第三代移动通信技术标准及其发展研究

2019-11-05 02:34:56

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供稿：网友

　　随着通信业务的迅猛发展和通信量的激增，未来的移动通信系统不仅要有大的系统容量，而且还要能支持话音、数据、图像、多媒体等多种业务的有效传输。第三代移动通信系统将高速移动接入和基于互联网协议的服务结合起来，在提高无线频率利用率的同时，为用户提供更经济、内容更丰富的无线通信服务。
　　
　　第三代移动通信系统在国际上统称为IMT-2000（简称3G），是国际电信联盟（ITU）在1985年提出的工作在2000MHz频段的系统。与第一代模拟移动通信和第二代数字移动通信系统相比，第三代的最主要特征是可提供移动多媒体业务。
　　
　　第三代移动通信的主流技术标准主要有三种：IMT-2000 CDMA-DS（IMT-2000直接扩频CDMA），即WCDMA，它可以在一个宽达5MHz的频带内直接对信号进行扩频；IMT-2000CDMA-MC（IMT-2000多载波CDMA），即CDMA2000，这是美国提出的技术，它是由1个或多个1.25MHz的窄带直接扩频系统组成的一个宽带系统；TD-SCDMA（时分同步码分多址），是由中国提出的，是CDMATDD标准的一员。
　　
　　1.WCDMA
　　WCDMA（Wideband CDMA）标准由3GPP组织制定，它的主要特点是无线接入网采用WCDMA技术，核心网分为电路域和分组域，分别支持话音业务和数据业务，并提出了开放业务接入（OSA）的概念。
　　
　　WCDMA的技术优势主要有以下几点：（1）业务灵活。WCDMA答应每个5MHz载波处理从8kbWs到2Mbit/s的混合业务。另外在同一信道上既可进行电路交换业务也可以进行分组交换业务，利用在单一终端上进行多个电路和分组交换连接，实现真正的多媒体业务。可以支持不同质量要求的业务（例如话音和分组数据）并保证高质量和完美的覆盖。（2）频谱效率高。WCDMA能够高效利用无线电频谱。由于它采用单小区复用，因此不需要频率规划。利用分层小区结构、自适应天线阵列和相干解调（双向）等技术，网络容量可以得到大幅提高。（3）容量和覆盖范围大。WCDMA射频收发信机能够处理的话音用户是典型窄带收发信机的8倍。每个射频载波可处理80个同时话音呼叫或者50个同时的Internet数据用户。WCDMA的容量差不多是窄带CDMA的两倍。更大的带宽能在上/下行链路中使用相干解调和快速功率控制答应更低的接收机门限。（4）每个连接可提供多种业务。WCDMA符合真正的UMTS/IMT-2000要求。分组和电路交换业务可在不同的带宽内自由地混合，并可同时向同一用户提供。每个WCDMA终端能够同时接入多达6个不同业务，这些业务可以是话音或传真、电子邮件和视频等数据业务的组合。（5）无缝的GSM/UMTS接入。双模终端将在GSM网络和UMTS/IMT-2000网络之间提供无缝的切换和漫游，在两个接入系统之间有尽可能大的业务映像。（6）终端的经济性和简单性。WCDMA手机所要求的信号处理大约是复合TD/CDMA技术的1/10。更简单、更经济的终端易于进行大量生产，从而也就带来了更高的规模经济、更多的竞争，网络运营公司和用户也将获得更大的选择余地。
　　
　　2.CDMA2000
　　CDMA2000是国际电信联盟（ITU）规定的第三代移动通信无线传输技术之一，是从窄频CDMA one数字标准衍生出来的，可以从原有的CDMA one结构直接升级到3G，建设成本低廉。按照使用的带宽来区分，CDMA2000可以分为1x系统和3x系统。其中1x系统使用1.25MHz的带宽，提供的数据业务速率最高只能达到307kbit/s。在1x系统以后，国际上比较公认的发展方向是1x EV-DO和1x EV-DV系统。其中1x EV-DO系统重点提高了数据业务的性能，将用户的最大数据业务传送速率提高到2.4Mbit/s。而1x EV-DV系统在将数据业务最大速率提高到3.1Mbit/s的同时，又进一步提高了语音业务的容量。
　　
　　尽管CDMA2000的支持者不如WCDMA多，不过CDMA2000技术的研发却是目前各标准中进度最快的，许多3G手机已经率先面世。
　　
　　CDMA2000的技术特点是，具有多种信道带宽。前向链路支持多载波（MC）和直扩（DS）两种方式；反向链路仅支持直扩方式。当采用多载波方式时，能支持多种射频带宽，即射频带宽可为N×1.25MHz（N=1、3、5、9或12）。目前技术仅支持前两种，即1.25MHz（CDMA2000-1x）和3.75MHz（CDMA2000-3x）。其他的技术特点还包括：可以更加有效地使用无线资源；可实现CDMA one向CDMA2000系统平滑过渡；核心网协议可使用IS-41、GSM-MAP以及ip骨干网标准；前向发送分集；快速前向功率控制；使用Turbo码；辅助导频信道；灵活帧长；反向链路相干解调。
　　
　　3.TD-SCDMA
　　TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple access）是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术标准之一。它得到了CWTS及3GPP的全面支持，是中国电信行业近百年来第一个完整的通信技术标准，是集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体、系统容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术，采用了智能天线、联合检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系、自适应功率调整等技术。
　　
　　TD-SCDMA的技术特点主要表现在：（1）频谱灵活性和支持蜂窝网的能力高。TD-SCDMA仅需要1.6MHz的最小带宽。若带宽为5MHz则支持3个载波，在一个地区可组成蜂窝网，支持移动业务，并可通过自动信用卡道分配（DCA）技术提供不对称数据业务。（2）高频谱利用率。TD-SCDMA为对称话音业务和不对称数据业务提供的频谱利用率高。也就是说，在使用相同频带宽度时，TD-SCDMA可支持多一倍的用户。（3）设备成本低。在天线基站方面，TD-SCDMA的设备成本低，主要因为（a）由多天线阵、相干收发信机和DSP算法组成的智能天线具有降低多址干扰、提高容量和接收灵敏度以及降低发射功率和天线基站成本等优点；（b）各终端上行链路信号在基站解调器完全同步，即上行同步，它的优点是CDMA码道正交，降低码道间干扰，提高CDMA容量，可以简化基站硬件，降低天线基站成本；（c）通过DSP软件实现无线电功能，即软件无线电技术，可实现智能天线和多用户检测等基带数字信号处理，使系统可灵活地使用新技术，并可降低产品开发周期和成本。（4）系统兼容。由于TD-SCDMA同时满足Iub、A、Gb、Iu、IuR多种接口的要求，所以TD-SCDMA的基站子系统既可作为2G和2.5G GSM基站的扩容，又可作为3G网中的基站子系统，能同时兼顾现在的需求和未来的发展。
　　
　　4 种技术标准的比较
　　在3种技术标准中，WCDMA的扩频码速率为3.84Mchip/s，载波带宽为5MHz；CDMA2000的扩频码速率为1.2288Mchip/s，载波带宽为1.25MHz。另外，WCDMA的基站间同步是可选的，而CDMA2000的基站间同步是必需的，因此需要全球定位系统（GPS）。以上两点是WCDMA和CDMA2000最主要的区别。TD-SCDMA的扩频码速率为1.28Mchip/s，载波带宽为1.6MHz，基站间必须同步，与其他两种技术相比采用了智能天线、联合检测、上行同步及动态信道分配、接力切换等技术，具有频谱使用灵活、频谱利用率高等特点，适合非对称数据业务。
　　
　　此外，WCDMA和CDMA2000都采用FDD模式，只有TD-SCDMA采用TDD模式。FDD模式的特点是在分离的两个对称频率信道上，系统进行接收和发送，用频段来分离接收和传送信道；采用包交换等技术，可突破第二代发展的瓶颈，实现高速数据业务，并可提高频谱利用率，增加系统容量。但FDD必须采用成对的频率，即在每2×5MHz的带宽内提供第三代业务。该方式在支持对称业务时，能充分利用上下行的频谱，但在非对称的分组交换（互联网）工作时，频谱利用率则大大降低，在这点上，TDD模式有着FDD无法比拟的优势。
　　
　　3.5G系统面临的主要问题
　　第三代移动通信系统面临的主要问题有以下几点：（1）多径衰落。这个问题存在于所有的移动通信系统中。无线电波在传播过程中将发生折射、反射和散射，从而产生多条传播路径。不同路径的信号到达接收机时，由于天线的位置、方向和极化不同，使接收信号的幅度、相位起伏变化，产生严重的衰落现象。为了保证通信质量，不得不增加信号功率，这就直接影响了系统的容量。（2）时延扩展。不同路径的信号有不同的传播时延，当时延超过检测脉冲宽度的10％时，脉冲间的干扰就明显存在，从而限制了移动通信的数据速率。（3）多址干扰。由于3G系统采用CDMA技术，即采用不同的扩频码字来区分用户，这就要求各用户的扩频码具有强自相关性和弱互相关性。但实际上各用户间的互干扰不可能完全消失，所以CDMA系统是干扰受限系统，就是说来自本小区和邻近小区用户的干扰成了决定系统容量和性能的主要因素。多址干扰是3G系统所特有的一种干扰。（4）远近效应。在各移动台均以相同功率发射信号时，基站接收到的近处移动台发射的信号功率将远大于远处移动台发射的信号功率。远近效应就是指近处大功率信号对远处小功率信号产生的很强的干扰。它也是一类多址干扰，不过在3G系统中这种多址干扰表现十分突出。（5）体制问题。目前，第二代系统已经被广泛应用，所以，从资源利用的角度来考虑，3G系统必须兼容前代系统，而且能在将来平滑地过渡到第四代移动通信系统，甚至个人通信系统的最高目标。但目前，第二代系统种类繁多，标准层出不穷，体制多种多样。所以，如何使3G系统起好一个承前启后的作用，也是一个突出问题。
　　
　　6. 3G发展现状
　　从技术标准上来讲，WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA这3种技术标准都没有达到成熟，都需要开展全面而深入的研究和试验以及测试，任何一种标准都是在某一方面、某一领域内有其优越性和非凡性，因此，3种标准会互相融合、互相补充，从而得到完善和发展，不断走向成熟。
　　
　　第三代移动通信的商用化正在全球范围内进入实施阶段。北美SPRing PCS、Bell Mobility、Verizon Wireless、日本的KDDI及韩国的KT宣称已实现CDMA2000-1x的商用化。日本DoCoMo于2001年10月起首先实现了WCDMA的商用化。有关调查数据表明，与位置有关的信息点播业务、多媒体短信业务、移动上网浏览业务、移动电子商务、交互式娱乐业务将是未来最具

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