新一代移動通信技術--跨越3G的LAS-CDMA
2019-11-03 09:41:08
供稿：網(wǎng)友
□ 連宇通信公司首席科學家、北京郵電大學教授 李道本
過去１０年，世界信息技術發(fā)展突飛猛進，經(jīng)濟全球化趨勢日益增強，移動通信也進入了一個升級換代的變革時期。從１９９６年國際電聯(lián)（ＩＴＵ）提出３Ｇ標準要求至今已近５年，由于各國對政治、經(jīng)濟利益的考慮，以標準為核心舞臺的競爭十分激烈，使３Ｇ仍是體制多立，難以統(tǒng)一。互聯(lián)網(wǎng)技術的興起和迅速推廣應用，改變了３Ｇ的競爭格局，明示了新一代移動通信的發(fā)展方向，促使ＩＴＵ不斷調整３Ｇ的標準框架，推延了３Ｇ的實現(xiàn)時限。與此同時，關于４Ｇ的討論和探索又起新潮。
但是，正是這一競爭格局的變化，給了我國移動通信技術與產業(yè)界一個參與競爭和發(fā)展的機遇。１９９９年１２月，ＬｉｎｋＡｉｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ 連宇通信公司正式成立，志在以我們對新一代移動通信的思辨和擁有的自主知識產權技術，來探索和開拓中國移動通信的創(chuàng)新跨越之路。
一、新一代移動通信面對的挑戰(zhàn)
互聯(lián)網(wǎng)時代的新一代移動通信被要求達到這樣一種境界，使人們借助互聯(lián)網(wǎng)所得到的獲取信息（數(shù)據(jù)、圖像多媒體）的自由和移動通信的行動自由相結合，亦即將互聯(lián)網(wǎng)的開放性和移動通信的機動性相結合，并能滿足快速增長的用戶群和通信量（尤其是數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務量）的需求，這就是移動無線互聯(lián)網(wǎng)的架構。為此，就要求新一代移動通信必須應對５大挑戰(zhàn)：大、高、低、多、省。
大容量，比現(xiàn)有系統(tǒng)頻譜效率至少大２倍；高速率，車載１～２Ｍｂｉｔ／ｓ，步行３．６Ｍｂｉｔ／ｓ；低干擾，趨于零；支持網(wǎng)絡多媒體業(yè)務，話音、數(shù)據(jù)同傳；投資省，通過多制式系統(tǒng)的兼容性和裝備結構的簡化設計，降低投資和運營成本。
１．為什么現(xiàn)存３Ｇ無法滿足要求
（１）３Ｇ在１９９６年由ＩＴＵ提出后，已經(jīng)快５年時間了。在這５年時間內，３Ｇ已變成以標準為核心舞臺的政治與經(jīng)濟的斗爭，從而限制了技術創(chuàng)新，以至于現(xiàn)有３Ｇ系統(tǒng)的實驗都無法充分滿足ＩＴＵ的要求。到現(xiàn)在為止還沒有一個充分測試的３Ｇ系統(tǒng)，使運營商面臨對新一代移動通訊系統(tǒng)的艱難選擇。（２）ＩＭＴ－２０００的主要特征之一，是要求其業(yè)務與傳統(tǒng)的固定網(wǎng)相兼容。這限制了與互聯(lián)網(wǎng)及其相關業(yè)務的合作，不適于以ＩＰ為基礎的互聯(lián)網(wǎng)的需求。（３）頻譜資源緊缺。ＩＭＴ－２０００所規(guī)定的２３０ＭＨｚ頻率中，７８％的頻率（共計１８０ＭＨｚ）用于頻率雙工（ＦＤＤ）。而適于互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的時分雙工ＴＤＤ模式的頻譜只占２２％，滿足不了未來移動互聯(lián)網(wǎng)的要求，而且國際頻譜使用權費用極為昂貴。（４）頻譜利用率低。（５）傳統(tǒng)ＴＤＤ模式存在著難以克服收發(fā)間強干擾與其它致命弱點。（６）歐制的ＧＳＭ、ＷＣＤＭＡ和美制的ＩＳ－９５ｃｄｍａ ２０００技術落后，仍屬２Ｇ或２．５Ｇ技術，無法真正滿足３Ｇ要求。（７）成本高：頻譜成本、網(wǎng)絡成本和手機成本，提高了投資和運營成本。
２．現(xiàn)有國外３Ｇ系統(tǒng)過渡的困難
從ＧＳＭ２Ｇ→ＧＰＲＳ→Ｅｄｇｅ→ＷＣＤＭＡ３Ｇ；然后是從ＩＳ９５２Ｇ→ｃｄｍａ２０００ １ｘ→ｃｄｍａ２０００ ３ｘ３Ｇ；根本沒有"平滑"過渡，"平滑"過渡是歐美大財團為搶占３Ｇ市場的詭計；Ｗ－ＣＤＭＡ和ｃｄｍａ２０００之間無法兼容，以至于融合困難重重，無法達到ＩＴＵ提出的同一模式的最高境界。
３．國外３Ｇ已經(jīng)被推遲
由于受到互聯(lián)網(wǎng)技術迅速普及的沖擊，３Ｇ不得不不斷調整，例如３ＧＰＰ－２中的ＥＶＤＯＥＶＤＶ等。
ＬＡＳ－ＣＤＭＡ 就是在這種形式下才能躋身于國際標準舞臺的。在２０００年３月被定為數(shù)據(jù)增強標準的３個備選方案之一。
二、ＬＡＳ－ＣＤＭＡ：一種跨越３Ｇ的戰(zhàn)略選擇
面對ＩＭＴ－２０００遇到的困難和歐、美主導的３Ｇ標準的競爭，有沒有可能開拓出體現(xiàn)跨越性、兼容性和自主性的第三條技術路線呢？連宇通信公司以自己擁有自主知識產權的ＬＡＳ碼技術為核心開發(fā)的ＬＡＳ－ＣＤＭＡ就提供了這樣一種跨越３Ｇ的戰(zhàn)略選擇。
１．ＬＡＳ－ＣＤＭＡ是什么？
ＬＡＳ－ＣＤＭＡＬａｒｇｅ Ａｒｅａ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｉｚｅｄ ＣＤＭＡ即大區(qū)域同步碼分多址接入技術，ＬＡＳ－ＣＤＭＡ用于ＦＤＤ是一種增強技術，ＬＡＳ－ＣＤＭＡ用于ＴＤＤ是一種突破技術，即ＴＤＤ＋ＬＡＳ碼，簡稱為ＴＤＤ－ＬＡＳ。２０００年３月被３ＧＰＰ２接納為３個增強備選標準之一。
ＬＡＳ－ＣＤＭＡ是中國自主知識產權的４Ｇ技術；未來的無線系統(tǒng)＝４Ｇ技術＋全ＩＰ網(wǎng)絡。１Ｇ－模擬技術ＡＭＰＳＴＡＣＳ；２Ｇ－窄帶數(shù)字技術，ＦＤＭＡＴＤＭＡ ＧＳＭ；３Ｇ－干擾受限的ＣＤＭＡ技術低頻譜效率 ＩＳ９５／ｃｄｍａ２０００ Ｗ－ＣＤＭＡ；４Ｇ－噪聲受限的ＣＤＭＡ技術高頻譜效率ＬＡＳ－ＣＤＭＡ ＴＤ－ＬＡＳ）。
２．為什么ＴＤＤ－ＬＡＳ是４Ｇ技術
由于３Ｇ技術上的問題，國外已經(jīng)提出許多４Ｇ的概念。如美國和ＤｏＣｏＭｏ等提出了以ＯＦＤＭ技術為主的４Ｇ技術；歐洲的愛立信、 諾基亞等也提出４Ｇ連盟等。但他們對４Ｇ的概念很模糊，一般認為能支持高速數(shù)據(jù)的就是４Ｇ。
ＬＡＳ－ＣＤＭＡ是噪聲受限的ＣＤＭＡ技術，特別是連宇公司研制的ＴＤＤ－ＬＡＳ滿足了如下條件：①比現(xiàn)有３Ｇ系統(tǒng)高３倍的頻譜效率；②全ＩＰ的移動通信系統(tǒng)；③分組語音及數(shù)據(jù)傳輸；④語音和數(shù)據(jù)在同一頻譜上傳輸；⑤使用ＴＤＤ技術并有和ＦＤＤ一樣大的區(qū)域覆蓋，ＴＤ－ＬＡＳ在上下共１．６ＭＨｚ的帶寬內可提供與Ｗ－ＣＤＭＡ １０ＭＨｚ帶寬相同的總數(shù)據(jù)率。
３．噪聲受限的ＣＤＭＡ技術：ＬＡＳ－ＣＤＭＡ
ＬＡＳ－ＣＤＭＡ ＰＪＰＮ是噪聲受限技術，因此具有最高的頻譜效率；ＬＡＳ－ＣＤＭＡ利用智能編碼技術使碼間干擾及多址干擾降為零，同時使小區(qū)間干擾降至最小，具有最高的頻譜效率，因此是４Ｇ技術；ＬＡＳ－ＣＤＭＡ用４Ｇ技術解決３Ｇ問題，而ＩＳ－２０００和Ｗ－ＣＤＭＡ是用２Ｇ２．５Ｇ技術來解決３Ｇ問題。
４．干擾受限ＣＤＭＡＦＤＤＴＤＤ系統(tǒng)的致命弱點
現(xiàn)有的ＣＤＭＡ（ＦＤＤ，ＴＤＤ）是一個干擾受限系統(tǒng)，因而：是一個自干擾系統(tǒng)，容量受限；致命的遠近效應－必須保持各用戶信號電平一致，很難同時支持不同速率的用戶和反向功率控制、前向功率控制功能。
干擾受限ＣＤＭＡ ＴＤＤ模式的致命弱點：小區(qū)半徑→受限于幀結構→受限于功率控制的速度→受限于移動速度；小區(qū)制，低速度；極強的收發(fā)干擾ＦＤＤ不存在此干擾；收發(fā)保護時隙；不對稱傳輸。
５．對下一代移動通信技術的基本要求
組網(wǎng)后的系統(tǒng)容量頻譜效率大；系統(tǒng)可靠性和傳輸可靠性（更好地克服空間、時間、頻率選擇性衰落）要求高，在增加系統(tǒng)容量與傳輸可靠性上需要某些折中；能同時支持不同速率、不同ＱｏＳ的用戶；ＣＤＭＡ系統(tǒng)容量是干擾受限的，而窄帶無線電ＴＤＭＡ、ＦＤＭＡ系統(tǒng)的容量是維數(shù)受限的；在隨機時變信道中干擾包括：本地噪聲、ＩＳＩ、ＭＡ Ｉ、ＡＣＩ。
６．如何克服遠近效應？
傳統(tǒng)ＣＤＭＡ系統(tǒng)中的遠近效應：只有信號的主峰才有用。一個近距離強信號的副峰有可能壓過一個遠距離弱信號的主峰，因此"遠近效應"是傳統(tǒng)ＣＤＭＡ系統(tǒng)的致命傷！
克服遠近效應的方法是運用功率控制，使在衰落環(huán)境下到達基站的多用戶信號的強度大體一致，讓從基站發(fā)射的所有用戶信號具有相同電平。應用理想的多址碼，即使用完全沒有自相關和互相關副峰的多址碼。
７．多址碼
理想多址碼是無自相關副峰、無互相關副峰的。理想多址碼是不存在的因為Ｗｅｌｃｈ 界，自相關和互相關是一對矛盾。人們普遍相信具有噪聲性質的多址碼是最佳碼。
對于雙向同步的ＣＤＭＡ系統(tǒng)，只要在－△，△ 以內沒有自相關和互相關副峰，就可以有理想的系統(tǒng)性能。這里△表示信號最大的時間擴散量加最大的定時誤差。若有上述多址碼，遠近效應將完全消失；若有上述多址碼，系統(tǒng)將有遠比現(xiàn)有系統(tǒng)大得多的容量。Ｗｅｌｃｈ界成立是有條件的二元域，有限域，復數(shù)域；"遍搜索"結果證明，Ｗｅｌｃｈ界成立，而且"零相關窗碼"也不存在，但上述結果僅限于"群碼"。具有噪聲性質的碼并不是實際最佳碼。
８．ＬＡ碼介紹
這種多址碼被稱為ＬＡ－ＣＤＭＡ碼。ＬＡ－ＣＤＭＡ碼的特點：同時執(zhí)行擴時和擴頻；占空比 Ｌ／Ｎ很低；碼長為Ｎ的正交碼中只有Ｌ＜＜Ｎ個正交碼；直接應用ＬＡ－ＣＤＭＡ碼是不現(xiàn)實的。而ＬＳ碼是一種具有零相關窗口的互補正交碼。
９．ＬＡ／ＬＳ復合碼系統(tǒng)的頻譜效率
共有ＬＭ個正交波形；每個波形荷載２Ｓ比特，這里Ｓ表示信號電平數(shù)；所需帶寬為１／Ｔｃ赫；
∴ ； （正交ＬＳ碼的個數(shù)； ∴ 多載波ＬＡ－ＣＤＭＡ與ＬＡ／ＬＳ復合碼的頻譜效率相同。
１０．小區(qū)組網(wǎng)（如何降低ＡＣＩ）
（１）多載波系統(tǒng)。在不同小區(qū)內，Ｋ個正交載波采用不同排列。例如Ｋ＝４時，ＡＣＩ降低１２．０４分貝，見表１。
（２）對ＬＡ碼的變換。不同小區(qū)的ＬＡ碼可以有不同的非零元素間隔排列，ＬＡ碼非零元素間隔排列絲毫不影響ＬＡ碼的相關特性，但它們之間的相互關可以很小；不同小區(qū)的ＬＡ碼可以有不同的正交旋轉變換，正交旋轉可以使一個碼變成一個正交碼組，正交旋轉可以使一個碼組變換成多個碼組，且碼組之間對應碼之間相互正交不同旋轉ＬＡ碼之間互相關函數(shù)可以被降低。
（３）對ＬＳ碼的變換。不同小區(qū)的ＬＳ碼可以不同的正交旋轉變換，對ＬＳ碼的某種正交旋轉變換不會影響其相關特性，但變換前后ＬＳ碼的互相關可以降低。
（４）使用完美的前向功率調整。對傳統(tǒng)的ＣＤＭＡ系統(tǒng)前向功率調整重新產生遠近效應，前向功率調整對降低ＡＣＩ非常顯著。
（５）完美的前向功率調整的優(yōu)點。可以大大降低基站的發(fā)射功率；可以大大降低對其它小區(qū)的ＡＣＩ。
１１．ＬＡＳ－ＣＤＭＡ的優(yōu)點與意義
我們擁有完全自主的知識產權；它可以與現(xiàn)有的第三代移動通信系統(tǒng)后向兼容，包括ＷＣＤＭＡ、ｃｄｍａ２０００、ＴＤ－ＳＣＤＭＡ等；它可以與未來高速ＩＰ和分組數(shù)據(jù)業(yè)務前向兼容；它具有遠高于現(xiàn)有系統(tǒng)及歐美３Ｇ及４Ｇ計劃系統(tǒng)的頻譜效率；它可以同時支持不同速率的數(shù)據(jù)業(yè)務和話音業(yè)務；它可以根據(jù)無線傳播環(huán)境，自適應地分配信道資源，以達到最高的頻譜利用率；它可以實現(xiàn)高精度的定位；它能夠支持分組數(shù)據(jù)傳輸，以適應未來的無線ＩＰ業(yè)務；它具有很好的組網(wǎng)特性（ＡＣＩ很小）；它有良好的碼特性；它可以使用完美的前向功率調整；它具有較小的復雜度；它有簡單的功率分配、簡單的時延控制、較低的ＦＥＣ要求、簡單的信號檢測技術；在ＴＤＤ模式下，可以支持大區(qū)覆蓋、可以支持高速移動、具有較高的擴頻增益，能夠避免收發(fā)之間的強干擾；ＬＡＳ－ＣＤＭＡ是３ＧＰＰ２三個高速數(shù)據(jù)備選標準之一， ＬＡＳ－ＣＤＭＡ用４Ｇ超前技術解決３Ｇ框架內的問題。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ是中國的３Ｇ標準，ＴＤ－ＬＡＳ計劃成為中國的４Ｇ標準。ＬＡＳ－ＣＤＭＡ的全ＩＰ解決方案之一見圖１。并且ＬＡＳ－ＣＤＭＡ技術首次打破國外在ＣＤＭＡ知識產權上的壟斷，提高了中國在國際標準舞臺上的地位，發(fā)展以中國為主導的自主知識產權的產業(yè)聯(lián)盟。
三、ＬＡＳ－ＣＤＭＡ的進展
連宇通信成立一年多來，在國家和地方政府有關部門的大力支持下勤奮創(chuàng)業(yè)，在研究開發(fā)、專利標準、產業(yè)聯(lián)盟、隊伍建設等方面都取得了可喜的進展，為實現(xiàn)公司的創(chuàng)業(yè)目標打下了良好的基礎。多數(shù)員工具有在國內外知名通信公司和科技機構參與創(chuàng)業(yè)和發(fā)展的經(jīng)歷和經(jīng)驗，特別是國際通信領域知名資深專家、原Ｖｏｄａｆｏｎｅ／ＡｉｒＴｏｕｃｈ副總裁兼首席科學家李建業(yè)博士加盟連宇通信，產生了廣泛影響。公司還從中國科學院、中國工程院和通信業(yè)界聘請了幾位著名專家作為高級顧問，為公司決策提供咨詢建議。
我們建立了以北京為基地、美國硅谷為支撐的研發(fā)架構和良好的創(chuàng)新環(huán)境。取得了一批新技術成果，發(fā)展了企業(yè)自主知識產權。公司創(chuàng)業(yè)時只有一項發(fā)明專利，目前已有３３項成果提出專利申請，并陸續(xù)進入所申請國家的專利審查階段。部分軟件成果辦理了著作權注冊，進一步增強了企業(yè)的核心競爭力。
我們的試驗系統(tǒng)的開發(fā)進展順利。去年８月完成了ＬＡＳ－ＣＤＭＡ原理試驗樣機的開發(fā)。９月，經(jīng)信息產業(yè)部組織的高級專家委員會嚴格的室內外測試，驗證了無干擾窗口的存在，證明了ＬＡＳ－ＣＤＭＡ擴頻編碼理論的正確性，對此項創(chuàng)新給予了充分肯定。目前公司正以ＴＤ－ＬＡＳ制式組織商用試驗系統(tǒng)的開發(fā)，下半年將在上海進行系統(tǒng)試驗。
我們的標準化工作也取得突破。在信息產業(yè)部和中國無線標準組織（ＣＷＴＳ）的支持下，去年３月，ＬＡＳ－ＣＤＭＡ被３ＧＰＰ２接受為備選標準方案之一，影響了３Ｇ國際標準的競爭格局。今年２月，在公司董事長李建業(yè)博士親自主持下，連宇通信又完成了ＬＡＳ移動通信系統(tǒng)標準文本ＴＤ－ＬＡＳ共３１分冊，將正式提交ＣＷＴＳ和信息產業(yè)部，報請作為國家標準。
我們建立了強強聯(lián)合的國內產、學、研合作體系。目前公司正以ＴＤ－ＬＡＳ商用試驗機的開發(fā)為中心，與國內３所大學、２個研究所和２個制造商開展合作。公司還推進了國際合作，公司于今年４月初與美國１１家寬帶無線服務供應商和設備制造商在加州聯(lián)合發(fā)起組織ＴＤＤ聯(lián)盟，以期促進ＴＤＤ在建設高效寬帶網(wǎng)絡與服務方面的作用，并被邀請加入對４Ｇ戰(zhàn)略的研討與合作。擴大了中國ＬＡＳ－ＣＤＭＡ的知名度和影響力。一年來，公司先后參加了在韓、美、日、香港和北京等地舉行的１０多次重要的技術與標準研討會。國際著名移動通信公司和連宇通信進行了雙邊和多邊的高級別互訪和交流，有些公司還把連宇通信作為其重要的潛在對手或合作對象，下了不少功夫對ＬＡＳ－ＣＤＭＡ技術進行仿真跟蹤。
國內外重要媒體多次報道了連宇通信和ＬＡＳ－ＣＤＭＡ技術及其進展。去年１２月２１日和今年１月１日，美國無線通信權威媒體《無線周刊》（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｗｅｅｋ）兩次在網(wǎng)上突出報道了連宇通信和ＬＡＳ－ＣＤＭＡ，評價連宇通信是在國際３Ｇ及４Ｇ技術領域中極具影響潛力的、應予特別關注的公司之一。４月４日香港出版的英文雜志《Ｆａｒ Ｅａｓｔｅｒｎ Ｅｃｏｎｏｍｉｃ Ｒｅｖｉｅｗ》（遠東經(jīng)濟評論）發(fā)表了專欄文章，對連宇通信和ＬＡＳ－ＣＤＭＡ作了重點報道。表明了國際輿論對中國積極參與３Ｇ及４Ｇ國際競爭的重視。連宇通信成立伊始就得到了國家工程院、信息產業(yè)部、科技部、國家計委及其有關部門領導的關注。
四、對國家發(fā)展戰(zhàn)略的建議
國際和國內信息化的浪潮已表明，新一代移動通信的建設與發(fā)展勢在必行。困難的是怎樣做出正確的戰(zhàn)略選擇。中國在１Ｇ和２Ｇ發(fā)展中都沒有主導權，目前ＩＳ－９５的建設也是不得不繼續(xù)實行"以市場換技術"的方針。鑒于當前３Ｇ的發(fā)展浮現(xiàn)出滯緩和彷徨的態(tài)勢，４Ｇ的呼聲日漸響起，我們應當有清醒的判斷和估價。
在３Ｇ發(fā)展的競爭中，ＬＡＳ－ＣＤＭＡ在新一代移動通信技術領域已經(jīng)閃現(xiàn)了可喜的亮點，并具有相對優(yōu)勢、特點和自主知識產權，彌足珍貴。完全有可能成為國家?quot;十五"計劃期間發(fā)展新一代移動通信的資源和國際合作的籌碼。為此，我們提出以下幾點建議：
１．政府決策部門應當發(fā)揮中國工程院和有關行業(yè)協(xié)會的輔助決策咨詢作用，密切、深入關注新一代移動通信的國際動向，慎重決策，控制好ＣＤＭＡ網(wǎng)絡建設的節(jié)奏和規(guī)模。
２．大力支持中國自主知識產權技術，尤其是具有跨越性創(chuàng)新技術的開發(fā)、試驗和標準化。要有自信心和主動精神，引導國際無線通信企業(yè)在華投資和發(fā)展的方向。支持ＴＤ－ＬＡＳ作為中國建立在４Ｇ技術基礎上的國家及國際標準，走″以市場換標準，以標準促產業(yè)″的道路，增加戰(zhàn)略選擇性。
３．鼓勵并資助國內制造商、運營商和技術公司的合作開發(fā)、試驗與商用化，推進產業(yè)聯(lián)盟的發(fā)展。
中國將是世界上最大的移動市場。美國和歐洲憑借其市場及技術實力，提出了ｃｄｍａ２０００和ＷＣＤＭＡ兩項３Ｇ的主要標準。中國完全可以憑其巨大的市場與先進的技術，提出４Ｇ技術為基礎的３Ｇ＋及４Ｇ標準。標準的制定過程都是先國內地區(qū)后國際，而決不是先國際后國內建議由我國發(fā)起４ＧＰＰ。
連宇的ＬＡＳ－ＣＤＭＡ應適于成為中國的標準。因為它具備如下條件：完全自主的知識產權；核心技術自主開發(fā)；同時和國際標準兼容。中國已經(jīng)有ＴＤ－ＳＣＤＭＡ三代標準，ＬＡＳ－ＣＤＭＡ 應該成為四代標準。使中國在新一代無線標準和技術的斗爭中有抗爭和超前能力，我們要擺脫國外技術和專利的壟斷，使民族產業(yè)有一個飛躍的機會。中國必須以自主知識產權為主導的標準來形成產業(yè)聯(lián)盟。
