基于TD-SCDMA的混合网络研究

TD-SCDMA作为中国提出的第三代移动通信标准，自1998年正式向ITU(国际电联)提交以来，历经10年多完成了标准的专家组评估、ITU认可并发布与3GPP(第三代伙伴项目)体系的融合、新技术特性的引入等一系列的国际标准化工作，使TD-SCDMA标准成为第一个由中国提出的，以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。这是我国电信史上重要的里程碑。经过我国科技人员与3GPP组织的共同努力，目前，TD-SCDMA R4规范已经达到了相当稳定和成熟的程度。
    在3G系统蓬勃发展的同时，各个设备制造商、运营商以及各研究机构、政府，都已经开始对3G以后的技术展开了研究。在这种形势下，TD-SCDMA的技术也在不断发展，使自己保持技术上的先进性。
    在具体的技术上，TD-SCDMA的制定者已经预见到了技术的发展，具有一定的前瞻性。但是，仅仅是具体技术上的发展改进还不够，TD-SCDMA系统在将来的发展中，还需要考虑系统网络组织结构革新的可能性。

1 混合网络的优势
    引入自组织方式的移动通信系统(其中也包括引入自组织方式的TD-SCDMA系统)，将可能成为4G或未来无线移动通信系统的重要形式，也是移动通信领域内的热点问题。在移动通信系统中引入自组织方式，将会带来以下诸多好处：
    1)弥补覆盖缺陷  弥补预设网络的覆盖缺陷是引入自组织方式的首要原因。在现有移动通信系统和其他无线网络的覆盖区域内总存在一些“死区”。这些“死区”有两种类型，一种是任何信号都无法覆盖的死区；另一种是高速率业务不可达的死区，但同步信号、信令信号、低速率语音业务信号可达。引入自组织通信方式，可有效地弥补以上两种覆盖缺陷。
    2)提供P2P(Peer-to-Peer)模式  P2P模式将带来两个好处，一是对于近在咫尺的局部业务可以直达或经少数多跳可达；二是当没有基础设施支持或基础设施毁坏(例如灾后救援)时依然可以支持一定程度的通信。
    3)降低功耗  许多研究都表明，在移动通信系统中引入支持多跳中继的自组织通信方式可以有效地降低总功率损耗。也就是当一个长路径转为几个短路径时，这几个短路径的功率和将小于一个长路径的功率。
    4)提高容量  一些研究指出，引入自组织方式将使整个移动通信系统容量得到提高。也有一些研究提出，纯粹引入自组织方式并不能直接将功率节省转化为容量提高，还需引入其他技术。事实上，系统容量如何定义、业务特性、路由技术、资源分配和是否使用高效传输技术都会影响提高容量这个结论的正确性。
    5)转移流量  流量转移也是在移动通信系统中引入自组织方式的一个重要原因。因为流量转移可以缓解热点区域由于容量饱和造成的呼叫阻塞和切换断链。
    未来移动通信系统由于引入自组织方式，使得网络具备了很高的自适应性和智能性。用户不仅可以动态地组成区域性的局部网络传输局部业务(称为自组织局域子网，简称局域子网)，而且可以将其与基站设备间的长距离数据链路转换成多个短距离的数据链路，形成事实上的小区覆盖扩展(这种特征称为虚拟小区扩展)。同时，引入多跳，使得发射功率降低、空间复用增加(这种特征称为虚拟小区分裂)。
    局域子网可以缓解基站的瓶颈效应，虚拟小区扩展可以弥补覆盖缺陷，扩大覆盖区，转移流量，虚拟小区分裂有可能换取系统容量的大幅增加，这些优势的结合使得这种新型混合移动通信系统具有很大的技术潜力。

2 关键技术问题分析
    把自组织方式引入TD-SCDMA系统，需要解决许多问题。例如，对新出现的一些关键技术问题加以研究，以探讨新型混合系统模型的可行性；寻求性能和可行性之间的良好的平衡点等。通过分析，新系统中的关键技术问题主要包括：
    1)多种通信方式并存时信道资源的分配问题  无线信道的分配与管理是规划无线移动通信网络中最基础和核心的问题，其目标是在保证网络服务质量的前提下，灵活、高效地分配可用的信道资源，提高资源利用率，改善网络性能。尤其对于引入自组织方式的未来移动通信系统，一次业务的发起和完成可能涉及到自组织通信方式、蜂窝通信方式甚至两种通信方式的混合使用。目前，由网络集中分配信道资源的蜂窝网中不会出现类似的情况，其分配机制也不可能考虑不同通信模式间的信道复用。同样，在自组织网中信道的全分布式的分配机制也不能解决通信模式间转换及多种模式同时通信时的信道分配。这样，不同通信模式间的无线信道分配机制就成为区别于既有网络的一个全新问题，其优劣直接决定了最终网络吞吐量的大小和用户的QoS保证。
    2)通信方式选择和代理选取、维护算法  在新型混合系统中，有3种通信方式：自组织方式(相当于构建一个自组织局域子网，简称局域子网)、蜂窝方式(与经典的蜂窝方式相同)、混合方式(经过多跳中继最终接入基站)。当这几种通信方式都能实现用户的通信需求时，就必须选择合适的一种通信方式。在新型混合系统中，通信方式的选择算法就成为首先需要研究的一个全新问题。
    代理是指在多跳传输中最终将其他用户的服务请求直接送达基站设备的用户，因而又称其为Last Hop-Node。在混合通信方式中，如果用户在小区内要求高数据业务或者当用户处于覆盖区外时，用户的身份注册信息和业务数据将经过多跳传输给用户选取的代理，由代理来代替用户完成其与基站间的信息交互。合适的代理选取与维护算法对通信的性能影响较大，在未来的移动通信系统中必须考虑代理的选取和维护问题。
    上述两个问题，是在以前的无线通信系统中没有出现过，而在新型混合系统中又必须解决的问题。
    3)智能天线和MIMO技术在新型混合网络中的应用  文献在分析混合容量时指出：引入自组织方式，只有在使用MIMO和智能天线技术时，才能大幅度提高网络容量。如果混合网络结构不与这些技术结合，则不一定能获得容量的提高。与原有的蜂窝网相比，在混合网络中引入智能天线和MIMO技术后就能改善容量并不是一个显而易见的结论。
    当前，智能天线与Ad Hoc网结合的研究主要集中在MAC协议上，许多的研究都是在经典的MAC协议基础上(例如：IEEE 802．11的DCF，Sl-otted Aloha等)，利用智能天线提高信道的空间复用性，仿真试验表明系统的吞吐量有很大的提高。这种改进的MAC协议的目标是在尽量减少控制分组冲突的前提下，得到最大空间复用性。
    近年来具有较高频谱利用率的MIMO(Multiple Input and Multiple Output)技术备受关注，成为突破无线信道传输瓶颈的利器，已在蜂窝移动系统中得到广泛认可和深入研究。3GPP协议已经将两天线STBC应用到WCDMA和CDMA2000中。
    除了SOPRANO项目以外，在新型混合网络模型中，使用多天线技术的研究还不多见。为了更客观、更深刻地评估新型混合网络的性能，应当对智能天线、MIMO技术在混合网络中的应用开展研究。

3 现有的研究介绍
    在自组织方式与移动通信系统的结合方面，目前国内外的一些研究机构已经开展了一系列研究工作，其中主要包括：ODMA，A-GSM，SO-PRANO，iCAR，FuTURE等。
    1)ODMA  ODMA(Opportunity Driven Multiple Access)是在第三代移动通信系统中引入自组织方式的一种尝试，它是3GPP TR25．924提出的一种在UTRA TDD模式中支持移动终端中继的一种方式。ODMA目标是将高速率业务的覆盖区扩展到小区边界。
    2)A-GSM  A-GSM(A-Global System for Mobile Communications)是英国萨里大学通信系统研究中心的George Neonakis Aggelou等人提出的。研究目的是解决现有蜂窝网络覆盖中的死区问题。他们的研究结论是：通过移动终端中继可以较好的解决死区问题，移动终端个数越多，A-GSM系统吞吐性能越好，改善越多。
    3)SOPRANO  SOPRANO (Self-Organizing Packet Radio Ad hoc Networks with Overlay)是乔治．梅森大学由美国自然科学基金资助在2002年开始的一个项目。试图将蜂窝网和分组无线网(自组织网)相结合，引入一种新的无线网络结构——分组多跳无线网，提供无线的Inte-rnet和多媒体服务。研究结论是：在CDMA蜂窝系统中增加无线路由器降低了功率总和，利用容量增强新技术(例如：MIMO，智能天线、多用
户检测)可以将这种功率降低转化为容量上升，改善了系统的总体性能。
    4)iCAR iCAR(Integrated Cellular and Ad Hoe Relaying Systems)是由纽约州立大学Hongyi Wu等人提出的一种新型无线网络系统。其基本思想是通过设置一定数量的ad hoc中继站(ARSs)，使用这些ARSs从一个业务拥塞的小区向一个业务没有拥塞的邻近小区转移业务。这样可以控制或避免呼叫拥塞、掉话等。其结论是：在蜂窝系统中引入ad hoc中继站可以有效地降低呼叫阻塞概率，提高系统的吞吐。
    5)Sphinx Sphinx是美国乔治亚技术学院开展的一个研究项目。主要研究面向下一代无线通信系统的新的网络模型——混合网络模型，即：在蜂窝网模型中引入对等(peer-to-peer)网络模型(自组织网)。其结论是：混合网络模型在吞吐量和功耗方面优于传统的蜂窝网模型，在资源公平分配和对移动性与业务位置变化的适应性方面优于peer-to-peer网络模型。
    6)UCAN  UCAN(Unified Cellular and Ad-Hoc Network)是由贝尔实验室和加利福尼亚大学共同研究提出的一种基于3G CDMA2000和局域网(自组织网络)的网络融合技术方案。得出的结论是：引入自组织方式后，单个用户及系统的吞吐可以得到显著提高。
    7)FuTURE  FUTURE(Future Technologies for Universal Radio Environment)在中国启动了名为：通用无线环境的未来技术——FuTURE计划。FuTURE计划的目标是：建立一个通用无线实验环境，它能够满足未来应用的需求，使中国无线通信的研究与开发水平能够赶上世界发达国家。在该计划中为研究蜂窝网络和自组织网络结合技术设立了“基于3G技术的移动自组织网络研究”课题，该课题的目标是：研究无中
心化的移动自组织网络，开拓TD-SCDMA或其他3G技术的全新应用方向，支持移动自组织网络与3G蜂窝系统的无缝切换；研制有关关键技术示范系统，向有关标准化部门提出建议。

4 结束语
    目前，国内3G系统已经开始进行商用，同时对下一代移动通信网络的研究也已经开始。在3G网络目前的商用进程来看，TD-SCDMA系统在产品成熟度和厂商支持方面仍然比其他两个标准稍显落后。为了使我国的标准在世界上占有一席之地，在争取更多厂商支持、保证一定的市场份额，以及考虑今后移动通信系统的长远发展。需要提前对下一代的移动通信系统进行研究。
    目前，国内对下一代移动通信系统的无线传输技术已经展开研究，但对于其网络框架和结构的研究仍然比较匮乏，而一种灵活多变、适应性强、能与现有TD-SCDMA系统兼容的移动通信系统正是未来我国所需要的。因此在对国外一些项目进行研究和分析后，认为引入自组织方式的TD-SCDMA系统是一个重要的研究方向，它将会是未来我国移动通信系统重要的组成部分之一。