WCDMA系統的關鍵技術

2019-11-03 09:37:22

字體：大中小

來源：轉載

供稿：網友

趙建平1 CDMA發展歷程

     為了明確什么是W-CDMA系統的關鍵技術，有必要回顧一下蜂窩移動通信的發展歷史。
     1949年，Claude Shannon等人首次給出了CDMA框袈，1956年，PRice和Green提出RAKE接收機的概念，1978年Cooper等人給出在蜂窩移動通信系統中采用CDMA的建議。可以說CDMA技術由來以久，但CDMA或者確切地說擴頻技術除了應用在軍事領域外，還找不到更好的應用。
     上個世紀80年代可以說是移動通信發展的重要時期，因為這個時候幾乎同時萌芽了兩種重要的移動通信體制一種是TDMA體制，另一種是CDMA體制。1987年，歐洲確立了下一代移動通信體制將以TDMA技術為主，談到CDMA時則認為是幾乎無法實現的體制，國內的技術評論和分析也大致給出了相似的結論，TDMA的研究開發熱情最終導致一個幾乎被全球接收的GSM和其它類似系統如DAMPS和PDC。而幾乎與此同時，一家美國的公司Quallcomm則堅定地研究CDMA技術，在當時力量顯得非常微弱，1989年Quallcomm進行了首次CDMA試驗，并在以后的年份驗證了兩項CDMA關鍵技術功率控制和軟切換，隨后通過網絡運營說明CDMA的可行性。90年代中后期CDMA研究、開發熱潮正式來臨，就連老牌的TDMA設備制造商Ericcson也在3G中支持CDMA技術，Nokia很早就在積蓄CDMA力量，因此出現這樣的局面，在3G標準化進程中CDMA成了主流技術，差異無非是各種CDMA的變形如MC-CDMA、DS-CDMA、TD-SCDMA和TD-CDMA等。
     很容易提出這樣的問題，為什么幾乎同時萌芽的技術，TDMA早已成熟并得到大規模商用，而CDMA則后來才受到重視。單就技術原因來看，CDMA是更為復雜的技術，如果沒有功率控制等無線資源管理技術的支持，CDMA的性能比TDMA更差，Quallcomm的主要貢獻正在于證實了CDMA系統無線資源管理的可能性。CDMA研究、開發熱潮的到來說明了CDMA正在趨于成熟，國內有不少廠家已經初步掌握了TDMA技術，但對于CDMA還需要更多的努力。
     W-CDMA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W-CDMA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W-CDMA關鍵技術并不是與IS-95、CDMA 2000相比W-CDMA系統特有的技術，而是在W-CDMA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，W-CDMA將達不到預期的目標。
     整個W-CDMA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，本文所指的W-CDMA關鍵技術僅限于無線接入網部分。本文所指的關鍵技術不包括W-CDMA網絡部分。

2 CDMA移動通信環境和需要解決的問題

2.1 CDMA的本質------一種無線資源的統計復用方式
     移動通信系統需要解決的首要問題是多個用戶如何共享無線媒體，也就是解決多址接入問題。已經提出并實現了三種多址方式如FDMA、TDMA、CDMA， SDMA即依靠陣列天線來實現空分多址應該是非常有前途的第四種多址方式。在實際的移動通信系統中可能采用混合多址方式如GSM采用了FDMA/TDMA方式，SDMA可以與FDMA、TDMA、CDMA中的任何一個組合實現系統。
     移動通信系統的無線資源包括頻譜、時間、功率、空間和特征碼等要素。從移動通信發展歷史看，提高無線資源利用率一直是追求的主要目標。
     FDMA、TDMA與CDMA的最大不同點在于：CDMA是統計復用資源，每個載頻的所有用戶共享頻率、時間、功率資源，用戶之間只依靠特征碼來區分；而FDMA、TDMA是固定分配資源，不同的用戶在頻率、時間、功率資源上部分或全部不同，用戶之間有較好的隔離度。所有FDMA、TDMA和CDMA的技術差異都來源于這個不同點。
     以GSM（TDMA）為例，在移動通信環境下，只要網絡規劃尤其是頻率規劃和干擾規劃比較合理，由于用戶之間有較好的隔離度（或者靠頻率、或者靠時間），用戶之間的相互干擾比較容易控制，某個用戶增加或減少功率都不會給使用不同無線資源的用戶造成很大影響，無線資源管理比較簡單，系統主要依靠目前是否有無線信道設備決定接入用戶，這是固定分配資源帶來的好處，另外在GSM中采用了硬切換、慢速功率控制等技術，固定分配資源帶來的問題主要是無線資源的利用率比較低，最明顯的例子是語音通信，當用戶不說話時頻率資源被白白浪費掉。
     在IS-95(CDMA)系統中，不同的用戶具有不同的特征碼，頻率規劃比較簡單，但CDMA系統覆蓋和容量覆蓋需要很好的協調，如果某個小區業務負載過重則會導致覆蓋范圍減小甚至會出現覆蓋盲區，在IS-95中采用了軟切換、快速功率控制等技術，無線資源管理如接入控制比較復雜，這是統計復用資源帶來的問題，CDMA帶來的好處是無線資源的利用率比較高，還以語音通信為例，依靠DTX技術可以使同一小區內的無線資源得到最大限度的利用。
     要給出FDMA、TDMA和CDMA頻譜利用率和實現復雜度上的比較是一個復雜的問題，盡管TDMA和CDMA都可以在技術框架限定范圍內不斷引入新技術來提高系統性能，理論分析表明CDMA在網絡規劃和無線資源管理等技術的配合下，比TDMA有更高的頻譜利用率。
2.2 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。W-CDMA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，W-CDMA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W-CDMA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W-CDMA系統在處理業務時需要更復雜的機制。
     2.3 CDMA需要解決的主要問題
     如前所述，CDMA的所有問題都來源于無線資源的統計復用，還來源于移動通信環境的復雜性。
     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。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。
     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，GSM盡管也采用了功率控制技術但區別在于兩個方面：
     （1） GSM功率控制速率要慢得多；
     （2） GSM對功率控制依賴程度要低，而CDMA沒有了功率控制將幾乎無法工作。
     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。
     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，W-CDMA具有高3倍的多徑分辨能力，另外在W-CDMA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W-CDMA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。
     RAKE接收將來自其它用戶的干擾當作白噪聲看待。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。但關于多用戶檢測需要考慮：多用戶檢測算法運算復雜，實現比較困難；多用戶檢測僅可用于改善上行鏈路的性能，只適合在基站使用；多用戶檢測無法克服小區外干擾；適用于W-CDMA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W-CDMA系統進行設計。
     從目前商用化的情況看，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W-CDMA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。
     W-CDMA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，W-CDMA 的RRM與GSM相比則有很大的不同，作為無線資源管理至少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。
     本文認為特征碼優選、同步CDMA是如何設計一個CDMA框袈的問題，作為設備制造商、電信運營商應該更多關注在一個CDMA框袈內改善系統性能的技術。
；；；；基于前面分析，表1給出了W-CDMA的關鍵技術。