3G传输技术的比较及其演进策略

杨宏林

　　一 CDMA与TDMA

　　ITU-R通过的5个无线传输技术的3G技术规范中有3个是基于CDMA技术的，有2个是基于TDMA技术的。基于CDMA技术的技术规范有IMT-2000
CDMA DS（WCDMA、cdma2000DS）、IMT-2000 CDMA MC（cdma2000 MC）、IMT-2000 CDMA
TDD（TD-SCDMA、TD-CDMA）；基于TDMA技术的技术规范有IMT-2000 TDMA SC（uwc136）、IMT-2000
TDMA MC（DECT）。

　　1．CDMA是发展趋势

　　CDMA即码分多止是由美国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昆再经载波调制后发送出去，接收端由使用完全相同的伪随机码与接收的宽带信号做相关处理，以恢复信息数据，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：

　　（1）系统容量大，在CDMA系统中所有用户共用一个无线信直当用户不讲话时，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忧增大其实际容量近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。

　　（2）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、软切换技术和分离多径分集接收帆可提供TDMA系统不能比拟的、高质量的数据。

　　（3）频率规划灵活，用户按不同的序列码区分不同CDMA载波可在相邻的小区内使用，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，基站设备成本低的特氟因而用户的费用也较低。

　　（4）频带利用率高，CDMA是一种扩频通信技木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稻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形式，使给定频带得到更有效的利用。

　　（5）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消息。

　　（6）CDMA手机的待机时间更长。低平均功率、高效的超大规模集成电路设计和先进的锂电他的结合，显示了CDMA在便携式电话应用中的突破。用户可以长时间地待机也可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。多用户、多CDMA信道方式和多CDMA帧方式的信号检测，对提高系统容量十分重要。

　　2．CDMA的关键技术

　　a.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既能维护高质量通信，又不对其他用户产生干扰。

　　b.PN码（伪随机码）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，因而要求PN码具有自相关性好、互相关性弱、实现和编码方案简单等特征。目前的CDMA系统就是采用一种基本的m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。

　　c.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氛而且变成了一个可供利用的有利因素。

　　d.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底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．中国的TD-SCDMA技术

　　近几年来国家投入了3亿元从事第三代移动通信的技术研究和开发。于2000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标准建议终于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中华民族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。

　　2．TD-SCDMA技术的特点

　　TD-SCDMA是采用时分双工（TDD）模式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底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束赋形的目的，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地解调出用户数据。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，导致备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，干扰将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对于CDMA系统而言，提高系统的容量是一个很重要的指标。

　　采用智能天线和上行同步技术后，可显著地降低多址干扰，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。智能无线的采用，也可有效地提高天线的增益。同时，由于智能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，因智能天线系统中8台收发信机共同工作，任何一台收发信机的损坏并不影响系统的基本工作特性。

　　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切换方式，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临近区域，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，降低切换时对邻近基站信道资源的占用。

　　TD-SCDMA系统仅采用1.28Mb／s的码片速率，只需占用单一的11Mb／s频带宽度，就可传送2Mb／s的数据业务而其他的3G
FDD（频分双工）的方案，要传送2Mb／s的数据业务均需要2×5Mb／s的带宽即需两个对称的5Mb／s带宽分别作为上、下行频段，且上下行频段间需要有几十兆的频率间隔作为保护，在目前频谱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”只要有满足一个载彼的频段（1.6Mb／s）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Internet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Internet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 3G演进策略

　　1．从1G、2G过渡到3G的通信技术

　　简单地说，从1G、2G过渡到3G的过程如（GSM网的传输速率为9.6kb／s→利用GPRS技术使GSM网络的传输速率达115kb／s→EDGE（改进数据率GSM服务）技术的应用再次提升GSM网络传输速率达到384kb／s，使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2Mb／s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”。蓝牙是一种微型无线网络技术，用于个人区域网络的低成本、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底具有传输速率高、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信。

　　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肖已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。

　　EDGE是一种有效提高GPRS信道编码效率的高速移动数据标准，它允许高达384kb／s的数据传输速或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氛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带来了最高2Mb／s的数据传输速曳在这样的条件（现在计算机中应用的任何媒体都能通过无线网络轻松地传递。WCDMA通过有效地利用宽频带，不仅能顺畅地处理声音、图像数据以及与互联网快速连接，而且WCDMA和MPEG-4技术结合起来还可以处理真实的动态图像。

　　2．适合中国国情的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才4.5％，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网必须与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，难以像建设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。具体他说，中国第三代移动通信的演进策略应该如下。

　　a.依托900MHz 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。例如广东省，由于整个珠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。

　　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。当3G的双频双模终端到达无3G覆盖而只有900MHz
GSM网覆盖的区域时，3G的双频双模用户终端仍可得到900MHz 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，既可充分利用己建好的全国900MHz
GSM大网，又可用较少的代价为用户提供3G业务。随着3G的业务需要不断增力比3G覆盖的孤岛不断增多、扩大，将逐步形成局部区域或城市全覆荒最终形成全国覆盖的3G网。

　　b.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GSM2G（或2.5G）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GSM
2G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阶来取代GSM基站子系统的扩容，而不用等到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，尽可能减少2G向36演进中带来的损失。

　　c.充分利用TD-SCDMA的特点，与WCDMA混合组网

　　TD-SCDMA第三代移动通信系统具有频谱利用率高，仅需单一1.6Mb／s的频带就可提供速率达2Mb／s的3G业务需求的特点，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900MHz
GSM网，以孤岛形式逐步建设3G网的要求。因TD-SCDMA能同时满足Iub、A、Gb、Iu、IuR多种接口的要FIY ，所以TD-SCDMA的基站子系统既可作为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-SCDMA 3G系统能同时满足前面所述的两条演进策略。

　　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，在用户容量不是很大的区域，基站最大覆盖可达30～40km。所以，TD-SCDMA适合在城市和城郊使用。

　　d.3G核心网的演进策略

　　原900MHz、1600MHz 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的数据业务速率。

　　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等3G网的接口。由于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，从而演进成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、庞大的GSM网络，使得在演进过程中，最大限度地保护已有的投资保证用户业务的连续性。

　　综上所述，TDMA技术将不是第三代移动通信的主流技术，因此TDMA SC和TDMA MC只会作为区域性标准分别用于IS-136和DECT系统的升级。而基于CDMA技术的3个RTT技术规范将成为第三代移动通信的主流技术，也称为一个家族、三个成员。
CDMA DS和CDMA MC都是FDD模式，CDMA TDD是TDD模式，ITU-R分别为3G的FDD模式和TDD模式划分了独立的频段。TD-SCDMA和LAS-CDMA（大区域码分多址联接）技术系统适合用于大中城市及城乡结合部，因为在这些地区人口密度高，频率资源紧张，因容量的原因，小区半径一般都在15km以内，移动速度不要很高（200km／h以内）。同时，这些地区的数据业务特别是Internet等非对称数据业务的需求比较大，能充分发挥两种技术的优势。而在农村及大区全覆盖时，用WCDMA
FDD方式则较合适的。因此，在3G中FDD和TDD是相互补充的关系。

摘自《世界网络与多媒体》