第三代移動通訊系統的研究現狀和發展趨勢

摘要　　本文介紹了第三代移動通訊系統的研究現狀，分析和比較了分別以日本、美國和歐洲為主提出的W-CDMA、CdmaOne和TD-CDMA系統的技術特點，最後探討了第三代移動通訊系統的發展趨勢。
關鍵詞　第三代移動通訊系統　分碼多重進接　IMT-2000

1　引言

　　第三代移動通訊系統是指能夠滿足國際電聯提出的IMT-2000/FPLMTS系統要求的新一代移動通訊系統。國際電聯於1995年提出了IMT-2000/FPLMTS的評估標準，對未來蜂窩移動通訊系統提出了較詳細的要求。

　　IMT- 2000系統的基本特徵有以下幾點：

　　球範圍設計的高度相容性；

　　MT- 2000中的業務與固定網路的業務相容；

　　質量；

　　機體積很小，具有全球漫遊能力；

　　用的頻譜為
　　885 MHz～2025 MHz，2110 MHz～2200 MHz（共230 MHz）

　　1980 MHz～2010 MHz，2170 MHz～2200 MHz（限於衛星使用）

　　動終端可以連線地面網和衛星網，可移動使用也可固定使用；

　　線介面的型別應儘可能得少，而且具有高度的相容性。

　　從而可以看出未來的第三代移動通訊系統要具有很好的網路相容性，使用者終端可在全球範圍內幾個不同的系統間實現漫遊，不僅要為移動使用者提供話音及低速資料業務，而且要提供廣泛的多媒體業務，這就對無線介面提出了較高的要求。ITU已對IMT-2000的測試環境提出了具體要求，給出了表徵 IMT-2000系統的最低限度的引數，包括：支援的資料率範圍，誤位元速率要求，單向的時延要求，啟用因子和業務量模型。

　　根據ITU的要求，目前各大電信公司聯盟均已提出了自己的第三代移動通訊系統方案，主要以日本DoCoMo公司為首提出的W-CDMA；美國Lucent、Motorola等公司提出的CdmaOne；歐洲西門子、阿爾卡特等公司提出的TD-CDMA。總體來說，在第三代移動通訊系統中採用CDMA技術已達成共識，但各自實現方案還有較大差別，下面分別介紹並比較。

2　三種方案的特點

　　（1） W-CDMA系統

　　由於歐洲的 GSM系統已經在數字行動通訊市場中佔據了很大的份額，美國的窄帶CDMA系統（IS-95）也正在迅速趕上來，而日本的第二代數字移動通訊系統PDC僅限於國內使用，無法推廣到其它國家，所以日本很早就開始從事第三代移動通訊系統的開發工作，分別提出了基於TDMA（分時多重進接）和基於CDMA（分碼多重進接）的第三代移動通訊系統，希望在未來的市場中佔據有利地位，尤其以DoCoMo公司（NTT）的W-CDMA系統最有競爭力，目前DoCoMo公司正在同愛立信、Motorola、Lucent，以及其它廠家合作，努力完善系統，爭取在 1998年完成樣機，1999年進行商業試驗。

　　W- CDMA系統無線介面的基本引數為

　　擴頻方式：可變擴頻比（4～256）的直接擴頻；

　　載波擴頻速率：4．096 Mchip/s；

　　每載波頻寬：5 MHz（可擴充套件為10 MHz/20 MHz）；

　　載波速率：16 kbit/s～256 kbit/s

　　幀長度：10 ms；

　　時隙長度（功率控制組）：0．625 ms；

　　調製方式：QPSK

　　功率控制：開環＋自適應閉環方式（功控速率1．6 kbit/s）

　　W- CDMA系統中採用導頻符號相干RAKE接收機技術，解決了反向通道的容量限制問題，每個無線幀長度為10 ms，分成16個時隙（time slot），每個時隙長度為0．625 ms，在每個時隙的前部插入全“1”或全“0”的導頻符號進行通道引數估計，這種方法在其它系統的調製中也有采用的，但W-CDMA系統將從導頻符號得到的衰落通道的振幅和相位資訊，作為RAKE接收機最大比值合併的加權係數，取得了很好的效果。

　　與IS- 95不同，W-CDMA系統不採用GPS精確定時方式，不同***間不採用精確定時，優點是擺脫了美國GPS系統的控制，可採用較為自由的通道管理方式。缺點是需要快速實現小區搜尋。

　　自適應陣列天線技術可以增加系統容量，而干擾消除技術可以減少高速率使用者對系統造成的干擾。雖然這兩種技術在實際應用中還有許多問題尚未解決，但日本正努力在W-CDMA系統中採用這兩項技術。自適應陣列天線技術已經有很多文章論述過，這裡不再介紹。干擾消除技術實際上是多使用者檢測技術的一種實現方式。採用2～3級干擾消除器，容量可增加30％。

　　另外，W- CDMA系統採用了精確的功率控制，即採用基於SIR（信噪比）的開環＋閉環的功率控制方式，在業務通道幀中插入功率控制位元，插入速率1．6 kbit/s，比IS-95的功控速率增加一倍，可以跟蹤一般的快衰落過程。

　　（2） CdmaOne系統

　　CdmaOne是Lucent、 Motorola、Nortel、Qualcomm和三星聯合提出的第三代移動通訊系統方案，是從IS-95和IS-41的標準發展而來，因此它與 AMPS、DAMPS和IS-95均有較好的相容性。同時，又由於它採用了一些新技術，使其能完全滿足第三代移動通訊系統即IMT- 2000/FPLMTS的要求，其無線介面引數如下：

　　載波頻寬：5 MHz（可擴充套件為10/20 MHz）

　　擴頻方式：採取直接擴頻或多載波擴頻；

　　擴頻速率：3．6864 Mchip/s；

　　擴頻碼長度：可根據無線環境和資料速率而變化；

　　幀長度：20 ms；

　　時隙長度（功率控制組）：1．25 ms；

　　調製方式：下行QPSK，上行BPSK；

　　功率控制：開環＋閉環方式（功控速率800 bit/s）。

　　CdmaOne扇區內採用連續導頻通道廣播，能提供獨立於傳輸速率的功控、定時和相位糾正，能以較小的複雜度提供***的快速捕獲和鄰近***的快速搜尋。與IS-95相同的短碼結構加上Walsh函式使通道之間正交，高速（800 bit/s）前向鏈路功控使前向鏈路平均發射功率最小化。

　　調製方式採取多載波方式和直擴方式。這兩種方式有相同的資訊傳送率和實現複雜度。多載波CDMA鏈路在5 MHz頻寬內有3個1．25 MHz CDMA載波，10 MHz頻寬則有10個1．25 MHz載波。多載波CDMA前向鏈路訊號與IS-95前向鏈路訊號正交，編碼後的資訊符號同時在多個CDMA載波上傳送，由此帶來的頻域分集等效於將訊號擴充套件到整個頻寬。導頻訊號在IS-95與多載波業務通道重疊時可以共享，在相同的頻段允許前向鏈路容量在IS-95和寬頻使用者之間動態共享，繼續支援低成本/低功耗的IS-95手機用於話音和低速資料業務。

　　直接擴頻鏈路擴頻速率為3．6864 Mchip/s，採用256位的Walsh碼。Walsh碼的長度可根據無線環境和資料速率而變化，在通道速率為9．6 kbit/s或者14．4 kbit/s時採用256位Walsh碼；快速移動的使用者可限制Walsh碼長大於等於16位；使用者在無線通道情況較好時，可採用 4位的Walsh碼以實現最高的資料速率。

（3） TD-CDMA

　　UMTS是ETSI針對第三代移動通訊系統IMT-2000提出的解決方案，目前又分為 2個子方案即由德國的kaiserslautern大學、西門子公司、阿爾卡特公司提出並得到GSM網路運營者支援的TD-CDMA系統和由NTT DoCoMo、愛立信公司、諾基亞公司提出的W-CDMA系統。

　　TD- CDMA可以單獨運營以滿足ETSI/UMTS和ITU/IMT- 2000的要求也可雙模工作向後相容GSM900和DCS1800，使第二代GSM900、DCS1800系統可以平滑過渡至IMT-2000，從而可以利用現有的GSM網路裝置，節約了投資，其無線介面引數如下：

　　每載波頻寬：1．6 MHz；

　　每載波時隙數：8 slot；

　　幀長度：4．615 ms；

　　時隙長度：577 μs；

　　單位時隙通道數：8個；

　　單位時隙傳信率：8/16 kbit/s；

　　特徵碼擴頻碼長度：16 bit；

　　單位載波通道數：64個。

　　從TD- CDMA的接入方式可以看出其兼有TDMA和CDMA的特點，是以 TDMA為基本框架在每個時隙傳送具有正交特徵碼的多使用者訊號，好處是能利用TDMA、CDMA的優點並克服各自的缺點且與GSM有較好的相容性。 TDMA的優勢是已經通過了大量使用者的試驗和有全球最大的使用者數；而CDMA的優勢是可靈活提供可變速率業務和多徑分集能力。單位載波通道數的增加所帶來的好處是對於同樣的小區使用者數而言，收發信機個數降低，最多可達8倍，從而可降低***裝置的投資。

　　TD- CDMA中的擴頻調製不同於DS- CDMA，它具有很強的適應性，既可適應於GSM中所採用的QPSK/GMSK方式，又可適應於多載波CDMA和脈衝壓縮（Pulse Compression） CDMA，從而確保了對GSM系統的相容性和對新技術的開放性。

　　由於TD- CDMA系統接入方式的特殊性，從時域上已大幅度降低了多址干擾，加上小區複用係數為 3，又從空間上隔離了部分多址干擾，僅考慮上述2項就比直擴CDMA要優越。另外，由於TD-CDMA使用者數少，每時隙最多為8個通道，共有16個特徵碼字表示的通道，多使用者訊號是同步的，從而決定了聯合檢測（即多使用者檢測）容易實現，且可進行最大似然檢測以達到多使用者檢測的效能極限，大大降低了多址干擾。而在直擴CDMA中（如IS-95），由於反向通道非同步和使用者數多的特點使得多使用者檢測難以實現。

3　三種方案的效能比較

　　這三種方案都是根據ITU的IMT-2000系統框架要求，結合原有的系統及近幾年行動通訊領域的新技術，能夠在2000年左右推出商用的移動多媒體通訊系統。下面我們從幾方面比較一下這三種方案。

　　（1）利用CDMA技術的程度

　　CDMA技術主要有以下幾個優點：小區複用係數為1，利用多徑能力，可變擴頻增益，多使用者檢測，軟切換，軟容量。TD-CDMA、W-CDMA、 CdmaOne對CDMA技術的利用程度各不相同，如表1所示。總的來說，TD-CDMA較差，這是因為TD-CDMA系統要與GSM系統相容，小區複用係數為3，降低了頻譜利用率，並且因為擴頻頻寬只有1．6 MHz，所以並不能充分利用多徑，降低了系統效率，並且軟切換和軟容量能力實現起來很困難，但因為每個時隙內最多隻有8個使用者，所以採用聯合檢測相對來說要容易一些，對干擾抵消能力強。

表1　三種方案的比較

	W- CDMA	CdmaOne	TD-CDMA
小區複用係數	1	1	3
利用多徑能力	好	好	差
軟切換	好	好	困難
擴頻增益	4～256	4～256	16
多使用者檢測	困難	困難	容易
軟容量	可以實現	可以實現	無法實現

（2）同步方式，功率控制和支援高速業務能力

　　目前商用的CDMA系統（IS-95），採用64位Walsh正交擴頻碼序列，反向通道採取非相干接收方式，成為限制系統容量的主要問題，所以在第三代系統中反向鏈路普遍採用相干接收方式。W-CDMA系統採用內插導頻符號輔助相干接收技術，兩者具體效能目前還較難比較，涉及到接收機的結構及實際環境限制，但前者在車輛移動速度較快時，會跟蹤不上快衰落變化，效能惡化。另外，CdmaOne系統需要GPS精確定時，小區間要保持同步，對定時系統要求較高；而W-CDMA和TD-CDMA系統則不需要小區間的同步，可適應環境的變化，可在室外、室內、甚至地鐵中使用。TD-CDMA系統繼承了 GSM900和DCS1800正反向資訊同步的特點，從而克服了反向通道限制容量的瓶頸效應，而同步意味著正反向通道均可採用正交碼，從而克服了遠近效應，降低了對功率控制的要求。

　　CdmaOne系統採用與IS-95系統相同的開環加閉環功率控制方式，功控速率為800 bit/s，W-CDMA系統採用開環加自適應閉環功控方式，功控速率增加到1600 bit/s，效果有較大提高，可以抵消一般快衰落的影響。 TD-CDMA採用了聯合檢測進一步消除了多使用者干擾，使得上行鏈路使用者之間功率相差很大時仍能有效地解調資訊即克服了遠近效應，帶來的好處是為了克服瑞利衰落（快衰落）的快速功率控制不是必須的，而消除對數正態衰落（慢衰落）的慢速功率控制仍有必要，其目的是為了節約功率、延長移動臺的電池使用壽命和提高業務質量。由於對抗快衰落的能力較強，TD-CDMA可以支援高達每小時500 km的移動體的通訊，這在現代行動通訊中是至關重要的。而直擴 CDMA對於高速行動通訊的支援能力較差。

　　W-CDMA系統在5 MHz頻寬中可提供16 kbit/s、32 kbit/s、64 kbit/s、128 kbit/s等多個傳輸速率。當資訊速率超過128 kbit/s時，W-CDMA系統可分配多個碼分通道給使用者進行復用，採用並行傳送方式可提供384 kbit/s（128 kbit/s×3），並且可容易地實現室內2 Mbit/s的資訊傳送。CdmaOne系統可通過多載波傳送或複用碼通道，實現較高速率的資訊傳送。 TD-CDMA提供綜合業務是通過無線電資源的複用，可採用在每個時隙內的多碼傳輸和時隙合併方式，為了達到2 Mbit/s的峰值速率需採用16進位制的QAM調製方式，當移動臺的傳信率較高時需要較高的發射功率，又因為採用與GSM系統相同的TDMA時隙分配方式，所以無法充分利用系統資源，造成浪費。

　　（3）與已有系統的相容性

　　CdmaOne系統將IS-95從一個話音、低速資料系統改進為一個無線多媒體系統，使之能提供基本滿足IMT-2000要求的容量和服務，優化了話音和資料業務，能支援高速率的電路和分組業務，提供平滑地向後相容性（與 IS-95），其網路結構和軟體均從IS-95系統發展而來，N× 1．25 MHz通道頻寬與IS-95已經使用的頻帶相容。TD-CDMA系統與GSM有相同的幀長度和時隙長度，將GSM或DCS1800的網路作相應擴充，即可實現與TD-CDMA系統的相容，在與公網的介面上則向ATM過渡，提高了市場競爭能力。W-CDMA系統，與第二代及在第二代基礎上開發的PCS及 PCN系統不相容，需要單獨的***和移動臺子系統，需要全面安裝系統裝置，所以初期投資要大一些。

4　未來的發展趨勢

　　ITU為 IMT-2000/FPLMTS系統提出的時間表是：1998年底完成無線傳輸技術的選擇，1999年完成標準的制定，2000年以後開始商用。現在以日本、歐洲和美國電信公司為主的聯盟已分別提出了各自的第三代移動通訊系統，決定最終結果的不僅是技術的先進，還有成本、系統的複雜性和市場需求，具體如下：（1）市場需求。IMT-2000商用系統將在2000年左右推出，會在以後十年內逐漸佔領市場，所以要研究今後幾年人們對行動通訊業務需求，IMT- 2000應能夠提供那些業務。（2）成本和系統複雜性。成本取決於系統本身的投入，及與已有系統裝置的相容性。從初期投入來分析，W- CDMA系統採用了一些新技術，要設計全新的***和移動臺，及整個網路結構，所以投入要大一些。（3）技術先進性。運營商希望以較少的***覆蓋較大的區域，並且提高系統容量。從整體的效能來衡量，W-CDMA因為設計比較超前，可提供更多的業務、較大的系統容量而具有相當大的競爭力，TD-CDMA系統因為其本身的缺陷，無法充分發揮CDMA技術的優勢。

　　由於目前的移動運營商已在現有的第二代移動通訊系統中投入了大量資金，因此必然希望將自己目前的系統平滑過渡到第三代系統；另外，歐、日、美電信公司都希望在未來的第三代移動通訊系統市場中佔有較大份額，都不會輕易放棄自己的方案。因此，國際電聯很難最終形成一個統一的第三代行動通訊標準，極有可能幾種方案共存。

5　結束語

　　本文介紹了有可能成為IMT-2000標準的三個第三代移動通訊系統候選方案，比較了其技術特點。我國應積極參加國際電聯有關第三代移動通訊系統的方案論證過程，並開展第三代移動通訊系統的關鍵技術的研究工作，希望能盡力擺脫專利問題的困擾，形成自己的專利技術，提高中國電信業的獨立性和與國外電信廠商的競爭能力。

　　我國目前尚沒有能力從事整個第三代系統的研製，但可在跟蹤的基礎上，爭取在行動通訊的關鍵技術中有所突破，形成自主開發的專利技術。我們可以在以下幾個方面有所突破：（1）智慧天線；（2）干擾抑制（多使用者檢測）；（3）多址劃分；（4）功率控制；（5）系統優化；（6）組網技術。