北京邮电大学：TD-LTE直面挑战

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作者：北京邮电大学无线信号处理与网络实验室　汪剑锋<p>　　TD-SCDMA演进系统TD-LTE及后续的TD-LTE+系统，面对来自世界范围内LTEFDD、UMB和WiMAX的竞争压力和挑战，在良好的国内策略及市场导引下和在业已成熟完善的产业链背景下，必将以其优异的技术杀出重围，增强我国在世界移<!--Element not supported - Type: 8 Name: #comment-->动通信领域内的竞争力。</p><p>　　<strong>帧结构统一迈向4G第一步</strong></p><p>　　近年来，3G网络的大规模部属已经悄然开始，而国际上对于3G以后(Beyond3G)，即4G系统的标准制订工作也已经开始提上议事日程。国际电信联盟从2000年启动4G相关研究，于去年11月16日结束的2007年世界无线电通信大会(WRC-07)上为国际IMT(第三代及第四代移<!--Element not supported - Type: 8 Name: #comment-->动通信系统)确定了新的频段，并从2008年开始向全世界征求4G候选技术。2007年3月，中国信息产业部成立了IMT-Advanced推进组，其主要任务之一就是推进TD-SCDMA在国际标准化组织内的顺利演进。</p><p>　　就目前TD-SCDMA演进标准的进程来看，在2007年11月召开的3GPP　RAN151次会议上通过了由27家公司联署的LTETDD融合的帧结构建议，今后LTDTDD的帧结构不再分为Type1和Type2，而是统一成为一种，并且这一帧结构被确定为基于我国的TD-SCDMA的帧结构。</p><p>　　<strong>TD-LTE优势凸显</strong></p><p>　　但是，TD-LTE在其发展过程中，也必将要应对来自其他系统的挑战，这主要包括3GPP中LTEFDD阵营、3GPP2的UMB阵营和同样采用TDD方式的WiMAX(IEEE802.16e及演进版本IEEE802.16m)阵营。其中，3GPP2已确定UMB为CDMA2000系列标准的演进升级版本，也于日前正式公布了空中接口规范；IEEE于2005年底推出了支持移<!--Element not supported - Type: 8 Name: #comment-->动性的宽带无线接入标准IEEE802.16e，并于近期成为了国际3G标准中的一员，其演进版本IEEE802.16m正在向全球征集技术提案，也必将成为4G的有力候选者。</p><p>　　面对这些挑战，TD-LTE系统具有其自身的优势，这主要是来自于TD-SCDMA现有的核心技术大部分得到了继承、扩展和增强，同时也有与MIMO、OFDM主流技术有机结合，引入新型技术以显著提高系统性能，为在未来的4G标准中能够取得更多的专利提供了可能。</p><p>　　考虑到目前3GPPLTE已经完成了技术提案的征集工作，LTE的标准(TR36系列)已经进入完善的过程中，不再会有大的改动。相对于3GPP对3G系统所制定的标准，LTE标准有个显著的特点，就是在整个标准的制定过程中充分考虑了TDD和FDD模式的相似性，即所采用的各种技术要尽量减少在两种应用下需要做的修改。我认为这种思路对于TD-LTE的发展和应用来说是利大于弊的：首先，3G标准中的WCDMA和CDMA2000由于商用启动时间较早，而且在技术层面的发展成熟也有清晰的路线，无论在起跑点还是国际上的关注程度来说都优于TD-SCDMA，那么如果在LTE中尽量消除TDD与FDD的差异的话，很多FDD系统的演进版本也将支持TDD系统，这对TD-LTE系统的成熟和国际市场推广具有良好的推动作用；其次，针对未来有限的频带资源，TD-LTE相对于LTE　FDD来说具有“天然”的优势，这为运营商考虑在有限频带上提供服务，并同时不用额外增加很多设备重复投资提供了可能，那么对于那些已经部署了FDD制式的运营商来说TD-LTE也将会是不错的选择；再次，针对TDD的特点，可采用多种先进技术来提高性能，比如像基于智能天线的多流MIMO技术，信号处理算法更加灵活和有效。总而言之，LTE中TDD与FDD的差异很大程度上仅表现在帧结构上，在技术层面上，包括多址方式、多天线方案和调制编码方式等等都保持了很高的一致性，而这种要求是有利于TD-LTE的初期发展的。</p><p>　　<strong>挑战犹存</strong></p><p>　　3GPP2为CDMA2000系列标准制定的演进升级版本命名为UMB，是与3GPP的LTE平行的一个概念，很多系统需求和增强型的物理层技术都与LTE相同，比如都支持可升级至20MHz的带宽，都是以OFDMA技术为基础，并针对无线移<!--Element not supported - Type: 8 Name: #comment-->动环境进行优化的移<!--Element not supported - Type: 8 Name: #comment-->动无线宽带系统，也同样采用了AMC、HARQ以及MIMO技术以更有效地提高传输速率和接收性能。但相对于LTE来说，UMB也有其自身的特点，它是3G标准中CDMA2000的演进版本，因此在标准中继承了部分原来CDMA系统的技术。根据3GPP2公布的数据，UMB系统由于采用了64QAM调制方式和4×4MIMO以后，系统在20MHz带宽中前、反向物理链路上可以达到的峰值速率为288Mbps/75Mbps，并且对于实时性业务，如VoIP进行了优化，通过系统信令开销的降低，将VoIP容量扩大到4倍以上。但从其物理层上来说，UMB仍然采用的是FDD的双工方式，也必然存在如前述相对于TDD的“天然”的劣势。另外，虽然业界对UMB能提供的良好用户体验持乐观的态度，但是由于某种技术的发展前景也必将是其所处的市场环境、政府策略导向以及整条产业链的发展来决定的，所以笔者对UMB在国内的应用前景持谨慎态度。</p><p>　　相对于前述的FDD系统来说，对TD-LTE构成的最大挑战来自于WiMAX阵营。WiMAX的提出可以追溯到2004年，IEEE为了应对城域宽带无线接入的发展，于当年正式发布固定WiMAX802.16d标准，为城域范围内的固定宽带无线接入提出了一种解决方案，为了迎合全球通信产业发展移<!--Element not supported - Type: 8 Name: #comment-->动化和宽带化结合的趋势，于2005年底推出了支持移<!--Element not supported - Type: 8 Name: #comment-->动性的WiMAX802.16e，并于日前成为了国际3G标准中的一员，加入到3G标准在国际范围内的大博弈中。而其演进版本IEEE802.16m正在向全球征集技术提案，面向的就是ITU的4G标准方案，因此WiMAX成为了TD-LTE的又一个有力的竞争者。之所以说它相对于FDD系统来说更具有挑战性，是因为WiMAX所提交的标准方案也是采用TDD的模式，在频谱分配及设备方面具有非常多的相似性，而物理层方面也具有很多类似的技术，这无疑为我国自主知识产权的TD-SCDMA乃至演进系统的商业化道路上增加了变数。但是，笔者认为TD-LTE无论从技术层面还是市场层面相对于WiMAX都具有一定的优势，最突出的表现是国内已经积累了TD-SCDMA大规模组网的经验，已建立了芯片、终端、基站、核心网、配套软件、仪表等完整的产业链，而WiMAX尚没有成熟的产品推向市场，也就无现今大规模组网的可能性，并且WiMAX的标准在制定过程中，由于要兼顾各方面存在的诸多利益，故存在很多的候选项，虽然增加了灵活性，但这丧失了相关行业，特别是设备制造商的统一性，也会对日后组网设备的兼容性产生不可预期的影响。当然，由于两者都是采用TDD的双工方式，很多技术也都是可以互相借鉴和进步的，特别是在TD-LTE的后续演进中，也许能够达到一定程度的融合。</p><p>　　各种3G系统向IMT-Advanced可能的演进如图所示，为保持TD-SCDMA的可持续发展，并进一步扩大我国在未来4G系统中的自主知识产权，以信息产业部电信研究院、中国移<!--Element not supported - Type: 8 Name: #comment-->动研究院、华为、中兴、大唐等企业和以清华大学、北京邮电大学等高校为核心，从2006年10月开始共同开展IMT-Advanced研究工作，并向ITU提交了我国自主的4G技术提案，一方面对TD-SCDMA特色核心技术进行扩展和增强，使之与MIMO、OFDMA主流技术更有效地结合，主要体现在更好的多址方式、对智能天线技术在MIMO下的扩展、针对新型多址方式的新型联合检测技术和TDD下的同步技术等；另一方面对在OFDMA+MIMO共性技术和现有标准基础上提出新型技术，进一步提高系统性能，主要体现在先进的调制技术、小区间干扰协调方案、有效的信道编码，甚至考虑中继和分布式天线等增强型技术。 </p>