WiMAX與TD-SCDMA聯(lián)合組網(wǎng)中切換技術(shù)的研究1、TD-SCDMA與WiMAX技術(shù)特點(diǎn) 近些年，通信產(chǎn)業(yè)界最熱門的話題莫過于3G與WiMAX技術(shù)發(fā)展了。而3G標(biāo)準(zhǔn)中又以中國自主開發(fā)、擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的時(shí)分同步碼分多址（TD-SCDMA）系統(tǒng)尤為突出。與其它兩個(gè)3G標(biāo)準(zhǔn)（WCDMA、cdma2000）相比，TD-SCDMA的優(yōu)點(diǎn)有：（1）TD-SCDMA采用時(shí)分?jǐn)?shù)字雙工（TDD）模式。TDD是上下行的傳輸使用同一頻帶的雙工模式，根據(jù)時(shí)間區(qū)分上、下行并進(jìn)行切換，物理層的時(shí)隙被分為上、下行兩部分，不需要成對的頻率，上下行鏈路業(yè)務(wù)共享同一信道，可以不平均分配，特別適用于非對稱的分組交換數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（如互聯(lián)網(wǎng)）。TDD的頻譜利用率高，而且成本低廉。（2）TD-SCDMA對頻率資源的利用率是最高的。TD-SCDMA系統(tǒng)僅采用1.28Mchip/s的碼片速率，采用TDD雙工模式，只需占用單一的1.6 M帶寬，就可傳送2 Mbit/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。同時(shí)TD-SCDMA也有很多不足：（1）由于采用多時(shí)隙的不連續(xù)傳輸方式，基站發(fā)射峰值功率與平均功率的比值較高，造成基站功耗較大，基站覆蓋半徑較小，同時(shí)也造成抗衰落和抗多普勒頻移的性能較差，當(dāng)手機(jī)處于高速移動(dòng)的狀態(tài)時(shí)通信能力較差。（2）由于TD-SCDMA系統(tǒng)僅采用 1.28 Mchip/s的碼片速率，然而碼片速率高才能有效地利用頻率選擇性分集以及空間的接收和發(fā)射分集，可以有效地解決多徑問題和衰落問題，因此TD- SCDMA在高速率數(shù)據(jù)傳輸上，很難完全滿足用戶對高速多媒體業(yè)務(wù)的需求。
WiMAX是一項(xiàng)無線城域網(wǎng)（WMAN）接入技術(shù)，經(jīng)過一段時(shí)間的發(fā)展已從最開始的802.16標(biāo)準(zhǔn)演化出了目前的802.16a、802.16d、802.16e等一系列標(biāo)準(zhǔn)。以基于IEEE802.16d標(biāo)準(zhǔn)的WiMAX技術(shù)（即固定WiMAX技術(shù)）為例，它的單個(gè)基站覆蓋范圍最大可達(dá)50公里，每扇區(qū)數(shù)據(jù)帶寬最高達(dá)75Mbit/s，此外，WiMAX技術(shù)還具備系統(tǒng)建設(shè)快、成本低、系統(tǒng)易擴(kuò)展升級(jí)、頻率劃分和調(diào)整靈活、在媒體訪問控制（MAC）層提供QoS保證、安全性強(qiáng)等特點(diǎn)。而802.16e技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)更是針對802.16d標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)性欠缺的問題，使得用戶端以車載速度移動(dòng)時(shí)依然可以獲得較高的帶寬。
2、TD-SCDMA與WiMAX聯(lián)合組網(wǎng)技術(shù)上的可能性
TD-SCDMA蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)與WiMAX寬帶無線網(wǎng)絡(luò)雖然是兩種不同結(jié)構(gòu)的的網(wǎng)絡(luò)，但二者之間也具有一些共同的特性。
TD-SCDMA無線傳輸方案是FDMA、TDMA和CDMA這三種基本傳輸模式的靈活結(jié)合。通過與聯(lián)合檢測相結(jié)合以及智能天線的應(yīng)用，TD-SCDMA的傳輸容量顯著增長。為了提高系統(tǒng)性能，TD-SCDMA采用了很多先進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)：
（1）智能天線技術(shù)。這種技術(shù)通過各陣元信號(hào)的幅度和相位加權(quán)改變陣列的方向圖形狀，能夠把主波束對準(zhǔn)入射信號(hào)并自適應(yīng)實(shí)時(shí)的跟蹤信號(hào)，同時(shí)將零點(diǎn)對準(zhǔn)干擾信號(hào)，從而抑制干擾信號(hào)，提高信號(hào)的信噪比，改善整個(gè)通信系統(tǒng)的性能。此外它還引入了空分多址方式（SDMA），使得在相同時(shí)隙、相同頻率或相同地址碼情況下，仍可以根據(jù)信號(hào)不同的空間傳播路徑區(qū)分用戶。在多個(gè)指向不同用戶的并行天線波束控制下，可以顯著降低用戶信號(hào)彼此間的干擾，大大提高系統(tǒng)頻譜利用率。
（2）聯(lián)合檢測技術(shù)。它是在多用戶檢測技術(shù)基礎(chǔ)上提出的。該技術(shù)是減弱或消除多址干擾、多徑干擾和遠(yuǎn)近效應(yīng)的有效手段，能夠簡化功率控制，降低功率控制精度，彌補(bǔ)正交擴(kuò)頻碼互相相關(guān)性不理想所帶來的消極影響，從而改善系統(tǒng)性能、提高系統(tǒng)容量、增大小區(qū)覆蓋范圍。
（3）同步CDMA技術(shù)。同步CDMA指上行鏈路各終端信號(hào)與基站解調(diào)器完全同步，它通過軟件及物理層設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，可使正交擴(kuò)頻的各碼道在解擴(kuò)時(shí)完全正交，相互間不會(huì)產(chǎn)生多址干擾，克服了異步CDMA多址技術(shù)由于移動(dòng)終端發(fā)射的碼道信號(hào)到達(dá)基站時(shí)間不同，造成碼道非正交所帶來的干擾，從而提高CDMA系統(tǒng)容量、簡化硬件、降低成本。
（4）軟件無線電技術(shù)。該技術(shù)是利用數(shù)字信號(hào)處理軟件實(shí)現(xiàn)無線通信功能的一種技術(shù)，它能在同一硬件平臺(tái)上利用軟件處理基帶信號(hào)，通過加載不同的軟件，可實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)性能。
（5）接力切換技術(shù)。TD-SCDMA系統(tǒng)的基站和基站控制器可采用接力切換技術(shù)，根據(jù)用戶的方位和距離信息，判斷手機(jī)用戶現(xiàn)在是否移動(dòng)到應(yīng)該切換給另一基站的臨近區(qū)域。如果進(jìn)入切換區(qū)，便可通過基站控制器通知另一基站做好切換準(zhǔn)備，達(dá)到接力切換的目的。接力切換可提高切換成功率，降低切換時(shí)臨近基站信道資源的占用。
WiMAX在物理層上分別有單載波、OFDM、正交頻分多址（OFDMA）三種技術(shù)體制。其中單載波體制使用的是QPSK、160AM、640AM、2560AM調(diào)制技術(shù)加頻域均衡，后兩種體制都采用了利于抗衰落、抗多徑、降低實(shí)現(xiàn)成本，及提高頻譜效率的OFDM調(diào)制技術(shù)。在MAC層，WiMAX采用的是TDMA方式，可以是TDD雙工模式或FDD雙工模式。這種多址方式能保證傳輸時(shí)延，支持面向連接的業(yè)務(wù)，以及為系統(tǒng)提供QoS和差異化服務(wù)、帶寬的動(dòng)態(tài)分配。通過這種多址方式可以使WiMAX基站同時(shí)接入數(shù)千個(gè)遠(yuǎn)端用戶站，既可滿足無連接傳輸?shù)男枨螅�如�?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，也可在QoS下進(jìn)行面向連接的傳輸，如需要有QoS保證的視頻和話音（VoIP）業(yè)務(wù)。
從上述TD-SCDMA與WiMAX的一些特點(diǎn)可以看出兩者的確具有一些共同的特點(diǎn)，如二者在空中接口方面都采用了OFDM/OFDMA/MIMO等先進(jìn)技術(shù)以追求更高的頻譜效率和更快的數(shù)據(jù)速率，都將業(yè)務(wù)分成了若干類別，提供QoS保證，都制訂了協(xié)議規(guī)范確保支持移動(dòng)性等。尤其是隨著主體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的確立和VoIP技術(shù)的發(fā)展，特別是由于IMS的提出，TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)邁出了面向全I(xiàn)P核心網(wǎng)的關(guān)鍵一步，因此二者的目標(biāo)更加接近，都指向了有QoS保證的IP核心網(wǎng)和移動(dòng)寬帶接入網(wǎng)。

正是由于TD-SCDMA與WiMAX的這些共性特征，使得兩者在技術(shù)上可以達(dá)到很好的融合。而隨著各種無線技術(shù)的迅速發(fā)展，移動(dòng)辦公的流行和便攜設(shè)備的普及，用戶對綜合化的、隨時(shí)隨地、永遠(yuǎn)在線的無線移動(dòng)服務(wù)的需求將持續(xù)增長。這也為兩種網(wǎng)絡(luò)的融合創(chuàng)造了業(yè)務(wù)需求的前提。
3、混合網(wǎng)絡(luò)的切換
如果實(shí)現(xiàn)TD-SCDMA與WiMAX的混合組網(wǎng)，切換問題則可以說是其最重要的一個(gè)技術(shù)問題。在保證一定的掉線率和切換成功率的前提下，用戶如何從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)平滑地切入另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)是混合網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。對于混合網(wǎng)絡(luò)而言，各種網(wǎng)絡(luò)可能架構(gòu)不同，使用不同的技術(shù)，因此現(xiàn)在還沒有一套統(tǒng)一的關(guān)于異構(gòu)網(wǎng)切換的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。不同的異構(gòu)網(wǎng)進(jìn)行混合，需要根據(jù)異構(gòu)網(wǎng)的特征采用不同的切換技術(shù)。在這里筆者對根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度、遲滯電平和信標(biāo)為判斷準(zhǔn)則的切換機(jī)制進(jìn)行了研究。
由3GPP協(xié)議可知，以接收信號(hào)強(qiáng)度（RSS）做切換指標(biāo)時(shí)，切換執(zhí)行前后臨界時(shí)刻的采樣平均值最為關(guān)鍵。故設(shè)MS經(jīng)過采樣臨界點(diǎn)前最后一次采樣均值為λ1，而切換后第一次采樣均值為λ2，前后2次采樣的差值為Dss，WiMAX和TD-SCDMA的接收信號(hào)強(qiáng)度模型分別為：

式中：d和D-d分別為移動(dòng)臺(tái)到WiMAX接入點(diǎn)和TD-SCDMA基站的距離；P0、n、K1和K2為路徑損失參數(shù)，F(xiàn)(d)和υ(d)為同陰影衰落有關(guān)的靜態(tài)零均值高斯白噪聲過程且不相關(guān)（方差均為）。


保切換發(fā)生于兩種網(wǎng)絡(luò)的邊界上，因而有效地避免了乒乓效應(yīng)的發(fā)生。其中λ1、λ2要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞膶?shí)際情況，如切入點(diǎn)密度和基站距離來實(shí)際確定。
結(jié)合以上分析，并針對兩種網(wǎng)絡(luò)在信道特性、數(shù)據(jù)速率和業(yè)務(wù)類型上的差異，可以有下列兩種無縫切換控制方案。在高帶寬的WiMAX和低帶寬的TD-SCDMA之間切換時(shí)，先設(shè)定用戶已經(jīng)進(jìn)入這兩種網(wǎng)絡(luò)的交叉覆蓋區(qū)域，并開始信號(hào)強(qiáng)度的檢測工作。
3.1從WiMAX向TD-SCDMA切換
從WiMAX向TD-SCDMA切換如圖1所示。用戶在網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)，在從WiMAX切換到TD-SCDMA之前必須做傳輸數(shù)據(jù)率的調(diào)整。當(dāng)達(dá)到Rw＜Rt時(shí)就開始執(zhí)行切換的準(zhǔn)備工作，即移動(dòng)臺(tái)向TD-SCDMA要求信標(biāo)，協(xié)調(diào)傳輸帶寬，信標(biāo)條件滿足后執(zhí)行切換。而協(xié)調(diào)過程消耗的時(shí)延則用來減小切換時(shí)的乒乓效應(yīng)；如果原網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)率不高于TD-SCDMA的普通業(yè)務(wù)，則盡量保持在條件較好的WiMAX網(wǎng)絡(luò)中，直到滿足Rt≥Rw+hv才切換，由于遲滯電平的作用，同樣可以減少乒乓效應(yīng)。

圖1從WiMAX向TD-SCDMA切換
3.2從TD-SCDMA向WiMAX切換
從TD-SCDMA向WiMAX切換如圖2所示。雖然原則上當(dāng)有高帶寬的網(wǎng)絡(luò)可用時(shí)盡量向其切換，但從帶寬相對較低的TD-SCDMA向WiMAX切換時(shí)，文章提出的策略并不因新網(wǎng)絡(luò)帶寬高就立即切換過去，而是從保證業(yè)務(wù)的可靠性角度出發(fā)來做判決，考慮當(dāng)前業(yè)務(wù)是否是實(shí)時(shí)性的。由于異構(gòu)網(wǎng)切換過程中的時(shí)延開銷較大，容易帶來實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)中斷。因此，在滿足Rw≥Rt+hv時(shí)，就根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性進(jìn)行判斷，如不是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，那么TD-SCDMA就立即向WiMAX切換；如是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，那么向TD-SCDMA要求信標(biāo)，并在要求滿足后切換，這樣切換時(shí)的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)條件較好，為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)的順利交接提供了保障，同時(shí)避免了乒乓效應(yīng)。

圖2從TD-SCDMA向WiMAX切換
總之，由以上的推導(dǎo)可知，我們得到了遲滯電平值。從TD-SCDMA向WiMAX切換時(shí)，在滿足Rw≥Rt+hv時(shí)，根據(jù)當(dāng)前業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)性來進(jìn)行判斷，如不是實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，那么TD-SCDMA就立即向WiMAX切換；如是實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，那么向TD-SCDMA要求信標(biāo)，在要求滿足后切換；然而從WiMAX切換到TD-SCDMA之前必須做傳輸數(shù)據(jù)率的調(diào)整，因此達(dá)到Rw＜Rt時(shí)才可以開始執(zhí)行切換的準(zhǔn)備工作（移動(dòng)臺(tái)向TD-SCDMA要求信標(biāo)）來協(xié)調(diào)傳輸帶寬，信標(biāo)條件滿足后執(zhí)行切換，如果原網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行數(shù)據(jù)率不高于TD-SCDMA的普通業(yè)務(wù)，則盡量保持在條件較好的WiMAX網(wǎng)絡(luò)中，直到滿足Rw≥Rt+hv才切換，這樣均可以減少乒乓效應(yīng)。
4、結(jié)語
在現(xiàn)今無線通信領(lǐng)域，很難有哪種技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)能夠一統(tǒng)天下，多種技術(shù)共存是一個(gè)不爭的事實(shí)，多種技術(shù)融合發(fā)展也是必然的趨勢。
TD-SCDMA是無線網(wǎng)絡(luò)寬帶化的成果，而WiMAX系統(tǒng)則使寬帶網(wǎng)絡(luò)向無線化邁出了重要一步。目前兩者實(shí)現(xiàn)的獨(dú)立組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)出現(xiàn)，但由于兩者本身的一些特點(diǎn)使得兩者的結(jié)合也不可避免，這樣有利于兩大系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)，達(dá)成雙贏的局面，所以說，各類通信技術(shù)演進(jìn)發(fā)展，最終將會(huì)在未來融合，共同為用戶創(chuàng)造一個(gè)美好的信息時(shí)代。