3G主流技术及其演进过程

刘延峰
　　摘要：简述3G（第三代移动通信系统）概况及其体制标准，介绍3G发展现状及主流应用技术，分析探讨了2G（第二代移动通信系统）向3G演进的方式。

　　关键词：3G；CDMA2000；WCDMA；TD-SCDMA；CDMA2000 1X；GPRS

　　1　3G发展现状

　　ITU在1996年将3G（第三代移动通信系统）由原来的FPLMTS正式命名为IMT-2000，其含义是3G统一使用2000MHz频段、最高数据传输速率2000kbit/s，并计划于2000年投入使用。ITU提出的IMT-2000系统分为陆地网和卫星网两大部分，包括寻呼、无绳系统、蜂窝系统和移动卫星通信系统等功能，IMT-2000宗旨是建立一个全球统一的多媒体移动通信网，它的最终目标概括为三点：（1）建立一个全球无缝覆盖的移动网络，可提供全球漫业务。（2）支持宽带多媒体综合业务，其数据传输速率要求为：室内低速时2Mbit/s，室内/室外中速时384kbit/s，车载高速时144kbit/s，卫星环境下不小于9.6kbit/s。（3）提供高服务质量和安全保密性能。

　　ITU主要致力于3G技术体制标准的制定工作，3G标准分为核心网标准和无线接口标准两大部分。目前，核心网标准尚不明朗，但总趋势是向支持IP的分组平台发展，2G两大核心网MAP及ANSI-41可能长期并存。无线接口标准已基本完成，ITU经过10个候选方案的频谱效率、网络接口、QoS、技术复杂性、覆盖率、灵活性和设备体积等诸多方面的全面评估，最终正式确认了5种无线标准，分别是MS-CDMA、DS-CDMA、TD-CDMA、SC-TDMA、MC-TDMA，这是一个以CDMA技术为主体，兼顾TDMA技术，包含FDD和TDD两种双工方式的多元化体系标准，它基本涵盖了目前2G的两大技术体制，是一个多方利益妥协的结果，并没有真正实现标准的统一，因此3G实际是一个“家族概念”的网络。从移动通信技术发展趋势和可实现业务功能分析，基于CDMA制式的3种标准被普遍看好，分别对应CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA三种技术，这三种技术极有可能成为未来3G的三大主流应用技术。

　　目前，三大主流技术标准已得到业界认可，在技术进步和市场驱动的双重作用下，3G从概念向产业化的进程在加快，全球主要设备厂商都在积极跟踪研发基于三大主流技术的3G网络产品，2001年下半年已推出CDMA2000和W-CDMA可商用系统及TD-SCDMA产品样机。此外，3G商用进程也已开始，日本DoCoMo已在东京地区开通世界上第一个W-CDMA商用网，欧洲已完成3G国际漫游测试，全球各大运营商对参与3G运营态度积极，欧洲、香港、台湾及韩国都已完成3G牌照发放，国内几大运营商也在积极争取3G牌照，并竞相开展3G网络实验，为3G运营作前期准备。综观全球3G发展现状，3G技术正处于发展和完善阶段，三大主流技术标准将经历逐步融合演变的过程，最终实现全球的统一，现有2G网络将向3G过渡已是大势所趋。

　　2　3G技术基本特点

　　从目前已确立的3G标准分析，其网络特征主要体现在无线接口技术上。蜂窝移动通信系统的无线技术包括小区复用、多址/双工方式、应用频段、调制技术、射频信道参数、信道编码及纠错技术、帧结构、物理信道结构和复用模式等诸多方面。纵观3G无线技术演变，一方面它并非完全抛弃了2G，而是充分借鉴了2G网络运营经验，在技术上兼顾了2G的成熟应用技术，如小区复用、多址/双工方式、多相QPSK调制、卷积及交织技术、功率控制等；另一方面，根据IMT-2000确立的目标，未来3G系统所采用无线技术应具有高频谱利用率、高业务质量、适应多业务环境，并具有较好的网络灵活性和全覆盖能力，因此，与2G相比3G在无线技术上的创新主要表现在以下几方面。

　　（1）采用高频段频谱资源

　　为实现全球漫游目标，按ITU规划IMT-2000将统一采用2G频段，可用带宽高达230MHz，分配给陆地网络170MHz，卫星网络60MHz，这网络为3G容量发展，实现全球多业务环境提供了广阔的频谱空间，同时可更好地满足宽带业务。

　　（2）采用宽带射频信道，支持高速率业务

　　充分考虑承载多媒体业务的需要，3G网络射频载波信道根据业务要求，可选用5/10/20M等信道带宽，同时进一步提高了码片速率，系统抗多径衰落能力也大大提高。

　　（3）实现多业务、多速率传送

　　在宽带信道中，可以灵活应用时间复用、码复用技术，单独控制每种业务的功率和质量，通过选取不同的扩频因子，将具有不同QoS要求的各种速率业务映射到宽带信道上，实现多业务、多速率传送。

　　（4）快速功率控制

　　3G主流技术均在下行信道中采用了快速闭环功率控制技术，用以改善下行传输信道性能，这一方面提高了系统抗多径衰落能力，但另一方面由于多径信道影响导致扩频码分多址用户间的正交性不理想，增加了系统自干扰的偏差，但总体上快速功率控制的应用对改善系统性能是有好处的。

　　（5）采用自适应天线及软件无线电技术

　　3G基站采用带有可编程电子相位关系的自适应天线阵列，可以进行发信波束赋形，自适应地调整功率，减小系统自干扰，提高接收灵敏度，增大系统容量，另外软件无线电技术在基站及终端产品中的应用，对提高系统灵活性、降低成本至关重要。

　　3　3G主流应用技术

　　就3G技术发展趋势看，CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA三种技术体制最具潜力，是未来3G主流应用技术，其共同特点是都应用码分多址技术实现信道共享，并采用扩频通信技术提高系统质量，但在具体系统参数选取上各不相同，因此各具特点。

　　CDMA2000源于美国IS-95体系，是北美3G体制标准的代表，属CDMA/FDD体制，主要沿用IS-95技术，属同步宽带CDMA技术。CDMA2000主要特点是：在下行信道传输中，定义直扩和多载波传输两种方式，码片速率分别为3.6864Mcps和1.22Mcps，多载波方式能很好地兼容IS-95网络；在同步方式上CDMA2000与IS-95相同，基站间同步采用GPS方式；在扩频码选择采用相同M序列，通过不同的相位偏置区分不同的小区和用户；此外在下行信道中采用公共连续导频方式进行相干检测，提高系统容量。CDMA2000设计了两类码复用业务信道，基本信道用于传送语音、信令和低速数据，是一个可变速率信道，补充信道用以传送高速率数据，在分组数据传送上应用了ALOHA技术，改善传输性能；另外CDMA2000射频带宽从1.25MHz到20MHz可调。

　　W-CDMA是欧洲和日本提出的3G候选方案最终融合的标准，同属CDMA/FDD体制，它是建立在窄带CDMA技术基础上的一种异步宽带CDMA技术。W-CDMA只采用直扩方式，并选用4.096Mcps高速率码片，扩频码采用GOLD长码扩频序列，依靠不同长码序列区分大小区和用户，基站间采用准同步方式，GPS同步方式为可选项目。W-CDMA在下行信道采用时分复用专用导频方式进行相干解调；业务信道分为单码传送和多码传送两种结构，可将多种速率的不同业务分配给同一个5MHz载波上的多个用户。

　　TD-SCDMA是由中国提出的3G体制标准，它与前两个标准最大不同之处是采用了TDD双工方式，并将TDMA与CDMA技术结合应用，优势在于节省频谱资源，不需要成对的频率，能很好地实现非对称数据传输，由于上下行传播特性相同，可以使智能天线技术得到最佳应用，同时它还应用了软件无线电、联合检测等新技术。

　　综观这三大主流技术，就发展背景而言，CDMA2000和W-CDMA以成熟的二代CDMA/FDD技术为基础，源于欧洲及北美两大移动通信阵营，均有世界知名运营和制造业厂商作支撑，具有强大的研发及产业化优势，其主要优势在于已有二代的成功运营经验和高度的市场认知度，在技术上较TD-SCDMA成熟，另外FDD技术在满足终端高速移动方面优势明显，缺点是由于采用5MHz标称射频带宽，频谱利用率及抗干扰能力较TD-SCDMA低，设备成本较高。相对而言，TD-SCDMA，作为一种TDD方式的3G标准得到了业界的广泛关注，其主要优势采用1.7MHz射频带宽，通过采用TDMA+CDMA方式，实现了时隙码复用，巧妙地提高系统容量，频谱利用率高，设备成本低，并可适时分配上下行时隙，特别适合于非对称业务传输，缺点是系统同步要求较高，终端移动速度受限，由于应用了智能天线、联合检测等新技术，技术成熟性有待提高。从目前3G发展现状看，CDMA2000因具有较好的兼容性，势头最为强劲，优势突出，得到了全于较好的兼容性，势头最为强劲，优势突出，得到了全球主要运营商及制造商的广泛支持和认可，有可能在未来3G网络中处于主导地位；W-CDMA发展中遇到了一些问题，进展相对迟缓，业界持观望态度；TD-SCDMA技术虽起步较晚，但发展较快，在短时间内完成了由理论到样机的转变，最近又成功地完成了室外网络通话实验，很可能在2003年推出商用系统，其技术的成熟性及市场认知度有了新的提高。

　　4 3G演进方式

　　3G发展进程受诸多因素影响，除技术及市场需求外，目前庞大的2G网络如何低成本向3G网络演进，是影响3G技术选择及商用化程度的重要因素。

　　（1）向CDMA2000的演进方式

　　可能的演进路线是IS-95-CDMA2001 1x-CDMA2000。世界上绝大多数窄带CDMA运营商将按此路线向3G运营过渡，是北美3G体制过渡的主要方式。目前CDMA运营处于IS-95基础上，经完善形成的3G过渡方案，被称为2.5G技术，在容量上它是IS-95的两倍，支持153kbit/s高速数据业务，CDMA2000 1x是2G向3G过渡的重要阶段，目前是业界最为关注的技术，众多3G厂商都已推出自己的产品，CDMA2000 1x实验网也已在国内主要城市开通。CDMA2000的整个演进路线，思路清晰，能很好地兼容现有2G网络，过渡成本较低，目前发展势头强劲，前景较为乐观。

　　（2）向WCDMA的演进方式

　　可能的演进路线是GSM-HSCSD-GPRS-EDGE-WCDMA。此路线是欧洲及日本3G体制过渡的主要方式，是目前GSM运营商向3G运营的首先方案。GSM是2G　TDMA移动通信的主要标准，优势在于标准的成熟性和完整性上，HSCD被称为高速电路交换数据业务，它主要是通过时隙捆绑技术提高数据传输速率，可支持最高57.6kbit/s的数据业务；GPRS通用分组无线业务是GSM的3G过渡方案，也称为2.5G技术，它主要是一个通过设置网关GGSN和业务支持节点SGSN，叠加在现有GSM网之上的无线分组网，可提供114kbit/s数据业务；EDGE是一种增强型GSM数据业务，它是在采用捆绑技术基础上，通过应用高效调制技术，进一步提高数据传输速率，可实现384kbps的高速数据传输。GPRS的商业运营是GSM向3G过渡的关键，与目前CDMA2000 1x发展态势相比，全球GPRS发展相对滞后，国内GPRS也迟迟也没启动，另外WCDMA的过渡成本相对较高，发展中也遇到了一些技术难题，这些将可能对WCDMA的商业运营产生影响。

　　（3）向TD-SCDMA的演进方式

　　相比之下，TD-SCDMA演进路线尚不明朗，开发厂商宣称TD-SCDMA主要基于GSM MAP网实现平滑过渡，同时也兼容ANSI-41向3G过渡，能最大程度地降低过渡成本，但这都有待于实际运营检验。对于移动运营商，TD-SCDMA又多了一种技术选择，特别是新兴移动运营商选择的可能性较大，TD-CDMA将凭借TDD无线通信固有特点，在未来3G网络中占据一席之地。

　　5　3G前景

　　未来3G网络，受体制标准及商业利益影响，初期将是“家族式”多元化网络，其成员应包括三大主流应用技术及卫星移动通信的应用，各成员间相互提供漫游服务，同时兼容现有2G网络。3G运营环境将是多层次结构，基本话音业务主要还用2G网络承载，只是在有3G业务需求的地区，叠加3G网络，提供3G移动多媒体业务，降低初期网络成本。但随着技术的融合，业务需求的增长，最终3G将全面取代2G网络。

摘自《黑龙江通信技术》2002.1