TD-SCDMA向未来B3G的演进

1、前言

随着市场需求的不断增长，移动通信系统在这几十年中得到了迅猛发展，从初期的基于模拟信号处理技术的第一代移动通信系统，到取得巨大商业成功的基于数字信号处理技术的第二代移动通信系统经历了不到半个世纪的时间。目前，第三代移动通信(3G)系统包括中国的TD-SCDMA系统很快将会在中国市场上出现[1]。尽管目前的2.5G和正在发展的3G系统分别宣称能够提供高达384kbit/s和 2Mbit/s的高速率数据业务，但是在忙时每个用户的平均吞吐量都不会超过171kbit/s。这样，2.5G和3G系统虽然能够提供基础业务，如语音、数据通信和低速率无线互联网接入等，但没有能力提供新的交互式多媒体业务，如多方视频会议、视频点播等这些业务需要的数据速率经常高达100 Mbit/s。

为了满足更高速率业务的需求，目前国际的相关组织包括3GPP、3GPP2已经开始对3G的演进系统(LTE)制定标准，并提出了相关的物理层标准，标准的制定中充分考虑了系统的平滑演进和后向兼容性，也引入了为支持高速数据业务的增强型技术。同时，在全球范围内有很多的研究项目包括中国的FuTURE、欧洲的ISTM

ATRICE等更是针对更高速率的超三代移动通信(B3G)系统。一些新技术，包括正交频分复用(OFDM)、多入多出(MIMO)等将会被使用在B3G系统中。由于具有良好的对抗多径能力，OFDM技术被广泛地认为是适用在宽带无线通信系统中的一种调制方式。为了实现高频谱利用率和增大系统的覆盖范围，B3G系统必然会采用多天线技术来支持高速数据业务。此外，3G的TD-SCDMA系统中的一些先进技术能够直接应用到B3G系统中。码分多址(CDMA)作为最有前途的多址接入方式可以与OFDM技术结合使用。时分双工(TDD)系统可以灵活地分配上下行间的容量比例，能方便地同时提供对称业务(如语音等)和非对称业务(如移动互联网等)[2]。B3G的空中接口将会是3G中的成熟技术和针对高速数据业务提出的新技术的结合体。

本文展望的B3G系统——TD-CDM-OFDM(timedivision-codedivisionmultiplexing- orthogonalfrequency division multiplexing)在充分考虑TD-SCDMA的平滑演进的基础上，给出了未来宽带无线接入的空中接口解决方案。该系统能够灵活地分配上行和下行间的容量，采用先进的接收检测算法，并且使用了码分多址、正交频分复用和多天线等技术。

2、对演进系统的要求

2.1后向兼容性

演进系统需要与现有3G系统保持兼容性，也就是说在满足更高服务质量的基础上充分考虑引入增强型技术后对现有设备的投资进行保护，目标是在原来的设备上无需做太多的改动而同时支持多种系统标准。未来的3G演进系统可以采用如下的结构：在下行的独立载波上使用采用了基于OFDM技术的3G演进系统，并且随着未来需求的变化慢慢过渡到下行完全是3G演进系统;而上行在初期仍然使用原来3G系统的上行方案。这样做的最大好处就是当用户需要比较高的数据速率时，可以通过向基站端发出请求使用3G演进系统，那么下行就可以选择在独立的载波上用OFDM下行方案来支持。相反，如果用户仅仅只是需要语音业务，也可以继续使用原有的3G下行方案。另外，从长期演进的角度来讲，采用这种方法具有很大的灵活性。

在物理层上采用一些增强型技术来提高数据速率的同时，需要考虑演进系统的协议结构调整。为了能够使原设备在B3G系统中继续使用，要尽量多地使用原来的协议栈和系统的结构，所以在调整物理层方案时，要尽量与原来的物理层结构保持一致，如帧结构等，减少对上层协议和系统结构的调整。

2.2支持灵活带宽

为了有效利用现有和即将使用的频谱，很多的运营商都希望未来的系统能够提供灵活的带宽支持，能够支持不同的带宽需求。而对于采用OFDM技术的B3G系统，可以使用相同的子载波间隔而不同的子载波数来满足灵活的带宽需求。由于子载波间隔并没有发生变化，有效的OFDM符号长度并不随着带宽的大小不同而发生变化，那么帧结构也不需要发生变化，极大地方便了系统在不同带宽下的运营。

2.3高速数据速率

ITU对未来B3G系统提出能够达到的高速数据要求：在低速环境中下行峰值速率(指将系统的所有资源分配给那些信道条件最好的用户所能达到的速率)达到 1Gbit/s，在移动环境中下行峰值速率达到100Mbit/s。对物理层来说，高速数据传输意味着一方面要提高系统的频谱利用率，另一方面需要克服由于高速传输带来的严重的符号间干扰等一系列问题。

2.4对高速移动的支持

B3G系统要求能够同时支持步行和车载速度，希望最大能够支持的移动速度为350km/h。由于高速移动环 境将会导致多普勒频移，信号经历的时间选择性衰落很严重。特别是对于采用了OFDM技术的系统，高速移动性的支持将对同步提出了更高的要求。另外，在确定OFDM的子载波间隔时，需要考虑多普勒频移频偏的存在，以便能够有效抵抗其影响。

2.5低RAN延时

B3G系统将会很好地支持TCP/IP协议栈，以便能够提供更好的QoS保证。要求之一就是希望有较小的往返时间(RTT)，往返时间指的是从UE端到服务器端的往返时间。在空中接口部分的往返时间(RAN-RTT)占了RTT中的主要部分，未来无线系统要求RAN-RTT能够满足小于10ms。所以，在确定 TTI大小时，需要根据系统对延时的要求来选取，并且，TTI长度的确定与选择合适的OFDM有效符号数及子载波间隔也有很大的关系。

3、B3G空中接口中的关键技术

为了满足未来演进系统的需要必须引入新型先进技术。当考虑双工模式时。TDD是未来B3G系统较好的选择。与频分双工(FDD)相比，TDD在分配上下行相对容量方面具有更高的灵活性和频谱利用率。其次，必须选择合适的调制方式和多址接入方式，来满足高速多媒体业务的需要，并提供在更宽的信号

带宽下更强的抗频率选择性衰落的能力。同时，多天线技术对于获得高频谱效率是必不可少的。最后，链路自适应技术不仅能提高数据速率，而且也能提高系统的频谱利用率。

3.1时分双工

在FDD系统中，使用不同的频段来做上行和下行传输，而在TDD系统中，同一个频段同时被上行和下行传输使用，但上行或下行传输只在其特定的时隙中进行。频谱是一个有限而宝贵的资源，相对FDD系统，灵活的频谱分配在TDD系统中更容易实现。在TDD系统中，时隙的长度可以不相等，并且每帧中的上行时隙和下行时隙的数目也可以是不相同的。采用TDD的优点是其具有能够很好地容纳下行和上行间高速非对称业务的能力，这是未来B3G系统应具有的显著特征之一。另外，TDD系统上行和下行信道间的对称性有利于链路自适应技术，如自适应波束赋形、发射分集和自适应调制等。链路自适应技术能够提高系统的吞吐率和简化接收机结构。

3.2多址接入方式

CDMA因为具有比别的多址接入方式更高的频谱利用率，所以已经在3G系统中得到了广泛的应用。但是，当数据速率高达100Mbit/s以上时，宽带CDMA的性能会因为多径信道的严重多址干扰和符号间干扰而遭受到很大的影响。为了更好地利用频率资源来满足多媒体业务的需要，OFDM技术可以帮助 CDMA系统减弱多径衰落信道的不良影响，并保持高频谱效率。OFDM采用了更长的符号持续时间，并有循环前缀来避免频率选择性的影响。同时，它最小化子载波间的间距来增加频谱利用率。与OFDM结合，CDMA系统能够获得更佳的系统性能，所以，OFDM-CDMA系统是未来移动通信系统最有前途的多址接入方案之一。过去提出的OFDM和CDMA相结合的方式根据数据扩展的方向分成两类[3]，一类是将原始数据流在频域进行扩展;另一类是在时域进行扩展，类似于传统直扩CDMA。因此，可以分别使用频域和时域Rake接收机。一般称前者为MC-CDMA。因为各个子载波的衰落是不相同的，通过解扩合并过程，MC-CDMA能够获得良好的频率分集增益，但仅凭自身的扩频解扩，该方式无法获得时间分集的增益。后者被称为MC-DS-CDMA，它是将OFDM 技术引入直扩CDMA系统的一种良好策略，特别是在准同步的移动通信系统中，但若采用这种方式，必须结合良好的编码和频域交织方式，才能够得到部分频率分集增益，而单凭其本身是无法做到的。所以，在时域和频域两维同时扩展，可以同时利用时/频域的分集增益，这种方式将会很好地替代传统的单纯只在时域或频域扩展的策略[4]。使用二维扩展策略时，利用一个一维长扩频码将数据扩展到二维上，从而获得时/频域上的最大分集增益。必须适当地设计在时域和频域上的扩展网格，使得扩展后的数据码片能够尽可能地经历各种独立的衰落，以获得分集增益的最大化。

3.3多天线技术

空时块码(STBC)[5]可以通过接收端简单的线性最大似然解码器获得充分的分集增益。它使用正交设计区分来自不同发射天线的信号，并且因为正交性，解码算法是一种非常简单的线性合并。另一方面，空间复用技术，如贝尔实验室的分层空时码技术(BLAST)[6]也得到了极大的关注。BLAST技术能够在无需增加发射功率和带宽的前提下，提供非常高的数据速率。在BLAST系统中，一组高速数据流被分成一些低速率的数据流，然后每个低速率数据流分别进行编码、调制并在各个不同的天线上发射。接收机利用空间均衡器和干扰消除算法将来自不同发射天线的信号区分开。

在实际系统中，由于硬件实现的局限性，终端的天线数目通常要小于基站端的天线数目，而BLAST检测算法需要接收 天线数目不小于发射天线数目。这样，上行链路可以较容易地使用BLAST技术，而在下行链路将空间复用和发射分集结合，即将BLAST和STBC结合，可以降低需要的接收天线数目到原来的一半或更少，并同时获得“提高数据速率”和“更多的分集增益”，这种方法是解决下行问题最好的策略之一。

3.4链路自适应技术

链路自适应的基本思想是根据信道环境的变化来调整发射信号的各种参数，从而实现对信道环境的充分利用。可以调整的基本参数，因素包括调制阶数、编码速率和重传策略。为了有利于系统性能，其他一些参数也可以被调整，如发射功率、扩频因子和天线加权系数等。在所有的链路自适应技术中，自适应编码调制(AMC)和混合自动请求重传(HARQ)是两种最有效的方式，并已经成功地应用在3G的HSDPA中。

AMC的原理是在系统条件允许的范围内，根据信道环境的变化来改变调制和编码方案。AMC的主要优点是：对于处于有利位置的用户可以获得更高的数据速率，从而提高小区的平均吞吐量;用户处于较差的信道环境时，选用低速率进行传输，虽然此时平均吞吐量较低，却具有较强的抗干扰和纠错能力，传输数据的可靠性得到提高。由于这里

的链路自适应技术是基于改变调制/编码策略而不是发射功率，因此可以降低信号干扰的变化。

在AMC中，根据明确的信噪比测量或类似的策略来选择调制和编码方式，而在HARQ中，使用链路层的反馈确认、终端的测量、网络来做重传的决定。AMC本身提供了一些根据信道的变化选择合适的调制和编码策略的灵活度，但是，需要精确地测量并且会有一些延时效应。与AMC相比，HARQ是非显式的链路自适应技术，它自动地适应信道环境的瞬时变化，对测量错误和延时不敏感。

将AMC和HARQ相结合可以同时获得两者的优点：AMC提供总的数据速率选择，而HARQ则根据信道环境来更精细地调整数据速率。

具有OFDM和MIMO技术的B3G系统在频域和空间域上提供了很多的子信道，赋予链路自适应技术更大的灵活性，如B3G系统可以实现自适应子载波、比特和功率分配，更好地开发利用OFDM链路的特性，根据MIMO链路的特点来实现自适应发射功率的分配等。

4、TD-SCDMA向B3G的演进：TD-CDM-OFDM

如何使TD-SCDMA系统能够无缝地过渡到未来的B3G系统，成为目前研究的热点之一，TD-CDM-OFDM[7]吸收了TD-SCDMA系统的优点，并应用了OFDM和MIMO等新技术，能够提供比3G系统高得多的数据传输速率。TD-CDM-OFDM主要的系统参数见表1。

表1

系统的帧结构如图1所示，持续时间5ms的无线帧被分成长度为473.6µs的10个常规时隙和3个特殊时隙，包括下行同步时隙(DLS)、切换点(switchpoint)和上行同步时隙(ULS)。时隙TS0总是用于下行传输，时隙TS1用于上行传输，而其他的时隙根据切换点位置的不同可以用于上行或下行传输。常规时隙是由数据符号、导频符号和保护间隔这3部分组成。

图1 TD-CDM-OFDM系统的帧结构

5、小结

本文讨论了基于TDD模式的TD-SCDMA向未来B3G系统——TD-CDM-OFDM系统的演进。可以清楚地看到，TDD模式在未来的B3G系统中有非常广阔的前景如更灵活的容量分配，更高的频谱利用率，更方便的资源分配和更有利于链路自适应的信道互惠性等，并且，可以通过将两种强有力的技术： MIMO和OFDM相结合来实现TD-CDM-OFDM系统的大范围覆盖、高速数据传输和高频谱效率。

参考文献

1CWTS-WG1.Physicallayer-generaldescription.TSC101，V3.1.1，Sept 2000

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

3PrasadR，HaraS.Anoverview of multi-carrier CDMA.IEEE ISSSTA，Mainz，Sep 1996

4ZhengKan，ZengGuoyan，WangWenbo.Performance analysis for　synchronous OFDM-CDMA　with　joint　frequency-time spreading.IEEE ICC，Paris，France，June 2004

5AlamoutiM.Asimpletransmitdiversity technique for wireless communications.IEEE Journal of Selected Areas on Commum，1998，16(10)

6WolnianskyPW，FoschiniG 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)