Communication 版 (精华区)

发信人: Iamhere (灯火阑珊·鬼塚先生), 信区: Communication
标  题: 技术讲座： CDMA及第三代移动通信系统（6）
发信站: 哈工大紫丁香 (2003年11月16日21:43:49 星期天), 站内信件

第五讲 第三代移动通信系统的无线传输技术 
 

  5.1 第三代移动通信系统的基本特征及演进策略

5.1．1  第三代移动通信的特点和基本特征

    第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点概括
为：

·         全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一般为区域或
国家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。它将
使用共同的频段（尽管WRC分配给IMT-2000使用的1885-2025MHz, 2110-2200MHz，
但在美国部分频段已用于PCS。目前的230MHz频段只是IMT-2000计划频谱的一部分
，ITU即将完成扩展频谱的规划），全球统一标准。

·         具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务：现有的移动
通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供100kb/s-200kb/s的
数据业务，GSM 演进到最高阶段的速率能力为384kb/s。而第三代移动通信的业务
能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务；应能
根据需要，提供带宽。ITU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必
须满足在以下三个环境的三种要求。即:

快速移动环境，最高速率达144kb/s

室外到室内或步行环境，最高速率达384kb/s

室内环境，最高速率达2Mb/s

·         便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相
当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并
应与固定网兼容。

·         高频谱效率。

·         高服务质量。

·         低成本。

·         高保密性。

5.1.2、第三代移动通信的系统组成及演进策略

    IMT-2000系统构成见图1，它主要有四个功能子系统构成，即核心网(CN)、无
线接入网(RAN)、移动台(MT)和用户识别模块(UIM)组成。分别对应于GSM系统的交
换子系统(SSS)、基站子系统(BSS)、移动台(MS)和SIM卡。


图1 IMT-2000功能模型及接口


    另外ITU定义了4个标准接口，即:

·         网络与网络接口(NNI) ：由于ITU在网络部分采用了“家族概念”，因
而此接口是指不同家族成员之间的标准接口，是保证互通和漫游的关键接口。

·         无线接入网与核心网之间的接口(RAN-CN)，对应于GSM系统的A接口。


·         无线接口(UNI)

·         用户识别模块和移动台之间的接口(UIM-MT)

    图2示出了第三代移动通信系统的分层结构，其中：

·         物理层：它由一系列下行物理信道和上行物理信道组成。

·         链路层：它由媒体接入控制（MAC）子层和链路接入控制（LAC）子层
组成；MAC子层根据LAC子层不同业务实体的要求对物理层资源进行管理与控制，并
负责提供LAC子层业务实体所需的QoS级别。LAC子层与物理层相对独立的链路管理
与控制，并负责提供MAC子层所不能提供的更高级别的QoS控制，这种控制可以通过
ARQ等方式来实现，以满足来自更高层业务实体的传输可靠性。

·         高层：它集OSI模型中的网络层，传输层，会话层，表达层和应用层为
一体。高层实体主要负责各种业务的呼叫信令处理，话音业务（包括电路类型和分
组类型）和数据业务（包括IP业务，电路和分组数据，短消息等）的控制与处理等
。

    ITU-R TG8/1从第三代移动通信系统无线传输技术的10个候选方案中最终确定
下来的第三代移动通信系统的无线传输技术分为CDMA和TDMA两类，


图2 第三代移动通信系统分层结构
     具体包括：

    CDMA DS: UTRA/WCDMA；

    CDMA MC: cdma2000 MC；

    CDMA TDD: TD-SCDMA和UTRA TDD；

    TDMA SC: UWC136；

    TDMA MC: DECT。
 

限于篇幅，这里省略了有关技术的介绍，感兴趣的读者可以在ITU-R或CWTS的网站
上下载有关的内容。我们以下的讨论将主要集中在与CDMA类无线传输技术有关的方
面。

    目前ITU-T的两个工作组Q.1701和Q.1711正致力于IMT-2000的高层协议及网络
接口方面的制定工作。其中Q.1701工作组的目标是明确IMT-2000的家族概念，确定
关于IMT-2000的业务及网络能力、实现途径、接口关系等方面的框架结构。而Q.
1711工作组的目标是确定IMT-2000网络及终端的功能，给出IMT-2000的一般性功能
模型，把一般性功能模型映射成网络参考模型，确定全球漫游所需的网络互联需求
，给出开发UIM-MT接口，无线接口，RAN-CN接口及CN-CN接口的高层信令需求等。
尽管目前核心网络的演进形态及其发展趋势尚未最终明确，但从Q.1711给出的网络
参考模型可以看出，基于第二代核心网络GSM/MAP和IS－41的过渡方法将在IMT－
2000核心网络的发展过程中占主导地位。

    CDMA技术中的WCDMA、TD-SCDMA技术初期将采用基于GSM/MAP的核心网，最终过
渡到第三代的核心网；而cdma2000核心网的演进则是基于IS-41及正在完善的
IS-634 RAN-CN接口标准。


图3 GSM/WCDMA网络演进形态


    图3给出了一种可能的GSM/WCDMA网络演进形态，它建立在已有的GSM/MAP和正
在发展中的GSM通用分组无线业务(GPRS)网的基础上。对于IMT-2000所需的基本话
音业务及速率较高的电路型数据业务，由传统的GSM MSC/VLR支撑；对于分组型数
据业务则由GPRS网关支持节点(GSN)所支撑。为了支持第三代移动通信所需的越区
软切换，基站控制器之间还需增加GSM系统所不具备的RAN-RAN接口。对于HLR/AC功
能则可借用第二代系统已有设备。


图4 IS-95/cdma2000网络演进形态


    图4给出了一种可能的IS-95/cdma2000网络演进形态，它建立在已有IS-41核心
网及正在完善之中的IS-634A RAN-CN接口标准上。由于北美在制定与IS-41相关的
核心网络标准IS-634A、IS-707时，已考虑到分组数据的应用，因而可通过对现有
核心网络的改造，完善对第三代移动通信所需的并发多业务的支撑。

    采用TD-SCDMA技术向第三代的平滑过渡方案如图5所示。具体将分两步实现。



图5 采用TD-SCDMA的演进步骤


    第一步将现在的BSC换为EBSC，EBSC可接GSM的BTS，也可接第三代的NODE-B，
NODE-B为TD-SCDMA设备；在E-BSC接入IP接口，就可提供宽带数据业务，GSM用户在
E-BSC覆盖范围内可享受三代业务。

    第二步仍然保持GSM的MSC，增加一个三代的MSC，采用ATM交换机。A接口不变
，完全保留GSM网络的完整性，RNC是新设备，而NODE-B不需改变。

　

5.2第三代移动通信系统关键技术

5.2.1、初始同步与Rake多径分集接收技术

        CDMA通信系统接收机的初始同步包括PN码同步，符号同步、帧同步和扰码
同步等。cdma2000系统采用与IS-95系统相类似的初始同步技术，即通过对导频信
道的捕获建立PN码同步和符号同步，通过同步(Sync)信道的接收建立帧同步和扰码
同步。WCDMA系统的初始同步则需要通过“三步捕获法”进行，即通过对基本同步
信道的捕获建立PN码同步和符号同步，通过对辅助同步信道的不同扩频码的非相干
接收，确定扰码组号等，最后通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同步。

    移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传播所造成的多径衰落
现象是移动通信的另一基本问题。在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因
而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。对分辨出的多径信号分别进行加权调
整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的
负面影响。这种技术称为Rake多径分集接收技术。

    为实现相干形式的Rake接收，需发送未经调制的导频(Pilot)信号，以使接收
端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位，并在此基础上实现相干方式
的最大信噪比合并。WCDMA系统采用用户专用的导频信号，而cdma2000下行链路采
用公用导频信号，用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统，
上行信道则采用用户专用的导频信道。

    Rake多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技术
。当移动台处于越区切换状态时，参与越区切换的基站向该移动台发送相同的信息
，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并，从而改善移动台处于越区切换
时的接收信号质量，并保持越区切换时的数据不丢失，这种技术称为宏分集和越区
软切换。WCDMA系统和cdma2000系统均支持宏分集和越区软切换功能。

5.2.2、高效信道编译码技术

    第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技术。在第三代移动通信系
统主要提案中（包括WCDMA和cdma2000等），除采用与IS-95 CDMA系统相类似的卷
积编码技术和交织技术之外，还建议采用Turbo编码技术及RS-卷积级联码技术。


    Turbo编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器，并辅之以一个交织器
。两个卷积编码器的输出经并串转换以及凿孔(Puncture)操作后输出。相应地，
Turbo解码器由首尾相接、中间由交织器和解交织器隔离的两个以迭代方式工作的
软判输出卷积解码器构成。虽然目前尚未得到严格的Turbo编码理论性能分析结果
，但从计算机仿真结果看，在交织器长度大于1000、软判输出卷积解码采用标准的
最大后验概率(MAP)算法的条件下，其性能比约束长度为9的卷积码提高1至2.5dB。
目前Turbo码用于第三代移动通信系统的主要困难体现在以下几个方面：1〕由于交
织长度的限制，无法用于速率较低、时延要求较高的数据（包括语音）传输；2〕
基于MAP的软输出解码算法所需计算量和存储量较大，而基于软输出Viterbi的算法
所需迭代次数往往难以保证；3〕Turbo编码在衰落信道下的性能还有待于进一步研
究。

    RS编码是一种多进制编码技术，适合于存在突发错误的通信系统。RS解码技术
相对比较成熟，但由RS码和卷积码构成的级联码在性能上与传统的卷积码相比较提
高不多，故在未来第三代移动通信系统采用的可能性不大。

5.2.3、智能天线技术

    从本质上来说，智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用
。由于其体积及计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用。智能天线
包括两个重要组成部分，一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)
估计，并进行空间滤波，抑制其它移动台的干扰。二是对基站发送信号进行波束形
成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射
功率，减少对其它移动台的干扰。智能天线技术用于TDD方式的CDMA系统是比较合
适的，能够起到在较大程度上抑制多用户干扰，从而提高系统容量的作用。其困难
在于由于存在多径效应，每个天线均需一个Rake接收机，从而使基带处理单元复杂
度明显提高。

5.2.4、多用户检测技术

    在传统的CDMA接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境
下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之间的
相互干扰，并限制系统容量的提高。解决此问题的一个有效方法是使用多用户检测
技术，通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭代方法消除
多用户之间的相互干扰。

    从理论上讲，使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量。但一个较
为困难的问题是对于基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户数乘以基
站端可观测到的多径数。这意味着在实际系统中等效干扰用户数将多达数百个，这
样即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户抵销算法仍使得其硬件实现显得过于
复杂。如何把多用户干扰抵销算法的复杂度降低到可接受的程度是多用户检测技术
能否实用的关键。


5.2.5、功率控制技术

    在CDMA系统中，由于用户共用相同的频带，且各用户的扩频码之间存在着非理
想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，从而使得功率控制
技术成为CDMA系统中的最为重要的核心技术之一。

    常见的CDMA功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制
三种类型。开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积为常数的
原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。开环功率控制用于
确定用户的初始发射功率，或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。开环功率
控制未考虑到上、下行信道电波功率的不对称性，因而其精确性难以得到保证。闭
环功率控制可以较好地解决此问题，通过对接收功率的测量值及与信干比门限值的
对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端，
并据此调节发射功率的大小。外环功率控制技术则是通过对接收误帧率的计算，确
定闭环功率控制所需的信干比门限。外环功率控制通常需要采用变步长方法，以加
快上述信干比门限的调节速度。在WCDMA和cdma2000系统中，上行信道采用了开环
、闭环和外环功率控制技术，下行信道则采用了闭环和外环功率技术。但两者的闭
环功率控制速度有所不同，前者为每秒1600次，后者为每秒800次。

 

5.3 第三代移动通信系统的无线传输技术

      评估IMT-2000系统无线传输技术的基本原则是：频谱效率；技术复杂性/经
济性；质量；灵活性；优选准则；对网络接口的影响；手持机能力；覆盖/功率效
益。这里对几种RTT技术，即WCDMA(UTRA FDD)、cdma2000和UWC-136的系统性能和
特征进行介绍。而采用TDD方式的系统，适用于慢速移动和较小覆盖范围的环境，
在支持非对称业务时，具有较好的适应性。

5.3.1    WCDMA（UTRA FDD）

       WCDMA主要由欧洲ETSI和日本ARIB提出，WCDMA系统的核心网是基于
GSM-MAP的，同时可通过网络扩展方式提供在基于ANSI-41的核心网上运行的能力。


      WCDMA系统支持宽带业务，可有效支持电路交换业务（如PSTN、ISDN网）、
分组交换业务（如IP网）。灵活的无线协议可在一个载波内对同一用户同时支持话
音、数据和多媒体业务。通过透明或非透明传输块来支持实时、非实时业务。

     WCDMA采用DS-CDMA多址方式，码片速率是3.84Mcps，载波带宽为5MHz。系统
不采用GPS精确定时，不同基站可选择同步和不同步两种方式，可以不受GPS系统的
限制。在反向信道上，采用导频符号相干RAKE接收的方式，解决了CDMA中反向信道
容量受限的问题。

    WCDMA采用精确的功率控制，包括基于SIR的快速闭环、开环和外环三种方式。
功率控制速率为1500次/秒，控制步长0.25~4dB可变，可有效满足抵抗衰落的要求
。

    WCDMA还可采用一些先进的技术，如自适应天线（Adaptive antennas）、多用
户检测（Multi-user detection）、分集接收（正交分集、时间分集）、分层式小
区结构等，来提高整个系统的性能。

5.3.2   cdma2000


    美国TIA TR45.5向ITU提出的RTT方案称为cdma2000，其核心是由Lucent、
Motorola、Nortel和Qualcomm联合提出的Wideband cdmaOne技术。cdma2000的一个
主要特点是与现有的TIA/EIA-95-B 标准向后兼容，并可与IS-95B系统的频段共享
或重叠，这样就使cdma2000系统可从IS-95B系统的基础上平滑地过渡、发展，保护
已有的投资。另外，cdma2000也能有效地支持现存的IS-634A标准。cdma2000的核
心网是基于ANSI-41，同时通过网络扩展方式提供在基于GSM-MAP的核心网上运行的
能力。


图6 多载波与直扩方式举例（N=3）
     cdma-2000采用MC-CDMA（多载波CDMA）多址方式，可支持话音、分组数据等
业务，并且可实现QoS的协商。cdma-2000包括1X和3X两部分，也可扩展到6X、9X、
12X。对于射频带宽为N×1.25MHz的cdma2000系统，采用多个载波来利用整个频带
，图6给出了N=3时的情况。支持一个载波的cdma2000标准IS2000已在1999年6月通
过。
 

    cdma2000采用的功率控制有开环、闭环和外环三种方式，速率为800次/秒或
50次/秒。cdma2000还可采用辅助导频、正交分集、多载波分集等技术来提高系统
的性能。


5.3.3   UWC-136

    UWC-136(Universal Wireless Communications 136)是由美国TIA TR45.3提出
的RTT方案，采用Wideband TDMA技术。UWC-136实际上是一个协议族的总称，包括
IS-136、IS-136+、IS-136HS。UWC-136的目标是使现有的IS-136移动通信系统（基
于TDMA）能够顺利地过渡到第三代移动通信系统。IS-136已经完成了标准化，
IS-136+是一种过渡方案，在30KHz带宽内提供增强的话音、数据传输能力，已于
1998年完成标准化工作。而IS-136HS(简称136HS)才是真正意义上的第三代移动通
信系统的RTT。136HS分室外/移动环境和室内环境两种。136HS（室外）在高速移动
应用下提供384Kbps数据传输能力, 136HS（室内）在低速移动应用（室内）下支持
高于2Mbps的数据传输。

    表1给出了UTRA、cdma2000和UWC-136HS的系统参数。

　
 WCDMA
 cdma2000
 UWC-136HS
 
136+
 室内环境
 室外环境
 
双工方式
 FDD
 FDD
 FDD/TDD（室外环境可选）
 
多址方式
 DS-CDMA
 MCCDMA
 TDMA
 
所需带宽
 5MHz
 N×1.25MHz,
N=1,3
(可扩展6,9,12）
 30KHz 
 200KHz
 1.6MHz
 
码片速率
 3.84Mcps
 N×1.2288Mcps,
N=1, 3
(可扩展6,9,12)
 24.3K kSymbols/s
 270.833 kSymbols/s
 2.6
Msymbols/s
 
帧（frame）
长度
 10ms
 5，10，20，40，80ms
 40 msec
 4.615 msec
 4.615 msec
 
信道码
 OVSF,
512~4（前向）
256~4（反向）
 反向：Walsh和长码
前向：Walsh和准正交码
 ---
 
扰码
 前向:18位GOLD码
反向:短扰码,取自S(2)
码族:长扰码,24位GOLD码
 长码和短PN码
 ---
 
导频结构
 前向:公用或专用导频
反向:专用导频
 前向:公用\专用辅助导频
反向:专用导频
 ---
 
VBR支持方式
 变速扩频+多个扩频码
 变速扩频+多个扩频码
 时隙集合和链路适应
 
调制方式
 QPSK(前向)/BPSK(反向)
 QPSK(前向) /BPSK(反向)
 π/4 DQPSK, 
8-PSK
 GMSK,8-PSK
 B-O-QAM
Q-O-QAM
 
基带滤波
 平方根升余弦，
滚降系数0.22
 同IS-95
 平方根名余弦,滚降系数0.35
 
FEC编码
 卷积码(码长:9,
码率:1/2,1/3);
Turbo Code
 卷积码,码长:9,
R=1/2,1/3,1/4或1/6; Turbo编码
K=4,R=1/2,1/3或1/4
 凿孔卷积码
 
功率控制
 快速闭环,开环,外环,
速率:1500Hz
功率调整步长:
0.25-4dB
 开环 闭环(800Hz或
50Hz)功率调整步长:
1.0,0.5,0.25dB
 按时隙和载波控制率
 
基站间
精确同步
 不需要(同步可选)
 需要
 需要
 
是否跳频
 否
 否
 是,216.7跳/秒
 
语音编码
 自适应多速率
 可变速率
 可变速率
 
   

 

 
 

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