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【摘要】本文討論了CDMA 的發(fā)展歷程，分析了CDMA 移動(dòng)通信環(huán)境中面臨的問題，分析了WCDMA 系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，以及WCDMA 技術(shù)的主要特點(diǎn)，最后在WCDMA 的基礎(chǔ)上，提出了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)性能的新方法。
1 影響第三代移動(dòng)通信的技術(shù)因素
在第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)IMT-2000K 中，提出了對(duì)頻譜和業(yè)務(wù)的基本要求，即有名的2GHz 頻段和384kb/s 廣域網(wǎng)和2Mb/s 本地網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸速率業(yè)務(wù)等。顯然，要實(shí)現(xiàn)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中的基本要求，首選必須解決頻譜、核心網(wǎng)絡(luò)和無線接入三大技術(shù)因素。必須確定全球統(tǒng)一的頻譜段。IMT-2000 標(biāo)準(zhǔn)確定在2GHz 左右的頻段，而美國聯(lián)邦通信委員會(huì)卻在1994 年就把PCS 定位在1.9GHz，并已拍賣，使得第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)建立統(tǒng)一頻譜出現(xiàn)了裂痕。必須建立統(tǒng)一的核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)將是在第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)的核心網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，逐步將電路交換演變成高速電路交換與分組交換相結(jié)合的核心網(wǎng)絡(luò)�，F(xiàn)在世界上存在兩大移動(dòng)通信系統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)，即GSM-MAP 和ANSI-41，國際電聯(lián)已決定將兩大網(wǎng)絡(luò)都定為第三代核心網(wǎng)絡(luò)。因此，要實(shí)現(xiàn)全球漫游，就必須通過信令轉(zhuǎn)換器把它們連接起來，形成邏輯上的統(tǒng)一核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
必須考慮多頻譜的無線接入方案。國際電聯(lián)稱之為無線傳輸技術(shù)（RTT）的無線接入方案，可以分為兩大類，一類是建立在現(xiàn)有頻段上把現(xiàn)有無線接入技術(shù)革新演變成能為第三代移動(dòng)通信提供業(yè)務(wù)的RTT，這里最重要的是考慮反向兼容要求，其中工作頻段在900/1800/1900MHz 的GSM、北美的D-AMPS 和窄帶CDMA（IS-95）都在考慮向第三代過渡的反向兼容性。一類是直接工作在新的頻段上，即IMT-2000 制訂的2GHz 頻段上，為第三代移動(dòng)通信開發(fā)出新的無線傳輸技術(shù)，即寬帶CDMA 技術(shù)（WCDMA）。
2 WCDMA 移動(dòng)通信系統(tǒng)
WCDMA 是3G 的主要RTT 標(biāo)準(zhǔn)，與IS-95 相比，采用了寬帶擴(kuò)頻技術(shù)，這樣能更好地利用CDMA 的優(yōu)點(diǎn)如統(tǒng)計(jì)復(fù)用、多徑分辨和利用等，總體上看WCDMA 與IS-95、cdma 2000沒有本質(zhì)不同，撇開IPR 問題，所有的不同點(diǎn)無非是怎樣才能更好發(fā)揮CDMA 的優(yōu)勢(shì)、提高系統(tǒng)的性能如系統(tǒng)容量、通信質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋等。本文所指的WCDMA 關(guān)鍵技術(shù)并不是與IS-95、cdma 2000 相比WCDMA 系統(tǒng)特有的技術(shù)，而是在WCDMA 協(xié)議框架范圍內(nèi)對(duì)系統(tǒng)性能有重要影響的技術(shù)，如果沒有這些關(guān)鍵技術(shù)，WCDMA 將達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。整個(gè)WCDMA 系統(tǒng)可分為兩大部分即無線接入網(wǎng)部分和核心網(wǎng)部分，兩部分的發(fā)展有很大的不同，核心網(wǎng)受有線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展影響很大，而無線接入網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)一直是提高無線資源利用率和業(yè)務(wù)提供的靈活性。
2.1 CDMA 移動(dòng)通信環(huán)境
移動(dòng)通信環(huán)境至少包括無線信道和業(yè)務(wù)兩個(gè)方面。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，信號(hào)的傳播由于移動(dòng)、散射和衰落將導(dǎo)致復(fù)雜的電磁行為，具體表現(xiàn)在信號(hào)的時(shí)延、頻率和角度擴(kuò)展。時(shí)延擴(kuò)展使得接收端得到多個(gè)拷貝的信號(hào)，而且這些信號(hào)之間并沒有很明確的關(guān)系，時(shí)延擴(kuò)展將直接導(dǎo)致碼間串?dāng)_ISI；頻率擴(kuò)展將導(dǎo)致信號(hào)的時(shí)間衰落；角度擴(kuò)展將導(dǎo)致信號(hào)的空間衰落。移動(dòng)通信系統(tǒng)中業(yè)務(wù)環(huán)境也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要考慮的重要因素。WCDMA 移動(dòng)通信系統(tǒng)與2G 移動(dòng)通信系統(tǒng)有很大的不同，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將占很大的比重，而且不同的業(yè)務(wù)具有不同的QoS，比如占有不同的帶寬、具有不同的誤碼率等，無疑這要求無線資源管理算法能夠按需為用戶分配資源。業(yè)務(wù)環(huán)境還包括業(yè)務(wù)的空間分布和時(shí)間分布，WCDMA 系統(tǒng)中存在大量的突發(fā)到達(dá)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)的空間分布可能取非均勻分布形式，用戶可能在某些區(qū)域發(fā)起呼叫的可能性較大。盡管WCDMA 與IS-95 A 在無線信道上沒有太大的差別，但業(yè)務(wù)環(huán)境的復(fù)雜性將導(dǎo)致WCDMA 系統(tǒng)在處理業(yè)務(wù)時(shí)需要更復(fù)雜的機(jī)制。
2.2 CDMA 需要解決的主要問題
CDMA 依靠特征碼來區(qū)分用戶，在移動(dòng)通信環(huán)境中將導(dǎo)致兩個(gè)問題即多徑干擾和多址干擾，多址干擾又分本小區(qū)干擾和小區(qū)外干擾兩大類。
⑴ 多徑干擾
為了克服多徑干擾，需要特征碼有很好的自相關(guān)特性，而為了克服多址干擾需要特征碼之間有良好的互相關(guān)特性，如何尋找既有良好自相關(guān)又有良好互相關(guān)的特征碼一直是CDMA 研究的主要問題之一，這方面的努力還在繼續(xù)，比較遺憾的是Welsh 界告訴我們，自相關(guān)和互相關(guān)不可能同時(shí)做到都好，換句話說克服多徑干擾和多址干擾單從特征碼優(yōu)選的角度看只能取得某種折中，多徑干擾和多址干擾問題是CDMA 移動(dòng)通信系統(tǒng)內(nèi)在問題，無論采用任何技術(shù)都只能減少多徑干擾和多址干擾的影響，而無法根本上消除。CDMA 研究的另外一個(gè)主要問題是依靠同步或準(zhǔn)同步來改善CDMA 性能。
⑵ 多址干擾
多址干擾的表現(xiàn)形式主要是遠(yuǎn)近效應(yīng)，即功率強(qiáng)的用戶對(duì)功率弱的用戶帶來的多址干擾比相反方向即功率弱的用戶對(duì)功率強(qiáng)的用戶帶來的多址干擾要大，因此需要功率控制技術(shù)，平衡用戶功率，為了克服多址干擾還可以利用物理層技術(shù)如RAKE 接收、多用戶檢測(cè)和智能天線。WCDMA 系統(tǒng)中，第三層涉及到了呼叫管理CM、移動(dòng)管理MM 和無線資源管理RRM三個(gè)部分，CM 和MM 與GSM、GPRS 相比有許多相似之處，WCDMA 的RRM 與GSM 相比則有很大的不同，需要解決這樣的問題：①需要給用戶分配多少資源，例如用戶通信過程中需要分配多少功率，再比如當(dāng)用戶初次發(fā)起呼叫時(shí)，根據(jù)用戶的QoS 確定用戶所需要的無線資源；②當(dāng)前系統(tǒng)中還有多少無線資源，例如當(dāng)用戶初次發(fā)起呼叫或者有用戶期望切換到本小區(qū)時(shí)系統(tǒng)需要首先估計(jì)本小區(qū)還有多少資源，再與用戶期望的無線資源進(jìn)行比較，以決定是否允許用戶接入。
3 WCDMA 的關(guān)鍵技術(shù)
3.1 軟件無線電
在不同工作頻率、不同調(diào)制方式、不同多址方式等多種標(biāo)準(zhǔn)共存的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，軟件無線電技術(shù)是一種最有希望解決這些問題的技術(shù)之一。軟件無線電技術(shù)可將模擬信號(hào)的數(shù)字化過程盡可能地接近天線，即將AD 轉(zhuǎn)換器盡量靠近RF 射頻前端，利用DSP 的強(qiáng)大處理能力和軟件的靈活性實(shí)現(xiàn)信道分離、調(diào)制解調(diào)、信道編碼譯碼等工作，從而可為第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)向第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的平滑過渡提供一個(gè)良好的無縫解決方案。
3.2 無線資源管理技術(shù)
包括切換、接入控制、擁塞控制、外環(huán)功率控制。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在使用相同頻率的扇區(qū)或小區(qū)之間移動(dòng)時(shí)，進(jìn)行軟切換。和第二代系統(tǒng)不同，第三代系統(tǒng)沒有GPS 引導(dǎo)下的定時(shí)裝置；又由于同步碼間歇發(fā)送的原因，相鄰基站的定時(shí)會(huì)有較大的相位差，所以軟切換時(shí)的接收和發(fā)送都比較復(fù)雜，硬件開銷會(huì)上升。為保證移動(dòng)臺(tái)在空閑時(shí)正確進(jìn)行頻間切換，有一種間歇式DL 時(shí)隙傳輸方案(信息在幀的頭和尾兩個(gè)時(shí)隙分別傳輸)可供選擇。在WCDMA 中，上行鏈路采用開環(huán)功控和閉環(huán)功控兩種方式。當(dāng)上行鏈路沒有建立時(shí)，開環(huán)功控用來調(diào)節(jié)物理隨機(jī)接入信道的發(fā)射功率。鏈路建立之后，使用閉環(huán)功控。閉環(huán)功控包括內(nèi)環(huán)功控和外環(huán)功控。外環(huán)功控以誤碼率或者誤幀率作為控制目標(biāo)，下行鏈路只有閉環(huán)功控。
3.3 物理層技術(shù)
包括RAKE 接收、多用戶檢測(cè)、智能天線、內(nèi)環(huán)功率控制，其中內(nèi)環(huán)功控以信噪比作為控制目標(biāo)。RAKE 接收就是完成多徑分離合并功能，與IS-95 A 的不同之處為，WCDMA 具有高3倍的多徑分辨能力，另外在WCDMA 系統(tǒng)中，可以利用用戶發(fā)射的導(dǎo)頻信息，在反向鏈路進(jìn)行相干合并，對(duì)于WCDMA 理論分析顯示，若在反向鏈路采用8 個(gè)徑的RAKE 接收，75%以上的信號(hào)能量將被利用。RAKE 接收對(duì)于多址干擾的抑制能力取決于不同用戶特征碼之間的互相關(guān)性。
多用戶檢測(cè)考慮到其它用戶的信息如用戶之間的相關(guān)特性是已知的，充分利用CDMA用戶特征碼的內(nèi)在結(jié)構(gòu)信息改善接收系統(tǒng)的性能。比較典型的多用戶檢測(cè)算法有線性解相關(guān)算法和干擾抵消算法，線性解相關(guān)算法通過估計(jì)用戶之間的相關(guān)矩陣同時(shí)檢測(cè)多個(gè)用戶的信息，干擾抵消算法則先將干擾信號(hào)扣除掉，然后再進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)。多用戶檢測(cè)可以提高系統(tǒng)的容量，克服遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。目前適用于WCDMA 的多用戶檢測(cè)算法較少。今后多用戶檢測(cè)努力的方向是降低復(fù)雜度和針對(duì)WCDMA 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。智能天線可分為兩類即外掛式和內(nèi)嵌式。前者如Metawave 的方法，后者如Arraycomm的方法，在開發(fā)全新的WCDMA 基礎(chǔ)設(shè)施時(shí)，需要采用內(nèi)嵌式的方法，以便充分利用智能天線帶來的全部優(yōu)越性，包括：增大通信距離，提供更大范圍的覆蓋，可以實(shí)現(xiàn)特殊需求的覆蓋；增加系統(tǒng)通信容量；與其它技術(shù)結(jié)合，提供無線電定位，提供新的電信業(yè)務(wù)；改善通信質(zhì)量，降低誤碼率
3.4 其他關(guān)鍵技術(shù)
包括特征碼優(yōu)選、同步CDMA，與標(biāo)準(zhǔn)制定有關(guān)。
4 WCDMA 技術(shù)的主要特點(diǎn)
4.1 業(yè)務(wù)靈活性
WCDMA 允許每個(gè)5MHz 載波處理從8Kbps 到2Mbps 的混合業(yè)務(wù)。另外在同一信道上即可進(jìn)行電路交換業(yè)務(wù)也可以進(jìn)行分組交換業(yè)務(wù)，利用在單一終端上進(jìn)行多個(gè)電路和分組交換連接，從而實(shí)現(xiàn)真正的多媒體業(yè)務(wù)�？梢灾С植煌|(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。
4.2 頻譜效率
WCDMA 能夠高效利用可用的無線電頻譜。由于它采用單小區(qū)復(fù)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。重要的是，由于每個(gè)小區(qū)層所需要的頻率就是2×5MHz，因此一個(gè)分層式網(wǎng)絡(luò)可在2×15MHz 頻段內(nèi)部署。
4.3 容量和覆蓋范圍
WCDMA 射頻收發(fā)信機(jī)能夠處理的話音用戶是典型窄帶收發(fā)信機(jī)的8 倍。每個(gè)射頻載波可處理80 個(gè)同時(shí)話音呼叫，或者每個(gè)載波可處理50 個(gè)同時(shí)的Internet 數(shù)據(jù)用戶。有趣的是，在城市和郊區(qū)，WCDMA 的容量差不多是窄帶CDMA 的兩倍。更大的帶寬和在上行鏈路與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(jī)門限。
4.4 每個(gè)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(shí)向同一用戶提供。每個(gè)WCDMA 終端能夠同時(shí)接入多達(dá)6 個(gè)不同業(yè)務(wù)，這些業(yè)務(wù)可以是話音或者傳真、電子郵件和視頻等數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的組合。
4.5 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的經(jīng)濟(jì)性
通過為現(xiàn)有數(shù)字蜂窩網(wǎng)絡(luò)（如歐洲的GSM）增加WCDMA 無線接入并運(yùn)行于兩種系統(tǒng)中，同一核心網(wǎng)絡(luò)可被復(fù)用，并使用了相同的站點(diǎn)。WCDMA 接入網(wǎng)絡(luò)與GSM 核心網(wǎng)絡(luò)之間的鏈路使用了最新的ATM 模式微型小區(qū)傳輸規(guī)程，即異步傳輸模式第二適配層（AAL2：ATM Adaption Layer 2）。這種高效地處理數(shù)據(jù)分組的方法將標(biāo)準(zhǔn)E1/T1 線路的容量提高到了大約300 個(gè)話音呼叫，而現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)只有30 個(gè)話音呼叫。預(yù)計(jì)傳輸成本將節(jié)約50％左右。
4.6 卓越的話音能力
每個(gè)小區(qū)將能夠處理至少192 個(gè)話音呼叫，而在GSM 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)小區(qū)只能處理大約100個(gè)話音呼叫。
4.7 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(gè)接入系統(tǒng)之間將有盡可能大的業(yè)務(wù)映象。
4.8 快速業(yè)務(wù)接入
為了支持多媒體業(yè)務(wù)的即時(shí)接入，一種新的隨機(jī)接入機(jī)制已經(jīng)開發(fā)出來，它利用快速同步來處理384Kbps 分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。在移動(dòng)用戶和基站之間建立連接所需的時(shí)間只有零點(diǎn)幾毫秒。
4.9 終端的經(jīng)濟(jì)性和簡(jiǎn)單性
WCDMA 手機(jī)所要求的信號(hào)處理大約是復(fù)合TD/CDMA 技術(shù)的十分之一。更簡(jiǎn)單、更經(jīng)濟(jì)的終端易于進(jìn)行大量生產(chǎn)，從而也就帶來了更高的規(guī)模經(jīng)濟(jì)、更多的競(jìng)爭(zhēng)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營公司和用戶也將獲得更大的選擇余地。因此，WCDMA 為GSM 運(yùn)營公司提供了在現(xiàn)有投資上建立第三代無線接入的機(jī)會(huì)。無縫的全球標(biāo)準(zhǔn)提供了特別的機(jī)會(huì)來為第三代業(yè)務(wù)建立協(xié)調(diào)的全球標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)的，這也確保了無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營公司從全球漫游業(yè)務(wù)獲得高收益的機(jī)會(huì)。
5 WCDMA 的新技術(shù)
為了很好地解決WCDMA 系統(tǒng)覆蓋與容量之間的矛盾，消除干擾，提升系統(tǒng)容量，滿足用戶業(yè)務(wù)需求，在WCDMA 的后續(xù)發(fā)展中產(chǎn)生了許多新技術(shù)。其中最值得關(guān)注的就是高速下行分組接入（HSDPA）。HSDPA 是3GPP 在R5 協(xié)議中為了滿足上／下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不對(duì)稱的需求而提出的一種調(diào)制解調(diào)算法，它可以在不改變已經(jīng)建設(shè)的WCDMA 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的情況下，把下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率提高到10Mbps。該技術(shù)是WCDMA 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)后期提高下行容量和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率的一種重要技術(shù)。
HSDPA 采用的關(guān)鍵技術(shù)是自適應(yīng)調(diào)制編碼（AMC）和混合自動(dòng)重復(fù)（HARQ）。AMC根據(jù)信道的質(zhì)量情況，選擇最合適的調(diào)制和編碼方式。HSDPA 技術(shù)增加了高速下行共享信道（HS－DSCH），并依靠HARQ 和AMC 對(duì)信道變化進(jìn)行適應(yīng)。不同的用戶在時(shí)分和碼分上共享HS－DSCH 信道。為了承載下行信令，還增加了共享控制信道（HS－SCCH），與HS－DSCH 相關(guān)的上行采用DPCCH－HS 信道，承載HARQ 的ACK／NACK 信息和信道質(zhì)量測(cè)量指示（CQI）。同時(shí)在NodeB 增加了MAC－h(huán)s 實(shí)體，該功能實(shí)體包含HARQ 和HSDPA 的調(diào)度功能以及對(duì)HS－DSCH 的控制功能。
HSDPA 提高下行數(shù)據(jù)速率的一種方法是采用多天線發(fā)射和多天線接收（MIMO）技術(shù)。其他技術(shù)也對(duì)WCDMA 網(wǎng)絡(luò)性能的提升提供幫助，比如智能天線SA 和多用戶檢測(cè)MUD。前者能顯著提高系統(tǒng)的容量和覆蓋性能，提高頻譜利用率，從而降低運(yùn)營商成本，后者通過對(duì)多個(gè)用戶信號(hào)進(jìn)行聯(lián)合檢測(cè)，從而盡可能地減小多址干擾來達(dá)到提高容量或覆蓋的目的。
6 結(jié)束語
國內(nèi)外設(shè)計(jì)者對(duì)第三代移動(dòng)通信進(jìn)行了大量的研究，和第二代相比，業(yè)務(wù)有所增加，性能有所提高，但關(guān)鍵技術(shù)上的復(fù)雜度并沒有明顯上升。WCDMA 是統(tǒng)計(jì)復(fù)用無線資源，系統(tǒng)為了可靠工作需要復(fù)雜的無線資源管理如功率控制、接入控制和擁塞控制等。與IS-95 A相比，WCDMA 業(yè)務(wù)復(fù)雜性使得無線資源管理的作用更加突出。為了提高無線資源利用率，可以采用很多物理層技術(shù)如RAKE 接收、多用戶檢測(cè)和智能天線等，目前的研究是這三種技術(shù)趨于融合，只有這樣才能有效克服CDMA 的內(nèi)在問題如多址干擾和多徑干擾。這些關(guān)鍵技術(shù)的研究還在進(jìn)行之中，我們應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)先進(jìn)技術(shù)的跟蹤，不斷對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行完善。
----《移動(dòng)通信在線》
