WCDMA數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)及其與CDMA2000的比較

WCDMA數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)及其與CDMA2000的比較（郭經(jīng)紅）
   ［摘要］本文主要對(duì)WCDMA數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)物理層及其特點(diǎn)作了詳細(xì)的描述，并與
CDMA2000系統(tǒng)作了比較。
    [關(guān)鍵詞]CDMA系統(tǒng)；WCDMA；CDMA2000
1引言
    移動(dòng)通信技術(shù)經(jīng)歷了從模擬調(diào)制到數(shù)字調(diào)制技術(shù)的發(fā)展。第一代采用頻分多址（FD
WA）模擬調(diào)制方式，這種系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)是頻譜利用率低，信令干擾話音業(yè)務(wù)。第二代
蜂窩系統(tǒng)采用時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）的數(shù)字調(diào)制方式，提高了系統(tǒng)容量，
并采用獨(dú)立信道傳送信令，使系統(tǒng)性能大為改善。TDMA方式的主要缺點(diǎn)是：（1）系統(tǒng)容
量仍不理想；（2）和FDMA方式一樣，TDMA方式的越區(qū)切換性能仍不完善。為了克服FDMA
和TDMA兩種多址方式的缺點(diǎn)，北美推出了IS－95／CDMA數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，IS－95／CDM
A系統(tǒng)以其頻率規(guī)劃簡單、系統(tǒng)容量大、頻率復(fù)用系數(shù)高、抗多徑能力強(qiáng)、通信質(zhì)量好、
軟容量等特點(diǎn)顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿�，立即在全世界范圍�?nèi)掀起一股研究CDMA技術(shù)的熱
潮。隨著社會(huì)進(jìn)步及用戶數(shù)量的急劇增長，頻率資源日益緊張，要求第三代移動(dòng)通信系
統(tǒng)IMT－2000能提供更大的系統(tǒng)容量，更高的通信質(zhì)量，并能提供2Mbit／S數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以
滿足人們對(duì)多媒體通信的要求并適應(yīng)通信個(gè)人化的發(fā)展方向。第三代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信
系統(tǒng)的兩大主要候選方案是北美的CDMA200系統(tǒng)和歐洲的WCDMA系統(tǒng)，都是建立在CDMA技
術(shù)基礎(chǔ)上，CDMA已被廣泛接收為第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的重要技術(shù)。
    第三代移動(dòng)通信區(qū)別于現(xiàn)有的第一代和第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)，其主要特點(diǎn)概括為：
    （1）全球普及和全球無縫漫游的系統(tǒng)。第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)一般為區(qū)域或國家標(biāo)
準(zhǔn)，而第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)將是一個(gè)在全球范圍內(nèi)覆蓋和使用的系統(tǒng)。它將使用共同的
頻段，全球統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。
    （2）具有支持多媒體業(yè)務(wù)的能力，特別是支持Internet業(yè)務(wù)�，F(xiàn)有的移動(dòng)通信系
統(tǒng)主要以提供話音業(yè)務(wù)為主，隨著發(fā)展一般也僅能提供100-200kbit／S的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GS
M演進(jìn)到最高階段的速率能力為384kbit/s。而第三代移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)能力將比第二代有
明顯的改進(jìn)。它應(yīng)能支持從話音分組數(shù)據(jù)到多媒體業(yè)務(wù)；應(yīng)能根據(jù)需要，提供帶寬。IT
U規(guī)定的第三代移動(dòng)通信無線傳輸技術(shù)的最低要求中，必須滿足在以下三個(gè)環(huán)境的三種
要求。即：
    ·快速移動(dòng)環(huán)境，最高速率達(dá)144kbit/s
    ·室內(nèi)環(huán)境，最高速率達(dá)2Mbit/S
    室外到室內(nèi)或步行環(huán)境，最高速率達(dá)384kbit/s
    （3）便于過渡、演進(jìn)。由于第三代移動(dòng)通信引入時(shí)，第二代網(wǎng)絡(luò)已具有相當(dāng)規(guī)模，
所以第三代的網(wǎng)絡(luò)一定要能在第二代網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上逐漸靈活演進(jìn)而成，并應(yīng)與固定網(wǎng)兼
容。
    （4）高頻譜效率、高服務(wù)質(zhì)量、低成本、高保密性。
    目前IMT－2000無線傳輸技術(shù)（RTT）提案有16個(gè)之多，其中地面系統(tǒng)RTY提案有10個(gè)，
移動(dòng)衛(wèi)星系統(tǒng)的RTT提案有6個(gè)。從市場基礎(chǔ)及總體系統(tǒng)特征看，地面系統(tǒng)以歐洲UTRA
（WCDMA／TD－CDM）及美國CDMA2000這兩個(gè)提案最具競爭力，我國的RTT提案是TD－SCD
MA。根據(jù)ITU的時(shí)間表，1999年底前將完成IMT－2000無線技術(shù)規(guī)范。
2  WCDMA的主要特點(diǎn)
    信息社會(huì)的到來對(duì)通信手段提出了越來越高的要求，WCDMA是應(yīng)運(yùn)而生的全新第三代
移動(dòng)通信系統(tǒng)方案，與前兩代系統(tǒng)相比有較多的優(yōu)點(diǎn)，主要概括為以下幾方面：
    （1）比第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)有更好的性能。包括更大的系統(tǒng)容量和更大的覆蓋區(qū)域，
且可以從第二代系統(tǒng)逐步演進(jìn)。
    WCDMA由于自身的帶寬較寬，因而由多徑效應(yīng)引起的信號(hào)衰落較小，上下行鏈路發(fā)射
時(shí)分復(fù)用導(dǎo)頻信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)相平解調(diào)，能大幅度提高鏈路客量。WCDMA中采用快速功率
控制技術(shù)，使發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率總是處于最小的水平，從而減少了多址干擾。另外，在
下行鏈路發(fā)送用戶專用導(dǎo)頻信號(hào)而不是公共導(dǎo)頻信號(hào)，能使下行鏈路使用自適應(yīng)天線成
為可能，從而減少小區(qū)的多用戶干擾，這些技術(shù)都提高了系統(tǒng)容量，對(duì)一般話音服務(wù)，
系統(tǒng)容量至少提高兩倍。
    （2）提供更加靈活的服務(wù)。包括：支持更寬范圍的服務(wù)，最高可支持2Mbit/s的高速
數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；支持一條連線上傳輸多條并行業(yè)務(wù)；支持高速率的分組接入。
    WCDMA最重要的一個(gè)特點(diǎn)是功率對(duì)用戶來說是共享資源。在下行鏈路上，基站中碼分
復(fù)用的用戶分享總的功率，上行鏈路中，基站有一個(gè)最大干擾容限，這個(gè)功率在小區(qū)中
產(chǎn)生干擾的移動(dòng)臺(tái)之間分配。共享功率使WCDMA能靈活地處理具有不同速率的業(yè)務(wù)。當(dāng)數(shù)
據(jù)速率變化時(shí)，無須對(duì)碼字、時(shí)隙等重新分配，也即無須重新分配物理信道，只要調(diào)整
功率分配即可保證業(yè)務(wù)傳輸質(zhì)量不受影響。WCDMA中使用正交變擴(kuò)頻增益擴(kuò)頻碼（OVSF），
這種碼字保證了下行鏈路不同用戶信道或同一用戶不同業(yè)務(wù)信道的正交性，對(duì)于不同的數(shù)
據(jù)速率，這種正交性仍然存在。這一措施也保證了WCDMA適應(yīng)多種業(yè)務(wù)的要求。
    WCDMA方案中采用了對(duì)不同QOS要求的業(yè)務(wù)進(jìn)行不同的信道編碼的策略。標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)僅采
用卷積編碼，高質(zhì)量業(yè)務(wù)在卷積編碼的基礎(chǔ)上增加RS編碼或采用Turbo Code的編碼方法，
而對(duì)特定業(yè)務(wù)則在第一層不采用糾錯(cuò)編碼而完全由高層來采取差錯(cuò)控制，這樣處理的結(jié)果
使得各種業(yè)務(wù)變化為同一種數(shù)據(jù)。
    此外，WCDMA中電路和分組交換業(yè)務(wù)能以創(chuàng)新方式在同一信道組合，使一個(gè)終端能處
理多項(xiàng)業(yè)務(wù)。帶寬不同的電路和分組交換業(yè)務(wù)可自由組合，同時(shí)向同一個(gè)用戶投送。
    （3）采用更加靈活的系統(tǒng)操作。包括：支持基站間的異步操作；支持自適應(yīng)天線陣
技術(shù)與多用戶檢測的技術(shù)；支持非平衡頻帶下采用時(shí)分雙工的模式，采用單信元頻率復(fù)用
等。
3 WCDMA的物理層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)
    WCDMA方案包括FDD與TDD兩種工作方式。前者工作在覆蓋面積較大的范圍內(nèi)，提供中、
低速業(yè)務(wù)；后者主要側(cè)重在業(yè)務(wù)繁重的小范圍內(nèi)，提供高至2Mbps的業(yè)務(wù)。下面僅就FDD方
式進(jìn)行討論。
3.1基本參數(shù)
    ·WCDMA工作頻段：926－1980MHz頻段分配給FDD上行鏈路使用；2110－2170MHz頻段
分配給FDD下行鏈路使用；1900－1920MHz頻段由于在高頻段沒有相應(yīng)的鏡像頻段，被分配
給TDD雙工方式使用。
    ·基本標(biāo)稱帶寬5MHz，但其實(shí)際值可以以200kHz為步長，根據(jù)需要在4.4－5.2MHz之
間調(diào)整�；�本帶寬可以擴(kuò)展至10／20MHz。
    ·基本擴(kuò)頻碼速率4.096Mcps，它也可以擴(kuò)展到8.192／16.384MHz。
    ·幀長10ms，每幀包含16個(gè)時(shí)隙，每時(shí)隙O.625ms，代表一個(gè)功控周期。
3.2信道結(jié)構(gòu)
    WCDMA信道可分為專用信道和公共信道兩大類。
    專用信道包括：業(yè)務(wù)信道、獨(dú)立專用控制信道、伴隨專用控制信道。
    公共信道包括：廣播控制信道、前向接入信道、尋呼信道、隨機(jī)接入信道。
    這些信道通過不同的方式映射到相應(yīng)的物理信道。下面我們分別對(duì)上下行鏈路進(jìn)行介
紹。
    （1）上行鏈路
    上行鏈路專用物理信道分為：專用物理數(shù)據(jù)信道（DPDCH）和專用物理控制信道（DPC
CH）。公用物理信道為物理隨機(jī)接入信道（PRACH）。
    ·專用物理信道：上行鏈路專用物理數(shù)據(jù)信道用來承載第二層和更高層的專用數(shù)據(jù)。
專用物理控制信道用來承載第一層產(chǎn)生的控制信息，包括：用于信道估計(jì)的導(dǎo)頻信號(hào)（Pi
lot）；功率控制信號(hào)（TPC）以及傳送格式指示比特（TFI）。
    每偵10ms，分成16個(gè)時(shí)隙。72個(gè)連續(xù)的幀組成一個(gè)超幀，時(shí)長720ms。
    每時(shí)隙比特?cái)?shù)為：10*2k，其中k＝0，……，6，相應(yīng)的為SF＝256／2k。即為256－4。
DPCCH與DPDCH是并行發(fā)送的。
    ·公共物理信道：上行鏈路公共物理信道只有一種：物理隨機(jī)接入信道（PRACH）。
    移動(dòng)臺(tái)僅在相對(duì)于所在小區(qū)廣播控制信道幀邊界的一系列給定時(shí)間偏置處發(fā)起接入嘗
試。這樣的時(shí)間偏置稱為接入時(shí)隙。每個(gè)接入時(shí)隙都會(huì)與別的接入時(shí)隙之間有1.25ms的時(shí)
間間隔，以防止接人嘗試的相互碰撞。本小區(qū)中哪些接入時(shí)隙可用的消息在廣播控制信道
中發(fā)布。
    接入突發(fā)由長度為1ms的前導(dǎo)部分和長度為10ms的消息部分組成。兩部分之間為0.25ms
的空閑時(shí)隙。其中前導(dǎo)部分是由16個(gè)復(fù)數(shù)符號(hào)A或一A（A＝1＋j，這里j是虛部的標(biāo)記）組
成特征序列，共有16個(gè)不同的這樣的序列。在一個(gè)小區(qū)中，哪些特征序列可以使用的消息
通過基站下行信道予以廣播。消息部分由數(shù)據(jù)部分（對(duì)應(yīng)于DPDCH）和第～層控制信息部分
（對(duì)應(yīng)于DPCCH）組成，這兩部分是通過兩條物理信道并行發(fā)送的�？刂菩畔⒉糠謺r(shí)隙由TP
C，TFI和Pilot組成。數(shù)據(jù)部分時(shí)隙由16比特的移動(dòng)合識(shí)別碼，3比特的所要求服務(wù)類型指
示碼，可選的用戶短信息包，8比特的循環(huán)冗余比特組成。
    （2）下行鏈路
    下行鏈路物理信道由專用物理數(shù)據(jù)信道（DPDH）和專用物理控制信道（DPCCH），基本
公共控制物理信道（Primary CCPCH）和輔助公共控制物理信道（Secondary CCPCH）組成。
專用物理信道的功能與上行鏈路相同�；�本公共物理控制信道用來承載廣播控制信道（BCC
H），輔助公共控制物理信道用來承載前向接入信道（FRACH），尋呼信道（PCH）和同步信
道（SCH）。
    ·專用物理數(shù)據(jù)信道：下行鏈路專用物理信道是DPCCH和DPDH的時(shí)分復(fù)用。第二層及高
層的數(shù)據(jù)與第一層的控制信息（TPC，TFI，Pilot）通過時(shí)分復(fù)用復(fù)用到同一條信道上。
    同樣，下行鏈路DPCH一幀也是由16個(gè)0.625ms的時(shí)隙組成的，幀長為10ms。72個(gè)連續(xù)的
幀組成一個(gè)超幀。
    當(dāng)總的比特率大于一條物理信道所能承載的最大碼速率時(shí)，可采用多碼傳輸?shù)姆椒�，�?br />在下行鏈路發(fā)送多個(gè)并行的相同的物理信道。此時(shí)，第一層控制信息只需要在第一條物理信
道發(fā)送，其它物理信道在相應(yīng)的時(shí)間段中不發(fā)送任何信息。多碼傳輸?shù)牧硪环N方法是每個(gè)發(fā)
送的物理信道的擴(kuò)額增益不同。因此，此時(shí)每條物理信道都需要發(fā)送第一層的控制信息。
    基本公共控制物理信道：Primary CCPCH承載BCCH，它的碼速是固定的，為32kbps。其
幀結(jié)構(gòu)與下行鏈路DPCH的差別是它不包含TPC和TFI，只包含Pilot和DATA。每時(shí)隙有8比特的
Pilot和12比特的DATA。
    ·輔助公共控制物理信道：Secondary CCPCH承載FACH和PCH，F(xiàn)ACH和PCH分別映射到不
同的s 珊訕葉CCPCHo
    Secondary CCPCH碼速是恒定的。但這里的恒定，只是對(duì)一條Secondary CCPCH而言。對(duì)
不同的輔助公共控制物理信道，它的碼速是可以不同的，以適應(yīng)不同的FACH和PCH容量。
    Secondary CCpeH和Primary CCPCH的主要區(qū)別是前者的碼速對(duì)不同信道是不同的，雖然
在同一信道中是恒定的，后者碼速對(duì)每個(gè)小區(qū)都是相同的；并且前者是在有數(shù)據(jù)時(shí)才發(fā)送，
且可能只在某個(gè)方向發(fā)送，前者是在整個(gè)小區(qū)連續(xù)發(fā)射的。
    同步信道由兩個(gè)子信道組成；基本同步信道和輔助同步信道。
    可見，上下行鏈路有很大不同，下行鏈路專用數(shù)據(jù)信道和專用控制信道是時(shí)分復(fù)用的，
而上行鏈路專用數(shù)據(jù)信道和專用控制信道是并行發(fā)送的。
4 WCDMA和CDMA2000的比較
4.1無線傳輸技術(shù)的主要差別對(duì)比
    兩套方案在無線傳輸技術(shù)上有較大差別。
4.2兩種方案各自的演進(jìn)策略
    兩套方案各有利弊，從技術(shù)角度看，WCDMA方案采取了許多新技術(shù)，如時(shí)分復(fù)用的導(dǎo)頻碼
的使用，能實(shí)現(xiàn)相干解調(diào)，從而提高鏈路容量，且滿足了使用自適應(yīng)天線的要求；基站間異
步方式擺脫了對(duì)GPS的依賴等等，但CDMA2000是建立在IS-95空中接口的基礎(chǔ)上的，最大限度
地利用了成熟的技術(shù)，相對(duì)來說技術(shù)復(fù)雜程度低、風(fēng)險(xiǎn)小，系統(tǒng)演進(jìn)升級(jí)的成本較小。