WiMAX与TD-SCDMA联合组网中切换技术的研究

1、TD-SCDMA与WiMAX技术特点
　　
近些年，通信产业界最热门的话题莫过于3G与WiMAX技术发展了。而3G标准中又以中国自主开发、拥有自主知识产权的时分同步码分多址（TD -SCDMA）系统尤为突出。与其它两个3G标准（WCDMA、cdma2000）相比，TD-SCDMA的优点有：

（1）TD-SCDMA采用时分数字双工（TDD）模式。TDD是上下行的传输使用同一频带的双工模式，根据时间区分上、下行并进行切换，物理层的时隙被分为上、下行两部分，不需要成对的频率，上下行链路业务共享同一信道，可以不平均分配，特别适用于非对称的分组交换数据业务（如互联网）。TDD的频谱利用率高，而且成本低廉。
（2）TD- SCDMA对频率资源的利用率是最高的。TD-SCDMA系统仅采用1.28 Mchip/s的码片速率，采用TDD双工模式，只需占用单一的1.6 M带宽，就可传送2 Mbit/s的数据业务。

同时TD-SCDMA也有很多不足：

（1）由于采用多时隙的不连续传输方式，基站发射峰值功率与平均功率的比值较高，造成基站功耗较大，基站覆盖半径较小，同时也造成抗衰落和抗多普勒频移的性能较差，当手机处于高速移动的状态时通信能力较差。
（2）由于TD-SCDMA系统仅采用 1.28 Mchip/s的码片速率，然而码片速率高才能有效地利用频率选择性分集以及空间的接收和发射分集，可以有效地解决多径问题和衰落问题，因此TD- SCDMA在高速率数据传输上，很难完全满足用户对高速多媒体业务的需求。
　　
WiMAX是一项无线城域网（WMAN）接入技术，经过一段时间的发展已从最开始的802.16标准演化出了目前的802.16a、 802.16d、802.16e等一系列标准。以基于IEEE802.16d标准的WiMAX技术（即固定WiMAX技术）为例，它的单个基站覆盖范围最大可达50公里，每扇区数据带宽最高达75 Mbit/s，此外，WiMAX技术还具备系统建设快、成本低、系统易扩展升级、频率划分和调整灵活、在媒体访问控制（MAC）层提供QoS保证、安全性强等特点。而802.16e技术标准更是针对802.16d标准移动性欠缺的问题，使得用户端以车载速度移动时依然可以获得较高的带宽。
　　
2、TD-SCDMA与WiMAX联合组网技术上的可能性
　　
TD-SCDMA蜂窝移动网络与WiMAX宽带无线网络虽然是两种不同结构的的网络，但二者之间也具有一些共同的特性。
　　
TD-SCDMA无线传输方案是FDMA、TDMA和CDMA这三种基本传输模式的灵活结合。通过与联合检测相结合以及智能天线的应用，TD-SCDMA的传输容量显著增长。为了提高系统性能，TD-SCDMA采用了很多先进的关键技术：
　　
（1）智能天线技术。这种技术通过各阵元信号的幅度和相位加权改变阵列的方向图形状，能够把主波束对准入射信号并自适应实时的跟踪信号，同时将零点对准干扰信号，从而抑制干扰信号，提高信号的信噪比，改善整个通信系统的性能。此外它还引入了空分多址方式（SDMA），使得在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下，仍可以根据信号不同的空间传播路径区分用户。在多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此间的干扰，大大提高系统频谱利用率。
（2）联合检测技术。它是在多用户检测技术基础上提出的。该技术是减弱或消除多址干扰、多径干扰和远近效应的有效手段，能够简化功率控制，降低功率控制精度，弥补正交扩频码互相相关性不理想所带来的消极影响，从而改善系统性能、提高系统容量、增大小区覆盖范围。
（3）同步CDMA技术。同步CDMA指上行链路各终端信号与基站解调器完全同步，它通过软件及物理层设计实现，可使正交扩频的各码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克服了异步CDMA多址技术由于移动终端发射的码道信号到达基站时间不同，造成码道非正交所带来的干扰，从而提高 CDMA系统容量、简化硬件、降低成本。
（4）软件无线电技术。该技术是利用数字信号处理软件实现无线通信功能的一种技术，它能在同一硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件，可实现不同的业务性能。
（5）接力切换技术。TD-SCDMA系统的基站和基站控制器可采用接力切换技术，根据用户的方位和距离信息，判断手机用户现在是否移动到应该切换给另一基站的临近区域。如果进入切换区，便可通过基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换的目的。接力切换可提高切换成功率，降低切换时临近基站信道资源的占用。

WiMAX在物理层上分别有单载波、OFDM、正交频分多址（OFDMA）三种技术体制。其中单载波体制使用的是QPSK、160AM、 640AM、2560AM调制技术加频域均衡，后两种体制都采用了利 于抗衰落、抗多径、降低实现成本，及提高频谱效率的OFDM调制技术。在MAC层， WiMAX采用的是TDMA方式，可以是TDD双工模式或FDD双工模式。这种多址方式能保证传输时延，支持面向连接的业务，以及为系统提供QoS和差异化服务、带宽的动态分配。通过这种多址方式可以使WiMAX基站同时接入数千个远端用户站，既可满足无连接传输的需求，如数据业务，也可在QoS下进行面向连接的传输，如需要有QoS保证的视频和话音（VoIP）业务。

从上述TD-SCDMA与WiMAX的一些特点可以看出两者的确具有一些共同的特点，如二者在空中接口方面都采用了 OFDM/OFDMA/MIMO等先进技术以追求更高的频谱效率和更快的数据速率，都将业务分成了若干类别，提供QoS保证，都制订了协议规范确保支持移动性等。尤其是随着主体数据业务的确立和VoIP技术的发展，特别是由于IMS的提出，TD-SCDMA网络迈出了面向全IP核心网的关键一步，因此二者的目标更加接近，都指向了有QoS保证的IP核心网和移动宽带接入网。
　　
正是由于TD-SCDMA与WiMAX的这些共性特征，使得两者在技术上可以达到很好的融合。而随着各种无线技术的迅速发展，移动办公的流行和便携设备的普及，用户对综合化的、随时随地、永远在线的无线移动服务的需求将持续增长。这也为两种网络的融合创造了业务需求的前提。
　　
3、混合网络的切换
　　
如果实现TD-SCDMA与WiMAX的混合组网，切换问题则可以说是其最重要的一个技术问题。在保证一定的掉线率和切换成功率的前提下，用户如何从一个网络平滑地切入另一个网络是混合网络设计的关键要素。对于混合网络而言，各种网络可能架构不同，使用不同的技术，因此现在还没有一套统一的关于异构网切换的技术标准。不同的异构网进行混合，需要根据异构网的特征采用不同的切换技术。在这里笔者对根据接收信号强度、迟滞电平和信标为判断准则的切换机制进行了研究。
　　
由3GPP协议可知，以接收信号强度（RSS）做切换指标时，切换执行前后临界时刻的采样平均值最为关键。故设MS经过采样临界点前最后一次采样均值为λ1，而切换后第一次采样均值为λ2，前后2次采样的差值为Dss，WiMAX和TD-SCDMA的接收信号强度模型分别为：

式中：