第三代移動通信IMT-2000的無線傳輸技術

2019-11-03 09:26:20

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宋國文柴遠波葛寶忠

　　由ＩＴＵ－Ｔ提出的第三代移動通信系統ＵＭＴＳ／ＦＰＬＭＴＳ（ＩＭＴ－２０００），是工作在２ＧＨｚ頻段上的寬帶移動通信系統，計劃２０００年左右投入試驗和運營的標準化。ＩＭＴ－２０００系統模型，采用模塊化概念，在交換網絡與無線接入網之間定義了一個明確的無線網絡接口。該接口允許未來多種無線系統連接到多種現存的核心網絡和ＩＭＴ－２０００的核心網絡。

　　無線接入網由無線承載公用功能（ＲＢＣＦ－ＲａｄｉｏＢｅａｒＣｏｍｍｏｎＦｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）和無線傳輸特定功能（ＲＴＳＦ—ＲａｄｉｏＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＳｐｅｃｉｆｉｃＦｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）兩個部分組成。ＲＢＣＦ完成控制和傳輸功能；ＲＴＳＦ完成無線接入技術功能，主要為無線傳輸技術（ＲＴＴ－－ＲａｄｉｏＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）和無線傳輸適配功能（ＲＴＡＦ－－ＲａｄｉｏＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎＡｄａｐｔａｔｉｏｎＦｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）。在交換網一側，ＩＭＴ－２０００通過合適互通功能或適配功能與現有的核心網絡互連。ＩＭＴ－２０００的競爭焦點集中在地面無線傳輸技術上。

第三代移動通信系統的基本特點

　　·第三代移動通信系統為多功能、多業(yè)務和多用途的數字移動通信系統，是在全球范圍內覆蓋和使用的。它根據特定的環(huán)境提供從１４４ｋｂｉｔ／ｓ到２Ｍｂｉｔ／ｓ的個人通信，支持全球無縫漫游和提供寬帶多媒體業(yè)務；使用共同的頻段（ＷＲＣ分配給ＩＭＴ－２０００使用的頻段為１８８５－２０２５ＭＨｚ，２１１０－２２００ＭＨｚ），全球統一標準。

　　·支持從話音到分組數據進而到多媒體業(yè)務，根據需要提供帶寬。ＩＴＵ對第三代無線傳輸技術的最低要求為：快速移動環(huán)境，最高速率達１４４ｋｂｉｔ／ｓ；室外到室內或步行環(huán)境，最高速率達３８４ｋｂｉｔ／ｓ；室內環(huán)境，最高速率達２Ｍｂｉｔ／ｓ。

　　·兼容第二代移動通信網絡。因為第二代移動通信網絡發(fā)展已具有相當的規(guī)模，為便于過渡，第三代移動通信一定要兼容第二代移動通信系統。

　　·性能價格比優(yōu)，具有強大的競爭能力。

　　·頻譜效率高。

　　·服務質量好。

　　·保密系統完善。

　　根據以上要求，目前，提交到ＩＴＵ的地面無線傳輸技術共有１０種。這１０個技術的雙工方式、應用環(huán)境、多址方式、碼片速率、幀長和提交者等。

　　在表１的１０個地面建議中，歐洲ＤＥＣＴ無線接入標準（序號１０）作為ＩＭＴ－２０００的微小區(qū)／微微小區(qū)組成部分，適合無線ＰＢＸ等應用。事實上，ＤＥＣＴ使用了第三代移動通信的頻譜，能夠滿足ＩＴＵ室內和步行環(huán)境的帶寬要求，即固定用戶為２Ｍｂｉｔ／ｓ，在校園或工作環(huán)境中的移動用戶則使用３８４ｋｂｉｔ／ｓ，但由于ＤＥＣＴ并非為廣域無線網絡用戶而設計，因此不能滿足１４４ｋｂｉｔ／ｓ車輛用戶的快速移動要求。

　　ＵＷＣ－１３６（序號９）是一個純ＴＤＭＡ技術，是在北美ＩＳ－１３６ＴＤＭＡ（Ｄ－ＡＭＰＳ）技術的基礎上提交的。北美ＩＳ－１３６ＴＤＭＡ（Ｄ－ＡＭＰＳ）是第二代數字系統的主要技術之一，其用戶規(guī)模與ＩＳ－９５相當，因此，ＵＷＣ－１３６將被ＩＳ－１３６的運營者繼續(xù)采用。

　　其它８個建議都是基于ＣＤＭＡ技術，也就是說寬帶ＣＤＭＡ技術是第三代移動通信的主要技術。Ｗ－ＣＤＭＡ和ｃｄｍａ２０００為第三代移動通信的主流技術。

　　Ｗ－ＣＤＭＡ實際上有兩個獨立的建議：日本無線工業(yè)廣播協會（ＡＲＩＢ）支持的純Ｗ－ＣＤＭＡ和歐洲電信標準協會（ＥＴＳＩ）制定的ＵＴＲＡ；ＵＴＲＡ實際上是以日本的Ｗ－ＣＤＭＡ技術和歐洲第三代ＧＳＭ使用的最初ＵＭＴＳ平臺為基礎的混合標準。目前，這兩個建議正在進一步融合。

　　ｃｄｍａ２０００是基于窄帶ＩＳ－９５ＣＤＭＡ技術的寬帶ＣＤＭＡ技術。ｃｄｍａ２０００和ＩＳ－９５采用的基本技術和關鍵技術如功率控制、軟切換、ＲＡＫＥ接收等是很類似的，性能上也沒有太大的差異。

　　Ｗ－ＣＤＭＡ和ｃｄｍａ２０００兩種寬帶ＣＤＭＡ的主要區(qū)別為：

　　·碼片速率（Ｃｈｉｐｒａｔｅ）：ｃｄｍａ２０００使用目前的ＰＣＳ頻段，強調與ＩＳ－９５的后向兼容。其基本思路是采用多載波方式，碼片速率是窄帶１．２２８８Ｍｃｐｓ的整數倍，初期為１倍或３倍，即１．２２８８Ｍｃｐｓ或３．６８６４Ｍｃｐｓ，也就是說在５ＭＨｚ的帶寬上采用３．６８６４Ｍｃｐｓ的碼片速率。而Ｗ－ＣＤＭＡ采用直接序列擴頻，碼片速率為４．０９６Ｍｃｐｓ。目前，ＩＴＵ－Ｔ仍在嘗試就５ＭＨｚ的帶寬內采用３．８４Ｍｃｐｓ的碼片速率進行折中，但未能達成一致。ｃｄｍａ２０００反對折中，因為采用了３．８４Ｍｃｐｓ的碼片速率，ｃｄｍａ２０００就無法與ＩＳ－９５后向兼容。

　　·基站同步方式：ｃｄｍａ２０００采用ＩＳ－９５系統所采用的方式，即采用ＧＰＳ使基站之間嚴格同步。Ｗ－ＣＤＭＡ則采用異步方式。雖然日本也提出了同步方式可作為選項，但仍采用異步方式的３步捕捉同步的方式，只是省略了第３步。其同步方式和ｃｄｍａ２０００的同步方式相差甚遠。

　　·導頻信道方式：Ｗ－ＣＤＭＡ采用專用導頻符號，與業(yè)務數據流時分復用。ｃｄｍａ２０００仍然采用ＩＳ－９５系統所采用的公共導頻信道方式。導頻信道方式差異較大，難以達到統一。

　　上述三個關鍵參數得不到統一，因此，兩種寬帶技術難以融合。

　　我國提出的建議—時分同步ＣＤＭＡ（ＴＤ－ＳＣＤＭＡ），采用時分雙工方式和時分同步碼分多址接入。工作頻段為２．０１～２．０２５ＧＨｚ，每個信道１．２ＭＨｚ帶寬，其中保護帶寬約為１００ｋＨｚ。每個射頻信道幀由８個可動態(tài)分配的ＴＤＭＡ時隙組成，每個ＴＤＭＡ時隙又分為１６個ＣＤＭＡ碼分信道。每個碼分信道經過一個特定的Ｗａｌｓｈ碼與一個公共的偽隨機碼相乘后彼此分開。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系統中，每幀的長度為５ｍｓ（８個時隙），碼片速率為１．１１３６Ｍｃｐｓ，接入信道的擴頻增益為１６，業(yè)務信道的擴頻增益為１６或３２。采用ＤＱＰＳＫ方式調制，可選８ＰＳＫ或１６ＱＡＭ方式。話音業(yè)務采用卷積編碼，數據業(yè)務采用級連編碼，并進行相應的交織處理。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ與Ｗ－ＣＤＭＡ和ｃｄｍａ２０００沒有多大的關系，它的設計更像一種低移動性的ＷＬＬ技術，采用的ＴＤＭＡ和ＣＤＭＡ混合接入方案與同樣采用這兩種技術的ＵＴＲＡ合作有良好的基礎。

第三代移動通信系統的分層結構

　　通信協議分為三層，分別為：

　　·第一層為物理層，定義了無線頻譜的管理，通過無線鏈路傳遞數據，它是由一系列下行物理信道和上行物理信道組成。

　　·第二層為鏈路層，它由媒體接入控制（ＭＡＣ）子層和鏈路接入控制（ＬＡＣ）子層兩個子層組成；ＭＡＣ子層根據ＬＡＣ子層不同業(yè)務實體的要求對物理層的資源進行管理和控制，并負責提供ＬＡＣ子層業(yè)務實體所需的ＱｏＳ級別。ＬＡＣ子層負責提供ＭＡＣ子層所不能提供的更高級別的ＱｏＳ控制，這種控制可以通過ＡＲＱ等方式來實現，以滿足來自更高層業(yè)務實體的傳輸可靠性。

　　·第三層為高層，它集ＯＳＩ模型中的網絡層、傳輸層、會話層、表達層和應用層為一體。高層實體主要負責各種業(yè)務的呼叫信令處理，話音業(yè)務（包括電路類型和分組類型）和數據業(yè)務（包括ＩＰ業(yè)務、電路、分組數據和短消息等）的控制與處理等。

　　分層結構（見圖２）中的Ｃ－平面為控制平面，Ｕ－平面為用戶信息平面。

　　第三代移動通信系統的兩個主要技術路線：

　　從以上的分析可看出，在已提交ＩＴＵ－Ｔ的ＩＭＴ－２０００的建議中，主要有兩種技術的發(fā)展路線，其一為以歐洲為代表的以ＧＳＭ為核心網的歐洲派的技術路線，另一個為以美國為代表的以Ｄ－ＡＭＰＳ為核心網的北美派的技術路線，二者都有很大的影響力，直接影響著第三代移動通信的最終發(fā)展，且已給ＩＴＵ構成了威脅。

　　·ＧＳＭＭＡＰ＋ＵＴＲＡ—３ＧＰＰ路線

　　３ＧＰＰ是以歐洲ＥＴＳＩ發(fā)起的，日本ＡＲＩＢ、ＴＴＣ、韓國ＴＴＡ和美國ＴＩ參加的第三代伙伴計劃。目的是制定以ＧＳＭＭＡＰ為核心網、ＵＴＲＡ（ＦＤＤ：Ｗ－ＣＤＭＡ，ＴＤＤ：ＴＤ－ＣＤＭＡ）為無線接口的第三代移動通信標準。

　　·Ｄ－ＡＭＰＳ＋ｃｄｍａ２０００—３ＧＰＰ２路線

　　３ＧＰＰ２是由美國國家標準協會ＡＮＳＩ發(fā)起的，日本ＡＲＩＢ、ＴＴＣ、韓國ＴＴＡ參加的另一個第三代伙伴計劃。目的是制定以Ｄ－ＡＭＰＳ為核心網、ｃｄｍａ２０００為無線接口的第三代移動通信標準。

關于ＩＭＴ－２０００的幾點說明

　　·ＦＤＤ和ＴＤＤ

　　ＦＤＤ和ＴＤＤ在技術上各有自己的特色。ＦＤＤ在蜂窩系統的應用中較為成熟，但無法解決頻率不對稱的問題。ＴＤＤ方式能解決頻率不對稱的問題，能夠很好的適應未來Ｉｎｔｅｒｎｅｔ瀏覽問題。但ＴＤＤ技術在蜂窩系統中尚未取得完全的成功，一些關鍵技術尚需得到驗證。

　　·空中接口技術和移動交換技術

　　初期的第三代移動通信系統的最高傳輸速率為１４４ｋｂｉｔ／ｓ（最多不超過３８４ｋｂｉｔ／ｓ），這種速率無論是分組模式還是電路模式，對于移動交換機而言均談不上高速，移動交換機可能存在的困難在于如何支持３Ｇ系統所需的并發(fā)多業(yè)務。考慮到國內在交換方面的傳統優(yōu)勢，實施３Ｇ交換機的難度應遠低于空中接口部分。因此，空中接口技術成為發(fā)展第三代移動通信系統的關鍵部分。

　　·關鍵技術的復用

　　無論是ＷＣＤＭＡ還是ｃｄｍａ２０００，無論是ＦＤＤ還是ＴＤＤ，均有大量共性關鍵技術（如功率控制、ＲＡＣＫ接收機、信道編譯碼器等）。

　　·新型技術的應用

　　類似于多用戶檢測、智能天線、新型信道編譯碼等新型關鍵技術并不是初期第三代移動通信系統所必需的，但這些技術的突破將會很大程度上提高系統性能。

　　·芯片支持問題

　　毫無疑問，專用集成電路（ＡＳＩＣ）芯片對于第三代移動通信系統的產業(yè)化是必需的，擁有我們自己獨立產權的ＡＳＩＣ的開發(fā)應同步進行。

　　·標準的選擇

　　ＩＭＴ－２０００的發(fā)展尚有許多不確定的因素，這些因素有來自技術方面的，也有來自其它方面的。目前較為公認的主流標準為歐洲的Ｗ－ＣＤＭＡ標準（ＵＴＲＡ）和北美的ｃｄｍａ２０００標準。考慮我國擁有較為龐大的ＧＳＭ蜂窩通信系統，且國內傳統上較易接受歐洲標準，選擇歐洲的Ｗ－ＣＤＭＡ標準作為主攻方向是必要的。但另一方面，北美的ｃｄｍａ２０００標準較為成熟，北美的ＣＤＭＡ運營組織ＣＤＧ號稱有能力在兩年之內推出ｃｄｍａ２０００－１ｘ商用系統。由于ｃｄｍａ２０００－１ｘ系統必須與已有的ＩＳ－９５系統兼容，因此一些關鍵參數與ＩＳ－９５系統相同，而且國內已建有ＣＤＭＡ商用實驗網，并有較好的ＩＳ－９５ＣＤＭＡ研究基礎，通過對ＩＳ－９５ＣＤＭＡ的改造，相對較易在短時期內完成ｃｄｍａ２０００－１ｘ實驗系統，因此，選擇北美的ｃｄｍａ２０００標準作為主攻方向也是很有必要的。另外，由于未來移動通信產業(yè)巨大，在國內采用兩種或兩種以上的標準也是完全可能的。

　　·體制標準的創(chuàng)新和研究。主要考慮以下三個方面：在技術上最大程度地使關鍵技術能夠復用（考慮與ＩＳ－９５、ＧＳＭ的兼容與復用）；減少系統實現的復雜度；最大程度地占有知識產權。

　　第一代移動通信系統（如ＡＭＰＳ和ＴＡＣＳ等）是采用ＦＤＭＡ制式的模擬蜂窩系統，其主要缺點是頻譜利用率低、系統容量小、業(yè)務種類有限。第二代移動通信系統（如ＧＳＭ、Ｄ－ＡＭＰＳ及ＩＳ－９５等）則是數字蜂窩系統。雖然其容量和功能與第一代相比有很大的提高，其業(yè)務主要限于話音和低速率數據（小于９．６ｋｂｉｔ／ｓ），不能滿足新業(yè)務種類和高傳輸速率的要求。第三代移動通信系統以其能與固定網絡相兼容，能提供多種類型的高質量多媒體業(yè)務，能實現全球無縫覆蓋，具有全球漫游能力，并以小型便攜終端在任何時候、任何地方都能進行通信的諸多優(yōu)勢，具有巨大的吸引力。

----《通信世界》