3G入门之第六课 第三代移动通信相关技术及过渡策略

第六课、第三代移动通信相关技术及过渡策略
　　无线通信业前两代的发展特点主要表现在对提高业务质量的需求，提高频谱利用率以及对更大容量的需求。FDD、FDMA用于第一代（1G）无线系统的技术，主要侧重于模拟蜂窝电话业务。FDD、TDMA和FDD、CDMA用于第二代（2G）无线系统的技术，它将语音从模拟提高到数字蜂窝和PCS，面对语音与数据综合性多媒体无线通信设备的发展，无线互联网的发展要求高速数据传输，第三代无线通信将是移动IP标准化系统，这种系统需具备；更高的频谱效率和移动速度，以更好地支持“移动通信”以及不对称业务，更高的吞吐量和更少的延迟，以提高各项“IP”能力，在这种需求驱动下，各种技术涌现，到1998年6月30日，即第三代移动通信无线传输技术（RTT）标准征集截止日，ITU-R共收到16种3G RTT标准提案，其中有6种是卫星移动的RTT标准提案，其余10种是地面移动的3G RTT标准提案，这些提案分别来自于美、欧、中、日、韩等国家和地区。下面来看看各种3G技术的特点和相互比较。 

　　一、CDMA和TDMA

　　ITU-R通过的五个无线传输技术的3G技术规范中有三个是基于CDMA技术的，有二个是基于TDMA技术的：

　　----基于CDMA技术的技术规范：

　　IMT-2000 CDMA DS(WCDMA、cdma2000)
　　IMT-2000 CDMA MC(cdma2000 MC)
　　IMT-2000 CDMA TDD(TD-SCDMA、TD-CDMA)

　　----基于TDMA技术的技术规范：

　　IMT-2000 TDMA SC
　　IMT-2000 TDMA MC(DECT)

　　1. CDMA将是3G发展趋势

　　（1）高的数据传输率是移动通信系统具备强大功能的基础。尽管TDMA系统的业务综合能力较高，能进行数据和话音的综合，但是终端接入速率有限。

　　（2）相比而言CDMA技术更具有系统容量大，话音质量好，抗干扰性强，保密性等优点。

　　（3）细说CDMA----CDMA即码分多址，是由美国Qualcomm公司首先提出的技术，其原理基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽的信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去，接收端由使用完全相同的伪随机码与接收的带宽信号做相关处理，以实现信息通信，与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，归纳起来，CDMA应用于数字移动通信的优点有：

　　----系统容量大，在CDMA系统中所有用户共用一个无线信道，当用户不讲话时，该信道内的所有其他用户会由于干扰减小而得益。因此利用人类话音特点的CDMA系统可大幅降低相互干扰，增大其实际容量近3倍。CDMA数字移动通信网的系统容量理论上比模拟网大20倍，实际上比模拟网大10倍，比GSM大4-5倍。

　　----系统通信质量更佳，软切换技术（先连接再断开）可以克服硬切换容易掉话的缺点，CDMA系统工作在相同的频率和带宽上，比TDMA系统更容易实现软切换技术，从而提高通信质量，CDMA系统采用确定声码器速率的自适应阈值技术，强有力的误码纠错，软切换技术和分离分多径分集接收机，可提供TDMA系统不能比拟的，极高的数据质量。

　　----频率规划灵活，用户按不同的序列码区分，不同CDMA载波可以相邻的小区内使用，因此CDMA网络的频率规划灵活，扩展简单。CDMA网络同时还具有建造运行费用低，基站设备费用低的特点，因而用户的费用也较低。

　　----频带利用率高。CDMA是一种扩频通信技术，尽管扩频通信系统抗干扰性能的提高是以占用频带带宽为代价的，但是CDMA允许单一频率在整个系统区域内可重复使用，使许多用户共用这一频带同时进行通话，大大提高了频带利用率。这种扩频CDMA方式，虽然要占用较宽的频带，但按每个用户占用的平均频带来计算，其频带利用率是很高的。CDMA系统还可以根据不同信号速率的情况，提供不同的信道频带利用动工，使给定频带得到更有效的利用。

　　----适用于多媒体通信系统，CDMA系统能方便地使用多CDMA信道方式和多CDMA帧方式，传送不同速率要求的多媒体业务信息，处理方式和合成方式都比TDMA方式和FDMA方式灵活、简便、有利于多媒体通信系统的应用，比如可以在提供话音服务的同时提供数据服务，使得用户在通话时也可以接收寻呼信息。

　　----CDMA手机的备用时间更长。低平均功率、高效的超大规模集成电路设计和先进的锂电池的结合显示了CDMA在便携式电话应用中的突破。用户可以长时间地使用手机接收电话，也可以在不挂机的情况下接收短消息。

　　然而，宽带CDMA系统的应用也还面临着一些技术困难，多址干扰的降低和抵消是CDMA的基本课题，也是提高宽带CDMA系统容量，发挥宽带CDMA系统特长的重要课题。

　　2. CDMA的关键技术

　　（1）功率控制技术

　　功率控制技术是CDMA系统的核心技术。CDMA系统是一个自扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，CDMA功率控制的目的就是使系统即能维护高质量通信，又不对其他用户产生干扰。

　　（2）PN码技术

　　PN码的选择直接影响到CDMA系统的容量，抗干扰能力，接入和切换速度等性能。CDMA信道的区分是靠PN码来进行的，因而需求pn码自相关性要好，互相关性要弱，实现和编码方案简单等。目前的CDMA系统就是采用一种基本的PN序列----m序列作为地址码，利用它的不同相位来区分不同用户。

　　（3）RAKE接收技术

　　移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调　，然后叠加输出来增强接收效果，在CDMA系统中多径信号不再是一个不利因素，而且变成了一个可供利用的有利因素。

　　（4）声码器速率的自适应阈值技术

　　CDMA系统使用了确定声码器速率的自适应阈值，自适应阈值可以根据背景声学噪音电平的变化改变声码器的数据速率。这些阈值的使用压制了背景声学噪声，因而在噪声环境下也能提供清晰的话音。

　　二、TD-SCDMA技术

　　1. GSM移动通信在发展中遇到的问题

　　近几年来，中国GSM移动通信网发展势头强劲，移动用户数已超过1亿用户，且仍在高速增长。　　GSM网继续高速发展，面临的第一个问题是频率资源问题，例如我们广东的大多数城市人口密集，因此频率资源是制约移动通信高速发展的重要因素之一。可以用900M/1800M双频组网的方式来解决频率资源不足的问题。但1800M频率的衰减比900M差，因此，在城区1800M GSM的覆盖半径很小，不能完全与900M　GSM基站同址建设，建设成本将增加。随着部分城区用户对高速移动数据业务需求的增长，单一用户所占频带宽度增加，中国加入WTO后，势必增加新的电信服务运营者，要将有限的频率资源分配给更多的运营者，这些都将进一步加剧移动通信频率资源紧张的矛盾。

　　GSM网高速发展面临的另一个问题是数据业务传输速率的问题。随着因特网的高速发展，手机上网也越来越成为一种时尚需求。而现在GSM网的用户数据传输速率只有9.6kb/s，将成为手机上网业务发展的瓶颈。拓宽GSM网的数据业务传输速率的迫切性已成为急待解决的现实问题，除此之外，进一步提高用户的数据传输速率，仍是需要等待解决的问题。

　　2. 中国3G不落后

　　近几年来，国家投入了数亿元从事第三代移动通讯的技术研究和开发。于去年11月5日有了重大突破，我国提出的第三代移动通信TD-SCDMA标准建议已被国际电联正式采纳，成为第三代移动通信标准（IMT-2000）系列中的重要标准之一。这是我国百年电信史上首次完整地提出自己的标准，并成为国际标准。这也标志着我国的通信技术的发展程度已经由单纯的跟踪转　到创新的阶段，是一个开创性的转变。

　　3. TD-SCDMA技术

　　TD-SCDMA特点是采用时分双工模式（TDD）的第三代移动通信系统，其主要的技术特点为：

　　----采用智能天线技术
　　----采用上行同步方式
　　----采用接力切换方式
　　----采用低码片速率

　　TD-SCDMA是目前世界上唯一采用智能天线的第三代移动通信系统。在TD-SCDMA系统中，由于采用了TDD模式，上、下行链路采用同一频率，在同一时刻上下行链路的空间物理特性是完全相同的，因此，只要在基站端依据上行数据进行空间参数的估值，再根据这些估值对下行链路的数据进行数字赋形，就可以达到自适应波速赋形的目的，充分发挥智能天线的作用。

　　CDMA系统中多个用户的信号在时域和频域上是混叠的，接收时需要把各个用户的信号分离开来。理想情况下，利用扩频码的正交特性可以保证解调时能无偏差的解调出户数据。而实际系统中由于同步的不准确，空间信道的多径特性等造成的影响，导致各用户信号之间不能维持理想的正交特性，这时对某一特定用户而言，所有工作在同频段的其他用户的信号都是干扰信号，随着用户数目的增多，干扰逐渐增大，系统用户数增加到一定数量时，干扰增大到无法将有用信号提取出来，因此，CDMA系统是个干扰受限的系统。

　　采用智能天线和上行同步技术后，可极大的降低多址干扰，只有来自主瓣方向和较大副瓣方向的多径才对有用信号带来干扰，因此，可有效地提高系统容量，从而明显提高了频谱利用率，智能天线的采用，也可有效的提高天线可以采用多个小功率的线性功率放大器来代替单一的大功率线性放大器，而单一大功率线性放大器的价格远高于多个小功率线性放大器的价格，所以智能天线可大大降低基站的成本。智能天线带来的另一好处是提高了设备的冗余度。

　　智能天线的采用可大致定位用户的方位和距离，因此，基站和基站控制器可采用接力发换方式，根据用户的方位，距离信息来判断手机用户现在是否移动到了应该切换给另一基站的监近区域，如果进入切换区，便可通过基站控制器通知另一基站做好切换的准备，达到接力切换的目的。接力切换可提高切换的成功率。

　　TD-SCDMA系统仅采用1.28Mb/s的码片速率，只需占用单一的1.6M频带宽度，就可传送2Mb/s的数据业务，而3G FDD的方案，要传送2Mb/s的数据业务，均需要2*5M的带宽，即需两个对称的5M带宽，分别作为上、下行频段，且上下行频段间需要有几十M的频率间隔作为保护。在目前资源十分紧张的情况下，要找到符合要求的对称频段非常困难，而TD-SCDMA系统可以“见缝插针”，只要有满足一个载波的频段（1.6M）就可使用，可以灵活有效地利用现有的频率资源。

　　TD-SCDMA是TDD工作模式，上下行数据的传输通过控制上、下行的发送时间来决定，发送时段内不接收，接收时段内不发送，而且可以灵活控制和改变发送和接收的时段长短比例，对于因特网等非对称业务的数据传输，下行数据量是远大于上行数据量的，这时可控制增加下行的时段时间，缩短上行的时段时间，以达到高效率传送非对称业务的目的。

　　根据上述特点，TD-SCDMA系统适合用于大中城市及城乡结合部。在这些地区人口密度高，频率资源紧张，移动速度不要很高（200km/h以内），但需要大量小半径、高容量的小区覆盖，同时在这些地区数据业务，特别是因特网等非对称数据业务的需求比较大，能充分发挥TD-SCDMA的技术优势。

　　三、LAS-CDMA技术

　　LAS-CDMA技术具有以下特点：

　　----高于任何2G或3G技术的频谱效率；
　　----优于各种不同速率数据服务；
　　----LAS-CDMA技术适合未来“全IP系统（3.5G或4G）的要求”

　　LAS-CDMA（大区域同步码分多址联接）在性能上的优点如下：

　　（1）附加频谱。由于LAS-CDMA可提供比现有2G标准高20多倍的容量以及比cdma2000高3至6倍的容量，所以可最大限度地减少附加网络的建设和开支，从而使电信公司能比较低的成本在市场上竞争，并以最经济的方式向客户提供新颖和改良的服务。

　　（2）新型网络结构。从设计角度看，LAS-CDMA技术不仅能够强化当前的第二代网络，而且还能为3G提供前所未有的功能，并能成功的推动第四代（4G）无线网络的发展。

　　（3）全球兼容性。世界各地所采用的无线电信技术不甚相同，现行的几种技术包括GSM、CDMA、TDM等。由于LAS-CDMA与所有现行和未来的标准兼容，故易于现有系统向LAS-CDMA过渡。此外，LAS-CDMA还能顺应各项可进一步提高系统性能和容量的先进技术。作为一项空中接口技术，LAS-CDMA可通过配置使用其作为一种增强模式与UTRA，IS-95以及TD-CDMA等其他现用系统兼容。

　　（4）提高服务器，LAS-CDMA可通过其专利扩频技术大幅度地消除目前CDMA系统上出现的干扰现象。因为这种现象不仅影响语音服务质量，而且最终也会影响数据服务质量，在LAS-CDMA系统中，所有信号的ISI（码间干扰）和MAI（多址干扰）都可在“无干扰”时间窗口内降为零，ACI（相邻蜂窝区干扰）也可降低到边际水平，因此，LAS-CDMA不仅提高了系统性能和容量，而且也不会在其它CDMA系统上增加任何复杂性，LAS-CDMA　TDD模式从设计上已将LAS-CDMA技术与已被IP选取的TDD技术综合为一体，因此非常适合于支持移动IP业务。LAS-CDMA　TDD模式具有以下特点：

　　----高速移动性。在传统的CDMA TDD系统中，功率控制速率受帧长度限定。因此，系统不能取得快速的闭环功率控制。因为，补偿高速信道衰落需要这一控制，并以此提供速度较高的移动性，所以，传统的CDMA TDD系统不能支持高速移动，但是，在LAS-CDMA　TDD系统中，所有信号均将通过双同步而被保持在一个“无干扰”的时间窗口内。所以LAS-CDMA系统不需要高速功率控制，它只采用低速功率控制节省移动站的电力。

　　----不对称业务。LAS-CDMA　TDD系统采用FDMA/TDMA/CDMA组合多址联结方案，在这一方案中，发射/接收基于的单元为“子帧（或时隙）--码--频率”。待数据单元模块化后，该方案可经过修改用来支持可变数据速率，特别是分组数据，由于上行链路和下行链路的交换点可在一个帧内灵活地分配，而且所有子帧（时隙）亦可灵活地分配到上行链路或下行链路，所以在支持IP不对称业务方面这是一个理想的方案。

　　----兼容性。LAS-CDMA　TDD模式所基于的扩频技术与所有其他TDD系统兼容，其中包括UTRA　TDD、TD-SCDMA等等。LAS-CDMA只需在物理层上做很小的修改便可结合到现有的TDD系统，用以取得较高的系统性能和容量。

四、演进策略 

　　要从GSM一步跨越到以上方案无论是从经济上还是从技术都是不切实际的，因此真正的3G技术还应该包括从1G、2G过渡到3G的通信技术。

　　1. 从2G过渡到3G的通信技术

　　简单地说由GSM网的传输速率9.6kbsp----利用GPRS技术将使GSM网络的传输速率达115Kbps----利用EDGE技术的应用将再次提升GSM网络传输速率达到384kbps，高质量图像传输成为可能----3G时代的真正来临，WCDMA和MPEG-4技术结合达到2Mbps传输速率，带来真实的动态图像。

　　在向第三代过渡的过程中，还必须提到的就是“蓝牙”。“蓝牙”是一种新型无线网络低功率无线接口，实时传输数字数据和语音信号，它是由移动通信公司与计算机公司联合开发的传输范围约为10米左右的短距离无线通信标准，具有传输速率高、安全性强、价格较低等优点，可以使便携式计算机，移动电话以及其他的移动设备相互进行无线通讯。有了它，就不必在办公室，家庭和旅途中在各种电子设备间布设专用线缆和连接器。只要在电子设备中加装了这块芯片，局部区域内的电子设备便被一根无形的电缆连接起来，相关数据实现自动交换。

　　应用“蓝牙”，你的装置就可以在任何时间，任何地点与其他人或设备取得联系，即使碰到了固体障碍物也没关系，任意“蓝牙”设备一旦搜寻到另一个“蓝牙”设备，巴上就可以相互“咬合”，无须用户进行任何设置。“蓝牙”的另一大优势是它应用了全球统一的频率设定，消除了“国界”的障碍，而在蜂窝式移动电话领域，这个障碍已经困扰用户多年。“蓝牙”是“无线钱包”的核心技术，在不久的将来，如果你怀揣一部蓝牙手机，你就可以拎着精心挑选的食物，大摇大摆地走过超市的收银台，而无需掏出钱包，因为在你走过时，手机就已替你把帐结清了。

　　在过渡中第一步的GPRS技术是一种极其经济高效的分组数据技术。它在普通GSM网络的传统电路交换中增加了分组交换数据功能，数据被分割成数据包而不是以稳定的数据流进行运输。按每数据比特的发送和接收来收费的能力将确保客户只支付使用费用，这样费用就会大大降低，实现GPRS功能也是一项巨大的工程，除了要改造全网的基站、基站控制器外，还要新增GPRS手机及SGSN、GGSN网络关口设备。爱立信公司率先提出了GPRS解决方案，今年爱立信推出了首部蓝牙移动电话T36及第一部使用蓝牙技术的GPRS电话R520，只需把这种轻巧的设备戴在耳边，不需要靠近通讯设备如手机，电脑等就可以自由通话，而在2000年中国国际互联网研讨会暨展览会上，大打技术牌的西门子移动电话则亮出了具有世界领先水平的HSCSD和GPRS技术产品，并且全面展示了从GSM跨越到UMTS的里程碑技术。三频HSCSD手机S40支持蓝牙技术，可以使“无线上网”的速度超越，“有线上网”。我省的广东移动通信也在广州和深圳正式推出了GPRS业务，预计七期建设后约达到3000多GPRS用户。摩托罗拉计划在年内将第一款GPRS手机L2000g投放市场，爱立信公司和诺基亚公司的GPRS手机，也将分别于2001年第一季度和第二季度上市。

　　EDGE（改进数据率GSM服务）是一种有效提高了GPRS信道编码效率的高速移动数据标准，它允许高达384kbps的数据传输速率，可以充分满足未来无线多媒体应用的带宽需求，EDGE提供了一个从GPRS到第三代移动通信的过渡性方案，从而使现有的网络运营商可以最大限度地利用现有的无线网络设备，在第三代移动网络商业化之前提前为用户提供个人多媒体通信业务。由于EDGE是一种介于现有的第二代移动网络与第三代移动网络之间的过渡技术，因此也有人称它为“二代半”技术。EDGE同样充分利用了现有的GSM资源，保护了对GSM作出的投资，目前已有的大部分设备都可以继续在EDGE中使用。

　　WCDMA（宽带码分多址）带来了最高2Mbit/s的数据传输速率，在这样的条件下，现在计算机中应的任何媒体都能通过无线网络轻松的传递。WCDMA通过有效的利用宽频带，不仅能顺畅的处理声音、图象数据。与互联网快速连接；此外WCDMA和MPEG-4技术结合起来还可以处理真空的动态图像。

　　2. 适合国情的3G演进策略

　　中国选择什么样的3G演进策略，应充分考虑中国现在的国情，中国移动通信的国情特点是，现在移动电话的人口普及率7.7％，仍然面临着高速增长的，以话音业务为主的用户需求；因此，新建的3G网必需与GSM网有很好的后向兼容性，充分利用已有的GSM网，选择频谱利用率高的制式，应该是我国第三代移动通信建设考虑的重点，中国受经济条件的限制，难以象建设GSM网一样，在短时间内用大规模全覆盖的方式，再重建一个完整的第三代移动通信网，具体地说中国第三代移动通信的演进策略应该如下：

　　（1）依托900M GSM网，采用双频双模终端

　　鉴于我国有移动高速数据业务需求的用户主要集中在大城市及经济发达的中、小城市；因此，中国第三代移动通信网的建设，只可能是先在一些有需求的大、中城市建孤岛式的第三代移动通信覆盖区，具体到我们广东省，由于整个球江三角洲经济都较发达，可以建一个小型的第三代移动通信覆盖网。

　　而且在初期应考虑双频双模组网方式，3G的终端为GSM/3G双频双模终端，在3G的覆盖区内，用户的双频双模终端可得到3G的高速数据业务的服务，也可得到话音业务的服务。在某一3G孤岛内注册的用户终端，到达另一3G覆盖的孤岛时，仍可得到3G高速数据业务及话音业务的服务。而3G的双频双模终端到达无3G覆盖，而只有900M GSM网覆盖的区域时，3G的双频双模用户终端仍可得到900M GSM话音业务的支持，并可享有漫游，切换功能。采用这种方式建3G网，既可以充分利用已建好的全国900M GSM大网，又可用较少的代价为用户提供3G业务，待3G业务需要不断增加，3G覆盖的孤岛不断增多，扩大，逐步形成局部区域或城市全覆盖，最终形成全国覆盖的3G网。

　　（2）采用3G基站子系统进行GSM网的扩容
　　由于3G的基站与2G或2.5G的基站相比，2G或2.5G的终端不能在3G网中得到前向兼容的支持，因此，在3G网开始大规模建设后，在中国将形成GSM 2G（或2.5G）G与3G的两大独立的无线网络（基站子系统）并存的局面。由于3G的业务速率，频谱利用率远远高于GSM，且单位成本（每用户，每赫兹）低于GSM，所以，随着时间的推移，3G网络的用户数将越来越多，最终将远远超过GSM的用户数，到那时，由于GSM2G和2.5G的用户不能在3G网中使用，其处境与现在模拟网的用户不能在GSM网中使用的情景很相似。

　　因此，在3G的基站子系统及终端成熟后，应尽早先用于GSM网，来取代GSM基站子系统的扩容。而不用等待第三代的核心网建成后，才开始使用3G的基站子系统设备，这样，既可满足高速增长的移动话音及数据用户的需求，又可在3G规模建设的前期，避免与3G不前向兼容的2G和2.5G基站子系统的大量建设投入，尽可能2G向3G演进中带来的损失。

　　（3）充分利用TD-SCDMA的特点，与WCDMA混合组网

　　由于TD-SCDMA第三代移动通信系统具有频谱利用率高，仅需单一1.6M的频带就可提供速率达2M的3G业务需求，而且非常适合非对称业务的传输。在TD-SCDMA的终端及基站子系统的设计中，均考虑了GSM/TD-SCDMA双频双模的使用，完全符合前面所述的依托900M GSM网，以孤岛形式逐步建设3G网的要求。因TD-SCDMA同时满足Iub、A、Gb、lu、lur多种接口的要求，所以TD-SCDMA的基站子系统既可作用2G和2.5G GSM基站的扩容，又可作为3G网中的基站子系统，能同时兼顾现在的需求和长远未来的发展。也就是说TD-SCDMA3G系统能同时满足前面所术这的两条演进策略。

　　TD-SCDMA为TDD模式，在应用范围内有其自身的特点，一是终端的移动速度受现有DSP运算速度的限制只能做到240km/h；二是基站覆盖半径在15km以内时频谱利用率和系统容量可达最佳，所以，TD-SCDMA适合在城市和城郊使用。

　　（4）3G核心网的演进策略

　　原900M、1800M　GSM的核心网是电路交换型的，数据传送速率只有9.6KB/S，为满足高速率数据业务的传输，先要经过GPRS升级，每个基站控制器BSC要升级成具有GPRS功能的E-BSC，除话音业务和电路型数据业务继续通过A接口到MSC外，分组型数据业务可通过Gb接口到SGSN，在GPRS网中最高数据业务速率可达115kb/s，进一步提高数据业务速率的限制在物理层的基带处理，而Gb接口和SGSN的能力可支持384kb/s甚至2Mb/s的数据业务率。

　　因此，通过GPRS升级后，核心网的数据承载能力已大幅提高，这时可用TD-SCDMA基站子系统来扩容GSM网的基站子系统，直接接入GPRS网的A接口和Gb接口，分别提供话音业务和2Mb/s以内的数据业务。这时的基站控制器已称为RNC，除支持A接口和Gb接口外，还支持Iub、Iu、IuR接口的标准还在不断完善。待3GPP的标准R99和R00完善后，RNC可用Iub、Iu、IuR接口与3G核心网互联，从而演进完整的第三代核心网。

　　总之，第三代移动通信网无论是基站子系统，还是核心网，都是通过逐步演进而实现的，要充分依托已有的，宠大的GSM网络，使得在演进过程，最大限度的保护已有的投资，保证用户业务的连续性。