傳輸網：IMT2000中的無線傳輸技術

2019-11-05 02:31:05

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　　1 前言
　　在2000年5月的ITU-R全會上，通過了第三代移動通信的無線傳輸技術(RTT)的標準[1]-ITU建議ITU-R M.1457。此標準還僅僅是第一個初步的版本，今后，每年還將在ITU-R WP8F工作組的組織下進行完善和更新。對其中的主流技術CDMA，將在兩個國際標準化組織內進行實際的工作：由3GPP完成CDMA-DS(WCDMA)和CDMA TDD的標準；由3GPP2完成CDMA-MC(CDMA2000)。在3GPP，今2000年的主要工作內容是完成全ip的核心網標準和完成CDMA TDD標準的集成(Integration)。對上述兩個內容，在2001年上半年，3GPP將通過新的標準版本：R/'00。而ITU-R WP8F將完成新版本的ITU-R M.1457，即正式使用的第三代移動通信標準。
　　
　　我國現在有世界上最大的GSM移動通信網，目前仍然以每月超過200萬用戶的速度在增加，明年將成為國際上移動通信用戶最多的國家。在各大城市，GSM系統的頻譜資源即將枯竭，移動數據業務成倍的增加，無線Internet接入已經興起，各運營商都希望獲得第三代移動通信的許可證并盡可能早地提供第三代移動通信業務，以在滿足市場需求的同時，在市場競爭中占據有利地位。
　　
　　我國的移動通信制造業也將第三代移動通信看作一個10年難遇的契機，希望在第三代移動通信產業方面徹底改變由外國企業獨占我國市場的不利局面。各企業分別從第三代移動通信三種CDMA技術入手，進行了技術預備和產品開發。從2001年起，制造業將配合運營商的要求，在國內開展第三代移動通信的現場試驗。在本文中，將對第三代移動通信標準情況作一個簡單介紹，對TDD模式的特點和TD-SCDMA標準和技術進行說明，最后，對向第三代移動通信演進的策略問題，提出作者的看法。
　　
　　2 第三代移動通信標準的幾個問題
　　2.1 核心網問題
　　
　　第三代移動通信的標準中，核心網標準是進度比較慢的部分。從90年代中開始制定標準以來到3GPP的R/'99中確定的核心網標準，都是基于電路交換的網絡，在包交換方面，則是基于ATM技術，這是當時技術發展歷史所決定的。無線接入網通過IUC接入電路交換的業務，通過Iup接入包交換的業務，而核心網本身則是基于GSM MAP核心網(具GPRS功能)的一個擴充和升級。對第三代移動通信的要求，顯然是有距離的，也是一個過渡性的標準版本，此種核心網，恐怕只有日本為急于開通WCDMA系統而使用。
　　
　　但就在同時，由于IP技術的進展，很多公司從1999年起就強烈提出全IP核心網的概念，并被國際標準化組織承認，并將在R/'00中完成標準化。
　　
　　2．2 第三代以后的技術
　　
　　在ITU WP8F第一次會議(2000年3月)上，就考慮到新技術的發展，并提出了第三代后的無線傳輸技術問題。目前主要考慮的是兩個主要的技術：智能天線(Smart/adaptive Antenna)和軟件無線電(Software Defined Radio)。要求各國對此兩個技術在IMT-2000中的應用提出建議。
　　
　　在IMT-2000的RTT中，只有我國建議的TD-SCDMA標準明確提出要使用智能天線，并將物理層技術以智能天線來進行設計。ITU和很多代表希望將此技術使用于FDD系統中，以全面提高第三代移動通信系統的性能和容量。而軟件無線電則是設備，主要是用戶終端設備的實現方式，不要再對每種模式開發一套專用芯片，而是基于通用的硬件平臺，用軟件來實現。今后的多模終端，必須用軟件無線電技術來實現。
　　
　　2．3 ITU關于標準完善提高的策略
　　
　　作為一代移動通信標準，希望此標準能使用到2020甚至2025年，必然碰到一個標準相對穩定性和新技術不斷涌現之間的矛盾。為解決此矛盾，使第三代移動通信的標準具有較長時間的生命力，在ITU和國際標準化組織內，是用如下方式來處理的：
　　
　　• 不斷研究新技術，對各種新的技術和可能的發展方向都留有足夠的時間和空間來討論和研究；
　　
　　• 標準版本的修改更新，基本上每年一次，保證標準的相對穩定性；
　　
　　• 對小修改，每年均可進行，由ITU-R WP8F批準。此修改一定要向前兼容，以保證用戶的利益；
　　
　　• 對較大修改，由各標準化組織提出，ITU-R WP8F討論，ITU-R大會通過；
　　
　　• 對大修改，即完全新的技術，則必須由ITU-R大會批準，由各標準化組織和ITU-R WP8F研究提出，再由ITU-R大會通過。
　　
　　顯然，隨著今后技術的進展，第三代移動通信標準將不斷更新和完善。
　　
　　3 TDD和TD-SCDMA
　　在第三代移動通信標準制定過程中，國際上對無線通信中的TDD雙工方式第一次給予了高度重視，在CDMA和TDMA系統中都制定了TDD的標準。很多國家的營運商都表示了首先選用TDD系統的愿望。其主要原因為在同樣滿足IMT2000要求的前提下，TDD系統有如下特點：
　　
　　•各國對第三代移動通信需要大約400MHz的頻譜資源，在3GHz以下，頻率資源是非常困難的。TDD能使用各種頻率資源，不需要成對的頻率；
　　
　　• 第三代移動通信業務中，數據業務將占主要地位；而數據業務中，不對稱的IP型的數據業務又最重要。TDD方式非凡適用于上下行不對稱，具有不同數據傳輸速率的業務；
　　
　　• TDD上下行工作于同一頻率，對稱的電波傳播特性使之便于使用諸如智能天線等新技術，達到提高性能、降低成本的目的；
　　
　　• TDD系統設備成本較低，將可能比FDD系統低20%~50%。
　　
　　傳統上，通信界一般認為TDD系統的主要問題是在終端的移動速度和覆蓋距離等方面：由于TDD系統采用多時隙的不連續的傳輸方式，對抗快衰落和多普勒效應的能力比連續傳輸的FDD方式差；另一方面，TDD系統中的平均功率和峰值功率的比隨時隙數的增加而增加，考慮到耗電和成本因素，用戶終端的發射功率不可能很大，故通信距離（小區半徑）就比較小。如FDD系統的小區半徑可能達到數十公里而TDD系統一般不超過十公里。本文中，我們將說明，上述兩個問題已經在TD-SCDMA系統中基本解決了。
　　
　　3．1 移動速度問題
　　
　　移動速度的主要限制是多普勒效應所產生的頻移和快衰落，它們都需要基帶數字信號處理技術來克服。在TD-SCDMA系統中，基帶數字信號處理技術是基于智能天線和聯合檢測，其限制在設備基帶數字信號處理能力和算法復雜性之間的矛盾。我們最近的成果為：在移動速度為250km/h和UMTS(3GPP)移動環境下，TD-SCDMA系統全部碼道均使用時，鏈路仿真結果表明系統是能夠支持的。此結果和WCDMA系統相當，證實TD-SCDMA同樣可以工作于高速移動條件。
　　
　　3．2 通信距離問題
　　
　　通信距離是由鏈路估算來說明的。在同等發射功率，同樣衰落環境和同樣接收靈敏度下，不同CDMA系統應當有基本相同的通信距離。對此，TD-SCDMA和WCDMA沒有明顯差別。
　　
　　另外一個TDD系統的非凡要求是上下行之間必須要一個保護時隙，予留給遠距離的用戶終端，以達到上行同步。目前TD-SCDMA系統的保護時隙可以提供的通信距離為12 km，但是，當要求提供通信半徑超過10 km的基站時，可以提高網絡治理系統設置，少使用一個上行時隙，則小區半徑就僅僅取決于發射功率，和FDD系統相同。雖然少使用一個上行，系統容量減少了14%，但仍然比其它系統高50%以上。
　　
　　以上情況說明，移動通信一定是以FDD為主流的傳統論點已受到挑戰，TDD系統在第三代移動通信中的位置已不可動搖。第三代移動通信網絡的前景是一個共同的網絡（全球的IP網絡），衛星移動通信系統用來完成全球無縫覆蓋，FDD或TDD系統均可用來建設全國和國際移動通信網，而TDD系統用來在城市人口集中地區提供高密度和高容量的話音、數據及多媒體業務則有明顯優勢，用雙模甚至多模用戶終端來實現全球漫游。
　　
　　大家知道，在CDMA TDD模式下，有兩個不同碼片速率的選項：UTRA TDD和TD-SCDMA。這兩個標準在高層信令和部分物理層技術是相同的。但是，此兩個技術的設計出發點是不同的，使用的技術也有差別，導致其主要特性和用途均不同。通過比較，TD-SCDMA在前述TDD的優勢上更為突出，并有比其它系統高得多的頻譜利用率。更重要的是：UTRA TDD是WCDMA(FDD)系統的一個補充，是一個使用于室內環境，提供數據和多媒體的系統；而TD-SCDMA是基于ITU對IMT-2000的全部要求來設計的，它解決了移動速度和小區半徑等TDD的問題，它本身就可以組成一個完整的蜂窩網絡。
　　
　　4 TD-SCDMA是由第二代向第三代演進的首選技術
　　根據國內外多數猜測，在21世紀前十余年，第三代移動通信的市場發展可能至少分為如下3個階段：
　　
　　• 初期，2001~2005年。其特點為：第二代移動通信網（主要是GSM和IS-95CDMA）繼續發展和擴大，在第二代移動通信網絡的基礎上，在局部地區（城市等用戶集中地區）提供第三代移動通信業務，數據業務速率限制在384 kbit/s及以下，地區或國際漫游依靠于第二代移動通信系統；
　　
　　• 中期，2004~2010年。它是第三代移動通信系統的高速成長期，其特點為：第二代移動通信網絡和系統停止發展，建設成功全國或全球覆蓋的第三代移動通信網絡，全面達到IMT2000的各項要求。
　　
　　• 后期，2010年以后，全球25%以上人口使用第三代移動通信系統，第四代移動通信設備開始進入市場，提供更高速率的多媒體業務。
　　
　　此市場發展猜測也就是制定移動通信從第二代到第三代的演進策略的依據。而所謂的演進，就是考慮上述初期的情況和制定對策。
　　
　　本文所建議的演進過程可以分為如下兩個階段：
　　
　　第一階段是在第二代網絡中提供第三代移動通信業務。如對現有GSM網絡，在它擴容時，使用TD-SCDMA的BSS（基站子系統），同時在用戶集中地區，在現有GSM基站的站址增加TD-SCDMA基站。使用TD-SCDMA/GSM雙頻雙模用戶終端，這些初期的3G用戶在TD-SCDMA基站覆蓋區內，可以享受3G服務。在覆蓋區域以外，則使用GSM

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