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霹雳旋风荣誉版主 (著名写手)
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【前沿】第三代移动通信侯选标准方案的比较和分析
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已经搜索，无重复 转载 1 引 言 第二代数字蜂窝系统已经成熟，在多址方式上主要采用TDMA和CDMA。90年代初 ，美国提出了CDMA数字蜂窝移动通信系统。1993年3月美国TIA通过了CDMA空中接口 标准IS－95，成为与TDMA并驾齐驱的数字蜂窝系统，由实用化阶段逐渐走向商用化 阶段，并在香港、韩国、美国正式投入商用取得了很大的成功。我国的CDMA蜂窝系 统已在广州、北京、上海、西安相继开通实验网，效果良好，正准备在沿海城市推 广。但是作为第二代系统采用的N－CDMA比采用TDMA的数字移动系统的性能、容量 和传输速度都有所提高，但还是受到传输频带窄的限制，不能真正发挥CDMA的特性 。 第三代移动通信的特点是多媒体化和智能化。可提供多元传输速率、高性能、 高质量的服务。而采用W－CDMA方式能使CDMA的特性得到充分发挥，能提供从声音 、传真、数据、图像到动画等的多媒体移动通信服务，能降低投资、运营费用及手 机的价格。 根据国际电联对第三代移动通信系统的要求，目前各大电信公司联盟均已提出 了自己的第三代移动通信系统方案，主要以JPNTT DoCoMo公司为首提出的W－ CDMA；美国朗讯、摩托罗拉等公司提出的宽带cdmaOne；欧洲西门子、阿尔卡特等 公司提出的TD－CDMA。总的来说，在第三代移动通信系统中采用CDMA技术已达成共 识，但各自实现方案还有较大差别，下面分别介绍并加以比较。 2 三种方案的特点 2.1 W－CDMA系统 由于欧洲的GSM系统已经在数字移动通信市场中占据了很大的份额，美国的N－ CDMA系统IS－95也正在迅速赶上来，而JP的第二代数字移动通信系统PDC仅限于 国内使用，无法推广到其它国家，所以JP邮政省提出了“JP的第三代系统必须 是国际标准”的要求，迫使NTT DoCoMo与其合作伙伴爱立信及诺基亚公司将NTT DoCoMo的W－CDMA方案与欧洲的UMTS的W－CDMA方案进行统一，希望在未来的市场中 占据有利地位。目前NTT DoCoMo公司正在同爱立信、诺基亚、摩托罗拉、朗讯以及 其他厂家合作，努力完善系统，争取在1998年完成样机，1999年进行商业实验。 W－CDMA系统无线接口的基本参数为： 扩频方式：可变扩频比(4～256)的直接扩频； 载波扩频速率：4.096Mchip／s； 每载波带宽：5MHz(可扩展为10MHz／20MHz)； 载波速率：16kbit／s～256kbit／s； 帧长度：10ms； 时隙长度(功率控制组)：0.625ms； 调制方式：QPSK； 功率控制：开环＋自适应闭环方式(功控速率1.6kbit／s)。 W－CDMA系统中采用导频符号相干RAKE接收机技术，解决了反向信道的容量限 制问题，每个无线帧长度10ms，分成16个时隙，每个时隙长度为0.625ms，在每个 时隙的前部插入全“1”或全“0”的导频符号进行信道参数估计，这种方法在其它 系统的调制中也有采用的，但W－CDMA系统将从导频符号得到衰落信道的振幅和相 位信息，作为RAKE接收机最大比值的加权系数，取得了很好的效果。与IS－95不同 ，W－CDMA系统不采用GPS精确定时方式，不同基站间不采用精确定时，优点是摆脱 了美国GPS系统的控制，可采用较为自由的信道管理方式，并在布设室内基站方面 较为灵活，缺点是难以具备准确确定用户位置的能力，并且需要自适应天线系统。 另外，W－CDMA系统采用了精确的功率控制，即采用基于SNR(信噪比)的开环加闭环 的功率控制方式，在业务信道帧中插入功率控制比特，插入速率1.6kbit／s，比 IS－95的功控速率增加一倍，可以跟踪一般的快衰落过程。 2.2 宽带cdmaOne系统 宽带cdmaOne系统是朗讯、摩托罗拉、北方电讯、高通和三星联合提出的第三 代移动通信系统方案，是从IS－95和IS－41的标准发展而来，因此它与AMPS、 DAMPS和IS－95均有较好的兼容性。同时，又由于它采用了一些新技术，使其能完 全满足第三代移动通信系统即IMT－2000要求，其无线接口参数如下： 载波带宽：5MHz(可扩展为10／20MHz)； 扩频方式：采取直接扩频或多载波扩频； 扩频速率：3.684Mchip／s； 扩频码长度：可根据无线环境和数据速率而变化； 帧 长 度：20ms； 时隙长度(功率控制组)：1.25ms； 调制方式：下行QPSK，上行BPSK； 功率控制：开环加闭环方式(功控速率 800bit／s)。 宽带cdmaOne系统扇区内采用连续导频信道广播，能提供独立于传输速率的功 控、定时和相位纠正，能以较小的复杂度提供基站的快速捕获和邻近基站的快速搜 索。与IS－95相同的短码结构加上Walsh函数使信道之间正交，高速(800bit／s)前 向链路功控使前向链路平均发射功率最小化。调制方式采取多载波方式和直扩方式 。这两种方式由相同的信息传送率来实现复杂度。多载波CDMA链路在5MHz带宽内有 3个1.25MHz CDMA载波。多载波CDMA前向链路信号与IS－95前向链路信号正交，编 码后的信息符号同时在多个CDMA载波上传送，由此带来频域分集效应，将信号扩展 到整个带宽。导频信号在IS－95与多载波业务信道重叠时可以共享，在相同的频段 允许前向链路容量在IS－95和宽带用户之间动态共享，继续支持低成本／低功耗的 IS－95手机用于话音和低速数据服务。直接扩频链路扩频速率为3.6864Mchip／s， 采用256位的Walsh码。Walsh码的长度可根据无线环境和数据速率而变化，在信道 速率为9.6kbit／s或者14.4kbit／s时采用256位Walsh码。快速移动的用户可限制 Walsh码长大于或等于16位。用户在无线信道较好时，可采用Walsh码以实现最高的 数据速率。 2.3 TD－CDMA系统 UMTS是ETSI针对第三代移动通信系统IMT－2000提出的解决方案，目前又分为 两个子方案即由西门子公司、阿尔卡特公司以及德国的凯泽斯劳滕大学提出并得到 GSM网络运行者支持的TD－CDMA系统和由NTT DoCoMo、爱立信公司、诺基亚公司提 出的W－CDMA系统。TD－CDMA系统可以单独运营以满足ETSI／UMTS和ITU／IMT－ 2000的要求，也可以双模工作向后兼容GSM900和DCS1800，使第二代GSM900、 DCS1800系统可以平滑过渡到IMT－2000，从而可以利用现有的GSM网络设备，节约 了投资，其无线接口参数如下： 每载波带宽：1.6MHz； 每载波时隙数：8； 帧 长 度：4.625ms； 时隙长度：577μs； 单位时隙信道数：8个； 单位时隙传信率：8／16kbit／s； 特征码扩频码长度：16bit； 单位载波信道数：64个。 从TD－CDMA的接入方式可以看出其兼有TDMA和CDMA的特点，是以TDMA为基本框 架在每个时隙传送正交码的多用户信号，好处是能利用TDMA、CDMA的优点并克服各 自的缺点且与GSM有较好的兼容性。TDMA的优势是已经通过了大量用户的试验和由 全球最大的用户数；而CDMA的优势是可灵活提供可变速率业务和多径分集能力。单 位载波信道数的增加所带来的好处是对于同样的小区用户数而言，收发信机个数降 低，最多可达8倍，从而降低基站设备的投资。TD－CDMA中的扩频调制不同于DS－ CDMA，它具有很强的适应性，即可适应于GSM中所采用的QPSK／GMSK方式，又可适 应与多载波CDMA和脉冲压缩CDMA，从而确保了对GSM系统的兼容性和对新技术的开 放性。由于TD－CDMA系统的接入方式的特殊性，从时域上已大幅度降低了多址干扰 ，加上小区复用系数为3，又从空间上隔离了部分多址干扰，仅考虑上述两项就比 直扩CDMA要优越。另外，由于TD－CDMA用户数少，每时隙最多为8个信道，共有16 个特征码字表示的信道，多用户信号是同步的，从而决定了联合检测(即多用户检 测)容易实现，且可进行最大似然检测已达到多用户检测的性能极限，大大降低了 多址干扰。而在直扩CDMA中(如IS－95)，由于反向信道异步和用户数多的特点使得 多用户检测难以实现。 3 三种方案的性能比较 三种方案都是根据ITU的IMT－2000系统框架要求，结合原有的系统及近几年移 动通信领域的新技术，能够在2000年左右推出商用的移动多媒体通信系统。下面我 们从三方面比较一下这三种方案。 3.1 CDMA优点的利用程度 CDMA技术主要有以下几个优点：小区复用系数为1，利用多径能力，可变扩频 增益，多用户检测，软切换，软容量。TD－CDMA、W－CDMA、宽带cdmaOne对CDMA技 术的利用程度各不相同，如表1所示。总的来说，TD－CDMA利用的较差，这是因为 TD－CDMA系统要与GSM兼容，小区复用系数为3，降低了频谱利用率，并且因为扩频 带宽只有1.6MHz，所以并不能充分利用多径，降低了系统效率，并且软切换和软容 量能力实现起来很困难，但因为每个时隙内最多有8个用户，所以采用联合检测相 对来说要容易一些，对干扰抵消能力强。 表1 三种方案CDMA利用优点程度的比较 W－CDMA 宽带cdmaOne TD－CDMA 小区复用系数 1 1 3 利用多径能力 好 好 差 软切换 好 好 困难 扩频增益 4～256 4～256 16 多用户检测 困难 困难 容易 软容量 可以实现 可以实现 无法实现 [ Last edited by 幻影无痕 on 2006-11-2 at 07:47 ] |
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霹雳旋风
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3.2 同步方式、功率控制和支持高速业务能力 目前商用的CDMA系统(IS－95)，采用64位Walsh正交扩频码序列，反向信道采 取非相干接收方式，成为限制容量的主要问题，所以在第三代系统中反向链路普遍 采用相干接收方式。W－CDMA系统采用内插导频符号辅助相干接收技术，两者具体 性能目前还难以比较，涉及到接收机的结构及实际环境限制，但前者在车辆移动速 度较快时，会跟不上快衰落变化，性能恶化。另外，宽带cdmaOne系统需要GPS精确 定时，小区间要保持同步，对定时系统要求比较高；而W－CDMA和TD－CDMA系统则 不需要小区间的同步，可适应环境的变化，可在室外、室内、甚至地铁中使用。 TD－CDMA系统继承了GSM900和DCS1800正反向信息同步的特点，从而克服了反向信 道容量的瓶颈效应。而同步意味着帧反向信道均可采用正交码，从而克服了远近效 应，降低了对功率控制的要求。 宽带cdmaOne系统采用与IS－95系统相同的开环加闭环功率控制方式，功控速 率为800bit／s。W－CDMA系统采用开环加闭环自适应功控方式，功控速率增加到 1600bit／s，效果有较大提高，可以抵消一般快衰落的影响。TD－CDMA采用了联合 检测进一步消除多用户干扰，使得上行链路用户之间功率相差很大时仍能有效的解 调信息即克服了远近效应。带来的好处是为了克服瑞利衰落(快衰落)的功率控制不 是必须的，而消除对数正态衰落(慢衰落)的码慢功率控制仍有必要，其目的是为了 节约功率，延长移动带的电池使用寿命和提高业务质量。由于对抗衰落的能力较强 ，TD－CDMA可以支持高达每小时500km的移动体的通信，这在现代移动通信中是至 关重要的。而直扩CDMA对于高速移动通信的支持能力较差。 W－CDMA系统在5MHz带宽中可提供16kbit／s、32kbit／s、64kbit／s、 128kbit／s等多个传输速率。当信息速率超过128kbit／s时，W－CDMA系统可分配 多个码分信道给用户复用，采用并行传送方式可提供384kbit／s(128kbit／s×3) ，并且可容易实现室内2Mbit／s信息传送。宽带cdmaOne系统可通过多载波传送和 复用码信道，实现较高速率的信息传送。TD－CDMA提供综合业务是通过无线电资源 的复用实现的，可采用在每个时隙内的多码传输和时隙合并方式。为了达到2Mbit ／s的峰值速率需采用16进制的QAM调制方式，当动态的传信率较高时需要较高的发 射功率，又因为采用与GSM系统相同的TDMA时隙分配方式，所以无法充分利用系统 资源，造成浪费。 3.3 与已有系统的兼容性 宽带cdmaOne系统将IS－95从一个话音、低速数据系统改进为一个无线多媒体 系统，使之能提供基本满足IMT－2000要求的容量和服务，优化了话音和数据业务 ，能支持高速率的电路和分组业务，提供平滑向后兼容性(与IS－95)，其网络结构 和软件均从IS－95系统发展而来，N×1.25MHz信道带宽与IS－95已经使用的频带兼 容。可继续使用已有的IS－95设备，包括移动交换机、用户管理、计费系统、智能 平台等。TD－CDMA系统与GSM有相同的帧长度和时隙长度，将GSM和DCS1800的网络 作相应扩充，即可实现与TD－CDMA系统的兼容，在公网的接口上则向ATM过渡，提 高了市场竞争力。W－CDMA虽与GSM反向兼容，但由于在帧长度等方面差别较大，需 要单独的基站和移动台子系统，需要全面安装系统设备，所以初期投资要大一些。 4 第三代移动通信的发展趋势及需要解决的问题 4.1 第三代系统的发展趋势 现在以JP、欧洲和美国的电信公司为主的国际电信联盟已分别提出了各自的 第三代移动通信系统，决定最终结果的不仅是技术的先进，还有成本、系统的复杂 性和市场需求，具体如下： (1)市场需求。IMT－2000商用系统将在2000年左右推出，将在以后十年内逐渐 占领市场，所以要研究今后几年人们对移动通信业务需求，IMT－2000应能够提供 那些业务。 (2)成本和系统复杂性。成本取决于系统配制的投入，及与已有设备的兼容性 。从初期投入来分析，W－CDMA系统采用了一些新技术，要设计全新的基站和移动 台，及整个网络结构，所以投入要大一些。 (3)技术先进性。运营商希望以较少的基站覆盖较大的区域，并且提高系统容 量。从整体性能来衡量，W－CDMA因为设计比较超前，可提供更多的业务、较大的 系统容量而具有相当大的竞争力。TD－CDMA系统因为其本身的缺陷，无法充分显示 CDMA技术的优势。由于目前的移动运营商已在现有的第二代移动通信系统中投入了 大量的资金，因此必然希望将自己目前的系统平滑过渡到第三代系统。另外，欧、 美、日电信公司都希望在未来的第三代移动通信系统市场中占有较大份额，都不会 轻易放弃自己的方案。因此，国际电联很难最终形成一个统一的第三代移动通信标 准。 从以上分析我们或许可以得出这样的结论，作为第三代移动通信系统将主要存 在两种标准：一个是专门开发与GSM系统反向兼容的UMTS标准；另一个是专门开发 与IS－95系统反向兼容的宽带cdmaOne标准。而作为UMTS的两个子方案中的WCDMA将 作为主要的接入方式，而只在部分场合应用TD－CDMA，既保持技术上的先进性又可 以实现从GSM到第三代系统的平滑过渡。虽然作为第三代移动通信系统IMT－2000不 能实现一个统一的标准，但是同第二代移动通信系统的GSM、IS－95、DAMPS、PDC 的多种标准来讲是一个很大的进步。在第三代系统中至少多址方式都采用了CDMA技 术；频段和业务也得到了统一；可以通过“系统家族”和多模手机实现全球漫游。 展望未来，或许一个统一的标准能够在第四代移动通信系统中实现。 4.2 在第三代系统发展中需要解决的问题 (1)第二代系统向第三代系统的平稳过渡 我们是在继续使用第二代系统的同时引进了第三代系统。第三代系统与第二代 系统将在较长的时间内处于共存的局面。在已建成一个庞大的GSM／IS－95网络后 ，在该网络的寿命周期内，必然要尽可能充分发挥它的作用，以获取最大的经济效 益。IMT－2000系统在2000年左右投入商用，GSM／IS－95系统可能正处于运营收益 的颠峰。因此，是否支持第二代系统向第三代系统平稳过渡，是第三代系统成功与 否的关键。 为了使第三代系统与第二代系统共存和兼容，在研究和开发第三代移动通信系 统时，应考虑以下因素： . 它能否重复使用第二代系统的某些网络设备，如MSC、计费系统、智能平台 、与PSTN的接口、用户数据库等。 . 它能否重复使用第二代系统空中接口协议(呼叫传递、软切换等)和网络接 口协议(如ANSI－4，MAP)。 . 能否实现两代系统间的漫游和软切换，能否在新系统上除了支持本身业务 外，还可支持第二代系统的业务。 . 系统间频谱的兼容性。 . 使用SIM卡支持全球漫游。 …… 在IMT－2000的发展策略上，已经改变了过去“一统”的概念，而注意到以各 地区现有的第二代系统网络基础为参考来制定比较现实的过渡办法。并在1997年3 月的会议上一致通过了“IMT－2000家族”的概念。放弃了在空中接口、网络技术 等方面一致性的努力，而致力于制定网络接口的标准和互通方案。也就是说，考虑 到不同地区现有的第二代系统标准各异的情况下，在向第三代系统演进过程中，只 要该系统能在网络和业务能力上满足要求，都可成为IMT－2000的家族成员。“家 族”的含义是将系统分为四大部分：用户识别模块(UIM)、移动终端(MT)、无线接 入网(RAN)、核心网(CN)。并要研究它们之间的接口。而上述接口的标准化工作是 一件繁杂而又难度很大的事情。只有作好了它，全球漫游和互通才有可能。网络技 术方案中的网络结构、网络协议、传输方式等也有大量问题要进行研究。总之，要 实现第二代系统向第三代系统的平稳过渡，还有大量的工作要作。 (2)频率规划 欧洲UMTS目前对第三代移动通信系统的频率规划为：1900MHz～2025MHz， 2110MHz～2200MHz。其中陆地移动业务频段为1900MHz～1980MHz(上行)、2110MHz ～2170MHz(下行)及2110MHz～2170MHz(TDD方式)3段，卫星移动通信业务段为 1980MHz～2010MHz和2170MHz～2200MHz。UMTS认为第三代移动通信系统近期和远期 的频率需求为： ①到2002年，陆地业务需2×40MHz，卫星业务需2×30MHz； ②到2005年，陆地业务需(2×60＋20＋15)=155MHz，卫星业务需2×30MHz； ③到2010年，陆地业务在原155MHz带宽的基础上，还需要185MHz的频率。 这就需考虑从已划分的第二代系统(包括900MHz频段)转移到第三代系统的可能 性；卫星业务在原60MHz的基础上，还需要30MHz的频率资源。美国的PCC则将1. 9GHz左右的频段都划分给了宽带的PCS。在我国，根据现有的无线电频率划分表， 1700MHz～2300MHz划分用于移动业务、固定业务和空间业务。该频段内有大量的微 波通信系统正在使用，有一定数量的无线电定位设备在使用。1996年12月，国家无 委为了发展蜂窝移动通信和无线接入的需要，对2000MHz的部分地面无线业务频率 进行重新规划，分配给WLL的频率为1880MHz～1900MHz、1960MHz～1980MHz(FDD)和 1900MHz～1920MHz(TDD)；分配给公众蜂窝移动通信频率为：1710MHz～1755MHz、 1805MHz～1850MHz和1865MHz～1880MHz、1945MHz～1960MHz。 由此可见，我国的频率规划与国际电联给IMT－2000的频率规划有一定的冲突 ，即公众蜂窝移动通信1.9GHz的频段和无线接入的频段均占用了IMT－2000频段的 一部分，为了使我国的运营、科研、生产等部门发展第三代移动通信系统，满足我 国移动通信发展的近期频谱需求和长远频谱需求，必须随着技术、业务的发展做好 我国1700MHz～2300MHz频段(IMT－2000频段)的规划调整。 (3)对地面与卫星系统的研究应该并重 第三代移动通信系统最终将是一个提供全球无缝覆盖并能实现全球漫游通信的 系统。实现全球无缝覆盖的通信系统必然集卫星移动通信系统、地面蜂窝移动通信 系统、地面固定网(包括有线与无绳)于一体。这样，才能真正形成海、陆、空三维 覆盖的无缝网。卫星移动通信系统虽然只是地面蜂窝系统和地面固定网的补充和延 伸，而且用户数量远比后二者少。但它却是实现无通信盲区，全面覆盖地域、空域 、海域达到全球无缝覆盖的关键手段。因此，对卫星移动通信系统的研究及开发显 得十分重要。第三代移动通信系统不是一、两种技术的综合，而是多种技术的大规 模综合。能否把这些技术比较完美的综合在一起是第三代移动通信系统成功的关键 ，也是能否实现无缝覆盖的关键。而第三代系统的系统家族中，地面蜂窝系统与卫 星移动通信系统这两大家族成员的综合尤为重要。我们不能只注重地面系统的研究 ，而忽视对卫星移动通信系统的研究。目前，正在建设中的并有望在2000年左右成 为商用的全球性卫星移动通信系统有： 铱系统 (LEO；TDMA、FDMA体制) 全球星系统(LEO；CDMA、FDMA体制) 奥得赛系统(MEO；CDMA、FDMA体制) ICO系统(MEO；TDMA、FDMA体制) 我国与新加坡等国正在联合建设“亚太卫星移动通信系统(APMT)”。这是一个 区域性(覆盖亚太地区)的系统。建设一个覆盖全球的卫星移动通信系统，不仅需要 大量的投资，而且涉及到多个参与国的复杂协调问题。我们可以自行建设一个区域 性的系统。但是没有必要单独建设一个覆盖全球的系统。我们可以参加某一个全球 卫星移动通信网中，以拓展我们的业务覆盖区。参加一个全球网，还是参加几个全 球网，这不仅是技术问题，还牵涉到国家政策，市场准入等问题。需要有国家的有 关部门研究决策。即使是参与一个全球系统，也应该认真研究卫星移动通信系统在 技术上如何接轨的问题，以便实现比较完美的综合。以上两个问题，我们应该一起 重视并及早组织研究。 5 结 论 本文介绍了有可能成为第三代移动通信系统IMT－2000标准的三个方案即W－ CDMA、宽带cdmaOne和TD－CDMA，比较了其技术特点。并推断第三代移动通信系统 不大可能形成一个统一的标准。反向兼容GSM系统的欧洲UMTS标准和反向兼容IS－ 95系统的北美宽带cdmaOne将成为第三代移动通信系统的两个国际标准。 中国未来的移动通信拥有世界最大的市场。在第一代和第二代移动通信系统的 发展进程中，由于种种原因我们未能真正形成自己的民族工业。而第三代移动通信 的发展进程给我国提供了不可多得的机遇。现在第三代移动通信的开发还没有完善 ，还有新的技术需要研究和开发，并且在世界标准还没有确定时，我国加入是极有 利的。我国在移动通信方面拥有巨大的市场，在确定下一代移动通信方式时可以有 较大的发言权。一旦系统开发完了，并已经通过标准化的话，再参与是不大可能的 。我国应积极参加国际电联有关第三代移动通信系统的方案论证过程，并开展第三 代移动通信系统的关键技术的研究工作，我国目前尚没有能力从事整个第三代系统 的研制，但可在跟踪的基础上，争取在移动通信的关键技术中有所突破，形成自主 开发的专利技术。我们可以在智能天线、软件无线电、无线ATM、功率控制等几个 方面有所突破，形成自己的专利技术，提高中国电信业务的独立性以及和国外电信 厂商的竞争能力。 |
2楼2006-04-06 07:42:56
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