造為平坦信道，再應(yīng)用MIMO技術(shù)，傳輸增益顯著[3]。
如上所述，從TD-SCDMA到TDD未來演進(jìn)時(shí)代的演進(jìn)過程如圖1所示，演進(jìn)過程大體分為4個(gè)階段，每個(gè)階段又分不同層次：分別是單載波/多載波TD-SCDMA系統(tǒng)、單載波/多載波HSxPA系統(tǒng)、 LTE系統(tǒng)和基于TD-SCDMA的第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)(即TDD B3G/4G)。
1.1TD-SCDMA第1階段
第一階段主要包括單載波和多載波的TD-SCDMA，采用的關(guān)鍵技術(shù)包括CDMA、上行同步、智能天線、聯(lián)合檢測、動(dòng)態(tài)信道分配等，核心網(wǎng)基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的R4版本，單載波極限速率為2 Mb/s，而對(duì)于N 載波技術(shù)，理論極限速率可以達(dá)到N× 2 Mb/s。
1.1.1單載波技術(shù)
TD-SCDMA階段就是現(xiàn)在的TD-SCDMA系統(tǒng)，采用了智能天線、聯(lián)合檢測、動(dòng)態(tài)信道分配、軟件無線電、上行同步碼分多址技術(shù)、接力切換、低碼片速率、多時(shí)隙、可變擴(kuò)頻、自適應(yīng)功率調(diào)整和3GPP提出的高層協(xié)議和核心網(wǎng)。TD-SCDMA核心網(wǎng)采用R4版本。TD-SCDMA與WCDMA系統(tǒng)有很好的兼容性，并且滿足了國際電聯(lián)和3GPP提出的3G系統(tǒng)的指標(biāo)要求，實(shí)現(xiàn)了3G的各種場景環(huán)境。由于采用TDD模式，上下行鏈路使用同一頻率，同一時(shí)刻上下行鏈路的空間物理特性相似，可以采取一些自適應(yīng)無線信號(hào)處理技術(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)上下行鏈路間的靈活切換。這一模式的優(yōu)勢是，在上下行鏈路間的時(shí)隙分配可以被一個(gè)轉(zhuǎn)換點(diǎn)改變，以滿足不同的業(yè)務(wù)要求。通過改變上下行鏈路的轉(zhuǎn)換點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)所有3G對(duì)稱和非對(duì)稱業(yè)務(wù)。TD-SCDMA與聯(lián)合檢測相結(jié)合，在傳輸容量方面有顯著增益。通過引進(jìn)智能天線，容量還可以進(jìn)一步提高。智能天線憑借其天線定向性和智能性減小了小區(qū)內(nèi)和小區(qū)間的干擾，能夠提供更好的通信質(zhì)量，提高系統(tǒng)容量，并且擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍。
1.1.2多載波技術(shù)
多載波技術(shù)是相對(duì)單載波技術(shù)而言的，就是在一個(gè)小區(qū)中配置多個(gè)載頻。若將每個(gè)載頻視為一個(gè)邏輯小區(qū)，則多載波小區(qū)實(shí)際上等效于將原來獨(dú)立的多個(gè)單載波小區(qū)合并到一起，并將公共信道進(jìn)行合并，這樣就形成了一個(gè)多載波小區(qū)，從而大大提高系統(tǒng)的業(yè)務(wù)承載能力。多載波技術(shù)的提出是從發(fā)展的角度來看待網(wǎng)絡(luò)容量的演變，這將有利于TD-SCDMA系統(tǒng)的進(jìn)一步完善。在不考慮頻率間相互干擾的情況下，多載波TD-SCDMA系統(tǒng)的容量將會(huì)是單載波系統(tǒng)容量的N 倍(N 為載波數(shù))。然而由于小區(qū)內(nèi)載頻間的混疊干擾，系統(tǒng)容量將會(huì)小于N 倍單載頻系統(tǒng)的容量。
1.2TD-SCDMA第2階段
TD-SCDMA演進(jìn)的第二階段主要包括引入高速數(shù)據(jù)分組接入(HSDPA)和高速上行分組接入(HSUPA)，同時(shí)需要考慮和其他無線寬帶接入系統(tǒng)的融合，共同支撐高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的傳輸，比如TD-SCDMA和WiMAX在核心網(wǎng)的融合等。此時(shí)采用的關(guān)鍵技術(shù)主要包括AMC、HARQ、快速分組調(diào)度(FPS)等，核心網(wǎng)基于IP多媒體子系統(tǒng)(IMS)，對(duì)于單載波HSDPA/HSUPA來說，理論極限速率為2.8 Mb/s，對(duì)于3載波HSDPA/HSUPA來說，理論極限速率為8.4 Mb/s；當(dāng)與WiMAX融合時(shí)，其理論極限速率可達(dá)75 Mb/s(20 MHz帶寬時(shí))。
1.2.1單載波技術(shù)
HSxPA可以在現(xiàn)有TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行演進(jìn)，在無線接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行相應(yīng)地修改，使得下行傳輸速率提升到每載波2.8 Mb/s，其中網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及核心網(wǎng)絡(luò)保持不變。HSxPA為運(yùn)營商提供了更廣闊的空間，為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最終超過語音業(yè)務(wù)奠定了理論技術(shù)基礎(chǔ)。HSxPA是一種新的通用移動(dòng)通信系統(tǒng)陸地?zé)o線接入網(wǎng)(UTRAN)傳輸技術(shù)，是對(duì)普通傳輸技術(shù)的一種補(bǔ)充。它通過采用高階調(diào)制方式和快速重傳機(jī)制增加系統(tǒng)吞吐量，減少傳輸時(shí)延，提高峰值速率。
HSxPA與普通傳輸技術(shù)相比，其主要區(qū)別在于對(duì)信道質(zhì)量變化進(jìn)行補(bǔ)償。普通傳輸技術(shù)通過快速功率控制維持恒定的數(shù)據(jù)速率，適合實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的傳輸，例如話音業(yè)務(wù)。而在HSxPA中，所有用戶的下行總發(fā)射功率在傳輸過程中維持恒定。假定每個(gè)用戶的功率保持恒定，則離基站近的用戶路損較小，干擾較低，從而信道容量更高。離基站遠(yuǎn)的用戶信道容量相對(duì)較低，HSxPA通過改變編碼調(diào)制方式，以及HARQ機(jī)制來使數(shù)據(jù)速率隨信道容量的變化而變化。顯然，這種方式不能用于承載實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，但對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)則非常合適。在信道質(zhì)量良好的情況下，HSxPA的理論峰值速率可以達(dá)到2.8 Mb/s。如果捆綁多個(gè)載波提供HSxPA的話，理論峰值速率可以達(dá)到N×2.8 Mb/s(N 為載波個(gè)數(shù))。在這個(gè)階段里，根據(jù)3GPP的R5版本，基于全I(xiàn)P的核心網(wǎng)將建成并投入使用，并引入IMS以提供基于IP的服務(wù)質(zhì)量(QoS)。
1.2.2多載波技術(shù)
在TD-SCDMA系統(tǒng)中，由于每個(gè)載波帶寬只有1.6 MHz，所以即使使用5個(gè)下行時(shí)隙，TDD HSxPA也只能達(dá)到2.8 Mb/s的下行速率。而FDD的理論峰值速率能達(dá)到14.4 Mb/s，WLAN能達(dá)到54 Mb/s。與它們相比，TD-SCDMA有不錯(cuò)的頻譜效率，然而單個(gè)用戶的峰值速率則遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
若采用多載波的與HSxPA，允許用戶同時(shí)在多個(gè)載波上收發(fā)數(shù)據(jù)，則在3個(gè)載波的情況下，數(shù)據(jù)被分配到3個(gè)載波上同時(shí)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達(dá)到8.4Mb/s。隨著載波個(gè)數(shù)的增長，峰值速率還可以繼續(xù)增長。這種方案的好處是，既可以達(dá)到很高的峰值速率，又可以實(shí)現(xiàn)靈活的配置。當(dāng)所在地區(qū)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求不是很大時(shí)，可以只使用一部分載波捆綁實(shí)現(xiàn)HSxPA業(yè)務(wù)。隨著需求的增長，可以通過網(wǎng)絡(luò)重新規(guī)劃，使用更多的載波提供HSxPA業(yè)務(wù)。
對(duì)于WCDMA，如果要在10 MHz的帶寬內(nèi)提供HSDPA，要求上、下行的5 MHz帶寬分別都是連續(xù)的。而TD-SCDMA則可以使用6個(gè)分離的1.6 MHz載波。在載波資源受限的情況下，這無疑是一個(gè)極大的優(yōu)勢。
1.2.3MIMO與HSxPA的結(jié)合
在通信系統(tǒng)中，通過采用多天線技術(shù)，在空域上實(shí)現(xiàn)空間分集、空間復(fù)用和波束成形，系統(tǒng)性能和傳輸能力能夠得到很大提高。尤其在發(fā)送和接收時(shí)，不同天線上的衰落相對(duì)獨(dú)立，信道容量和天線數(shù)呈線性增長關(guān)系。3GPP在R5版本中已經(jīng)提出了很多MIMO方案來增強(qiáng)系統(tǒng)性能(如基于每根天線的速率控制)。在R6版本中，3GPP將MIMO技術(shù)引入TD-SCDMA系統(tǒng)，從而在3載波上可實(shí)現(xiàn)14.4 Mb/s的峰值速率。有關(guān)HSxPA的演進(jìn)和增強(qiáng)(稱為HSPA+)目前還在標(biāo)準(zhǔn)化過程中，建議采用MIMO和高階調(diào)制編碼方案，以提供更高的傳輸速率。
1.2.4分布式天線系統(tǒng)技術(shù)
TD-SCDMA采用了智能天線和聯(lián)合檢測技術(shù)，系統(tǒng)容量受限主要是由于小區(qū)間干擾引起的，而不是由于小區(qū)內(nèi)干擾引起的。TD-SCDMA小區(qū)的呼吸效應(yīng)并不明顯，如果可以減弱小區(qū)間干擾，就可進(jìn)一步改善系統(tǒng)容量。使用分布式天線可以增加覆蓋范圍并減少快衰影響。分布式天線采用多根鄰近的天線使用一個(gè)處理單元的方法，形成一個(gè)邏輯的多天線陣列，同時(shí)為用戶服務(wù)。下行同時(shí)發(fā)射相同的信號(hào)給用戶，上行多個(gè)天線同時(shí)接收，送回處理中心進(jìn)行處理。天線端盡量簡化以減少成本，除了基本的部分，對(duì)信號(hào)的處理通常集中在處理中心。
分布式天線系統(tǒng)對(duì)服務(wù)區(qū)域?qū)崿F(xiàn)了較好的均勻覆蓋，性能得到提高，特別是提高了切換的性能，當(dāng)用戶在同一個(gè)服務(wù)區(qū)域內(nèi)移動(dòng)時(shí)，盡管使用了不同的天線為其服務(wù)，但不需要進(jìn)行切換。通過多個(gè)不同地點(diǎn)天線的接收，可以實(shí)現(xiàn)宏分集以抵抗陰影衰落。資源管理更加靈活，處理中心可以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一動(dòng)態(tài)地分配資源，優(yōu)化資源使用，極大地提高頻譜效率，并且通過軟件配置、管理的小區(qū)結(jié)構(gòu)能更好地適應(yīng)不同時(shí)段、不同地點(diǎn)的業(yè)務(wù)變化。
1.2.5MBMS技術(shù)
組播和廣播業(yè)務(wù)(MBMS)是對(duì)現(xiàn)有WCDMA移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的增強(qiáng)，可與現(xiàn)有移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)無縫融合，方便移動(dòng)運(yùn)營商對(duì)手機(jī)電視業(yè)務(wù)的運(yùn)營。然而3GPP在R6版本中的TDD模式下也提出了MBMS。MBMS技術(shù)與其他數(shù)字電視廣播技術(shù)具有完全不同的商業(yè)模式，MBMS提供了一套完全由移動(dòng)運(yùn)營商運(yùn)營、控制的廣播/多播傳輸通道。
MBMS可以利用蜂窩網(wǎng)已有的雙向信道實(shí)現(xiàn)交互。除了廣播業(yè)務(wù)，MBMS還可以提供更豐富的組播業(yè)務(wù)；通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)修復(fù)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)高可靠的下載業(yè)務(wù)。通過交互信道實(shí)現(xiàn)靈活的計(jì)費(fèi)。MBMS可用于承載移動(dòng)廣播電視業(yè)務(wù)，但并不局限于此，MBMS還可以為用戶提供多種豐富的推(PUSH)業(yè)務(wù)，而其中許多業(yè)務(wù)已經(jīng)在現(xiàn)網(wǎng)中開始運(yùn)營，如果將MBMS引入網(wǎng)絡(luò)，能夠?yàn)樵黾訕I(yè)務(wù)傳送容量帶來收益。
如何將MBMS與蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)復(fù)用在一起漸漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，現(xiàn)在新的提案中大致有兩種模式，一種是時(shí)分復(fù)用(TDM)模式，另一種是頻分復(fù)用(FDM)模式。在TDM模式中，可以使用長的循環(huán)嵌綴，來得到更好的抗多徑性能。但TDM模式不支持可變帶寬，只能工作在10 MHz的帶寬下。在FDM模式中，由于MBMS與蜂窩網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)復(fù)用在一個(gè)OFDM符號(hào)里，所以只可使用蜂窩系統(tǒng)的CP(CP較短)。但FDM模式支持可變帶寬，可以工作在多種選擇的帶寬模式下。
MBMS的引入對(duì)于現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)是一種有效的補(bǔ)充，可在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上增加和改善一些功能實(shí)體，為用戶提供更多的服務(wù)。
1.2.6TD-SCDMA和BWA的融合
TD-SCDMA和寬帶無線接入(BWA)相比，峰值速率不夠高，但可以實(shí)現(xiàn)大面積覆蓋，而BWA在低速移動(dòng)環(huán)境下可以提供高速率業(yè)務(wù)，如IEEE 802.11a WLAN可以提供54 Mb/s的峰值速率。TD-SCDMA和WLAN的融合，可以在熱點(diǎn)地區(qū)使用WLAN來提供高速率業(yè)務(wù)傳輸，同時(shí)使用TD-SCDMA來實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋。
TD-SCDMA與WiMAX的融合也已進(jìn)入規(guī)劃日程，并成為現(xiàn)今技術(shù)討論的焦點(diǎn)。WiMAX可以在20 MHz的帶寬下提供75 Mb/s的峰值速率，為TD-SCDMA系統(tǒng)在熱點(diǎn)地區(qū)的覆蓋起到了強(qiáng)有力的補(bǔ)充效果，尤其802.16e(WiMAX的擴(kuò)展版本)的提出，使融合系統(tǒng)在移動(dòng)速度支持上得到很大改善。TD-SCDMA和BWA的融合需要TD-SCDMA終端可以同時(shí)支持BWA接入和TD-SCDMA蜂窩網(wǎng)接入，并且TD-SCDMA和BWA系統(tǒng)應(yīng)該增加一些特殊的功能實(shí)體以支持雙系統(tǒng)融合后的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[4]。
1.3TD-SCDMALTE階段
TD-SCDMA演進(jìn)的第3個(gè)階段則是 LTE，LTE TDD是TD-SCDMA在向4G系統(tǒng)演進(jìn)過程中的過渡階段，目的是在3G的平臺(tái)上使用4G的技術(shù)，為3G系統(tǒng)向4G系統(tǒng)的平滑過渡起到良好的鋪墊作用?，F(xiàn)在LTE的大部分研究都集中在物理層，這個(gè)階段的傳輸性能和通信參數(shù)與TDD未來演進(jìn)時(shí)代十分接近，大多數(shù)技術(shù)特點(diǎn)是用于增強(qiáng)系統(tǒng)性能的，如使用MIMO、OFDM、靈活的帶寬選擇(1.25 MHz、1.6 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz)和分布式無線接入網(wǎng)絡(luò)。通過使用MIMO和OFDM技術(shù)，在20 MHz的帶寬內(nèi)下行峰值速率可達(dá)到100 Mb/s，上行可達(dá)到50 Mb/s。所有的服務(wù)在共享和公用信道上提供，并且將使用基于IPv6的核心網(wǎng)。
考慮到OFDM技術(shù)在上行鏈路的峰均比高，只在下行鏈路使用OFDM技術(shù)，而在上行鏈路使用單載波技術(shù)，包括交織的頻分多址(IFDMA)和離散傅立葉變換－擴(kuò)展正交頻分復(fù)用(DFT-SOFDM)，在下行主要使用正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)。IFDMA設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)沒有多址接入干擾的頻分多址(FDMA)，系統(tǒng)中每一個(gè)用戶獨(dú)享一個(gè)子載波集，對(duì)不同用戶的子載波進(jìn)行交織。在IFDMA中，每個(gè)用戶占用的子載波在傳輸頻段上均勻分配，以獲得最大程度上的頻率分集增益。IFDMA的信號(hào)在時(shí)域設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)了低峰均值比(PAPR)。在LTE階段，TD-SCDMA系統(tǒng)和其他無線寬帶接入網(wǎng)絡(luò)的融合開始進(jìn)一步加強(qiáng)，從IP核心網(wǎng)的融合開始向無線接入網(wǎng)的融合過渡，核心網(wǎng)基于全I(xiàn)Pv6的IMS，業(yè)務(wù)不僅僅是傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還包括MBMS業(yè)務(wù)，以及更加靈活的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)業(yè)務(wù)。由于采用了先進(jìn)的物理層處理機(jī)制，其頻譜效率將為2 ~5 bps/Hz。
1.3.1LTE單載波系統(tǒng)
在3GPP LTE中，上行鏈路方案在多載波方案(OFDMA)和單載波方案(SC-FDMA)中抉擇，最終由于多載波方案的高峰均比問題，而采用單載波方案作為上行鏈路方案。SC-FDMA單載波系統(tǒng)包括IFDMA和SOFDM系統(tǒng)。SC-FDMA單載波系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)：低峰均比、用戶間頻域正交使小區(qū)內(nèi)干擾最小化、可以使用低復(fù)雜度的頻域均衡、多選擇的碼片速率。在SC-FDMA單載波系統(tǒng)中，DFT-SOFDM和IFDMA兩系統(tǒng)的比較成為業(yè)界焦點(diǎn)。IFDMA系統(tǒng)是時(shí)域處理的SC-FDMA單載波系統(tǒng)，而DFT-SOFDM系統(tǒng)是頻域處理的SC-FDMA單載波系統(tǒng)。IFDMA比DFT-SOFDM的PAPR性能好，但頻譜效率略低；DFT-SOFDM系統(tǒng)比IFDMA實(shí)現(xiàn)起來更加復(fù)雜。與IFDMA系統(tǒng)相比，DFT-SOFDM與OFDMA系統(tǒng)有更好的兼容性。由以上結(jié)果可以看出DFT-SOFDM更適合作上行的單載波系統(tǒng)。
1.3.2LTE正交多載波技術(shù)
在3GPPLTE中，下行鏈路方案是多載波OFDMA系統(tǒng)。無論是在3GPPLTE還是在WiMAX中，OFDMA都毫無爭議地成為下行鏈路方案。和其他系統(tǒng)相比，OFDMA有更好的頻譜效率，實(shí)現(xiàn)起來并不復(fù)雜，而多載波的高PAPR問題，可以在基站端做相對(duì)復(fù)雜的處理以減小PAPR，因此最終的多址接入方案應(yīng)考慮為了減少PAPR所帶來的額外復(fù)雜度和鏈路性能增益之間的平衡度。當(dāng)MIMO多天線技術(shù)與OFDMA相結(jié)合時(shí)，會(huì)帶來更大的增益和更優(yōu)的系統(tǒng)性能。
1.3.3MIMO-OFDMA技術(shù)
MIMO-OFDMA 是下一代通信系統(tǒng)中最具有革命性的技術(shù)，是3GPP LTE提高峰值速率和服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)。MIMO多天線技術(shù)在提高頻帶利用率方面有杰出表現(xiàn)，然而，占用頻帶越寬，多徑現(xiàn)象越明顯。傳統(tǒng)的單載波系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)MIMO檢測而大大增加了接收機(jī)的復(fù)雜度，而OFDM的出現(xiàn)恰好可以解決這一問題。OFDM可以有效減弱頻率選擇性衰落的影響和符號(hào)間干擾，所以很適合在無線寬帶信道中實(shí)現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)的傳輸。同時(shí)，OFDM由于使用了FFT/IFFT而變得容易實(shí)現(xiàn)，并且在每個(gè)子載波上使用AMC，可以更有效地利用頻帶。OFDM的這些特點(diǎn)使其在LTE和B3G系統(tǒng)中極具競爭力。把MIMO和OFDM相結(jié)合，有頻率選擇性的MIMO信道可以被分成許多平坦的子信道，同時(shí)MIMO的檢測系統(tǒng)也被簡化。
1.3.4靈活的動(dòng)態(tài)頻率選擇機(jī)制
現(xiàn)今頻譜資源極其短缺，為了能夠有效地利用任意的蜂窩頻譜資源，LTE系統(tǒng)采用靈活的帶寬選擇在不同的帶寬上實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量高速率的信息傳輸，這就是動(dòng)態(tài)頻率選擇技術(shù)。TD-SCDMA系統(tǒng)將在LTE TDD系統(tǒng)之前部署，所以未來的頻率演變中使用1.6 MHz是很有可能的。另外LTE TDD在中國也應(yīng)該考慮1.25 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz的帶寬。這樣，靈活的帶寬選擇可以適應(yīng)通信系統(tǒng)在時(shí)間和區(qū)域上的變化，并有效地利用各種不同的帶寬。
1.3.5無線Mesh
在傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)中，使用的是點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，屬于集中控制機(jī)制，每個(gè)基站負(fù)責(zé)一個(gè)小區(qū)內(nèi)所有用戶的通信。
在未來演進(jìn)的通信系統(tǒng)中，為了提高覆蓋范圍和系統(tǒng)容量，引入了多跳的概念。多跳是指在原有的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上，使用用戶終端作為中繼，將信號(hào)傳輸至更遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)，從而提高覆蓋范圍，由于有中繼增益也增大了系統(tǒng)容量。另一方面，由于傳統(tǒng)點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)任何一條鏈路的通信都需要經(jīng)過基站，即使兩個(gè)終端離得很近，也要先將信號(hào)傳送至歸屬基站，再由基站傳送至目標(biāo)終端，再加上信令交互的開銷，這樣一條鏈路浪費(fèi)了很大的資源。為了避免這種浪費(fèi)而引入了多點(diǎn)到多點(diǎn)的概念，即指在網(wǎng)絡(luò)中任意兩點(diǎn)都可以自由通信，達(dá)到更快捷、方便、經(jīng)濟(jì)的傳輸數(shù)據(jù)。
在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，對(duì)于一定發(fā)射功率來說，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率越高，覆蓋范圍會(huì)越低。如果超過了最大允許發(fā)射功率，發(fā)射機(jī)必須降低數(shù)據(jù)傳輸速率以增加覆蓋距離。發(fā)射功率一般受到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和用戶設(shè)備電池的限制，所以在蜂窩系統(tǒng)中鄰近基站的用戶需要采用自適應(yīng)技術(shù)以提供較高的數(shù)據(jù)速率，但數(shù)據(jù)速率會(huì)隨著與基站間隔距離增加而急劇下降。而格狀網(wǎng)(Mesh)則不同，Mesh結(jié)構(gòu)正是多跳與多點(diǎn)到多點(diǎn)的融合，如圖3所示。它可以通過跳經(jīng)一系列中間節(jié)點(diǎn)以提供長的端到端通信距離，同時(shí)提供足夠高的數(shù)據(jù)傳輸速率。和發(fā)送端到接收端之間的距離相比，各節(jié)點(diǎn)之間的距離(每跳)相對(duì)較短，每一跳可以完成比直接通信高得多的數(shù)據(jù)傳輸速率，從而使得在長距離的端到端通信系統(tǒng)中同樣能支持高數(shù)據(jù)傳輸速率，也就是說Mesh組網(wǎng)方式使得高數(shù)據(jù)傳輸速率和覆蓋范圍不再是一對(duì)矛盾體而是可以同時(shí)滿足。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)只需傳輸很短的距離，所以它們的發(fā)送功率相對(duì)較小，從而大大降低系統(tǒng)內(nèi)的干擾并使頻率復(fù)用可以更加密集。另外，由于可跳經(jīng)中間節(jié)點(diǎn)傳送數(shù)據(jù)，Mesh網(wǎng)絡(luò)使得信號(hào)可以繞過障礙物和本地網(wǎng)絡(luò)的阻塞物建立健壯的路由。
Mesh結(jié)構(gòu)分為集中式和分布式結(jié)構(gòu)，集中式Mesh結(jié)構(gòu)將傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)以用戶終端作為中繼進(jìn)行擴(kuò)展以增加覆蓋范圍和容量。分布式Mesh結(jié)構(gòu)更加靈活多變，可以減少系統(tǒng)時(shí)延，避免網(wǎng)絡(luò)“瓶頸”和單點(diǎn)故障，并可以改善服務(wù)質(zhì)量和提供多種綜合服務(wù)。分布式網(wǎng)絡(luò)中把用戶信息和控制信令信息分開，以減少服務(wù)時(shí)延，降低系統(tǒng)融合和部署的成本。可以把投資直接轉(zhuǎn)化成網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長，同時(shí)節(jié)省網(wǎng)絡(luò)部署初始階段的開銷。多選擇性的結(jié)構(gòu)功能可提供靈活和高效傳輸性能，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的功能因此得到了優(yōu)化。這樣，B3G和4G的無線接入網(wǎng)只需要在基站和終端做稍許修改即可引進(jìn)到系統(tǒng)中來[5]。
1.3.6點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信技術(shù)
現(xiàn)今在計(jì)算機(jī)網(wǎng)中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，如網(wǎng)絡(luò)電話、比特流(BT)下載等。在無線通信網(wǎng)絡(luò)中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)的引進(jìn)也將成為必然的趨勢。3GPP已經(jīng)把點(diǎn)對(duì)點(diǎn)業(yè)務(wù)提到議事日程當(dāng)中，在LTE及下一代網(wǎng)絡(luò)中，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)結(jié)合Mesh拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將得到進(jìn)一步發(fā)展。在802.11中，分布式的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用的是多點(diǎn)到多點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其中必然要與點(diǎn)對(duì)點(diǎn)技術(shù)相結(jié)合，如圖4所示，左圖是傳統(tǒng)的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)結(jié)構(gòu)，終端之間不可通信，彼此之間的通信必須要經(jīng)過基站，由于基站的帶寬有限，就會(huì)有很多用戶的請(qǐng)求得不到滿足，從整體上看，下載效率很低。右圖是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，打破傳統(tǒng)的“服務(wù)器/客戶端”結(jié)構(gòu)的概念，在通信中兩通信節(jié)點(diǎn)的地位是平等的，可實(shí)現(xiàn)任意兩點(diǎn)間的自由通信。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)的精神實(shí)質(zhì)是“節(jié)點(diǎn)合作”。因此，只要一個(gè)系統(tǒng)中沒有管理者，所有任務(wù)都是依靠結(jié)點(diǎn)之間的交換與配合完成，這個(gè)系統(tǒng)就可以認(rèn)為是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)系統(tǒng)。
1.4基于TD-SCDMA的第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)
對(duì)于基于TD-SCDMA的后3G或者4G系統(tǒng)來說，將采用TDD模式，主要目的在于實(shí)現(xiàn)先進(jìn)國際移動(dòng)通信(IMT-Advanced)提出的高速和低速移動(dòng)環(huán)境下峰值速率分別達(dá)100 Mb/s和1 Gb/s的無線傳輸能力，使用的關(guān)鍵技術(shù)包括感知無線電、網(wǎng)絡(luò)感知等，還將支持無線泛在服務(wù)(Wireless Ubiquitous Service)環(huán)境下的各種無線通信機(jī)制融合。在泛在服務(wù)體系架構(gòu)下，采用各種先進(jìn)技術(shù)，如超寬帶(UWB)和超窄帶(UAN)技術(shù)、感知無線電(Cognitive Radio)和網(wǎng)絡(luò)感知技術(shù)等，以提供高速的數(shù)據(jù)傳輸和最佳的網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)布置方案。網(wǎng)絡(luò)信息論作為一門新的學(xué)科，在后3G或者4G移動(dòng)通信系統(tǒng)中將占重要地位，它將指導(dǎo)泛在無線系統(tǒng)的組網(wǎng)和布置。
在TDD未來演進(jìn)時(shí)代，空中接口網(wǎng)絡(luò)的多樣性和共存性使得用戶可以得到多樣化的服務(wù)，但同時(shí)也給用戶在不同系統(tǒng)之間進(jìn)行切換、漫游帶來很多不便，尤其是終端要適應(yīng)于各種接入網(wǎng)絡(luò)，并且實(shí)現(xiàn)起來不可過于復(fù)雜，成本也不可過高。結(jié)合軟件無線電技術(shù)，終端可下載不同標(biāo)準(zhǔn)的接入網(wǎng)模式和流程，實(shí)現(xiàn)終端在不同網(wǎng)絡(luò)之間的兼容。在未來，組件化的、開放的、分布式體系結(jié)構(gòu)正在成為主流的業(yè)務(wù)生成與提供模式. 這種模式以屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)實(shí)施的細(xì)節(jié)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，提供了良好的設(shè)計(jì)架構(gòu)，使業(yè)務(wù)的生成與部署更加簡便。在移動(dòng)泛在網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)種類極其豐富，而且業(yè)務(wù)提供將面向用戶的最佳體驗(yàn)，即對(duì)服務(wù)QoS的保證。不同的網(wǎng)絡(luò)在保證QoS的前提下可以提供以用戶為中心的普遍服務(wù)。在不同的無線網(wǎng)絡(luò)中支持無縫切換和漫游，這些網(wǎng)絡(luò)可以分擔(dān)服務(wù)負(fù)載，并可以選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)來提供不同的服務(wù)，最大地滿足用戶的需求。
在這個(gè)階段，為滿足下一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的高速率傳輸和無所不在的無線信號(hào)覆蓋的要求，無線中繼及多跳傳輸技術(shù)將會(huì)被采用。無線中繼的基本思想是使用中繼站將基站的信號(hào)重新處理后再發(fā)送出去。這個(gè)處理的過程可以很簡單，比如只是接收信號(hào)然后放大，也可以很復(fù)雜，需要MAC層以上的處理。無線中繼可以分為固定中繼和移動(dòng)中繼。應(yīng)用多跳中繼可以擴(kuò)展小區(qū)的覆蓋范圍，服務(wù)基站信號(hào)的死角地區(qū)，如建筑物陰影、地下等，同時(shí)還可以平衡負(fù)載，轉(zhuǎn)移熱點(diǎn)地區(qū)的業(yè)務(wù)。另外，引入無線中繼還可以節(jié)省終端的發(fā)射功率，從而延長電池壽命。
為了簡化無線頻譜管理，將采用感知無線電技術(shù)，實(shí)現(xiàn)無線環(huán)境的感知。環(huán)境感知的思想就是將網(wǎng)絡(luò)延伸到各個(gè)角落，利用新型無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的環(huán)境感知能力，感知當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境狀況、用戶及周邊環(huán)境場景信息尤其是頻譜信息，并根據(jù)這些狀況利用大量先進(jìn)的物理層技術(shù)做出計(jì)劃、決定和反應(yīng)，把單個(gè)節(jié)點(diǎn)獲得的頻譜信息通告給相鄰的節(jié)點(diǎn)共享，以便充分利用獲得的頻譜資源，提高無線通信的覆蓋范圍，同時(shí)通過靈活的資源分配方式提高頻譜、功率等資源的利用效率。
2 結(jié)束語
TD-SCDMA系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)是提供更高的數(shù)據(jù)速率、低時(shí)延、低成本、優(yōu)化的系統(tǒng)覆蓋和容量，以及對(duì)高移動(dòng)性的支持。而近年來移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的快速增長推動(dòng)著寬帶無線通信系統(tǒng)的演進(jìn)。數(shù)據(jù)速率和QoS需求的快速增長是通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。按照這種發(fā)展趨勢，TD-SCDMA發(fā)展演進(jìn)的歷程分為以下幾個(gè)階段：首先的TD-SCDMA階段分為單載波TD-SCDMA和多載波TD-SCDMA；之后是HSxPA階段，其中包括單載波HSxPA、多載波HSxPA以及HSxPA與無線寬帶接入的融合；下一個(gè)階段是LTE階段，在這個(gè)階段上行傾向于采用單載波傳輸技術(shù)，而下行則使用多載波技術(shù)；最后是基于TD-SCDMA的第4代移動(dòng)通信系統(tǒng)階段。整個(gè)TDD技術(shù)演進(jìn)的過程將是一個(gè)平滑過渡的過程，以最節(jié)省的投資獲得新技術(shù)的更新、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的優(yōu)化，以及最大的用戶滿意度。
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工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論