3G主流技術及其演進過程

2019-11-03 09:31:07

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劉延峰　　摘要：簡述3G（第三代移動通信系統）概況及其體制標準，介紹3G發展現狀及主流應用技術，分析探討了2G（第二代移動通信系統）向3G演進的方式。

　　關鍵詞：3G；CDMA2000；WCDMA；TD-SCDMA；CDMA2000 1X；GPRS

　　1　3G發展現狀

　　ITU在1996年將3G（第三代移動通信系統）由原來的FPLMTS正式命名為IMT-2000，其含義是3G統一使用2000MHz頻段、最高數據傳輸速率2000kbit/s，并計劃于2000年投入使用。ITU提出的IMT-2000系統分為陸地網和衛星網兩大部分，包括尋呼、無繩系統、蜂窩系統和移動衛星通信系統等功能，IMT-2000宗旨是建立一個全球統一的多媒體移動通信網，它的最終目標概括為三點：（1）建立一個全球無縫覆蓋的移動網絡，可提供全球漫業務。（2）支持寬帶多媒體綜合業務，其數據傳輸速率要求為：室內低速時2Mbit/s，室內/室外中速時384kbit/s，車載高速時144kbit/s，衛星環境下不小于9.6kbit/s。（3）提供高服務質量和安全保密性能。

　　ITU主要致力于3G技術體制標準的制定工作，3G標準分為核心網標準和無線接口標準兩大部分。目前，核心網標準尚不明朗，但總趨勢是向支持ip的分組平臺發展，2G兩大核心網MAP及ANSI-41可能長期并存。無線接口標準已基本完成，ITU經過10個候選方案的頻譜效率、網絡接口、QoS、技術復雜性、覆蓋率、靈活性和設備體積等諸多方面的全面評估，最終正式確認了5種無線標準，分別是MS-CDMA、DS-CDMA、TD-CDMA、SC-TDMA、MC-TDMA，這是一個以CDMA技術為主體，兼顧TDMA技術，包含FDD和TDD兩種雙工方式的多元化體系標準，它基本涵蓋了目前2G的兩大技術體制，是一個多方利益妥協的結果，并沒有真正實現標準的統一，因此3G實際是一個“家族概念”的網絡。從移動通信技術發展趨勢和可實現業務功能分析，基于CDMA制式的3種標準被普遍看好，分別對應CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA三種技術，這三種技術極有可能成為未來3G的三大主流應用技術。

　　目前，三大主流技術標準已得到業界認可，在技術進步和市場驅動的雙重作用下，3G從概念向產業化的進程在加快，全球主要設備廠商都在積極跟蹤研發基于三大主流技術的3G網絡產品，2001年下半年已推出CDMA2000和W-CDMA可商用系統及TD-SCDMA產品樣機。此外，3G商用進程也已開始，日本DoCoMo已在東京地區開通世界上第一個W-CDMA商用網，歐洲已完成3G國際漫游測試，全球各大運營商對參與3G運營態度積極，歐洲、香港、臺灣及韓國都已完成3G牌照發放，國內幾大運營商也在積極爭取3G牌照，并競相開展3G網絡實驗，為3G運營作前期準備。綜觀全球3G發展現狀，3G技術正處于發展和完善階段，三大主流技術標準將經歷逐步融合演變的過程，最終實現全球的統一，現有2G網絡將向3G過渡已是大勢所趨。

　　2　3G技術基本特點

　　從目前已確立的3G標準分析，其網絡特征主要體現在無線接口技術上。蜂窩移動通信系統的無線技術包括小區復用、多址/雙工方式、應用頻段、調制技術、射頻信道參數、信道編碼及糾錯技術、幀結構、物理信道結構和復用模式等諸多方面。縱觀3G無線技術演變，一方面它并非完全拋棄了2G，而是充分借鑒了2G網絡運營經驗，在技術上兼顧了2G的成熟應用技術，如小區復用、多址/雙工方式、多相QPSK調制、卷積及交織技術、功率控制等；另一方面，根據IMT-2000確立的目標，未來3G系統所采用無線技術應具有高頻譜利用率、高業務質量、適應多業務環境，并具有較好的網絡靈活性和全覆蓋能力，因此，與2G相比3G在無線技術上的創新主要表現在以下幾方面。

　　（1）采用高頻段頻譜資源

　　為實現全球漫游目標，按ITU規劃IMT-2000將統一采用2G頻段，可用帶寬高達230MHz，分配給陸地網絡170MHz，衛星網絡60MHz，這網絡為3G容量發展，實現全球多業務環境提供了廣闊的頻譜空間，同時可更好地滿足寬帶業務。

　　（2）采用寬帶射頻信道，支持高速率業務

　　充分考慮承載多媒體業務的需要，3G網絡射頻載波信道根據業務要求，可選用5/10/20M等信道帶寬，同時進一步提高了碼片速率，系統抗多徑衰落能力也大大提高。

　　（3）實現多業務、多速率傳送

　　在寬帶信道中，可以靈活應用時間復用、碼復用技術，單獨控制每種業務的功率和質量，通過選取不同的擴頻因子，將具有不同QoS要求的各種速率業務映射到寬帶信道上，實現多業務、多速率傳送。

　　（4）快速功率控制

　　3G主流技術均在下行信道中采用了快速閉環功率控制技術，用以改善下行傳輸信道性能，這一方面提高了系統抗多徑衰落能力，但另一方面由于多徑信道影響導致擴頻碼分多址用戶間的正交性不理想，增加了系統自干擾的偏差，但總體上快速功率控制的應用對改善系統性能是有好處的。

　　（5）采用自適應天線及軟件無線電技術

　　3G基站采用帶有可編程電子相位關系的自適應天線陣列，可以進行發信波束賦形，自適應地調整功率，減小系統自干擾，提高接收靈敏度，增大系統容量，另外軟件無線電技術在基站及終端產品中的應用，對提高系統靈活性、降低成本至關重要。

　　3　3G主流應用技術

　　就3G技術發展趨勢看，CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA三種技術體制最具潛力，是未來3G主流應用技術，其共同特點是都應用碼分多址技術實現信道共享，并采用擴頻通信技術提高系統質量，但在具體系統參數選取上各不相同，因此各具特點。

　　CDMA2000源于美國IS-95體系，是北美3G體制標準的代表，屬CDMA/FDD體制，主要沿用IS-95技術，屬同步寬帶CDMA技術。CDMA2000主要特點是：在下行信道傳輸中，定義直擴和多載波傳輸兩種方式，碼片速率分別為3.6864Mcps和1.22Mcps，多載波方式能很好地兼容IS-95網絡；在同步方式上CDMA2000與IS-95相同，基站間同步采用GPS方式；在擴頻碼選擇采用相同M序列，通過不同的相位偏置區分不同的小區和用戶；此外在下行信道中采用公共連續導頻方式進行相干檢測，提高系統容量。CDMA2000設計了兩類碼復用業務信道，基本信道用于傳送語音、信令和低速數據，是一個可變速率信道，補充信道用以傳送高速率數據，在分組數據傳送上應用了ALOHA技術，改善傳輸性能；另外CDMA2000射頻帶寬從1.25MHz到20MHz可調。

　　W-CDMA是歐洲和日本提出的3G候選方案最終融合的標準，同屬CDMA/FDD體制，它是建立在窄帶CDMA技術基礎上的一種異步寬帶CDMA技術。W-CDMA只采用直擴方式，并選用4.096Mcps高速率碼片，擴頻碼采用GOLD長碼擴頻序列，依靠不同長碼序列區分大小區和用戶，基站間采用準同步方式，GPS同步方式為可選項目。W-CDMA在下行信道采用時分復用專用導頻方式進行相干解調；業務信道分為單碼傳送和多碼傳送兩種結構，可將多種速率的不同業務分配給同一個5MHz載波上的多個用戶。

　　TD-SCDMA是由中國提出的3G體制標準，它與前兩個標準最大不同之處是采用了TDD雙工方式，并將TDMA與CDMA技術結合應用，優勢在于節省頻譜資源，不需要成對的頻率，能很好地實現非對稱數據傳輸，由于上下行傳播特性相同，可以使智能天線技術得到最佳應用，同時它還應用了軟件無線電、聯合檢測等新技術。

　　綜觀這三大主流技術，就發展背景而言，CDMA2000和W-CDMA以成熟的二代CDMA/FDD技術為基礎，源于歐洲及北美兩大移動通信陣營，均有世界知名運營和制造業廠商作支撐，具有強大的研發及產業化優勢，其主要優勢在于已有二代的成功運營經驗和高度的市場認知度，在技術上較TD-SCDMA成熟，另外FDD技術在滿足終端高速移動方面優勢明顯，缺點是由于采用5MHz標稱射頻帶寬，頻譜利用率及抗干擾能力較TD-SCDMA低，設備成本較高。相對而言，TD-SCDMA，作為一種TDD方式的3G標準得到了業界的廣泛關注，其主要優勢采用1.7MHz射頻帶寬，通過采用TDMA+CDMA方式，實現了時隙碼復用，巧妙地提高系統容量，頻譜利用率高，設備成本低，并可適時分配上下行時隙，特別適合于非對稱業務傳輸，缺點是系統同步要求較高，終端移動速度受限，由于應用了智能天線、聯合檢測等新技術，技術成熟性有待提高。從目前3G發展現狀看，CDMA2000因具有較好的兼容性，勢頭最為強勁，優勢突出，得到了全于較好的兼容性，勢頭最為強勁，優勢突出，得到了全球主要運營商及制造商的廣泛支持和認可，有可能在未來3G網絡中處于主導地位；W-CDMA發展中遇到了一些問題，進展相對遲緩，業界持觀望態度；TD-SCDMA技術雖起步較晚，但發展較快，在短時間內完成了由理論到樣機的轉變，最近又成功地完成了室外網絡通話實驗，很可能在2003年推出商用系統，其技術的成熟性及市場認知度有了新的提高。

　　4 3G演進方式

　　3G發展進程受諸多因素影響，除技術及市場需求外，目前龐大的2G網絡如何低成本向3G網絡演進，是影響3G技術選擇及商用化程度的重要因素。

　　（1）向CDMA2000的演進方式

　　可能的演進路線是IS-95-CDMA2001 1x-CDMA2000。世界上絕大多數窄帶CDMA運營商將按此路線向3G運營過渡，是北美3G體制過渡的主要方式。目前CDMA運營處于IS-95基礎上，經完善形成的3G過渡方案，被稱為2.5G技術，在容量上它是IS-95的兩倍，支持153kbit/s高速數據業務，CDMA2000 1x是2G向3G過渡的重要階段，目前是業界最為關注的技術，眾多3G廠商都已推出自己的產品，CDMA2000 1x實驗網也已在國內主要城市開通。CDMA2000的整個演進路線，思路清晰，能很好地兼容現有2G網絡，過渡成本較低，目前發展勢頭強勁，前景較為樂觀。

　　（2）向WCDMA的演進方式

　　可能的演進路線是GSM-HSCSD-GPRS-EDGE-WCDMA。此路線是歐洲及日本3G體制過渡的主要方式，是目前GSM運營商向3G運營的首先方案。GSM是2G　TDMA移動通信的主要標準，優勢在于標準的成熟性和完整性上，HSCD被稱為高速電路交換數據業務，它主要是通過時隙捆綁技術提高數據傳輸速率，可支持最高57.6kbit/s的數據業務；GPRS通用分組無線業務是GSM的3G過渡方案，也稱為2.5G技術，它主要是一個通過設置網關GGSN和業務支持節點SGSN，疊加在現有GSM網之上的無線分組網，可提供114kbit/s數據業務；EDGE是一種增強型GSM數據業務，它是在采用捆綁技術基礎上，通過應用高效調制技術，進一步提高數據傳輸速率，可實現384kbps的高速數據傳輸。GPRS的商業運營是GSM向3G過渡的關鍵，與目前CDMA2000 1x發展態勢相比，全球GPRS發展相對滯后，國內GPRS也遲遲也沒啟動，另外WCDMA的過渡成本相對較高，發展中也遇到了一些技術難題，這些將可能對WCDMA的商業運營產生影響。

　　（3）向TD-SCDMA的演進方式

　　相比之下，TD-SCDMA演進路線尚不明朗，開發廠商宣稱TD-SCDMA主要基于GSM MAP網實現平滑過渡，同時也兼容ANSI-41向3G過渡，能最大程度地降低過渡成本，但這都有待于實際運營檢驗。對于移動運營商，TD-SCDMA又多了一種技術選擇，特別是新興移動運營商選擇的可能性較大，TD-CDMA將憑借TDD無線通信固有特點，在未來3G網絡中占據一席之地。

　　5　3G前景

　　未來3G網絡，受體制標準及商業利益影響，初期將是“家族式”多元化網絡，其成員應包括三大主流應用技術及衛星移動通信的應用，各成員間相互提供漫游服務，同時兼容現有2G網絡。3G運營環境將是多層次結構，基本話音業務主要還用2G網絡承載，只是在有3G業務需求的地區，疊加3G網絡，提供3G移動多媒體業務，降低初期網絡成本。但隨著技術的融合，業務需求的增長，最終3G將全面取代2G網絡。

摘自《黑龍江通信技術》2002.1

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