3G移動通信主要技術標準討論

　　摘要：就3G通信的三大主流技術標準進行探討，并對它們進行了比較，分析了采用三種技術的優勢和缺點，最后針對我國目前3G移動通信現狀提出發展建議。
　　關鍵詞：3G；WCDMA；CDMA2000；TD-SCDMA；智能天線
　　相對第一代模擬制式手機（1G）和第二代GSM、TDMA等數字手機（2G），3G通信的名稱繁多，國際電聯規定為“IMT-2000”（國際移動電話2000）標準，歐洲的電信業巨頭們則稱其為“UMTS”通用移動通信系統。該標準規定，移動終端以車速移動時，其傳轉數據速率為144kbps，室外靜止或步行時速率為384kbps，而室內為2Mbps。但這些要求并不意味著用戶可用速率就可以達到2Mbps，因為室內速率還將依賴于建筑物內詳細的頻率規劃以及組織與運營商協作的緊密程度。
　　一、國際電聯接受的3G通信的三大主流標準
　　國際電信聯盟（ITU）確定3G通信的三大主流標準分別是WCDMA（寬頻分碼多重存?。?、CDMA2000（多載波分復用擴頻調制）和TD-SCDMA（時分同步碼分多址接入）。
　　1.WCDMA。WCDMA是一種由3GPP具體制定的，基于GSM MAP核心網，UTRAN（UMTS陸地無線接入網）為無線接口的第三代移動通信系統。目前WCDMA有Release 99、Release 4、Release 5、Release 6等版本。WCDMA（寬帶碼分多址）是一個ITU（國際電信聯盟）標準，它是從碼分多址（CDMA）演變來的，在官方上被認為是IMT-2000的直接擴展，與現在市場上通常提供的技術相比，它能夠為移動和手提無線設備提供更高的數據速率。WCDMA采用直接序列擴頻碼分多址（DS-CDMA）、頻分雙工（FDD）方式，碼片速率為3.84Mcps，載波帶寬為5MHz.基于Release 99/ Release 4版本，可在5MHz的帶寬內，提供最高384kbps的用戶數據傳輸速率。WCDMA能夠支持移動/手提設備之間的語音、圖像、數據以及視頻通信，速率可達2Mb/s（對于局域網而言）或者384Kb/s（對于寬帶網而言）。
　　但值得我們注意的是WCDMA系統的容量、覆蓋、質量三者之間的關系是相互影響相互制約的，它們三者又直接影響著建網的投資。在規劃中確定了要滿足的通信質量要求之后，需要解決的就是覆蓋與容量間的平衡問題，運營商在規劃階段的最大挑戰就是容量與覆蓋間的取舍。為了很好地解決WCDMA系統覆蓋與容量之間的矛盾，消除干擾，提升系統容量，滿足用戶業務需求，在WCDMA的后續發展中產生了許多新技術。其中最值得關注的就是高速下行分組接入（HSDPA）。HSDPA是3GPP在R5協議中為了滿足上／下行數據業務不對稱的需求而提出的一種調制解調算法，它可以在不改變已經建設的WCDMA網絡結構的情況下，把下行數據業務速率提高到10Mbps。該技術是WCDMA網絡建設后期提高下行容量和數據業務速率的一種重要技術。
　　HSDPA采用的關鍵技術是自適應調制編碼（AMC）和混合自動重復（HARQ）。AMC根據信道的質量情況，選擇最合適的調制和編碼方式。HSDPA技術增加了高速下行共享信道（HS－DSCH），并依靠HARQ和AMC對信道變化進行適應。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相關的上行采用DPCCH－HS信道，承載HARQ的ACK／NACK信息和信道質量測量指示（CQI）。同時在NodeB增加了MAC－hs實體，該功能實體包含HARQ和HSDPA的調度功能以及對HS－DSCH的控制功能。HSDPA提高下行數據速率的一種方法是采用多天線發射和多天線接收（MIMO）技術。其他技術也對WCDMA網絡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行聯合檢測，從而盡可能地減小多址干擾來達到提高容量或覆蓋的目的。
　　2.CDMA2000。CDMA2000是由窄帶CDMA（CDMA IS95）技術發展而來的寬帶CDMA技術，由美國主推，該標準提出了從CDMA IS95（2G）——CDMA20001x——CDMA20003x（3G）的演進策略。采用的是頻分雙工模式，即上先行鏈路采用不同頻點，這一點與GSM是一樣的。其次，CDMA2000采用的是多載波技術，即用多路載波傳輸信號，可以抗多徑效應和碼間干擾，從而提高空中接口傳輸速率。
　　3.TD-SCDMA。TD-SCDMA（time-division synchronous code division multiple access），即時分—同步碼分多址存取，是由我國信息產業部電信科學技術研究院提出，與德國西門子公司聯合開發。主要技術特點：時分雙工技術、智能天線技術和軟件無線電技術。
　?。?）時分雙工技術。在TDD（時分同步）模式下，TD-SCDMA采用在周期性重復的時間幀里傳輸基本TDMA突發脈沖的工作模式（與GSM相同），通過周期性轉換傳輸方向，在同一載波上交替進行上下行鏈路傳輸。
　　（2）智能天線技術。智能天線系統由一組天線及相連的收發信機和先進的數字信號處理算法構成，能有效產生多波束賦形，每個波束指向一個特定終端，并能自動跟蹤移動終端。
　　在接收端，通過空間選擇性分集，可大大提高接收靈敏度，減少不同位置同信道用戶的干擾，有效合并多徑分量，抵消多徑衰落，提高上行容量；在發送端，智能空間選擇性波束成形傳送，降低輸出功率要求，減少同信道干擾，提高下行容量。
　　智能天線改進了小區覆蓋，智能天線陣的輻射圖形完全可用軟件控制，在網絡覆蓋需要調整等使原覆蓋改變時，均可通過軟件非常簡單地進行網絡優化。此外，智能天線降低了無線基站的成本，智能天線使等效發射功率增加，用多只低功率放大器代替單只高功率放大器，可大大降低成本，降低對電源的要求及增加可靠性。
　　智能天線無法解決的問題是時延超過碼片寬度的多徑干擾和高速移動多普勒效應造成的信道惡化。因此，在多徑干擾嚴重的高速移動環境下，智能天線必須和其它抗干擾的數字信號處理技術同時使用，才可能達到最佳效果。這些數字信號處理技術包括聯合檢測、干擾抵消及Rake接收等。
　　（3）軟件無線電技術。軟件無線電是利用數字信號處理軟件實現無線功能的技術，能在同一硬件平臺上利用軟件處理基帶信號，通過加載不同的軟件，可實現不同的業務性能。
　　二、三個技術標準的比較
　　WCDMA、CDMA2000與TD-SCDMA都屬于寬帶CDMA技術。寬帶CDMA進一步拓展了標準的CDMA概念，在一個相對更寬的頻帶上擴展信號，從而減少由多徑和衰減帶來的傳播問題，具有更大的容量，可以根據不同的需要使用不同的帶寬，具有較強的抗衰落能力與抗干擾能力，支持多路同步通話或數據傳輸，且兼容現有設備。WCDMA、CDMA2000與TD-SCDMA都能在靜止狀態下提供2Mbit/s的數據傳輸速率，但三者的一些關鍵技術仍存在著較大的差別，性能上也有所不同。
　　1.雙工模式。WCDMA與CDMA2000都是采用FDD（頻分數字雙工）模式，TD-SCDMA采用TDD（時分數字雙工）模式。FDD是將上行（發送）和下行（接收）的傳輸使用分離的兩個對稱頻帶的雙工模式，需要成對的頻率，通過頻率來區分上、下行，對于對稱業務（如語音）能充分利用上下行的頻譜，但對于非對稱的分組交換數據業務（如互聯網）時，由于上行負載低，頻譜利用率則大大降低。TDD是將上行和下行的傳輸使用同一頻帶的雙工模式，根據時間來區分上、下行并進行切換，物理層的時隙被分為上、下行兩部分，不需要成對的頻率，上下行鏈路業務共享同一信道，可以不平均分配，特別適用于非對稱的分組交換數據業務（如互聯網）。TDD的頻譜利用率高，而且成本低廉，但由于采用多時隙的不連續傳輸方式，基站發射峰值功率與平均功率的比值較高，造成基站功耗較大，基站覆蓋半徑較小，同時也造成抗衰落和抗多普勒頻移的性能較差，當手機處于高速移動的狀態下時通信能力較差。WCDMA與CDMA2000能夠支持移動終端在時速500公里左右時的正常通信，而TD-SCDMA只能支持移動終端在時速120公里左右時的正常通信。TD-SCDMA在高速公路及鐵路等高速移動的環境中處于劣勢。
　　2.碼片速率與載波帶寬。WCDMA（FDD-DS）采用直接序列擴頻方式，其碼片速率為3.84Mchip/s。CDMA20001x與CDMA20003x的區別在于載波數量不同，CDMA20001x為單載波，碼片速率為1.2288Mchip/s，CDMA20003x為三載波，其碼片速率為1.2288×3＝3.6864Mchip/s。TD-SCDMA的碼片速率為1.28Mchip/s。碼片速率高能有效地利用頻率選擇性分集以及空間的接收和發射分集，可以有效地解決多徑問題和衰落問題，WCDMA在這方面最具優勢。
　　載波帶寬方面，WCDMA采用了直接序列擴譜技術，具有5MHz的載波帶寬。CDMA20001x采用了1.25MHz的載波帶寬，CDMA20003x利用三個1.25MHz載波的合并形成3.75MHz的載波帶寬。TD-SCDMA采用三載波設計，每載波具有1.6M的帶寬。載波帶寬越高，支持的用戶數就越多，在通信時發生網塞的可能性就越小。在這方面WCDMA具有比較明顯的優勢。
　　TD-SCDMA系統僅采用1.28Mchip/s的碼片速率，采用TDD雙工模式，因此只需占用單一的1.6M帶寬，就可傳送2Mbit/s的數據業務。而WCDMA與CDMA2000要傳送2Mbit/s的數據業務，均需要兩個對稱的帶寬，分別作為上、下行頻段，因而TD-SCDMA對頻率資源的利用率是最高的。
　　3.越區切換技術。WCDMA與CDMA2000都采用了越區“軟切換”技術，即當手機發生移動或是目前與手機通信的基站話務繁忙使手機需要與一個新的基站通信時，并不先中斷與原基站的聯系，而是先與新的基站連接后，再中斷與原基站的聯系，這是經典的CDMA技術。“軟切換”是相對于“硬切換”而言的。FDMA和TDMA系統都采用“硬切換”技術，先中斷與原基站的聯系，再與新的基站進行連接，因而容易產生掉話。由于軟切換在瞬間同時連接兩個基站，對信道資源占用較大。而TD-SCDMA則是采用了越區“接力切換”技術，智能天線可大致定位用戶的方位和距離，基站和基站控制器可根據用戶的方位和距離信息，判斷用戶是否移動到應切換給另一基站的臨近區域，如果進入切換區，便由基站控制器通知另一基站做好切換準備，達到接力切換目的。接力切換是一種改進的硬切換技術，可提高切換成功率，與軟切換相比可以減少切換時對鄰近基站信道資源的占用時間。
　　在切換的過程中，需要兩個基站間的協調操作。WCDMA無需基站間的同步，通過兩個基站間的定時差別報告來完成軟切換。CDMA2000與TD-SCDMA都需要基站間的嚴格同步，因而必須借助GPS（Global Positioning System，全球定位系統）等設備來確定手機的位置并計算出到達兩個基站的距離。由于GPS依賴于衛星，CDMA2000與TD-SCDMA的網絡布署將會受到一些限制，而WCDMA的網絡在許多環境下更易于部署，即使在地鐵等GPS信號無法到達的地方也能安裝基站，實現真正的無縫覆蓋。而且GPS是美國的系統，若將移動通信系統建立在GPS可靠工作的基礎上，將會受制于美國的GPS政策，有一定的風險。
　　4.與第二代系統的兼容性。WCDMA由GSM網絡過渡而來，雖然可以保留GSM核心網絡，但必須重新建立WCDMA的接入網，并且不可能重用GSM基站。CDMA20003x從CDMA IS95、CDMA20001x過渡而來，可以保留原有的CDMA IS95設備。TD-SCDMA系統的的建設只需在已有的GSM網絡上增加TD-SCDMA設備即可。三種技術標準中，WCDMA在升級的過程中耗資最大。
　　三、結 語
　　三種主流的3G技術標準CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，在技術上各有千秋，從我國目前的情況來看，不會出現哪種標準“一統江湖”的局面，而至于誰能在3G時代占據更大的市場份額，關鍵是看哪個技術標準更符合市場需求和競爭的需要，更能充分發揮3G技術的優勢。與2G相比，3G最大的優勢是能夠提供至少384Kbps的高速數據接入，除可承載原有的話音業務和短信業務外，它還能夠開設許多新的業務。作為全球最大的移動通信市場，中國3G的發展無疑將對世界移動通信市場產生深遠影響，因此中國3G的未來發展走向必然備受關注。
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