移动通信3G技术概述

移动通信3G技术概述

郑 澜

　　中国移动与中国联通在移动通信市场的竞争日趋激烈，竞争领域从原先的话音业务发展到增值业务。伴随着移动增值业务的不断发展，迈向3G（3rd Generation，第三代移动通信）则是两大移动运营商的必然选择。与前两代系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务，其传输速率在高速移动环境中支持144kb/s，步行慢速移动环境中支持384kb/s，静止状态下支持2Mb/s。其设计目标是为了提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。

　　目前国际电联接受的3G标准主要有以下三种：WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA。CDMA是Code Division Multiple Access（码分多址）的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信系统采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址（TDMA）的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。

1、 WCDMA

　　全称为Wideband CDMA，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。该标准提出了GSM（2G）—GPRS—EDGE—WCDMA（3G）的演进策略。GPRS是General Packet Radio Service（通用分组无线业务）的简称，EDGE是Enhanced Data rate for GSM Evolution（增强数据速率的GSM演进）的简称，这两种技术被称为2.5代移动通信技术。目前中国移动正在采用这一方案向3G过渡，并已将原有的GSM网络升级为GPRS网络。

2、 CDMA2000

　　CDMA2000是由窄带CDMA（CDMA IS95）技术发展而来的宽带CDMA技术，由美国主推，该标准提出了从CDMA IS95（2G）—CDMA20001x—CDMA20003x（3G）的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国联通正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMA IS95网络。

3、 TD-SCDMA

　　全称为Time Division-Synchronous CDMA（时分同步CDMA），是由我国大唐电信公司提出的3G标准，该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。但目前大唐电信公司还没有基于这一标准的可供商用的产品推出。

三个技术标准的比较

　　WCDMA、CDMA2000与TD—SCDMA都属于宽带CDMA技术。宽带CDMA进一步拓展了标准的CDMA概念，在一个相对更宽的频带上扩展信号，从而减少由多径和衰减带来的传播问题，具有更大的容量，可以根据不同的需要使用不同的带宽，具有较强的抗衰落能力与抗干扰能力，支持多路同步通话或数据传输，且兼容现有设备。WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA都能在静止状态下提供2Mbit/s的数据传输速率，但三者的一些关键技术仍存在着较大的差别，性能上也有所不同。

　　1、 双工模式

　　WCDMA与CDMA2000都是采用FDD（频分数字双工）模式，TD-SCDMA采用TDD（时分数字双工）模式。FDD是将上行（发送）和下行（接收）的传输使用分离的两个对称频带的双工模式，需要成对的频率，通过频率来区分上、下行，对于对称业务（如语音）能充分利用上下行的频谱，但对于非对称的分组交换数据业务（如互联网）时，由于上行负载低，频谱利用率则大大降低。TDD是将上行和下行的传输使用同一频带的双工模式，根据时间来区分上、下行并进行切换，物理层的时隙被分为上、下行两部分，不需要成对的频率，上下行链路业务共享同一信道，可以不平均分配，特别适用于非对称的分组交换数据业务（如互联网）。TDD的频谱利用率高，而且成本低廉，但由于采用多时隙的不连续传输方式，基站发射峰值功率与平均功率的比值较高，造成基站功耗较大，基站覆盖半径较小，同时也造成抗衰落和抗多普勒频移的性能较差，当手机处于高速移动的状态下时通信能力较差。WCDMA与CDMA2000能够支持移动终端在时速500公里左右时的正常通信，而TD-SCDMA只能支持移动终端在时速120公里左右时的正常通信。TD-SCDMA在高速公路及铁路等高速移动的环境中处于劣势。

　　2、 码片速率与载波带宽

　　WCDMA(FDD-DS)采用直接序列扩频方式，其码片速率为3.84Mchip/s。CDMA20001x与CDMA20003x的区别在于载波数量不同，CDMA20001x为单载波，码片速率为1.2288Mchip/s，CDMA20003x为三载波，其码片速率为1.2288×3＝3.6864Mchip/s。TD-SCDMA的码片速率为1.28Mchip/s。码片速率高能有效地利用频率选择性分集以及空间的接收和发射分集，可以有效地解决多径问题和衰落问题，WCDMA在这方面最具优势。

　　载波带宽方面，WCDMA采用了直接序列扩谱技术，具有5MHz的载波带宽。CDMA20001x采用了1.25MHz的载波带宽，CDMA20003x利用三个1.25MHz载波的合并形成3.75MHz的载波带宽。TD-SCDMA采用三载波设计，每载波具有1.6M的带宽。载波带宽越高，支持的用户数就越多，在通信时发生网塞的可能性就越小。在这方面WCDMA具有比较明显的优势。

　　TD－SCDMA系统仅采用1.28Mchip/s的码片速率，采用TDD双工模式，因此只需占用单一的1.6M带宽，就可传送2Mbit/s的数据业务。而WCDMA与CDMA2000要传送2Mbit/s的数据业务，均需要两个对称的带宽，分别作为上、下行频段，因而TD-SCDMA对频率资源的利用率是最高的。

　　3、 智能天线技术

　　智能天线技术是TD-SCDMA采用的关键技术，已由大唐电信申请了专利，目前WCDMA与CDMA2000都还没有采用这项技术。智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元获取方向性，并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。TD－SCDMA智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性（无线环境和传输条件相同）而获得的。智能天线还可以减少小区间及小区内的干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。

　　4、 越区切换技术

　　WCDMA与CDMA2000都采用了越区“软切换”技术，即当手机发生移动或是目前与手机通信的基站话务繁忙使手机需要与一个新的基站通信时，并不先中断与原基站的联系，而是先与新的基站连接后，再中断与原基站的联系，这是经典的CDMA技术。“软切换”是相对于“硬切换”而言的。FDMA和TDMA系统都采用“硬切换”技术，先中断与原基站的联系，再与新的基站进行连接，因而容易产生掉话。由于软切换在瞬间同时连接两个基站，对信道资源占用较大。而TD-SCDMA则是采用了越区“接力切换”技术，智能天线可大致定位用户的方位和距离，基站和基站控制器可根据用户的方位和距离信息，判断用户是否移动到应切换给另一基站的临近区域，如果进入切换区，便由基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换目的。接力切换是一种改进的硬切换技术，可提高切换成功率，与软切换相比可以减少切换时对邻近基站信道资源的占用时间。

　　在切换的过程中，需要两个基站间的协调操作。WCDMA无需基站间的同步，通过两个基站间的定时差别报告来完成软切换。CDMA2000与TD-SCDMA都需要基站间的严格同步，因而必须借助GPS（Global Positioning System，全球定位系统）等设备来确定手机的位置并计算出到达两个基站的距离。由于GPS依赖于卫星，CDMA2000与TD-SCDMA的网络布署将会受到一些限制，而WCDMA的网络在许多环境下更易于部署，即使在地铁等GPS信号无法到达的地方也能安装基站，实现真正的无缝覆盖。而且GPS是美国的系统，若将移动通信系统建立在GPS可靠工作的基础上，将会受制于美国的GPS政策，有一定的风险。

　　5、与第二代系统的兼容性

　　WCDMA由GSM网络过渡而来，虽然可以保留GSM核心网络，但必须重新建立WCDMA的接入网，并且不可能重用GSM基站。CDMA20003x从CDMA IS95、CDMA20001x过渡而来，可以保留原有的CDMA IS95设备。TD-SCDMA系统的的建设只需在已有的GSM网络上增加TD-SCDMA设备即可。三种技术标准中，WCDMA在升级的过程中耗资最大。

移动运营商的3G策略

　　目前全球已经颁发了73个WCDMA运营牌照，13个CDMA2000运营牌照。我国的3G牌照尚未发放，中国移动、中国联通等运营商将采用何种技术标准目前仍未确定。不久前信息产业部已经对WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA的使用频率进行了规划，预示着这三种标准在我国都将被采用。

　　在2G与3G之间衍生出了2.5G技术。2.5G技术突破了2G电路交换技术对数据传输速率的制约，引入了分组交换技术，从而使数据传输速率有了质的突破，是一种介于2G与3G之间的过渡技术。目前中国移动已经建成了2.5代的GPRS网络，正朝着WCDMA的方向发展。中国联通在发展了GSM网络后突然转向发展CDMA IS95网络，正朝着CDMA2000的方向发展。虽然CDMA2000在升级的过程中节省投资，但由于中国联通是由GSM网络改而发展CDMA IS95网络，其网络成本投入也相当大。由于中国联通的CDMA网络建设起步较晚，目前尚未建成2.5代的CDMA20001x网络，在与中国移动的2.5代业务竞争上处于劣势。今年10月1日，中国移动正式推出了基于2.5代网络的彩信业务（MMS，多媒体信息服务），该业务能在手机短信中加载声音、图像、视频等多媒体信息，利用GPRS网络能达到约40Kbit/s的传送速度，揭开了移动多媒体时代的序幕，具有彩屏和弦内置数码相机等新功能的手机立刻走俏市场。为应对中国移动的彩信业务，广东联通不久前推出了彩e业务，但中国联通的CDMA IS95网络只能基于电路交换方式提供14.4Kbit/s的传送速度，对多媒体信息的发送形成瓶颈。迅速发展2.5代的CDMA20001x网络已经成为中国联通的当务之急。

　　我国具有独立知识产权的TD-SCDMA能否在3G技术标准争霸中抢占一席之地倍受关注。TD-SCDMA能有效地节约频谱资源，能够实现从GSM系统的廉价升级，但其通信质量较WCDMA及CDMA2000差。毕竟能否节约频谱资源与投资成本只是政府与运营商们关心的事，作为用户永远是将通信质量作为首选。在我国移动通信市场激烈竞争的格局下，满足用户的需求始终是运营商们努力追求的目标，将来TD-SCDMA可能会在低端3G市场得到应用。目前TD-SCDMA技术尚未被国外的运营商所采纳，如果今后只有我国采用这一标准将对国际漫游提出新的难题。大唐电信至今还没有基于TD-SCDMA技术的成熟产品推出，其研发进度落后于WCDMA与CDMA2000。但不久前我们高兴地看到“TD-SCDMA产业联盟”成立，大唐电信、南方高科、华立、华为、联想、中兴、中国电子、中国普天等8家企业组成了联盟的第一核心，使该技术迈向商用有了强大的技术力量支持。TD-SCDMA是中国在移动通信领域的第一个标准，它的出现是中国百年电信史上零的突破。我们乐见TD-SCDMA能够走向成熟。

　　目前第二代移动通信系统中，无论是GSM或是CDMA IS95都已经能提供令人基本满意的话音质量与通信稳定性，但其数据传输速率低下，因而第三代移动通信系统最吸引人的地方并不在于话音质量与通信稳定性的提高，而是数据传输速率的大幅提升，这将大大促进移动多媒体业务的发展。然而手机的主要用途毕竟是通话，而不是其它的增值业务。3G的巨大投资能否创造出效益，目前还是个未知数。目前2.5代的业务发展状况可以为我们的3G策略提供一定的帮助。

　　中国移动的GPRS推出至今，较为成功MMS业务是基于GPRS带宽的多媒体业务，而直接利用GPRS手机与电脑连接上网的用户数始终不多，毕竟具有移动上网需求的人还只是少数。目前2.5代的GPRS或CDMA20001x已经可以提供40Kbit/s左右的数据传输速率，能基本满足声音、图像、简短的视频等多媒体信息传输的带宽要求。移动上网的主要用途是对时间要求非常紧迫的收发E-Mail等公务，而不是下载视频等的娱乐活动，目前的带宽也可以基本满足。GPRS或CDMA20001x的理论传输速率都在150kbit/s左右，今后随着2.5G网络的不断升级，其实际传输速率将逐步接近这一数值，可对移动多媒体及移动上网业务提供更强有力的支撑。

　　而3G网络在手机静止状态下能够具有2Mbit/s的数据传输速率。就多媒体业务而言，3G较2.5G的优势在于能够提供更加丰富多彩的视频信息；就移动上网而言，能够使手机上网速度基本达到目前有线宽带网的水平。但大幅提高的带宽能否增加足够多的业务量以使3G达到赢利呢？在多媒体应用方面，可以采用手机进行数码录像后迅速将视频发往其它手机，这可以应用于记者采访和婚宴等重要聚会。这是3G的一个赢利点，但用户数毕竟很少。在移动上网方面，可以采用手机上网下载视频或收看在线电影、在线电视直播等。但由于有线宽带网的迅速普及，这类用户廖廖无几。况且移动通信的成本大大高于有线通信，其资费自然不低，价格也将成为制约3G业务发展的不利因素。

　　综合以上各种因素考虑，我国目前尚不具备发展3G的市场条件。而世界其他国家对发展3G也都采取了十分谨慎的态度。作为WCDMA发展较快的日本已经推迟了3G的发展计划。英国沃达丰集团宣布原计划今天秋季在德国推出的3G服务将推迟约6个月，同时终止了正在英国和欧洲其它地区进行的3G网络基础建设。法国电信旗下的Orange公司正在与瑞典官方进行谈判，要求推迟在瑞典的3G服务。西班牙电信Telefonica和芬兰Sonera电信公司宣布暂停向德国、意大利、奥地利和瑞士提供3G服务。德国的6家通用移动通信系统的供应商均已被迫推迟3G商业化运营的时间。而在我国香港，原先预计在今明两年全面发展3G的运营商也把时间推迟到2005年或2006年。

　　目前移动运营商们需要重点考虑的应是如何建设并进一步优化2.5G网络，对移动多媒体及移动上网业务提供更好的支持，这毕竟是投入少而效益大赢利项目。发展3G是大势所趋，但应以潜在市场的成熟作为启动的依据，切不可陷入国与国或运营商与运营商的盲目攀比之中。(2003.02)