基于TD-SCDMA的混合網(wǎng)絡(luò)研究

TD-SCDMA作為中國提出的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)，自1998年正式向ITU(國際電聯(lián))提交以來，歷經(jīng)10年多完成了標(biāo)準(zhǔn)的專家組評估、ITU認(rèn)可并發(fā)布與3GPP(第三代伙伴項目)體系的融合、新技術(shù)特性的引入等一系列的國際標(biāo)準(zhǔn)化工作，使TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)成為第一個由中國提出的，以我國知識產(chǎn)權(quán)為主的、被國際上廣泛接受和認(rèn)可的無線通信國際標(biāo)準(zhǔn)。這是我國電信史上重要的里程碑。經(jīng)過我國科技人員與3GPP組織的共同努力，目前，TD-SCDMA R4規(guī)范已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)穩(wěn)定和成熟的程度。

在3G系統(tǒng)蓬勃發(fā)展的同時，各個設(shè)備制造商、運(yùn)營商以及各研究機(jī)構(gòu)、政府，都已經(jīng)開始對3G以后的技術(shù)展開了研究。在這種形勢下，TD-SCDMA的技術(shù)也在不斷發(fā)展，使自己保持技術(shù)上的先進(jìn)性。

在具體的技術(shù)上，TD-SCDMA的制定者已經(jīng)預(yù)見到了技術(shù)的發(fā)展，具有一定的前瞻性。但是，僅僅是具體技術(shù)上的發(fā)展改進(jìn)還不夠，TD-SCDMA系統(tǒng)在將來的發(fā)展中，還需要考慮系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)革新的可能性。

1 混合網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

引入自組織方式的移動通信系統(tǒng)(其中也包括引入自組織方式的TD-SCDMA系統(tǒng))，將可能成為4G或未來無線移動通信系統(tǒng)的重要形式，也是移動通信領(lǐng)域內(nèi)的熱點(diǎn)問題。在移動通信系統(tǒng)中引入自組織方式，將會帶來以下諸多好處：

1)彌補(bǔ)覆蓋缺陷 彌補(bǔ)預(yù)設(shè)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋缺陷是引入自組織方式的首要原因。在現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)和其他無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋區(qū)域內(nèi)總存在一些“死區(qū)”。這些“死區(qū)”有兩種類型，一種是任何信號都無法覆蓋的死區(qū)；另一種是高速率業(yè)務(wù)不可達(dá)的死區(qū)，但同步信號、信令信號、低速率語音業(yè)務(wù)信號可達(dá)。引入自組織通信方式，可有效地彌補(bǔ)以上兩種覆蓋缺陷。

2)提供P2P(Peer-to-Peer)模式 P2P模式將帶來兩個好處，一是對于近在咫尺的局部業(yè)務(wù)可以直達(dá)或經(jīng)少數(shù)多跳可達(dá)；二是當(dāng)沒有基礎(chǔ)設(shè)施支持或基礎(chǔ)設(shè)施毀壞(例如災(zāi)后救援)時依然可以支持一定程度的通信。

3)降低功耗 許多研究都表明，在移動通信系統(tǒng)中引入支持多跳中繼的自組織通信方式可以有效地降低總功率損耗。也就是當(dāng)一個長路徑轉(zhuǎn)為幾個短路徑時，這幾個短路徑的功率和將小于一個長路徑的功率。

4)提高容量 一些研究指出，引入自組織方式將使整個移動通信系統(tǒng)容量得到提高。也有一些研究提出，純粹引入自組織方式并不能直接將功率節(jié)省轉(zhuǎn)化為容量提高，還需引入其他技術(shù)。事實上，系統(tǒng)容量如何定義、業(yè)務(wù)特性、路由技術(shù)、資源分配和是否使用高效傳輸技術(shù)都會影響提高容量這個結(jié)論的正確性。

5)轉(zhuǎn)移流量 流量轉(zhuǎn)移也是在移動通信系統(tǒng)中引入自組織方式的一個重要原因。因為流量轉(zhuǎn)移可以緩解熱點(diǎn)區(qū)域由于容量飽和造成的呼叫阻塞和切換斷鏈。

未來移動通信系統(tǒng)由于引入自組織方式，使得網(wǎng)絡(luò)具備了很高的自適應(yīng)性和智能性。用戶不僅可以動態(tài)地組成區(qū)域性的局部網(wǎng)絡(luò)傳輸局部業(yè)務(wù)(稱為自組織局域子網(wǎng)，簡稱局域子網(wǎng))，而且可以將其與基站設(shè)備間的長距離數(shù)據(jù)鏈路轉(zhuǎn)換成多個短距離的數(shù)據(jù)鏈路，形成事實上的小區(qū)覆蓋擴(kuò)展(這種特征稱為虛擬小區(qū)擴(kuò)展)。同時，引入多跳，使得發(fā)射功率降低、空間復(fù)用增加(這種特征稱為虛擬小區(qū)分裂)。

局域子網(wǎng)可以緩解基站的瓶頸效應(yīng)，虛擬小區(qū)擴(kuò)展可以彌補(bǔ)覆蓋缺陷，擴(kuò)大覆蓋區(qū)，轉(zhuǎn)移流量，虛擬小區(qū)分裂有可能換取系統(tǒng)容量的大幅增加，這些優(yōu)勢的結(jié)合使得這種新型混合移動通信系統(tǒng)具有很大的技術(shù)潛力。

2 關(guān)鍵技術(shù)問題分析

把自組織方式引入TD-SCDMA系統(tǒng)，需要解決許多問題。例如，對新出現(xiàn)的一些關(guān)鍵技術(shù)問題加以研究，以探討新型混合系統(tǒng)模型的可行性；尋求性能和可行性之間的良好的平衡點(diǎn)等。通過分析，新系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)問題主要包括：

1)多種通信方式并存時信道資源的分配問題 無線信道的分配與管理是規(guī)劃無線移動通信網(wǎng)絡(luò)中最基礎(chǔ)和核心的問題，其目標(biāo)是在保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的前提下，靈活、高效地分配可用的信道資源，提高資源利用率，改善網(wǎng)絡(luò)性能。尤其對于引入自組織方式的未來移動通信系統(tǒng)，一次業(yè)務(wù)的發(fā)起和完成可能涉及到自組織通信方式、蜂窩通信方式甚至兩種通信方式的混合使用。目前，由網(wǎng)絡(luò)集中分配信道資源的蜂窩網(wǎng)中不會出現(xiàn)類似的情況，其分配機(jī)制也不可能考慮不同通信模式間的信道復(fù)用。同樣，在自組織網(wǎng)中信道的全分布式的分配機(jī)制也不能解決通信模式間轉(zhuǎn)換及多種模式同時通信時的信道分配。這樣，不同通信模式間的無線信道分配機(jī)制就成為區(qū)別于既有網(wǎng)絡(luò)的一個全新問題，其優(yōu)劣直接決定了最終網(wǎng)絡(luò)吞吐量的大小和用戶的QoS保證。

2)通信方式選擇和代理選取、維護(hù)算法 在新型混合系統(tǒng)中，有3種通信方式：自組織方式(相當(dāng)于構(gòu)建一個自組織局域子網(wǎng)，簡稱局域子網(wǎng))、蜂窩方式(與經(jīng)典的蜂窩方式相同)、混合方式(經(jīng)過多跳中繼最終接入基站)。當(dāng)這幾種通信方式都能實現(xiàn)用戶的通信需求時，就必須選擇合適的一種通信方式。在新型混合系統(tǒng)中，通信方式的選擇算法就成為首先需要研究的一個全新問題。

代理是指在多跳傳輸中最終將其他用戶的服務(wù)請求直接送達(dá)基站設(shè)備的用戶，因而又稱其為Last Hop-Node。在混合通信方式中，如果用戶在小區(qū)內(nèi)要求高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)或者當(dāng)用戶處于覆蓋區(qū)外時，用戶的身份注冊信息和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)將經(jīng)過多跳傳輸給用戶選取的代理，由代理來代替用戶完成其與基站間的信息交互。合適的代理選取與維護(hù)算法對通信的性能影響較大，在未來的移動通信系統(tǒng)中必須考慮代理的選取和維護(hù)問題。

上述兩個問題，是在以前的無線通信系統(tǒng)中沒有出現(xiàn)過，而在新型混合系統(tǒng)中又必須解決的問題。

3)智能天線和MIMO技術(shù)在新型混合網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用 文獻(xiàn)在分析混合容量時指出：引入自組織方式，只有在使用MIMO和智能天線技術(shù)時，才能大幅度提高網(wǎng)絡(luò)容量。如果混合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不與這些技術(shù)結(jié)合，則不一定能獲得容量的提高。與原有的蜂窩網(wǎng)相比，在混合網(wǎng)絡(luò)中引入智能天線和MIMO技術(shù)后就能改善容量并不是一個顯而易見的結(jié)論。

當(dāng)前，智能天線與Ad Hoc網(wǎng)結(jié)合的研究主要集中在MAC協(xié)議上，許多的研究都是在經(jīng)典的MAC協(xié)議基礎(chǔ)上(例如：IEEE 802．11的DCF，Sl-otted Aloha等)，利用智能天線提高信道的空間復(fù)用性，仿真試驗表明系統(tǒng)的吞吐量有很大的提高。這種改進(jìn)的MAC協(xié)議的目標(biāo)是在盡量減少控制分組沖突的前提下，得到最大空間復(fù)用性。

近年來具有較高頻譜利用率的MIMO(Multiple Input and Multiple Output)技術(shù)備受關(guān)注，成為突破無線信道傳輸瓶頸的利器，已在蜂窩移動系統(tǒng)中得到廣泛認(rèn)可和深入研究。3GPP協(xié)議已經(jīng)將兩天線STBC應(yīng)用到WCDMA和CDMA2000中。

除了SOPRANO項目以外，在新型混合網(wǎng)絡(luò)模型中，使用多天線技術(shù)的研究還不多見。為了更客觀、更深刻地評估新型混合網(wǎng)絡(luò)的性能，應(yīng)當(dāng)對智能天線、MIMO技術(shù)在混合網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用開展研究。

3 現(xiàn)有的研究介紹

在自組織方式與移動通信系統(tǒng)的結(jié)合方面，目前國內(nèi)外的一些研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了一系列研究工作，其中主要包括：ODMA，A-GSM，SO-PRANO，iCAR，F(xiàn)uTURE等。

1)ODMA ODMA(Opportunity Driven Multiple Access)是在第三代移動通信系統(tǒng)中引入自組織方式的一種嘗試，它是3GPP TR25．924提出的一種在UTRA TDD模式中支持移動終端中繼的一種方式。ODMA目標(biāo)是將高速率業(yè)務(wù)的覆蓋區(qū)擴(kuò)展到小區(qū)邊界。

2)A-GSM A-GSM(A-Global System for Mobile Communications)是英國薩里大學(xué)通信系統(tǒng)研究中心的George Neonakis Aggelou等人提出的。研究目的是解決現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋中的死區(qū)問題。他們的研究結(jié)論是：通過移動終端中繼可以較好的解決死區(qū)問題，移動終端個數(shù)越多，A-GSM系統(tǒng)吞吐性能越好，改善越多。

3)SOPRANO SOPRANO (Self-Organizing Packet Radio Ad hoc Networks with Overlay)是喬治．梅森大學(xué)由美國自然科學(xué)基金資助在2002年開始的一個項目。試圖將蜂窩網(wǎng)和分組無線網(wǎng)(自組織網(wǎng))相結(jié)合，引入一種新的無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——分組多跳無線網(wǎng)，提供無線的Inte-rnet和多媒體服務(wù)。研究結(jié)論是：在CDMA蜂窩系統(tǒng)中增加無線路由器降低了功率總和，利用容量增強(qiáng)新技術(shù)(例如：MIMO，智能天線、多用戶檢測)可以將這種功率降低轉(zhuǎn)化為容量上升，改善了系統(tǒng)的總體性能。

4)iCAR iCAR(Integrated Cellular and Ad Hoe Relaying Systems)是由紐約州立大學(xué)Hongyi Wu等人提出的一種新型無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。其基本思想是通過設(shè)置一定數(shù)量的ad hoc中繼站(ARSs)，使用這些ARSs從一個業(yè)務(wù)擁塞的小區(qū)向一個業(yè)務(wù)沒有擁塞的鄰近小區(qū)轉(zhuǎn)移業(yè)務(wù)。這樣可以控制或避免呼叫擁塞、掉話等。其結(jié)論是：在蜂窩系統(tǒng)中引入ad hoc中繼站可以有效地降低呼叫阻塞概率，提高系統(tǒng)的吞吐。

5)Sphinx Sphinx是美國喬治亞技術(shù)學(xué)院開展的一個研究項目。主要研究面向下一代無線通信系統(tǒng)的新的網(wǎng)絡(luò)模型——混合網(wǎng)絡(luò)模型，即：在蜂窩網(wǎng)模型中引入對等(peer-to-peer)網(wǎng)絡(luò)模型(自組織網(wǎng))。其結(jié)論是：混合網(wǎng)絡(luò)模型在吞吐量和功耗方面優(yōu)于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)模型，在資源公平分配和對移動性與業(yè)務(wù)位置變化的適應(yīng)性方面優(yōu)于peer-to-peer網(wǎng)絡(luò)模型。

6)UCAN UCAN(Unified Cellular and Ad-Hoc Network)是由貝爾實驗室和加利福尼亞大學(xué)共同研究提出的一種基于3G CDMA2000和局域網(wǎng)(自組織網(wǎng)絡(luò))的網(wǎng)絡(luò)融合技術(shù)方案。得出的結(jié)論是：引入自組織方式后，單個用戶及系統(tǒng)的吞吐可以得到顯著提高。

7)FuTURE FUTURE(Future Technologies for Universal Radio Environment)在中國啟動了名為：通用無線環(huán)境的未來技術(shù)——FuTURE計劃。FuTURE計劃的目標(biāo)是：建立一個通用無線實驗環(huán)境，它能夠滿足未來應(yīng)用的需求，使中國無線通信的研究與開發(fā)水平能夠趕上世界發(fā)達(dá)國家。在該計劃中為研究蜂窩網(wǎng)絡(luò)和自組織網(wǎng)絡(luò)結(jié)合技術(shù)設(shè)立了“基于3G技術(shù)的移動自組織網(wǎng)絡(luò)研究”課題，該課題的目標(biāo)是：研究無中心化的移動自組織網(wǎng)絡(luò)，開拓TD-SCDMA或其他3G技術(shù)的全新應(yīng)用方向，支持移動自組織網(wǎng)絡(luò)與3G蜂窩系統(tǒng)的無縫切換；研制有關(guān)關(guān)鍵技術(shù)示范系統(tǒng)，向有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化部門提出建議。

4 結(jié)束語

目前，國內(nèi)3G系統(tǒng)已經(jīng)開始進(jìn)行商用，同時對下一代移動通信網(wǎng)絡(luò)的研究也已經(jīng)開始。在3G網(wǎng)絡(luò)目前的商用進(jìn)程來看，TD-SCDMA系統(tǒng)在產(chǎn)品成熟度和廠商支持方面仍然比其他兩個標(biāo)準(zhǔn)稍顯落后。為了使我國的標(biāo)準(zhǔn)在世界上占有一席之地，在爭取更多廠商支持、保證一定的市場份額，以及考慮今后移動通信系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展。需要提前對下一代的移動通信系統(tǒng)進(jìn)行研究。

目前，國內(nèi)對下一代移動通信系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)已經(jīng)展開研究，但對于其網(wǎng)絡(luò)框架和結(jié)構(gòu)的研究仍然比較匱乏，而一種靈活多變、適應(yīng)性強(qiáng)、能與現(xiàn)有TD-SCDMA系統(tǒng)兼容的移動通信系統(tǒng)正是未來我國所需要的。因此在對國外一些項目進(jìn)行研究和分析后，認(rèn)為引入自組織方式的TD-SCDMA系統(tǒng)是一個重要的研究方向，它將會是未來我國移動通信系統(tǒng)重要的組成部分之一。

作者：陳靜 來源：電子設(shè)計工程