TD-SCDMA向未來(lái)B3G的演進(jìn)

　　1、前言

　　隨著(zhù)市場(chǎng)需求的不斷增長(cháng)，移動(dòng)通信系統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(dòng)通信系統，到取得巨大商業(yè)成功的基于數字信號處理技術(shù)的第二代移動(dòng)通信系統經(jīng)歷了不到半個(gè)世紀的時(shí)間。目前，第三代移動(dòng)通信(3G)系統包括中國的TD-SCDMA系統很快將會(huì )在中國市場(chǎng)上出現[1]。盡管目前的2.5G和正在發(fā)展的3G系統分別宣稱(chēng)能夠提供高達384kbit/s和 2Mbit/s的高速率數據業(yè)務(wù)，但是在忙時(shí)每個(gè)用戶(hù)的平均吞吐量都不會(huì )超過(guò)171kbit/s。這樣，2.5G和3G系統雖然能夠提供基礎業(yè)務(wù)，如語(yǔ)音、數據通信和低速率無(wú)線(xiàn)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)需要的數據速率經(jīng)常高達100 Mbit/s。

　　為了滿(mǎn)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(kāi)始對3G的演進(jìn)系統(LTE)制定標準，并提出了相關(guān)的物理層標準，標準的制定中充分考慮了系統的平滑演進(jìn)和后向兼容性，也引入了為支持高速數據業(yè)務(wù)的增強型技術(shù)。同時(shí)，在全球范圍內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(dòng)通信(B3G)系統。一些新技術(shù)，包括正交頻分復用(OFDM)、多入多出(MIMO)等將會(huì )被使用在B3G系統中。由于具有良好的對抗多徑能力，OFDM技術(shù)被廣泛地認為是適用在寬帶無(wú)線(xiàn)通信系統中的一種調制方式。為了實(shí)現高頻譜利用率和增大系統的覆蓋范圍，B3G系統必然會(huì )采用多天線(xiàn)技術(shù)來(lái)支持高速數據業(yè)務(wù)。此外，3G的TD-SCDMA系統中的一些先進(jìn)技術(shù)能夠直接應用到B3G系統中。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)結合使用。時(shí)分雙工(TDD)系統可以靈活地分配上下行間的容量比例，能方便地同時(shí)提供對稱(chēng)業(yè)務(wù)(如語(yǔ)音等)和非對稱(chēng)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)和針對高速數據業(yè)務(wù)提出的新技術(shù)的結合體。

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

　　2、對演進(jìn)系統的要求

　　2.1后向兼容性

　　演進(jìn)系統需要與現有3G系統保持兼容性，也就是說(shuō)在滿(mǎn)足更高服務(wù)質(zhì)量的基礎上充分考慮引入增強型技術(shù)后對現有設備的投資進(jìn)行保護，目標是在原來(lái)的設備上無(wú)需做太多的改動(dòng)而同時(shí)支持多種系統標準。未來(lái)的3G演進(jìn)系統可以采用如下的結構：在下行的獨立載波上使用采用了基于OFDM技術(shù)的3G演進(jìn)系統，并且隨著(zhù)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;而上行在初期仍然使用原來(lái)3G系統的上行方案。這樣做的最大好處就是當用戶(hù)需要比較高的數據速率時(shí)，可以通過(guò)向基站端發(fā)出請求使用3G演進(jìn)系統，那么下行就可以選擇在獨立的載波上用OFDM下行方案來(lái)支持。相反，如果用戶(hù)僅僅只是需要語(yǔ)音業(yè)務(wù)，也可以繼續使用原有的3G下行方案。另外，從長(cháng)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型技術(shù)來(lái)提高數據速率的同時(shí)，需要考慮演進(jìn)系統的協(xié)議結構調整。為了能夠使原設備在B3G系統中繼續使用，要盡量多地使用原來(lái)的協(xié)議棧和系統的結構，所以在調整物理層方案時(shí)，要盡量與原來(lái)的物理層結構保持一致，如幀結構等，減少對上層協(xié)議和系統結構的調整。

　　2.2支持靈活帶寬

　　為了有效利用現有和即將使用的頻譜，很多的運營(yíng)商都希望未來(lái)的系統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，可以使用相同的子載波間隔而不同的子載波數來(lái)滿(mǎn)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符號長(cháng)度并不隨著(zhù)帶寬的大小不同而發(fā)生變化，那么幀結構也不需要發(fā)生變化，極大地方便了系統在不同帶寬下的運營(yíng)。

　　2.3高速數據速率

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

　　2.4對高速移動(dòng)的支持

　　B3G系統要求能夠同時(shí)支持步行和車(chē)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 )導致多普勒頻移，信號經(jīng)歷的時(shí)間選擇性衰落很?chē)乐?。特別是對于采用了OFDM技術(shù)的系統，高速移動(dòng)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(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(xiàn)系統要求RAN-RTT能夠滿(mǎn)足小于10ms。所以，在確定 TTI大小時(shí)，需要根據系統對延時(shí)的要求來(lái)選取，并且，TTI長(cháng)度的確定與選擇合適的OFDM有效符號數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(mǎn)足未來(lái)演進(jìn)系統的需要必須引入新型先進(jìn)技術(shù)。當考慮雙工模式時(shí)。TDD是未來(lái)B3G系統較好的選擇。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，必須選擇合適的調制方式和多址接入方式，來(lái)滿(mǎn)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(shí)，多天線(xiàn)技術(shù)對于獲得高頻譜效率是必不可少的。最后，鏈路自適應技術(shù)不僅能提高數據速率，而且也能提高系統的頻譜利用率。

　　3.1時(shí)分雙工

　　在FDD系統中，使用不同的頻段來(lái)做上行和下行傳輸，而在TDD系統中，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FDD系統，靈活的頻譜分配在TDD系統中更容易實(shí)現。在TDD系統中，時(shí)隙的長(cháng)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稱(chēng)業(yè)務(wù)的能力，這是未來(lái)B3G系統應具有的顯著(zhù)特征之一。另外，TDD系統上行和下行信道間的對稱(chēng)性有利于鏈路自適應技術(shù)，如自適應波束賦形、發(fā)射分集和自適應調制等。鏈路自適應技術(shù)能夠提高系統的吞吐率和簡(jiǎn)化接收機結構。

　　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系統中得到了廣泛的應用。但是，當數據速率高達100Mbit/s以上時(shí)，寬帶CDMA的性能會(huì )因為多徑信道的嚴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(lái)滿(mǎn)足多媒體業(yè)務(wù)的需要，OFDM技術(shù)可以幫助 CDMA系統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(cháng)的符號持續時(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結合，CDMA系統能夠獲得更佳的系統性能，所以，OFDM-CDMA系統是未來(lái)移動(dòng)通信系統最有前途的多址接入方案之一。過(guò)去提出的OFDM和CDMA相結合的方式根據數據擴展的方向分成兩類(lèi)[3]，一類(lèi)是將原始數據流在頻域進(jìn)行擴展;另一類(lèi)是在時(shí)域進(jìn)行擴展，類(lèi)似于傳統直擴CDMA。因此，可以分別使用頻域和時(shí)域Rake接收機。一般稱(chēng)前者為MC-CDMA。因為各個(gè)子載波的衰落是不相同的，通過(guò)解擴合并過(guò)程，MC-CDMA能夠獲得良好的頻率分集增益，但僅憑自身的擴頻解擴，該方式無(wú)法獲得時(shí)間分集的增益。后者被稱(chēng)為MC-DS-CDMA，它是將OFDM 技術(shù)引入直擴CDMA系統的一種良好策略，特別是在準同步的移動(dòng)通信系統中，但若采用這種方式，必須結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 )很好地替代傳統的單純只在時(shí)域或頻域擴展的策略[4]。使用二維擴展策略時(shí)，利用一個(gè)一維長(cháng)擴頻碼將數據擴展到二維上，從而獲得時(shí)/頻域上的最大分集增益。必須適當地設計在時(shí)域和頻域上的擴展網(wǎng)格，使得擴展后的數據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(xiàn)技術(shù)

　　空時(shí)塊碼(STBC)[5]可以通過(guò)接收端簡(jiǎn)單的線(xiàn)性最大似然解碼器獲得充分的分集增益。它使用正交設計區分來(lái)自不同發(fā)射天線(xiàn)的信號，并且因為正交性，解碼算法是一種非常簡(jiǎn)單的線(xiàn)性合并。另一方面，空間復用技術(shù)，如貝爾實(shí)驗室的分層空時(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，提供非常高的數據速率。在BLAST系統中，一組高速數據流被分成一些低速率的數據流，然后每個(gè)低速率數據流分別進(jìn)行編碼、調制并在各個(gè)不同的天線(xiàn)上發(fā)射。接收機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(xiàn)的信號區分開(kāi)。

　　在實(shí)際系統中，由于硬件實(shí)現的局限性，終端的天線(xiàn)數目通常要小于基站端的天線(xiàn)數目，而B(niǎo)LAST檢測算法需要接收 天線(xiàn)數目不小于發(fā)射天線(xiàn)數目。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用和發(fā)射分集結合，即將BLAST和STBC結合，可以降低需要的接收天線(xiàn)數目到原來(lái)的一半或更少，并同時(shí)獲得“提高數據速率”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鏈路自適應技術(shù)

　　鏈路自適應的基本思想是根據信道環(huán)境的變化來(lái)調整發(fā)射信號的各種參數，從而實(shí)現對信道環(huán)境的充分利用?？梢哉{整的基本參數，因素包括調制階數、編碼速率和重傳策略。為了有利于系統性能，其他一些參數也可以被調整，如發(fā)射功率、擴頻因子和天線(xiàn)加權系數等。在所有的鏈路自適應技術(shù)中，自適應編碼調制(AMC)和混合自動(dòng)請求重傳(HARQ)是兩種最有效的方式，并已經(jīng)成功地應用在3G的HSDPA中。

　　AMC的原理是在系統條件允許的范圍內，根據信道環(huán)境的變化來(lái)改變調制和編碼方案。AMC的主要優(yōu)點(diǎn)是：對于處于有利位置的用戶(hù)可以獲得更高的數據速率，從而提高小區的平均吞吐量;用戶(hù)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，卻具有較強的抗干擾和糾錯能力，傳輸數據的可靠性得到提高。由于這里的鏈路自適應技術(shù)是基于改變調制/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A(yíng)MC中，根據明確的信噪比測量或類(lèi)似的策略來(lái)選擇調制和編碼方式，而在HARQ中，使用鏈路層的反饋確認、終端的測量、網(wǎng)絡(luò )來(lái)做重傳的決定。AMC本身提供了一些根據信道的變化選擇合適的調制和編碼策略的靈活度，但是，需要精確地測量并且會(huì )有一些延時(shí)效應。與AMC相比，HARQ是非顯式的鏈路自適應技術(shù)，它自動(dòng)地適應信道環(huán)境的瞬時(shí)變化，對測量錯誤和延時(shí)不敏感。

　　將AMC和HARQ相結合可以同時(shí)獲得兩者的優(yōu)點(diǎn)：AMC提供總的數據速率選擇，而HARQ則根據信道環(huán)境來(lái)更精細地調整數據速率。

　　具有OFDM和MIMO技術(shù)的B3G系統在頻域和空間域上提供了很多的子信道，賦予鏈路自適應技術(shù)更大的靈活性，如B3G系統可以實(shí)現自適應子載波、比特和功率分配，更好地開(kāi)發(fā)利用OFDM鏈路的特性，根據MIMO鏈路的特點(diǎn)來(lái)實(shí)現自適應發(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系統能夠無(wú)縫地過(guò)渡到未來(lái)的B3G系統，成為目前研究的熱點(diǎn)之一，TD-CDM-OFDM[7]吸收了TD-SCDMA系統的優(yōu)點(diǎn)，并應用了OFDM和MIMO等新技術(shù)，能夠提供比3G系統高得多的數據傳輸速率。TD-CDM-OFDM主要的系統參數見(jiàn)表1。

　　表1

　　系統的幀結構如圖1所示，持續時(shí)間5ms的無(wú)線(xiàn)幀被分成長(cháng)度為473.6µs的10個(gè)常規時(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)隙根據切換點(diǎn)位置的不同可以用于上行或下行傳輸。常規時(shí)隙是由數據符號、導頻符號和保護間隔這3部分組成。

　　圖1 TD-CDM-OFDM系統的幀結構

　　5、小結

　　本文討論了基于TDD模式的TD-SCDMA向未來(lái)B3G系統——TD-CDM-OFDM系統的演進(jìn)?？梢郧宄乜吹?，TDD模式在未來(lái)的B3G系統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的信道互惠性等，并且，可以通過(guò)將兩種強有力的技術(shù)： MIMO和OFDM相結合來(lái)實(shí)現TD-CDM-OFDM系統的大范圍覆蓋、高速數據傳輸和高頻譜效率。