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第三代移動(dòng)通信系統的研究現狀和發(fā)展趨勢
摘要 本文介紹了第三代移動(dòng)通信系統的研究現狀，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(shù)特點(diǎn)，最后探討了第三代移動(dòng)通信系統的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞 第三代移動(dòng)通信系統 碼分多址 IMT-2000
1 引言
第三代移動(dòng)通信系統是指能夠滿(mǎn)足國際電聯(lián)提出的IMT-2000/FPLMTS系統要求的新一代移動(dòng)通信系統。國際電聯(lián)于1995年提出了IMT-2000/FPLMTS的評估標準，對未來(lái)蜂窩移動(dòng)通信系統提出了較詳細的要求。
IMT- 2000系統的基本特征有以下幾點(diǎn)：
球范圍設計的高度兼容性；
MT- 2000中的業(yè)務(wù)與固定網(wǎng)絡(luò )的業(yè)務(wù)兼容；
質(zhì)量；
機體積很小，具有全球漫游能力；
用的頻譜為
885 MHz～2025 MHz，2110 MHz～2200 MHz（共230 MHz）
1980 MHz～2010 MHz，2170 MHz～2200 MHz（限于衛星使用）
動(dòng)終端可以連接地面網(wǎng)和衛星網(wǎng)，可移動(dòng)使用也可固定使用；
線(xiàn)接口的類(lèi)型應盡可能得少，而且具有高度的兼容性。
從而可以看出未來(lái)的第三代移動(dòng)通信系統要具有很好的網(wǎng)絡(luò )兼容性，用戶(hù)終端可在全球范圍內幾個(gè)不同的系統間實(shí)現漫游，不僅要為移動(dòng)用戶(hù)提供話(huà)音及低速數據業(yè)務(wù)，而且要提供廣泛的多媒體業(yè)務(wù)，這就對無(wú)線(xiàn)接口提出了較高的要求。ITU已對IMT-2000的測試環(huán)境提出了具體要求，給出了表征 IMT-2000系統的最低限度的參數，包括：支持的數據率范圍，誤碼率要求，單向的時(shí)延要求，激活因子和業(yè)務(wù)量模型。
根據ITU的要求，目前各大電信公司聯(lián)盟均已提出了自己的第三代移動(dòng)通信系統方案，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(mén)子、阿爾卡特等公司提出的TD-CDMA�？傮w來(lái)說(shuō)，在第三代移動(dòng)通信系統中采用CDMA技術(shù)已達成共識，但各自實(shí)現方案還有較大差別，下面分別介紹并比較。
2 三種方案的特點(diǎn)
�。�1） W-CDMA系統
由于歐洲的 GSM系統已經(jīng)在數字移動(dòng)通信市場(chǎng)中占據了很大的份額，美國的窄帶CDMA系統（IS-95）也正在迅速趕上來(lái)，而日本的第二代數字移動(dòng)通信系統PDC僅限于國內使用，無(wú)法推廣到其它國家，所以日本很早就開(kāi)始從事第三代移動(dòng)通信系統的開(kāi)發(fā)工作，分別提出了基于TDMA（時(shí)分多址）和基于CDMA（碼分多址）的第三代移動(dòng)通信系統，希望在未來(lái)的市場(chǎng)中占據有利地位，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(ài)立信、Motorola、Lucent，以及其它廠(chǎng)家合作，努力完善系統，爭取在 1998年完成樣機，1999年進(jìn)行商業(yè)試驗。
W- CDMA系統無(wú)線(xiàn)接口的基本參數為
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；
每載波帶寬：5 MHz（可擴展為10 MHz/20 MHz）；
載波速率：16 kbit/s～256 kbit/s
幀長(cháng)度：10 ms；
時(shí)隙長(cháng)度（功率控制組）：0．625 ms；
調制方式：QPSK
功率控制：開(kāi)環(huán)＋自適應閉環(huán)方式（功控速率1．6 kbit/s）
W- CDMA系統中采用導頻符號相干RAKE接收機技術(shù)，解決了反向信道的容量限制問(wèn)題，每個(gè)無(wú)線(xiàn)幀長(cháng)度為10 ms，分成16個(gè)時(shí)隙（time slot），每個(gè)時(shí)隙長(cháng)度為0．625 ms，在每個(gè)時(shí)隙的前部插入全“1”或全“0”的導頻符號進(jìn)行信道參數估計，這種方法在其它系統的調制中也有采用的，但W-CDMA系統將從導頻符號得到的衰落信道的振幅和相位信息，作為RAKE接收機最大比值合并的加權系數，取得了很好的效果。
與IS- 95不同，W-CDMA系統不采用GPS精確定時(shí)方式，不同基站間不采用精確定時(shí)，優(yōu)點(diǎn)是擺脫了美國GPS系統的控制，可采用較為自由的信道管理方式。缺點(diǎn)是需要快速實(shí)現小區搜索。
自適應陣列天線(xiàn)技術(shù)可以增加系統容量，而干擾消除技術(shù)可以減少高速率用戶(hù)對系統造成的干擾。雖然這兩種技術(shù)在實(shí)際應用中還有許多問(wèn)題尚未解決，但日本正努力在W-CDMA系統中采用這兩項技術(shù)。自適應陣列天線(xiàn)技術(shù)已經(jīng)有很多文章論述過(guò)，這里不再介紹。干擾消除技術(shù)實(shí)際上是多用戶(hù)檢測技術(shù)的一種實(shí)現方式。采用2～3級干擾消除器，容量可增加30％。
另外，W- CDMA系統采用了精確的功率控制，即采用基于SIR（信噪比）的開(kāi)環(huán)＋閉環(huán)的功率控制方式，在業(yè)務(wù)信道幀中插入功率控制比特，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(guò)程。
�。�2） CdmaOne系統
CdmaOne是Lucent、 Motorola、Nortel、Qualcomm和三星聯(lián)合提出的第三代移動(dòng)通信系統方案，是從IS-95和IS-41的標準發(fā)展而來(lái)，因此它與 AMPS、DAMPS和IS-95均有較好的兼容性。同時(shí)，又由于它采用了一些新技術(shù)，使其能完全滿(mǎn)足第三代移動(dòng)通信系統即IMT- 2000/FPLMTS的要求，其無(wú)線(xiàn)接口參數如下：
載波帶寬：5 MHz（可擴展為10/20 MHz）
擴頻方式：采取直接擴頻或多載波擴頻；
擴頻速率：3．6864 Mchip/s；
擴頻碼長(cháng)度：可根據無(wú)線(xiàn)環(huán)境和數據速率而變化；
幀長(cháng)度：20 ms；
時(shí)隙長(cháng)度（功率控制組）：1．25 ms；
調制方式：下行QPSK，上行BPSK；
功率控制：開(kāi)環(huán)＋閉環(huán)方式（功控速率800 bit/s）。
CdmaOne扇區內采用連續導頻信道廣播，能提供獨立于傳輸速率的功控、定時(shí)和相位糾正，能以較小的復雜度提供基站的快速捕獲和鄰近基站的快速搜索。與IS-95相同的短碼結構加上Walsh函數使信道之間正交，高速（800 bit/s）前向鏈路功控使前向鏈路平均發(fā)射功率最小化。
調制方式采取多載波方式和直擴方式。這兩種方式有相同的信息傳送率和實(shí)現復雜度。多載波CDMA鏈路在5 MHz帶寬內有3個(gè)1．25 MHz CDMA載波，10 MHz帶寬則有10個(gè)1．25 MHz載波。多載波CDMA前向鏈路信號與IS-95前向鏈路信號正交，編碼后的信息符號同時(shí)在多個(gè)CDMA載波上傳送，由此帶來(lái)的頻域分集等效于將信號擴展到整個(gè)帶寬。導頻信號在IS-95與多載波業(yè)務(wù)信道重疊時(shí)可以共享，在相同的頻段允許前向鏈路容量在IS-95和寬帶用戶(hù)之間動(dòng)態(tài)共享，繼續支持低成本/低功耗的IS-95手機用于話(huà)音和低速數據業(yè)務(wù)。
直接擴頻鏈路擴頻速率為3．6864 Mchip/s，采用256位的Walsh碼。Walsh碼的長(cháng)度可根據無(wú)線(xiàn)環(huán)境和數據速率而變化，在信道速率為9．6 kbit/s或者14．4 kbit/s時(shí)采用256位Walsh碼；快速移動(dòng)的用戶(hù)可限制Walsh碼長(cháng)大于等于16位；用戶(hù)在無(wú)線(xiàn)信道情況較好時(shí)，可采用 4位的Walsh碼以實(shí)現最高的數據速率。
（3） TD-CDMA
UMTS是ETSI針對第三代移動(dòng)通信系統IMT-2000提出的解決方案，目前又分為 2個(gè)子方案即由德國的kaiserslautern大學(xué)、西門(mén)子公司、阿爾卡特公司提出并得到GSM網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)者支持的TD-CDMA系統和由NTT DoCoMo、愛(ài)立信公司、諾基亞公司提出的W-CDMA系統。
TD- CDMA可以單獨運營(yíng)以滿(mǎn)足ETSI/UMTS和ITU/IMT- 2000的要求也可雙模工作向后兼容GSM900和DCS1800，使第二代GSM900、DCS1800系統可以平滑過(guò)渡至IMT-2000，從而可以利用現有的GSM網(wǎng)絡(luò )設備，節約了投資，其無(wú)線(xiàn)接口參數如下：
每載波帶寬：1．6 MHz；
每載波時(shí)隙數：8 slot；
幀長(cháng)度：4．615 ms；
時(shí)隙長(cháng)度：577 μs；
單位時(shí)隙信道數：8個(gè)；
單位時(shí)隙傳信率：8/16 kbit/s；
特征碼擴頻碼長(cháng)度：16 bit；
單位載波信道數：64個(gè)。
從TD- CDMA的接入方式可以看出其兼有TDMA和CDMA的特點(diǎn)，是以 TDMA為基本框架在每個(gè)時(shí)隙傳送具有正交特征碼的多用戶(hù)信號，好處是能利用TDMA、CDMA的優(yōu)點(diǎn)并克服各自的缺點(diǎn)且與GSM有較好的兼容性。 TDMA的優(yōu)勢是已經(jīng)通過(guò)了大量用戶(hù)的試驗和有全球最大的用戶(hù)數；而CDMA的優(yōu)勢是可靈活提供可變速率業(yè)務(wù)和多徑分集能力。單位載波信道數的增加所帶來(lái)的好處是對于同樣的小區用戶(hù)數而言，收發(fā)信機個(gè)數降低，最多可達8倍，從而可降低基站設備的投資。
TD- CDMA中的擴頻調制不同于DS- CDMA，它具有很強的適應性，既可適應于GSM中所采用的QPSK/GMSK方式，又可適應于多載波CDMA和脈沖壓縮（Pulse Compression） CDMA，從而確保了對GSM系統的兼容性和對新技術(shù)的開(kāi)放性。
由于TD- CDMA系統接入方式的特殊性，從時(shí)域上已大幅度降低了多址干擾，加上小區復用系數為 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(yōu)越。另外，由于TD-CDMA用戶(hù)數少，每時(shí)隙最多為8個(gè)信道，共有16個(gè)特征碼字表示的信道，多用戶(hù)信號是同步的，從而決定了聯(lián)合檢測（即多用戶(hù)檢測）容易實(shí)現，且可進(jìn)行最大似然檢測以達到多用戶(hù)檢測的性能極限，大大降低了多址干擾。而在直擴CDMA中（如IS-95），由于反向信道異步和用戶(hù)數多的特點(diǎn)使得多用戶(hù)檢測難以實(shí)現。
3 三種方案的性能比較
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移動(dòng)通信領(lǐng)域的新技術(shù)，能夠在2000年左右推出商用的移動(dòng)多媒體通信系統。下面我們從幾方面比較一下這三種方案。
�。�1） 利用CDMA技術(shù)的程度
CDMA技術(shù)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：小區復用系數為1，利用多徑能力，可變擴頻增益，多用戶(hù)檢測，軟切換，軟容量。TD-CDMA、W-CDMA、 CdmaOne對CDMA技術(shù)的利用程度各不相同，如表1所示�？偟膩�(lái)說(shuō)，TD-CDMA較差，這是因為T(mén)D-CDMA系統要與GSM系統兼容，小區復用系數為3，降低了頻譜利用率，并且因為擴頻帶寬只有1．6 MHz，所以并不能充分利用多徑，降低了系統效率，并且軟切換和軟容量能力實(shí)現起來(lái)很困難，但因為每個(gè)時(shí)隙內最多只有8個(gè)用戶(hù)，所以采用聯(lián)合檢測相對來(lái)說(shuō)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 小區復用系數 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 多用戶(hù)檢測 困難 困難 容易 軟容量 可以實(shí)現 可以實(shí)現 無(wú)法實(shí)現
（2） 同步方式，功率控制和支持高速業(yè)務(wù)能力
目前商用的CDMA系統（IS-95），采用64位Walsh正交擴頻碼序列，反向信道采取非相干接收方式，成為限制系統容量的主要問(wèn)題，所以在第三代系統中反向鏈路普遍采用相干接收方式。W-CDMA系統采用內插導頻符號輔助相干接收技術(shù)，兩者具體性能目前還較難比較，涉及到接收機的結構及實(shí)際環(huán)境限制，但前者在車(chē)輛移動(dòng)速度較快時(shí)，會(huì )跟蹤不上快衰落變化，性能惡化。另外，CdmaOne系統需要GPS精確定時(shí)，小區間要保持同步，對定時(shí)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(huán)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正反向信息同步的特點(diǎn)，從而克服了反向信道限制容量的瓶頸效應，而同步意味著(zhù)正反向信道均可采用正交碼，從而克服了遠近效應，降低了對功率控制的要求。
CdmaOne系統采用與IS-95系統相同的開(kāi)環(huán)加閉環(huán)功率控制方式，功控速率為800 bit/s，W-CDMA系統采用開(kāi)環(huán)加自適應閉環(huán)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采用了聯(lián)合檢測進(jìn)一步消除了多用戶(hù)干擾，使得上行鏈路用戶(hù)之間功率相差很大時(shí)仍能有效地解調信息即克服了遠近效應，帶來(lái)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(tài)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(cháng)移動(dòng)臺的電池使用壽命和提高業(yè)務(wù)質(zhì)量。由于對抗快衰落的能力較強，TD-CDMA可以支持高達每小時(shí)500 km的移動(dòng)體的通信，這在現代移動(dòng)通信中是至關(guān)重要的。而直擴 CDMA對于高速移動(dòng)通信的支持能力較差。
W-CDMA系統在5 MHz帶寬中可提供16 kbit/s、32 kbit/s、64 kbit/s、128 kbit/s等多個(gè)傳輸速率。當信息速率超過(guò)128 kbit/s時(shí)，W-CDMA系統可分配多個(gè)碼分信道給用戶(hù)進(jìn)行復用，采用并行傳送方式可提供384 kbit/s（128 kbit/s×3），并且可容易地實(shí)現室內2 Mbit/s的信息傳送。CdmaOne系統可通過(guò)多載波傳送或復用碼信道，實(shí)現較高速率的信息傳送。 TD-CDMA提供綜合業(yè)務(wù)是通過(guò)無(wú)線(xiàn)電資源的復用，可采用在每個(gè)時(shí)隙內的多碼傳輸和時(shí)隙合并方式，為了達到2 Mbit/s的峰值速率需采用16進(jìn)制的QAM調制方式，當移動(dòng)臺的傳信率較高時(shí)需要較高的發(fā)射功率，又因為采用與GSM系統相同的TDMA時(shí)隙分配方式，所以無(wú)法充分利用系統資源，造成浪費。
�。�3） 與已有系統的兼容性
CdmaOne系統將IS-95從一個(gè)話(huà)音、低速數據系統改進(jìn)為一個(gè)無(wú)線(xiàn)多媒體系統，使之能提供基本滿(mǎn)足IMT-2000要求的容量和服務(wù)，優(yōu)化了話(huà)音和數據業(yè)務(wù)，能支持高速率的電路和分組業(yè)務(wù)，提供平滑地向后兼容性（與 IS-95），其網(wǎng)絡(luò )結構和軟件均從IS-95系統發(fā)展而來(lái)，N× 1．25 MHz信道帶寬與IS-95已經(jīng)使用的頻帶兼容。TD-CDMA系統與GSM有相同的幀長(cháng)度和時(shí)隙長(cháng)度，將GSM或DCS1800的網(wǎng)絡(luò )作相應擴充，即可實(shí)現與TD-CDMA系統的兼容，在與公網(wǎng)的接口上則向ATM過(guò)渡，提高了市場(chǎng)競爭能力。W-CDMA系統，與第二代及在第二代基礎上開(kāi)發(fā)的PCS及 PCN系統不兼容，需要單獨的基站和移動(dòng)臺子系統，需要全面安裝系統設備，所以初期投資要大一些。
4 未來(lái)的發(fā)展趨勢
ITU為 IMT-2000/FPLMTS系統提出的時(shí)間表是：1998年底完成無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的選擇，1999年完成標準的制定，2000年以后開(kāi)始商用�，F在以日本、歐洲和美國電信公司為主的聯(lián)盟已分別提出了各自的第三代移動(dòng)通信系統，決定最終結果的不僅是技術(shù)的先進(jìn)，還有成本、系統的復雜性和市場(chǎng)需求，具體如下：（1） 市場(chǎng)需求。IMT-2000商用系統將在2000年左右推出，會(huì )在以后十年內逐漸占領(lǐng)市場(chǎng)，所以要研究今后幾年人們對移動(dòng)通信業(yè)務(wù)需求，IMT- 2000應能夠提供那些業(yè)務(wù)。（2） 成本和系統復雜性。成本取決于系統本身的投入，及與已有系統設備的兼容性。從初期投入來(lái)分析，W- CDMA系統采用了一些新技術(shù)，要設計全新的基站和移動(dòng)臺，及整個(gè)網(wǎng)絡(luò )結構，所以投入要大一些。（3）技術(shù)先進(jìn)性。運營(yíng)商希望以較少的基站覆蓋較大的區域，并且提高系統容量。從整體的性能來(lái)衡量，W-CDMA因為設計比較超前，可提供更多的業(yè)務(wù)、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(wú)法充分發(fā)揮CDMA技術(shù)的優(yōu)勢。
由于目前的移動(dòng)運營(yíng)商已在現有的第二代移動(dòng)通信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(guò)渡到第三代系統；另外，歐、日、美電信公司都希望在未來(lái)的第三代移動(dòng)通信系統市場(chǎng)中占有較大份額，都不會(huì )輕易放棄自己的方案。因此，國際電聯(lián)很難最終形成一個(gè)統一的第三代移動(dòng)通信標準，極有可能幾種方案共存。
5 結束語(yǔ)
本文介紹了有可能成為IMT-2000標準的三個(gè)第三代移動(dòng)通信系統候選方案，比較了其技術(shù)特點(diǎn)。我國應積極參加國際電聯(lián)有關(guān)第三代移動(dòng)通信系統的方案論證過(guò)程，并開(kāi)展第三代移動(dòng)通信系統的關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，希望能盡力擺脫專(zhuān)利問(wèn)題的困擾，形成自己的專(zhuān)利技術(shù)，提高中國電信業(yè)的獨立性和與國外電信廠(chǎng)商的競爭能力。
我國目前尚沒(méi)有能力從事整個(gè)第三代系統的研制，但可在跟蹤的基礎上，爭取在移動(dòng)通信的關(guān)鍵技術(shù)中有所突破，形成自主開(kāi)發(fā)的專(zhuān)利技術(shù)。我們可以在以下幾個(gè)方面有所突破：（1） 智能天線(xiàn)；（2） 干擾抑制（多用戶(hù)檢測）；（3） 多址劃分；（4） 功率控制；（5） 系統優(yōu)化；（6） 組網(wǎng)技術(shù)。
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