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          TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)的增強和演進

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          作者:彭木根 時間:2007-07-11 來源:通信世界網(wǎng) 收藏
          摘要:時分-同步碼分多址()作為具有中國自主知識產(chǎn)權的第三代標準之一,即將全面商用化。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)采用的關鍵核心技術不同,文章提出了增強和演進的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)、正交頻分復用(OFDM)等新技術在演進過程的使用。

            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代技術標準,是3GPP標準的一個重要組成部分。TD-SCDMA采用了很多先進的通信技術,如上行同步碼分多址、智能天線、聯(lián)合檢測、軟件電、接力切換和動態(tài)信道分配技術等[1]。TDD模式不需要對稱頻帶,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,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。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)的體系結構有較大的差異,但為了全球通信服務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)和技術研究關注的焦點。

            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的峰值速率預計將在2015年實現(xiàn)。與CDMA2000采用3載波的技術相似,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)的復雜度。另一方面,移動通信技術和無線寬帶接入技術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系列標準為基礎的無線城域網(wǎng)技術(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時延,同時改善服務質(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新技術為基礎,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)中空中接口和新構架等關鍵技術的研究。其目標是對3G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)多天線技術和正交頻分復用(OFDM)多載波技術,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)。

          TD-SCDMA第1階段

            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,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,如自適應調(diào)制編碼(AMC)、混合自動請求重傳(HARQ)、OFDM、MIMO和多載波技術等,其中許多革命性技術在演進過程中起著關鍵的作用,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)務量過大而無法承受的情況,因此必須考慮使用新的技術方案來對系統(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,后者對規(guī)劃、設計等影響較小,且成本更低。因此,引入多載波技術可以有效解決系統(tǒng)容量不足的問題。通過引入HSxPA(包括HSDPA和HSUPA,還有增強技術HSPA+)能夠進一步地提高上下行鏈路數(shù)據(jù)業(yè)務的吞吐量,HSxPA時代最顯著的技術是AMC和HARQ。

            MIMO和OFDM技術是在B3G/4G系統(tǒng)中最為革命性的技術,是LTE TDD時代顯著的標志。OFDM技術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技術在系統(tǒng)中實現(xiàn)的復雜程度大大降低。隨著 MIMO多天線技術的發(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的結合,恰好利用了OFDM的循環(huán)前綴 (CP)技術,克服多徑影響,把頻率選擇性信道改造為平坦信道,再應用MIMO技術,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,采用的關鍵技術包括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,理論極限速率可以達到N



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