TD-SCDMA向未來(lái)B3G的演進(jìn)

1、前言

隨著市場(chǎng)需求的不斷增長(zhǎng)，移動(dòng)通信系統(tǒng)在這幾十年中得到了迅猛發(fā)展，從初期的基于模擬信號(hào)處理技術(shù)的第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，到取得巨大商業(yè)成功的基于數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)經(jīng)歷了不到半個(gè)世紀(jì)的時(shí)間。目前，第三代移動(dòng)通信（3G）系統(tǒng)包括中國(guó)的TD-SCDMA系統(tǒng)很快將會(huì)在中國(guó)市場(chǎng)上出現(xiàn)[1]。盡管目前的2.5G和正在發(fā)展的3G系統(tǒng)分別宣稱能夠提供高達(dá)384kbit/s和2Mbit/s的高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是在忙時(shí)每個(gè)用戶的平均吞吐量都不會(huì)超過(guò)171kbit/s。這樣，2.5G和3G系統(tǒng)雖然能夠提供基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，如語(yǔ)音、數(shù)據(jù)通信和低速率無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)接入等，但沒(méi)有能力提供新的交互式多媒體業(yè)務(wù)，如多方視頻會(huì)議、視頻點(diǎn)播等這些業(yè)務(wù)需要的數(shù)據(jù)速率經(jīng)常高達(dá)100 Mbit/s。

為了滿足更高速率業(yè)務(wù)的需求，目前國(guó)際的相關(guān)組織包括3GPP、3GPP2已經(jīng)開(kāi)始對(duì)3G的演進(jìn)系統(tǒng)（LTE）制定標(biāo)準(zhǔn)，并提出了相關(guān)的物理層標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)的制定中充分考慮了系統(tǒng)的平滑演進(jìn)和后向兼容性，也引入了為支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的增強(qiáng)型技術(shù)。同時(shí)，在全球范圍內(nèi)有很多的研究項(xiàng)目包括中國(guó)的FuTURE、歐洲的ISTMATRICE等更是針對(duì)更高速率的超三代移動(dòng)通信（B3G）系統(tǒng)。一些新技術(shù)，包括正交頻分復(fù)用（OFDM）、多入多出（MIMO）等將會(huì)被使用在B3G系統(tǒng)中。由于具有良好的對(duì)抗多徑能力，OFDM技術(shù)被廣泛地認(rèn)為是適用在寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)中的一種調(diào)制方式。為了實(shí)現(xiàn)高頻譜利用率和增大系統(tǒng)的覆蓋范圍，B3G系統(tǒng)必然會(huì)采用多天線技術(shù)來(lái)支持高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。此外，3G的TD-SCDMA系統(tǒng)中的一些先進(jìn)技術(shù)能夠直接應(yīng)用到B3G系統(tǒng)中。碼分多址（CDMA）作為最有前途的多址接入方式可以與OFDM技術(shù)結(jié)合使用。時(shí)分雙工（TDD）系統(tǒng)可以靈活地分配上下行間的容量比例，能方便地同時(shí)提供對(duì)稱業(yè)務(wù)（如語(yǔ)音等）和非對(duì)稱業(yè)務(wù)（如移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)等）[2]。B3G的空中接口將會(huì)是3G中的成熟技術(shù)和針對(duì)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提出的新技術(shù)的結(jié)合體。

本文展望的B3G系統(tǒng)——TD-CDM-OFDM（timedivision-codedivisionmultiplexing-orthogonalfrequency division multiplexing）在充分考慮TD-SCDMA的平滑演進(jìn)的基礎(chǔ)上，給出了未來(lái)寬帶無(wú)線接入的空中接口解決方案。該系統(tǒng)能夠靈活地分配上行和下行間的容量，采用先進(jìn)的接收檢測(cè)算法，并且使用了碼分多址、正交頻分復(fù)用和多天線等技術(shù)。

2、對(duì)演進(jìn)系統(tǒng)的要求

2.1后向兼容性

演進(jìn)系統(tǒng)需要與現(xiàn)有3G系統(tǒng)保持兼容性，也就是說(shuō)在滿足更高服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上充分考慮引入增強(qiáng)型技術(shù)后對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的投資進(jìn)行保護(hù)，目標(biāo)是在原來(lái)的設(shè)備上無(wú)需做太多的改動(dòng)而同時(shí)支持多種系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。未來(lái)的3G演進(jìn)系統(tǒng)可以采用如下的結(jié)構(gòu)：在下行的獨(dú)立載波上使用采用了基于OFDM技術(shù)的3G演進(jìn)系統(tǒng)，并且隨著未來(lái)需求的變化慢慢過(guò)渡到下行完全是3G演進(jìn)系統(tǒng)；而上行在初期仍然使用原來(lái)3G系統(tǒng)的上行方案。這樣做的最大好處就是當(dāng)用戶需要比較高的數(shù)據(jù)速率時(shí)，可以通過(guò)向基站端發(fā)出請(qǐng)求使用3G演進(jìn)系統(tǒng)，那么下行就可以選擇在獨(dú)立的載波上用OFDM下行方案來(lái)支持。相反，如果用戶僅僅只是需要語(yǔ)音業(yè)務(wù)，也可以繼續(xù)使用原有的3G下行方案。另外，從長(zhǎng)期演進(jìn)的角度來(lái)講，采用這種方法具有很大的靈活性。

在物理層上采用一些增強(qiáng)型技術(shù)來(lái)提高數(shù)據(jù)速率的同時(shí)，需要考慮演進(jìn)系統(tǒng)的協(xié)議結(jié)構(gòu)調(diào)整。為了能夠使原設(shè)備在B3G系統(tǒng)中繼續(xù)使用，要盡量多地使用原來(lái)的協(xié)議棧和系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，所以在調(diào)整物理層方案時(shí)，要盡量與原來(lái)的物理層結(jié)構(gòu)保持一致，如幀結(jié)構(gòu)等，減少對(duì)上層協(xié)議和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

2.2支持靈活帶寬

為了有效利用現(xiàn)有和即將使用的頻譜，很多的運(yùn)營(yíng)商都希望未來(lái)的系統(tǒng)能夠提供靈活的帶寬支持，能夠支持不同的帶寬需求。而對(duì)于采用OFDM技術(shù)的B3G系統(tǒng)，可以使用相同的子載波間隔而不同的子載波數(shù)來(lái)滿足靈活的帶寬需求。由于子載波間隔并沒(méi)有發(fā)生變化，有效的OFDM符號(hào)長(zhǎng)度并不隨著帶寬的大小不同而發(fā)生變化，那么幀結(jié)構(gòu)也不需要發(fā)生變化，極大地方便了系統(tǒng)在不同帶寬下的運(yùn)營(yíng)。

2.3高速數(shù)據(jù)速率

ITU對(duì)未來(lái)B3G系統(tǒng)提出能夠達(dá)到的高速數(shù)據(jù)要求：在低速環(huán)境中下行峰值速率（指將系統(tǒng)的所有資源分配給那些信道條件最好的用戶所能達(dá)到的速率）達(dá)到1Gbit/s，在移動(dòng)環(huán)境中下行峰值速率達(dá)到100Mbit/s。對(duì)物理層來(lái)說(shuō)，高速數(shù)據(jù)傳輸意味著一方面要提高系統(tǒng)的頻譜利用率，另一方面需要克服由于高速傳輸帶來(lái)的嚴(yán)重的符號(hào)間干擾等一系列問(wèn)題。

2.4對(duì)高速移動(dòng)的支持

B3G系統(tǒng)要求能夠同時(shí)支持步行和車載速度，希望最大能夠支持的移動(dòng)速度為350km/h。由于高速移動(dòng)環(huán)境將會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移，信號(hào)經(jīng)歷的時(shí)間選擇性衰落很嚴(yán)重。特別是對(duì)于采用了OFDM技術(shù)的系統(tǒng)，高速移動(dòng)性的支持將對(duì)同步提出了更高的要求。另外，在確定OFDM的子載波間隔時(shí)，需要考慮多普勒頻移頻偏的存在，以便能夠有效抵抗其影響。

2.5低RAN延時(shí)

B3G系統(tǒng)將會(huì)很好地支持TCP/IP協(xié)議棧，以便能夠提供更好的QoS保證。要求之一就是希望有較小的往返時(shí)間（RTT），往返時(shí)間指的是從UE端到服務(wù)器端的往返時(shí)間。在空中接口部分的往返時(shí)間（RAN-RTT）占了RTT中的主要部分，未來(lái)無(wú)線系統(tǒng)要求RAN-RTT能夠滿足小于10ms。所以，在確定TTI大小時(shí)，需要根據(jù)系統(tǒng)對(duì)延時(shí)的要求來(lái)選取，并且，TTI長(zhǎng)度的確定與選擇合適的OFDM有效符號(hào)數(shù)及子載波間隔也有很大的關(guān)系。

3、B3G空中接口中的關(guān)鍵技術(shù)

為了滿足未來(lái)演進(jìn)系統(tǒng)的需要必須引入新型先進(jìn)技術(shù)。當(dāng)考慮雙工模式時(shí)。TDD是未來(lái)B3G系統(tǒng)較好的選擇。與頻分雙工（FDD）相比，TDD在分配上下行相對(duì)容量方面具有更高的靈活性和頻譜利用率。其次，必須選擇合適的調(diào)制方式和多址接入方式，來(lái)滿足高速多媒體業(yè)務(wù)的需要，并提供在更寬的信號(hào)帶寬下更強(qiáng)的抗頻率選擇性衰落的能力。同時(shí)，多天線技術(shù)對(duì)于獲得高頻譜效率是必不可少的。最后，鏈路自適應(yīng)技術(shù)不僅能提高數(shù)據(jù)速率，而且也能提高系統(tǒng)的頻譜利用率。

3.1時(shí)分雙工

在FDD系統(tǒng)中，使用不同的頻段來(lái)做上行和下行傳輸，而在TDD系統(tǒng)中，同一個(gè)頻段同時(shí)被上行和下行傳輸使用，但上行或下行傳輸只在其特定的時(shí)隙中進(jìn)行。頻譜是一個(gè)有限而寶貴的資源，相對(duì)FDD系統(tǒng)，靈活的頻譜分配在TDD系統(tǒng)中更容易實(shí)現(xiàn)。在TDD系統(tǒng)中，時(shí)隙的長(zhǎng)度可以不相等，并且每幀中的上行時(shí)隙和下行時(shí)隙的數(shù)目也可以是不相同的。采用TDD的優(yōu)點(diǎn)是其具有能夠很好地容納下行和上行間高速非對(duì)稱業(yè)務(wù)的能力，這是未來(lái)B3G系統(tǒng)應(yīng)具有的顯著特征之一。另外，TDD系統(tǒng)上行和下行信道間的對(duì)稱性有利于鏈路自適應(yīng)技術(shù)，如自適應(yīng)波束賦形、發(fā)射分集和自適應(yīng)調(diào)制等。鏈路自適應(yīng)技術(shù)能夠提高系統(tǒng)的吞吐率和簡(jiǎn)化接收機(jī)結(jié)構(gòu)。

3.2多址接入方式

CDMA因?yàn)榫哂斜葎e的多址接入方式更高的頻譜利用率，所以已經(jīng)在3G系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。但是，當(dāng)數(shù)據(jù)速率高達(dá)100Mbit/s以上時(shí)，寬帶CDMA的性能會(huì)因?yàn)槎鄰叫诺赖膰?yán)重多址干擾和符號(hào)間干擾而遭受到很大的影響。為了更好地利用頻率資源來(lái)滿足多媒體業(yè)務(wù)的需要，OFDM技術(shù)可以幫助CDMA系統(tǒng)減弱多徑衰落信道的不良影響，并保持高頻譜效率。OFDM采用了更長(zhǎng)的符號(hào)持續(xù)時(shí)間，并有循環(huán)前綴來(lái)避免頻率選擇性的影響。同時(shí)，它最小化子載波間的間距來(lái)增加頻譜利用率。與OFDM結(jié)合，CDMA系統(tǒng)能夠獲得更佳的系統(tǒng)性能，所以，OFDM-CDMA系統(tǒng)是未來(lái)移動(dòng)通信系統(tǒng)最有前途的多址接入方案之一。過(guò)去提出的OFDM和CDMA相結(jié)合的方式根據(jù)數(shù)據(jù)擴(kuò)展的方向分成兩類[3]，一類是將原始數(shù)據(jù)流在頻域進(jìn)行擴(kuò)展；另一類是在時(shí)域進(jìn)行擴(kuò)展，類似于傳統(tǒng)直擴(kuò)CDMA。因此，可以分別使用頻域和時(shí)域Rake接收機(jī)。一般稱前者為MC-CDMA。因?yàn)楦鱾�(gè)子載波的衰落是不相同的，通過(guò)解擴(kuò)合并過(guò)程，MC-CDMA能夠獲得良好的頻率分集增益，但僅憑自身的擴(kuò)頻解擴(kuò)，該方式無(wú)法獲得時(shí)間分集的增益。后者被稱為MC-DS-CDMA，它是將OFDM技術(shù)引入直擴(kuò)CDMA系統(tǒng)的一種良好策略，特別是在準(zhǔn)同步的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，但若采用這種方式，必須結(jié)合良好的編碼和頻域交織方式，才能夠得到部分頻率分集增益，而單憑其本身是無(wú)法做到的。所以，在時(shí)域和頻域兩維同時(shí)擴(kuò)展，可以同時(shí)利用時(shí)/頻域的分集增益，這種方式將會(huì)很好地替代傳統(tǒng)的單純只在時(shí)域或頻域擴(kuò)展的策略[4]。使用二維擴(kuò)展策略時(shí)，利用一個(gè)一維長(zhǎng)擴(kuò)頻碼將數(shù)據(jù)擴(kuò)展到二維上，從而獲得時(shí)/頻域上的最大分集增益。必須適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)在時(shí)域和頻域上的擴(kuò)展網(wǎng)格，使得擴(kuò)展后的數(shù)據(jù)碼片能夠盡可能地經(jīng)歷各種獨(dú)立的衰落，以獲得分集增益的最大化。

3.3多天線技術(shù)

空時(shí)塊碼（STBC）[5]可以通過(guò)接收端簡(jiǎn)單的線性最大似然解碼器獲得充分的分集增益。它使用正交設(shè)計(jì)區(qū)分來(lái)自不同發(fā)射天線的信號(hào)，并且因?yàn)檎�交性，解碼算法是一種非常簡(jiǎn)單的線性合并。另一方面，空間復(fù)用技術(shù)，如貝爾實(shí)驗(yàn)室的分層空時(shí)碼技術(shù)（BLAST）[6]也得到了極大的關(guān)注。BLAST技術(shù)能夠在無(wú)需增加發(fā)射功率和帶寬的前提下，提供非常高的數(shù)據(jù)速率。在BLAST系統(tǒng)中，一組高速數(shù)據(jù)流被分成一些低速率的數(shù)據(jù)流，然后每個(gè)低速率數(shù)據(jù)流分別進(jìn)行編碼、調(diào)制并在各個(gè)不同的天線上發(fā)射。接收機(jī)利用空間均衡器和干擾消除算法將來(lái)自不同發(fā)射天線的信號(hào)區(qū)分開(kāi)。

在實(shí)際系統(tǒng)中，由于硬件實(shí)現(xiàn)的局限性，終端的天線數(shù)目通常要小于基站端的天線數(shù)目，而B(niǎo)LAST檢測(cè)算法需要接收天線數(shù)目不小于發(fā)射天線數(shù)目。這樣，上行鏈路可以較容易地使用BLAST技術(shù)，而在下行鏈路將空間復(fù)用和發(fā)射分集結(jié)合，即將BLAST和STBC結(jié)合，可以降低需要的接收天線數(shù)目到原來(lái)的一半或更少，并同時(shí)獲得“提高數(shù)據(jù)速率”和“更多的分集增益”，這種方法是解決下行問(wèn)題最好的策略之一。

3.4鏈路自適應(yīng)技術(shù)

鏈路自適應(yīng)的基本思想是根據(jù)信道環(huán)境的變化來(lái)調(diào)整發(fā)射信號(hào)的各種參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)信道環(huán)境的充分利用�？梢哉{(diào)整的基本參數(shù)，因素包括調(diào)制階數(shù)、編碼速率和重傳策略。為了有利于系統(tǒng)性能，其他一些參數(shù)也可以被調(diào)整，如發(fā)射功率、擴(kuò)頻因子和天線加權(quán)系數(shù)等。在所有的鏈路自適應(yīng)技術(shù)中，自適應(yīng)編碼調(diào)制（AMC）和混合自動(dòng)請(qǐng)求重傳（HARQ）是兩種最有效的方式，并已經(jīng)成功地應(yīng)用在3G的HSDPA中。

AMC的原理是在系統(tǒng)條件允許的范圍內(nèi)，根據(jù)信道環(huán)境的變化來(lái)改變調(diào)制和編碼方案。AMC的主要優(yōu)點(diǎn)是：對(duì)于處于有利位置的用戶可以獲得更高的數(shù)據(jù)速率，從而提高小區(qū)的平均吞吐量；用戶處于較差的信道環(huán)境時(shí)，選用低速率進(jìn)行傳輸，雖然此時(shí)平均吞吐量較低，卻具有較強(qiáng)的抗干擾和糾錯(cuò)能力，傳輸數(shù)據(jù)的可靠性得到提高。由于這里的鏈路自適應(yīng)技術(shù)是基于改變調(diào)制/編碼策略而不是發(fā)射功率，因此可以降低信號(hào)干擾的變化。

在AMC中，根據(jù)明確的信噪比測(cè)量或類似的策略來(lái)選擇調(diào)制和編碼方式，而在HARQ中，使用鏈路層的反饋確認(rèn)、終端的測(cè)量、網(wǎng)絡(luò)來(lái)做重傳的決定。AMC本身提供了一些根據(jù)信道的變化選擇合適的調(diào)制和編碼策略的靈活度，但是，需要精確地測(cè)量并且會(huì)有一些延時(shí)效應(yīng)。與AMC相比，HARQ是非顯式的鏈路自適應(yīng)技術(shù)，它自動(dòng)地適應(yīng)信道環(huán)境的瞬時(shí)變化，對(duì)測(cè)量錯(cuò)誤和延時(shí)不敏感。

將AMC和HARQ相結(jié)合可以同時(shí)獲得兩者的優(yōu)點(diǎn)：AMC提供總的數(shù)據(jù)速率選擇，而HARQ則根據(jù)信道環(huán)境來(lái)更精細(xì)地調(diào)整數(shù)據(jù)速率。

具有OFDM和MIMO技術(shù)的B3G系統(tǒng)在頻域和空間域上提供了很多的子信道，賦予鏈路自適應(yīng)技術(shù)更大的靈活性，如B3G系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)子載波、比特和功率分配，更好地開(kāi)發(fā)利用OFDM鏈路的特性，根據(jù)MIMO鏈路的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)發(fā)射功率的分配等。

4、TD-SCDMA向B3G的演進(jìn)：TD-CDM-OFDM

如何使TD-SCDMA系統(tǒng)能夠無(wú)縫地過(guò)渡到未來(lái)的B3G系統(tǒng)，成為目前研究的熱點(diǎn)之一，TD-CDM-OFDM[7]吸收了TD-SCDMA系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，并應(yīng)用了OFDM和MIMO等新技術(shù)，能夠提供比3G系統(tǒng)高得多的數(shù)據(jù)傳輸速率。TD-CDM-OFDM主要的系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1  TD-CDM-OFDM主要系統(tǒng)參數(shù)

系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，持續(xù)時(shí)間5ms的無(wú)線幀被分成長(zhǎng)度為473.6µs的10個(gè)常規(guī)時(shí)隙和3個(gè)特殊時(shí)隙，包括下行同步時(shí)隙（DLS）、切換點(diǎn)（switchpoint）和上行同步時(shí)隙（ULS）。時(shí)隙TS0總是用于下行傳輸，時(shí)隙TS1用于上行傳輸，而其他的時(shí)隙根據(jù)切換點(diǎn)位置的不同可以用于上行或下行傳輸。常規(guī)時(shí)隙是由數(shù)據(jù)符號(hào)、導(dǎo)頻符號(hào)和保護(hù)間隔這3部分組成。

圖1  TD-CDM-OFDM系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)

5、小結(jié)

本文討論了基于TDD模式的TD-SCDMA向未來(lái)B3G系統(tǒng)——TD-CDM-OFDM系統(tǒng)的演進(jìn)�？梢郧宄�地看到，TDD模式在未來(lái)的B3G系統(tǒng)中有非常廣闊的前景如更靈活的容量分配，更高的頻譜利用率，更方便的資源分配和更有利于鏈路自適應(yīng)的信道互惠性等，并且，可以通過(guò)將兩種強(qiáng)有力的技術(shù)：MIMO和OFDM相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)TD-CDM-OFDM系統(tǒng)的大范圍覆蓋、高速數(shù)據(jù)傳輸和高頻譜效率。

參考文獻(xiàn)

1CWTS-WG1.Physicallayer-generaldescription.TSC101，V3.1.1，Sept 2000

2EsmailzadehR，NakagawaM，JonesA.TDD-CDMA for the 4th generation of wireless communication.IEEE Transaction on Wireless Communications，2003，10（4）

3PrasadR，HaraS.Anoverview of multi-carrier CDMA.IEEE ISSSTA，Mainz，Sep 1996

4ZhengKan，ZengGuoyan，WangWenbo.Performance analysis for　synchronous OFDM-CDMA　with　joint　frequency-time spreading.IEEE ICC，Paris，F(xiàn)rance，June 2004

5AlamoutiM.Asimpletransmit diversity technique for wireless communications.IEEE Journal of Selected Areas on Commum，1998，16（10）

6WolnianskyPW，F(xiàn)oschiniG J，Golden G D，Valenzuela R A.V-BLAST：an architecture for realizing very high data rates over the rich-scattering wireless channel.In：Proc of International Symposium on Signals，Systems，and Electronics，1998

7ZhengKan，HuangLin，WangWenbo，Yang Guiliang.TD-CDM-OFDM：Evolution of TD-SCDMA toward 4G.IEEE Communications Magazine，2005，43（1）