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杨过至尊木虫 (职业作家)
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[交流]
【前沿】第三代移动通信技术的改进及三代后技术
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在２０００年５月５日，国际电联最后确认了ＩＭＴ－２０００的无线传输技 术，其中，主流为ＣＤＭＡ技术。可以说，ＩＭＴ－２０００基本上集中了国际上 ９０年代的技术进展。目前，国际电联和两个主要国际标准化组织３ＧＰＰ和３ ＧＰＰ２正在紧张地为２００１年中能够完善此国际标准努力着，同时，已经开 始讨论移动通信技术的下一代发展。此技术发展包括两个意义：一是将新技术通过 标准更新的方式，引入到每年更新的ＩＭＴ－２０００标准文件中，形成新的版本 ；另一是所谓"三代后"技术，为下一代移动通信标准制定打下基础。因而，积极参 加并跟踪国际上此活动，对制定我们的技术发展方向和策略都是十分重要的。讨论 和研究如何发展ＩＭＴ－２０００技术并开始考虑下一代的技术问题，绝对不是太 早，而是为各国、各公司开发技术和制定策略提供参考，为第三代移动通信的技术 进步和发展铺平道路。 本文的主要目的就是根据国际上的讨论和公开发表的信息，向读者介绍下一时 期国际上移动通信技术的发展方向，为通信主管部门和研究开发部门的决策提供参 考。 一、移动通信系统的性能和带宽 对第二代移动通信系统ＧＳＭ及ＩＳ－９５ ＣＤＭＡ来说，其主要业务 是话音，并辅以低速数据９．６或１４．４ｋｂｉｔ／ｓ。随着移动数据业务 要求的增加，近年均提出所谓２．５代的产品，从今年开始提供速率为１００ｋｂ ｉｔ／ｓ左右的数据业务。 在第三代移动通信系统中，则要求移动通信系统能够达到的数据传输能力为： 高速移动对ＦＤＤ：５００ｋｍ／ｈ 对ＴＤＤ：１２０ｋｍ／ｈ：１ ４４ｋｂｉｔ／ｓ；室外至室内，手持机环境速度３０ｋｍ／ｈ：３８４ｋｂ ｉｔ／ｓ；室内环境速度３ｋｍ／ｈ：２Ｍｂｉｔ／ｓ。 从提供的业务来说，在初期，仍然是以话音为主。但很快，将会以ＩＰ型数据 业务为主。显然，第三代移动通信比第二代有质的变化。因此，它也不得不工作于 较宽的频带宽度，其典型带宽为５ＭＨｚ 其窄带选项为其１／３，即１．６Ｍ Ｈｚ。 在三代以后如JP人说的第四代，移动通信应提供什么样的业务，需要传 输多高的数据速率，占用多少频带宽度呢？据一般认识，在１０年后，即三代后移 动通信系统每载波将可能占用２０ＭＨｚ的带宽，对高速移动应能传输２Ｍｂｉｔ ／ｓ，而在室内如无线本地网则应向每个用户传输１００Ｍｂｉｔ／ｓ的数据 速率。每隔１０年，移动通信系统将提供高达数１０倍的数据传输速率，这要求一 系列的新技术，主要是空间接口的物理层新技术来支持。 二、空间接口技术 １．第三代移动通信物理层主要技术 在空间接口技术，即无线传输技术方面，第三代移动通信ＣＤＭＡ ＲＴＴ中 获得广泛使用和认可的主要技术可以列举如下： 直接扩频的码分多址技术。使用Ｗａｌｓｈ码，用可变扩频系数进行正交扩频 ；ＱＰＳＫ调制技术；信道编码，对低速数据，主要使用Ｒ＝１／２及１／３的卷 积码和软判决的维特比解码；对速率超过３２ｋｂｉｔ／ｓ的高速数据，主要用Ｔ ｕｒｂｏ码；交织，采用两层交织，帧内交织和外交织；Ｒａｋｅ接收机，ＦＤＤ 系统主要的抗多径干扰接收技术；联合检测ＪＤ，ＴＤＤ系统主要的多用户检 测接收技术；分集技术，包括频率、时间、位置等分集接收技术；线性收发信机技 术，使用于射频收发信机的各种予失真及前馈技术；快速功率控制技术，控制频率 高达８００Ｈｚ；软切换等等。 以上技术的主要基础是在ＩＳ－９５ＣＤＭＡ和ＧＳＭ系统中开发出来的，在 第二代移动通信系统中应用并证明是成功的。但是，没有看到明显的创新。当然， 他们使用到第三代移动通信中都经过改进和提高，例如导频的安排，上下行都发射 导频信号；功率控制的频率更高等等，使第三代移动通信中ＣＤＭＡ系统的频谱利 用率容量比ＩＳ－９５ＣＤＭＡ高５０％以上。由于缺乏新技术的使用，第三 代移动通信的ＣＤＭＡ ＦＤＤ系统完全是依靠增加带宽，即每载波使用上下行各 ５ＭＨｚ，共１０ＭＨｚ的频率来实现第三代移动通信的业务要求的。 ２．改进第三代移动通信物理层的主要技术 通过两年多标准制定和技术、产品的开发，从２０００年３月起，在ＩＴＵ－ Ｒ ＷＰ８Ｆ工作组中，开始广泛讨论如何使用新技术来提高现有第三代移动通信 系统的可能性。比较一致的意见集中在如下技术的使用上。 （１）智能天线技术。使用智能天线来提高第三代移动通信系统的性能，现在 已经获得各国专家的共识。关于智能天线技术本身及其优势已得到证实。在ＴＤ－ ＳＣＤＭＡ ＲＴＴ中已经使用了智能天线，现在所研究的是如何将它使用在ＵＴ ＲＡ ＴＤＤ及两种ＦＤＤ系统中。所面临的将是如下两方面的问题：基带数字信 号处理能力的问题，由于码片速率增加三倍，基带处理能力的增加大约为９－１０ 倍；是否要修改物理层标准的问题，由于两种ＦＤＤ 包括ＵＴＲＡ ＴＤＤ系 统设计时没有考虑智能天线的应用，可能要修改其物理层设计。这样，又出现和早 期，未使用智能天线的设备的兼容问题。 （２）软件无线电技术。软件无线电技术在今年受到各界高度重视。美国ＦＣ Ｃ甚至发文要求各公司对此技术的应用提供方案。如何用ＤＳＰ，用软件，在公共 硬件平台上解决各种不同制式的空间接口已成为很多美国公司研究的主要课题。可 以相信，在未来几年内，依靠传统的专用芯片来制造移动通信无线设备的概念将受 到重大冲击。而且，软件无线电不仅用于用户终端，解决多模手持机的问题，它还 将使用于无线基站。特别是在第三代移动通信技术和标准都还在不断更新的最近几 年内，只有使用软件无线电技术，才可能使产品跟上技术的发展。 （３）下行高速包交换数据的传输技术。在传输较高速率的业务数据时，通过 在一定时隙使用较高调制方式８ＰＳＫ，１６ＱＡＭ，甚至６４ＱＡＭ来进行 传输也是一项广泛受到关注的技术。在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ ＲＴＴ中，已经使用８ ＰＳＫ来传输２Ｍｂｉｔ／ｓ的业务。今年，高通公司提出ＨＤＲ技术，在ＣＤＭ Ａ ２０００ １Ｘ中的某时隙使用１６ＱＡＭ传输高速数据，在１．２５ＭＨｚ的 带宽下可能传输２Ｍｂｉｔ／ｓ的数据速率。其实质上就是将ＴＤＤ技术使用到Ｆ ＤＤ系统中。３ＧＰＰ也在研究类似的技术，来解决ＦＤＤ传输上、下行不对称业 务的问题。 以上三方面的技术，已经在ＩＴＵ－Ｒ ＷＰ８Ｆ的输出文件中罗列出来，要 求各国进一步提交文稿，以进一步讨论。 此外，还有一些技术也得到各国的注意，它们包括： 上行同步，即同步ＣＤＭＡ。以前大家认为，由于移动通信中严重的多径现象 上行同步并不能解决不同用户的扩频码相互正交的问题，故ＦＤＤ系统中均未考虑 上行同步。目前，很多人认识到，上行同步会给ＣＤＭＡ系统带来明显好处，主要 将简化无线基站的设计和基带信号处理的复杂性； 数字予失真技术。鉴于ＣＤＭＡ系统要求射频模拟电路部分能高线性工作。仅 仅用将工作点回退的方法效率太低，传统的模拟予失真技术则难以在较宽动态范围 和环境温度范围内工作。最有潜力的技术是在基带的数字予失真技术； 接力切换技术。传统ＣＤＭＡ系统的一个基本技术是软切换，软切换也是ＣＤ ＭＡ系统提高容量的一个主要手段。实施软切换的核心是所谓宏分集技术，即用户 终端同时和两个或三个技术保持通信。当使用了智能天线等技术使系统容量大大提 高，所有可能的码道都能同时工作时，使用宏分集就没有必要了，系统也没有宝贵 的无线码道资源供宏分集使用了。此时，接力切换技术就必然受到重视。 虽然，上述技术都已经不同程度的使用在ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统中，但在一两 年前还被不少人误解。由此可以证明，ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统的设计是正确的，是 代表了目前移动通信技术的发展方向。 ３．三代后可能的发展方向 在三代后，考虑的业务完全是不对称、高速率的多媒体业务。将为每个用户提 供高达１０Ｍｂｉｔ／ｓ甚至１００Ｍｂｉｔ／ｓ的数据传输速率。为此，仅仅依 靠增加每个载波的带宽，而不是在技术方面有所创新是根本不可能的。对此下一代 的无线传输技术，目前在ＩＴＵ内还没有涉及，但在国外大学和公司内已经开展。 据悉，这些技术主要有： （１）ＴＤＤ双工方式：考虑到三代后业务的发展，绝大多数业务将是不对称 的ＩＰ型业务。而在支持不对称业务方面，ＴＤＤ双工方式具有先天的优势。故国 外已高度重视ＴＤＤ技术的发展；（２）智能天线：目前，智能天线的理论和实践 的差距很大。智能天线理论可以解决的问题还不可能使用在实际系统中。其主要是 算法的复杂性和实时处理能力之间的矛盾。对此，将从两个方面来解决，从算法上 探索更有效的算法，从微电子的方面则是增加处理能力；（３）软件无线电技术： 目前，多数人认为，５至８年后，所有的无线产品，包括基站和用户终端，均将使 用软件无线电技术，都是在统一的硬件平台上，用不同软件来满足不同系统的要求 。到那时，标准的差别，ＴＤＤ和ＦＤＤ等双工方式的差别，新技术的应用和产品 的升级换代都变得非常简单，都将通过加载不同的软件来实现；（４）扩频编码技 术：在ＣＤＭＡ系统中，扩频编码都是使用Ｗａｌｓｈ码。对此国内外专家都在对 此进行研究，希望用新的编码效率更高的码来代替它。目前，国际上的重点是研究 多维编码技术配合正在研究的多维计算机技术，以期成倍的提高编码效率，提 高ＣＤＭＡ系统的容量；（５）时域技术：另一个方面，是在时域方面的研究。其 基本出发点是，一个亚纳秒ｎｓ的窄脉冲，其频域内带宽超过多个ＧＨｚ，如 果调制上业务数据，则仅需要非常低的发射功率，就可能传输到相当远的距离，而 且，有很强的抗干扰能力。但此技术能否使用到民用移动通信网中，目前还是一个 问号。 总的说来，移动通信技术研究的核心仍然是无线接入技术，或者说是物理层技 术。如何实现新的业务要求和如何在有限频率带宽的条件下传输更高的数据速率， 如何得到更高的频谱利用率。 三、核心网技术 在第一代模拟和第二代移动通信系统中，主要业务是话音，其核心网就必 然是以交换机为核心的移动交换中心ＭＳＣ。这个多年形成的概念带进第三代 移动通信是完全很自然的。在制定第三代移动通信核心网标准的初期Ｒ＇９９ ，仍然是上述集中交换的概念，只不过将交换机由电路交换改为ＡＴＭ。 从１９９９下半年起，随着互联网的发展，以光通信技术为主的网络技术也有 了巨大进步。将第三代移动通信的核心网作为国际上互联网的一个部分，用ＩＰ的 概念来实现核心网的要求越来越强烈，ＭｏｂｉｌｅＩＰ的概念逐渐成熟。到２０ ００年，在３ＧＰＰ２已经完成了全ＩＰ核心网基于ＭｏｂｉｌｅＩＰ标准初 稿的起草；在３ＧＰＰ内制定第三代移动通信核心网标准的工作重点已经转到ＩＰ 核心网。在Ｒ＇００中将有一个框架，完整的标准将在下一个版本Ｒｅｌｅａｓ ｅ ５中完善。 其基本概念是将各种标准和接入手段的信号接入ＩＰ网关Ｇａｔｅｗａｙ 。对任何标准，此接入的信号也只是如下三类：业务数据、信令、网络管理数据。 将它们分别用ＩＰ方式打包，并传输至其目的地：业务数据送至通信对方；信 令送至信令处理器；网络管理数据送至网管服务器。由于光接入网所具有的，比无 线网络大得多的带宽，超大容量的路由器所具有的高速路由功能，网络就是交换， 且具有比交换机更短的时延和更大的容量。 通过对近来随着第三代移动通信标准的制定和完善，随着移动通信技术的进步 所出现的技术动向我们可以得到如下结论。 （１）在移动通信的核心网技术发展中，全ＩＰ网络技术无疑是最重要的发展 方向。以前将移动网和固定市话网分开的观点已经过时，他们将融合为一个共同的 基于ＩＰ技术的电信网；（２）智能天线技术对移动通信系统所带来的优势是目前 任何技术所难以替代的。它将不仅可以使用在ＴＤＤ系统中，也完全可能使用到Ｆ ＤＤ系统中；（３）在无线设备基站和用户终端的实现技术方面，最活跃的是 软件无线电。通过几年的准备加上微电子技术的进步，用软件无线电的概念，开发 出多模式的基站和用户终端的发展方向已经非常明确了。 我国提出的ＴＤ－ＳＣＤＭＡ 无线传输技术标准，是唯一明确将智能天线和 高速数字调制技术设计在标准中，明确用软件无线电技术来实施的标准。可以说， ＴＤ－ＳＣＤＭＡ技术在一定程度上代表了国际上移动通信无线传输技术的发展方 向。 [ Last edited by 幻影无痕 on 2006-11-17 at 08:26 ] |
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