扩频因子在3G标准(TD、WCDMA、CDMA2000)中的比较和研究

摘要　本文给出3G移动通信主流标准性能的比较方法，从扩频因子的角度出发，从用户接入速率，手机发送功率和系统自干扰等主要技术指标从原理上比较了WCDMA，cdma2000，TD-SCDMA这三个标准可能存在的问题。

3G主流标准有WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA这三种制式，在技术上各有千秋，从目前的情况来看，不会出现哪种标准"一统江湖"的局面，由于这些标准的技术内容极为复杂，所以，要在所用技术基础上评价这些标准的优缺点比较困难。但是，对这些标准的某些关键参数进行一些对比，可以得出一些重要结论，而对于我国3G标准选择的参考，也是十分必要和完全可行的。由于这些3G系统均未进入大规模商用，标准可能存在的一些问题和缺陷也很难暴露。在这些标准的实施过程中，各种标准的不足之处也会逐步得到认识，需在实施过程中逐步修改标准，使其更为合理。

下面，首先扼要介绍3G主流标准的基本内容，然后，将着重从扩频因子的角度出发，从用户接入速率Rb，发送功率等方面来比较3G三个标准的不同，最后，提出一些参考意见。

一、3G主流标准概述

1998年6月，各国标准化组织向国际电联提交了各自的无线传输技术候选方案，共有16种。在这些技术当中，以码分多址技术作为第三代移动通信的主要技术。其中，最有代表性的主流技术有三种，分别是WCDMA技术、cdma2000技术和TD-SCDMA技术。其中，WCDMA是欧洲和日本支持的方案，cdma2000是由美国提出的方案，我国提出的TD-SCDMA采用了TDMA和CDMA混合接入方案。这三种无线传输技术的具体技术参数如表1所示。

表1　3G主流标准的具体技术参数

表1中的大多数参数是不难理解的，但从上表可发现在三大主流标准中，扩频因子在各个标准中的数值具有很大的差异，WCDMA的扩频因子取值范围最大，最大值是cdma2000的6倍，是TD-SCDMA的16倍，如此大的差异将会带来怎样的影响?下面具体分析在不同系统中扩频因子产生的影响。

二、在CDMA系统中用SF调整Rb时的问题

3G标准的基本目标是3G系统能在车速、步行和静止三种不同环境下分别提供144kbit/s、384kbit/s和2048kbit/s无线接入数据速率Rb。上述目标是3G标准的核心要求，为避免增加讨论的复杂性，在下面的讨论中将抛开3G标准的其它内容，始终从这一核心要求作为出发点来进行讨论。

在CDMA系统中扩频因子（SF）是用于调整用户速率（Rb）的重要手段。在WCDMA系统中当SF从256变至4时，码分信道的Rb可变化256/4=64倍。然而，由于CDMA系统为自干扰系统，利用SF调整码分信道的Rb时会产生严重问题。其产生原因如下。

为易于分析起见，取大家较为熟悉的IS-95系统为例。先讨论系统解调器中自干扰It的来源。CDMA系统中It的来源可分为两类。一类来自地址码、多径传播和波形成形中产生的码间干扰，将其标为It。另一类If来自多个同频码分信道收信号功率Pr。

IS-95的下行地址码为同步Walsh地址码，受多径衰落影响正交性下降，可能会产生自干扰。上行地址码是长度为242-1的PN序列，产生的自干扰幅度正比于，其影响可以忽略，因此，上行使用同步地址码的意义不大。CDMA系统中的RAKE接收机利用多径传播可成倍提升收信号强度，却很难消除码间干扰。在码分信道数较少的TD-SCDMA系统中可以使用联合接收机消除Ii的影响并达到RAKE接收机的信号增强作用，但改善效果有限。

If的产生原因与扩频解调的原理有关，除了利用智能天线技术外否则无法消除。CDMA接收机会收到多个同频码分信道收信号Pr，其中除去需接收信号外，其余均为干扰收信号Pri，这些Pri经解扩频后均变为强度正比于Pri的加性高斯白噪声Ni，成为收信中的自干扰，使下降，误比特率（BER）上升，其中Nt=N0+∑Ni，N0为噪声功率谱密度。Nt的影响折合到接收机输入端时，也会使下降，此处C为收载波功率。一般而言，当覆盖半径r上升，码分信道数增加，SF值下降，基站BS和多个移动台MS之间的距离差上升时，在下行链路中距BS越近的MS受干扰越大。

在CDMA系统中带有极强的功率控制，其目的就是减少Ni的影响。在上行链路中，功控将努力使基站BS收到的各移动台MS的载波功率C相等。此时，收各MS信号的相等，应有C·SFEb。若SF相等，则收各MS信号的相等，取要求值时，收信号BER可用。系统是It最小的最佳系统，系统总容量最大。设系统中有2个MS，SF不同时，收SF较小MS1信号要求的将成倍增长，此时，MS1对MS2的自干扰增大，使收MS2要求的C上升。此时，各MS的发送功率均需增加，系统成为非It最小的最佳系统，使系统总容量下降。显然，SF不易用于MS的上行速率调整。

在下行链路中，BS的发送功率PT将在各MS间分配，功率控制将使各MS的收信相等，在SF相等时，系统总容量最大，此时，离BS最近的MS的Nt最大。若MS1的SF1较小时，则MS1要求的上升，给MS1分配的发送功率增大，使其它MS的Nte增大，将导致其它MS要求分配的发送功率增大，使系统总容量下降。SF下降时∑Ni的影响会成倍增长，距BS近处的MS收小SF值信号时，可能无法正常工作。这说明SF也不易用于提高下行速率。

三、在TDMA系统中用SF调整Rb

在TDMA系统中不存在自干扰，可使用SF调整用户Rb，并保持码片速率的恒定。在下行链路中，BS可用最大恒定发送功率PT发送信号，在传播条件比较好时，随着发信距离的下降，传播衰落减小时，MS的收信上升，此时，可使用较小的SF使Rb上升；而当传播衰落增大时，则可使用较大的SF，使满足收信要求，此时Rb下降。相对CDMA系统而言，在TDMA系统中用SF来调整用户Rb的方法产生的问题比较少，可行度比较大。而在TDMA系统中除用SF外还可利用时隙捆绑、8PSK、16QAM调制等方法提高用户Rb，这些方法是在只用于数据传输的cdma 2000 1x EV-DO（Evolution-Data Only）下行链路中使用的基本方法，该标准的上行链路采用和cdma 2000 1x上行链路RC3基本相同的无线配置，而在下行链路中采用TDMA方式区分多个用户，使最大速率可达2.4 Mbit/s。cdma 2000 1x EV-DO网络的开通从实践上证明了上述标准比较方法的合理性。其后出现的可用于数据和语音传输的cdma 2000 1x EV-DV（Evolution Data& Voice）网络也使用TDMA方式传送高速数据。

四、扩频因子与移动台（MS）发送功率的关系

3G系统可依靠调整扩频因子（SF）、RECC、码分多址信道捆绑和时隙捆绑参数，改变无线调制方式和多载波等方式提高系统的传输速率。为增加Rb而改变上述参数时，一般多会使要求的移动台发送功率成倍上升。移动台（MS）发送功率是移动通信标准选择中必须关注的一个问题，MS发送功率过大将导致MS待机和连续使用时间的下降。此处还应注意到发送功率对人体安全的影响。3G工作频段为2GHz，是微波频段，对人体健康的影响比2G的900MHz频段大得多。而且2GHz频段的电波传播衰落比900MHz频段大6.94dB，只考虑这一点，2GHz频段的MS发送功率需增加至900MHz频段的5倍。因此，在比较各标准时应注意从发送功率的角度来比较。

扩频因子（SF）是码分多址系统的重要参数，在码分多址系统中SF主要用于调整3G系统的无线接入速率Rb，根据（1）

此处Rb应是系统中纠错编码后的速率。由SF可以求得扩频的功率增益

（2）

现以cdma2000 1X无线配置RC1、RC3的上行链路为例说明SF的重要作用。在RC1中取Rb=9.6kbit/s，纠错编码率RECC=1/3，SF2=43；在RC3中取Rb=153.6kbit/s，RECC=1/4时，SF1=2，有

（3）

上述结果表明，在相同的无线传输环境下，取SF=2时，移动台（MS）所需要的发送功率是SF=43时的21.5倍。一般情况下，MS很难提供过大的发送功率范围，此时，只能减少信号的覆盖范围，因此，一般只能在步行或静止环境下提供153.6kbit/s之类的高速数据业务。

五、三大主流标准SF值的比较

从表1中可以看出，3个主流标准中扩频因子（SF）值有很大不同，根据式（1），在cdma2000与TD-SCDMA码片速率差不多的情况下，若在传送语音速率时，TD-SCDMA标准取SF=8，与cdma2000或IS-95的SF=43比较，TD-SCDMA标准的MS发送功率约需增加至5.4倍。此处若再考虑无线调制方式的影响时，约需增加10倍。再加上频段影响后，总共需增加至原需发送功率的50倍。假设IS-95移动台（MS）发送功率为0.2W，则TD-SCDMA移动台（MS）发送功率需达10W，应该是很难承受的。因此，该制式不适合用于Rb较大的高速移动通信。在TD-SCDMA中可以采用联合检测方法改进这一参数，但是根据下面的分析可知，利用联合检测取得的改善系数是很难弥补制式缺陷的，也是得不偿失的。

在WCDMA和cdma 2000系统中均使用SF作为最主要的Rb调整因子，在原理上显然存在问题，需进一步讨论。在TD-SCDMA系统中，虽然码分地址信道数较少，但是由于SF的数值很小，所以，也必须注意Nt的影响。在TD-SCDMA系统中，可以使用智能天线技术消除Nt的影响。

六、结束语

本文从扩频因子的角度出发，对用户接入速率，手机发送功率和系统自干扰等主要技术指标，在原理上比较了WCDMA，cdma2000，TD-SCDMA这三个标准。供中国运营商选择的标准较多，运营商必须根据市场需求、3G网络建设投资性价比等方面来选择3G网络标准。在3G网络标准不断修订，3G商用网络应用还很不成熟的情况下，还是应继续深入研究各种3G网络标准的特征，比较他们的差别，并选择较合理的网络标准，以减少投资损失。