擴(kuò)頻因子在3G標(biāo)準(zhǔn)（TD、WCDMA、CDMA2000）中的比較和研究

摘要　本文給出3G移動(dòng)通信主流標(biāo)準(zhǔn)性能的比較方法，從擴(kuò)頻因子的角度出發(fā)，從用戶接入速率，手機(jī)發(fā)送功率和系統(tǒng)自干擾等主要技術(shù)指標(biāo)從原理上比較了WCDMA，cdma2000，TD-SCDMA這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)可能存在的問題。

3G主流標(biāo)準(zhǔn)有WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA這三種制式，在技術(shù)上各有千秋，從目前的情況來看，不會(huì)出現(xiàn)哪種標(biāo)準(zhǔn)“一統(tǒng)江湖”的局面，由于這些標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)內(nèi)容極為復(fù)雜，所以，要在所用技術(shù)基礎(chǔ)上評(píng)價(jià)這些標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)缺點(diǎn)比較困難。但是，對(duì)這些標(biāo)準(zhǔn)的某些關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行一些對(duì)比，可以得出一些重要結(jié)論，而對(duì)于我國(guó)3G標(biāo)準(zhǔn)選擇的參考，也是十分必要和完全可行的。由于這些3G系統(tǒng)均未進(jìn)入大規(guī)模商用，標(biāo)準(zhǔn)可能存在的一些問題和缺陷也很難暴露。在這些標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施過程中，各種標(biāo)準(zhǔn)的不足之處也會(huì)逐步得到認(rèn)識(shí)，需在實(shí)施過程中逐步修改標(biāo)準(zhǔn)，使其更為合理。

下面，首先扼要介紹3G主流標(biāo)準(zhǔn)的基本內(nèi)容，然后，將著重從擴(kuò)頻因子的角度出發(fā)，從用戶接入速率Rb，發(fā)送功率等方面來比較3G三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的不同，最后，提出一些參考意見。

一、3G主流標(biāo)準(zhǔn)概述

1998年6月，各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化組織向國(guó)際電聯(lián)提交了各自的無線傳輸技術(shù)候選方案，共有16種。在這些技術(shù)當(dāng)中，以碼分多址技術(shù)作為第三代移動(dòng)通信的主要技術(shù)。其中，最有代表性的主流技術(shù)有三種，分別是WCDMA技術(shù)、cdma2000技術(shù)和TD-SCDMA技術(shù)。其中，WCDMA是歐洲和日本支持的方案，cdma2000是由美國(guó)提出的方案，我國(guó)提出的TD-SCDMA采用了TDMA和CDMA混合接入方案。這三種無線傳輸技術(shù)的具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1　3G主流標(biāo)準(zhǔn)的具體技術(shù)參數(shù)

表1中的大多數(shù)參數(shù)是不難理解的，但從上表可發(fā)現(xiàn)在三大主流標(biāo)準(zhǔn)中，擴(kuò)頻因子在各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中的數(shù)值具有很大的差異，WCDMA的擴(kuò)頻因子取值范圍最大，最大值是cdma2000的6倍，是TD-SCDMA的16倍，如此大的差異將會(huì)帶來怎樣的影響?下面具體分析在不同系統(tǒng)中擴(kuò)頻因子產(chǎn)生的影響。

二、在CDMA系統(tǒng)中用SF調(diào)整Rb時(shí)的問題

3G標(biāo)準(zhǔn)的基本目標(biāo)是3G系統(tǒng)能在車速、步行和靜止三種不同環(huán)境下分別提供144kbit/s、384kbit/s和2048kbit/s無線接入數(shù)據(jù)速率Rb。上述目標(biāo)是3G標(biāo)準(zhǔn)的核心要求，為避免增加討論的復(fù)雜性，在下面的討論中將拋開3G標(biāo)準(zhǔn)的其它內(nèi)容，始終從這一核心要求作為出發(fā)點(diǎn)來進(jìn)行討論。

在CDMA系統(tǒng)中擴(kuò)頻因子（SF）是用于調(diào)整用戶速率（Rb）的重要手段。在WCDMA系統(tǒng)中當(dāng)SF從256變至4時(shí)，碼分信道的Rb可變化256/4=64倍。然而，由于CDMA系統(tǒng)為自干擾系統(tǒng)，利用SF調(diào)整碼分信道的Rb時(shí)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重問題。其產(chǎn)生原因如下。

為易于分析起見，取大家較為熟悉的IS-95系統(tǒng)為例。先討論系統(tǒng)解調(diào)器中自干擾It的來源。CDMA系統(tǒng)中It的來源可分為兩類。一類來自地址碼、多徑傳播和波形成形中產(chǎn)生的碼間干擾，將其標(biāo)為It。另一類If來自多個(gè)同頻碼分信道收信號(hào)功率Pr。

IS-95的下行地址碼為同步Walsh地址碼，受多徑衰落影響正交性下降，可能會(huì)產(chǎn)生自干擾。上行地址碼是長(zhǎng)度為242-1的PN序列，產(chǎn)生的自干擾幅度正比于，其影響可以忽略，因此，上行使用同步地址碼的意義不大。CDMA系統(tǒng)中的RAKE接收機(jī)利用多徑傳播可成倍提升收信號(hào)強(qiáng)度，卻很難消除碼間干擾。在碼分信道數(shù)較少的TD-SCDMA系統(tǒng)中可以使用聯(lián)合接收機(jī)消除Ii的影響并達(dá)到RAKE接收機(jī)的信號(hào)增強(qiáng)作用，但改善效果有限。

If的產(chǎn)生原因與擴(kuò)頻解調(diào)的原理有關(guān)，除了利用智能天線技術(shù)外否則無法消除。CDMA接收機(jī)會(huì)收到多個(gè)同頻碼分信道收信號(hào)Pr，其中除去需接收信號(hào)外，其余均為干擾收信號(hào)Pri，這些Pri經(jīng)解擴(kuò)頻后均變?yōu)閺?qiáng)度正比于Pri的加性高斯白噪聲Ni，成為收信中的自干擾，使下降，誤比特率（BER）上升，其中Nt=N0+∑Ni，N0為噪聲功率譜密度。Nt的影響折合到接收機(jī)輸入端時(shí)，也會(huì)使下降，此處C為收載波功率。一般而言，當(dāng)覆蓋半徑r上升，碼分信道數(shù)增加，SF值下降，基站BS和多個(gè)移動(dòng)臺(tái)MS之間的距離差上升時(shí)，在下行鏈路中距BS越近的MS受干擾越大。

在CDMA系統(tǒng)中帶有極強(qiáng)的功率控制，其目的就是減少Ni的影響。在上行鏈路中，功控將努力使基站BS收到的各移動(dòng)臺(tái)MS的載波功率C相等。此時(shí)，收各MS信號(hào)的相等，應(yīng)有C·SFEb。若SF相等，則收各MS信號(hào)的相等，取要求值時(shí)，收信號(hào)BER可用。系統(tǒng)是It最小的最佳系統(tǒng)，系統(tǒng)總?cè)萘孔畲�。設(shè)系統(tǒng)中有2個(gè)MS，SF不同時(shí)，收SF較小MS1信號(hào)要求的將成倍增長(zhǎng)，此時(shí)，MS1對(duì)MS2的自干擾增大，使收MS2要求的C上升。此時(shí)，各MS的發(fā)送功率均需增加，系統(tǒng)成為非It最小的最佳系統(tǒng)，使系統(tǒng)總?cè)萘肯陆�。顯然，SF不易用于MS的上行速率調(diào)整。

在下行鏈路中，BS的發(fā)送功率PT將在各MS間分配，功率控制將使各MS的收信相等，在SF相等時(shí)，系統(tǒng)總?cè)萘孔畲�，此時(shí)，離BS最近的MS的Nt最大。若MS1的SF1較小時(shí)，則MS1要求的上升，給MS1分配的發(fā)送功率增大，使其它MS的Nte增大，將導(dǎo)致其它MS要求分配的發(fā)送功率增大，使系統(tǒng)總?cè)萘肯陆�。SF下降時(shí)∑Ni的影響會(huì)成倍增長(zhǎng)，距BS近處的MS收小SF值信號(hào)時(shí)，可能無法正常工作。這說明SF也不易用于提高下行速率。

三、在TDMA系統(tǒng)中用SF調(diào)整Rb

在TDMA系統(tǒng)中不存在自干擾，可使用SF調(diào)整用戶Rb，并保持碼片速率的恒定。在下行鏈路中，BS可用最大恒定發(fā)送功率PT發(fā)送信號(hào)，在傳播條件比較好時(shí)，隨著發(fā)信距離的下降，傳播衰落減小時(shí)，MS的收信上升，此時(shí)，可使用較小的SF使Rb上升；而當(dāng)傳播衰落增大時(shí)，則可使用較大的SF，使滿足收信要求，此時(shí)Rb下降。相對(duì)CDMA系統(tǒng)而言，在TDMA系統(tǒng)中用SF來調(diào)整用戶Rb的方法產(chǎn)生的問題比較少，可行度比較大。而在TDMA系統(tǒng)中除用SF外還可利用時(shí)隙捆綁、8PSK、16QAM調(diào)制等方法提高用戶Rb，這些方法是在只用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)腸dma 2000 1x EV-DO（Evolution-Data Only）下行鏈路中使用的基本方法，該標(biāo)準(zhǔn)的上行鏈路采用和cdma 2000 1x上行鏈路RC3基本相同的無線配置，而在下行鏈路中采用TDMA方式區(qū)分多個(gè)用戶，使最大速率可達(dá)2.4 Mbit/s。cdma 2000 1x EV-DO網(wǎng)絡(luò)的開通從實(shí)踐上證明了上述標(biāo)準(zhǔn)比較方法的合理性。其后出現(xiàn)的可用于數(shù)據(jù)和語音傳輸?shù)腸dma 2000 1x EV-DV（Evolution Data& Voice）網(wǎng)絡(luò)也使用TDMA方式傳送高速數(shù)據(jù)。

四、擴(kuò)頻因子與移動(dòng)臺(tái)（MS）發(fā)送功率的關(guān)系

3G系統(tǒng)可依靠調(diào)整擴(kuò)頻因子（SF）、RECC、碼分多址信道捆綁和時(shí)隙捆綁參數(shù)，改變無線調(diào)制方式和多載波等方式提高系統(tǒng)的傳輸速率。為增加Rb而改變上述參數(shù)時(shí)，一般多會(huì)使要求的移動(dòng)臺(tái)發(fā)送功率成倍上升。移動(dòng)臺(tái)（MS）發(fā)送功率是移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)選擇中必須關(guān)注的一個(gè)問題，MS發(fā)送功率過大將導(dǎo)致MS待機(jī)和連續(xù)使用時(shí)間的下降。此處還應(yīng)注意到發(fā)送功率對(duì)人體安全的影響。3G工作頻段為2GHz，是微波頻段，對(duì)人體健康的影響比2G的900MHz頻段大得多。而且2GHz頻段的電波傳播衰落比900MHz頻段大6.94dB，只考慮這一點(diǎn)，2GHz頻段的MS發(fā)送功率需增加至900MHz頻段的5倍。因此，在比較各標(biāo)準(zhǔn)時(shí)應(yīng)注意從發(fā)送功率的角度來比較。

擴(kuò)頻因子（SF）是碼分多址系統(tǒng)的重要參數(shù)，在碼分多址系統(tǒng)中SF主要用于調(diào)整3G系統(tǒng)的無線接入速率Rb，根據(jù)（1）

此處Rb應(yīng)是系統(tǒng)中糾錯(cuò)編碼后的速率。由SF可以求得擴(kuò)頻的功率增益

（2）

現(xiàn)以cdma2000 1X無線配置RC1、RC3的上行鏈路為例說明SF的重要作用。在RC1中取Rb=9.6kbit/s，糾錯(cuò)編碼率RECC=1/3，SF2=43；在RC3中取Rb=153.6kbit/s，RECC=1/4時(shí)，SF1=2，有

（3）

上述結(jié)果表明，在相同的無線傳輸環(huán)境下，取SF=2時(shí)，移動(dòng)臺(tái)（MS）所需要的發(fā)送功率是SF=43時(shí)的21.5倍。一般情況下，MS很難提供過大的發(fā)送功率范圍，此時(shí)，只能減少信號(hào)的覆蓋范圍，因此，一般只能在步行或靜止環(huán)境下提供153.6kbit/s之類的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

五、三大主流標(biāo)準(zhǔn)SF值的比較

從表1中可以看出，3個(gè)主流標(biāo)準(zhǔn)中擴(kuò)頻因子（SF）值有很大不同，根據(jù)式（1），在cdma2000與TD-SCDMA碼片速率差不多的情況下，若在傳送語音速率時(shí)，TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)取SF=8，與cdma2000或IS-95的SF=43比較，TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的MS發(fā)送功率約需增加至5.4倍。此處若再考慮無線調(diào)制方式的影響時(shí)，約需增加10倍。再加上頻段影響后，總共需增加至原需發(fā)送功率的50倍。假設(shè)IS-95移動(dòng)臺(tái)（MS）發(fā)送功率為0.2W，則TD-SCDMA移動(dòng)臺(tái)（MS）發(fā)送功率需達(dá)10W，應(yīng)該是很難承受的。因此，該制式不適合用于Rb較大的高速移動(dòng)通信。在TD-SCDMA中可以采用聯(lián)合檢測(cè)方法改進(jìn)這一參數(shù)，但是根據(jù)下面的分析可知，利用聯(lián)合檢測(cè)取得的改善系數(shù)是很難彌補(bǔ)制式缺陷的，也是得不償失的。

在WCDMA和cdma 2000系統(tǒng)中均使用SF作為最主要的Rb調(diào)整因子，在原理上顯然存在問題，需進(jìn)一步討論。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，雖然碼分地址信道數(shù)較少，但是由于SF的數(shù)值很小，所以，也必須注意Nt的影響。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，可以使用智能天線技術(shù)消除Nt的影響。

六、結(jié)束語

本文從擴(kuò)頻因子的角度出發(fā)，對(duì)用戶接入速率，手機(jī)發(fā)送功率和系統(tǒng)自干擾等主要技術(shù)指標(biāo)，在原理上比較了WCDMA，cdma2000，TD-SCDMA這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。供中國(guó)運(yùn)營(yíng)商選擇的標(biāo)準(zhǔn)較多，運(yùn)營(yíng)商必須根據(jù)市場(chǎng)需求、3G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資性價(jià)比等方面來選擇3G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)。在3G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)不斷修訂，3G商用網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用還很不成熟的情況下，還是應(yīng)繼續(xù)深入研究各種3G網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)的特征，比較他們的差別，并選擇較合理的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，以減少投資損失。