WCDMA 系統及其關鍵技術探討

2019-11-03 09:27:13

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供稿：網友

盧昌龍南京郵電學院電子工程系
　　【摘要】本文討論了CDMA 的發展歷程，分析了CDMA 移動通信環境中面臨的問題，分析了WCDMA 系統中的關鍵技術，以及WCDMA 技術的主要特點，最后在WCDMA 的基礎上，提出了增強網絡性能的新方法。

　　1 影響第三代移動通信的技術因素

　　在第三代移動通信標準IMT-2000K 中，提出了對頻譜和業務的基本要求，即有名的2GHz 頻段和384kb/s 廣域網和2Mb/s 本地網數據傳輸速率業務等。顯然，要實現第三代移動通信系統中的基本要求，首選必須解決頻譜、核心網絡和無線接入三大技術因素。必須確定全球統一的頻譜段。IMT-2000 標準確定在2GHz 左右的頻段，而美國聯邦通信委員會卻在1994 年就把PCS 定位在1.9GHz，并已拍賣，使得第三代移動通信系統建立統一頻譜出現了裂痕。必須建立統一的核心網絡系統。第三代移動通信系統標準將是在第二代移動通信系統的核心網絡基礎上，逐步將電路交換演變成高速電路交換與分組交換相結合的核心網絡?，F在世界上存在兩大移動通信系統核心網絡，即GSM-MAP 和ANSI-41，國際電聯已決定將兩大網絡都定為第三代核心網絡。因此，要實現全球漫游，就必須通過信令轉換器把它們連接起來，形成邏輯上的統一核心網絡系統。

　　必須考慮多頻譜的無線接入方案。國際電聯稱之為無線傳輸技術（RTT）的無線接入方案，可以分為兩大類，一類是建立在現有頻段上把現有無線接入技術革新演變成能為第三代移動通信提供業務的RTT，這里最重要的是考慮反向兼容要求，其中工作頻段在900/1800/1900MHz 的GSM、北美的D-AMPS 和窄帶CDMA（IS-95）都在考慮向第三代過渡的反向兼容性。一類是直接工作在新的頻段上，即IMT-2000 制訂的2GHz 頻段上，為第三代移動通信開發出新的無線傳輸技術，即寬帶CDMA 技術（WCDMA）。

　　2 WCDMA 移動通信系統

　　WCDMA 是3G 的主要RTT 標準，與IS-95 相比，采用了寬帶擴頻技術，這樣能更好地利用CDMA 的優點如統計復用、多徑分辨和利用等，總體上看WCDMA 與IS-95、cdma 2000沒有本質不同，撇開ipR 問題，所有的不同點無非是怎樣才能更好發揮CDMA 的優勢、提高系統的性能如系統容量、通信質量和網絡覆蓋等。本文所指的WCDMA 關鍵技術并不是與IS-95、cdma 2000 相比WCDMA 系統特有的技術，而是在WCDMA 協議框架范圍內對系統性能有重要影響的技術，如果沒有這些關鍵技術，WCDMA 將達不到預期的目標。整個WCDMA 系統可分為兩大部分即無線接入網部分和核心網部分，兩部分的發展有很大的不同，核心網受有線網絡的技術發展影響很大，而無線接入網絡的目標一直是提高無線資源利用率和業務提供的靈活性。

　　2.1 CDMA 移動通信環境

　　移動通信環境至少包括無線信道和業務兩個方面。在移動通信系統中，信號的傳播由于移動、散射和衰落將導致復雜的電磁行為，具體表現在信號的時延、頻率和角度擴展。時延擴展使得接收端得到多個拷貝的信號，而且這些信號之間并沒有很明確的關系，時延擴展將直接導致碼間串擾ISI；頻率擴展將導致信號的時間衰落；角度擴展將導致信號的空間衰落。移動通信系統中業務環境也是系統設計需要考慮的重要因素。WCDMA 移動通信系統與2G 移動通信系統有很大的不同，數據業務將占很大的比重，而且不同的業務具有不同的QoS，比如占有不同的帶寬、具有不同的誤碼率等，無疑這要求無線資源管理算法能夠按需為用戶分配資源。業務環境還包括業務的空間分布和時間分布，WCDMA 系統中存在大量的突發到達業務，業務的空間分布可能取非均勻分布形式，用戶可能在某些區域發起呼叫的可能性較大。盡管WCDMA 與IS-95 A 在無線信道上沒有太大的差別，但業務環境的復雜性將導致WCDMA 系統在處理業務時需要更復雜的機制。

　　2.2 CDMA 需要解決的主要問題

　　CDMA 依靠特征碼來區分用戶，在移動通信環境中將導致兩個問題即多徑干擾和多址干擾，多址干擾又分本小區干擾和小區外干擾兩大類。

⑴ 多徑干擾

　　為了克服多徑干擾，需要特征碼有很好的自相關特性，而為了克服多址干擾需要特征碼之間有良好的互相關特性，如何尋找既有良好自相關又有良好互相關的特征碼一直是CDMA 研究的主要問題之一，這方面的努力還在繼續，比較遺憾的是Welsh 界告訴我們，自相關和互相關不可能同時做到都好，換句話說克服多徑干擾和多址干擾單從特征碼優選的角度看只能取得某種折中，多徑干擾和多址干擾問題是CDMA 移動通信系統內在問題，無論采用任何技術都只能減少多徑干擾和多址干擾的影響，而無法根本上消除。CDMA 研究的另外一個主要問題是依靠同步或準同步來改善CDMA 性能。

⑵ 多址干擾

　　多址干擾的表現形式主要是遠近效應，即功率強的用戶對功率弱的用戶帶來的多址干擾比相反方向即功率弱的用戶對功率強的用戶帶來的多址干擾要大，因此需要功率控制技術，平衡用戶功率，為了克服多址干擾還可以利用物理層技術如RAKE 接收、多用戶檢測和智能天線。WCDMA 系統中，第三層涉及到了呼叫管理CM、移動管理MM 和無線資源管理RRM三個部分，CM 和MM 與GSM、GPRS 相比有許多相似之處，WCDMA 的RRM 與GSM 相比則有很大的不同，需要解決這樣的問題：①需要給用戶分配多少資源，例如用戶通信過程中需要分配多少功率，再比如當用戶初次發起呼叫時，根據用戶的QoS 確定用戶所需要的無線資源；②當前系統中還有多少無線資源，例如當用戶初次發起呼叫或者有用戶期望切換到本小區時系統需要首先估計本小區還有多少資源，再與用戶期望的無線資源進行比較，以決定是否允許用戶接入。

3 WCDMA 的關鍵技術

3.1 軟件無線電

　　在不同工作頻率、不同調制方式、不同多址方式等多種標準共存的第三代移動通信系統中，軟件無線電技術是一種最有希望解決這些問題的技術之一。軟件無線電技術可將模擬信號的數字化過程盡可能地接近天線，即將AD 轉換器盡量靠近RF 射頻前端，利用DSP 的強大處理能力和軟件的靈活性實現信道分離、調制解調、信道編碼譯碼等工作，從而可為第二代移動通信系統向第三代移動通信系統的平滑過渡提供一個良好的無縫解決方案。

3.2 無線資源管理技術

　　包括切換、接入控制、擁塞控制、外環功率控制。當移動臺在使用相同頻率的扇區或小區之間移動時，進行軟切換。和第二代系統不同，第三代系統沒有GPS 引導下的定時裝置；又由于同步碼間歇發送的原因，相鄰基站的定時會有較大的相位差，所以軟切換時的接收和發送都比較復雜，硬件開銷會上升。為保證移動臺在空閑時正確進行頻間切換，有一種間歇式DL 時隙傳輸方案(信息在幀的頭和尾兩個時隙分別傳輸)可供選擇。在WCDMA 中，上行鏈路采用開環功控和閉環功控兩種方式。當上行鏈路沒有建立時，開環功控用來調節物理隨機接入信道的發射功率。鏈路建立之后，使用閉環功控。閉環功控包括內環功控和外環功控。外環功控以誤碼率或者誤幀率作為控制目標，下行鏈路只有閉環功控。

3.3 物理層技術

　　包括RAKE 接收、多用戶檢測、智能天線、內環功率控制，其中內環功控以信噪比作為控制目標。RAKE 接收就是完成多徑分離合并功能，與IS-95 A 的不同之處為，WCDMA 具有高3倍的多徑分辨能力，另外在WCDMA 系統中，可以利用用戶發射的導頻信息，在反向鏈路進行相干合并，對于WCDMA 理論分析顯示，若在反向鏈路采用8 個徑的RAKE 接收，75%以上的信號能量將被利用。RAKE 接收對于多址干擾的抑制能力取決于不同用戶特征碼之間的互相關性。

　　多用戶檢測考慮到其它用戶的信息如用戶之間的相關特性是已知的，充分利用CDMA用戶特征碼的內在結構信息改善接收系統的性能。比較典型的多用戶檢測算法有線性解相關算法和干擾抵消算法，線性解相關算法通過估計用戶之間的相關矩陣同時檢測多個用戶的信息，干擾抵消算法則先將干擾信號扣除掉，然后再進行信號檢測。多用戶檢測可以提高系統的容量，克服遠近效應的影響。目前適用于WCDMA 的多用戶檢測算法較少。今后多用戶檢測努力的方向是降低復雜度和針對WCDMA 系統進行設計。智能天線可分為兩類即外掛式和內嵌式。前者如Metawave 的方法，后者如Arraycomm的方法，在開發全新的WCDMA 基礎設施時，需要采用內嵌式的方法，以便充分利用智能天線帶來的全部優越性，包括：增大通信距離，提供更大范圍的覆蓋，可以實現特殊需求的覆蓋；增加系統通信容量；與其它技術結合，提供無線電定位，提供新的電信業務；改善通信質量，降低誤碼率

3.4 其他關鍵技術

　　包括特征碼優選、同步CDMA，與標準制定有關。

4 WCDMA 技術的主要特點

4.1 業務靈活性

　　WCDMA 允許每個5MHz 載波處理從8Kbps 到2Mbps 的混合業務。另外在同一信道上即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，從而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。

4.2 頻譜效率

　　WCDMA 能夠高效利用可用的無線電頻譜。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。重要的是，由于每個小區層所需要的頻率就是2×5MHz，因此一個分層式網絡可在2×15MHz 頻段內部署。

4.3 容量和覆蓋范圍

　　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，或者每個載波可處理50 個同時的Internet 數據用戶。有趣的是，在城市和郊區，WCDMA 的容量差不多是窄帶CDMA 的兩倍。更大的帶寬和在上行鏈路與下行鏈路中使用相干解調和快速功率控制允許更低的接收機門限。

4.4 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者傳真、電子郵件和視頻等數據業務的組合。

4.5 網絡規模的經濟性

　　通過為現有數字蜂窩網絡（如歐洲的GSM）增加WCDMA 無線接入并運行于兩種系統中，同一核心網絡可被復用，并使用了相同的站點。WCDMA 接入網絡與GSM 核心網絡之間的鏈路使用了最新的ATM 模式微型小區傳輸規程，即異步傳輸模式第二適配層（AAL2：ATM Adaption Layer 2）。這種高效地處理數據分組的方法將標準E1/T1 線路的容量提高到了大約300 個話音呼叫，而現在的網絡只有30 個話音呼叫。預計傳輸成本將節約50％左右。

4.6 卓越的話音能力

　　每個小區將能夠處理至少192 個話音呼叫，而在GSM 網絡中每個小區只能處理大約100個話音呼叫。

4.7 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將有盡可能大的業務映象。

4.8 快速業務接入

　　為了支持多媒體業務的即時接入，一種新的隨機接入機制已經開發出來，它利用快速同步來處理384Kbps 分組數據業務。在移動用戶和基站之間建立連接所需的時間只有零點幾毫秒。

4.9 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 技術的十分之一。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。因此，WCDMA 為GSM 運營公司提供了在現有投資上建立第三代無線接入的機會。無縫的全球標準提供了特別的機會來為第三代業務建立協調的全球標準。相應的，這也確保了無線網絡運營公司從全球漫游業務獲得高收益的機會。

5 WCDMA 的新技術

　　為了很好地解決WCDMA 系統覆蓋與容量之間的矛盾，消除干擾，提升系統容量，滿足用戶業務需求，在WCDMA 的后續發展中產生了許多新技術。其中最值得關注的就是高速下行分組接入（HSDPA）。HSDPA 是3GPP 在R5 協議中為了滿足上／下行數據業務不對稱的需求而提出的一種調制解調算法，它可以在不改變已經建設的WCDMA 網絡結構的情況下，把下行數據業務速率提高到10Mbps。該技術是WCDMA 網絡建設后期提高下行容量和數據業務速率的一種重要技術。

　　HSDPA 采用的關鍵技術是自適應調制編碼（AMC）和混合自動重復（HARQ）。AMC根據信道的質量情況，選擇最合適的調制和編碼方式。HSDPA 技術增加了高速下行共享信道（HS－DSCH），并依靠HARQ 和AMC 對信道變化進行適應。不同的用戶在時分和碼分上共享HS－DSCH 信道。為了承載下行信令，還增加了共享控制信道（HS－SCCH），與HS－DSCH 相關的上行采用DPCCH－HS 信道，承載HARQ 的ACK／NACK 信息和信道質量測量指示（CQI）。同時在NodeB 增加了MAC－hs 實體，該功能實體包含HARQ 和HSDPA 的調度功能以及對HS－DSCH 的控制功能。

　　HSDPA 提高下行數據速率的一種方法是采用多天線發射和多天線接收（MIMO）技術。其他技術也對WCDMA 網絡性能的提升提供幫助，比如智能天線SA 和多用戶檢測MUD。前者能顯著提高系統的容量和覆蓋性能，提高頻譜利用率，從而降低運營商成本，后者通過對多個用戶信號進行聯合檢測，從而盡可能地減小多址干擾來達到提高容量或覆蓋的目的。

6 結束語

　　國內外設計者對第三代移動通信進行了大量的研究，和第二代相比，業務有所增加，性能有所提高，但關鍵技術上的復雜度并沒有明顯上升。WCDMA 是統計復用無線資源，系統為了可靠工作需要復雜的無線資源管理如功率控制、接入控制和擁塞控制等。與IS-95 A相比，WCDMA 業務復雜性使得無線資源管理的作用更加突出。為了提高無線資源利用率，可以采用很多物理層技術如RAKE 接收、多用戶檢測和智能天線等，目前的研究是這三種技術趨于融合，只有這樣才能有效克服CDMA 的內在問題如多址干擾和多徑干擾。這些關鍵技術的研究還在進行之中，我們應該加強對先進技術的跟蹤，不斷對現有技術進行完善。

----《移動通信在線》