LAS-CDMA方案3.最好的新一代無線通信系統(tǒng)

由于各種技術(shù)的局限性，TDD技術(shù)只能應(yīng)用于諸如DECT和PHS等小區(qū)域系統(tǒng)，至今不能應(yīng)用到大區(qū)域系統(tǒng)。其固有的局限性主要有如下3點。

(1)發(fā)送(TX)和接收(RX)之間的功率切換

在FDD技術(shù)中，每個FDD移動臺的收/發(fā)信機的載頻之間都有一定的隔離帶，以隔離發(fā)信機對收信機的干擾。

FDD移動臺用一根公共的天線同時發(fā)射和接收無線信號，因此需要一臺雙工器用于隔離輸出和輸入信號。FDD指定的隔離頻帶有益于雙工器隔離輸出信號對輸入信號的干擾，如圖1所示。

TDD技術(shù)采用同一頻帶發(fā)射和接收無線幀，它通過時分方式動態(tài)分配上行和下行鏈路的無線資源。發(fā)送和接收之間有一個時間切換開關(guān)。由于高靈敏度和大發(fā)射功率，TDD基站收發(fā)系統(tǒng)(BTS)要求很長的保護時隙，類似FDD的保護頻帶，以保證系統(tǒng)性能和覆蓋范圍。但結(jié)果是降低了總的頻譜效率。鑒于此，所有現(xiàn)存的TDD系統(tǒng)僅適合部署在低功率和低成本的小區(qū)域。

(2)鄰近小區(qū)的干擾

FDD和TDD系統(tǒng)都不可避免地受到相鄰小區(qū)的干擾。FDD系統(tǒng)中，由于存在隔離帶，鄰小區(qū)的發(fā)射信號并不影響服務(wù)小區(qū)內(nèi)移動臺的接收性能。

如圖2所示，F(xiàn)DD系統(tǒng)是同步的，信號1、信號2和信號3同時從不同的信號源發(fā)射。正在服務(wù)的FDD基站收發(fā)系統(tǒng)從移動臺接收所需的信號，同時也接收鄰小區(qū)的信號。信號2通過隔離帶而被濾掉。無疑，信號不僅受到服務(wù)小區(qū)移動臺的干擾，而且還會受到鄰小區(qū)移動臺的干擾。相同的隔離措施也應(yīng)用于移動臺。

TDD系統(tǒng)沒有頻帶隔離。它們采用時隙隔離來自于相鄰小區(qū)的干擾。在小區(qū)內(nèi)部，上行鏈路和下行鏈路的傳輸是同步的。然而，由于傳播延時，它依然存在上行和下行鏈路之間的干擾。

TDD系統(tǒng)中，上行和下行鏈路工作于同一載頻，尤其當(dāng)基站收發(fā)系統(tǒng)具有高的天線塔、大功率和高靈敏度時，信號2將干擾所需要的信號3。為了消除這些干擾，大多數(shù)TDD系統(tǒng)采用綜合時間隔離、空間隔離和頻率隔離的頻率復(fù)用技術(shù)，然而這會降低頻譜效率。因而，一些TDD系統(tǒng)僅部署在孤立的小區(qū)中，如圖3所示。

(3)小區(qū)覆蓋范圍和頻譜效率之間的折衷

除干擾外，TDD小區(qū)覆蓋范圍也依賴于嵌入在無線幀之間的時隙間隔的大小。因為不能在同一時刻發(fā)射和接收信號，TDD系統(tǒng)就必須分配足夠大的時隙間隔以覆蓋信號的往返時間。例如，服務(wù)半徑為15km的小區(qū)，時隙間隔要求至少0.1ms。

同F(xiàn)DD技術(shù)相比較，TDD技術(shù)所要求的時隙間隔抵消了其較高的頻譜效率，如圖4所示。

(1)簡單的頻譜分配和較高的頻譜效率

TDD技術(shù)僅需要分配一個單一頻段，而不是雙頻段，單一頻段的分割可以用于TDD系統(tǒng)。在FDD系統(tǒng)中，為了上行鏈路和下行鏈路的同時運作，需分配一對相同帶寬的頻段。這些系統(tǒng)是為那些上行鏈路和下行鏈路有相同業(yè)務(wù)負載的應(yīng)用而設(shè)計的。隨著電信服務(wù)和數(shù)據(jù)應(yīng)用的結(jié)合，無線頻譜所承擔(dān)的業(yè)務(wù)性質(zhì)完全改變了。這時，上行鏈路和下行鏈路對無線資源的要求會改變。所以，有可能在下行鏈路無線帶寬即將耗盡的時候，上行鏈路仍然剩余大量帶寬。表2列出了基于無線系統(tǒng)業(yè)務(wù)性質(zhì)所分配頻譜的使用情況。

表2 基于無線系統(tǒng)業(yè)務(wù)性質(zhì)分配頻譜利用率

可以看出，在給定業(yè)務(wù)方案為3∶1時，利用率是67%，也就是說，33%的頻譜浪費掉了。

采用TDD技術(shù)，頻譜效率將得到大幅度提高。通常，市區(qū)或商業(yè)區(qū)要求大容量，因此采用較小的小區(qū)。小區(qū)越小，TDD技術(shù)的頻譜效率越高。表3列出了TDD系統(tǒng)的頻譜效率。

表3 TDD系統(tǒng)的頻譜效率

*假設(shè)為單小區(qū)，20ms的TDD無線幀

可以看出，現(xiàn)有的TDD系統(tǒng)的頻譜效率優(yōu)于現(xiàn)存的FDD系統(tǒng)，它們是微蜂窩和微微蜂窩較理想的應(yīng)用。

(2)低成本和簡單的無線設(shè)計

FDD系統(tǒng)中，采用獨立的發(fā)射和接收天線或用收/發(fā)天線雙工器，它增加了射頻設(shè)計的復(fù)雜度和功率損耗。

TDD系統(tǒng)不需要雙工器或帶通濾波器隔離上行鏈路和下行鏈路。無線資源的時間共享不存在如同F(xiàn)DD雙工器所產(chǎn)生的功率損耗。射頻設(shè)計相對簡單，功耗小、設(shè)備成本低、體積小。

現(xiàn)有TDD系統(tǒng)相對于FDD系統(tǒng)有如下優(yōu)勢:

a.簡單的頻譜分配--單頻段。

b.低成本的系統(tǒng)。

c.低成本的手機。

d.小型的TDD 手機。

e.長待機時間和長運行時間。

f.對不同應(yīng)用的友好性。

g.高頻譜效率。

TD-LAS通過突破部分TDD系統(tǒng)的局限性，與任何現(xiàn)存TDD系統(tǒng)相比提供了更多的優(yōu)勢。TD-LAS是LAS-CDMA技術(shù)與TDD技術(shù)的結(jié)合。LAS-CDMA技術(shù)通過智能化的LAS碼，抑制或消除了由CDMA系統(tǒng)所產(chǎn)生的干擾。LAS碼由兩個碼集構(gòu)成，因而LAS-CDMA在干擾抑制方面有其獨到之處，如圖5所示。

當(dāng)碼信號與接收機處的預(yù)分配碼信號相關(guān)后，初始碼信號得到恢復(fù)，并伴隨有來自其他碼信號所產(chǎn)生的干擾。隨著相關(guān)信號強度的不同和碼信號數(shù)的不同，這些干擾所占比例也不同?，F(xiàn)有CDMA系統(tǒng)采用各種手段來減少這些類型的干擾，如:快速功率控制和軟/更軟切換等。這些復(fù)雜的手段同時也帶來了一些負面影響，例如，軟/更軟切換會引起碼道數(shù)的短缺，而快速功率控制會引起對其他碼信號較高的干擾。而LAS-CDMA可以消除由其他碼信號引起的干擾，如圖6所示。

因此，理論上 LAS-CDMA是噪聲受限的CDMA技術(shù)，它不同于現(xiàn)有干擾受限的CDMA技術(shù)。隨著TD-LAS技術(shù)的到來，現(xiàn)有TDD系統(tǒng)中存在的相鄰小區(qū)干擾不再存在。智能化的LAS碼能將所需的信號從干擾信號中提取出來。

TD-LAS系統(tǒng)擁有以下特性:LAS-CDMA技術(shù)無需復(fù)雜的快速功率控制、軟/更軟切換等來補償系統(tǒng)干擾。另外，與任何現(xiàn)有CDMA系統(tǒng)相比，要維持相同的無線鏈路質(zhì)量，它只需消耗小得多的功率。

(1)無需復(fù)雜的快速功率控制

功率控制在現(xiàn)有從第二代到第三代的各種無線系統(tǒng)中都有應(yīng)用。在第二代系統(tǒng)中有的采用了頻率復(fù)用和跳頻技術(shù)來抑制干擾。第三代系統(tǒng)甚至采用了更快速的功率控制來抑制系統(tǒng)產(chǎn)生的干擾。快速功率控制是一種非常復(fù)雜的機制，開環(huán)和閉環(huán)快速功率控制機制為現(xiàn)有CDMA系統(tǒng)所采用。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于滿負荷時，功率控制并不能真正抑制干擾，它只是提供了一種均衡所有用戶干擾的機制。

TD-LAS系統(tǒng)采用智能化碼集來抑制干擾，無需快速功率控制來均衡干擾。它采用簡單的功率調(diào)整機制來降低移動臺的功率消耗，并在移動臺用戶的環(huán)境發(fā)生變化時維持鏈路質(zhì)量。

(2)無需聯(lián)合檢測方案

在某些第三代系統(tǒng)的基站收發(fā)系統(tǒng)中，規(guī)定使用聯(lián)合檢測方案來抑制由多用戶所引起的干擾。它需要實時信息和巨大的系統(tǒng)資源，來推導(dǎo)出所有用戶的活動狀態(tài)，并基于此補償其他用戶對本用戶的影響。當(dāng)用戶的活動狀態(tài)或用戶環(huán)境發(fā)生變化，或發(fā)射功率改變時，相關(guān)信息也需要實時產(chǎn)生，因此會消耗更多的功率和系統(tǒng)資源。聯(lián)合檢測方案有助于提高這類系統(tǒng)的上行鏈路性能。在現(xiàn)實中，多數(shù)時候下行鏈路需要更多帶寬，但聯(lián)合檢測方案并不能解決這一系統(tǒng)瓶頸。

TD-LAS系統(tǒng)中不存在這種由于多個用戶所帶來的干擾。它通過智能化的LAS碼來抑制該類型的干擾。與現(xiàn)今一些第三代系統(tǒng)相比，TD-LAS系統(tǒng)簡單得多，成本也低得多。

(3)無需新型天線(如智能天線)技術(shù)

天線技術(shù)是另一種提高頻譜效率的方法?？臻g接收分集已被普遍采用，以提高接收機的靈敏度，從而降低移動臺處所需的發(fā)射功率。TD-LAS可以利用這些通用的天線技術(shù)來節(jié)約移動臺的發(fā)射功率。

智能天線是一種采用波束來跟蹤每個用戶，從而降低來自其他用戶干擾的新的天線技術(shù)。智能天線采用復(fù)雜的算法，需要消耗較高的計算功率。另外，由于尺寸問題，天線的配置也有一定的困難。為蜂窩網(wǎng)的應(yīng)用尋找合適的環(huán)境來架設(shè)智能天線是一個難題。

TD-LAS系統(tǒng)利用智能碼來抑制來自其他多址用戶和系統(tǒng)的干擾?；诂F(xiàn)有的天線技術(shù)，TD-LAS即可為所有無線應(yīng)用提供了一種簡單、低成本和高頻譜效率的解決方案。在結(jié)合應(yīng)用智能天線技術(shù)后，TD-LAS在整體系統(tǒng)性能方面還可獲得進一步提高。

(4)無需軟切換

在現(xiàn)有CDMA系統(tǒng)中，軟/更軟切換是當(dāng)一個移動用戶走近小區(qū)邊界時，減輕相鄰小區(qū)干擾的一項關(guān)鍵技術(shù)。通常，采用切換方案可增加約3dB的增益，但卻要付出兩倍或三倍地占用系統(tǒng)資源的代價。TD-LAS系統(tǒng)是使用智能碼來抑制相鄰小區(qū)間的干擾，因此，無需通過多徑間的軟切換來降低ACI干擾，而采用了硬切換來提供小區(qū)內(nèi)或小區(qū)間的無縫切換。

這些改進的綜合最終會形成一個協(xié)調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)，使今天的TD-LAS技術(shù)逐步成為跨越現(xiàn)今第三代系統(tǒng)的"新三代"無線解決方案。

CDMA在理論上是應(yīng)用于移動通信領(lǐng)域的最好技術(shù)之一。但是，必須找到理想的地址碼才能真正發(fā)揮它的潛能。尋找好的地址碼的原則有三條:一是地址碼的非周期自相關(guān)函數(shù)的副峰要小，最好全為零;二是地址碼之間的非周期互相關(guān)函數(shù)應(yīng)該較小，最好處處為零;三是具有上述兩種特性的地址碼的數(shù)量越多越好。理論研究結(jié)果證明，這樣的地址碼在二元域、有限域乃至復(fù)數(shù)域根本不存在，而且，自相關(guān)函數(shù)和互相關(guān)函數(shù)是一對矛盾，二者不可兼得。正因為如此，所有CDMA技術(shù)的地址編碼方式，都不可避免地因多徑傳播效應(yīng)導(dǎo)致各個地址碼對其自身和對其他地址碼的干擾，包括符號間干擾(ISI)、多址干擾(MAI)和鄰小區(qū)干擾(ACI)。這些干擾使系統(tǒng)頻譜效率和容量的提高受到了很大限制。為了克服因干擾所造成的"遠近效應(yīng)"，傳統(tǒng)CDMA系統(tǒng)必須采用快速功率控制以避免系統(tǒng)容量的下降。這樣做的結(jié)果不但使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨復(fù)雜，而且使系統(tǒng)覆蓋半徑受到了限制。

李道本教授的貢獻在于他用兩個碼來構(gòu)造一個具有上述要求的地址碼，其中一個碼用來完全消除符號間干擾及多址干擾，它被稱為LS碼。它由L碼及S碼組成。這是一對真正的相關(guān)函數(shù)互補碼，其自相關(guān)函數(shù)之和除原點外全為零，互相關(guān)函數(shù)在特定窗口內(nèi)也全為零，且非零值只在個別離散點即"窗棱"處出現(xiàn)。"窗棱"間的距離取決于窗口的大小?？紤]到碼的正交性，LAS-CDMA技術(shù)會在小區(qū)交界處造成一個無干擾區(qū)(IFA)。為了防止兩個移動臺到達某基站的信號位置恰在"窗棱"上而產(chǎn)生大的干擾，本方案又提出采用一種不等間隔的LA碼，使得在某一時間區(qū)間內(nèi)，只有很短時間處于"窗棱"處。另外，為了避免因不同小區(qū)之間的碼有部分不正交所出現(xiàn)的小區(qū)間干擾，又采取了前向功率的按需分配，即根據(jù)移動臺距離基站的遠近與傳播條件好壞來分配前向功率的大小。以上獨特的LAS智慧編碼理論，構(gòu)造了"自干擾"為零和在某些特定"窗口"內(nèi)其"互干擾"也為零的優(yōu)異性能，從而使CDMA系統(tǒng)由現(xiàn)有的"干擾受限"轉(zhuǎn)變?yōu)長AS-CDMA的"噪聲受限"系統(tǒng)，并使系統(tǒng)頻譜效率和容量獲得極大的提高。這樣，在同樣發(fā)射功率下可有更大的區(qū)域覆蓋，而且避免了功率控制等復(fù)雜技術(shù)的采用。

1999年，這項發(fā)明在ITU的會議上首次公開亮相就得到了我國科技部、信息產(chǎn)業(yè)部和中國工程院的關(guān)注。

2000年3月，在CWTS的支持下，LAS-CDMA技術(shù)被3GPP2接受為CDMA2000單載波增強的備選方案之一。同年9月，LAS-CDMA技術(shù)及其原理樣機通過了驗證與評估，證明了這一技術(shù)理論上的正確性和無干擾窗口的存在，以及應(yīng)用上的充分現(xiàn)實性。

2001年初，以LAS-CDMA為核心的應(yīng)用TDD模式并以全IP網(wǎng)為目標(biāo)的新一代移動通信系統(tǒng)TD-LAS投入開發(fā)。年中，該系統(tǒng)的準(zhǔn)商用機在戶外試驗并獲得了成功。這一技術(shù)是移動通信領(lǐng)域繼模擬技術(shù)、數(shù)字技術(shù)和CDMA技術(shù)之后的又一個新的里程碑。