通信學(xué)論文-第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì).doc

通信學(xué)論文-第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)摘要本文介紹了第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，分析和比較了分別以日本、美國和歐洲為主提出的W-CDMA、CdmaOne和TD-CDMA系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)，最后探討了第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)碼分多址IMT-20001引言第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)是指能夠滿足國際電聯(lián)提出的IMT-2000/FPLMTS系統(tǒng)要求的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)。國際電聯(lián)于1995年提出了IMT-2000/FPLMTS的評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)未來蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)提出了較詳細(xì)的要求。IMT-2000系統(tǒng)的基本特征有以下幾點(diǎn)：球范圍設(shè)計(jì)的高度兼容性；MT-2000中的業(yè)務(wù)與固定網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)兼容；質(zhì)量；機(jī)體積很小，具有全球漫游能力；用的頻譜為885MHz2025MHz，2110MHz2200MHz（共230MHz）1980MHz2010MHz，2170MHz2200MHz（限于衛(wèi)星使用）動(dòng)終端可以連接地面網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)，可移動(dòng)使用也可固定使用；線接口的類型應(yīng)盡可能得少，而且具有高度的兼容性。從而可以看出未來的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)要具有很好的網(wǎng)絡(luò)兼容性，用戶終端可在全球范圍內(nèi)幾個(gè)不同的系統(tǒng)間實(shí)現(xiàn)漫游，不僅要為移動(dòng)用戶提供話音及低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而且要提供廣泛的多媒體業(yè)務(wù)，這就對(duì)無線接口提出了較高的要求。ITU已對(duì)IMT-2000的測(cè)試環(huán)境提出了具體要求，給出了表征IMT-2000系統(tǒng)的最低限度的參數(shù)，包括：支持的數(shù)據(jù)率范圍，誤碼率要求，單向的時(shí)延要求，激活因子和業(yè)務(wù)量模型。根據(jù)ITU的要求，目前各大電信公司聯(lián)盟均已提出了自己的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)方案，主要以日本DoCoMo公司為首提出的W-CDMA；美國Lucent、Motorola等公司提出的CdmaOne；歐洲西門子、阿爾卡特等公司提出的TD-CDMA。總體來說，在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中采用CDMA技術(shù)已達(dá)成共識(shí)，但各自實(shí)現(xiàn)方案還有較大差別，下面分別介紹并比較。2三種方案的特點(diǎn)（1）W-CDMA系統(tǒng)由于歐洲的GSM系統(tǒng)已經(jīng)在數(shù)字移動(dòng)通信市場(chǎng)中占據(jù)了很大的份額，美國的窄帶CDMA系統(tǒng)（IS-95）也正在迅速趕上來，而日本的第二代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)PDC僅限于國內(nèi)使用，無法推廣到其它國家，所以日本很早就開始從事第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的開發(fā)工作，分別提出了基于TDMA（時(shí)分多址）和基于CDMA（碼分多址）的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)，希望在未來的市場(chǎng)中占據(jù)有利地位，尤其以DoCoMo公司（NTT）的W-CDMA系統(tǒng)最有競(jìng)爭(zhēng)力，目前DoCoMo公司正在同愛立信、Motorola、Lucent，以及其它廠家合作，努力完善系統(tǒng)，爭(zhēng)取在1998年完成樣機(jī)，1999年進(jìn)行商業(yè)試驗(yàn)。W-CDMA系統(tǒng)無線接口的基本參數(shù)為擴(kuò)頻方式：可變擴(kuò)頻比（4256）的直接擴(kuò)頻；載波擴(kuò)頻速率：4096Mchip/s；每載波帶寬：5MHz（可擴(kuò)展為10MHz/20MHz）；載波速率：16kbit/s256kbit/s幀長(zhǎng)度：10ms；時(shí)隙長(zhǎng)度（功率控制組）：0625ms；調(diào)制方式：QPSK功率控制：開環(huán)自適應(yīng)閉環(huán)方式（功控速率16kbit/s）W-CDMA系統(tǒng)中采用導(dǎo)頻符號(hào)相干RAKE接收機(jī)技術(shù)，解決了反向信道的容量限制問題，每個(gè)無線幀長(zhǎng)度為10ms，分成16個(gè)時(shí)隙（timeslot），每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為0625ms，在每個(gè)時(shí)隙的前部插入全“1”或全“0”的導(dǎo)頻符號(hào)進(jìn)行信道參數(shù)估計(jì)，這種方法在其它系統(tǒng)的調(diào)制中也有采用的，但W-CDMA系統(tǒng)將從導(dǎo)頻符號(hào)得到的衰落信道的振幅和相位信息，作為RAKE接收機(jī)最大比值合并的加權(quán)系數(shù)，取得了很好的效果。與IS-95不同，W-CDMA系統(tǒng)不采用GPS精確定時(shí)方式，不同基站間不采用精確定時(shí)，優(yōu)點(diǎn)是擺脫了美國GPS系統(tǒng)的控制，可采用較為自由的信道管理方式。缺點(diǎn)是需要快速實(shí)現(xiàn)小區(qū)搜索。自適應(yīng)陣列天線技術(shù)可以增加系統(tǒng)容量，而干擾消除技術(shù)可以減少高速率用戶對(duì)系統(tǒng)造成的干擾。雖然這兩種技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中還有許多問題尚未解決，但日本正努力在W-CDMA系統(tǒng)中采用這兩項(xiàng)技術(shù)。自適應(yīng)陣列天線技術(shù)已經(jīng)有很多文章論述過，這里不再介紹。干擾消除技術(shù)實(shí)際上是多用戶檢測(cè)技術(shù)的一種實(shí)現(xiàn)方式。采用23級(jí)干擾消除器，容量可增加30。另外，W-CDMA系統(tǒng)采用了精確的功率控制，即采用基于SIR（信噪比）的開環(huán)閉環(huán)的功率控制方式，在業(yè)務(wù)信道幀中插入功率控制比特，插入速率16kbit/s，比IS-95的功控速率增加一倍，可以跟蹤一般的快衰落過程。（2）CdmaOne系統(tǒng)CdmaOne是Lucent、Motorola、Nortel、Qualcomm和三星聯(lián)合提出的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)方案，是從IS-95和IS-41的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展而來，因此它與AMPS、DAMPS和IS-95均有較好的兼容性。同時(shí)，又由于它采用了一些新技術(shù)，使其能完全滿足第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)即IMT-2000/FPLMTS的要求，其無線接口參數(shù)如下：載波帶寬：5MHz（可擴(kuò)展為10/20MHz）擴(kuò)頻方式：采取直接擴(kuò)頻或多載波擴(kuò)頻；擴(kuò)頻速率：36864Mchip/s；擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度：可根據(jù)無線環(huán)境和數(shù)據(jù)速率而變化；幀長(zhǎng)度：20ms；時(shí)隙長(zhǎng)度（功率控制組）：125ms；調(diào)制方式：下行QPSK，上行BPSK；功率控制：開環(huán)閉環(huán)方式（功控速率800bit/s）。CdmaOne扇區(qū)內(nèi)采用連續(xù)導(dǎo)頻信道廣播，能提供獨(dú)立于傳輸速率的功控、定時(shí)和相位糾正，能以較小的復(fù)雜度提供基站的快速捕獲和鄰近基站的快速搜索。與IS-95相同的短碼結(jié)構(gòu)加上Walsh函數(shù)使信道之間正交，高速（800bit/s）前向鏈路功控使前向鏈路平均發(fā)射功率最小化。調(diào)制方式采取多載波方式和直擴(kuò)方式。這兩種方式有相同的信息傳送率和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。多載波CDMA鏈路在5MHz帶寬內(nèi)有3個(gè)125MHzCDMA載波，10MHz帶寬則有10個(gè)125MHz載波。多載波CDMA前向鏈路信號(hào)與IS-95前向鏈路信號(hào)正交，編碼后的信息符號(hào)同時(shí)在多個(gè)CDMA載波上傳送，由此帶來的頻域分集等效于將信號(hào)擴(kuò)展到整個(gè)帶寬。導(dǎo)頻信號(hào)在IS-95與多載波業(yè)務(wù)信道重疊時(shí)可以共享，在相同的頻段允許前向鏈路容量在IS-95和寬帶用戶之間動(dòng)態(tài)共享，繼續(xù)支持低成本/低功耗的IS-95手機(jī)用于話音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。直接擴(kuò)頻鏈路擴(kuò)頻速率為36864Mchip/s，采用256位的Walsh碼。Walsh碼的長(zhǎng)度可根據(jù)無線環(huán)境和數(shù)據(jù)速率而變化，在信道速率為96kbit/s或者144kbit/s時(shí)采用256位Walsh碼；快速移動(dòng)的用戶可限制Walsh碼長(zhǎng)大于等于16位；用戶在無線信道情況較好時(shí)，可采用4位的Walsh碼以實(shí)現(xiàn)最高的數(shù)據(jù)速率。（3）TD-CDMAUMTS是ETSI針對(duì)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-2000提出的解決方案，目前又分為2個(gè)子方案即由德國的kaiserslautern大學(xué)、西門子公司、阿爾卡特公司提出并得到GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者支持的TD-CDMA系統(tǒng)和由NTTDoCoMo、愛立信公司、諾基亞公司提出的W-CDMA系統(tǒng)。TD-CDMA可以單獨(dú)運(yùn)營(yíng)以滿足ETSI/UMTS和ITU/IMT-2000的要求也可雙模工作向后兼容GSM900和DCS1800，使第二代GSM900、DCS1800系統(tǒng)可以平滑過渡至IMT-2000，從而可以利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，節(jié)約了投資，其無線接口參數(shù)如下：每載波帶寬：16MHz；每載波時(shí)隙數(shù)：8slot；幀長(zhǎng)度：4615ms；時(shí)隙長(zhǎng)度：577s；單位時(shí)隙信道數(shù)：8個(gè)；單位時(shí)隙傳信率：8/16kbit/s；特征碼擴(kuò)頻碼長(zhǎng)度：16bit；單位載波信道數(shù)：64個(gè)。從TD-CDMA的接入方式可以看出其兼有TDMA和CDMA的特點(diǎn)，是以TDMA為基本框架在每個(gè)時(shí)隙傳送具有正交特征碼的多用戶信號(hào)，好處是能利用TDMA、CDMA的優(yōu)點(diǎn)并克服各自的缺點(diǎn)且與GSM有較好的兼容性。TDMA的優(yōu)勢(shì)是已經(jīng)通過了大量用戶的試驗(yàn)和有全球最大的用戶數(shù)；而CDMA的優(yōu)勢(shì)是可靈活提供可變速率業(yè)務(wù)和多徑分集能力。單位載波信道數(shù)的增加所帶來的好處是對(duì)于同樣的小區(qū)用戶數(shù)而言，收發(fā)信機(jī)個(gè)數(shù)降低，最多可達(dá)8倍，從而可降低基站設(shè)備的投資。TD-CDMA中的擴(kuò)頻調(diào)制不同于DS-CDMA，它具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，既可適應(yīng)于GSM中所采用的QPSK/GMSK方式，又可適應(yīng)于多載波CDMA和脈沖壓縮（PulseCompression）CDMA，從而確保了對(duì)GSM系統(tǒng)的兼容性和對(duì)新技術(shù)的開放性。由于TD-CDMA系統(tǒng)接入方式的特殊性，從時(shí)域上已大幅度降低了多址干擾，加上小區(qū)復(fù)用系數(shù)為3，又從空間上隔離了部分多址干擾，僅考慮上述2項(xiàng)就比直擴(kuò)CDMA要優(yōu)越。另外，由于TD-CDMA用戶數(shù)少，每時(shí)隙最多為8個(gè)信道，共有16個(gè)特征碼字表示的信道，多用戶信號(hào)是同步的，從而決定了聯(lián)合檢測(cè)（即多用戶檢測(cè)）容易實(shí)現(xiàn)，且可進(jìn)行最大似然檢測(cè)以達(dá)到多用戶檢測(cè)的性能極限，大大降低了多址干擾。而在直擴(kuò)CDMA中（如IS-95），由于反向信道異步和用戶數(shù)多的特點(diǎn)使得多用戶檢測(cè)難以實(shí)現(xiàn)。3三種方案的性能比較這三種方案都是根據(jù)ITU的IMT-2000系統(tǒng)框架要求，結(jié)合原有的系統(tǒng)及近幾年移動(dòng)通信領(lǐng)域的新技術(shù)，能夠在2000年左右推出商用的移動(dòng)多媒體通信系統(tǒng)。下面我們從幾方面比較一下這三種方案。（1）利用CDMA技術(shù)的程度CDMA技術(shù)主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：小區(qū)復(fù)用系數(shù)為1，利用多