第三代移动通信技术标准浅析

admin

1999年11月5日在赫尔辛基结束的ITU-RTG8/1第18次会议上，顺利地通过了IMT-RSPC输出文件，确定了全球统一的无线接口标准——IMT-2000，标志着第三代移动通信系统的技术标准基本定型，3G总共包括了5个大的标准。目前经国际电信联盟(ITU)认可的3G无线传输技术主流标准共有3种，分别是欧洲的IMT-2000CDMA-DS，即WCDMA，美国的IMT-2000CDMA-MC，即cdma2000，以及中国的TD-SCDMA。3G标准是各地区根据本地区移动通信当前发展现状和未来发展趋势而提出来的。它们各有千秋，究竟谁能在3G时代获取用户的青睐，关键是看哪种标准更符合市场需求，更具有竞争力和生命力。
    1、3G主要特征
    3G系统有别于第一、二代以提供语音和低速数据业务为主的移动通信系统，ITU对3G提出了更高要求，其主要特点概括如下。
    (1)全球普及和全球无缝漫游的系统。2G一般为区域或国家标准，而3G将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统，它将使用共同的频段并统一标准；
    (2)具有支持多媒体业务的能力，特别是Internet业务。可满足具有不同通信要求的各类用户的需要；
    (3)具有可变的高速数据率。3G同时支持无线接口不同的高低数据比特率。在快速移动环境下，最高速率达144kbit/s；在室外到室内或步行环境下，最高速率达384kbit/s；在室内环境下，最高速率达2Mbit/s；
    (4)便于过渡、演进。为保护已有投资，3G网络一定要能在2G网络的基础上灵活演进而成，并应与固定网兼容；
    (5)高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性。
    除了以上所述之外，3G还有许多其它优点，如提供可靠的信道编码、灵活配置的传输信道和逻辑信道、支持多种语音编码方案、为用户提供更灵活的接入服务等。此外，3G还继承了容易通过使用软件无线电实现窄带CDMA系统、语音质量高、手机功耗小等优点。
    1.1WCDMA
    WCDMA的发起者主要是欧洲和日本，继承了2G标准化程度高和开放性好的特点。WCDMA全名为宽带分码多工存取，能同时支持电路交换业务(如PSTN、ISDN)和分组交换业务(如IP网)，支持高速数据传输和可变速传输，支持异步和同步的基站运行方式，灵活组网；具有多种编码方式，与GSM兼容。该系统使用的灵活的无线协议可在一个载波内同时支持语音、数据和多媒体业务，并通过透明或非透明传输来支持实时、非实时业务。功率控制减少了多址干扰，提高了系统容量。支持软切换和更软切换。其核心网络基于GSM/GPRS网络的演进，并保持与GSM/GPRS网络的兼容性。
    1.2cdma2000
    cdma2000由美国高通北美公司为主导提出。cdma2000的一个主要特点是与现有的TIA/EIA-95-B标准后向兼容，可从IS95B系统的基础上平滑地升级到3G，建设成本低。但目前使用CDMA(码多分址技术)的地区只有日、韩和北美，所以cdma2000的支持者不如WCDMA多。
    cdma2000采用MC-CDMA多址方式，可支持语音、分组和数据等业务，也可实现QoS的协商。cdma2000包括1x和3x两部分，也可扩展到6x、9x和12x。另外，cdma2000还可采用辅助导频、正交分集和多载波分集等技术来提高系统的性能。
    1.3TD-SCDMA
    时分同步码分多址(TD-SCDMA)是由中国原邮电部电信科学技术研究院提出的，在频谱利用率、对业务支持、频率灵活性及成本等方面具有独特优势。它是目前世界上唯一采用智能天线的3G系统，还采用了联合检测、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。
    由于采用TDD模式，上下行链路使用同一频率，同一时刻上下行链路的空间物理特性完全相同，可以实现上下行链路间的灵活切换。这一模式的优势是，在上下行链路间的时隙分配可以被一个转换点改变，以满足不同的业务要求。通过改变上下行链路的转换点就可以实现所有3G对称和非对称业务。
    TD-SCDMA与联合检测相结合，在传输容量方面表现非凡。通过引进智能天线，容量还可以进一步提高。智能天线凭借其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰，并通过更高的频率复用率来提供更高的话务量。
    WCDMA、cdma2000及TD-SCDMA的无线空中接口参数如表1所示。

    表1  WCDMA、cdma2000及TD-SCDMA的无线空中接口参数

规范参数	WCDMA	cdma2000	TD-SCDMA
复用方式	FDD	FDD/TDD	TDD
基本带宽	5MHz	1.25MHz或3.75MHz	1.6MHz
码片速率	3.84Mchip/s	1.228/3.6864Mchip/s	1.28Mchip/s
无线帧长	10ms	10/5ms	10ms
信道编码	卷积编码、Turbo码等	卷积编码、Turbo码等	卷积编码、Turbo码等
数据调制	QPSK(下行链路)、HPSK(上行链路)	QPSK(下行链路)、BPSK(上行链路)	QPSK和8PSK(高速率)
扩频方式	QPSK	QPSK	QPSK
功率控制	开环+闭环功率控制，控制步长1dB、2dB或3dB	开环+闭环功率控制，控制步长1dB，可选0.5/0.25dB	开环+闭环功率控制，控制步长1dB、2dB或3dB
功率控制速率	1600次/s	800次/s	200次/s
智能天线	——	——	在基站端有8个天线组成天线阵
基站间同步关系	同步或非同步	需要GPS同步	同步
多址方式	DS-CDMA	MC-CDMA	TD-SCDMA
支持的核心网	GSM-MAP	ASNI-41	GSM-MAP
上行信道	相干解调	相干解调	相干解调

    2、3G标准对比分析
    WCDMA和cdma2000都是FDD标准，而TD-SCDMA是TDD标准。因此，将WCDMA和cdma2000合为一类，TD-SCDMA单独列为一类。
    2.1WCDMA与cdma2000的比较
    WCDMA和cdma2000都满足IMT-2000提出的全部技术要求，支持高速多媒体业务、分组数据和IP接入等。这两种系统的无线传输技术均基于DS-CDMA作为多用户接入技术。WCDMA和cdma2000在技术先进性和发展成熟度上各具优势，总体来看，WCDMA略胜一筹。
    (1)WCDMA使用带宽和码片速率(3.84Mchip/s)是cdma20001x的3倍以上，因而能提供更大的多路径分集、更高的中继增益和更小的信号开销，也改善了接收机解决多径效应的能力；
    (2)在小区站点同步方面，cdma2000基站通过GPS实现同步，将造成室内和城市小区部署的困难，而WCDMA设计可以使用异步基站；
    (3)由于支持cdma20001xEV-DO的TDM接入系统采用共享时分复用下行链路，它具有固定时隙，因此cdma2000物理层兼容性较差；
    (4)WCDMA进行功率控制的速度是cdma2000的两倍，因而能保证更好的信号质量，并支持更多的用户；
    (5)cdma2000的导频信道大约需要下行链路总传输功率的20%，WCDMA只需约10%，因而可以节省更多的公用信道的开销；
    (6)为了使支持基于GSM的GPRS业务而部署的所有业务也支持WCDMA业务，为了完善新的数据/话音网络，cdma20001x必须添加额外的网元或进行功能升级；
    (7)在混合话音和数据流量方面，WCDMA的系统性能比cdma2000表现更佳。并且WCDMA较cdma2000能够更加灵活地处理话音和数据混合业务。
    因此，WCDMA在技术上具备一定的优势。由于全球移动系统的85%都在用GSM系统，而GSM向3G过渡的最佳途径就是由GPRS过渡到WCDMA，所以从传统基础网络这个角度上看，WCDMA也具备一定的优势。
    2.2TD-SCDMA与WCDMA和cdma2000比较
    TD-SCDMA集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体，系统容量大、抗干扰能力强，与WCDMA和cdma2000比较有如下优势。
    (1)频谱利用率高。TD-SCDMA采用TDD方式和CDMA、TDMA的多址技术，在传输中容易针对不同业务设置上下行链路转换点，因而可以使频谱效率更高；
    (2)TD-SCDMA系统频谱灵活性强，仅需单一1.6M的频带就可提供速率达2Mbit/s的3G业务需求，而且非常适合非对称业务的传输；
    (3)支持多种通信接口。TD-SCDMA同时满足多种接口要求，基站子系统既可作为2G和2.5G的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将来的发展；
    (4)系统性能稳定。TD-SCDMA收发在同一频段上，上下行链路的无线环境一致性好，适合使用新兴的智能天线技术。利用了CDMA和TDMA结合的多址方式，便于联合检测技术的采用，能减少干扰并提高系统的稳定性；
    (5)兼容性好。TD-SCDMA支持现存的覆盖结构，信令协议可以后向兼容，网络不必引入新的呼叫模式，就能够实现从现有的通信系统到下一代移动通信系统的平滑过渡；
    (6)系统设备成本低。TD-SCDMA上下行信道工作于同一频率，对称的电波传播特性便于智能天线的利用，可达到降低成本的目的；在无线基站方面，TD-SCDMA的设备成本比较低；
    (7)支持与传统系统间的切换功能。TD-SCDMA支持多载波直接扩频系统，可以利用现有的框架设备、小区规划、操作系统、账单系统等在所有环境下支持对称或不对称的数据速率。
    与前两种标准尤其是与WCDMA相比，TD-SCDMA也有不足。比如，在对CDMA技术的利用方面，TD-SCDMA因要与GSM的小区兼容，小区复用系数为3，降低了频谱利用率。又因为TD-SCDMA频带宽度窄，不能充分利用多径，降低了系统效率，实现软切换和软容量能力较差。另外，小区间要保持同步，对定时系统要求高。而WCDMA则无需小区同步，可适应室内外等不同的环境。WCDMA对移动性的支持更加优越，适合宏蜂窝、蜂窝、微蜂窝组网，而TD-SCDMA只适合微蜂窝，对高速移动的支持也较差。
    3、结束语
    对于3G标准的选择不仅要看其技术特点、技术成熟程度，还要结合本国国情、市场孕育情况等因素进行考虑。就我国而言，既要支持民族工业，发展本国标准，又要保护现有的投资并使其产生最大的效益。因此，在满足业务发展需要的同时，要充分利用已建的2G网络，保护用户业务的连续性，这就要求新建的3G网络必须与2G网络有很好的后向兼容性，WCDMA应是首选。TD-SCDMA系统的使用可在已有的2G网络上，增加TD-SCDMA设备即可，根据我国GSM网络的现状，该系统可分阶段向3G网络过渡。因此，政府将会鼎立支持TD-SCDMA。而cdma2000标准则可能会被2G时代即依托CDMA的中国联通采用。WCDMA已经在全球共有30多个国家投入商用，cdma2000也在40多个国家得以商用，TD-SCDMA在中国的商用呼之欲出。
作者：林祥德