基于TD-SCDMA的混合網(wǎng)絡(luò)研究

陳靜

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學院陜西西安710014）

TD-SCDMA作為中國提出的第三代移動通信標準，自1998年正式向ITU（國際電聯(lián)）提交以來，歷經(jīng)10年多完成了標準的專家組評估、ITU認可并發(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準化工作，使TD-SCDMA標準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可的無線通信國際標準。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)達到了相當穩(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、運營商以及各研究機構(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)上的先進性。

在具體的技術(shù)上，TD-SCDMA的制定者已經(jīng)預見到了技術(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）彌補覆蓋缺陷彌補預設(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。引入自組織通信方式，可有效地彌補以上兩種覆蓋缺陷。

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)可以直達或經(jīng)少數(shù)多跳可達；二是當沒有基礎(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[1-4]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[2]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[3]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)覆蓋擴展（這種特征稱為虛擬小區(qū)擴展）。同時，引入多跳，使得發(fā)射功率降低、空間復用增加（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)擴展可以彌補覆蓋缺陷，擴大覆蓋區(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，其分配機制也不可能考慮不同通信模式間的信道復用。同樣，在自組織網(wǎng)中信道的全分布式的分配機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[2,5]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，Slotted Aloha等），利用智能天線提高信道的空間復用性[6]，仿真試驗表明系統(tǒng)的吞吐量有很大的提高。這種改進的MAC協(xié)議的目標是在盡量減少控制分組沖突的前提下，得到最大空間復用性。

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[7]，已在蜂窩移動系統(tǒng)中得到廣泛認可和深入研究。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)外的一些研究機構(gòu)已經(jīng)開展了一系列研究工作，其中主要包括：ODMA，A-GSM，SOPRANO，iCAR，F(xiàn)uTURE等。

1）ODMAODMA（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目標是將高速率業(yè)務(wù)的覆蓋區(qū)擴展到小區(qū)邊界。

2）A-GSMA-GSM（A-Global System for Mobile Communications）是英國薩里大學通信系統(tǒng)研究中心的George Neonakis Aggélou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）SOPRANOSOPRANO（Self-Organizing Packet Radio Ad hoc Networks with Overlay）是喬治.梅森大學由美國自然科學基金資助在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Internet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）iCARiCAR（Integrated Cellular and Ad Hoc Relaying Systems）是由紐約州立大學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）SphinxSphinx是美國喬治亞技術(shù)學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）UCANUCAN（Unified Cellular and Ad-Hoc Network）是由貝爾實驗室和加利福尼亞大學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）FuTUREFuTURE（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)達國家[8]。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[9-10]，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)標準化部門提出建議。

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準稍顯落后。為了使我國的標準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)的長遠發(fā)展，需要提前對下一代的移動通信系統(tǒng)進行研究。

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、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行研究和分析后，認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。

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