LAS-CDMA方案1.LAS-CDMA技術概述

CDMA在理論上是應用于移動通信領域的最好技術之一。但是，必須找到理想的地址碼才能真正發(fā)揮它的潛能。尋找好的地址碼的原則有三條:一是地址碼的非周期自相關函數(shù)的副峰要小，最好全為零;二是地址碼之間的非周期互相關函數(shù)應該較小，最好處處為零;三是具有上述兩種特性的地址碼的數(shù)量越多越好。理論研究結果證明，這樣的地址碼在二元域、有限域乃至復數(shù)域根本不存在，而且，自相關函數(shù)和互相關函數(shù)是一對矛盾，二者不可兼得。正因為如此，所有CDMA技術的地址編碼方式，都不可避免地因多徑傳播效應導致各個地址碼對其自身和對其他地址碼的干擾，包括符號間干擾(ISI)、多址干擾(MAI)和鄰小區(qū)干擾(ACI)。這些干擾使系統(tǒng)頻譜效率和容量的提高受到了很大限制。為了克服因干擾所造成的"遠近效應"，傳統(tǒng)CDMA系統(tǒng)必須采用快速功率控制以避免系統(tǒng)容量的下降。這樣做的結果不但使系統(tǒng)結構更趨復雜，而且使系統(tǒng)覆蓋半徑受到了限制。

李道本教授的貢獻在于他用兩個碼來構造一個具有上述要求的地址碼，其中一個碼用來完全消除符號間干擾及多址干擾，它被稱為LS碼。它由L碼及S碼組成。這是一對真正的相關函數(shù)互補碼，其自相關函數(shù)之和除原點外全為零，互相關函數(shù)在特定窗口內也全為零，且非零值只在個別離散點即"窗棱"處出現(xiàn)。"窗棱"間的距離取決于窗口的大小?？紤]到碼的正交性，LAS-CDMA技術會在小區(qū)交界處造成一個無干擾區(qū)(IFA)。為了防止兩個移動臺到達某基站的信號位置恰在"窗棱"上而產生大的干擾，本方案又提出采用一種不等間隔的LA碼，使得在某一時間區(qū)間內，只有很短時間處于"窗棱"處。另外，為了避免因不同小區(qū)之間的碼有部分不正交所出現(xiàn)的小區(qū)間干擾，又采取了前向功率的按需分配，即根據(jù)移動臺距離基站的遠近與傳播條件好壞來分配前向功率的大小。以上獨特的LAS智慧編碼理論，構造了"自干擾"為零和在某些特定"窗口"內其"互干擾"也為零的優(yōu)異性能，從而使CDMA系統(tǒng)由現(xiàn)有的"干擾受限"轉變?yōu)長AS-CDMA的"噪聲受限"系統(tǒng)，并使系統(tǒng)頻譜效率和容量獲得極大的提高。這樣，在同樣發(fā)射功率下可有更大的區(qū)域覆蓋，而且避免了功率控制等復雜技術的采用。

1999年，這項發(fā)明在ITU的會議上首次公開亮相就得到了我國科技部、信息產業(yè)部和中國工程院的關注。

2000年3月，在CWTS的支持下，LAS-CDMA技術被3GPP2接受為CDMA2000單載波增強的備選方案之一。同年9月，LAS-CDMA技術及其原理樣機通過了驗證與評估，證明了這一技術理論上的正確性和無干擾窗口的存在，以及應用上的充分現(xiàn)實性。

2001年初，以LAS-CDMA為核心的應用TDD模式并以全IP網(wǎng)為目標的新一代移動通信系統(tǒng)TD-LAS投入開發(fā)。年中，該系統(tǒng)的準商用機在戶外試驗并獲得了成功。這一技術是移動通信領域繼模擬技術、數(shù)字技術和CDMA技術之后的又一個新的里程碑。

由于各種技術的局限性，TDD技術只能應用于諸如DECT和PHS等小區(qū)域系統(tǒng)，至今不能應用到大區(qū)域系統(tǒng)。其固有的局限性主要有如下3點。

(1)發(fā)送(TX)和接收(RX)之間的功率切換

在FDD技術中，每個FDD移動臺的收/發(fā)信機的載頻之間都有一定的隔離帶，以隔離發(fā)信機對收信機的干擾。

FDD移動臺用一根公共的天線同時發(fā)射和接收無線信號，因此需要一臺雙工器用于隔離輸出和輸入信號。FDD指定的隔離頻帶有益于雙工器隔離輸出信號對輸入信號的干擾，如圖1所示。

TDD技術采用同一頻帶發(fā)射和接收無線幀，它通過時分方式動態(tài)分配上行和下行鏈路的無線資源。發(fā)送和接收之間有一個時間切換開關。由于高靈敏度和大發(fā)射功率，TDD基站收發(fā)系統(tǒng)(BTS)要求很長的保護時隙，類似FDD的保護頻帶，以保證系統(tǒng)性能和覆蓋范圍。但結果是降低了總的頻譜效率。鑒于此，所有現(xiàn)存的TDD系統(tǒng)僅適合部署在低功率和低成本的小區(qū)域。

(2)鄰近小區(qū)的干擾

FDD和TDD系統(tǒng)都不可避免地受到相鄰小區(qū)的干擾。FDD系統(tǒng)中，由于存在隔離帶，鄰小區(qū)的發(fā)射信號并不影響服務小區(qū)內移動臺的接收性能。

如圖2所示，F(xiàn)DD系統(tǒng)是同步的，信號1、信號2和信號3同時從不同的信號源發(fā)射。正在服務的FDD基站收發(fā)系統(tǒng)從移動臺接收所需的信號，同時也接收鄰小區(qū)的信號。信號2通過隔離帶而被濾掉。無疑，信號不僅受到服務小區(qū)移動臺的干擾，而且還會受到鄰小區(qū)移動臺的干擾。相同的隔離措施也應用于移動臺。

TDD系統(tǒng)沒有頻帶隔離。它們采用時隙隔離來自于相鄰小區(qū)的干擾。在小區(qū)內部，上行鏈路和下行鏈路的傳輸是同步的。然而，由于傳播延時，它依然存在上行和下行鏈路之間的干擾。

TDD系統(tǒng)中，上行和下行鏈路工作于同一載頻，尤其當基站收發(fā)系統(tǒng)具有高的天線塔、大功率和高靈敏度時，信號2將干擾所需要的信號3。為了消除這些干擾，大多數(shù)TDD系統(tǒng)采用綜合時間隔離、空間隔離和頻率隔離的頻率復用技術，然而這會降低頻譜效率。因而，一些TDD系統(tǒng)僅部署在孤立的小區(qū)中，如圖3所示。

(3)小區(qū)覆蓋范圍和頻譜效率之間的折衷

除干擾外，TDD小區(qū)覆蓋范圍也依賴于嵌入在無線幀之間的時隙間隔的大小。因為不能在同一時刻發(fā)射和接收信號，TDD系統(tǒng)就必須分配足夠大的時隙間隔以覆蓋信號的往返時間。例如，服務半徑為15km的小區(qū)，時隙間隔要求至少0.1ms。

同F(xiàn)DD技術相比較，TDD技術所要求的時隙間隔抵消了其較高的頻譜效率，如圖4所示。

(1)簡單的頻譜分配和較高的頻譜效率

TDD技術僅需要分配一個單一頻段，而不是雙頻段，單一頻段的分割可以用于TDD系統(tǒng)。在FDD系統(tǒng)中，為了上行鏈路和下行鏈路的同時運作，需分配一對相同帶寬的頻段。這些系統(tǒng)是為那些上行鏈路和下行鏈路有相同業(yè)務負載的應用而設計的。隨著電信服務和數(shù)據(jù)應用的結合，無線頻譜所承擔的業(yè)務性質完全改變了。這時，上行鏈路和下行鏈路對無線資源的要求會改變。所以，有可能在下行鏈路無線帶寬即將耗盡的時候，上行鏈路仍然剩余大量帶寬。表2列出了基于無線系統(tǒng)業(yè)務性質所分配頻譜的使用情況。

表2 基于無線系統(tǒng)業(yè)務性質分配頻譜利用率

可以看出，在給定業(yè)務方案為3∶1時，利用率是67%，也就是說，33%的頻譜浪費掉了。

采用TDD技術，頻譜效率將得到大幅度提高。通常，市區(qū)或商業(yè)區(qū)要求大容量，因此采用較小的小區(qū)。小區(qū)越小，TDD技術的頻譜效率越高。表3列出了TDD系統(tǒng)的頻譜效率。

表3 TDD系統(tǒng)的頻譜效率

*假設為單小區(qū)，20ms的TDD無線幀

可以看出，現(xiàn)有的TDD系統(tǒng)的頻譜效率優(yōu)于現(xiàn)存的FDD系統(tǒng)，它們是微蜂窩和微微蜂窩較理想的應用。

(2)低成本和簡單的無線設計

FDD系統(tǒng)中，采用獨立的發(fā)射和接收天線或用收/發(fā)天線雙工器，它增加了射頻設計的復雜度和功率損耗。

TDD系統(tǒng)不需要雙工器或帶通濾波器隔離上行鏈路和下行鏈路。無線資源的時間共享不存在如同F(xiàn)DD雙工器所產生的功率損耗。射頻設計相對簡單，功耗小、設備成本低、體積小。

現(xiàn)有TDD系統(tǒng)相對于FDD系統(tǒng)有如下優(yōu)勢:

a.簡單的頻譜分配--單頻段。

b.低成本的系統(tǒng)。

c.低成本的手機。

d.小型的TDD 手機。

e.長待機時間和長運行時間。

f.對不同應用的友好性。

g.高頻譜效率。

TD-LAS通過突破部分TDD系統(tǒng)的局限性，與任何現(xiàn)存TDD系統(tǒng)相比提供了更多的優(yōu)勢。TD-LAS是LAS-CDMA技術與TDD技術的結合。LAS-CDMA技術通過智能化的LAS碼，抑制或消除了由CDMA系統(tǒng)所產生的干擾。LAS碼由兩個碼集構成，因而LAS-CDMA在干擾抑制方面有其獨到之處，如圖5所示。

當碼信號與接收機處的預分配碼信號相關后，初始碼信號得到恢復，并伴隨有來自其他碼信號所產生的干擾。隨著相關信號強度的不同和碼信號數(shù)的不同，這些干擾所占比例也不同?，F(xiàn)有CDMA系統(tǒng)采用各種手段來減少這些類型的干擾，如:快速功率控制和軟/更軟切換等。這些復雜的手段同時也帶來了一些負面影響，例如，軟/更軟切換會引起碼道數(shù)的短缺，而快速功率控制會引起對其他碼信號較高的干擾。而LAS-CDMA可以消除由其他碼信號引起的干擾，如圖6所示。

因此，理論上 LAS-CDMA是噪聲受限的CDMA技術，它不同于現(xiàn)有干擾受限的CDMA技術。隨著TD-LAS技術的到來，現(xiàn)有TDD系統(tǒng)中存在的相鄰小區(qū)干擾不再存在。智能化的LAS碼能將所需的信號從干擾信號中提取出來。

TD-LAS系統(tǒng)擁有以下特性:LAS-CDMA技術無需復雜的快速功率控制、軟/更軟切換等來補償系統(tǒng)干擾。另外，與任何現(xiàn)有CDMA系統(tǒng)相比，要維持相同的無線鏈路質量，它只需消耗小得多的功率。

(1)無需復雜的快速功率控制

功率控制在現(xiàn)有從第二代到第三代的各種無線系統(tǒng)中都有應用。在第二代系統(tǒng)中有的采用了頻率復用和跳頻技術來抑制干擾。第三代系統(tǒng)甚至采用了更快速的功率控制來抑制系統(tǒng)產生的干擾?？焖俟β士刂剖且环N非常復雜的機制，開環(huán)和閉環(huán)快速功率控制機制為現(xiàn)有CDMA系統(tǒng)所采用。當網(wǎng)絡處于滿負荷時，功率控制并不能真正抑制干擾，它只是提供了一種均衡所有用戶干擾的機制。

TD-LAS系統(tǒng)采用智能化碼集來抑制干擾，無需快速功率控制來均衡干擾。它采用簡單的功率調整機制來降低移動臺的功率消耗，并在移動臺用戶的環(huán)境發(fā)生變化時維持鏈路質量。

(2)無需聯(lián)合檢測方案

在某些第三代系統(tǒng)的基站收發(fā)系統(tǒng)中，規(guī)定使用聯(lián)合檢測方案來抑制由多用戶所引起的干擾。它需要實時信息和巨大的系統(tǒng)資源，來推導出所有用戶的活動狀態(tài)，并基于此補償其他用戶對本用戶的影響。當用戶的活動狀態(tài)或用戶環(huán)境發(fā)生變化，或發(fā)射功率改變時，相關信息也需要實時產生，因此會消耗更多的功率和系統(tǒng)資源。聯(lián)合檢測方案有助于提高這類系統(tǒng)的上行鏈路性能。在現(xiàn)實中，多數(shù)時候下行鏈路需要更多帶寬，但聯(lián)合檢測方案并不能解決這一系統(tǒng)瓶頸。

TD-LAS系統(tǒng)中不存在這種由于多個用戶所帶來的干擾。它通過智能化的LAS碼來抑制該類型的干擾。與現(xiàn)今一些第三代系統(tǒng)相比，TD-LAS系統(tǒng)簡單得多，成本也低得多。

(3)無需新型天線(如智能天線)技術

天線技術是另一種提高頻譜效率的方法。空間接收分集已被普遍采用，以提高接收機的靈敏度，從而降低移動臺處所需的發(fā)射功率。TD-LAS可以利用這些通用的天線技術來節(jié)約移動臺的發(fā)射功率。

智能天線是一種采用波束來跟蹤每個用戶，從而降低來自其他用戶干擾的新的天線技術。智能天線采用復雜的算法，需要消耗較高的計算功率。另外，由于尺寸問題，天線的配置也有一定的困難。為蜂窩網(wǎng)的應用尋找合適的環(huán)境來架設智能天線是一個難題。

TD-LAS系統(tǒng)利用智能碼來抑制來自其他多址用戶和系統(tǒng)的干擾?；诂F(xiàn)有的天線技術，TD-LAS即可為所有無線應用提供了一種簡單、低成本和高頻譜效率的解決方案。在結合應用智能天線技術后，TD-LAS在整體系統(tǒng)性能方面還可獲得進一步提高。

(4)無需軟切換

在現(xiàn)有CDMA系統(tǒng)中，軟/更軟切換是當一個移動用戶走近小區(qū)邊界時，減輕相鄰小區(qū)干擾的一項關鍵技術。通常，采用切換方案可增加約3dB的增益，但卻要付出兩倍或三倍地占用系統(tǒng)資源的代價。TD-LAS系統(tǒng)是使用智能碼來抑制相鄰小區(qū)間的干擾，因此，無需通過多徑間的軟切換來降低ACI干擾，而采用了硬切換來提供小區(qū)內或小區(qū)間的無縫切換。

這些改進的綜合最終會形成一個協(xié)調的標準，使今天的TD-LAS技術逐步成為跨越現(xiàn)今第三代系統(tǒng)的"新三代"無線解決方案。