WCDMA向后3G演进中基带传输技术

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摘要：

         作为WCDMA系统向后3G演进的增强基带传输技术, 多用户检测技术、均衡技术、MIMO 和空时码技术、智能天线技术、自适应链路技术、混合ARQ 技术等技术将能够显著提高通信系统的容量和通信质量, 具有很好的应用前景。虽然这些技术应用在目前的系统中正式商用化还有待时日, 但这些技术的使用无疑将加速WCDMA 向后3G的演进。

引言

         近10 年来, 移动通信技术得到突飞猛进的发展, 经历了第一代模拟移动通信、第二代数字移动通信技术和即将投入商用的第三代移动通信技术。第三代移动通信的主流制式分为三大类———WCDMA , cdma2000 和中国的TD-SCDMA , 焦点集中在WCDMA 和cdma2000 。而基于第二代移动通信的考虑和目前全球范围内3G的应用情况, 可以说WCDMA 已经成为最为主流、应用最广泛的第三代无线传输技术。

         但是随着多媒体业务、数据传输的发展, 人们对通信的质量和通信的业务不断增加。由于目前第三代移动通信仍然不能支持超过20 Mbit/ s 的高速数据业务以及很大范围(8 kbit/ s～20 Mbit/ s) 的业务, 并且第三代移动通信并没有实现真正意义上的全球漫游, 因此, 近年来一些研究学者又提出了未来移动通信系统的新构想———Beyond 3G的概念。Beyond 3G移动通信系统必须能够支持全IP 高速分组数据传输(数据速率为数十甚至数百Mbit/ s) 、支持高的终端移动性(移动速度高达每小时几百公里) 、支持高的传输质量(数据业务的误码率低于10 - 6) 、提供高的频谱利用率和功率效率(发射功率降低10dB 以上) ,并能够有效地支持在用户数据速率、用户容量、服务质量和移动速度等方面大动态范围的变化。

         目前, WCDMA 的标准也在不断朝着Beyond3G演进, 其发展方向主要有: 支持更多的多媒体业务, 提高下行的数据传输速率, 实行全IP 网络,实现不同标准不同无线接入技术之间的切换以及漫游等。在这些发展方向中, 如何提高下行数据传输速率非常重要, 而解决这个问题的关键在于一些新的基带传输技术, 例如一些智能信号处理技术。另外, 由于目前第三代移动通信技术还没有大规模商用, 技术能力又有很大的扩展空间, 因此, 本文从这个方面出发, 结合目前比较新的基带传输中采用的技术, 对它们在WCDMA 向后三代演进中的应用进行探讨。

WCDMA 概述

         WCDMA 标准化主要是由区域性的标准化组织3GPP 负责, 该组织是由欧洲ETSI 发起, 并由ETSI ( 欧洲) 、CWTS ( 中国) 、ARIB ( 日本) 、TTC (日本) 、TTA (韩国) 和T1 (美国) 等成员组成的第三代合作组织, 其目标是制定与GSM/GPRS 相兼容的第三代移动通信标准WCDMA , 在欧洲又称为UMTS。目前, 3GPP 制订的WCDMA系统标准包括多个版本: R99 、R4 和R5 。R99 是目前最成熟、最稳定的版本, 其主要特点是采用基于GSM/ GPRS 的核心网络, 引入新的WCDMA 和CDMATDD 的无线接入网络RAN。R4 的主要特征是完成了由我国提交的TD-SCDMA 技术在3GPP的标准化, R4 核心网部分主要特点是在电路域将承载与控制分开, 这也是迈向全IP 的第一步。R5则是全IP 的第一个版本, 其核心网部分在结构上将发生较大的变化, 引入IP 多媒体域。R5 的另一个主要增强是无线接口引入支持下行速率为10Mbit/ s 的HSDPA 技术。

         从上述标准的演变过程可以看出, WCDMA 的演变包括网络层解决方案的演变和物理层基带传输方面的演进。网络层方面的演进包括发展无线接入网络资源管理技术, 以及核心网IP 化技术等。由于物理传输层的演进是基础,因此本文着重讨论增强WCDMA 物理传输以及WCDMA 向后三代演进时可能采用的一些新技术。

WCDMA 向后三代演进物理层的关键技术

         WCDMA 向后三代演进中的关键技术包括抗衰落、抗突发差错的信道编码技术; 克服用户间干扰的多用户检测技术; 克服多径干扰的均衡技术以及采用分块传输的技术; 还有提高数据传输速率和抗衰落的MIMO (Multi-Input Multi-Output) 多天线技术、AMC 技术; 最后还有结合网络层和物理层的H-ARQ 技术。这些技术还可以有机结合来共同提高系统性能。下面我们分别对这些技术进行讨论, 并考虑他们在WCDMA 中实现的可能性。

信道编码技术

         移动通信中, 解决深衰落引起的突发差错的常用方法就是交织加纠错编码技术。交织可以把突发差错随机化, 然后就可以通过纠错编码来纠正随机差错。常用的纠错编码有RS 码和卷积码以及它们的级联形式。1993 年, C1Berrou 提出了Turbo 码。Turbo 码是并行或串行级联循环卷积码。它由两个递归系统卷积码(RSC 码) 通过一个交织器的并行(或串行) 级联构成, 其编码是迭代式进行的。在AWGN 和瑞利衰落信道中的实验表明, 它可以很接近香农限, 相比RS 码和卷积码的级联码, Turbo 码有2 dB 以上的增益。因此, Turbo 码受到各个移动通信标准的青睐, 并成为后3G 的关键技术。但是, Turbo 码也有它的缺点, 即译码比较复杂。

         Turbo 码的提出大大刺激了纠错编码技术的发展。1997 年Mackay 重新发现了Gallage 在1967 年提出的LDPC (低密度奇偶校验) 码。研究表明,LDPC 码也具有优异的性能, 与Turbo 码相比, 它的译码可以并行实现, 因此具有很强的实用价值。目前对LDPC 在移动通信中的应用也开始热起来,考虑到Turbo 码译码复杂, 而LDPC 码译码简单编码稍微复杂, 在上行采用Turbo 码, 下行采用LDPC 码很有吸引力。但是关于LDPC 码, 还有以下几方面需要进一步研究: LDPC 码在移动衰落信道下的性能; 寻找编码简单、译码可以并行实现的LDPC 码, 并对它在移动通信中的应用进行深入研究。

多用户检测技术

         在CDMA 系统中, 由于多个用户的随机接入,所使用的扩频码集一般并非严格正交, 以及多径信道造成Walsh 码的不正交都会引起各用户之间的相互干扰—称为多址干扰(MAI) 。多址干扰的存在严重地影响了WCDMA 系统的性能和大大降低了系统的容量, 因此多址干扰的抑制和消除对于WCDMA 系统的发展具有重要的意义。经过近20年的发展, 多址干扰抑制技术的研究已日臻成熟。从最初S.Verdu 提出的最优检测器, 到后来以解相关检测器以及多项式展开检测器为代表的线性检测器, 直至从实现的角度考虑而发展形成的多级型非线性的并行干扰抵消检测器( PIC) , 而PIC 也是迄今为止, 最有可能得以实现的多址干扰抵消技术。考虑到系统的复杂度, PIC 的级数不应过多,实现时可以考虑采用2～3 级。

均衡技术

         对于第三代移动通信系统来说, 最关键的要求就是高且可变的数据速率。WCDMA 和cdma2000系统增加数据速率同时又无需增加带宽的方法有两种, 一种是降低扩频因子, 可以看成是可变扩频因子(VSF , Variable Spreading Factor) 技术; 另外一种方法是扩频因子保持不变, 通过分配数个并行的扩频码道即多码(MC , MultiCode) 技术来提高数据速率。有时候也联合这两种技术, 即混合的方案。WCDMA 就采用了VSF 的方法来传输高速数据, 这时候就产生了小扩频比情况。由于扩频增益较小时, 扩频码和扰码形成的复合码的自相关和互相关特性的不理想, 在多径传播中产生的径间干扰将会变得比较严重, 从而造成了CDMA 系统中的符号间干扰( ISI) 。消除这种低扩频比增益下符号间的干扰, 已成为能否实现高速数据传输的关键问题。由于传统的消除信道失真引起的ISI 的方法是使用均衡器, 因此CDMA 系统中的ISI 消除也可以使用均衡技术, 只不过在扩频比比较大的时候没有必要。

         WCDMA 系统中可以采用两种技术进一步克服多径干扰: 均衡技术和低复杂度的分块传输技术。有的文献采用chip 级均衡来克服符号间干扰, 获得了很好的性能。另外, 为了降低复杂度,还可以先做RAKE 接收, 然后在符号级做均衡器。但是, 随着数据速率和带宽的增加, 信道记忆长度也在增加, 即使是线性均衡, 复杂度仍然非常高。为了进一步降低复杂度, 后3G采用的分块传输的思想也可以用于3G的CDMA 系统中。分块传输的思想是: 在每个数据块前面加上循环前缀(如果先对数据块进行IFFT 变换, 则是OFDM 调制, 如果不进行IFFT 变换, 就是单载波频域均衡系统) ,这样, 接收端就可以在频域实现单点的均衡, 从而降低了均衡的复杂度。

MIMO 以及空时码技术

         在CDMA 系统中, 当上行链路采用多用户检测时, 可以大大提高容量, 为了提高下行链路的数据传输速率, 研究学者提出了多天线和发送分集技术。它大致包括V-BLAST (贝尔实验室垂直分层空时结构) 和基于发送分集的空时编码技术。前者各个发送天线上的数据相互独立, 因而带宽效率高; 后者发送天线上的数据相互关联, 因而有更好的性能。将这两种技术应用于WCDMA , 可以大大提高数据传输速率, 改善系统性能。目前WCDMA 标准的HSDPA 技术中已经考虑采用了空时分组码和基于多天线的V-BLAST 技术。而文献分析了WCDMA 系统中采用空时格栅编码的可能性。目前, 如何在终端实现多天线接收仍然存在实现上的困难。

智能天线技术

         如前面所述, 多址干扰限制了WCDMA 系统容量(小区移动用户数) 。在不增加带宽的条件下扩大WCDMA 的系统容量就要抑制多址干扰。智能天线通过定向发射信号, 抑制发射机对同小区和邻小区的干扰。通过空间合并, 整个天线阵的方向图在期望信号方向有较大的增益, 在其它方向上天线增益降低, 从而提高接收信干比。采用自适应天线还能在干扰方向上形成空间零点, 达到抑制强干扰信号的目的。目前, 虽然采用阵列天线及空时处理技术可在空域有效地抑制多址干扰, 但由于系统实现的复杂性, 现有的WCDMA 系统标准未包括阵列天线技术。随着技术和器件的进一步发展, 智能天线技术在WCDMA 系统中应该有很大的应用前景。

自适应链路技术

         移动通信的一个重要特征就是信道调条件、服务分布以及信息类型随着空间和时间不断变化。这使得在设计链路传输子系统时, 满足如下更灵活更智能的功能:

(1) 适应流量的动态变化;

(2) 能够根据不同的信息类型控制QoS ;

(3) 适应由于信道衰落引起的信道变化;

(4) 增加系统的容量。

         自适应链路关键技术初步分为: 自适应资源管理和自适应传输技术。自适应资源管理包括动态信道分配、动态帧长分配以及动态差错控制等等, 而自适应传输技术包括传输功率控制、自适应调制、自适应码率、自适应符号速率以及自适应波束成形技术等等。

         幸运的是, 目前, 系统工程师已经应用了大多数调制技术, 如QPSK、M-QAM 和接入技术如CDMA 和TDMA 到无线通信系统中。而在WCDMA 的R5 中HSDPA 技术已经使用了部分的自适应链路技术如自适应调制技术。目前自适应链路技术在WCDMA 中应用的困难在于如何有效地结合这些技术, 从而创建灵活的无线资源管理和无线传输技术来满足上面所述的四个要求。

H-ARQ 技术

         H-ARQ (Hybrid-ARQ) 实际上是一种隐性的链路自适应技术。在未来的移动通信系统中, 要求物理层和网络层支持多媒体业务, 希望对不同的业务提供不同等级的QoS 质量保护, 这就要求物理层和网络层需要采用灵活的纠错编码和ARQ 方式, 将前向纠错编码( FEC) 和自动差错反馈(ARQ) 结合起来, 在编码中引入了一定的自适应性, 可以更好地适应信道, 提高系统的吞吐量。目前HSDPA 中已经考虑采用H-ARQ 技术, 如何将其与其它自适应链路技术有机结合是应用在后三代中亟待解决的问题。

多个技术的结合

         上述讨论了几种技术单独地应用于WCDMA系统中的情况, 而多个技术的结合可以进一步提高系统的性能。这些结合并不是盲目的结合, 而是有机地结合起来。其中包括: 信道编码与多用户检测结合、信道编码与均衡结合、信道编码与MIMO及空时码结合、信道编码与空时码、自适应链路及H - ARQ 结合等等。这些技术的有机结合可以获得很大的增益。目前, 信道编码与多用户检测、均衡、MIMO 结合已经被很多学者所研究, 特别是用Turbo 码或者LDPC 码, 采用“Turbo”原理与上述技术结合, 可以获得很大的增益, 被认为是后3G的关键技术。而编码、自适应调制和H-ARQ的结合更是显而易见的。但是, 目前这些技术的结合也存在实现上的困难。我们相信, 随着器件的发展, 这些新技术将未来WCDMA 系统中发挥很大的作用。

结束语

         作为WCDMA 系统向后3G演进的增强基带传输技术, 多用户检测技术、均衡技术、MIMO 和空时码技术、智能天线技术、自适应链路技术、混合ARQ 技术等技术将能够显著提高通信系统的容量和通信质量, 具有很好的应用前景。虽然这些技术应用在目前的系统中正式商用化还有待时日, 但这些技术的使用无疑将加速WCDMA 向后3G的演进。