第三代移動通信技術標準及其發展研究

2019-11-05 02:34:56

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　　隨著通信業務的迅猛發展和通信量的激增，未來的移動通信系統不僅要有大的系統容量，而且還要能支持話音、數據、圖像、多媒體等多種業務的有效傳輸。第三代移動通信系統將高速移動接入和基于互聯網協議的服務結合起來，在提高無線頻率利用率的同時，為用戶提供更經濟、內容更豐富的無線通信服務。
　　
　　第三代移動通信系統在國際上統稱為IMT-2000（簡稱3G），是國際電信聯盟（ITU）在1985年提出的工作在2000MHz頻段的系統。與第一代模擬移動通信和第二代數字移動通信系統相比，第三代的最主要特征是可提供移動多媒體業務。
　　
　　第三代移動通信的主流技術標準主要有三種：IMT-2000 CDMA-DS（IMT-2000直接擴頻CDMA），即WCDMA，它可以在一個寬達5MHz的頻帶內直接對信號進行擴頻；IMT-2000CDMA-MC（IMT-2000多載波CDMA），即CDMA2000，這是美國提出的技術，它是由1個或多個1.25MHz的窄帶直接擴頻系統組成的一個寬帶系統；TD-SCDMA（時分同步碼分多址），是由中國提出的，是CDMATDD標準的一員。
　　
　　1.WCDMA
　　WCDMA（Wideband CDMA）標準由3GPP組織制定，它的主要特點是無線接入網采用WCDMA技術，核心網分為電路域和分組域，分別支持話音業務和數據業務，并提出了開放業務接入（OSA）的概念。
　　
　　WCDMA的技術優勢主要有以下幾點：（1）業務靈活。WCDMA答應每個5MHz載波處理從8kbWs到2Mbit/s的混合業務。另外在同一信道上既可進行電路交換業務也可以進行分組交換業務，利用在單一終端上進行多個電路和分組交換連接，實現真正的多媒體業務?？梢灾С植煌|量要求的業務（例如話音和分組數據）并保證高質量和完美的覆蓋。（2）頻譜效率高。WCDMA能夠高效利用無線電頻譜。由于它采用單小區復用，因此不需要頻率規劃。利用分層小區結構、自適應天線陣列和相干解調（雙向）等技術，網絡容量可以得到大幅提高。（3）容量和覆蓋范圍大。WCDMA射頻收發信機能夠處理的話音用戶是典型窄帶收發信機的8倍。每個射頻載波可處理80個同時話音呼叫或者50個同時的Internet數據用戶。WCDMA的容量差不多是窄帶CDMA的兩倍。更大的帶寬能在上/下行鏈路中使用相干解調和快速功率控制答應更低的接收機門限。（4）每個連接可提供多種業務。WCDMA符合真正的UMTS/IMT-2000要求。分組和電路交換業務可在不同的帶寬內自由地混合，并可同時向同一用戶提供。每個WCDMA終端能夠同時接入多達6個不同業務，這些業務可以是話音或傳真、電子郵件和視頻等數據業務的組合。（5）無縫的GSM/UMTS接入。雙模終端將在GSM網絡和UMTS/IMT-2000網絡之間提供無縫的切換和漫游，在兩個接入系統之間有盡可能大的業務映像。（6）終端的經濟性和簡單性。WCDMA手機所要求的信號處理大約是復合TD/CDMA技術的1/10。更簡單、更經濟的終端易于進行大量生產，從而也就帶來了更高的規模經濟、更多的競爭，網絡運營公司和用戶也將獲得更大的選擇余地。
　　
　　2.CDMA2000
　　CDMA2000是國際電信聯盟（ITU）規定的第三代移動通信無線傳輸技術之一，是從窄頻CDMA one數字標準衍生出來的，可以從原有的CDMA one結構直接升級到3G，建設成本低廉。按照使用的帶寬來區分，CDMA2000可以分為1x系統和3x系統。其中1x系統使用1.25MHz的帶寬，提供的數據業務速率最高只能達到307kbit/s。在1x系統以后，國際上比較公認的發展方向是1x EV-DO和1x EV-DV系統。其中1x EV-DO系統重點提高了數據業務的性能，將用戶的最大數據業務傳送速率提高到2.4Mbit/s。而1x EV-DV系統在將數據業務最大速率提高到3.1Mbit/s的同時，又進一步提高了語音業務的容量。
　　
　　盡管CDMA2000的支持者不如WCDMA多，不過CDMA2000技術的研發卻是目前各標準中進度最快的，許多3G手機已經率先面世。
　　
　　CDMA2000的技術特點是，具有多種信道帶寬。前向鏈路支持多載波（MC）和直擴（DS）兩種方式；反向鏈路僅支持直擴方式。當采用多載波方式時，能支持多種射頻帶寬，即射頻帶寬可為N×1.25MHz（N=1、3、5、9或12）。目前技術僅支持前兩種，即1.25MHz（CDMA2000-1x）和3.75MHz（CDMA2000-3x）。其他的技術特點還包括：可以更加有效地使用無線資源；可實現CDMA one向CDMA2000系統平滑過渡；核心網協議可使用IS-41、GSM-MAP以及ip骨干網標準；前向發送分集；快速前向功率控制；使用Turbo碼；輔助導頻信道；靈活幀長；反向鏈路相干解調。
　　
　　3.TD-SCDMA
　　TD-SCDMA（Time Division-Synchronous Code Division Multiple access）是ITU正式發布的第三代移動通信空間接口技術標準之一。它得到了CWTS及3GPP的全面支持，是中國電信行業近百年來第一個完整的通信技術標準，是集CDMA、TDMA、FDMA技術優勢于一體、系統容量大、頻譜利用率高、抗干擾能力強的移動通信技術，采用了智能天線、聯合檢測、接力切換、同步CDMA、軟件無線電、低碼片速率、多時隙、可變擴頻系、自適應功率調整等技術。
　　
　　TD-SCDMA的技術特點主要表現在：（1）頻譜靈活性和支持蜂窩網的能力高。TD-SCDMA僅需要1.6MHz的最小帶寬。若帶寬為5MHz則支持3個載波，在一個地區可組成蜂窩網，支持移動業務，并可通過自動信用卡道分配（DCA）技術提供不對稱數據業務。（2）高頻譜利用率。TD-SCDMA為對稱話音業務和不對稱數據業務提供的頻譜利用率高。也就是說，在使用相同頻帶寬度時，TD-SCDMA可支持多一倍的用戶。（3）設備成本低。在天線基站方面，TD-SCDMA的設備成本低，主要因為（a）由多天線陣、相干收發信機和DSP算法組成的智能天線具有降低多址干擾、提高容量和接收靈敏度以及降低發射功率和天線基站成本等優點；（b）各終端上行鏈路信號在基站解調器完全同步，即上行同步，它的優點是CDMA碼道正交，降低碼道間干擾，提高CDMA容量，可以簡化基站硬件，降低天線基站成本；（c）通過DSP軟件實現無線電功能，即軟件無線電技術，可實現智能天線和多用戶檢測等基帶數字信號處理，使系統可靈活地使用新技術，并可降低產品開發周期和成本。（4）系統兼容。由于TD-SCDMA同時滿足Iub、A、Gb、Iu、IuR多種接口的要求，所以TD-SCDMA的基站子系統既可作為2G和2.5G GSM基站的擴容，又可作為3G網中的基站子系統，能同時兼顧現在的需求和未來的發展。
　　
　　4 種技術標準的比較
　　在3種技術標準中，WCDMA的擴頻碼速率為3.84Mchip/s，載波帶寬為5MHz；CDMA2000的擴頻碼速率為1.2288Mchip/s，載波帶寬為1.25MHz。另外，WCDMA的基站間同步是可選的，而CDMA2000的基站間同步是必需的，因此需要全球定位系統（GPS）。以上兩點是WCDMA和CDMA2000最主要的區別。TD-SCDMA的擴頻碼速率為1.28Mchip/s，載波帶寬為1.6MHz，基站間必須同步，與其他兩種技術相比采用了智能天線、聯合檢測、上行同步及動態信道分配、接力切換等技術，具有頻譜使用靈活、頻譜利用率高等特點，適合非對稱數據業務。
　　
　　此外，WCDMA和CDMA2000都采用FDD模式，只有TD-SCDMA采用TDD模式。FDD模式的特點是在分離的兩個對稱頻率信道上，系統進行接收和發送，用頻段來分離接收和傳送信道；采用包交換等技術，可突破第二代發展的瓶頸，實現高速數據業務，并可提高頻譜利用率，增加系統容量。但FDD必須采用成對的頻率，即在每2×5MHz的帶寬內提供第三代業務。該方式在支持對稱業務時，能充分利用上下行的頻譜，但在非對稱的分組交換（互聯網）工作時，頻譜利用率則大大降低，在這點上，TDD模式有著FDD無法比擬的優勢。
　　
　　3.5G系統面臨的主要問題
　　第三代移動通信系統面臨的主要問題有以下幾點：（1）多徑衰落。這個問題存在于所有的移動通信系統中。無線電波在傳播過程中將發生折射、反射和散射，從而產生多條傳播路徑。不同路徑的信號到達接收機時，由于天線的位置、方向和極化不同，使接收信號的幅度、相位起伏變化，產生嚴重的衰落現象。為了保證通信質量，不得不增加信號功率，這就直接影響了系統的容量。（2）時延擴展。不同路徑的信號有不同的傳播時延，當時延超過檢測脈沖寬度的10％時，脈沖間的干擾就明顯存在，從而限制了移動通信的數據速率。（3）多址干擾。由于3G系統采用CDMA技術，即采用不同的擴頻碼字來區分用戶，這就要求各用戶的擴頻碼具有強自相關性和弱互相關性。但實際上各用戶間的互干擾不可能完全消失，所以CDMA系統是干擾受限系統，就是說來自本小區和鄰近小區用戶的干擾成了決定系統容量和性能的主要因素。多址干擾是3G系統所特有的一種干擾。（4）遠近效應。在各移動臺均以相同功率發射信號時，基站接收到的近處移動臺發射的信號功率將遠大于遠處移動臺發射的信號功率。遠近效應就是指近處大功率信號對遠處小功率信號產生的很強的干擾。它也是一類多址干擾，不過在3G系統中這種多址干擾表現十分突出。（5）體制問題。目前，第二代系統已經被廣泛應用，所以，從資源利用的角度來考慮，3G系統必須兼容前代系統，而且能在將來平滑地過渡到第四代移動通信系統，甚至個人通信系統的最高目標。但目前，第二代系統種類繁多，標準層出不窮，體制多種多樣。所以，如何使3G系統起好一個承前啟后的作用，也是一個突出問題。
　　
　　6. 3G發展現狀
　　從技術標準上來講，WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA這3種技術標準都沒有達到成熟，都需要開展全面而深入的研究和試驗以及測試，任何一種標準都是在某一方面、某一領域內有其優越性和非凡性，因此，3種標準會互相融合、互相補充，從而得到完善和發展，不斷走向成熟。
　　
　　第三代移動通信的商用化正在全球范圍內進入實施階段。北美SPRing PCS、Bell Mobility、Verizon Wireless、日本的KDDI及韓國的KT宣稱已實現CDMA2000-1x的商用化。日本DoCoMo于2001年10月起首先實現了WCDMA的商用化。有關調查數據表明，與位置有關的信息點播業務、多媒體短信業務、移動上網瀏覽業務、移動電子商務、交互式娛樂業務將是未來最具

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