适应未来移动通信系统的新型自适应双工技术方案1.doc

第 6 期张英海等 适应未来移动通信系统的新型自适应双工技术方案 1 适应未来移动通信系统的新型自适应双工技术方案 张英海 王卫东 董宇 周凯捷 北京邮电大学 信息与电子技术研究室 北京 100876 摘 要 提出了自适应双工的思想 基于该思想设计了一种新型的自适应非对称频分双工 AFDD asymmetric frequency division duplex 传输方案 该方案综合考虑了未来移动通信中上下行链路业务非对称的特点以及电磁辐 射对移动通信可能造成的影响 提出了一种自适应非对称双工以及频带分配方案 该方案具备传统 FDD 系统的 优点 同时又具备了一定的 TDD 系统资源动态自适应调配的能力 可以提高频谱利用率 将 AFDD 与 CDMA 结合 证明了其相对于传统上下行等带宽系统可以获得性能上的提升 关键词 非对称传输 非对称频分 双工技术 自适应双工技术 移动通信系统 中图分类号 TN929 5 文献标识码 A 文章编号 1000 436X 2007 06 0133 08 Novel adaptive duplex technique adapted to future mobile communication system ZHANG Ying hai WANG Wei dong DONG Yu ZHOU Kai jie Information furthermore it can allocate frequency resources in downlink and uplink dynamically like TDD which increases the usage efficiency of radio resources Applying AFDD to CDMA communication system it is proved that AFDD improves that system s performance compared with FDD Key words asymmetric transmission asymmetric frequency division duplex technique adaptive duplex technique mobile communications 1 引言 1 近年来 移动通信技术的发展非常迅速 在 3G 商用化进程逐渐加快的同时 未来高速移动通 信系统 4G 的应用也已经被提上议事日程 从 技术层面讲 未来的移动通信系统将会支持更高 的传输速率 更大的传输容量 从消费者的角度 收稿日期 2006 11 22 修回日期 2007 04 08 基金项目 国家自然科学基金资助项目 60572123 来讲 未来的移动通信系统将会提供更丰富多彩 更加时尚的服务 让消费者无处不在地感受到无 线接入的便捷 但是从更深层次来看 作为服务 的主要提供者 运营商更关心的是一个日益庞大 的运营网络如何保证它的高效运转 如何高效地 利用政府许可的宝贵的频率资源 因此 新的技 术 系统的引入 不仅要考虑提升它的传输能力 更要考虑在一个完 Foundation Item The National Natural Science Foundation of China 60572123 第 28 卷第 6 期通 信 学 报Vol 28 No 6 2007 年 6 月Journal on CommunicationsJune 2007 134 通 信 学 报第 28 卷 整的网络意义下是否能充分地发挥技术潜力 1 3 双工技术是移动通信系统的重要组成环节 它是移动通信系统的关键性技术 它的重要性在 于 实现了上下行链路资源的分割 或分配 使其满足传输的需要 实现了上下行链路资源的隔离 降低彼此 的干扰 保证传输的正常进行 移动通信系统使用的双工技术主要有 2 种 频分双工 FDD 和时分双工 TDD 频分双工 FDD 操作时需要 2 个独立的信道 一个信道用 于传送下行 基站到移动台 信息 另一个信道 用来传送上行 移动台到基站 信息 2个信道之 间存在一个保护频段 用于防止邻近的发射机和 接收机之间产生相互干扰 时分双工 TDD 只需 要一个信道 无论向下还是向上传送信息都采用 这同一个信道 TDD 系统的发射机和接收机在不 同时隙进行发送和接收操作 它们之间不会产生 相互干扰 FDD 技术是最早引入无线通信系统的全双工 技术方案 在第一代 第二代移动通信系统中均 采用 FDD 技术 在第三代移动通信系统中 欧洲 的 UMTS 和高通的 cdma2000 采用 FDD 目前的 FDD 双工技术方案特点是 上下行链路的频率点一一对应 在已有的 系统中 一个上行链路的频点固定地与一个下行 链路的频点组成一个频率对 上下行链路的频率资源相等 上下行链路之间需要频率隔离带 从以上介绍可以看出 传统 FDD 双工技术的 单向链路的无线资源是固定的 当传输非对称型 业务时 会出现某个单向链路的资源空闲 因此 频谱利用率较低 相比 FDD 方案 TDD 技术则要年轻得多 理 论上 时分双工系统可以根据业务的情况动态的 调整上下行时隙的分配 即上下行时隙的切换点 是可变的 但可变切换点技术的利用会引入交叉 时隙 即下行时隙小区周围的小区使用的是上行 时隙 由此带来严重的交叉时隙干扰 因此 在 目前即将投入商用的 TD SCDMA 中 它的上下行 链路时隙切换点的位置是固定的 不能随意调整 没有实现真正意义上的对业务的动态适配 随着通信技术的发展 移动通信网络与其他 网络 特别是互联网的结合日益紧密 提高了用 户对下行的数据传输的需求 导致了上下行链路 信息传输的非对称特性 如何针对未来移动通信 上下行链路非对称的特点 设计高效的未来移动 通信系统是当前的研究热点 基于上面的分析 本文提出了自适应双工的概念 阐述了 TDD 和 FDD 模式下自适应双工技术的设计思想 并设计 了一种新型的自适应非对称频分双工 AFDD asymmetric frequency division duplex 传输方案 它根据上下行链路非对称特性来设计 上下行频宽 提高了系统的频谱利用率 继承了 传统 FDD 的优点 同时又具有类似 TDD 的资源 动态调配的能力 结合 CDMA 技术 本文对该双 工技术的性能进行了分析 本文第 2 节讨论了未来移动通信系统的非对 称特性 第 3 节提出了自适应双工的思想 第 4 节阐述了非对称频分双工 AFDD 的方案 并在 第 5 节结合 CDMA 技术对 AFDD 系统进行了性能 分析 第 6 节是全文的结束语 2 未来移动通信系统的非对称特性 非对称特性是未来移动通信系统设计中必须 考虑的关键因素之一 通常意义上的移动通信非 对称特性主要是指由业务引起的上下行链路传输 速率非对称 然而随着移动通信系统的不断发展 移动通信系统越来越深入到人类的生态环境 包 括生活 工作 娱乐等方面 对人类产生的电磁 辐射无论是从强度还是总量上来说都越来越大 可以证明在电磁辐射的限制下 移动通信系统的 传输特性也呈现出非对称的特性 所以 本文提 出扩展的非对称特性概念 未来移动通信系统中 的非对称特性不仅包括业务引起的非对称 SA service asymmetry 还包括电磁辐射引起的 非对称 EA electromagnetic asymmetry 下面将 分别分析这 2 种情况 2 1 业务引起的非对称特性 未来无线通信网络的特性与互联网的特性有 越来越多的共同之处 移动通信网络与互联网的 结合日益紧密 互联网扩展了移动通信的应用领 域 丰富了运营商的业务内容 下行 基站侧 第 6 期张英海等 适应未来移动通信系统的新型自适应双工技术方案 135 与具有丰富资源的 Internet 相连 可以为用户提供 丰富多彩的业务 而用户作为个体很难有这样多 的内容和需求向外界传输 因而下行的业务种类 要多于上行 支持的传输速率范围也大于上行 另外 移动台传输的是个性化业务 基站除 了担负传输个性化的业务传输 还要完成数量更 为庞大的公共业务传输 故下行 基站侧 拥有 更多的手段来处理数量庞大的信息 下行 基站 侧 处理 传输的数据量要远大于上行 需要更 多的无线系统资源 由以上分析可以看出 移动用户的上行数据 传输需求无论是从种类上 传输能力上都无法与 下行 基站端 相比拟 上行的最大传输速率及 所支持的传输速率变化范围均要小于下行 这就 是由业务引起的上 下行链路信息传输的非对称 特性 称之为 SA 2 2 电磁辐射影响引起的非对称特性 着眼于电磁辐射安全 无论是基站还是移动 台都不能任意增加发射功率 数据传输速率越高 对应的发射功率越大 假设上下行使用基本相同 的发射 接收技术来传输同样速率的业务 它们 的发射功率可近似认为相同 移动台距离人体较 近 而基站距离人体一般都在五十米到几百米以 上 可以证明移动台对人体的辐射比基站高很多 因此移动台对于使用高速率的业务有更大的敏感 性或限制 它对发射功率的要求比下行 基站侧 更加严格 可见 在人体安全范围内 下行 基站侧 可以传送比移动台更高 而且是高得多的信息速 率 即下行可以有更大的速率变化范围 称这种 非对称特性为 EA 综上所述 未来移动通信系统的非对称特性 应该考虑到 SA 和 EA 2 个方面 随着移动通信技 术的发展 传输速率的提高 系统的非对称特性 尤其是电磁辐射影响引起的非对称特性 将会越 来越显著 因此如何适应未来移动通信系统非对 称传输的特性成为了未来移动通信的研究重点之 一 目前针对未来移动通信的非对称传输特性 已经提出了一些方案 文献 4 6 中提到的静态非 对称 FDD 是根据统计意义上的业务非对称特性 为上下行分配不同的资源 一个上行频点对应一 个下行频点 而且上下行频点之间的对应关系固 定 这种方法只是简单的为上下行分配不等的频 率资源 并未考虑小区中业务的特点 如有的小 区主要以语音等对称性业务为主 有的小区以多 媒体等非对称业务为主 有的小区白天以语音等 对称性业务为主 晚上以多媒体等非对称业务为 主 因此这种方案无法有效地适应瞬态非对特性 和对称特性 要么造成上行链路拥塞 要么下行 链路闲置 与未来移动通信系统追求的高效频率 利用率背道而驰 未来移动通信的业务种类更加丰富 上下行 业务分布更加多样 如果仍然沿用上下行固定分 配的双工方式必然会造成资源不能被充分地利用 因此为了更好地适应未来移动通信的发展方向 传输上下行不对称的业务以及上下行数据量不断 变化的业务 双工方式的改进研究必然得到更多 的重视 在此背景下 提出了自适应双工的概念 3 自适应双工技术 自适应双工技术是指移动通信系统根据不同 方向链路的业务种类 总量 长期统计以及瞬态 特性 而动态调节上下行链路的资源分配 目前人们只是在 TDD 模式下研究双工自适应 技术 TDD 自适应技术是指时分双工系统中的上 下行时隙切换点是可变的 可以根据业务的情况 动态的调整上下行时隙的分配 由于可变切换点 会带来交叉时隙干扰 因此解决可变切换点中的 交叉时隙干扰问题成为 TDD 自适应技术的关键 文献 7 9 分别提出了交叉时隙干扰的解决方案 但存在系统容量损失 资源利用率低 覆盖规划 困难等问题 尚不能很好地解决交叉时隙干扰的 问题 本文认为在 FDD 模式下同样可以实现双工自 适应技术 但是 FDD 模式下的双工自适应技术有 其特有的设计方法 诸如带宽的非对称性 业务 的非对称性以及传输能力的级联问题等等 根据 上面的分析 本文认为 FDD 自适应双工技术应对 以下几个方面予以高度关注 上下行链路带宽的非对称性 第 2节的分 析已经予以阐述 资源的级联 单纯的上下行链路对带宽的 非对称性并不能满足实际业务的需求 它应当能 够实现像 TDD 模式下时隙的级联一样通过频点的 136 通 信 学 报第 28 卷 级联来实现资源的动态级联 上下行链路频点的对应关系 传统的FDD 中 上下行链路频点是一一对应的 固定不变的 但对于未来移动通信系统而言 可使用的频点很难 说是丰富的 因此采用灵活的上下行链路频点对应 关系才能实现较高的频率复用增益 实现对业务的 匹配 因此 本文设计了一种新型的适应未来通信 的自适应非对称频分双工 AFDD 方案 AFDD 系 统根据业务的实际情况确定上行 下行 单位带 宽 将上行 下行 频率按上行 下行 单位带 宽分成多个频点 所有上行 下行 频点组成上 行 下行 频率池 每个小区根据业务的实际情 况 动态使用频率池中的频点 它继承了 FDD 系 统的优点 同时又具备一定的 TDD 系统的灵活性 可以根据上下行链路的非对称特性灵活的分配上 下行资源 提高了频带利用率 4 新型自适应双工传输方案 AFDD 4 1 AFDD 的概念 如图 1 所示 AFDD 不同于传统 FDD 其频 率分配法则如下 1 下行链路的可独立使用的单位带宽大于上 行链路的可独立使用的单位带宽 2 上下行频点数目不同 上行频点数远大于 下行 3 上下行频点的对应关系根据业务情况灵活 适配 图 1 AFDD 的描述 4 2 AFDD 设计方案 AFDD 系统根据一个地区上下行业务速率之 比统计值 确定上行 下行 单位带宽 将上行 下行 频率按上行 下行 单位带宽分成多个 频点 所有上行 下行 频点组成上行 下行 频率池 每个小区根据业务的实际情况 动态使 用频率池中的频点 AFDD 设计方案具体说明如下 1 上下行单位带宽设计方案 根据一个区域长期的上下行速率之比统计值 来确定上 下行链路的单位带宽 上行分配较窄 的单位频宽 下行单位频宽远大于上行 提高了 频带利用率 满足未来移动通信系统中的业务引 起的非对称 SA 和电磁辐射引起的非对称 EA 2 频率池与频率簇的设计 将所有上行 下行 频率按上行 下行 单 位带宽划分成上行 下行 频点 由于上行频带 相对较窄 因此可获得较多的频点数 AFDD 引入 了 2 个概念 频率池和频率簇 所有上行 下行 链路的可用频点组成上行 下行 频率池 从上 行 下行 频率池中挑选出一组可用频点组成一 个上行 下行 频率簇 频率簇中频点数非固定 一个上行频率簇与一个下行频率簇构成一个双工 频率使用对 频率池和频率簇如图 2 和图 3 所示 图 2 频率池 a b 第 6 期张英海等 适应未来移动通信系统的新型自适应双工技术方案 137 图 3 频率簇 3 自适应频率资源分配方案 上行与下行频点对应关系灵活可变 系统可 以根据上行 下行 业务的实际需求 从频率池 中选取不同数目频点组成上行 下行 频率簇 以满足不同区域 不同种类小区的业务需求 提 高系统的自适应能力 在采用AFDD 的系统中 整个服务区将被划分 为不同的区群 每个区群由一系列小区组成 并受 控于一个高层的网络控制器 例如基站控制器 一 个区群内的所有小区共享一个公共的上行 下行 频率池 而控制器可以根据每个小区的实际业务状 况 从频率池中选取不同数目的频点组成频率簇以 供使用 如图 3 所示 频率间的对应关系有 3 种情况 在图 3 a 中 系统从频率池中选取不同数 目的频点 组成 2 个频率簇与一个下行频点构成 一个双工频率使用对 在小区 1 中上行频率簇中 拥有 4 个频点 而在小区 2 中上行频率簇拥有 2 个频点 这种分配方法适用于小区中负载较小 但小区间差异较大的情况 区群中的小区根据本 小区的负载选取合适的频点组成上行频率簇使用 相对于传统 FDD 系统给所有小区分配相同的资源 AFDD 频率分配方法根据小区中需求 而分配相应 的频率资源 提高了资源利用率 同时由于各小 区上行使用不同的频率 减小了同频干扰 提高 了系统容量 在图 3 b 中 系统从频率池中选取一个上 行频率簇来对应一个下行频点 在这种情况下 所有的小区采用相同的上 下行频率分配策略 这种分配方法适用于区群中的小区负载较大 业 务非对称特性不明显的情况 每个小区使用频率 池中的所有频率 避免由于缺少频率资源 而引 起系统阻塞 提高了系统顽健性 在图 3 c 中 系统从频率池中选取一个上 行频率簇来对应一个下行频率簇 拥有 2个频点 在这种情况下 所有的小区采用相同的上行频率 簇 而下行则拥有 2个频点 这种分配方法适用于 区群中存在高负载的非对称业务 系统预先分配 的下行频率资源完全被使用 系统又分配一个下 行频点 这样做可以更好的支持非对称业务 满 足未来移动通信系统的需求 综上所述 采AFDD 技术方案后 由于上行频 点相对较窄 上行可以具有很多可使用的频点 可 以通过对这些频率点的复用或分隔使用 把上行用 户分配到不同的频点上 通过频率分离 抑制同信 道干扰 实现上行链路性能的提高 提高上行的信 道质量 因此 新型 AFDD 双工方案继承了传统对称 型 FDD 系统的优点 具有对传输环境的广泛适应 能力 同时还具有灵活的动态频率资源使用能力 如表 1 所示 表 1FDD AFDD TDD 性能比较 双 工 方 式 性 能 FDDAFDDTDD 频谱利用率低高最高 对上下行非对 称特性的适配 不支持支持支持 应用复杂度低低最高 切换方式 更软切换 软 切换 硬切换 新型更软切换 软切换和硬切 换 硬切换 5 与 CDMA 系统结合后的性能分析 对比 传统 FDD 方式 本文结合 CDMA 技术来讨论新型双工技术的 特点 5 1 系统容量 CDMA 系统为一个干扰受限系统 其各项系 统性能指标均与干扰有很大的关系 采用同频组 网的 CDMA 系统需要消耗很大一部分资源才能克 服同信道干扰的影响 容量损失可以达到 30 以 上 采用 AFDD 方式的 CDMA 系统 除了更好的 适应非对称特性 提高了频带利用率以外 由于 大大增加了上行的可用频点数 在小区负载较轻 138 通 信 学 报第 28 卷 的情况下 同一区群中的小区可以使用不同频率 将相邻小区间同信道干扰分散到各个载频上去 从而在每个上行频点上引入上行链路的频率复用 增益 可以降低同信道干扰或近似消除同信道干 扰 使得上行链路的容量得到提高 下面进行公 式推导 首先假设上行带宽设置足够宽 每个频点的 带宽能够保证上行传输速率的需求 将总的上行 频率分为 个频点 这些上行频点组成一个频率 池 分配给簇里面的 个小区 之后再根据实际 的业务量对各小区的频点进行调整 最差的情况 出现在这 个小区都使用了频率池中的所有频点 各小区业务量都很大 因此这里分别对轻负荷 统计平均负荷和满负荷 出现概率较小 情况下 小区的干扰及容量进行推导 称传统的较宽频谱的系统为上行宽频系统 简称宽频系统 频宽为 WW WW即为设计的系 统中的下行频宽 对应的新系统称为上行窄频系 统 简称窄频系统 频宽为 WN 即 N W W W k k 在数量上等于 N 假设 2 个系统的要求 0 b N E 相同 噪声功率 N 相同 均传输单一相同速率 Rb的业务 另 2 个系统最大的用户数分别为 MW和 MN 1 轻载情况 小区间使用不同的频率 宽带系统的 0 b N E 如式 1 所示 WWW W WOCSC W b W 0 b 1 1 NPiM P GP NII P R W N E W WWW W WOCSC W b W 0 b 1 1 NPiM P GP NII P R W N E W 1 其中 ISC是本小区的用户干扰 IOC是其他小区的 干扰 i 是其他小区干扰与本小区的干扰功率之比 0 i 0 由式 17 可知 P2 P1 即窄带系统可以具有 更大的覆盖 存在多小区时 b22 0SCOCW0 EPG NIIW N 18 21 2N0 1 1 PkG i kMPkW N 由此可以得出 P2 P1 WNN0 19 1 2 11 1 0 PP i M kk 由式 19 可知 P2 P1 即窄带系统可以具有 更大的覆盖 上述理论分析证实了 AFDD 新型传 输方案能够提高系统的覆盖范围 下面以 64kbit s 的实时视频共享业务为例 验 证 AFDD CDMA 系统相对于 FDD CDMA 系统覆 盖范围提高 参数设置说明如下 64kbit s 的实时 GN 140 通 信 学 报第 28 卷 视频共享业务所需 0 b N E 为 3 8dB AFDD 系统拥有 5 个带宽为 2 5MHz 上行频点 即 WN 2 5MHz k 5 对应的 FDD 系统带宽 W 5 2 5 12 5MHz 小区间干扰因子 i 0 55 背 景噪声和接收机噪声功率谱密度为 174dBm Hz 计算结果如图 4 所示 图 4 AFDD 与 FDD 系统移动台到达基站接收功率比较 从图 4 可以看出 AFDD 系统相对于 FDD 系 统降低了移动台到达基站端的功率 即提高了系 统的覆盖范围 6 结束语 本文从业务引起的非对称 SA 和电磁辐射 引起的非对称 EA 论证了未来移动通信系统的 非对称特性 提出了适应未来移动通信系统特性 的自适应双工技术思想 设计了一种新型自适应 非对称频分双工技术 AFDD AFDD 兼具 TDD 与 对称型 FDD 的优点 能够灵活的为上 下行链路 分配资源 更好的适应未来移动通信系统的非对 称特性 同时它又具有顽健性好 覆盖面积广等 优点 本文还结合了 CDMA 多址方式 验证了采 用 AFDD 的 CDMA 系统相对于传统的对称型 FDD CDMA 系统能够带来系统的容量和覆盖等性 能上的提升 参考文献 1 LAIHO J WACKER A Radio Network Planning and Optimisation for UMTS M John Wiley Sons LTD 2002 2 ESMAILZADEH R NKAGAWA M TDD CDMA for Wireless Commu nications M Artech House 2002 3 ZHANG P A vision from the future beyond 3G TDD A IEEE Communications Magazine C 2005 38 44 4 RIKKINEN K WILDEY C WCDMA scenarios for 2 5GHz IMT 2000 extension band supporting asymmetric frequency allocation A 3G Mobile Communication Technologies 3G 2003 4th International Conference C 2003 294 298 5 SCHWARZ U RIKKINEN K MUSZYNSKI P Radio resource mana gement solution for WCDMA FDD system with asymm