LAS-CDMA——新一代無線技術

2019-11-03 09:38:03

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李建業連宇通信公司董事長、IEEE會士　　無線通信從十年前的一個小行業發展到今天，已被行業分析家們認為是今后十年最具意義的技術發展行業。無線業正迎來一個無可比擬的飛速發展的階段，它對全世界的生活方式和經濟的影響可與因特網革命相媲美。

　　這種發展主要是基于以下三個基本因秦

　　（1）數據業務大幅度的增長和轉變：雖然今天的數據通信業務僅僅占無線業務的百分之五左在但是無線因特網服務的增長將使它在幾年內超過語音業務。隨著無線數據業務的增加，數據傳輸也要求從目前的低數據率電路交換連接（如14.4Kbps）演進到高數據率（高達5Mbps以上〕的分組交換服務。

　　（2）從以傳統電路為核心網和接入網絡到全ip分組網絡的根本轉變：這個轉變與固定的有線網絡的發展進程相類似，標志著不同網絡系統的融入新一代全IP網和分組交換無線網絡系統技術。

　　（3）無線通信和因特網的融合：便利、普及、隨著可用的便攜式無線設備將取代上世紀老式的臺式／有線調制解調器模式。

　　要達到這些要求，一定有一種經濟的辦法來實現其應用。的確，為了跟上需求并以更經濟的方式來配置新的寬帶應用技術，無線運營商們將需要找到增強其網絡系統容量的途徑。然而，隨著頻譜使用費的不斷上漲（可以參看最近各國的頻譜拍賣；在英國為324.4億美元，德國為462億美元，而意大利為116億美元），運營商們正在尋找增強的無線技術，不僅能提高頻譜效率（即可用頻段內業務服務信道容量的比率），而且能有效地服務于新的無線分組數據應用技術。ITU最近定義的現在的第三代（3G）技術，更恰當地說是早期的3G配置，也將很快需要升級以滿足市場環境變化的需求。

　　事實上，無論是推進早期無線產業發展的第一代和第二代技術，還是當今的第三代標準都不是十分健全和完備的，不能適應3G及3G以上技術升級的要求。新的、改良的技術將用于解決呈指數級增長的用戶和數據業務，同時提高容量和頻譜效率。

　　因此，無線業必須確定一種新技術以適應和增強為現有標準設計的系統同時推動未來發展。無線業需要新一代的技術。它將4G無線技術引入今日，來改善3G技術并向未來的全IP網絡演進。

　　連宇公司已經研制出了這樣一項技術——LAS-CDMA，即大區域同步碼分多址技術。LAS-CDMA技術是頭一個超出IMT-2000要求的無線技術。它是一個創新的概念，增強現有3G技術，使其頻譜效率至少提高到3倍。運營商們將LAS-CDMA技術納入到他們的規劃中去，其現有的系統就能滿足其對容量和帶寬的需求。LAS-CDMA通過在其在大區域系統中將LAS-CDMA和TDD（時分雙工）技術創新地結合在一起，被列為第四代（4G）無線系統的首選方案。

　　一、LAS-CDMA的特點

　　具有所有無線技術中最高的頻譜效率；

　　在同一載波上能同時傳輸數據和話音；

　　是當今唯一能用FDD網絡來設置TDD空中接口的技未能夠為無線因特網業務提供不對稱通信無需犧牲頻譜效率。

　　二、2G技術在3G無線領域中的周限性

　　一直以來，無線業的發展始絡被低估了，致使很多運營商對其系統的話音和數據服務的需求措手不及。現在包括CDMA、GSM和TDMA（時分多址）等許多系統，都無法滿足用戶對更高的話音質量和新的高數據速率的要求。隨著新業務和更大價格“套餐”的迅速推出，3G的CDMA網絡也將很快飽和。

　　2G首選標準的設計和容量在3G無線行業受到嚴重限制。例如，現行的TDMA標準的容量嚴重受限于其相對低的頻譜效率。

　　CDMA技術對TDMA來說是一個重大的改洗并成為3G公認的標準。它實現了從時分多址到碼分多址的轉變，并允許同一頻率不同小區間的重復使用，大大地提高了CDMA系統的容量，例如，CDMA是GSM或TDMA（IS-136）標準語音容量的2倍以上。然而，現行的CDMA有其局限性，特別是在進一步提高頻譜效率上。這主要是由于CDMA系統在多小區網絡系統中面向多用戶使用的擴展碼和擾碼。這些碼會在系統內產生干擾如：

　　符號間干擾（ISI）和多址干擾（MAI）（又稱為同小區或小區內干擾）：在單小區內限制用戶數量；

　　相鄰小區干擾（ACI）（又稱為小區間或地區干擾），限制了相鄰基站的互相靠近，產生容量受限的干擾。

　　使用這些碼的另一個結果是使WCDMA和cdma200D系統不能有效地在同一載波內實現話音和數據同傳，導致低效覆蓋網絡（如1×EV／DO，它是在cdma2000系統之上傳送分組數據的射頻載波信號覆蓋解決方案）。全球電信網絡正以不可阻擋之勢朝著在同一網絡系統內實現話音、多媒體、電子郵件和因特網瀏覽業務的同傳方向發展，這將最終導致上述的解決方案的被廢棄。

　　這兩個嚴重的限制因素（有限的頻譜效率和不能同傳的方案）意味著無線業界對新技術發展的需求迫在眉捷。當其他電信部門繼續分享高速發展的喜悅之際，毫無疑問，止步不前必將導致無線業務發展的緩滯。

　　三、LAS-CDMA：3G發展的理想標準

　　LAS-CDMA專利技術是利用智能擴頻碼來消除干擾的下一代無線技術，從而顯著地提高了無線網絡的容量，并實現了在同一載波內話音和數據的同傳。

　　LAS-CDMA與現有CDMA相比，實現了系統性能和容量上的指數級的飛躍，而且它的設計確保對現有系統的最大再用率。LAS-CDMA技術技術提供：

　　比現有CDMA和GSM技術更高的容量；

　　更高的數據吞吐量；

　　更大的覆蓋范圍；

　　改進的室內覆蓋；

　　簡單的設計，提高了成本效益。

　　對于手機和基站設備生產商而言，這意味著具備了提供更高容量的設備，以滿足不斷增長的用戶的需求，對于運營商而言，LAS-CDMA技術將與新網絡建設及容量升級相關的額外開支降至最低。這使運營商在低成本條件下競爭的同時，又能向用戶提供新的增強服務、無線本地環路和全效移動管理。

　　四、LAS-CDMA技術概述

　　LAS-CDMA技術的特點在于使用了一種被稱為LAS編碼的創新性的擴頻編碼設計通過減少系統產生的干擾來增加系統容量。LAS編碼由被稱為LA碼和LS碼的兩級編碼組成。當FDMA（頻分多址）或TDMA系統受限于自身的規模（如TDMA時隙的數量）時，而典型的CDMA系統只受限于其碼資源的設計。例如：在一個依照IS-95的標準設計并采用Walsh碼作為多址方式的系統中，盡管有64個碼可用，但其容量單載波每扇區很少超過20個話音用戶。正因如此，CDMA被稱為“干擾受限”系統其系統容量取決于可承受的干擾程度。

　　現有的CDMA系統存在這些嚴重的局限性，主要是因為它所用的碼具有較強的自干擾和相互干擾（或稱為自相關和互相關）特性導致的。根據設計現有CDMA系統在不影響傳輸質量的前提下只能承受一定程度的干擾。由于噪音平臺的影響，干擾會導致解調難度的增加和誤碼率的提高。

　　系統產生的干擾來自以下三方面：

　　符號間干擾（ISI）：由原始信號引起的反射信號產生，包括上行和下行兩部分。

　　多址干擾（MAI）由同一小區／扇區內其他移動站等移動物體產上包括其所有的反射信號，它由上行和下行兩部分組成。

　　相鄰小區間的干擾（ACI）：由相鄰基站發射的信號發生，它包括移動站接收到的所有蜂窩網絡中相鄰小區的信號，它由上行和下行兩部分組成。

　　LAS-CDMA是一個智能擴頻碼，通過利用強大的零干擾多址碼，很大的改善了這些限制。LA和LS碼作用于系統可以減少或是完全消除所產生的干擾。

　　1．頻譜效率

　　在任何2G和3G現有技術中，LAS-CDMA提供了最高的頻譜效率。當今的CDMA技術是一個干擾受限系統，通過運用LAS智能碼，MAI和ISI都可以減少到零，而ACI減少到最低。在中國，LAS-CDMA原型系統的測試證實LAS智能碼可以在室內外及車載移動環境下運作。

　　2．強調數據業務

　　LAS-CDMA優化數據業務歸功于以下兩個重要特性：

　　（1）LA和LS碼的小互相關性使其成為支持在同一射頻頻率和網絡內話音和數據同傳的理想的選擇。由于用來傳送話音業務的信道和傳送數據的信道立間有最小的干擾，這就使在同一射頻內設計一個綜合的話音和數據網絡系統變得很容易。

　　（2）LAS-CDMA的高頻譜效率使得任何高速數率和高容量相結合。這意味著，與現有的系統相比，一個運營商將能夠在提供新的高速分組數據服務的同時而無需犧牲話音容量。這樣，對于一個希望配置融合了話音的高速無線因特網接入網絡的運營商而言，LAS-CDMA就成為最佳經濟效益的解決方案。

　　3．演進的能力

　　LAS-CDMA將成為無線業從電路交換／話音業務為中心的網絡向分組交換／數據業務為中心的網絡演進的技術選擇方案。LAS-CDMA將與針對這一轉變而研制的未來全IP結構相結合。

　　LAS-CDMA為運營商指出了邁向無線技術統一的第一步。因為所有的LAS-CDMA模式運用的擴展、編碼、調制和系統程序，設計和生產LAS-CDMA設備可獲得規模經濟效益。

　　4．頻分雙工（FDD）

　　FDD（頻分雙工）是所有的現行的1G、2G和3G無線技術的組成部分，它是大部分現有無線系統使用的空中接口技術。FDD使用兩個信道分別進行傳送和接收數據。

　　LAS-CDMA技術能增強FDD系統，進一步地減少各種類型的干擾。例如，在1X EVDO系統中，高速數據只能在一個指定的無線信道中完成。應用LAS-CDMA技術，高速數據傳輸率的業務信道可以在同一無線載波內與低速率的話音信道相結合，從而提高載波的頻譜效率。同時，LAS-CDMA技術還可以應用于其他任何FDD系統來減少或消除干擾。

　　5．突破性的4G技術

　　隨著列線和因特網的核心向下一代無線技術邁進，引發出一個完全不同的電信前景即第四代（4G）。4G系統的劃分與其說以時間為基準，不如說以技術革命為基準。一系列高標準將成為第四代概念的核心：

　　6．更高的頻譜效率和傳輸速率

　　在靜止環境中傳輸速度可高達15Mbps。在車載移動的環境下可以達到或超過1～2Mbps的要求。最近英國UMTS的頻譜拍賣表明頻譜是缺乏的資源，也就是說一個可以在一個相對狹窄的頻譜中傳送達到那些數據速率的解決方案，將成為寬帶的首先方案。

　　7．面向一個真正的全球的統一標準

　　現今的3G技術未能成功地完成將所有第三代技術統一為一個簡單的全球緊密模式。4G技術將使無線業進入到一個共有的IP核心的空中接口。

　　8．向一個以IP為核心的世界發展

　　當全球電信行業走向由分組交換替代傳統的話音代表全部業務和收益的電路交換網絡和業務之際，無線業將必然遵循這一普遍趨勢。這將沖擊到整個無線業，從全IP無線網絡到廣義的IP應用到無線用戶。例如在下一代中，一種適用于無線空中接口形態的IP電話（VoIP）將替代傳統的話音業務。

　　9．TDD系統的優勢

　　TDD是超越4G的必備要求，通過在LAS-CDMA系統中融合并充分利用TDD技術，使運營商們在競爭中占據有利地位。LAS-CDMA是TDD在大區域蜂窩系統中的突破性技術。運用LS編碼技木即使是在同一頻率內同時傳送和接收的情況下，從一個相鄰基站發射出的信號也不會干擾到主基站所接收的一個衰弱的移動信號。到目前為止，沒有其他技術能做到這一點。正是如此，TDD運用LAS-CDMA技術具有如下優勢：

　　任何1.25MHz或16MHz的單一頻譜可為TDD所應用；

　　TDD的系統結構相當簡單；

　　簡單的手機構造將降低生產成本；

　　由于TDD模式無需雙工器，手機尺寸大大減小；

　　電源消耗更低；

　　TDD可在單頻譜帶上有效實現非對稱傳輸。

　　TDD比FDD具有更高的頻譜效率。

　　由于其簡單的無線接入及其較高的頻譜效率，TDD是基于IP的移動通信的首先技術。由于LAS-CDMA可以支持從電路交換業務或應用到分組的轉化，因為它在同一載頻上支持這兩種業務。到目前為止，由于功率控制的缺陷導致的系統性能嚴重降低，TDD受到很大限制。然而在TD-LAS系統中，所有的信號被保持在一個零相關窗內，因此TD-LAS實現了空前的高效率，包括：

　　無需復雜的功率控制：由于智能碼消除了多址干擾，功率控制的需求大大降低。

　　無需聯合檢測：由于智能碼消除了多址干擾，因而無需聯合檢測。

　　無需運用新型天線（如智能天線）來增強頻譜效率：智能天線主要用于檢測和消除外來特定方向的干擾，運用智能碼無需使用智能天線。

　　無需使用軟切換，TDD使用硬切換。硬切換間軟切換相比，對系統資源的需求更少，并可以在系統中節約頻譜。

　　TD-LAS系統比現有的FDD系統簡單得多。

　　TD-LAS能將傳送環境從干擾受限轉變為噪音受限。

　　所有的這些進步最終將融為一個單一的標準，將所有的LAS-CDMA模式帶入到用于4G無線系統的IP-LAS世界。

　　五、總結

　　總之，現有的無線技術已不能滿足未來的需求，現有的標準已無法滿足運營商為提供更完善的業務而對容量的需求，例如高速無線因特網和更大的覆蓋范圍等等。因此，運營商們必須找到一個無需投入大量資金而對其現有基礎設施升級換代，來滿足3G所要求的提高容量的方案。

　　LAS-CDMA是第一個超過了ITU對IMT-2000要求的范例。LAS-CDMA在FDD系統中直接提出了發展高速率、高容量及友好IP網絡的解決方案。這一創新方案可以使運營商在無需更新或投入大量資金對其現有基礎設施進行升級的情況下，能提供更好的服務，以保持其在3G市場的競爭力。由于在TDD系統中的LAS-CDMA技術在容量、質量和數據速率上的飛躍，使得運營商在進入第四代——下一代無線演進階段中，占據有利地位。

摘自《郵電商情》

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