1 TD-SCDMA到B3G TDD未来演进

　　TD-SCDMA的演进目标是提供更高速率的服务，降低时延和成本，改善覆盖范围和容量。而为了达到这样的目的，将引入许多先进的技术，如自适应调制编码(AMC)、混合自动请求重传(HARQ)、OFDM、MIMO和多载波技术等，其中许多革命性技术在演进过程中起着关键的作用，是峰值速率不断提高的根本动力。

　　在TD-SCDMA演进的过程中，随着用户业务需求的不断扩大，单载频系统中的部分小区(例如繁华地带)可能会出现业务量过大而无法承受的情况，因此必须考虑使用新的技术方案来对系统进行扩容。系统扩容可以通过小区分裂或者增加载频等方式来实现。相对于前者来说，后者对网络规划、设计等影响较小，且成本更低。因此，引入多载波技术可以有效解决系统容量不足的问题。通过引入HSxPA(包括HSDPA和HSUPA，还有增强技术HSPA+)能够进一步地提高上下行链路数据业务的吞吐量，HSxPA时代最显著的技术是AMC和HARQ。

　　MIMO和OFDM技术是在B3G/4G系统中最为革命性的技术，是LTE TDD时代显著的标志。OFDM技术可以有效地改善频谱效率，随着计算机的发展和现代信号处理技术的进步，快速傅立叶变换/快速傅立叶逆变换(FFT/IFFT)的实现使OFDM技术在系统中实现的复杂程度大大降低。随着 MIMO多天线技术的发展，在通信链路中引入了空域的概念，与时域、频域和码域一起获得分集或复用增益，使通信系统的容量成倍增加，从而从本质上提高了传输速率。但MIMO技术更适于平坦信道，而在宽带无线通信中大多是频率选择性信道，这时，OFDM与MIMO的结合，恰好利用了OFDM的循环前缀 (CP)技术，克服多径影响，把频率选择性信道改造为平坦信道，再应用MIMO技术，传输增益显著[3]。

　　如上所述，从TD-SCDMA到TDD未来演进时代的演进过程如图1所示，演进过程大体分为4个阶段，每个阶段又分不同层次：分别是单载波/多载波 TD-SCDMA系统、单载波/多载波HSxPA系统、 LTE系统和基于TD-SCDMA的第4代移动通信系统(即TDD B3G/4G)。

1.1 TD-SCDMA第1阶段

　　第一阶段主要包括单载波和多载波的TD-SCDMA，采用的关键技术包括CDMA、上行同步、智能天线、联合检测、动态信道分配等，核心网基于3GPP标准的R4版本，单载波极限速率为2 Mb/s，而对于N 载波技术，理论极限速率可以达到N× 2 Mb/s。

1.1.1单载波技术

　　TD-SCDMA阶段就是现在的TD-SCDMA系统，采用了智能天线、联合检测、动态信道分配、软件无线电、上行同步码分多址技术、接力切换、低码片速率、多时隙、可变扩频、自适应功率调整和3GPP提出的高层协议和核心网。TD-SCDMA核心网采用R4版本。TD-SCDMA与WCDMA系统有很好的兼容性，并且满足了国际电联和3GPP提出的3G系统的指标要求，实现了3G的各种场景环境。由于采用TDD模式，上下行链路使用同一频率，同一时刻上下行链路的空间物理特性相似，可以采取一些自适应无线信号处理技术，同时实现上下行链路间的灵活切换。这一模式的优势是，在上下行链路间的时隙分配可以被一个转换点改变，以满足不同的业务要求。通过改变上下行链路的转换点可以实现所有3G对称和非对称业务。TD-SCDMA与联合检测相结合，在传输容量方面有显著增益。通过引进智能天线，容量还可以进一步提高。智能天线凭借其天线定向性和智能性减小了小区内和小区间的干扰，能够提供更好的通信质量，提高系统容量，并且扩大小区的覆盖范围。

1.1.2 多载波技术

　　多载波技术是相对单载波技术而言的，就是在一个小区中配置多个载频。若将每个载频视为一个逻辑小区，则多载波小区实际上等效于将原来独立的多个单载波小区合并到一起，并将公共信道进行合并，这样就形成了一个多载波小区，从而大大提高系统的业务承载能力。多载波技术的提出是从发展的角度来看待网络容量的演变，这将有利于TD-SCDMA系统的进一步完善。在不考虑频率间相互干扰的情况下，多载波TD-SCDMA系统的容量将会是单载波系统容量的N 倍(N 为载波数)。然而由于小区内载频间的混叠干扰，系统容量将会小于N 倍单载频系统的容量。

1.2 TD-SCDMA第2阶段

　　TD-SCDMA演进的第二阶段主要包括引入高速数据分组接入(HSDPA)和高速上行分组接入(HSUPA)，同时需要考虑和其他无线宽带接入系统的融合，共同支撑高速数据业务的传输，比如TD-SCDMA和WiMAX在核心网的融合等。此时采用的关键技术主要包括AMC、HARQ、快速分组调度 (FPS)等，核心网基于IP多媒体子系统(IMS)，对于单载波HSDPA/HSUPA来说，理论极限速率为2.8 Mb/s，对于3载波HSDPA/HSUPA来说，理论极限速率为8.4 Mb/s；当与WiMAX融合时，其理论极限速率可达75 Mb/s(20 MHz带宽时)。

1.2.1单载波技术

　　HSxPA可以在现有TD-SCDMA网络的基础上进行演进，在无线接入网络进行相应地修改，使得下行传输速率提升到每载波2.8 Mb/s，其中网络架构及核心网络保持不变。HSxPA为运营商提供了更广阔的空间，为数据业务最终超过语音业务奠定了理论技术基础。HSxPA是一种新的通用移动通信系统陆地无线接入网(UTRAN)传输技术，是对普通传输技术的一种补充。它通过采用高阶调制方式和快速重传机制增加系统吞吐量，减少传输时延，提高峰值速率。

　　HSxPA与普通传输技术相比，其主要区别在于对信道质量变化进行补偿。普通传输技术通过快速功率控制维持恒定的数据速率，适合实时数据的传输，例如话音业务。而在HSxPA中，所有用户的下行总发射功率在传输过程中维持恒定。假定每个用户的功率保持恒定，则离基站近的用户路损较小，干扰较低，从而信道容量更高。离基站远的用户信道容量相对较低，HSxPA通过改变编码调制方式，以及HARQ机制来使数据速率随信道容量的变化而变化。显然，这种方式不能用于承载实时业务，但对数据业务则非常合适。在信道质量良好的情况下，HSxPA的理论峰值速率可以达到2.8 Mb/s。如果捆绑多个载波提供HSxPA的话，理论峰值速率可以达到N×2.8 Mb/s(N 为载波个数)。在这个阶段里，根据3GPP的R5版本，基于全IP的核心网将建成并投入使用，并引入IMS以提供基于IP的服务质量(QoS)。

1.2.2 多载波技术

　　在TD-SCDMA系统中，由于每个载波带宽只有1.6 MHz，所以即使使用5个下行时隙，TDD HSxPA也只能达到2.8 Mb/s的下行速率。而FDD的理论峰值速率能达到14.4 Mb/s，WLAN能达到54 Mb/s。与它们相比，TD-SCDMA有不错的频谱效率，然而单个用户的峰值速率则远远不够。

　　若采用多载波的与HSxPA，允许用户同时在多个载波上收发数据，则在3个载波的情况下，数据被分配到3个载波上同时传输，数据传输速率可以达到 8.4 Mb/s。随着载波个数的增长，峰值速率还可以继续增长。这种方案的好处是，既可以达到很高的峰值速率，又可以实现灵活的配置。当所在地区的数据业务需求不是很大时，可以只使用一部分载波捆绑实现HSxPA业务。随着需求的增长，可以通过网络重新规划，使用更多的载波提供HSxPA业务。

　　对于WCDMA，如果要在10 MHz的带宽内提供HSDPA，要求上、下行的5 MHz带宽分别都是连续的。而TD-SCDMA则可以使用6个分离的1.6 MHz载波。在载波资源受限的情况下，这无疑是一个极大的优势。

1.2.3 MIMO与HSxPA的结合

　　在通信系统中，通过采用多天线技术，在空域上实现空间分集、空间复用和波束成形，系统性能和传输能力能够得到很大提高。尤其在发送和接收时，不同天线上的衰落相对独立，信道容量和天线数呈线性增长关系。3GPP在R5版本中已经提出了很多MIMO方案来增强系统性能(如基于每根天线的速率控制)。在 R6版本中，3GPP将MIMO技术引入TD-SCDMA系统，从而在3载波上可实现14.4 Mb/s的峰值速率。有关HSxPA的演进和增强(称为HSPA+)目前还在标准化过程中，建议采用MIMO和高阶调制编码方案，以提供更高的传输速率。

1.2.4 分布式天线系统技术

　　TD-SCDMA采用了智能天线和联合检测技术，系统容量受限主要是由于小区间干扰引起的，而不是由于小区内干扰引起的。TD-SCDMA小区的呼吸效应并不明显，如果可以减弱小区间干扰，就可进一步改善系统容量。使用分布式天线可以增加覆盖范围并减少快衰影响。分布式天线采用多根邻近的天线使用一个处理单元的方法，形成一个逻辑的多天线阵列，同时为用户服务。下行同时发射相同的信号给用户，上行多个天线同时接收，送回处理中心进行处理。天线端尽量简化以减少成本，除了基本的部分，对信号的处理通常集中在处理中心。

        分布式天线系统对服务区域实现了较好的均匀覆盖，性能得到提高，特别是提高了切换的性能，当用户在同一个服务区域内移动时，尽管使用了不同的天线为其服务，但不需要进行切换。通过多个不同地点天线的接收，可以实现宏分集以抵抗阴影衰落。资源管理更加灵活，处理中心可以实现统一动态地分配资源，优化资源使用，极大地提高频谱效率，并且通过软件配置、管理的小区结构能更好地适应不同时段、不同地点的业务变化。

1.2.5 MBMS技术

　　组播和广播业务(MBMS)是对现有WCDMA移动网络的增强，可与现有移动网络无缝融合，方便移动运营商对手机电视业务的运营。然而3GPP在R6版本中的TDD模式下也提出了MBMS。MBMS技术与其他数字电视广播技术具有完全不同的商业模式，MBMS提供了一套完全由移动运营商运营、控制的广播/多播传输通道。

　　MBMS可以利用蜂窝网已有的双向信道实现交互。除了广播业务，MBMS还可以提供更丰富的组播业务；通过点对点修复机制，实现高可靠的下载业务。通过交互信道实现灵活的计费。MBMS可用于承载移动广播电视业务，但并不局限于此，MBMS还可以为用户提供多种丰富的推(PUSH)业务，而其中许多业务已经在现网中开始运营，如果将MBMS引入网络，能够为增加业务传送容量带来收益。

　　如何将MBMS与蜂窝网络数据复用在一起渐渐成为人们关注的焦点，现在新的提案中大致有两种模式，一种是时分复用(TDM) 模式，另一种是频分复用(FDM)模式。在TDM模式中，可以使用长的循环嵌缀，来得到更好的抗多径性能。但TDM模式不支持可变带宽，只能工作在10 MHz的带宽下。在FDM模式中，由于MBMS与蜂窝网络数据复用在一个OFDM符号里，所以只可使用蜂窝系统的CP(CP较短)。但FDM模式支持可变带宽，可以工作在多种选择的带宽模式下。

　　MBMS的引入对于现有的蜂窝系统是一种有效的补充，可在现有网络上增加和改善一些功能实体，为用户提供更多的服务。

1.2.6 TD-SCDMA和BWA的融合

　　TD-SCDMA和宽带无线接入(BWA)相比，峰值速率不够高，但可以实现大面积覆盖，而BWA在低速移动环境下可以提供高速率业务，如IEEE 802.11a WLAN可以提供54 Mb/s的峰值速率。TD-SCDMA和WLAN的融合，可以在热点地区使用WLAN来提供高速率业务传输，同时使用TD-SCDMA来实现全网覆盖。

　　TD-SCDMA与WiMAX的融合也已进入规划日程，并成为现今技术讨论的焦点。WiMAX可以在20 MHz的带宽下提供75 Mb/s的峰值速率，为TD-SCDMA系统在热点地区的覆盖起到了强有力的补充效果，尤其802.16e(WiMAX的扩展版本)的提出，使融合系统在移动速度支持上得到很大改善。TD-SCDMA和BWA的融合需要TD-SCDMA终端可以同时支持BWA接入和TD-SCDMA蜂窝网接入，并且TD- SCDMA和BWA系统应该增加一些特殊的功能实体以支持双系统融合后的协议标准[4]。

1.3 TD-SCDMA LTE阶段

　　TD-SCDMA演进的第3个阶段则是 LTE，LTE TDD是TD-SCDMA在向4G系统演进过程中的过渡阶段，目的是在3G的平台上使用4G的技术，为3G系统向4G系统的平滑过渡起到良好的铺垫作用。现在LTE的大部分研究都集中在物理层，这个阶段的传输性能和通信参数与TDD未来演进时代十分接近，大多数技术特点是用于增强系统性能的，如使用MIMO、OFDM、灵活的带宽选择(1.25 MHz、1.6 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz)和分布式无线接入网络。通过使用MIMO和OFDM技术，在20 MHz的带宽内下行峰值速率可达到100 Mb/s，上行可达到50 Mb/s。所有的服务在共享和公用信道上提供，并且将使用基于IPv6的核心网。

　　考虑到OFDM技术在上行链路的峰均比高，只在下行链路使用OFDM技术，而在上行链路使用单载波技术，包括交织的频分多址(IFDMA)和离散傅立叶变换－扩展正交频分复用(DFT-SOFDM)，在下行主要使用正交频分多址(OFDMA)技术。IFDMA设计目标是实现没有多址接入干扰的频分多址(FDMA)，系统中每一个用户独享一个子载波集，对不同用户的子载波进行交织。在IFDMA中，每个用户占用的子载波在传输频段上均匀分配，以获得最大程度上的频率分集增益。IFDMA的信号在时域设计，从而实现了低峰均值比(PAPR)。在LTE阶段，TD-SCDMA系统和其他无线宽带接入网络的融合开始进一步加强，从IP核心网的融合开始向无线接入网的融合过渡，核心网基于全IPv6的IMS，业务不仅仅是传统的点对点的多媒体数据业务，还包括MBMS业务，以及更加灵活的点对点业务。由于采用了先进的物理层处理机制，其频谱效率将为2 ~5 bps/Hz。

1.3.1 LTE单载波系统

　　在3GPP LTE中，上行链路方案在多载波方案(OFDMA)和单载波方案(SC-FDMA)中抉择，最终由于多载波方案的高峰均比问题，而采用单载波方案作为上行链路方案。SC-FDMA单载波系统包括IFDMA和SOFDM系统。SC-FDMA单载波系统有很多优点：低峰均比、用户间频域正交使小区内干扰最小化、可以使用低复杂度的频域均衡、多选择的码片速率。在SC-FDMA单载波系统中，DFT-SOFDM和IFDMA两系统的比较成为业界焦点。 IFDMA系统是时域处理的SC-FDMA单载波系统，而DFT-SOFDM系统是频域处理的SC-FDMA单载波系统。IFDMA比DFT-SOFDM 的PAPR性能好，但频谱效率略低；DFT-SOFDM系统比IFDMA实现起来更加复杂。与IFDMA系统相比，DFT-SOFDM与OFDMA系统有更好的兼容性。由以上结果可以看出DFT-SOFDM更适合作上行的单载波系统。

1.3.2 LTE正交多载波技术

　　在3GPP LTE中，下行链路方案是多载波OFDMA系统。无论是在3GPP LTE还是在WiMAX中，OFDMA都毫无争议地成为下行链路方案。和其他系统相比，OFDMA有更好的频谱效率，实现起来并不复杂，而多载波的高PAPR问题，可以在基站端做相对复杂的处理以减小PAPR，因此最终的多址接入方案应考虑为了减少PAPR所带来的额外复杂度和链路性能增益之间的平衡度。当MIMO多天线技术与OFDMA相结合时，会带来更大的增益和更优的系统性能。

1.3.3 MIMO-OFDMA技术

　　MIMO-OFDMA 是下一代通信系统中最具有革命性的技术，是3GPP LTE提高峰值速率和服务质量的基础。MIMO多天线技术在提高频带利用率方面有杰出表现，然而，占用频带越宽，多径现象越明显。传统的单载波系统为了实现MIMO检测而大大增加了接收机的复杂度，而OFDM的出现恰好可以解决这一问题。OFDM可以有效减弱频率选择性衰落的影响和符号间干扰，所以很适合在无线宽带信道中实现高速率数据的传输。同时，OFDM由于使用了FFT/IFFT而变得容易实现，并且在每个子载波上使用AMC，可以更有效地利用频带。OFDM的这些特点使其在LTE和B3G系统中极具竞争力。把MIMO和OFDM相结合，有频率选择性的MIMO信道可以被分成许多平坦的子信道，同时MIMO的检测系统也被简化。

1.3.4 灵活的动态频率选择机制

　　现今频谱资源极其短缺，为了能够有效地利用任意的蜂窝频谱资源，LTE系统采用灵活的带宽选择在不同的带宽上实现高质量高速率的信息传输，这就是动态频率选择技术。TD-SCDMA系统将在LTE TDD系统之前部署，所以未来的频率演变中使用1.6 MHz是很有可能的。另外LTE TDD在中国也应该考虑1.25 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz的带宽。这样，灵活的带宽选择可以适应通信系统在时间和区域上的变化，并有效地利用各种不同的带宽。

1.3.5 无线mesh

　　在传统的蜂窝网中，使用的是点对多点的结构，如图2所示，属于集中控制机制，每个基站负责一个小区内所有用户的通信。