LAS-CDMA方案

LAS-CDMA(Large Area Synchronized CDMA)，即大區域同步碼分多址接入技術，是由北京郵電大學李道本教授潛心研究30餘年所發明的以LAS智慧編碼理論為核心的一種新的CDMA技術。

1. LAS-CDMA技術概述

CDMA在理論上是套用於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式的副峰要小，最好全為零；二是地址碼之間的非周期互相關函式應該較小，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、有限域乃至複數域根本不存在，而且，自相關函式和互相關函式是一對矛盾，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)和鄰小區干擾(ACI)。這些干擾使系統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CDMA系統必須採用快速功率控制以避免系統容量的下降。這樣做的結果不但使系統結構更趨複雜，而且使系統覆蓋半徑受到了限制。

李道本教授的貢獻在於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式互補碼，其自相關函式之和除原點外全為零，互相關函式在特定視窗內也全為零，且非零值只在個別離散點即“窗棱”處出現。“窗棱”間的距離取決於視窗的大小。考慮到碼的正交性，LAS-CDMA技術會在小區交界處造成一個無干擾區(IFA)。為了防止兩個移動台到達某基站的信號位置恰在“窗棱”上而產生大的干擾，本方案又提出採用一種不等間隔的LA碼，使得在某一時間區間內，只有很短時間處於“窗棱”處。另外，為了避免因不同小區之間的碼有部分不正交所出現的小區間干擾，又採取了前向功率的按需分配，即根據移動台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“視窗”內其“互干擾”也為零的優異性能，從而使CDMA系統由現有的“干擾受限”轉變為LAS-CDMA的“噪聲受限”系統，並使系統頻譜效率和容量獲得極大的提高。這樣，在同樣發射功率下可有更大的區域覆蓋，而且避免了功率控制等複雜技術的採用。

1999年，這項發明在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視窗的存在，以及套用上的充分現實性。

2001年初，以LAS-CDMA為核心的套用TDD模式並以全IP網為目標的新一代移動通信系統TD-LAS投入開發。年中，該系統的準商用機在戶外試驗並獲得了成功。這一技術是移動通信領域繼模擬技術、數位技術和CDMA技術之後的又一個新的里程碑。

2. 無線體制轉變面臨的挑戰

網際網路套用的爆炸性增長，已經引起了有線網路的革命性變化，而在無線網路和核心網路的發展道路上，無線網路與網際網路套用的融合也必將引起根本性的變革。無線體制的轉變將面對以下挑戰。

2.1．套用領域的轉變

網際網路為用戶提供了大量的套用和服務，這些套用和服務改變了人們的生活方式，促進了經濟發展。而在第三代移動通信到來之前，蜂窩移動用戶是不能享受這些服務與套用的。

眾所周知，網際網路套用業務中數據通信量是不對稱的，也就是說，一個方向上的通信流量要比另一方向上要多許多。例如，在電子郵件這項服務中，郵件客戶端給郵件伺服器傳送一個簡短指令就可以將伺服器上的郵件下載至本地。毫無疑問，客戶端接收的通信流量是其傳送的通信流量的若干倍。另一個例子是網路電視，面向終端用戶的下行通信流量要比傳向Web TV伺服器的上行通信流量高得多。

即使網路電話也具有這種通信流量的不對稱性。多數情況下，一個終端用戶可能要比另一個說的多，或者一個終端用戶在講話時，另一個僅在聽。因此，往來於每一個終端用戶與IP網路之間的通信流量是不平衡的。

下行鏈路流量並非總比上行鏈路的多。比如圖片上載等業務，上行鏈路比下行鏈路需要占用更多的頻帶。為了有效解決套用業務上、下行鏈路流量不平衡的問題，就需要採用動態資源配置機制。TDD是滿足這種需要的最為理想的技術。

2.2．經濟尺度

向無線用戶提供網際網路套用服務需要較大的頻寬，然而頻譜是一種稀有的資源。FDD需要兩個相互有一定間隔的等寬頻帶。這些隔離帶有效隔離了上/下行鏈路，使它們之間沒有明顯的相互干擾。今天，幾乎所有的可用頻譜都已經分配給相應的套用服務。TDD技術能夠利用頻譜碎塊(即分段的頻譜資源)。而TD-LAS採用多載波機制，每載波占用1.6MHz頻寬，則可更有效提高可用頻譜效率。TD-LAS是基於LAS-CDMA智慧碼，把CDMA技術和TDD技術相結合的無線通信系統，該系統第一次使TDD能夠大區域覆蓋並且同時支持高速率和高容量。

TD-LAS的特點見表1。

表1 TD-LAS的特點

屬 性	說 明
高頻譜效率	從干擾受限環境轉變為噪聲受限環境
語音和數據	在相同的射頻載波上共存
高語音容量	語音容量是當前第三代CDMA系統的幾倍
高速分組數據	在一個1.6MHz雙工載波上，用戶數據速率最高可>4Mbit/s
從現有的無線標準發展而來	保留了核心網路和現有投資，可以實現服務的無縫升級
用下一代的技術解決當今問題	就容量而言，在給定的頻率上，LAS-CDMA具有最高效的無線接口頻譜效率，自然是下一代無線業務的新寵
小區規模	宏蜂窩，微蜂窩，微微蜂窩
經濟度量	簡單的無線鏈路設計和系統組件再利用節省了開銷
技術融合	LAS-CDMA促進了無線通信和網際網路融合的跳躍式發展

與CDMA類似，TD-LAS使用專利技術LAS-CDMA碼，區分相同TDD載波上的不同信道。

TD-LAS是目前實現網際網路套用與服務的最有效的無線技術。在TD-LAS中，可以動態調整和最佳化無線資源，以適應小區中動態通信的需求。隨著時間和地點的變化，上行和下行鏈路對通信流量的需求也在不斷變化。TD-LAS能夠最有效地適應這些動態需求。

2.3．高服務質量(QoS)

在現有的無線技術中，TD-LAS可以提供最好的服務質量。在無線電環境中，每個用戶都不可避免地要遭受來自各方面的干擾。例如，在GSM網路中，每個載波占用200kHz頻寬，每一個頻寬分為8個時隙，每個時隙可作為一個語音鏈路。除了無線傳播中的各種干擾之外，鄰近小區復用的同頻載波也會產生干擾。頻率復用機制和跳頻機制的採用可以減小這些干擾，但頻率復用限制了該系統的頻譜效率，跳頻也僅能對同信道干擾起到統計平均的作用。在3G中，每個載波占有1.25MHz頻寬，多個用戶間用Walsh碼和PN碼區分。每個小區分配一個PN碼序列的時延來識別，而Walsh碼在不同小區間復用。這類用戶將同時受到鄰小區干擾和多用戶干擾的影響。而TD-LAS通過在信道間引入無干擾窗，消除或有效減小了由傳播環境引起的多徑干擾和鄰小區干擾。這樣，在相同通信負載情況下TD-LAS的無線鏈路具有比現今第二代和第三代系統更高的通信質量。因此用戶將獲得更好的服務質量。

2.4．IP為核心

IP(網際協定)已成為我們生活的一部分。IP為快速展示電信服務和信息高速公路結合帶來的套用和服務以及無處不在的IP核心網路接入提供了最友好的載體。無線核心網路正向全IP為中心的網路演化，來提供全IP套用和服務。無線技術需要進一步發展，以便為IP業務提供最高效的頻譜解決方案。既然IP是為有線連線銅線、電纜線、光纖等高質量數據傳輸鏈路設計的，因此空中接口中的IP套用就成為了無線套用面對的一大挑戰。例如，無線鏈路質量更易受到干擾和噪聲的影響。因此需要無線鏈路質量管理機制來保證服務質量，但所有現有的3G標準均忽視了這一點。而TD-LAS則以全IP解決方案為起點為網際網路套用提供了端對端IP功能。

3. 最好的新一代無線通信系統

3.1．現有TDD技術的局限性

由於各種技術的局限性，TDD技術只能套用於諸如DECT和PHS等小區域系統，至今不能套用到大區域系統。其固有的局限性主要有如下3點。

（1）傳送(TX)和接收(RX)之間的功率切換

在FDD技術中，每個FDD移動台的收/發信機的載頻之間都有一定的隔離帶，以隔離發信機對收信機的干擾。

FDD移動台用一根公共的天線同時發射和接收無線信號，因此需要一台雙工器用於隔離輸出和輸入信號。FDD指定的隔離頻帶有益於雙工器隔離輸出信號對輸入信號的干擾，如圖1所示。

TDD技術採用同一頻帶發射和接收無線幀，它通過時分方式動態分配上行和下行鏈路的無線資源。傳送和接收之間有一個時間切換開關。由於高靈敏度和大發射功率，TDD基站收發系統(BTS)要求很長的保護時隙，類似FDD的保護頻帶，以保證系統性能和覆蓋範圍。但結果是降低了總的頻譜效率。鑒於此，所有現存的TDD系統僅適合部署在低功率和低成本的小區域。

（2）鄰近小區的干擾

FDD和TDD系統都不可避免地受到相鄰小區的干擾。FDD系統中，由於存在隔離帶，鄰小區的發射信號並不影響服務小區內移動台的接收性能。

如圖2所示，FDD系統是同步的，信號1、信號2和信號3同時從不同的信號源發射。正在服務的FDD基站收發系統從移動台接收所需的信號，同時也接收鄰小區的信號。信號2通過隔離帶而被濾掉。無疑，信號不僅受到服務小區移動台的干擾，而且還會受到鄰小區移動台的干擾。相同的隔離措施也套用於移動台。

TDD系統沒有頻帶隔離。它們採用時隙隔離來自於相鄰小區的干擾。在小區內部，上行鏈路和下行鏈路的傳輸是同步的。然而，由於傳播延時，它依然存在上行和下行鏈路之間的干擾。

TDD系統中，上行和下行鏈路工作於同一載頻，尤其當基站收發系統具有高的天線塔、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TDD系統採用綜合時間隔離、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系統僅部署在孤立的小區中，如圖3所示。

（3）小區覆蓋範圍和頻譜效率之間的折衷

除干擾外，TDD小區覆蓋範圍也依賴於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射和接收信號，TDD系統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，時隙間隔要求至少0.1ms。

同FDD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。

3.2．TDD的優點

（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於TDD系統。在FDD系統中，為了上行鏈路和下行鏈路的同時運作，需分配一對相同頻寬的頻段。這些系統是為那些上行鏈路和下行鏈路有相同業務負載的套用而設計的。隨著電信服務和數據套用的結合，無線頻譜所承擔的業務性質完全改變了。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頻寬即將耗盡的時候，上行鏈路仍然剩餘大量頻寬。表2列出了基於無線系統業務性質所分配頻譜的使用情況。

表2 基於無線系統業務性質分配頻譜利用率

通信配置(下行鏈路∶上行鏈路)	利用率(單小區)
8∶1	56%
5∶1	60%
3∶1	67%
2∶1	75%
1∶1	100%

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

採用TDD技術，頻譜效率將得到大幅度提高。通常，市區或商業區要求大容量，因此採用較小的小區。小區越小，TDD技術的頻譜效率越高。表3列出了TDD系統的頻譜效率。

表3 TDD系統的頻譜效率

小區覆蓋(km)	利用率*
0.5	99.984%
1.0	99.968%
5.0	99.84%
10.0	99.68%
15.0	99.52%
30.0	99.04%

*假設為單小區，20ms的TDD無線幀

可以看出，現有的TDD系統的頻譜效率優於現存的FDD系統，它們是微蜂窩和微微蜂窩較理想的套用。

（2）低成本和簡單的無線設計

FDD系統中，採用獨立的發射和接收天線或用收/發天線雙工器，它增加了射頻設計的複雜度和功率損耗。

TDD系統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FDD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。

3.3．TD-LAS系統的優勢

現有TDD系統相對於FDD系統有如下優勢：

a．簡單的頻譜分配——單頻段。

b．低成本的系統。

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．對不同套用的友好性。

g．高頻譜效率。

TD-LAS通過突破部分TDD系統的局限性，與任何現存TDD系統相比提供了更多的優勢。TD-LAS是LAS-CDMA技術與TDD技術的結合。LAS-CDMA技術通過智慧型化的LAS碼，抑制或消除了由CDMA系統所產生的干擾。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後，初始碼信號得到恢復，並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的不同，這些干擾所占比例也不同。現有CDMA系統採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。這些複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，它不同於現有干擾受限的CDMA技術。隨著TD-LAS技術的到來，現有TDD系統中存在的相鄰小區干擾不再存在。智慧型化的LAS碼能將所需的信號從干擾信號中提取出來。

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

（1）無需複雜的快速功率控制

功率控制在現有從第二代到第三代的各種無線系統中都有套用。在第二代系統中有的採用了頻率復用和跳頻技術來抑制干擾。第三代系統甚至採用了更快速的功率控制來抑制系統產生的干擾。快速功率控制是一種非常複雜的機制，開環和閉環快速功率控制機制為現有CDMA系統所採用。當網路處於滿負荷時，功率控制並不能真正抑制干擾，它只是提供了一種均衡所有用戶干擾的機制。

TD-LAS系統採用智慧型化碼集來抑制干擾，無需快速功率控制來均衡干擾。它採用簡單的功率調整機制來降低移動台的功率消耗，並在移動台用戶的環境發生變化時維持鏈路質量。

（2）無需聯合檢測方案

在某些第三代系統的基站收發系統中，規定使用聯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資源，來推導出所有用戶的活動狀態，並基於此補償其他用戶對本用戶的影響。當用戶的活動狀態或用戶環境發生變化，或發射功率改變時，相關信息也需要實時產生，因此會消耗更多的功率和系統資源。聯合檢測方案有助於提高這類系統的上行鏈路性能。在現實中，多數時候下行鏈路需要更多頻寬，但聯合檢測方案並不能解決這一系統瓶頸。

TD-LAS系統中不存在這種由於多個用戶所帶來的干擾。它通過智慧型化的LAS碼來抑制該類型的干擾。與現今一些第三代系統相比，TD-LAS系統簡單得多，成本也低得多。

（3）無需新型天線(如智慧型天線)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採用，以提高接收機的靈敏度，從而降低移動台處所需的發射功率。TD-LAS可以利用這些通用的天線技術來節約移動台的發射功率。

智慧型天線是一種採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。智慧型天線採用複雜的算法，需要消耗較高的計算功率。另外，由於尺寸問題，天線的配置也有一定的困難。為蜂窩網的套用尋找合適的環境來架設智慧型天線是一個難題。

TD-LAS系統利用智慧型碼來抑制來自其他多址用戶和系統的干擾。基於現有的天線技術，TD-LAS即可為所有無線套用提供了一種簡單、低成本和高頻譜效率的解決方案。在結合套用智慧型天線技術後，TD-LAS在整體系統性能方面還可獲得進一步提高。

（4）無需軟切換

在現有CDMA系統中，軟/更軟切換是當一個移動用戶走近小區邊界時，減輕相鄰小區干擾的一項關鍵技術。通常，採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資源的代價。TD-LAS系統是使用智慧型碼來抑制相鄰小區間的干擾，因此，無需通過多徑間的軟切換來降低ACI干擾，而採用了硬切換來提供小區內或小區間的無縫切換。

這些改進的綜合最終會形成一個協調的標準，使今天的TD-LAS技術逐步成為跨越現今第三代系統的“新三代”無線解決方案。

4. TD-LAS準商用系統的技術突破

在上海市政府的支持和推動下，於2000年底在上海漕河涇高新技術區合建了LAS-CDMA試驗網。通過一系列室內室外試驗，2001年8月，TD-LAS準商用系統在世界上首次實現了同一載波下語音與圖像的同時傳輸，而且在高速移動(40～120km/h)狀態和384kbit/s傳輸速率下圖像仍然十分清晰。這一重大突破，可望使人們期盼已久的高速移動網際網路的套用迅速成為現實。

TD-LAS準商用系統表現出跨越、兼容、自主三性兼備的獨特優勢。目睹這一重大技術突破，應加速建立以TD-LAS為目標的我國第三代標準，儘快實現產業化並搶占市場先機。

5. LAS-CDMA的發展前景

TD-LAS與全IP網路的結合是新一代移動通信系統的全面解決方案，即“TDD+LAS+全IP”。這一方案為實現滿足當今網際網路爆炸性發展形勢要求的第三代移動通信需求，提供了一種結構簡單、成本低廉、性能可靠、頻譜效率極高、端對端的IP解決方案。

TD-LAS不僅能提供數據服務，更重要的是能在提供高速率的同時，大大提高現有GSM一類網路的容量。TD-LAS能夠幫助目前的運營商們在儘可能保持現有基礎設施的條件下來提供跨越現有第三代系統的優質服務，從而在當今第三代無線市場中保持競爭力。與此同時，它還提供了一個有力的向前兼容的手段，以支持剛進入該領域的運營商們利用這種超前技術，在當前提供超越第三代的服務，並在將來的進一步演進中提供新的一代服務。

以下是全IP TD-LAS的網路演進方案。

5.1．第二代GSM網路的演變

在繼續使用GSM核心網的基礎上，第二代GSM網路正向第三代網路發展。在眾多的MoU(參與簽署有關“諒解備忘錄”)國家中，為了滿足迅速增長的高速率分組數據業務的需求，在2001年已推出被稱為“二代半”的GPRS系統。尤其在一些國家中，GSM網路已經擴容以支持更多的語音用戶，許多載頻仍被用來增加第二代GSM網路的容量。IMT2000預計將推遲至2003年出台。

IMT2000網路主要由兩個子網構成：核心網(CN)和無線接入網(RAN)。第二代業務的移植和用戶從GSM網路向IMT2000的演變的代價是非常昂貴的。這是因為IMT2000需要新的基站收發信機和基站控制器。GSM基站子系統(BSS)在PLMN網路中不能被再利用。另外，IMT2000需要分離(單獨)的第三代頻帶。第三代的核心網正向基於IP或ATM網路的分散式伺服器發展，而不是No.7網。

不管是否使用新的第三代頻帶，TD-CDMA技術都支持了第二代的用戶和業務向第三代無線網路的無縫過渡。在第一階段，可通過利用TD-LAS的復用配置，來擴展GSM網路的容量。雙模移動台同時支持TD-LAS和GSM模式，提供兩模式間的漫遊和切換，如圖7所示。

在第二階段，LAS-CDMA技術通過I_u接口與第三代IMT2000核心網相融合，提供第三代特色業務。該系統向LAS-CDMA用戶提供第二代GSM和第三代IMT2000的業務，支持雙模移動台，同時，支持兩模式間的切換，如圖8所示。

5.2．TD-LAS向全IP網路演變

TD-LAS系統能提供最先進的業務，具有最高的頻譜效率和最低廉的成本，是從第三代向新的一代全IP無線網路平滑過渡的解決方案，如圖9所示。

如上所述，全IP TD-LAS的網路演進步驟可歸納如下：

① 建立全IP的核心網路，並與其他網路進行互聯，其中包括GSM、PSTN和有線網際網路；

② TD-LAS基站在GSM網上進行重疊覆蓋(共站址)；

③ 用雙模手機(TD-LAS/GSM)進行漫遊；

④ TD-LAS實現了全覆蓋後，即可採用單模TD-LAS手機。

TD-LAS計畫將推出商用系統，而基站和手機的開發將會採取多種合作方式通過專業設備製造企業來完成。TD-LAS系統投入市場的時間為2003年以後。