移動通信系統發展趨勢分析論文

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摘要本文介紹了第三代移動通信系統的研究現狀,分析和比較了分別以日本、美國和歐洲為主提出的W-CDMA、CdmaOne和TD-CDMA系統的技術特點,最后探討了第三代移動通信系統的發展趨勢。

關鍵詞第三代移動通信系統碼分多址IMT-2000

1引言

第三代移動通信系統是指能夠滿足國際電聯提出的IMT-2000/FPLMTS系統要求的新一代移動通信系統。國際電聯于1995年提出了IMT-2000/FPLMTS的評估標準,對未來蜂窩移動通信系統提出了較詳細的要求。

IMT-2000系統的基本特征有以下幾點:

球范圍設計的高度兼容性;

MT-2000中的業務與固定網絡的業務兼容;

質量;

機體積很小,具有全球漫游能力;

用的頻譜為

885MHz~2025MHz,2110MHz~2200MHz(共230MHz)

1980MHz~2010MHz,2170MHz~2200MHz(限于衛星使用)

動終端可以連接地面網和衛星網,可移動使用也可固定使用;

線接口的類型應盡可能得少,而且具有高度的兼容性。

從而可以看出未來的第三代移動通信系統要具有很好的網絡兼容性,用戶終端可在全球范圍內幾個不同的系統間實現漫游,不僅要為移動用戶提供話音及低速數據業務,而且要提供廣泛的多媒體業務,這就對無線接口提出了較高的要求。ITU已對IMT-2000的測試環境提出了具體要求,給出了表征IMT-2000系統的最低限度的參數,包括:支持的數據率范圍,誤碼率要求,單向的時延要求,激活因子和業務量模型。

根據ITU的要求,目前各大電信公司聯盟均已提出了自己的第三代移動通信系統方案,主要以日本DoCoMo公司為首提出的W-CDMA;美國Lucent、Motorola等公司提出的CdmaOne;歐洲西門子、阿爾卡特等公司提出的TD-CDMA。總體來說,在第三代移動通信系統中采用CDMA技術已達成共識,但各自實現方案還有較大差別,下面分別介紹并比較。

2三種方案的特點

(1)W-CDMA系統

由于歐洲的GSM系統已經在數字移動通信市場中占據了很大的份額,美國的窄帶CDMA系統(IS-95)也正在迅速趕上來,而日本的第二代數字移動通信系統PDC僅限于國內使用,無法推廣到其它國家,所以日本很早就開始從事第三代移動通信系統的開發工作,分別提出了基于TDMA(時分多址)和基于CDMA(碼分多址)的第三代移動通信系統,希望在未來的市場中占據有利地位,尤其以DoCoMo公司(NTT)的W-CDMA系統最有競爭力,目前DoCoMo公司正在同愛立信、Motorola、Lucent,以及其它廠家合作,努力完善系統,爭取在1998年完成樣機,1999年進行商業試驗。

W-CDMA系統無線接口的基本參數為

擴頻方式:可變擴頻比(4~256)的直接擴頻;

載波擴頻速率:4.096Mchip/s;

每載波帶寬:5MHz(可擴展為10MHz/20MHz);

載波速率:16kbit/s~256kbit/s

幀長度:10ms;

時隙長度(功率控制組):0.625ms;

調制方式:QPSK

功率控制:開環+自適應閉環方式(功控速率1.6kbit/s)

W-CDMA系統中采用導頻符號相干RAKE接收機技術,解決了反向信道的容量限制問題,每個無線幀長度為10ms,分成16個時隙(timeslot),每個時隙長度為0.625ms,在每個時隙的前部插入全“1”或全“0”的導頻符號進行信道參數估計,這種方法在其它系統的調制中也有采用的,但W-CDMA系統將從導頻符號得到的衰落信道的振幅和相位信息,作為RAKE接收機最大比值合并的加權系數,取得了很好的效果。

與IS-95不同,W-CDMA系統不采用GPS精確定時方式,不同基站間不采用精確定時,優點是擺脫了美國GPS系統的控制,可采用較為自由的信道管理方式。缺點是需要快速實現小區搜索。

自適應陣列天線技術可以增加系統容量,而干擾消除技術可以減少高速率用戶對系統造成的干擾。雖然這兩種技術在實際應用中還有許多問題尚未解決,但日本正努力在W-CDMA系統中采用這兩項技術。自適應陣列天線技術已經有很多文章論述過,這里不再介紹。干擾消除技術實際上是多用戶檢測技術的一種實現方式。采用2~3級干擾消除器,容量可增加30%。

另外,W-CDMA系統采用了精確的功率控制,即采用基于SIR(信噪比)的開環+閉環的功率控制方式,在業務信道幀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,可以跟蹤一般的快衰落過程。

(2)CdmaOne系統

CdmaOne是Lucent、Motorola、Nortel、Qualcomm和三星聯合提出的第三代移動通信系統方案,是從IS-95和IS-41的標準發展而來,因此它與AMPS、DAMPS和IS-95均有較好的兼容性。同時,又由于它采用了一些新技術,使其能完全滿足第三代移動通信系統即IMT-2000/FPLMTS的要求,其無線接口參數如下:

載波帶寬:5MHz(可擴展為10/20MHz)

擴頻方式:采取直接擴頻或多載波擴頻;

擴頻速率:3.6864Mchip/s;

擴頻碼長度:可根據無線環境和數據速率而變化;

幀長度:20ms;

時隙長度(功率控制組):1.25ms;

調制方式:下行QPSK,上行BPSK;

功率控制:開環+閉環方式(功控速率800bit/s)。

CdmaOne扇區內采用連續導頻信道廣播,能提供獨立于傳輸速率的功控、定時和相位糾正,能以較小的復雜度提供基站的快速捕獲和鄰近基站的快速搜索。與IS-95相同的短碼結構加上Walsh函數使信道之間正交,高速(800bit/s)前向鏈路功控使前向鏈路平均發射功率最小化。

調制方式采取多載波方式和直擴方式。這兩種方式有相同的信息傳送率和實現復雜度。多載波CDMA鏈路在5MHz帶寬內有3個1.25MHzCDMA載波,10MHz帶寬則有10個1.25MHz載波。多載波CDMA前向鏈路信號與IS-95前向鏈路信號正交,編碼后的信息符號同時在多個CDMA載波上傳送,由此帶來的頻域分集等效于將信號擴展到整個帶寬。導頻信號在IS-95與多載波業務信道重疊時可以共享,在相同的頻段允許前向鏈路容量在IS-95和寬帶用戶之間動態共享,繼續支持低成本/低功耗的IS-95手機用于話音和低速數據業務。

直接擴頻鏈路擴頻速率為3.6864Mchip/s,采用256位的Walsh碼。Walsh碼的長度可根據無線環境和數據速率而變化,在信道速率為9.6kbit/s或者14.4kbit/s時采用256位Walsh碼;快速移動的用戶可限制Walsh碼長大于等于16位;用戶在無線信道情況較好時,可采用4位的Walsh碼以實現最高的數據速率。

(3)TD-CDMA

UMTS是ETSI針對第三代移動通信系統IMT-2000提出的解決方案,目前又分為2個子方案即由德國的kaiserslautern大學、西門子公司、阿爾卡特公司提出并得到GSM網絡運營者支持的TD-CDMA系統和由NTTDoCoMo、愛立信公司、諾基亞公司提出的W-CDMA系統。

TD-CDMA可以單獨運營以滿足ETSI/UMTS和ITU/IMT-2000的要求也可雙模工作向后兼容GSM900和DCS1800,使第二代GSM900、DCS1800系統可以平滑過渡至IMT-2000,從而可以利用現有的GSM網絡設備,節約了投資,其無線接口參數如下:

每載波帶寬:1.6MHz;

每載波時隙數:8slot;

幀長度:4.615ms;

時隙長度:577μs;

單位時隙信道數:8個;

單位時隙傳信率:8/16kbit/s;

特征碼擴頻碼長度:16bit;

單位載波信道數:64個。

從TD-CDMA的接入方式可以看出其兼有TDMA和CDMA的特點,是以TDMA為基本框架在每個時隙傳送具有正交特征碼的多用戶信號,好處是能利用TDMA、CDMA的優點并克服各自的缺點且與GSM有較好的兼容性。TDMA的優勢是已經通過了大量用戶的試驗和有全球最大的用戶數;而CDMA的優勢是可靈活提供可變速率業務和多徑分集能力。單位載波信道數的增加所帶來的好處是對于同樣的小區用戶數而言,收發信機個數降低,最多可達8倍,從而可降低基站設備的投資。

TD-CDMA中的擴頻調制不同于DS-CDMA,它具有很強的適應性,既可適應于GSM中所采用的QPSK/GMSK方式,又可適應于多載波CDMA和脈沖壓縮(PulseCompression)CDMA,從而確保了對GSM系統的兼容性和對新技術的開放性。

由于TD-CDMA系統接入方式的特殊性,從時域上已大幅度降低了多址干擾,加上小區復用系數為3,又從空間上隔離了部分多址干擾,僅考慮上述2項就比直擴CDMA要優越。另外,由于TD-CDMA用戶數少,每時隙最多為8個信道,共有16個特征碼字表示的信道,多用戶信號是同步的,從而決定了聯合檢測(即多用戶檢測)容易實現,且可進行最大似然檢測以達到多用戶檢測的性能極限,大大降低了多址干擾。而在直擴CDMA中(如IS-95),由于反向信道異步和用戶數多的特點使得多用戶檢測難以實現。

3三種方案的性能比較

這三種方案都是根據ITU的IMT-2000系統框架要求,結合原有的系統及近幾年移動通信領域的新技術,能夠在2000年左右推出商用的移動多媒體通信系統。下面我們從幾方面比較一下這三種方案。

(1)利用CDMA技術的程度

CDMA技術主要有以下幾個優點:小區復用系數為1,利用多徑能力,可變擴頻增益,多用戶檢測,軟切換,軟容量。TD-CDMA、W-CDMA、CdmaOne對CDMA技術的利用程度各不相同,如表1所示。總的來說,TD-CDMA較差,這是因為TD-CDMA系統要與GSM系統兼容,小區復用系數為3,降低了頻譜利用率,并且因為擴頻帶寬只有1.6MHz,所以并不能充分利用多徑,降低了系統效率,并且軟切換和軟容量能力實現起來很困難,但因為每個時隙內最多只有8個用戶,所以采用聯合檢測相對來說要容易一些,對干擾抵消能力強。

表1三種方案的比較W-CDMACdmaOneTD-CDMA

小區復用系數113

利用多徑能力好好差

軟切換好好困難

擴頻增益4~2564~25616

多用戶檢測困難困難容易

軟容量可以實現可以實現無法實現

(2)同步方式,功率控制和支持高速業務能力

目前商用的CDMA系統(IS-95),采用64位Walsh正交擴頻碼序列,反向信道采取非相干接收方式,成為限制系統容量的主要問題,所以在第三代系統中反向鏈路普遍采用相干接收方式。W-CDMA系統采用內插導頻符號輔助相干接收技術,兩者具體性能目前還較難比較,涉及到接收機的結構及實際環境限制,但前者在車輛移動速度較快時,會跟蹤不上快衰落變化,性能惡化。另外,CdmaOne系統需要GPS精確定時,小區間要保持同步,對定時系統要求較高;而W-CDMA和TD-CDMA系統則不需要小區間的同步,可適應環境的變化,可在室外、室內、甚至地鐵中使用。TD-CDMA系統繼承了GSM900和DCS1800正反向信息同步的特點,從而克服了反向信道限制容量的瓶頸效應,而同步意味著正反向信道均可采用正交碼,從而克服了遠近效應,降低了對功率控制的要求。

CdmaOne系統采用與IS-95系統相同的開環加閉環功率控制方式,功控速率為800bit/s,W-CDMA系統采用開環加自適應閉環功控方式,功控速率增加到1600bit/s,效果有較大提高,可以抵消一般快衰落的影響。TD-CDMA采用了聯合檢測進一步消除了多用戶干擾,使得上行鏈路用戶之間功率相差很大時仍能有效地解調信息即克服了遠近效應,帶來的好處是為了克服瑞利衰落(快衰落)的快速功率控制不是必須的,而消除對數正態衰落(慢衰落)的慢速功率控制仍有必要,其目的是為了節約功率、延長移動臺的電池使用壽命和提高業務質量。由于對抗快衰落的能力較強,TD-CDMA可以支持高達每小時500km的移動體的通信,這在現代移動通信中是至關重要的。而直擴CDMA對于高速移動通信的支持能力較差。

W-CDMA系統在5MHz帶寬中可提供16kbit/s、32kbit/s、64kbit/s、128kbit/s等多個傳輸速率。當信息速率超過128kbit/s時,W-CDMA系統可分配多個碼分信道給用戶進行復用,采用并行傳送方式可提供384kbit/s(128kbit/s×3),并且可容易地實現室內2Mbit/s的信息傳送。CdmaOne系統可通過多載波傳送或復用碼信道,實現較高速率的信息傳送。TD-CDMA提供綜合業務是通過無線電資源的復用,可采用在每個時隙內的多碼傳輸和時隙合并方式,為了達到2Mbit/s的峰值速率需采用16進制的QAM調制方式,當移動臺的傳信率較高時需要較高的發射功率,又因為采用與GSM系統相同的TDMA時隙分配方式,所以無法充分利用系統資源,造成浪費。

(3)與已有系統的兼容性

CdmaOne系統將IS-95從一個話音、低速數據系統改進為一個無線多媒體系統,使之能提供基本滿足IMT-2000要求的容量和服務,優化了話音和數據業務,能支持高速率的電路和分組業務,提供平滑地向后兼容性(與IS-95),其網絡結構和軟件均從IS-95系統發展而來,N×1.25MHz信道帶寬與IS-95已經使用的頻帶兼容。TD-CDMA系統與GSM有相同的幀長度和時隙長度,將GSM或DCS1800的網絡作相應擴充,即可實現與TD-CDMA系統的兼容,在與公網的接口上則向ATM過渡,提高了市場競爭能力。W-CDMA系統,與第二代及在第二代基礎上開發的PCS及PCN系統不兼容,需要單獨的基站和移動臺子系統,需要全面安裝系統設備,所以初期投資要大一些。

4未來的發展趨勢

ITU為IMT-2000/FPLMTS系統提出的時間表是:1998年底完成無線傳輸技術的選擇,1999年完成標準的制定,2000年以后開始商用。現在以日本、歐洲和美國電信公司為主的聯盟已分別提出了各自的第三代移動通信系統,決定最終結果的不僅是技術的先進,還有成本、系統的復雜性和市場需求,具體如下:(1)市場需求。IMT-2000商用系統將在2000年左右推出,會在以后十年內逐漸占領市場,所以要研究今后幾年人們對移動通信業務需求,IMT-2000應能夠提供那些業務。(2)成本和系統復雜性。成本取決于系統本身的投入,及與已有系統設備的兼容性。從初期投入來分析,W-CDMA系統采用了一些新技術,要設計全新的基站和移動臺,及整個網絡結構,所以投入要大一些。(3)技術先進性。運營商希望以較少的基站覆蓋較大的區域,并且提高系統容量。從整體的性能來衡量,W-CDMA因為設計比較超前,可提供更多的業務、較大的系統容量而具有相當大的競爭力,TD-CDMA系統因為其本身的缺陷,無法充分發揮CDMA技術的優勢。

由于目前的移動運營商已在現有的第二代移動通信系統中投入了大量資金,因此必然希望將自己目前的系統平滑過渡到第三代系統;另外,歐、日、美電信公司都希望在未來的第三代移動通信系統市場中占有較大份額,都不會輕易放棄自己的方案。因此,國際電聯很難最終形成一個統一的第三代移動通信標準,極有可能幾種方案共存。

5結束語

本文介紹了有可能成為IMT-2000標準的三個第三代移動通信系統候選方案,比較了其技術特點。我國應積極參加國際電聯有關第三代移動通信系統的方案論證過程,并開展第三代移動通信系統的關鍵技術的研究工作,希望能盡力擺脫專利問題的困擾,形成自己的專利技術,提高中國電信業的獨立性和與國外電信廠商的競爭能力。

我國目前尚沒有能力從事整個第三代系統的研制,但可在跟蹤的基礎上,爭取在移動通信的關鍵技術中有所突破,形成自主開發的專利技術。我們可以在以下幾個方面有所突破:(1)智能天線;(2)干擾抑制(多用戶檢測);(3)多址劃分;(4)功率控制;(5)系統優化;(6)組網技術。