ＴＤ－ＳＣＤＭＡ移動通信系統(tǒng)的增強和演進

摘要：時分－同步碼分多址(TD-SCDMA)作為具有中國自主知識產(chǎn)權(quán)的第三代移動通信標準之一，即將全面商用化。TD-SCDMA未來的增強和演進是目前熱點問題之一，各種方案不斷提出，但還沒有一個結(jié)合短期發(fā)展和長期發(fā)展的可持續(xù)發(fā)展計劃。根據(jù)采用的關(guān)鍵核心技術(shù)不同，文章提出了TD-SCDMA增強和演進的4階段論：第一階段為當前的TD-SCDMA階段；第二階段是TD-SCDMA短期演進，即HSxPA階段(包括HSDPA、HSUPA和HSPA演進)；第三階段是長期演進階段；最后一階段是基于TD-SCDMA的時分雙工(TDD)超3G(B3G)或者第4代移動通信系統(tǒng)階段。詳細描述了演進過程中每個階段的主要特點，以及多輸入多輸出(MIMO)、正交頻分復(fù)用(OFDM)等新技術(shù)在演進過程的使用。

關(guān)鍵詞：時分同步碼分多址；高速數(shù)據(jù)分組接入；高速上行分組接入；長期演進計劃

Abstract: Time Division - Synchronous Code Division Multiple Access (TD-SCDMA)， a home-grown standard for the third generation mobile communications， is already mature and ready for commercial deployment. The enhancement and evolution of TD-SCDMA systems is a hot topic these days. Many strategies have been proposed， but there are no integrated solutions that can jointly consider the development both in the short term and in the long term. This paper discusses four evolution phases for TD-SCDMA enhancement and evolution， which are proposed according to the key technologies. Phase 1 is about the existing TD-SCDMA system. Phase 2 is the short term evolution of the system， i.e. the period of HSxPA， including evolution of High Speed Downlink Packet Access (HSDPA)， High Speed Uplink Packet Access (HSUPA) and High Speed Packet Access (HSPA). Phase 3 is the Long Term Evolution (LTE). Phase 4 is the Beyond 3G (B3G)/Fourth Generation (4G) mobile communication Time Division Duplex (TDD) system， based on TD-SCDMA. Key characters for every evolution phase are discussed， as well as the new technologies adopted in the evolution process， such as Multiple Input Multiple Output (MIMO) and Orthogonal Frequency Division Multiplexing (OFDM).

Key words: TD-SCDMA; HSDPA; HSUPA; LTE

基金項目：國家“863”計劃項目(2006AA01Z257)；國家自然科學(xué)基金項目(60602058、60572120)

時分－同步碼分多址(TD-SCDMA)是由中國提出的時分雙工(TDD)模式的第3代移動通信技術(shù)標準，是3GPP標準的一個重要組成部分。TD-SCDMA采用了很多先進的無線通信技術(shù)，如上行同步碼分多址、智能天線、聯(lián)合檢測、軟件無線電、接力切換和動態(tài)信道分配技術(shù)等[1]。TDD模式不需要對稱頻帶，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。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。而在未來的演進過程中，TD-SCDMA與WCDMA具有很好的兼容性，這為未來在多系統(tǒng)之間進行切換和漫游打下了良好的基礎(chǔ)。同時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。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，在未來演進過程中，TD-SCDMA與WCDMA的兼容依然是研究的重點。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。

TD-SCDMA在熱點覆蓋地區(qū)峰值速率可達2 Mb/s，在中速移動環(huán)境下可達384 kb/s，在高速移動環(huán)境下可達144 kb/s。然而隨著移動通信業(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，根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU)的估計，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)計將在2015年實現(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，采用多載波可以實現(xiàn)更高的傳輸速率，但也會加大系統(tǒng)的復(fù)雜度。另一方面，移動通信技術(shù)和無線寬帶接入技術(shù)的融合也進行得如火如荼。TD-SCDMA與無線局域網(wǎng)(WLAN)的融合可以在室內(nèi)環(huán)境或熱點地區(qū)提供54 Mb/s的峰值速率，有效地彌補了TD-SCDMA熱點地區(qū)的覆蓋。隨著以IEEE 802.16系列標準為基礎(chǔ)的無線城域網(wǎng)技術(shù)(一般稱為WiMAX)的發(fā)展，TD-SCDMA與WiMAX的融合也已進入正式規(guī)劃日程當中，并成為現(xiàn)今技術(shù)討論的焦點。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)起到了強有力的補充效果，尤其是IEEE 802.16e的提出，使融合系統(tǒng)在移動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計劃(LTE)，LTE的目標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)時延，同時改善服務(wù)質(zhì)量，為用戶提供新的體驗和感受。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。其目標是對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)，第一個發(fā)布版本在20 MHz的帶寬內(nèi)在下行傳輸中可以實現(xiàn)100 Mb/s的速率，在上行可達50 Mb/s的傳輸速率，同時，頻帶利用率可達2 bps/Hz～5 bps/Hz。由于TDD系統(tǒng)的眾多優(yōu)點，TD-SCDMA演進到LTE/B3G TDD將勢在必行[2]。

本文論述了TDD系統(tǒng)由TD-SCDMA到TDD未來演進系統(tǒng)的演進過程。由于TDD未來演進系統(tǒng)到2015年才能實現(xiàn)商用，并且TD-SCDMA到TDD未來演進系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率的跨度很大，所以在TD-SCDMA到TDD未來演進系統(tǒng)過程中必將存在一些過渡階段。TD-SCDMA的演進從引入新技術(shù)角度和峰值速率角度大體可分為4個階段，而每個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未來演進階段(TDD B3G/4G)。

1 TD-SCDMA到B3G TDD未來演進

TD-SCDMA的演進目標是提供更高速率的服務(wù)，降低時延和成本，改善覆蓋范圍和容量。而為了達到這樣的目的，將引入許多先進的技術(shù)，如自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)、混合自動請求重傳(HARQ)、OFDM、MIMO和多載波技術(shù)等，其中許多革命性技術(shù)在演進過程中起著關(guān)鍵的作用，是峰值速率不斷提高的根本動力。

在TD-SCDMA演進的過程中，隨著用戶業(yè)務(wù)需求的不斷擴大，單載頻系統(tǒng)中的部分小區(qū)(例如繁華地帶)可能會出現(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)方案來對系統(tǒng)進行擴容。系統(tǒng)擴容可以通過小區(qū)分裂或者增加載頻等方式來實現(xiàn)。相對于前者來說，后者對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)計等影響較小，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，還有增強技術(shù)HSPA+)能夠進一步地提高上下行鏈路數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的吞吐量，HSxPA時代最顯著的技術(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時代顯著的標志。OFDM技術(shù)可以有效地改善頻譜效率，隨著計算機的發(fā)展和現(xiàn)代信號處理技術(shù)的進步，快速傅立葉變換/快速傅立葉逆變換(FFT/IFFT)的實現(xiàn)使OFDM技術(shù)在系統(tǒng)中實現(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，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未來演進時代的演進過程如圖1所示，演進過程大體分為4個階段，每個階段又分不同層次：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代移動通信系統(tǒng)(即TDD B3G/4G)。

1.1 TD-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、動態(tài)信道分配等，核心網(wǎng)基于3GPP標準的R4版本，單載波極限速率為2 Mb/s，而對于N 載波技術(shù)，理論極限速率可以達到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、多時隙、可變擴頻、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)的指標要求，實現(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)無線信號處理技術(shù)，同時實現(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隙分配可以被一個轉(zhuǎn)換點改變，以滿足不同的業(yè)務(wù)要求。通過改變上下行鏈路的轉(zhuǎn)換點可以實現(xiàn)所有3G對稱和非對稱業(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。通過引進智能天線，容量還可以進一步提高。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)是相對單載波技術(shù)而言的，就是在一個小區(qū)中配置多個載頻。若將每個載頻視為一個邏輯小區(qū)，則多載波小區(qū)實際上等效于將原來獨立的多個單載波小區(qū)合并到一起，并將公共信道進行合并，這樣就形成了一個多載波小區(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)容量將會小于N 倍單載頻系統(tǒng)的容量。

1.2 TD-SCDMA第2階段

TD-SCDMA演進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)，對于單載波HSDPA/HSUPA來說，理論極限速率為2.8 Mb/s，對于3載波HSDPA/HSUPA來說，理論極限速率為8.4 Mb/s；當與WiMAX融合時，其理論極限速率可達75 Mb/s(20 MHz帶寬時)。

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)上進行演進，在無線接入網(wǎng)絡(luò)進行相應(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通信系統(tǒng)陸地?zé)o線接入網(wǎng)(UTRAN)傳輸技術(shù)，是對普通傳輸技術(shù)的一種補充。它通過采用高階調(diào)制方式和快速重傳機制增加系統(tǒng)吞吐量，減少傳輸時延，提高峰值速率。

HSxPA與普通傳輸技術(shù)相比，其主要區(qū)別在于對信道質(zhì)量變化進行補償。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，適合實時數(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。離基站遠的用戶信道容量相對較低，HSxPA通過改變編碼調(diào)制方式，以及HARQ機制來使數(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時業(yè)務(wù)，但對數(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到2.8 Mb/s。如果捆綁多個載波提供HSxPA的話，理論峰值速率可以達到N×2.8 Mb/s(N 為載波個數(shù))。在這個階段里，根據(jù)3GPP的R5版本，基于全IP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，由于每個載波帶寬只有1.6 MHz，所以即使使用5個下行時隙，TDD HSxPA也只能達到2.8 Mb/s的下行速率。而FDD的理論峰值速率能達到14.4 Mb/s，WLAN能達到54 Mb/s。與它們相比，TD-SCDMA有不錯的頻譜效率，然而單個用戶的峰值速率則遠遠不夠。

若采用多載波的與HSxPA，允許用戶同時在多個載波上收發(fā)數(shù)據(jù)，則在3個載波的情況下，數(shù)據(jù)被分配到3個載波上同時傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速率可以達到8.4 Mb/s。隨著載波個數(shù)的增長，峰值速率還可以繼續(xù)增長。這種方案的好處是，既可以達到很高的峰值速率，又可以實現(xiàn)靈活的配置。當所在地區(qū)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求不是很大時，可以只使用一部分載波捆綁實現(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，這無疑是一個極大的優(yōu)勢。

1.2.3 MIMO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，不同天線上的衰落相對獨立，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載波上可實現(xiàn)14.4 Mb/s的峰值速率。有關(guān)HSxPA的演進和增強(稱為HSPA+)目前還在標準化過程中，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處理單元的方法，形成一個邏輯的多天線陣列，同時為用戶服務(wù)。下行同時發(fā)射相同的信號給用戶，上行多個天線同時接收，送回處理中心進行處理。天線端盡量簡化以減少成本，除了基本的部分，對信號的處理通常集中在處理中心。

分布式天線系統(tǒng)對服務(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，當用戶在同一個服務(wù)區(qū)域內(nèi)移動時，盡管使用了不同的天線為其服務(wù)，但不需要進行切換。通過多個不同地點天線的接收，可以實現(xiàn)宏分集以抵抗陰影衰落。資源管理更加靈活，處理中心可以實現(xiàn)統(tǒng)一動態(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)不同時段、不同地點的業(yè)務(wù)變化。

1.2.5 MBMS技術(shù)

組播和廣播業(yè)務(wù)(MBMS)是對現(xiàn)有WCDMA移動網(wǎng)絡(luò)的增強，可與現(xiàn)有移動網(wǎng)絡(luò)無縫融合，方便移動運營商對手機電視業(yè)務(wù)的運營。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運營商運營、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)；通過點對點修復(fù)機制，實現(xiàn)高可靠的下載業(yè)務(wù)。通過交互信道實現(xiàn)靈活的計費。MBMS可用于承載移動廣播電視業(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)中開始運營，如果將MBMS引入網(wǎng)絡(luò)，能夠為增加業(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，現(xiàn)在新的提案中大致有兩種模式，一種是時分復(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OFDM符號里，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的引入對于現(xiàn)有的蜂窩系統(tǒng)是一種有效的補充，可在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上增加和改善一些功能實體，為用戶提供更多的服務(wù)。

1.2.6 TD-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，但可以實現(xiàn)大面積覆蓋，而BWA在低速移動環(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，可以在熱點地區(qū)使用WLAN來提供高速率業(yè)務(wù)傳輸，同時使用TD-SCDMA來實現(xiàn)全網(wǎng)覆蓋。

TD-SCDMA與WiMAX的融合也已進入規(guī)劃日程，并成為現(xiàn)今技術(shù)討論的焦點。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)在熱點地區(qū)的覆蓋起到了強有力的補充效果，尤其802.16e(WiMAX的擴展版本)的提出，使融合系統(tǒng)在移動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體以支持雙系統(tǒng)融合后的協(xié)議標準[4]。

1.3 TD-SCDMA LTE階段

TD-SCDMA演進的第3個階段則是 LTE，LTE TDD是TD-SCDMA在向4G系統(tǒng)演進過程中的過渡階段，目的是在3G的平臺上使用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。現(xiàn)在LTE的大部分研究都集中在物理層，這個階段的傳輸性能和通信參數(shù)與TDD未來演進時代十分接近，大多數(shù)技術(shù)特點是用于增強系統(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)下行峰值速率可達到100 Mb/s，上行可達到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)計目標是實現(xiàn)沒有多址接入干擾的頻分多址(FDMA)，系統(tǒng)中每一個用戶獨享一個子載波集，對不同用戶的子載波進行交織。在IFDMA中，每個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的信號在時域設(shè)計，從而實現(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)的融合開始進一步加強，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IPv6的IMS，業(yè)務(wù)不僅僅是傳統(tǒng)的點對點的多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，還包括MBMS業(yè)務(wù)，以及更加靈活的點對點業(yè)務(wù)。由于采用了先進的物理層處理機制，其頻譜效率將為2 ~5 bps/Hz。

1.3.1 LTE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：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。IFDMA系統(tǒng)是時域處理的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)。

1.3.2 LTE正交多載波技術(shù)

在3GPP LTE中，下行鏈路方案是多載波OFDMA系統(tǒng)。無論是在3GPP LTE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MIMO多天線技術(shù)與OFDMA相結(jié)合時，會帶來更大的增益和更優(yōu)的系統(tǒng)性能。

1.3.3 MIMO-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)為了實現(xiàn)MIMO檢測而大大增加了接收機的復(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間干擾，所以很適合在無線寬帶信道中實現(xiàn)高速率數(shù)據(jù)的傳輸。同時，OFDM由于使用了FFT/IFFT而變得容易實現(xiàn)，并且在每個子載波上使用AMC，可以更有效地利用頻帶。OFDM的這些特點使其在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MIMO的檢測系統(tǒng)也被簡化。

1.3.4 靈活的動態(tài)頻率選擇機制

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現(xiàn)高質(zhì)量高速率的信息傳輸，這就是動態(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，使用的是點對多點的結(jié)構(gòu)，如圖2所示，屬于集中控制機制，每個基站負責(zé)一個小區(qū)內(nèi)所有用戶的通信。

在未來演進的通信系統(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撲結(jié)構(gòu)上，使用用戶終端作為中繼，將信號傳輸至更遠的節(jié)點，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)點對多點結(jié)構(gòu)任何一條鏈路的通信都需要經(jīng)過基站，即使兩個終端離得很近，也要先將信號傳送至歸屬基站，再由基站傳送至目標終端，再加上信令交互的開銷，這樣一條鏈路浪費了很大的資源。為了避免這種浪費而引入了多點到多點的概念，即指在網(wǎng)絡(luò)中任意兩點都可以自由通信，達到更快捷、方便、經(jīng)濟的傳輸數(shù)據(jù)。

在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，對于一定發(fā)射功率來說，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率越高，覆蓋范圍會越低。如果超過了最大允許發(fā)射功率，發(fā)射機必須降低數(shù)據(jù)傳輸速率以增加覆蓋距離。發(fā)射功率一般受到標準規(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)正是多跳與多點到多點的融合，如圖3所示。它可以通過跳經(jīng)一系列中間節(jié)點以提供長的端到端通信距離，同時提供足夠高的數(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)點之間的距離(每跳)相對較短，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矛盾體而是可以同時滿足。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點只需傳輸很短的距離，所以它們的發(fā)送功率相對較小，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)點傳送數(shù)據(jù)，Mesh網(wǎng)絡(luò)使得信號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)的點對多點結(jié)構(gòu)以用戶終端作為中繼進行擴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)時延，避免網(wǎng)絡(luò)“瓶頸”和單點故障，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到系統(tǒng)中來[5]。

1.3.6 點對點通信技術(shù)

現(xiàn)今在計算機網(wǎng)中，點對點技術(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，點對點技術(shù)的引進也將成為必然的趨勢。3GPP已經(jīng)把點對點業(yè)務(wù)提到議事日程當中，在LTE及下一代網(wǎng)絡(luò)中，點對點技術(shù)結(jié)合Mesh拓撲結(jié)構(gòu)將得到進一步發(fā)展。在802.11中，分布式的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)采用的是多點到多點的拓撲結(jié)構(gòu)，其中必然要與點對點技術(shù)相結(jié)合，如圖4所示，左圖是傳統(tǒng)的點對多點結(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，就會有很多用戶的請求得不到滿足，從整體上看，下載效率很低。右圖是點對點通信，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)點的地位是平等的，可實現(xiàn)任意兩點間的自由通信。點對點系統(tǒng)的精神實質(zhì)是“節(jié)點合作”。因此，只要一個系統(tǒng)中沒有管理者，所有任務(wù)都是依靠結(jié)點之間的交換與配合完成，這個系統(tǒng)就可以認為是點對點系統(tǒng)。

1.4 基于TD-SCDMA的第4代移動通信系統(tǒng)

對于基于TD-SCDMA的后3G或者4G系統(tǒng)來說，將采用TDD模式，主要目的在于實現(xiàn)先進國際移動通信(IMT-Advanced)提出的高速和低速移動環(huán)境下峰值速率分別達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制融合。在泛在服務(wù)體系架構(gòu)下，采用各種先進技術(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未來演進時代，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)，但同時也給用戶在不同系統(tǒng)之間進行切換、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)，終端可下載不同標準的接入網(wǎng)模式和流程，實現(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)實施的細節(jié)作為設(shè)計目標之一，提供了良好的設(shè)計架構(gòu)，使業(yè)務(wù)的生成與部署更加簡便。在移動泛在網(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，即對服務(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。

在這個階段，為滿足下一代移動通信系統(tǒng)的高速率傳輸和無所不在的無線信號覆蓋的要求，無線中繼及多跳傳輸技術(shù)將會被采用。無線中繼的基本思想是使用中繼站將基站的信號重新處理后再發(fā)送出去。這個處理的過程可以很簡單，比如只是接收信號然后放大，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中繼。應(yīng)用多跳中繼可以擴展小區(qū)的覆蓋范圍，服務(wù)基站信號的死角地區(qū)，如建筑物陰影、地下等，同時還可以平衡負載，轉(zhuǎn)移熱點地區(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)延伸到各個角落，利用新型無線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的環(huán)境感知能力，感知當前網(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的物理層技術(shù)做出計劃、決定和反應(yīng)，把單個節(jié)點獲得的頻譜信息通告給相鄰的節(jié)點共享，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)展目標是提供更高的數(shù)據(jù)速率、低時延、低成本、優(yōu)化的系統(tǒng)覆蓋和容量，以及對高移動性的支持。而近年來移動通信業(yè)務(wù)的快速增長推動著寬帶無線通信系統(tǒng)的演進。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)展演進的歷程分為以下幾個階段：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；下一個階段是LTE階段，在這個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代移動通信系統(tǒng)階段。整個TDD技術(shù)演進的過程將是一個平滑過渡的過程，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。

3 參考文獻

[1] 彭木根， 王文博. TD-SCDMA 移動通信系統(tǒng) [M]. 北京:機械工業(yè)出版社，2005.

[2] LIU Guangyi，ZHANG Jianhua，ZHANG Ping，et al. Evolution map from TD-SCDMA to fuTURE B3G TDD [J]. IEEE Transactions on Communications Magazine， 2006，44(3):54-61.

[3] 3GPP TR 25.895. Analysis of higher chip rates for UTRA TDD evolution [S]. 2004.

[4] 3GPP TS 23.234 v.1.10.0. Group services and system aspects: 3GPP System to Wireless Local Area Networks (WLAN) interworking， system description ( Release 6) [S]. 2003.

[5] 3GPP REV-WS005. DoCoMo’s view on 3G evolution and requirements - 3G LTE scenario -Super 3G-x [S]. 2005.

收稿日期：2006-04-26

彭木根，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院博士畢業(yè)留校任教，負責(zé)和承擔(dān)國家“863”、國家自然科學(xué)基金以及國際/國內(nèi)著名設(shè)備制造商和運營商的多個科研項目，目前研究重點為無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)同信息論、下一代無線寬帶通信系統(tǒng)無線資源管理算法和協(xié)議設(shè)計、多跳無線中繼和網(wǎng)絡(luò)編碼等。已出版著作4本、譯著2本，發(fā)表論文60篇，其中被SCI和EI收錄的論文10篇，國際會議論文20篇。

李勇，北京郵電大學(xué)無線信號處理與網(wǎng)絡(luò)實驗中心在讀博士研究生，研究方向為下一代無線通信系統(tǒng)中的無線資源管理，目前研究重點為無線分組調(diào)度算法、鏈路自適應(yīng)算法等。

王文博，北京郵電大學(xué)電信工程學(xué)院院長、教授、博士生導(dǎo)師，從事未來移動通信關(guān)鍵技術(shù)的研究，包括B3G技術(shù)、無線網(wǎng)絡(luò)理論和感知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等。已發(fā)表論文100篇，出版著作4本。