TD-SCDMA向未來B3G的演進

　　1、前言

　　隨著市場需求的不斷增長，移動通信系統(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處理技術(shù)的第一代移動通信系統(tǒng)，到取得巨大商業(yè)成功的基于數(shù)字信號處理技術(shù)的第二代移動通信系統(tǒng)經(jīng)歷了不到半個世紀(jì)的時間。目前，第三代移動通信(3G)系統(tǒng)包括中國的TD-SCDMA系統(tǒng)很快將會在中國市場上出現(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384kbit/s和 2Mbit/s的高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，但是在忙時每個用戶的平均吞吐量都不會超過171kbit/s。這樣，2.5G和3G系統(tǒng)雖然能夠提供基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，如語音、數(shù)據(jù)通信和低速率無線互聯(lián)網(wǎng)接入等，但沒有能力提供新的交互式多媒體業(yè)務(wù)，如多方視頻會議、視頻點播等這些業(yè)務(wù)需要的數(shù)據(jù)速率經(jīng)常高達100 Mbit/s。

　　為了滿足更高速率業(yè)務(wù)的需求，目前國際的相關(guān)組織包括3GPP、3GPP2已經(jīng)開始對3G的演進系統(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)的增強型技術(shù)。同時，在全球范圍內(nèi)有很多的研究項目包括中國的FuTURE、歐洲的ISTM

　　ATRICE等更是針對更高速率的超三代移動通信(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)等將會被使用在B3G系統(tǒng)中。由于具有良好的對抗多徑能力，OFDM技術(shù)被廣泛地認(rèn)為是適用在寬帶無線通信系統(tǒng)中的一種調(diào)制方式。為了實現(xiàn)高頻譜利用率和增大系統(tǒng)的覆蓋范圍，B3G系統(tǒng)必然會采用多天線技術(shù)來支持高速數(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，能方便地同時提供對稱業(yè)務(wù)(如語音等)和非對稱業(yè)務(wù)(如移動互聯(lián)網(wǎng)等)[2]。B3G的空中接口將會是3G中的成熟技術(shù)和針對高速數(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的平滑演進的基礎(chǔ)上，給出了未來寬帶無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，采用先進的接收檢測算法，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、對演進系統(tǒng)的要求

　　2.1后向兼容性

　　演進系統(tǒng)需要與現(xiàn)有3G系統(tǒng)保持兼容性，也就是說在滿足更高服務(wù)質(zhì)量的基礎(chǔ)上充分考慮引入增強型技術(shù)后對現(xiàn)有設(shè)備的投資進行保護，目標(biāo)是在原來的設(shè)備上無需做太多的改動而同時支持多種系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)。未來的3G演進系統(tǒng)可以采用如下的結(jié)構(gòu)：在下行的獨立載波上使用采用了基于OFDM技術(shù)的3G演進系統(tǒng)，并且隨著未來需求的變化慢慢過渡到下行完全是3G演進系統(tǒng);而上行在初期仍然使用原來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，可以通過向基站端發(fā)出請求使用3G演進系統(tǒng)，那么下行就可以選擇在獨立的載波上用OFDM下行方案來支持。相反，如果用戶僅僅只是需要語音業(yè)務(wù)，也可以繼續(xù)使用原有的3G下行方案。另外，從長期演進的角度來講，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型技術(shù)來提高數(shù)據(jù)速率的同時，需要考慮演進系統(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，要盡量與原來的物理層結(jié)構(gòu)保持一致，如幀結(jié)構(gòu)等，減少對上層協(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，很多的運營商都希望未來的系統(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)來滿足靈活的帶寬需求。由于子載波間隔并沒有發(fā)生變化，有效的OFDM符號長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)在不同帶寬下的運營。

　　2.3高速數(shù)據(jù)速率

　　ITU對未來B3G系統(tǒng)提出能夠達到的高速數(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到的速率)達到 1Gbit/s，在移動環(huán)境中下行峰值速率達到100Mbit/s。對物理層來說，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的嚴(yán)重的符號間干擾等一系列問題。

　　2.4對高速移動的支持

　　B3G系統(tǒng)要求能夠同時支持步行和車載速度，希望最大能夠支持的移動速度為350km/h。由于高速移動環(huán) 境將會導(dǎo)致多普勒頻移，信號經(jīng)歷的時間選擇性衰落很嚴(yán)重。特別是對于采用了OFDM技術(shù)的系統(tǒng)，高速移動性的支持將對同步提出了更高的要求。另外，在確定OFDM的子載波間隔時，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

　　B3G系統(tǒng)將會很好地支持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間(RTT)，往返時間指的是從UE端到服務(wù)器端的往返時間。在空中接口部分的往返時間(RAN-RTT)占了RTT中的主要部分，未來無線系統(tǒng)要求RAN-RTT能夠滿足小于10ms。所以，在確定 TTI大小時，需要根據(jù)系統(tǒng)對延時的要求來選取，并且，TTI長度的確定與選擇合適的OFDM有效符號數(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)

　　為了滿足未來演進系統(tǒng)的需要必須引入新型先進技術(shù)。當(dāng)考慮雙工模式時。TDD是未來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，來滿足高速多媒體業(yè)務(wù)的需要，并提供在更寬的信號

　　帶寬下更強的抗頻率選擇性衰落的能力。同時，多天線技術(shù)對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時分雙工

　　在FDD系統(tǒng)中，使用不同的頻段來做上行和下行傳輸，而在TDD系統(tǒng)中，同一個頻段同時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隙中進行。頻譜是一個有限而寶貴的資源，相對FDD系統(tǒng)，靈活的頻譜分配在TDD系統(tǒng)中更容易實現(xiàn)。在TDD系統(tǒng)中，時隙的長度可以不相等，并且每幀中的上行時隙和下行時隙的數(shù)目也可以是不相同的。采用TDD的優(yōu)點是其具有能夠很好地容納下行和上行間高速非對稱業(yè)務(wù)的能力，這是未來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)的吞吐率和簡化接收機結(jié)構(gòu)。

　　3.2多址接入方式

　　CDMA因為具有比別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100Mbit/s以上時，寬帶CDMA的性能會因為多徑信道的嚴(yán)重多址干擾和符號間干擾而遭受到很大的影響。為了更好地利用頻率資源來滿足多媒體業(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采用了更長的符號持續(xù)時間，并有循環(huán)前綴來避免頻率選擇性的影響。同時，它最小化子載波間的間距來增加頻譜利用率。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)是未來移動通信系統(tǒng)最有前途的多址接入方案之一。過去提出的OFDM和CDMA相結(jié)合的方式根據(jù)數(shù)據(jù)擴展的方向分成兩類[3]，一類是將原始數(shù)據(jù)流在頻域進行擴展;另一類是在時域進行擴展，類似于傳統(tǒng)直擴CDMA。因此，可以分別使用頻域和時域Rake接收機。一般稱前者為MC-CDMA。因為各個子載波的衰落是不相同的，通過解擴合并過程，MC-CDMA能夠獲得良好的頻率分集增益，但僅憑自身的擴頻解擴，該方式無法獲得時間分集的增益。后者被稱為MC-DS-CDMA，它是將OFDM 技術(shù)引入直擴CDMA系統(tǒng)的一種良好策略，特別是在準(zhǔn)同步的移動通信系統(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，而單憑其本身是無法做到的。所以，在時域和頻域兩維同時擴展，可以同時利用時/頻域的分集增益，這種方式將會很好地替代傳統(tǒng)的單純只在時域或頻域擴展的策略[4]。使用二維擴展策略時，利用一個一維長擴頻碼將數(shù)據(jù)擴展到二維上，從而獲得時/頻域上的最大分集增益。必須適當(dāng)?shù)卦O(shè)計在時域和頻域上的擴展網(wǎng)格，使得擴展后的數(shù)據(jù)碼片能夠盡可能地經(jīng)歷各種獨立的衰落，以獲得分集增益的最大化。

　　3.3多天線技術(shù)

　　空時塊碼(STBC)[5]可以通過接收端簡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)計區(qū)分來自不同發(fā)射天線的信號，并且因為正交性，解碼算法是一種非常簡單的線性合并。另一方面，空間復(fù)用技術(shù)，如貝爾實驗室的分層空時碼技術(shù)(BLAST)[6]也得到了極大的關(guān)注。BLAST技術(shù)能夠在無需增加發(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，然后每個低速率數(shù)據(jù)流分別進行編碼、調(diào)制并在各個不同的天線上發(fā)射。接收機利用空間均衡器和干擾消除算法將來自不同發(fā)射天線的信號區(qū)分開。

　　在實際系統(tǒng)中，由于硬件實現(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BLAST檢測算法需要接收 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)目到原來的一半或更少，并同時獲得“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)境的變化來調(diào)整發(fā)射信號的各種參數(shù)，從而實現(xiàn)對信道環(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)和混合自動請求重傳(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)境的變化來改變調(diào)制和編碼方案。AMC的主要優(yōu)點是：對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，選用低速率進行傳輸，雖然此時平均吞吐量較低，卻具有較強的抗干擾和糾錯能力，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，因此可以降低信號干擾的變化。

　　在AMC中，根據(jù)明確的信噪比測量或類似的策略來選擇調(diào)制和編碼方式，而在HARQ中，使用鏈路層的反饋確認(rèn)、終端的測量、網(wǎng)絡(luò)來做重傳的決定。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，需要精確地測量并且會有一些延時效應(yīng)。與AMC相比，HARQ是非顯式的鏈路自適應(yīng)技術(shù)，它自動地適應(yīng)信道環(huán)境的瞬時變化，對測量錯誤和延時不敏感。

　　將AMC和HARQ相結(jié)合可以同時獲得兩者的優(yōu)點：AMC提供總的數(shù)據(jù)速率選擇，而HARQ則根據(jù)信道環(huán)境來更精細地調(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)可以實現(xiàn)自適應(yīng)子載波、比特和功率分配，更好地開發(fā)利用OFDM鏈路的特性，根據(jù)MIMO鏈路的特點來實現(xiàn)自適應(yīng)發(fā)射功率的分配等。

　　4、TD-SCDMA向B3G的演進：TD-CDM-OFDM

　　如何使TD-SCDMA系統(tǒng)能夠無縫地過渡到未來的B3G系統(tǒng)，成為目前研究的熱點之一，TD-CDM-OFDM[7]吸收了TD-SCDMA系統(tǒng)的優(yōu)點，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)見表1。

　　表1

　　系統(tǒng)的幀結(jié)構(gòu)如圖1所示，持續(xù)時間5ms的無線幀被分成長度為473.6µs的10個常規(guī)時隙和3個特殊時隙，包括下行同步時隙(DLS)、切換點(switchpoint)和上行同步時隙(ULS)。時隙TS0總是用于下行傳輸，時隙TS1用于上行傳輸，而其他的時隙根據(jù)切換點位置的不同可以用于上行或下行傳輸。常規(guī)時隙是由數(shù)據(jù)符號、導(dǎo)頻符號和保護間隔這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B3G系統(tǒng)——TD-CDM-OFDM系統(tǒng)的演進。可以清楚地看到，TDD模式在未來的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，可以通過將兩種強有力的技術(shù)： MIMO和OFDM相結(jié)合來實現(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。