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(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)標準。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?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、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?？梢郧宄乜吹?，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。

參考文獻

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

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

5AlamoutiM.Asimpletransmitdiversity 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)