第三代移动通信IMT-2000的无线传输技术

宋国文 柴远波 葛宝忠

　　由ＩＴＵ－Ｔ提出的第三代移动通信系统ＵＭＴＳ／ＦＰＬＭＴＳ（ＩＭＴ－２０００），是工作在２ＧＨｚ频段上的宽带移动通信系统，计划２０００年左右投入试验和运营的标准化。ＩＭＴ－２０００系统模型，采用模块化概念，在交换网络与无线接入网之间定义了一个明确的无线网络接口。该接口允许未来多种无线系统连接到多种现存的核心网络和ＩＭＴ－２０００的核心网络。

　　无线接入网由无线承载公用功能（ＲＢＣＦ－Ｒａｄｉｏ Ｂｅａｒ Ｃｏｍｍｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）和无线传输特定功能（ＲＴＳＦ—Ｒａｄｉｏ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）两个部分组成。ＲＢＣＦ完成控制和传输功能；ＲＴＳＦ完成无线接入技术功能，主要为无线传输技术（ＲＴＴ－－Ｒａｄｉｏ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）和无线传输适配功能（ＲＴＡＦ－－ Ｒａｄｉｏ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ａｄａｐｔａｔｉｏｎ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ）。在交换网一侧，ＩＭＴ－２０００通过合适互通功能或适配功能与现有的核心网络互连。ＩＭＴ－２０００的竞争焦点集中在地面无线传输技术上。

第三代移动通信系统的基本特点

　　·第三代移动通信系统为多功能、多业务和多用途的数字移动通信系统，是在全球范围内覆盖和使用的。它根据特定的环境提供从１４４ｋｂｉｔ／ｓ到２Ｍｂｉｔ／ｓ的个人通信，支持全球无缝漫游和提供宽带多媒体业务；使用共同的频段（ＷＲＣ分配给ＩＭＴ－２０００使用的频段为１８８５－２０２５ＭＨｚ，２１１０－２２００ ＭＨｚ），全球统一标准。

　　·支持从话音到分组数据进而到多媒体业务，根据需要提供带宽。ＩＴＵ对第三代无线传输技术的最低要求为：快速移动环境，最高速率达１４４ｋｂｉｔ／ｓ；室外到室内或步行环境，最高速率达３８４ｋｂｉｔ／ｓ；室内环境，最高速率达２Ｍｂｉｔ／ｓ。

　　·兼容第二代移动通信网络。因为第二代移动通信网络发展已具有相当的规模，为便于过渡，第三代移动通信一定要兼容第二代移动通信系统。

　　·性能价格比优，具有强大的竞争能力。

　　·频谱效率高。

　　·服务质量好。

　　·保密系统完善。

　　根据以上要求，目前，提交到ＩＴＵ的地面无线传输技术共有１０种。这１０个技术的双工方式、应用环境、多址方式、码片速率、帧长和提交者等。

　　在表１的１０个地面建议中，欧洲ＤＥＣＴ无线接入标准（序号１０）作为ＩＭＴ－２０００的微小区／微微小区组成部分，适合无线ＰＢＸ等应用。事实上，ＤＥＣＴ 使用了第三代移动通信的频谱，能够满足ＩＴＵ室内和步行环境的带宽要求，即固定用户为２Ｍｂｉｔ／ｓ，在校园或工作环境中的移动用户则使用３８４ｋｂｉｔ／ｓ，但由于ＤＥＣＴ并非为广域无线网络用户而设计，因此不能满足１４４ｋｂｉｔ／ｓ车辆用户的快速移动要求。

　　ＵＷＣ－１３６（序号９）是一个纯ＴＤＭＡ技术，是在北美ＩＳ－１３６ ＴＤＭＡ（Ｄ－ＡＭＰＳ）技术的基础上提交的。北美ＩＳ－１３６ ＴＤＭＡ（Ｄ－ＡＭＰＳ）是第二代数字系统的主要技术之一，其用户规模与ＩＳ－９５相当，因此，ＵＷＣ－１３６将被ＩＳ－１３６的运营者继续采用。

　　其它８个建议都是基于ＣＤＭＡ技术，也就是说宽带ＣＤＭＡ技术是第三代移动通信的主要技术。Ｗ－ＣＤＭＡ和ｃｄｍａ２０００为第三代移动通信的主流技术。

　　Ｗ－ＣＤＭＡ实际上有两个独立的建议：日本无线工业广播协会（ＡＲＩＢ）支持的纯Ｗ－ＣＤＭＡ和欧洲电信标准协会（ＥＴＳＩ）制定的ＵＴＲＡ；ＵＴＲＡ实际上是以日本的Ｗ－ＣＤＭＡ技术和欧洲第三代ＧＳＭ使用的最初ＵＭＴＳ平台为基础的混合标准。目前，这两个建议正在进一步融合。

　　ｃｄｍａ２０００是基于窄带ＩＳ－９５ＣＤＭＡ技术的宽带ＣＤＭＡ技术。ｃｄｍａ２０００和ＩＳ－９５采用的基本技术和关键技术如功率控制、软切换、ＲＡＫＥ接收等是很类似的，性能上也没有太大的差异。

　　Ｗ－ＣＤＭＡ和ｃｄｍａ２０００两种宽带ＣＤＭＡ的主要区别为：

　　·码片速率（Ｃｈｉｐ ｒａｔｅ）：ｃｄｍａ２０００使用目前的ＰＣＳ 频段，强调与ＩＳ－９５的后向兼容。其基本思路是采用多载波方式，码片速率是窄带１．２２８８Ｍｃｐｓ的整数倍，初期为１倍或３倍，即１．２２８８Ｍｃｐｓ或３．６８６４Ｍｃｐｓ，也就是说在５ＭＨｚ的带宽上采用３．６８６４Ｍｃｐｓ的码片速率。而Ｗ－ＣＤＭＡ采用直接序列扩频，码片速率为４．０９６Ｍｃｐｓ。目前，ＩＴＵ－Ｔ仍在尝试就５ＭＨｚ的带宽内采用３．８４Ｍｃｐｓ的码片速率进行折中，但未能达成一致。ｃｄｍａ２０００反对折中，因为采用了３．８４Ｍｃｐｓ的码片速率，ｃｄｍａ２０００就无法与ＩＳ－９５后向兼容。

　　·基站同步方式：ｃｄｍａ２０００采用ＩＳ－９５系统所采用的方式，即采用ＧＰＳ使基站之间严格同步。Ｗ－ＣＤＭＡ则采用异步方式。虽然日本也提出了同步方式可作为选项，但仍采用异步方式的３步捕捉同步的方式，只是省略了第３步。其同步方式和ｃｄｍａ２０００的同步方式相差甚远。

　　·导频信道方式：Ｗ－ＣＤＭＡ采用专用导频符号，与业务数据流时分复用。ｃｄｍａ２０００仍然采用ＩＳ－９５系统所采用的公共导频信道方式。导频信道方式差异较大，难以达到统一。

　　上述三个关键参数得不到统一，因此，两种宽带技术难以融合。

　　我国提出的建议—时分同步ＣＤＭＡ（ＴＤ－ＳＣＤＭＡ），采用时分双工方式和时分同步码分多址接入。工作频段为２．０１～２．０２５ＧＨｚ，每个信道１．２ＭＨｚ带宽，其中保护带宽约为１００ｋＨｚ。每个射频信道帧由８个可动态分配的ＴＤＭＡ时隙组成，每个ＴＤＭＡ时隙又分为１６个ＣＤＭＡ码分信道。每个码分信道经过一个特定的Ｗａｌｓｈ码与一个公共的伪随机码相乘后彼此分开。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ系统中，每帧的长度为５ｍｓ（８个时隙），码片速率为１．１１３６ Ｍｃｐｓ，接入信道的扩频增益为１６，业务信道的扩频增益为１６或３２。采用ＤＱＰＳＫ方式调制，可选８ＰＳＫ或１６ＱＡＭ方式。话音业务采用卷积编码，数据业务采用级连编码，并进行相应的交织处理。ＴＤ－ＳＣＤＭＡ与Ｗ－ＣＤＭＡ和ｃｄｍａ２０００没有多大的关系，它的设计更像一种低移动性的ＷＬＬ技术，采用的ＴＤＭＡ和ＣＤＭＡ混合接入方案与同样采用这两种技术的ＵＴＲＡ合作有良好的基础。

第三代移动通信系统的分层结构

　　通信协议分为三层，分别为：

　　·第一层为物理层，定义了无线频谱的管理，通过无线链路传递数据，它是由一系列下行物理信道和上行物理信道组成。

　　·第二层为链路层，它由媒体接入控制（ＭＡＣ）子层和链路接入控制（ＬＡＣ）子层两个子层组成；ＭＡＣ子层根据ＬＡＣ子层不同业务实体的要求对物理层的资源进行管理和控制，并负责提供ＬＡＣ子层业务实体所需的ＱｏＳ级别。ＬＡＣ子层负责提供ＭＡＣ子层所不能提供的更高级别的ＱｏＳ控制，这种控制可以通过ＡＲＱ等方式来实现，以满足来自更高层业务实体的传输可靠性。

　　·第三层为高层，它集ＯＳＩ模型中的网络层、传输层、会话层、表达层和应用层为一体。高层实体主要负责各种业务的呼叫信令处理，话音业务（包括电路类型和分组类型）和数据业务（包括ＩＰ业务、电路、分组数据和短消息等）的控制与处理等。

　　分层结构（见图２）中的Ｃ－平面为控制平面，Ｕ－平面为用户信息平面。

　　第三代移动通信系统的两个主要技术路线：

　　从以上的分析可看出，在已提交ＩＴＵ－Ｔ的ＩＭＴ－２０００的建议中，主要有两种技术的发展路线，其一为以欧洲为代表的以ＧＳＭ为核心网的欧洲派的技术路线，另一个为以美国为代表的以Ｄ－ＡＭＰＳ为核心网的北美派的技术路线，二者都有很大的影响力，直接影响着第三代移动通信的最终发展，且已给ＩＴＵ构成了威胁。

　　·ＧＳＭ ＭＡＰ＋ＵＴＲＡ—３ＧＰＰ路线

　　３ＧＰＰ是以欧洲ＥＴＳＩ发起的，日本ＡＲＩＢ、ＴＴＣ、韩国ＴＴＡ和美国ＴＩ参加的第三代伙伴计划。目的是制定以ＧＳＭ ＭＡＰ为核心网、ＵＴＲＡ（ＦＤＤ：Ｗ－ＣＤＭＡ，ＴＤＤ：ＴＤ－ＣＤＭＡ）为无线接口的第三代移动通信标准。

　　·Ｄ－ＡＭＰＳ＋ｃｄｍａ２０００—３ＧＰＰ２路线

　　３ＧＰＰ２是由美国国家标准协会ＡＮＳＩ发起的，日本ＡＲＩＢ、ＴＴＣ、韩国ＴＴＡ参加的另一个第三代伙伴计划。目的是制定以Ｄ－ＡＭＰＳ为核心网、ｃｄｍａ２０００为无线接口的第三代移动通信标准。

关于ＩＭＴ－２０００的几点说明

　　·ＦＤＤ和ＴＤＤ

　　ＦＤＤ和ＴＤＤ在技术上各有自己的特色。ＦＤＤ在蜂窝系统的应用中较为成熟，但无法解决频率不对称的问题。ＴＤＤ方式能解决频率不对称的问题，能够很好的适应未来Ｉｎｔｅｒｎｅｔ浏览问题。但ＴＤＤ技术在蜂窝系统中尚未取得完全的成功，一些关键技术尚需得到验证。

　　·空中接口技术和移动交换技术

　　初期的第三代移动通信系统的最高传输速率为１４４ｋｂｉｔ／ｓ（最多不超过３８４ｋｂｉｔ／ｓ），这种速率无论是分组模式还是电路模式，对于移动交换机而言均谈不上高速，移动交换机可能存在的困难在于如何支持３Ｇ系统所需的并发多业务。考虑到国内在交换方面的传统优势，实施３Ｇ交换机的难度应远低于空中接口部分。因此，空中接口技术成为发展第三代移动通信系统的关键部分。

　　·关键技术的复用

　　无论是ＷＣＤＭＡ还是ｃｄｍａ２０００，无论是ＦＤＤ还是ＴＤＤ，均有大量共性关键技术（如功率控制、ＲＡＣＫ接收机、信道编译码器等）。

　　·新型技术的应用

　　类似于多用户检测、智能天线、新型信道编译码等新型关键技术并不是初期第三代移动通信系统所必需的，但这些技术的突破将会很大程度上提高系统性能。

　　·芯片支持问题

　　毫无疑问，专用集成电路（ＡＳＩＣ）芯片对于第三代移动通信系统的产业化是必需的，拥有我们自己独立产权的ＡＳＩＣ的开发应同步进行。

　　·标准的选择

　　ＩＭＴ－２０００的发展尚有许多不确定的因素，这些因素有来自技术方面的，也有来自其它方面的。目前较为公认的主流标准为欧洲的Ｗ－ＣＤＭＡ标准（ＵＴＲＡ）和北美的ｃｄｍａ２０００标准。考虑我国拥有较为庞大的ＧＳＭ蜂窝通信系统，且国内传统上较易接受欧洲标准，选择欧洲的Ｗ－ＣＤＭＡ标准作为主攻方向是必要的。但另一方面，北美的ｃｄｍａ２０００标准较为成熟，北美的ＣＤＭＡ运营组织ＣＤＧ号称有能力在两年之内推出ｃｄｍａ２０００－１ｘ商用系统。由于ｃｄｍａ２０００－１ｘ系统必须与已有的ＩＳ－９５系统兼容，因此一些关键参数与ＩＳ－９５系统相同，而且国内已建有ＣＤＭＡ商用实验网，并有较好的ＩＳ－９５ＣＤＭＡ研究基础，通过对ＩＳ－９５ＣＤＭＡ的改造，相对较易在短时期内完成ｃｄｍａ２０００－１ｘ实验系统，因此，选择北美的ｃｄｍａ２０００标准作为主攻方向也是很有必要的。另外，由于未来移动通信产业巨大，在国内采用两种或两种以上的标准也是完全可能的。

　　·体制标准的创新和研究。主要考虑以下三个方面：在技术上最大程度地使关键技术能够复用（考虑与ＩＳ－９５、ＧＳＭ的兼容与复用）；减少系统实现的复杂度；最大程度地占有知识产权。

　　第一代移动通信系统（如ＡＭＰＳ和ＴＡＣＳ等）是采用ＦＤＭＡ制式的模拟蜂窝系统，其主要缺点是频谱利用率低、系统容量小、业务种类有限。第二代移动通信系统（如ＧＳＭ、Ｄ－ＡＭＰＳ及ＩＳ－９５等）则是数字蜂窝系统。虽然其容量和功能与第一代相比有很大的提高，其业务主要限于话音和低速率数据（小于９．６ｋｂｉｔ／ｓ），不能满足新业务种类和高传输速率的要求。第三代移动通信系统以其能与固定网络相兼容，能提供多种类型的高质量多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，并以小型便携终端在任何时候、任何地方都能进行通信的诸多优势，具有巨大的吸引力。

----《通信世界》