3G关键技术与发展趋势

3G关键技术与发展趋势


第三代移动通信（3G）业务将涵盖语音、视频和高速Internet接入，从根本上改变移动通信仅是固定电话的便携式替代品的传统观念。本文将对3G关键技术与发展趋势做一分析。

3G关键技术与发展趋势

毕庶民 王蕾

何为3G？

---- 第一代移动通信系统为模拟制式，并于1981年建立了以FDMA技术为基础的模拟移动通信系统（如AMPS、TACS、NMT等）。第二代移动通信系统（2nd Generation，2G）是以传送语音和数据为主的数字通信系统，典型的系统有GSM（采用TDMA方式）、DCS1800和IS-95CDMA。2G除提供语音通信服务之外，也可提供低速数据服务和短消息服务。所谓第三代移动通信系统（3rd Generation，3G），国际电联也称IMT-2000(International Mobile Telecommunications in the year 2000），欧洲的电信业巨头们则称其为UMTS（通用移动通信系统）。它能够将语音通信和多媒体通信相结合，其可能的增值服务将包括图像、音乐、网页浏览、视频会议以及其他一些信息服务。3G意味着全球适用的标准、新型业务、更大的覆盖面以及更多的频谱资源，以支持更多用户。

---- 3G系统与现有的2G系统有根本的不同。3G系统采用CDMA技术和分组交换技术，而不是2G系统通常采用的TDMA技术和电路交换技术。在电路交换的传输模式下，无论通话双方是否说话，线路在接通期间保持开通，并占用带宽。与现在的2G系统相比，3G将支持更多的用户，实现更高的传输速率。

3G能做什么？

---- 3G除了能完成目前的语音通信外，还能进行多媒体通信，同时语音通信的质量将大为提高。未来网络通信中，图像、视频、音频将占更大比重。第三代手机往往带有一个触摸显示屏，用户可在上面直接写字、绘图，并将其传送给另一台手机或电脑，而所需时间可能不到1秒。第三代手机还可自带摄像头，这将使用户可以利用手机召开视频会议，并使数字相机成为一种“多余”。

---- 3G的最大应用还是高速无线Internet接入。移动用户将不受固定Internet接入的约束，用第三代手机直接上网，下载信息，查看电子邮件或浏览网页，进行电子商务交易、网上购物和娱乐。 3G能以2Mbps的速率下载复杂的图像文件或电视短片。在完全移动的环境中，这些速率将高达384Kbps，比现有第二代网络（如 GSM）高出40倍。3G不仅可以实现全球漫游，还可以使用户在全球旅行时可以随处接入3G业务，真正实现“任何人在任何地点、任何时间与任何人”都能便利地通信。

---- 3G系统的另一个吸引力是其与2G系统的高度的互运行性。目前最有希望被选中作为第三代移动通信标准的WCDMA有极强的兼容性。3G能够提供类似的平台，使运营商只需在网络上增添一些软硬件即可使现有的GSM升级为WCDMA，GSM900和GSM1800手机和新的WCDMA手机均可在这一新的网络中使用。因此现有的2G 用户将自然过渡到3G，完全不必担心GSM手机将在2002年遭到淘汰。

为什么3G采用CDMA技术？

---- 首先，高的数据传输率是移动通信系统具备强大功能的基础。尽管目前的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(最高9.6Kbps)。 而采用CDMA技术的3G的数据传输率将高达2Mbps。

---- 其次，目前的TDMA系统(GSM或DAMPS)在频谱效率上仅是模拟系统的3倍，容量有限，而且在话音质量上也很难达到有线电话水平。而CDMA技术具有系统容量大、话音质量好、抗干扰性强、保密性好等优点。

---- 由于CDMA技术完全适合现代移动通信网的大容量、高质量、综合业务、软切换、国际漫游等要求，因此宽带CDMA系统最有可能被3G系统采用。

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形式，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消息。

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。

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既能维护高质量通信，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，因而要求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。

向3G过渡

---- NTT DoCoMo计划在2001年将3G网络投入商用，欧洲将在2002年1月启用3G网络，世界电信业巨头们为第三代手机定下的大规模商业运营时间为2002年。

---- 但是，2G系统仍有很长的生存期。首先，第三代手机上市初期不可能拥有一个大众化的价位，这将使不少对多媒体通信需求不强烈的消费者仍倾向于选择便宜的GSM手机。其次，由于3G系统与2G系统的高度互运行性，2G系统仍将长期在看重话音的市场部分创造回报。

---- 从长远来看，3G系统取代2G系统是必然的。随着3G的流行，3G/IMT-2000运营者从非语音通信业务（宽带移动多媒体通信业务）中获得的利润将逐渐增大。据UMTS论坛的预测，全球移动多媒体通信业务的市场到2005年将达到每年340亿美元的规模，10年以后将会有17亿移动用户。这对运营者是一个难得的机遇，3G运营者将有能力以全新的方式向用户提供移动通信服务，使得服务越来越好而资费越来越低。