第三代移動通信技術(shù)標準及其發(fā)展研究

隨著通信業(yè)務(wù)的迅猛發(fā)展和通信量的激增，未來的移動通信系統(tǒng)不僅要有大的系統(tǒng)容量，而且還要能支持話音、數(shù)據(jù)、圖像、多媒體等多種業(yè)務(wù)的有效傳輸。第三代移動通信系統(tǒng)將高速移動接入和基于互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的服務(wù)結(jié)合起來，在提高無線頻率利用率的同時，為用戶提供更經(jīng)濟、內(nèi)容更豐富的無線通信服務(wù)。

第三代移動通信系統(tǒng)在國際上統(tǒng)稱為IMT-2000(簡稱3G)，是國際電信聯(lián)盟(ITU)在1985年提出的工作在2000MHz頻段的系統(tǒng)。與第一代模擬移動通信和第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)相比，第三代的最主要特征是可提供移動多媒體業(yè)務(wù)。

第三代移動通信的主流技術(shù)標準主要有三種：IMT-2000 CDMA-DS(IMT-2000直接擴頻CDMA)，即WCDMA，它可以在一個寬達5MHz的頻帶內(nèi)直接對信號進行擴頻;IMT-2000CDMA-MC(IMT-2000多載波CDMA)，即CDMA2000，這是美國提出的技術(shù)，它是由1個或多個1.25MHz的窄帶直接擴頻系統(tǒng)組成的一個寬帶系統(tǒng);TD-SCDMA(時分同步碼分多址)，是由中國提出的，是CDMATDD標準的一員。

1.WCDMA

WCDMA(Wideband CDMA)標準由3GPP組織制定，它的主要特點是無線接入網(wǎng)采用WCDMA技術(shù)，核心網(wǎng)分為電路域和分組域，分別支持話音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并提出了開放業(yè)務(wù)接入(OSA)的概念。

WCDMA的技術(shù)優(yōu)勢主要有以下幾點：(1)業(yè)務(wù)靈活。WCDMA允許每個5MHz載波處理從8kbWs到2Mbit/s的混合業(yè)務(wù)。另外在同一信道上既可進行電路交換業(yè)務(wù)也可以進行分組交換業(yè)務(wù)，利用在單一終端上進行多個電路和分組交換連接，實現(xiàn)真正的多媒體業(yè)務(wù)�？梢灾С植煌�質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)(例如話音和分組數(shù)據(jù))并保證高質(zhì)量和完美的覆蓋。(2)頻譜效率高。WCDMA能夠高效利用無線電頻譜。由于它采用單小區(qū)復用，因此不需要頻率規(guī)劃。利用分層小區(qū)結(jié)構(gòu)、自適應(yīng)天線陣列和相干解調(diào)(雙向)等技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)容量可以得到大幅提高。(3)容量和覆蓋范圍大。WCDMA射頻收發(fā)信機能夠處理的話音用戶是典型窄帶收發(fā)信機的8倍。每個射頻載波可處理80個同時話音呼叫或者50個同時的Internet數(shù)據(jù)用戶。WCDMA的容量差不多是窄帶CDMA的兩倍。更大的帶寬能在上/下行鏈路中使用相干解調(diào)和快速功率控制允許更低的接收機門限。(4)每個連接可提供多種業(yè)務(wù)。WCDMA符合真正的UMTS/IMT-2000要求。分組和電路交換業(yè)務(wù)可在不同的帶寬內(nèi)自由地混合，并可同時向同一用戶提供。每個WCDMA終端能夠同時接入多達6個不同業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)可以是話音或傳真、電子郵件和視頻等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的組合。(5)無縫的GSM/UMTS接入。雙模終端將在GSM網(wǎng)絡(luò)和UMTS/IMT-2000網(wǎng)絡(luò)之間提供無縫的切換和漫游，在兩個接入系統(tǒng)之間有盡可能大的業(yè)務(wù)映像。(6)終端的經(jīng)濟性和簡單性。WCDMA手機所要求的信號處理大約是復合TD/CDMA技術(shù)的1/10。更簡單、更經(jīng)濟的終端易于進行大量生產(chǎn)，從而也就帶來了更高的規(guī)模經(jīng)濟、更多的競爭，網(wǎng)絡(luò)運營公司和用戶也將獲得更大的選擇余地。

2.CDMA2000

CDMA2000是國際電信聯(lián)盟(ITU)規(guī)定的第三代移動通信無線傳輸技術(shù)之一，是從窄頻CDMA one數(shù)字標準衍生出來的，可以從原有的CDMA one結(jié)構(gòu)直接升級到3G，建設(shè)成本低廉。按照使用的帶寬來區(qū)分，CDMA2000可以分為1x系統(tǒng)和3x系統(tǒng)。其中1x系統(tǒng)使用1.25MHz的帶寬，提供的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率最高只能達到307kbit/s。在1x系統(tǒng)以后，國際上比較公認的發(fā)展方向是1x EV-DO和1x EV-DV系統(tǒng)。其中1x EV-DO系統(tǒng)重點提高了數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的性能，將用戶的最大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送速率提高到2.4Mbit/s。而1x EV-DV系統(tǒng)在將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)最大速率提高到3.1Mbit/s的同時，又進一步提高了語音業(yè)務(wù)的容量。

盡管CDMA2000的支持者不如WCDMA多，不過CDMA2000技術(shù)的研發(fā)卻是目前各標準中進度最快的，許多3G手機已經(jīng)率先面世。

CDMA2000的技術(shù)特點是，具有多種信道帶寬。前向鏈路支持多載波(MC)和直擴(DS)兩種方式;反向鏈路僅支持直擴方式。當采用多載波方式時，能支持多種射頻帶寬，即射頻帶寬可為N×1.25MHz(N=1、3、5、9或12)。目前技術(shù)僅支持前兩種，即1.25MHz(CDMA2000-1x)和3.75MHz(CDMA2000-3x)。其他的技術(shù)特點還包括：可以更加有效地使用無線資源;可實現(xiàn)CDMA one向CDMA2000系統(tǒng)平滑過渡;核心網(wǎng)協(xié)議可使用IS-41、GSM-MAP以及IP骨干網(wǎng)標準;前向發(fā)送分集;快速前向功率控制;使用Turbo碼;輔助導頻信道;靈活幀長;反向鏈路相干解調(diào)。

3.TD-SCDMA

TD-SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)是ITU正式發(fā)布的第三代移動通信空間接口技術(shù)標準之一。它得到了CWTS及3GPP的全面支持，是中國電信行業(yè)近百年來第一個完整的通信技術(shù)標準，是集CDMA、TDMA、FDMA技術(shù)優(yōu)勢于一體、系統(tǒng)容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強的移動通信技術(shù)，采用了智能天線、聯(lián)合檢測、接力切換、同步CDMA、軟件無線電、低碼片速率、多時隙、可變擴頻系、自適應(yīng)功率調(diào)整等技術(shù)。

TD-SCDMA的技術(shù)特點主要表現(xiàn)在：(1)頻譜靈活性和支持蜂窩網(wǎng)的能力高。TD-SCDMA僅需要1.6MHz的最小帶寬。若帶寬為5MHz則支持3個載波，在一個地區(qū)可組成蜂窩網(wǎng)，支持移動業(yè)務(wù)，并可通過自動信用卡道分配(DCA)技術(shù)提供不對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。(2)高頻譜利用率。TD-SCDMA為對稱話音業(yè)務(wù)和不對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供的頻譜利用率高。也就是說，在使用相同頻帶寬度時，TD-SCDMA可支持多一倍的用戶。(3)設(shè)備成本低。在天線基站方面，TD-SCDMA的設(shè)備成本低，主要因為(a)由多天線陣、相干收發(fā)信機和DSP算法組成的智能天線具有降低多址干擾、提高容量和接收靈敏度以及降低發(fā)射功率和天線基站成本等優(yōu)點;(b)各終端上行鏈路信號在基站解調(diào)器完全同步，即上行同步，它的優(yōu)點是CDMA碼道正交，降低碼道間干擾，提高CDMA容量，可以簡化基站硬件，降低天線基站成本;(c)通過DSP軟件實現(xiàn)無線電功能，即軟件無線電技術(shù)，可實現(xiàn)智能天線和多用戶檢測等基帶數(shù)字信號處理，使系統(tǒng)可靈活地使用新技術(shù)，并可降低產(chǎn)品開發(fā)周期和成本。(4)系統(tǒng)兼容。由于TD-SCDMA同時滿足Iub、A、Gb、Iu、IuR多種接口的要求，所以TD-SCDMA的基站子系統(tǒng)既可作為2G和2.5G GSM基站的擴容，又可作為3G網(wǎng)中的基站子系統(tǒng)，能同時兼顧現(xiàn)在的需求和未來的發(fā)展。

4 種技術(shù)標準的比較

在3種技術(shù)標準中，WCDMA的擴頻碼速率為3.84Mchip/s，載波帶寬為5MHz;CDMA2000的擴頻碼速率為1.2288Mchip/s，載波帶寬為1.25MHz。另外，WCDMA的基站間同步是可選的，而CDMA2000的基站間同步是必需的，因此需要全球定位系統(tǒng)(GPS)。以上兩點是WCDMA和CDMA2000最主要的區(qū)別。TD-SCDMA的擴頻碼速率為1.28Mchip/s，載波帶寬為1.6MHz，基站間必須同步，與其他兩種技術(shù)相比采用了智能天線、聯(lián)合檢測、上行同步及動態(tài)信道分配、接力切換等技術(shù)，具有頻譜使用靈活、頻譜利用率高等特點，適合非對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

此外，WCDMA和CDMA2000都采用FDD模式，只有TD-SCDMA采用TDD模式。FDD模式的特點是在分離的兩個對稱頻率信道上，系統(tǒng)進行接收和發(fā)送，用頻段來分離接收和傳送信道;采用包交換等技術(shù)，可突破第二代發(fā)展的瓶頸，實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，并可提高頻譜利用率，增加系統(tǒng)容量。但FDD必須采用成對的頻率，即在每2×5MHz的帶寬內(nèi)提供第三代業(yè)務(wù)。該方式在支持對稱業(yè)務(wù)時，能充分利用上下行的頻譜，但在非對稱的分組交換(互聯(lián)網(wǎng))工作時，頻譜利用率則大大降低，在這點上，TDD模式有著FDD無法比擬的優(yōu)勢。

3.5G系統(tǒng)面臨的主要問題

第三代移動通信系統(tǒng)面臨的主要問題有以下幾點：(1)多徑衰落。這個問題存在于所有的移動通信系統(tǒng)中。無線電波在傳播過程中將發(fā)生折射、反射和散射，從而產(chǎn)生多條傳播路徑。不同路徑的信號到達接收機時，由于天線的位置、方向和極化不同，使接收信號的幅度、相位起伏變化，產(chǎn)生嚴重的衰落現(xiàn)象。為了保證通信質(zhì)量，不得不增加信號功率，這就直接影響了系統(tǒng)的容量。(2)時延擴展。不同路徑的信號有不同的傳播時延，當時延超過檢測脈沖寬度的10%時，脈沖間的干擾就明顯存在，從而限制了移動通信的數(shù)據(jù)速率。(3)多址干擾。由于3G系統(tǒng)采用CDMA技術(shù)，即采用不同的擴頻碼字來區(qū)分用戶，這就要求各用戶的擴頻碼具有強自相關(guān)性和弱互相關(guān)性。但實際上各用戶間的互干擾不可能完全消失，所以CDMA系統(tǒng)是干擾受限系統(tǒng)，就是說來自本小區(qū)和鄰近小區(qū)用戶的干擾成了決定系統(tǒng)容量和性能的主要因素。多址干擾是3G系統(tǒng)所特有的一種干擾。(4)遠近效應(yīng)。在各移動臺均以相同功率發(fā)射信號時，基站接收到的近處移動臺發(fā)射的信號功率將遠大于遠處移動臺發(fā)射的信號功率。遠近效應(yīng)就是指近處大功率信號對遠處小功率信號產(chǎn)生的很強的干擾。它也是一類多址干擾，不過在3G系統(tǒng)中這種多址干擾表現(xiàn)十分突出。(5)體制問題。目前，第二代系統(tǒng)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，所以，從資源利用的角度來考慮，3G系統(tǒng)必須兼容前代系統(tǒng)，而且能在將來平滑地過渡到第四代移動通信系統(tǒng)，甚至個人通信系統(tǒng)的最高目標。但目前，第二代系統(tǒng)種類繁多，標準層出不窮，體制多種多樣。所以，如何使3G系統(tǒng)起好一個承前啟后的作用，也是一個突出問題。

6. 3G發(fā)展現(xiàn)狀

從技術(shù)標準上來講，WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA這3種技術(shù)標準都沒有達到成熟，都需要開展全面而深入的研究和試驗以及測試，任何一種標準都是在某一方面、某一領(lǐng)域內(nèi)有其優(yōu)越性和特殊性，因此，3種標準會互相融合、互相補充，從而得到完善和發(fā)展，不斷走向成熟。

第三代移動通信的商用化正在全球范圍內(nèi)進入實施階段。北美Spring PCS、Bell Mobility、Verizon Wireless、日本的KDDI及韓國的KT宣稱已實現(xiàn)CDMA2000-1x的商用化。日本DoCoMo于2001年10月起首先實現(xiàn)了WCDMA的商用化。有關(guān)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，與位置有關(guān)的信息點播業(yè)務(wù)、多媒體短信業(yè)務(wù)、移動上網(wǎng)瀏覽業(yè)務(wù)、移動電子商務(wù)、交互式娛樂業(yè)務(wù)將是未來最具發(fā)展?jié)摿Φ囊苿油ㄐ艠I(yè)務(wù)。