第3移动通信系统的无线传输技术

摘要：文章介绍了目前两种第３代移动通信系统中的宽带无线传输技术方案——以欧洲为代表的Ｗ－ＣＤＭＡ和以美国为代表的ＣＤＭＡ ２０００。

关键词：移动通信 宽带码分多址 直接扩频 无线传输技术

　　信息时代对通信系统的依赖越来越强，随着人们对移动通信需求和业务类型的增加，现有的移动通信系统已面临许多问题。由于用户的不断增加，现有系统的容量越来越显得不够，且现有系统很难提供新业务，全球覆盖、漫游业务更难以实现。为此，国际电联（ＩＴＵ）提出了全球用一个统一的标准来实现第３代移动通信系统，即后来的ＩＭＴ－２０００。

　　日本于１９９７年初就着手第３代系统的标准化过程，并提出了一种基于宽带ＣＤＭＡ的方案，日本的行动促进了欧洲和美国的标准化进程。由于日本自然条件的限制，为了使自己能在未来的第３代移动通信市场中占有较大的份额，日本倾向于欧洲提出的宽带ＣＤＭＡ方案Ｗ－ＣＤＭＡ，日本方案将可能与欧洲方案统一，形成以欧日为代表的Ｗ－ＣＤＭＡ方案。在美国和韩国等国，由于基于ＩＳ－９５标准的ＣＤ-ＭＡ第２代系统的研制成功，提出了以ＩＳ－９５为基础向宽带发展的第３代移动通信系统，具有代表性的是宽带ＣＤＭＡ Ｏｎｅ，后来改为ＣＤＭＡ ２０００。因此目前有关第３代移动通信系统无线传输技术（ＲＴＴ）方案基本上分为以上两大派别。这两种方案中除了扩频码速率和下行链路结构上的不同之外，网络同步问题是两者的又一区别，Ｗ－ＣＤＭＡ系统中各小区是异步操作的，而ＣＤＭＡ ２０００中各小区是同步操作的，后者采取同步操作的一个原因是考虑到与ＩＳ－９５的兼容问题。当然在ＩＭＴ－２０００无线传输技术方案提交的过程中也有其它一些方案，但本文主要介绍Ｗ－ＣＤＭＡ和ＣＤＭＡ ２０００这两种方案。
１ ＣＤＭＡ ２０００
　　 ＣＤＭＡ ２０００方案中主要考虑到空中接口与ＩＳ－９５的兼容问题，最大限度地沿用了ＩＳ－９５的主要技术和技术思路。ＣＤＭＡ ２０００的扩频带宽为Ｎ×１．２５ＭＨｚ（Ｎ＝１，３，６，９，１２），即１．２５ＭＨｚ，３．７５ＭＨｚ，７．５ＭＨｚ，１１．２５ＭＨｚ和１５ＭＨｚ。在该方案中，当Ｎ＝１时，就是ＩＳ－９５所支持的扩频带宽。在其它带宽上，为了和现存的ＩＳ－９５系统载波正交地并存，除了采用直接扩频的方式外，还使用了多载波方式。从整个方案看，ＣＤＭＡ ２０００可以看作为ＩＳ－９５的升级版，所有ＩＳ－９５的信令系统可以看作是ＣＤＭＡ ２０００的一个子集，因此ＣＤＭＡ ２０００与ＩＳ－９５的信令系统、空中接口尽可能地保持一致或相似或共存，系统可以覆盖ＩＳ－９５的工作频段。

　　ＣＤＭＡ ２０００中定义了如下一些物理信道：前向、反向基本信道，前向、反向增补信道，前向、反向专用控制信道，前向、反向公共控制信道，前向、反向导频信道，前向寻呼信道，反向接入信道，前向专用辅助导频信道，前向公共辅助导频信道，前向同步信道。按照信道所传输的信息可以将这些物理信道分为专用信道和公共信道两类。前向专用物理信道以点对点的方式从基站向一个移动台传输信息。反向专用物理信道用来传输从某个移动台到基站的信息。公共物理信道也分为前向和反向公共物理信道，前向公共物理信道主要是以点对多点的形式由基站向一组移动台传输两种信息：广播式的管理信息（如系统参数）和发送给指定用户的定向信息（如寻呼信息）。反向公共物理信道包括反向接入信道和反向公共控制信道，主要以竞争方式向基站传输来自多个移动台的信息。

　　在前向链路中，考虑到和ＩＳ－９５的兼容，ＣＤＭＡ ２０００的前向同步和寻呼信道具有两种方式：共享同步和寻呼信道、宽带同步和寻呼信道。共享方式所提供的信道可以供ＣＤＭＡ ２０００和ＩＳ－９５使用，显然这种信道只能用在系统配置为覆盖方式情形下。而宽带信道方式是作为前向公共物理信道的一部分，并在整个信道带宽上进行调制，这种信道可以应用在覆盖配置和非覆盖配置的系统中。ＣＤＭＡ ２０００中，系统为所有用户提供了一个前向公共导频信道。该导频信道是以０号Ｗａｌｓｈ码扩频过的全０序列。公共导频信道在基站以广播形式通过天线扇区传输，需要导频信号和用户数据能通过同样的路径传输，因此一个天线波束需要一个单独的辅助导频信道。在ＣＤＭＡ ２０００中，当在基站使用天线阵列时，前向辅助导频信道就是为了这个目的而引入的，该信道和其它前向信道使用正交Ｗａｌｓｈ码码分复用在物理信道上。由于辅助导频信道上传输的是全０，而且该信道的引入占用了一个Ｗａｌｓｈ码道，减少了用于业务信道的可用正交Ｗａｌｓｈ码，所以辅助导频信道可以使用较长的Ｗａｌｓｈ序列。在保持码正交性的前提下，可用增加Ｗａｌｓｈ码长度的方法增加用于辅助导频信道的码数目。

　　ＣＤＭＡ ２０００前向链路支持Ｎ×１．２２８８Ｍｃｐｓ（Ｎ＝１，３，６，９，１２）。Ｎ＝１时，与ＩＳ－９５相似，但是使用了四相相移键控（ＱＰＳＫ）调制和快速闭环功率控制。当Ｎ≠１时，可以采用Ｎ个１．２５ＭＨｚ载波进行多载波传输，每个载波上的扩频切谱速率为１．２２８８Ｍｃｐｓ（Ｍｃｐｓ为每秒兆切谱数）；也可以用切谱速率为Ｎ×１．２２８８Ｍｃｐｓ在一个载波上对数据进行直接扩频。ＣＤＭＡ ２０００中提供了两种前向数据信道：基本信道和增补信道。这两种信道使用正交码将它们分开，而且一般传输功率也不相同。ＣＤＭＡ ２０００就是利用这两种信道处理用户同时发起的多业务问题的。前向基本信道上传输的是和ＩＳ－９５中一样的变速率业务，在接收端需要进行速率检测，每种速率的业务用正交码道传输，帧周期为２０ｍｓ和５ｍｓ两种。其中２０ｍｓ帧可以支持ＩＳ－９５中业务速率集合ＲＳ１和ＲＳ２。前向增补信道支持两种工作模式：第１种模式用于数据速率不超过１４．４ｋｂｉｔ／ｓ的业务，在接收端用盲速率检测数据速率。该模式下所支持的数据速率是由ＩＳ－９５中业务速率集合ＲＳ１和ＲＳ２所派生出来的业务速率。帧结构和２０ｍｓ的前向基本信道相同；第２种模式是提供数据速率信息的。前向基本信道和增补信道的第１种模式所传输的数据用循环编码，而在增补信道的第２种模式中，高速数据可以采用循环码或Ｔｕｒｂｏ Ｃｏｄｅ的编码方式。值得一提的是前向增补信道可以根据实际情况有多个增补信道。
　　
　　ＣＤＭＡ ２０００系统中，数据采用了调整编码速率，符合重复以及序列重复等多种速率匹配的方法。系统中，每个基站可以有多个前向寻呼信道，各个寻呼信道用经过掩膜算法的长码加以区分。前向专用控制信道的帧周期也是５ｍｓ和２０ｍｓ两种，并采用循环编码。ＣＤＭＡ ２０００中为了减少小区内干扰，每个前向物理信道都经过正交的Ｗａｌｓｈ码调制。不同的信道使用的Ｗａｌｓｈ码字是不同的，所有经过Ｗａｌｓｈ正交复用的各个信道经过速率匹配、信道编码（循环码和Ｔｕｒ-ｂｏ Ｃｏｄｅ）以及交织等处理后，通过用户长码进行扰码，再映射到Ｉ、Ｑ路（对于多载波方式，首先将数据分为Ｎ路），分别进行信道增益、功控信息插入及Ｗａｌｓｈ扩频等处理。经过脉冲整形滤波器和射频调制后发射出去。如前所述，当Ｎ＝１时，系统可以在现有的ＩＳ－９５频段上进行射频调制，也可以在其它频段上调制，而其它新的ＣＤＭＡ ２０００信道则要求和现有的ＩＳ－９５信道正交地存在。
　　
　　在反向链路上，反向专用信道除了反向导频信道常用外，反向基本信道、增补信道及专用信道根据实际业务需要可用可不用。各信道用正交Ｗａｌｓｈ码分开。导频信道和专用控制信道映射到Ｉ路，基本信道和增补信道映射到Ｑ路。Ｉ、Ｑ路的数据用伪随机数（ＰＮ）序列扩频。经脉冲整形滤波后，调制到射频发射。增补信道一般用２比特的Ｗａｌｓｈ码扩频，当需要用两个增补信道时，则采用４ｂｉｔ的Ｗａｌｓｈ码。如再需要增补信道，则可通过增加Ｗａｌｓｈ码的长度（最长为８ｂｉｔ），同时将其分别映射到Ｉ、Ｑ路。反向导频信道上发送的是经过时分复用的功率控制信息和一个固定的参考值。基本信道传输ＩＳ－９５支持的ＲＳ１和ＲＳ２速率。反向增补信道与前向增补信道一样，也是两种模式。基本信道和增补信道的信道编码方式与前向的编码方式相同。反向公共信道中，反向控制信道扩展了反向接入信道的能力，公共信道以时隙ＡＬＯＨＡ方式工作。每个反向接入信道或反向公共控制信道都由一个接入前导部分和接入消息封装组成。前导部分为无数据承载的反向导频信道，长度为Ｎ×１．２５ｍｓ（Ｎ≠０），Ｎ由基站指定。前导部分的长度由基站搜索ＰＮ码的速率、小区半径以及小区的多径特性所决定；接入消息封装包含接入或公共控制数据以及相关的导频信号。当移动台以某一种方式和基站通信时，与接入信道相关的反向导频信道和与反向公共控制信道相关的反向导频信道在结构上是相同的。它们的主要区别在于与接入信道相关的反向导频信道没有功率控制子信道，它传输的是全０。反向接入信道是以固定的９ ６００ｋｂｉｔ／ｓ或４ ８００ｋｂｉｔ／ｓ发送的，通常是９ ６００ｋｂｉｔ／ｓ。基站可以通过广播信号指定移动台接入信道的发送速率。而当移动台发送功率受限时，移动台也可以自动地将接入信道的速率降低到４ ８００ｋｂｉｔ／ｓ。但是在一个接入周期内，该速率保持不变。反向公共控制信道的数据速率为９．６ｋｂｉｔ／ｓ、１９．２ｋｂｉｔ／ｓ和３８．４ｋｂｉｔ／ｓ，在后２种速率下的发射功率分别比９．６ｋｂｉｔ／ｓ的发射功率高３ｄＢ和６ｄＢ。同样基站可以指定其发送速率，移动台可根据本身发射功率自动调制发送速率。
２ Ｗ－ＣＤＭＡ
　　１９９８年元月，欧洲电信标准委员会（ＥＴＳＩ）从各家公司提出的５种候选方案中选出两种方案：基于频分双工（ＦＤＤ）的ＷＣＤＭＡ和基于时分双工（ＴＤＤ）的ＴＤ－ＣＤＭＡ方案。显然这两种方案不可能同时独立地提交给ＩＴＵ（ＩＴＵ起先的意图是实现全球标准统一化）。但是这两种方案各有优缺点，因此ＥＴ-ＳＩ正努力试图将这两种方案融为一体，形成一个ＦＤＤ、ＴＤＤ双模式共存的方案，期望这种方案能够灵活地适应不同环境、数据速率的变化以及各个运营商的要求。ＷＣＤ-ＭＡ可能工作在覆盖面积较大的区域，提供中、低速业务，而ＴＤ－ＣＤＭＡ则主要侧重于业务繁重的小范围内，提供速率高达２Ｍｂｉｔ／ｓ的业务。该方案的基本参数为：１ ９２０～１ ９８０ＭＨｚ频段分配给ＦＤＤ上行链路，２ １１０～２ １７０ＭＨｚ频段分配给ＦＤＤ下行链路，而没有镜像频率的１ ９００～１ ９２０ＭＨｚ频段分配给ＴＤＤ双工模式使用。基本带宽为５ＭＨｚ，但其实际值可以２００ｋＨｚ为步长，根据需要在４．４ＭＨｚ到５．２ＭＨｚ之间调整。基本带宽可以扩展到１０ＭＨｚ、２０ＭＨｚ。基本扩频码速率为４．０９６Ｍｃｐｓ，扩频码速率同样也可以扩展到８．１９２Ｍｃｐｓ、１６．３８４Ｍｃｐｓ。下行链路通过时隙边界来划分。
２．１ Ｗ－ＣＤＭＡ的ＦＤＤ模式 ——ＷＣＤＭＡ
　　
　　ＷＣＤＭＡ定义了５种物理信道：专用物理数据信道，用于传输第２层以上的专用数据；专用物理控制信道，用于传输第１层产生的控制信息，如用于信道估计和相干检测的导频信息、功率控制信息、速率指示信息等；普通控制物理主信道和次信道，产生固定速率的下行信息，不产生功控信息和速率信息；物理随机接入信道，用于移动台向基站传输随机接入信息；主同步信道和次同步信道，主要用于小区搜索，该下行同步信号在每个时隙发送一次。

　　移动台通过物理随机接入信道向基站发送随机接入信息，它是以时隙ＡＬＯＨＡ的方式工作。移动台仅在相对于小区广播控制信息帧的边界处，在一个固定时延后发送一个随机接入突发信息发起接入尝试。该信息由１ｍｓ前导部分和１０ｍｓ消息部分组成，两者之间有０．２５ｍｓ的间隙。因此用户发起随机接入时，相对于小区广播控制信息帧边界的时差为Ｎ×１．２５ｍｓ，Ｎ＝１，２，…，８，代表了随机接入时隙号，也就是说一帧内有８个随机接入时隙，在一个小区中，哪些特征序列可以使用的消息通过基站下行信道予以广播。前导部分由１６个复数符号组成，消息部分的结构与上行专用物理信道相同，也分为数据和控制两部分，数据部分的扩频增益ＳＦ为２５６、１２８、６４、３２，而控制部分为２５６。数据部分包含１６比特的移动台标识符（由移动台在发起随机接入时随机地选择）、服务要求和ＣＲＣ校验等，也可以携带短用户信息。

　　在第３代移动通信系统中，存在对多业务的支持问题。多业务的设计是要求在保证频谱利用率的前提下，灵活地将不同服务质量（ＱＯＳ）要求的各连接复接起来。ＷＣＤＭＡ方案中采用了对不同ＱＯＳ要求的业务进行不同的信道编码策略，以编码增益来换取对不同ＱＯＳ要求的业务进行同样的处理方法，标准业务仅采用卷积编码，高质量业务在卷积编码的基础上增加了ＲＳ编码或选用Ｔｕｒｂｏ Ｃｏｄｅ的编码方法，而对于特定业务则在第１层不采用纠错编码而完全由高层采取差错控制。这样处理的结果使得各种业务变化为同一种数据，使后级的扩频和调制过程得到简化。

　　在宽带ＣＤＭＡ中，用来对付多径衰落的有效方法是采用ＲＡＫＥ接收机。ＷＣＤＭＡ中，上下行信道都有导频信号，因而可以在接收端通过准确同步，利用本地导频信号和接收到的导频信号进行相关运算，估计信道，实现相干解调。
２．２ Ｗ－ＣＤＭＡ的ＴＤＤ模式　　——ＴＤ－ＣＤＭＡ

　　大部分第３代移动通信系统的空中接口方案都是基于ＦＤＤ模式的，也有一些是ＴＤＤ模式的，如基于ＴＤＤ的ＴＤ－ＣＤＭＡ。ＴＤ－ＣＤＭＡ中使用ＣＤＭＡ的目的是为了将不同的信道复用到一个ＴＤＭＡ时隙里。在第２代移动通信系统研究中，有关ＴＤＭＡ和ＣＤＭＡ的争论持续了很久，因为两种多址接入方式各有优缺点。但ＣＤＭＡ以其容量大、频带利用率高等特点使其在第３代移动通信系统中站稳了脚跟。在ＴＤ－ＣＤＭＡ系统中，除了ＣＤＭＡ的一些优点外，有一部分优点来自ＴＤＭＡ的使用：

（１）由于使用了ＴＤＭＡ，使得上下行信道可以用ＴＤＤ的复用模式，而这种模式的最大优点在于它可以工作在没有镜像频率的频段上，不像ＦＤＤ模式对频段要求那么严格。

（２）ＴＤ－ＣＤＭＡ由ＴＤＭＡ带来的另一个好处在于用户被分配到不同的时隙中，这样就使得同时处于激活状态的用户数大大小于纯ＣＤＭＡ的方式。而且，由于用户数较少，就可以用联合检测和智能天线的方法减少用户间的干扰。

（３）ＴＤＭＡ的工作方式，可以将用户按照实际情况，重新分配其占用的时隙，使得用户可占用干扰较小的时隙，从而提供传输的可靠性。

（４）由于在ＴＤＭＡ中，用户处于非连续发射状态，因此用户除了监听它所属的基站信号外，还可以监听来自其它基站的信号，以便切换到信号更强的基站区域内工作。

　　同样ＴＤＤ复用模式也给ＴＤ－ＣＤＭＡ带来了不少好处：

（１）ＴＤＤ模式可以灵活分配上下行信道之间的带宽，只需要调整上下行信道占有的时隙数即可。

（２）ＴＤＤ模式中可以实现快速、精确的开环功率控制。在ＴＤＤ中，上下行信道占用同样的频率，可以认为在一段时间内其信道特性相同，因此不仅阴影效应在上下行信道上引起的信号衰落是相关的，而且上下行信道在多径衰落上也是高度相关的，这样在ＴＤＤ中仅需要开环功率控制即可。

（３）分集合并技术用于抗多径衰落非常有效，但是分集接收方法由于实现复杂，不适用于移动台。在ＴＤＤ模式中，基站通过测量不同接收天线上的接收信号，选出最强的信号来解调信号。由于上下行信道衰落高度相关，基站选择上下行链路中接收信号最强的天线作为下一帧下行链路的发射天线，这样就使移动台用一个天线实现了选择性天线分集。

（４）在ＴＤＤ模式下，发射和接收是分时进行的，因此可以不使用双通道滤波器，减少了模拟电路，因此ＴＤＤ比ＦＤＤ更适用于实现低功耗系统。

　　在ＴＤ－ＣＤＭＡ系统中，一个ＴＤＭＡ帧周期为１０ｍｓ，分为１６个时隙，每个时隙对应２５６个码片。为了通信能正常进行，不管上下行信道之间的带宽怎么分配，都至少有一个时隙分配给下行链路，即时隙０分配给下行链路作导引信号。系统有两种扩频方式：

（１）多码传输

　　在这种方式下，扩频增益是固定的。在上行链路上，每个时隙可以有８个不同的数据突发，使用不同的扩频码将它们分开，而这８个突发可以分配给８个不同的用户，也可以分给同一个用户。如果一个用户占有了一个时隙内的多个突发，那么这个时隙内可以有多于８个的突发。在下行链路上，可以有８个以上的突发。

（２）变扩频增益方式

　　一个移动台使用一个扩频码，并以不同的扩频增益传输不同速率的数据。基站通过扩频码区分移动台，用一个突发广播一个移动台的扩频增益。如果一个移动台传输高速率的数据，它可能会占有多个时隙。

　　在ＴＤ－ＣＤＭＡ中，基本物理信道由时隙和时隙内的ＣＤＭＡ扩频码决定。对于同一个连接的多个服务可以各自进行信道编码、交织后，再映射到不同的基本物理信道上，这种情况下，各个ＱＯＳ可以分别独立地控制，也可以以时分复用的方式在不同的信道编码方法处复用后，再映射到基本物理信道上。在ＴＤ－ＣＤＭＡ方案中，前向纠错编码与ＷＣＤＭＡ的相似。该方案中在一个时隙内可以有Ｋ个正交的ＣＤＭＡ码，可以分配给一个或多个用户，一般每个数据符号对应Ｑ＝２ ｐ个码片，其中１≤ ｐ≤４，ｐ可以按照实际干扰和服务要求选择。数据被分为两块填入相应的突发数据分组中，经ＱＰＳＫ调制和脉冲整形滤波器（滚降系数为０．２２）进行滤波处理后再用正交扩频码扩频，经射频电路调制发射出去。ＴＤＤ可以工作在至少能传输一路速率为４．０９６Ｍｃｐｓ数据的任一频段的载频上，在接收端可以使用联合检测接收。

　　当然它有利也有弊。ＴＤＤ非对称资源分配也会带来一些不利因素。假如移动台ＭＳ１、ＭＳ２分别在基站ＢＳ１、ＢＳ２所属小区内，当ＭＳ２处于ＢＳ２小区边缘时，ＭＳ２将以较大的发射功率传输信号给ＢＳ２，这时由于各小区上下行信道所占用的时隙不一定相同，ＭＳ１如果距离ＭＳ２较近，ＭＳ２则会干扰ＭＳ１的接收；另一方面，基站ＢＳ１的发射功率一般都会比ＭＳ２大，这样ＢＳ１发射的信号就会影响ＢＳ２对ＭＳ２信号的接收，因此在ＴＤＤ资源分配算法中应避免这种情况的出现。

３ 结束语

　　无线传输技术是ＩＭＴ－２０００系统中的重要组成部分。从目前的情况看，虽然全球统一标准化已不可能实现，但是未来的方向极有可能是多种不同的地区性第３代标准共存，现在的目标是尽量减少地区性标准的数目。从目前各国提交给Ｉ-ＴＵ的方案看，ＣＤＭＡ ２０００由于是建立在ＩＳ－９５空中接口的基础上，并利用已成熟的信息系统、越区算法的技术，因此，相对来说技术复杂程度低、风险小，有利于第３代双模手机的开发。
作者简介：
李景峰，东南大学移动通信国家重点实验室博士研究生。
程时昕，东南大学教授、博士生导师、移动通信国家重点实验室主任，中国电子学会和中国通信学会会士，国家“８６３”通信高技术第１届专家领导小组成员。主要研究方向为：数字移动通信和个人通信技术。
来源：www.vlan9.com