第三代移动通信系统及其主要无线技术

  侯晶晶 张 辉
  
   侯晶晶:现为西安电子科技大学通信工程专业硕士研究生。
  
   张 辉:现为西安电子科技大学教授。
  
     摘 要:本文首先介绍了第三代移动通信系统(又称IMT-2000),然后通过对欧洲和日本的WCDMA技术以及北美的cdma-2000技术的比较,向读者阐述了第三代移动通信网的主要无线传输技术。
  
     关键词:3G; IMT-2000; 宽带CDMA; cdma-2000
  
      引 言
  
   第三代无线移动通信网,通常称为3G,正在被国内外移动通信界积极地研究和热烈地探讨着,并预期于2002年左右投入商用。国际电信联盟(ITU)称3G为IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000),在欧洲,该系统则被称为通用移动通信系统(UMTS)。IMT-2000将提供多种服务,尤其是多媒体通信以及高速数据分组交换业务。而近年来,作为IMT-2000/UMTS空中接口多址接入方案之一的码分多址接入(CDMA)系统似乎已经成为第三代无线个人通信系统最强有力的备选方案。在欧洲,美国,日本以及韩国,对宽带CDMA的研究也有很大的进展,这表明,宽带CDMA将成为“什么是IMT-2000/UMTS最佳多址接入方案”最有可能的答案。
  
   第三代移动通信系统空中接口的制定
  
     如何能够提供真正意义上的全球覆盖,提供更高速的数据业务以及更有效的频谱利用率已成为推动第三代移动通信发展的主要动力。自1985年以来,国际电信联盟就开始了IMT-2000的研究。IMT-2000早期被称为未来公共陆地移动电话系统(FPLMTS),在ETSI,UMTS的标准化则始于1900年子技术委员会SMG5成立时。IMT-2000空中接口方案的主要目标可简要如下:
  
     ·全覆盖和移动时,比特速率为144Kb/s,最佳可达384Kb/s
  
     ·有限覆盖和移动时,比特速率为2Mb/s
  
     ·与现有系统相比,有更高的频谱利用率
  
     ·对新型业务有更好的兼容性
  
     上述数据是根据综合业务数字网(ISDN)的数据比特率来规定的。ISDN各种信道提供了多种不同的比特率,其2B+D信道提供144Kb/s的数据速率,H0信道提供384Kb/s的数据速率,H12信道提供1920Kb/s的数据速率(尽管IMT-2000业务的上限采用2Mb/s,但实际业务规定为1.92或2.048Mb/s)。虽然如此,IMT-2000的主要业务并不是基于ISDN的,这些数字也已成为争论的对象,最终,市场需求将决定在第三代移动通信系统的商业运营中提供怎样的数据速率。
  
   一些国家的主要地区性标准化组织也已经制定了IMT-2000的首选技术。1997年初,负责日本无线标准化的无线工业和商业协会(ARIB)决定继续进行宽带CDMA标准细节方面的制定,日本提出的技术加速了欧美标准化的工作,同年,日本的关键参数和欧洲宽带CDMA建议取得一致,空中接口即为通常所指的WCDMA。1998年1月,由于有强大的后盾,在ETSI中,WCDMA被选作FDD频段的UMTS陆地空中接口方案。宽带CDMA的选择也得到了亚洲和北美GSM运营者的支持。对于TDD频段,选择了时分CDMA (TD-CDMA)的概念。1998年3月,美国负责IS-95标准化的通信工业协会(TIA)TR45.5委员会采用了一种后向兼容IS-95的宽带CDMA框架,称为cdma-2000。负责IS-136标准化的TR45.3采用了基于TDMA方案的第三代建议UWC-136(全球无线通信),该建议是1998年2月提出,并建立在UWCC建议基础之上。
  
   宽带CDMA方案
  
     上述适合第三代无线系统的多址接入方案,即宽带CDMA方案,基于UWC-136 TDMA方案和TD-CDMA方案中,我们将简要介绍宽带CDMA方案。
  
     宽带CDMA具有5MHz或更宽的带宽。通常,所有第三代系统建议的带宽均为5MHz,选择这一带宽有很多原因。首先,144和384Kb/s的数据速率是第三代系统的主要目标,在5MHz带宽内可以获得这一速率并具有适当的容量,在限定条件下,甚至可以达到2Mb/s的峰值速度;第二,频谱的缺乏要求采用合理的最小频谱分配,尤其是当系统必须配置到已经被第二代系统占用的现有频带内;第三,与较窄的带宽相比,5MHz带宽能更好的解决多径问题,提高分集技术,改善系统性能。为了更有效的支持更高的数据速率,已经提出了10,15和20MHz的带宽。目前已经制定的几种用于第三代无线系统的宽带CDMA建议,总结如下:
  
     ·多速率业务
  
     ·分组数据
  
     ·复杂的扩频技术
  
     ·相关的下行链路使用用户专用的导频信号
  
     ·上行链路附加导频信道来进行波束形成
  
     ·无缝隙内部频率切换
  
     ·下行链路快速功率控制
  
     ·可选的多用户检测技术
  
     基于第三代空中接口方案的标准化重点放在了宽带CDMA的以下两个方面:网络异步和同步。在网络异步方案中,基站之间是不同步的;而在网络同步方案中,基站之间是同步的,相差仅为几毫秒。正如要讨论的,有两种异步CDMA网络建议:ETSI和ARIB中的WCDMA和具有类似参数的韩国的TTAⅡ[5];以及一种同步宽带CDMA网络,该方案以被TR45.5(cdma-2000)所采纳并正处于韩国的考虑之中(TTAⅠ)。此外,美国的T1P1也加入了WCDMA的开发,美国TR46.1开发的宽带CDMA方案,无线多媒体和消息业务(WIMS),最近已经和WCDMA融合。由TR45.5(cdma-2000)提出的网络同步宽带CDMA方案,韩国正在作进一步的研究。所有的方案都瞄准了IMT-2000无线传输技术选择的进程。除了上述主要的宽带CDMA方案外,还有两种很有发展前景的宽带CDMA,它们是CODIT和IS-665 WCDMA。
  
     为了将不同的宽带CDMA技术融合,需要寻找一个统一的全球空中接口,各个国家和地区性组织都已经作了很多的努力。然而由于当前系统的演化问题及其支持者巨大的商业利益问题,到目前为止至少已有两种宽带CDMA标准。而且,在这些标准发展的过程中有些参数已经更改,关于不同宽带CDMA方案无线传输技术的描述,可以参考。这里我们仅讨论WCDMA和cdma-2000的主要技术手段,它们的区别也适用于TTAⅠ和TTAⅡ。
  
     1、WCDMA技术
  
     在1997年下半年,ETSI和ARIB共同努力开发了WCDMA。ETSI WCDMA从欧洲的FMA2方案发展而来[7],ARIB的WCDMA从日本的A核心方案发展而来。WCDMA方案的下行链路主要基于FMA2方案,上行链路主要基于A核心方案。
  
     2、cdma-2000技术
  
     标准委员会TIA TR45.5的子委会TR45.5.4负责基于cdma-2000概念的选择。像其它宽带CAMA方案一样其目标是提供数据速率满足IMT-2000的性能要求,即车载环境至少144Kb/s,步行环境384Kb/s,室内办公环境2048Kb/s。该标准的重点是在5MHz带宽下提供数据速率为144Kb/s和384Kb/s的业务。
  
     3.WCDMA与cdma-2000技术的比较
  
   WCDMA与cdma-2000两种方案在无线传输技术上有较大差别,其主要区别在于码片速率,下行链路信道的结构和网络同步。cdma-2000在5MHz的直接扩频下行链路上采用3.6864Mchip/s的码片速率,多载波方式下采用1.2288Mchip/s的码片速率。WCDMA的直接扩频方式采用4.096Mchip/s的码片速率,多载波方式是由于cdma-2000与现有的IS-95载波频率频谱重叠造成的。与IS-95类似,cdma-2000的扩频码是由相同M序列的不同相位偏移产生的,由于cdma-2000是同步网络,所以这种方式是可能的。而WCDMA为异步网络,所以它是采用不同的长码而不是用同一码的不同相位偏移来区分小区和用户。码的结构直接影响到码同步的完成,小区的选择和切换的同步。
  
   结束语
  
     在ITU RTT选择无线传输技术的过程中,很多国家提交了许多不同的解决方案,与此同时,地区性标准化组织的活动将进一步改进这些提议中的技术参数,现有的两种主要空中接口方案是否能够融合为一体将拭目以待。
  
     得一提的是,本文提出的仅仅是陆地移动通信系统,对于能够有效满足第三代移动通信系统提出的更高性能要求的卫星空中接口方案的研究和开发也在加紧努力进行着。为了跟上国际标准化组织的努力进展,基于CDMA的卫星无线接入方案也已经提交给ITU RTT。