TD-SCDMA向TD-CDM-OFDM的演进

　　一、序言

　　目前的3G技术主要是针对当时不断增长的语音业务的设计的。它考虑了对语音业务的良好支持，兼顾了低速率的数据业务。但是由于技术限制和对未来业务的预测，3G技术并不能全面支持高速数据业务，也不能对时延低、速率高的多媒体流业务提供很好地支持。而在3GPPR5、R6中提出的HSDPA/HSUPA等3G增强技术，虽然可以大幅提高上下行速率。但采用分时方式，是以全小区的总吞吐量为代价的。在WiMAX、Wi-Fi等无线接入技术的挑战下，在提供带宽和每比特成本方面，3G技术的竞争力很难显现。如果根据3GPP现有的时间表安排，4G应当在2025年进入实用化，这将导致一个移动通信弱竞争力‘时间窗’的出现。而将4G的技术提前引入现有的3G系统，利用4G技术对现有3G系统进行改进就成为在现有条件下最理想的选择。

　　基于这种考虑，在2004年12月的3GPPRAN全会上，在中国移动、美国Cingularwireless、日本的NTTDoCoMo、Vodafone、Orange、T-Mobile、TIM等大型运营商提倡下，UTRAN的长期演进（LTE Long Term Evolution）计划被正式批准立项，一般被称为增强型UTRAN（E-URTAN）。预计将在2006年6月完成可行性报告，2007年6月完成主要规范。

　　二、LTE的提出和需求

　　LTE是关于UTRA和UTRAN的演进，是对包括核心网在内的全网演进。它包含了无线接口和无线网络结构部分，和以前相比去掉了电路域，只有分组域。其话音业务部分将由VoIP来实现。在2005年6月的RAN全会上确定LTE的两个核心目标，一个是以提高吞吐量和频谱利用率为主的性能目标，另一个是降低运营成本为主的成本目标。

　　1．LTE的性能目标

　　在20MHz带宽下，下行UE采用2天线，上行UE采用1天线发射的情况下，其上行峰值速率应达到50Mbits/s，下行峰值速率达到100Mbits/s，频谱利用率比R6版本提高2~4倍。全小区范围内，数据速率应保持一致性，在边缘区域，速率不能有明显下跌。同时为了满足低时延业务的需求，无线网络中的传输时延必须减小。用户平面内部单向传输时延应低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间应低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间应小于100ms。在移动速度方面，要求可以在350km/s的高速火车上实现144kbit/s的速率。

　　因考虑到全球不同运营商的不同部署需求和与现有GSM，CDMA，3G系统的共存与互通，LTE将支持更为灵活的带宽和频谱，可在1.25MHz，2.5MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz，65MHz的带宽下，支持成对或非成对频谱，并可以与已有系统实现共站址。在无线资源管理方面，LTE应支持增强的QoS控制机制，提供优化的上层业务，应用和协议到无线资源的映射和匹配，更加优化的无线接口传输，如IP包头压缩。

　　2．LTE的成本目标

　　随着HSDPA/HSUPA等3G增强技术的引入，3G可以提供较高的带宽和较低的每比特成本，和Wi-Fi、WiMAX等无线接入方案相比，在移动性方面有较大优势，但是在每比特成本上并无明显的竞争力。为迎接新兴无线接入技术的挑战，维持在更长时间内的竞争力，LTE提出了将每比特的运营成本和原有3G技术相比降低1~2个数量级。根据这个目标，LTE将大幅降低协议的复杂性，最小化协议的可选项数量和减少不必要的必选功能，减少必须的测试例数和协议的状态数量，最小化协议流程数量、参数范围和颗粒度。同时，还将通过优化传输技术，尽量使用现有的站址，开发新的无线接口，优化终端设计，简化网络的结构和接口，开发更高效和易用的网管，利用数据域的新业务来取代原有电路域业务，最大程度考虑后向和前向继承性等方式来进一步减少运营成本，以实现LTE的成本目标。

　　3．LTE的工作计划

　　LTE在2004年12月正式立项，在2005年3月的RAN全会上讨论通过可行性工作计化，预计在2006年完成其可行性报告。LTE工作时间如图1所示。图1 LTE工作计划时间表

　　可以看出，要在短短的1年3月的时间中完成一个完整的新一代无线网络的概念设计，具有很大的挑战性。而LTE的无论是成本目标还是其性能期望，在现有的3G技术下，是很难实现的，这促使人们寻找更为强大的技术支持。

　　三、TD-SCDMA在LTE中演进

　　TD-SCDMA作为一项具有完全自主知识产权的第三代移动通讯标准，已经在2000年5月的ITU全会上正式成为3G标准之一。它是世界上第一个采用时分双工（TDD）方式和智能天线技术的公众陆地移动通讯系统，也是唯一采用同步CDMA(SCDMA)技术和底码片速率（LCR）的第三代移动通信系统，同时采用了多用户检测、软件无线电、接力切换等一系列高新技术，具有高频谱利用率、低成本、上下行不对称信道和更适于不对称业务等特点，可以提供384kb/s到2Mkb/s的数据速率，以满足语音、低速数据通信和低速无线因特网接入等业务的要求，是一种非常理想的第三代移动通信系统。

　　但是，TD-SCDMA也有其自身的技术限制。首先，为了保持对快衰落信道的检测，训练序列必须在每个时隙中插入，这将降低系统的容量。其次，TD-SCDMA采用的TDD方式，使用多时隙的不连续传输，对抗快衰落和多普勒效应比连续传输的FDD差，终端移动速度不能超过120km/s。TDD的峰-均功率比随着时隙的增加而递增，而用户终端功率有限，故小区覆盖范围有限。TD-SCDMA采用和WCDMA一样的OVSF，由于其树型编码的限制，它只能提供以2倍增加的速率控制，却无法对未来多媒体通信提供更好地支持。另外，干扰和基站同步问题并没有得到完全解决。随着对高速率、低时延有较高要求的多媒体互交业务的兴起，传统的TD-SCDMA由于其自身技术的限制已经越来越不适应未来移动通信进一步发展的要求。

　　针对TD-SCDMA的以上不足，在2002年，我国已经将B3G/4G研究加入到‘863’高科技计划中，作为战略研究重点之一，称为未来通用无线环境先进技术（FutureTechnologiesfora Universal Radio Environment）。而我国的TD-CDM-OFDM（time-division code-division multiplexing OFDM），在基本物理层技术方面采用OFDM+MIMO+AMC+Turbo检测方案，广播层采用高空平台技术，提供高速率无线多媒体广播业务，小区层采用多天线与新型小区结构等关键技术，构造峰值速率及传输性能能够提高1~2个数量级的公众蜂窝通信系统；核心网采用IPv6作为无线通信核心网络。在众多高新技术支持下的TD-CDM-OFDM必将成为LTE中的强有力候选方案。

　　其新的核心技术包括MIMO，OFMD，VENOⅡ以及链路自适应等。MIMO在802.16，802.11上已经取得广泛应用，在MIMO系统中，系统的容量随着其收发天线的最小值近线形增长，取得极高的频谱利用率。但和802.16等单用户MIMO系统不同，在TD-CDM-OFDM中，系统为一个多用户系统、多小区系统，其上行为多址接入（MAC）信道，下行为广播（BC）信道。OFDM的基本原理是把高速的数据流通过串并变换，分配到传输速率相对较低的多个子信道中传输。信号在各自的子信道内被单独调制、独立传输。由于各子信道的带宽足够窄，各子信道都可以看作是无符号间干扰（ISI）的理想信道。其已经在ADSL(AsymmetricDigitalSignalProcessing)，DVB(Digital Audio Broadcasting)，DVB-T(Digital Video Broadcasting)中得到大规模，并在802.16，802.11以及HiperLAN/2中和MIMO一起组成MIMO-OFDM宽带无线通信系统。VENOⅡ（TCP Enhancement for Transmission Over Wireless Access Networks）是一种改进的的无线通用TCP技术，它将不同的传输协议的差别屏蔽起来，免去不同的应用程序需要分别开放各自的传输协议的麻烦。把用户和开发者从特定的传输协议（TCP，UDP，SCTP）中解放出来，为他们提供更高的灵活度，使用户可以自由穿梭在不同的网络环境当中，使开发者在一个统一的平台上对流媒体应用程序进行开发以降低开发成本。其和传统TCP技术相比如图3。链路自适应在HSDPA等3G增强技术中已经有所应用，在TD-CDM-OFDM中，应用范围将得到进一步的拓宽，不但可以对OFDM各个子信道的比特速率，功率分配，调制方法等进行自适应匹配，也可以对MIMO的各个天线上的功率进行调整，以实现最优化发射与接受，最大限度地对信道的利用。

　　采用众多技术的TD-CDM-OFDM的系统参数和TD-SCDMA相比，有了巨大的飞跃，已经完全可以满足下一代移动通讯的要求。

　　四、结论

　　TD-CDM-OFDM系统是在最大限度地继承TD-SCDMA现有技术和已有投资的基础上，综合一部分4G核心技术而提出的，和原有的TD-SCDMA相比，无论在小区覆盖面积，终端的移动速度，还是数据率，频谱利用率方面，都有巨大的飞跃，完全可以满足未来移动多媒体通信的要求，是一种强有力的B3G候选方案。而TD-SCDMA是我们拥有自主知识产权的3G标准之一，在LTE计划中，采用由TD-SCDMA发展而来的TD-CDM-OFDM系统，将进一步强化和巩固我国通信产业琏，带动我国高科技行业全行业技术全面升级，其经济效益、社会效益和政治效益都不可估量。

----《通信世界》

作者：重庆邮电学院移动通信技术重点实验室 杨玉东 李方伟