banner.jpg)
相關(guān)專題：
【摘要】本文討論了CDMA 的發(fā)展歷程，分析了CDMA 移動通信環(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，最后在WCDMA 的基礎(chǔ)上，提出了增強網(wǎng)絡(luò)性能的新方法。
1 影響第三代移動通信的技術(shù)因素
在第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)IMT-2000K 中，提出了對頻譜和業(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，要實現(xiàn)第三代移動通信系統(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)邦通信委員會卻在1994 年就把PCS 定位在1.9GHz，并已拍賣，使得第三代移動通信系統(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)。第三代移動通信系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)將是在第二代移動通信系統(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)。現(xiàn)在世界上存在兩大移動通信系統(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，采用了寬帶擴頻技術(shù)，這樣能更好地利用CDMA 的優(yōu)點如統(tǒng)計復(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，所有的不同點無非是怎樣才能更好發(fā)揮CDMA 的優(yōu)勢、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 移動通信環(huán)境
移動通信環(huán)境至少包括無線信道和業(yè)務(wù)兩個方面。在移動通信系統(tǒng)中，信號的傳播由于移動、散射和衰落將導(dǎo)致復(fù)雜的電磁行為，具體表現(xiàn)在信號的時延、頻率和角度擴展。時延擴展使得接收端得到多個拷貝的信號，而且這些信號之間并沒有很明確的關(guān)系，時延擴展將直接導(dǎo)致碼間串?dāng)_ISI；頻率擴展將導(dǎo)致信號的時間衰落；角度擴展將導(dǎo)致信號的空間衰落。移動通信系統(tǒng)中業(yè)務(wù)環(huán)境也是系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的重要因素。WCDMA 移動通信系統(tǒng)與2G 移動通信系統(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)時需要更復(fù)雜的機制。
2.2 CDMA 需要解決的主要問題
CDMA 依靠特征碼來區(qū)分用戶，在移動通信環(huán)境中將導(dǎo)致兩個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)，即功率強的用戶對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功率強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、多用戶檢測和智能天線。WCDMA 系統(tǒng)中，第三層涉及到了呼叫管理CM、移動管理MM 和無線資源管理RRM三個部分，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，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)時系統(tǒng)需要首先估計本小區(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 的強大處理能力和軟件的靈活性實現(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通信系統(tǒng)向第三代移動通信系統(tǒng)的平滑過渡提供一個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)移動臺在使用相同頻率的扇區(qū)或小區(qū)之間移動時，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)下的定時裝置；又由于同步碼間歇發(fā)送的原因，相鄰基站的定時會有較大的相位差，所以軟切換時的接收和發(fā)送都比較復(fù)雜，硬件開銷會上升。為保證移動臺在空閑時正確進(jìn)行頻間切換，有一種間歇式DL 時隙傳輸方案(信息在幀的頭和尾兩個時隙分別傳輸)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，開環(huán)功控用來調(diào)節(jié)物理隨機接入信道的發(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、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，對于WCDMA 理論分析顯示，若在反向鏈路采用8 個徑的RAKE 接收，75%以上的信號能量將被利用。RAKE 接收對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)算法通過估計用戶之間的相關(guān)矩陣同時檢測多個用戶的信息，干擾抵消算法則先將干擾信號扣除掉，然后再進(jìn)行信號檢測。多用戶檢測可以提高系統(tǒng)的容量，克服遠(yuǎn)近效應(yīng)的影響。目前適用于WCDMA 的多用戶檢測算法較少。今后多用戶檢測努力的方向是降低復(fù)雜度和針對WCDMA 系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。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，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
4.1 業(yè)務(wù)靈活性
WCDMA 允許每個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)行多個電路和分組交換連接，從而實現(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，由于每個小區(qū)層所需要的頻率就是2×5MHz，因此一個分層式網(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，或者每個載波可處理50 個同時的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門限。
4.4 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(dá)6 個不同業(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。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 個話音呼叫，而現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)只有30 個話音呼叫。預(yù)計傳輸成本將節(jié)約50％左右。
4.6 卓越的話音能力
每個小區(qū)將能夠處理至少192 個話音呼叫，而在GSM 網(wǎng)絡(luò)中每個小區(qū)只能處理大約100個話音呼叫。
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)的即時接入，一種新的隨機接入機制已經(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)。在移動用戶和基站之間建立連接所需的時間只有零點幾毫秒。
4.9 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(fù)合TD/CDMA 技術(shù)的十分之一。更簡單、更經(jīng)濟的終端易于進(jìn)行大量生產(chǎn)，從而也就帶來了更高的規(guī)模經(jīng)濟、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。因此，WCDMA 為GSM 運營公司提供了在現(xiàn)有投資上建立第三代無線接入的機會。無縫的全球標(biāo)準(zhǔn)提供了特別的機會來為第三代業(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)運營公司從全球漫游業(yè)務(wù)獲得高收益的機會。
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 對信道變化進(jìn)行適應(yīng)。不同的用戶在時分和碼分上共享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)量測量指示（CQI）。同時在NodeB 增加了MAC－h(huán)s 實體，該功能實體包含HARQ 和HSDPA 的調(diào)度功能以及對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，從而降低運營商成本，后者通過對多個用戶信號進(jìn)行聯(lián)合檢測，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)計者對第三代移動通信進(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)該加強對先進(jìn)技術(shù)的跟蹤，不斷對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行完善。
----《移動通信在線》
