TD-SCDMA移動通信系統(tǒng)的增強(qiáng)和演進(jìn)
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時分－同步碼分多址(TD-SCDMA)是由中國提出的時分雙工(TDD)模式的第3代移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是3GPP標(biāo)準(zhǔn)的一個重要組成部分。TD-SCDMA采用了很多先進(jìn)的無線通信技術(shù)，如上行同步碼分多址、智能天線、聯(lián)合檢測、軟件無線電、接力切換和動態(tài)信道分配技術(shù)等[1]。TDD模式不需要對稱頻帶，無線資源在上下行間可以靈活分配，更適合于數(shù)據(jù)傳輸這樣的非對稱業(yè)務(wù)，在無線頻帶資源越來越短缺的今天，逐漸成為B3G/4G系統(tǒng)研究的焦點(diǎn)。在中國，頻分雙工(FDD)，包括寬帶碼分多址(WCDMA)和CDMA2000模式，總共分得90 MHz頻帶帶寬，而TDD模式分得了155 MHz的帶寬，反映出中國政府對TD-SCDMA的大力支持，并預(yù)示了其良好的發(fā)展前景。
與WCDMA和CDMA2000系統(tǒng)相比，TD-SCDMA有其技術(shù)上的優(yōu)勢，但缺乏商用經(jīng)驗(yàn)。而在未來的演進(jìn)過程中，TD-SCDMA與WCDMA具有很好的兼容性，這為未來在多系統(tǒng)之間進(jìn)行切換和漫游打下了良好的基礎(chǔ)。同時TD-SCDMA與WCDMA使用的都是3GPP提出的核心網(wǎng)版本，這種天然的結(jié)合使兩種系統(tǒng)在未來的發(fā)展道路上可以相互扶持與互補(bǔ)。從商業(yè)和投資的角度來看，核心網(wǎng)只占總系統(tǒng)投資的30%左右，所以，在未來演進(jìn)過程中，TD-SCDMA與WCDMA的兼容依然是研究的重點(diǎn)。雖然與 CDMA2000系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)有較大的差異，但為了全球通信服務(wù)的普遍性和用戶的方便性，與CDMA2000系統(tǒng)的兼容也成為商業(yè)和技術(shù)研究關(guān)注的焦點(diǎn)。
TD-SCDMA在熱點(diǎn)覆蓋地區(qū)峰值速率可達(dá)2 Mb/s，在中速移動環(huán)境下可達(dá)384 kb/s，在高速移動環(huán)境下可達(dá)144 kb/s。然而隨著移動通信業(yè)務(wù)的高速增長，TD-SCDMA的2 Mb/s的峰值速率將無法滿足需求。同時，根據(jù)國際電信聯(lián)盟(ITU) 的估計，新的B3G蜂窩系統(tǒng)可提供的100 Mb/s～1 Gb/s的峰值速率預(yù)計將在2015年實(shí)現(xiàn)。與CDMA2000采用3載波的技術(shù)相似，TD-SCDMA也有單載波和多載波系統(tǒng)之分，采用多載波可以實(shí)現(xiàn)更高的傳輸速率，但也會加大系統(tǒng)的復(fù)雜度。另一方面，移動通信技術(shù)和無線寬帶接入技術(shù)的融合也進(jìn)行得如火如荼。TD-SCDMA與無線局域網(wǎng)(WLAN)的融合可以在室內(nèi)環(huán)境或熱點(diǎn)地區(qū)提供54 Mb/s的峰值速率，有效地彌補(bǔ)了TD-SCDMA熱點(diǎn)地區(qū)的覆蓋。隨著以IEEE 802.16系列標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)的無線城域網(wǎng)技術(shù)(一般稱為WiMAX) 的發(fā)展，TD-SCDMA與WiMAX的融合也已進(jìn)入正式規(guī)劃日程當(dāng)中，并成為現(xiàn)今技術(shù)討論的焦點(diǎn)。WiMAX可以在20 MHz的帶寬下提供75 Mb/s的峰值速率，為TD-SCDMA系統(tǒng)起到了強(qiáng)有力的補(bǔ)充效果，尤其是IEEE 802.16e的提出，使融合系統(tǒng)在移動速度支持上得到很大改善。
3GPP從2004年11月開始著手其長期演進(jìn)計劃(LTE)， LTE的目標(biāo)是增大蜂窩通信系統(tǒng)的覆蓋范圍和容量，提高吞吐量，降低成本并減少服務(wù)時延，同時改善服務(wù)質(zhì)量，為用戶提供新的體驗(yàn)和感受。LTE的發(fā)展將在現(xiàn)有3G規(guī)劃頻帶上，以成熟的B3G新技術(shù)為基礎(chǔ)，向B3G/4G系統(tǒng)平滑過渡，并保持通信系統(tǒng)在未來的可持續(xù)發(fā)展性。
中國政府出資發(fā)展TDD未來演進(jìn)系統(tǒng)，并致力于B3G/4G TDD系統(tǒng)中空中接口和新網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架等關(guān)鍵技術(shù)的研究。其目標(biāo)是對3G網(wǎng)絡(luò)的全網(wǎng)覆蓋，并提供100 Mb/s～1 Gb/s的峰值速率。通過采用多輸入多輸出(MIMO)多天線技術(shù)和正交頻分復(fù)用(OFDM)多載波技術(shù)，第一個發(fā)布版本在20 MHz的帶寬內(nèi)在下行傳輸中可以實(shí)現(xiàn)100 Mb/s的速率，在上行可達(dá)50 Mb/s的傳輸速率，同時，頻帶利用率可達(dá)2 bps/Hz～5 bps/Hz。由于TDD系統(tǒng)的眾多優(yōu)點(diǎn)，TD-SCDMA演進(jìn)到LTE/B3G TDD將勢在必行[2]。
本文論述了TDD系統(tǒng)由TD-SCDMA到TDD未來演進(jìn)系統(tǒng)的演進(jìn)過程。由于TDD未來演進(jìn)系統(tǒng)到2015年才能實(shí)現(xiàn)商用，并且TD-SCDMA 到TDD未來演進(jìn)系統(tǒng)數(shù)據(jù)速率的跨度很大，所以在TD-SCDMA到TDD未來演進(jìn)系統(tǒng)過程中必將存在一些過渡階段。TD-SCDMA的演進(jìn)從引入新技術(shù)角度和峰值速率角度大體可分為4個階段，而每個階段又有著不同的技術(shù)層次：TD-SCDMA單載波和多載波階段、HSxPA TDD的單載波和多載波以及與無線寬帶技術(shù)融合階段、LTE TDD單載波和多載波階段、TDD未來演進(jìn)階段(TDD B3G/4G)。
1 TD-SCDMA到B3G TDD未來演進(jìn)
TD-SCDMA的演進(jìn)目標(biāo)是提供更高速率的服務(wù)，降低時延和成本，改善覆蓋范圍和容量。而為了達(dá)到這樣的目的，將引入許多先進(jìn)的技術(shù)，如自適應(yīng)調(diào)制編碼(AMC)、混合自動請求重傳(HARQ)、OFDM、MIMO和多載波技術(shù)等，其中許多革命性技術(shù)在演進(jìn)過程中起著關(guān)鍵的作用，是峰值速率不斷提高的根本動力。
在TD-SCDMA演進(jìn)的過程中，隨著用戶業(yè)務(wù)需求的不斷擴(kuò)大，單載頻系統(tǒng)中的部分小區(qū)(例如繁華地帶)可能會出現(xiàn)業(yè)務(wù)量過大而無法承受的情況，因此必須考慮使用新的技術(shù)方案來對系統(tǒng)
MIMO和OFDM技術(shù)是在B3G/4G系統(tǒng)中最為革命性的技術(shù)，是LTE TDD時代顯著的標(biāo)志。OFDM技術(shù)可以有效地改善頻譜效率，隨著計算機(jī)的發(fā)展和現(xiàn)代信號處理技術(shù)的進(jìn)步，快速傅立葉變換/快速傅立葉逆變換(FFT/IFFT)的實(shí)現(xiàn)使OFDM技術(shù)在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度大大降低。隨著 MIMO多天線技術(shù)的發(fā)展，在通信鏈路中引入了空域的概念，與時域、頻域和碼域一起獲得分集或復(fù)用增益，使通信系統(tǒng)的容量成倍增加，從而從本質(zhì)上提高了傳輸速率。但MIMO技術(shù)更適于平坦信道，而在寬帶無線通信中大多是頻率選擇性信道，這時，OFDM與MIMO的結(jié)合，恰好利用了OFDM的循環(huán)前綴 (CP)技術(shù)，克服多徑影響，把頻率選擇性信道改造為平坦信道，再應(yīng)用MIMO技術(shù)，傳輸增益顯著[3]。
如上所述，從TD-SCDMA到TDD未來演進(jìn)時代的演進(jìn)過程如圖1所示，演進(jìn)過程大體分為4個階段，每個階段又分不同層次：分別是單載波/多載波 TD-SCDMA系統(tǒng)、單載波/多載波HSxPA系統(tǒng)、 LTE系統(tǒng)和基于TD-SCDMA的第4代移動通信系統(tǒng)(即TDD B3G/4G)。
1.1 TD-SCDMA第1階段
第一階段主要包括單載波和多載波的TD-SCDMA，采用的關(guān)鍵技術(shù)包括CDMA、上行同步、智能天線、聯(lián)合檢測、動態(tài)信道分配等，核心網(wǎng)基于3GPP標(biāo)準(zhǔn)的R4版本，單載波極限速率為2 Mb/s，而對于N 載波技術(shù)，理論極限速率可以達(dá)到N
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