三种主流3G标准概述

三种主流3G标准概述

与前两代系统相比，第三代移动通信系统的主要特征是可提供丰富多彩的移动多媒体业务，其传输速率在高速移动环境中支持144kb/s，步行慢速移动环境中支持384kb/s，静止状态下支持2Mb/s。其设计目标是为了提供比第二代系统更大的系统容量、更好的通信质量，而且要能在全球范围内更好地实现无缝漫游及为用户提供包括话音、数据及多媒体等在内的多种业务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。

目前国际电联接受的3G标准主要有以下三种：WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA。CDMA是Code Division Multiple Access（码分多址）的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信系统采用频分多址（FDMA）的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址（TDMA）的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善，但TDMA的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。

1.1 WCDMA概述

全称为Wideband CDMA，中文译名为“宽带分码多工存取”，这是基于GSM网发展出来的3G技术规范，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同，目前正在进一步融合。该标准提出了GSM（2G）—GPRS—EDGE—WCDMA（3G）的演进策略。GPRS是General Packet Radio Service（通用分组无线业务）的简称，EDGE是Enhanced Data rate for GSM Evolution（增强数据速率的GSM演进）的简称，这两种技术被称为2.5代移动通信技术。目前中国移动正在采用这一方案向3G过渡，并已将原有的GSM网络升级为GPRS网络。WCDMA可支持384Kbps到2Mbps不等的数据传输速率，在高速移动的状态，可提供384Kbps的传输速率，在低速或是室内环境下，则可提供高达2Mbps的传输速率。而GSM系统目前只能传送9.6Kbps，固定线路Modem也只是56Kbps的速率，由此可见WCDMA是无线的宽带通讯。

?扩频与调制技术：支持多种扩频因子，采用QPSK调制技术，码资源产生方法容易，抗干扰性好，且提供的码资源充足。

?采用编码效率高纠错能力强的卷积编码和Turbo编码方法：语音和低速信令采用卷积码，数据采用Turbo码，其性能已逼近Shannon极限，Turbo

码是编码领域里具有里程碑意义的方法

?Rake接收技术：因WCDMA带宽更大，码片速率可达3.84M，因此可以分离更多的多径，提高了解调性能。

?由于WCDMA采用了更高的扩频码率，使系统的接收灵敏度高，使基站能覆盖更远的距离，有效减少网络建设成本。

?由于采用了更高的射频带宽和扩频码率，WCDMA在相同的信道容量条件下，减少了基站的射频部件数量，从而减少了信道综合成本。

?功率控制技术：支持开环，内环，外环等多种功率控制技术，内环采用1500Hz的快速功率控制，抗衰落性能更好，功率控制步长分别支持0.5dB，1dB，1.5dB，2dB多种情况，提高了功率控制的准确度。

?软切换/更软切换技术：在切换上优化了软切换门限方案，改进了软切换性能，实现无缝切换。

?发射分集技术：支持TSTD，STTD，SSDT等多种发射分集方式，有效提高无线链路性能。

?压缩模式技术：在一个或连续几个无线帧中某些时隙不发送信息，主要用于频间测量，系统间切换，可较好地实现WCDMA和GSM系统间切换，提高运营商服务质量。

?异地方式工作，WCDMA采用异地网络/同步网络可选，减少了通信网络对于GPS系统的依赖。

?宏分集合并技术：RNC与UE之间可以选择多条无线链路，通过多个NodeB连接实现通信，能够有效提高无线链路通信效率和通信质量。

?先进的无线资源管理方案：在软切换过程中提供准确的测量方法，软切换算法及切换功能；呼叫准入控制用一种合适的方法控制网络的接入实现软容量最大化；无线链路监控在不同信道条件下使用不同的发射模式获得最佳效果；码资源分配用小的算法复杂度支持尽可能多的用户。

?基于网络性能的语音AMR可变速率控制技术：通过对AMR语音连接的信源编码速率和信道参数进行协调考虑，合理有效利用系统负载；可以在

系统负载径时提供优质的语音质量。WCDMA也支持TFO/TrFO技术，提供语音终端对终端的直接连接，减少语音编解码次数，提高语音质量。1.1.2 WCDMA的业务特点

智能化：提供灵活的网络业务，终端的智能化。

多媒体化：实现语音，图像，数据等多种媒体信息在无线，有线网之间的无缝传输。

个性化：用户可以在终端，网络能力的范围内，设计自己的业务。

人性化：满足人的基本要求。

1.1.3 WCDMA系统结构

WCDMA由核心网（CN），无线接入网（UTRAN ）和用户装置（UE）3部分组成，如图1－1所示。CN与UTRAN 的接口维I U接口，UTRAN 与UE 的接口为U U接口。UTRAN的结构如图1－2：

图1－1 WCDMA系统结构图

图1－2 UTRAN结构图

1.1.4 WCDMA的网络结构

WCDMA目前有R99、R4、R5、R6四个标准。图1－3为基于R99的WCDMA 网络结构图。

图1－3 WCDMA网络结构（为基于R99）

1.1.5 WCDMA的关键技术和实现难点【1】

WCDMA产业化的关键技术包括射频和基带处理技术，具体包括射频、中频数字化处理，RAKE接收机、信道编解码、功率控制等关键技术和多用户检测、智能天线等增强技术。

1. 射频和中频。

射频部分是传统的模拟结构，实现射频和中频信号转换。射频上行通道部分主要包括自动增益控制（RF AGC），接收滤波器（Rx滤波器）和下变频器。射频的下行通道部分主要包括二次上变频，宽带线性功放和射频发射滤波器。中频部分主要包括上行的去混迭滤波器、下变频器、ADC和下行的中频平滑滤波器，上变频器和DAC。与GSM信号和第一代信号不同，WCDMA的信号带宽为达到5MHz的宽带信号。宽带信号射频功放的线性和效率是普遍存在的矛盾。

2. RAKE接收机的总体结构。

它是专为CDMA系统设计的经典的分集接收器，其理论基础就是：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可被看作是互不相关的。

3.信道编解码技术。

信道编解码主要是降低信号传播功率和解决信号在无线传播环境中不可避

免的衰落问题。编解码技术结合交织技术的使用可以提高误码率性能，与无编码情况相比，传统的卷积码可以将误码率提高两个数量级达到10-3~10-4，而Turbo 码可以将误码率进一步提高到10-6。WCDMA候选的信道编解码技术中原来包括Reed-Solomon和Turbo码，Turbo码因为编解码性能能够逼近Shannon极限而最后被采用作为3G的数据编解码技术。卷积码主要是用于低数据速率的语音和信令。

关键技术、增强技术和实现难点。

WCDMA-FDD实现技术和产业化的关键点主要是上述技术的实现和网络技术的实现，包括：物理层发射和接收机关键技术；射频技术-线性功放、多载波TRx，AGC，其主要实现难点在于功放的线性和功放效率的矛盾；中频技术-中频采样、变频，其实现难点在于数字变频技术和中频的自动增益控制算法；基带技术，包括RAKE接收技术、功率控制技术和信道编解码实现技术，包括Turbo 编解码和卷积码，其实现的主要难点在于大用户容量，通道多，基带处理量大；

无线接入网络资源管理技术，主要的实现难点在于无线资源的参数配置需要在仿真和运营中不断优化调整，包括（功率控制技术、移动性管理、无线资源优化参数配置、无线接入网络运营）；核心网络!" 化技术，其实现主要是全!" 的B+3 控制算法；O4156 的接收机增强技术包括：智能天线技术和多用户检测技术。

多用户检测技术（MUD）是通过去除小区内干扰来改进系统性能，增加系统容量。多用户检测技术还能有效缓解直扩CDMA系统中的远E近效应。其实现难点主要是基带处理的复杂度很高。

智能天线技术是利用自适应的波束赋形技术，提高用户波达方向的方向图增益，同时利用方向图的零点降低空间上大功率用户的干扰。其主要实现难点在于多通道的不一致性和校正技术、RAKE接收机结合基带处理的高度复杂性以及FDD 技术引起的上下行波达方向的不一致性。

1.2 CDMA概述

CDMA2000是由窄带CDMA（CDMA IS95）技术发展而来的宽带CDMA 技术，由美国主推，该标准提出了从CDMA IS95（2G）—CDMA20001x—CDMA20003x（3G）的演进策略。CDMA20001x被称为2.5代移动通信技术。CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国联通正在采用这一方案向3G过渡，并已建成了CDMA IS95网络。

多址方式直接扩频或多载波扩频

双工方式FDD／TDD

扩频速率 3.6864Mcps<＝3*1．2288Mcps

载波带宽5MHZ、10MHZ、20MHZ

扩频码周期（可变）4-256

帧长20ms

时隙长度（功控组） 1.25ms

调制方式下行：QPSK、上行：BPSK

1.2.1 cdma one至cdma 2000性能的改善

反向链路的非相平解调(cdma one系统)改善为相干解调（cdma2000系统）信道编码性能的改善：特别针对不同速率的数据采用了不同交织长度的

turbo码，大大提高了数据传输的抗干扰性能；

分集性能的改善：

1)采用发端分集技术；

2)采用空时编码技术；

3)采用智能天线技术；

功率控制性能的改善：与cdmaone不同的是cdma2000中的快速功率控制

不仅用在反向链路，也用在前向链路中。

1.2.2 CDMA2000前/后向信道功能的扩充

1.2.2.1 CDMA2000前向信道功能的扩充

对于cdma2000业务信道在基本信道的每种速率中均增加了帧检验，增加了辅助信道，最高速率可达307Kbps；

业务信道功能的进一步扩充：从支持单一速率、单一业务、单一媒体逐步扩充到能支持多种速率、多种业务和多种媒体的需求；

----增加公共控制信道，以支持寻呼、短消息广播等业务；

----增加公共支配信道，以支持预留接入模式；

----增加快速寻呼信道，以支持快速分组业务；

----增加公共控制信道，广播控制信道等，以进一步扩充支持的相应功能；

图1－4 CDMA2000前向信道结构

1.2.2.2 CDMA2000反向信道功能的扩充

IS－95A反向信道具有两类基本信道：接入信道，反向业务信道；

IS－95B反向信道功能的扩充，主要包括：

----支持IS－95A反向信道所有功能；

----支持IS－95B增加的7个辅助信道多码业务传送功能，最高速率可达64Kbps；

----支持一切与前向功能扩充有关的反向配套功能；

支持IS－95A、IS－95B反向信道的基本功能；

增加一个增强接入信道，可传送反向导频并增强接入，支持反向相干检测，支持快速分组业务；

增加反向公共控制信道，可传送反向导频并传送反向公共控制信道；

扩充反向业务信道的功能，除支持反向基本业务以外，增加辅助业务的补充码分信道、反方功控子信道、反向专用控制信道等，以支持多种速率，和多媒体业务的需要；

图1－5 CDMA2000反向信道结构

1.2.3 CDMA2000网络体系结构

图1－6 CDMA2000网络体系结构

1.3 TD-SCDMA概述

【2】TD-SCDMA——Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access （时分同步的码分多址技术）是ITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一，它得到了CWTS及3GPP的全面支持，是中国电信百年来第一个完整的通信技术标准，集CDMA、TDMA、FDMA技术优势于一体、系统

容量大、频谱利用率高、抗干扰能力强的移动通信技术。它采用了智能天线、联合检测、接力切换、同步CDMA、软件无线电、低码片速率、多时隙、可变扩频系统、自适应功率调整等技术。该方案的主要技术集中在大唐公司手中，它的设计参照了TDD(时分双工)在不成对的频带上的时域模式。

TDD模式是基于在无线信道时域里的周期地重复TDMA帧结构实现的。这个帧结构被再分为几个时隙。在TDD模式下，可以方便地实现上/下行链路间地灵活切换。这一模式的突出的优势是，在上/下行链路间的时隙分配可以被一个灵活的转换点改变，以满足不同的业务要求。这样，运用TD-SCDMA这一技术，通过灵活地改变上/下行链路的转换点就可以实现所有3G对称和非对称业务。合适的TD-SCDMA时域操作模式可自行解决所有对称和非对称业务以及任何混合业务的上/下行链路资源分配的问题。

TD―SCDMA的无线传输方案灵活地综合了FDMA，TDMA和CDMA等基本传输方法。通过与联合检测相结合，它在传输容量方面表现非凡。通过引进智能天线，容量还可以进一步提高。智能天线凭借其定向性降低了小区间频率复用所产生的干扰，并通过更高的频率复用率来提供更高的话务量。基于高度的业务灵活性，TD―SCDMA无线网络可以通过无线网络控制器（RNC）连接到交换网络，如同三代移动通信中对电路和包交换业务所定义的那样。

TD－SCDMA所呈现的先进的移动无线系统是针对所有无线环境下对称和非对称的3G业务所设计的，它运行在不成对的射频频谱上。TD－SCDMA传输方向的时域自适应资源分配可取得独立于对称业务负载关系的频谱分配的最佳利用率。因此，TD－SCDMA通过最佳自适应资源的分配和最佳频谱效率，可支持速率从8kbps到2Mbps的语音、互联网等所有的3G业务。

1.3.1 TD-SCDMA技术的主要特点

?无需成对的频率资源

?采用DS-CDMA技术

?码片速率为1.28Mchip/s

?时分双工方式

?上下行链路使用相同的无线频率

?适于不对称的上下行数据传输

?适合智能天线、软件无线电等新技术的应用

?设备成本较低

1.3.2 TD-SCDMA 网络结构的演进

图1－7 TD-SCDMA 网络结构的演进(1)

图1－8 TD-SCDMA 网络结构的演进(2)

图1－8 TD-SCDMA 网络结构的演进(3)

1.4 WCDMA和CDMA2000的技术比较

WCDMA 技术规范充分考虑了与第二代GSM移动通信系统的互操作性和对GSM核心网的兼容性; cdma2000 的开发策略是对以IS - 95 标准为蓝本的cdmaOne 的平滑升级。这两个标准的技术规范的主要差异可以归纳为以下几点：具体见表1.3。

(1) 扩频码片速率和射频信道结构

WCDMA 根据ITU关于5 MHz 信道基本带宽的划分规则,将基本码片速率定为3.

84 Mchip/ s ,在一个完整的信道内,使用直接序列扩频(DS) 。cdma2000 为了兼容cdmaOne ,以原cdmaOne 的

基本码片速率的三倍, 即3. 6864 Mchip/ s 作为cdma2000 的基本速率进行直接

序列扩频。同时,cdma2000 还定义了以原cdmaOne系统的3 个基本信道(带宽为1.

25 MHz) 作频分复用的多载波

扩频(MC) 调制方式。

(2) 支持不同的核心网标准

WCDMA 要求实现与GSM网络的全兼容, 所以它把GSMMAP 协议作为上层核心网络协议; cdma2000 要求完全兼容cmdaOne ,因此它把ANSI - 41 作为自己的核心网络协议。

(3) 基站之间的同步问题

cdma2000 沿袭了cdmaOne 各个基站依靠GPS 测量实现前向信道同步的要求;

而WCDMA 没有基站同步的要求。cdma2000由于系统要求基于GPS 的全网同步, 因此对GPS 系统有绝对的依赖性。

表1.3 WCDMA与CDMA2000的技术规范比较

【1】通信世界，《WCDMA技术与发展》，吴更石，杨平【2】福建移动通信有限公司，《移动通信3G技术概述》，郑澜