第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT的無線傳輸技術(shù)

1、第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)IMT-2000的無線傳輸技術(shù)C 2003年6月23日10:40通信世界網(wǎng)宋國文柴遠(yuǎn)波葛寶忠由ITUT提出的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)UMTS/FPLMTS(IMT200 0),是工作在2 GHz頻段上的寬帶移動(dòng)通信系統(tǒng)，計(jì)劃2 0 0 0年左右投入試驗(yàn)和運(yùn)營 的標(biāo)準(zhǔn)化。IMT 2 0 0 0系統(tǒng)模型(圖1),采用模塊化概念，在交換網(wǎng)絡(luò)與無線接入 網(wǎng)之間定義了一個(gè)明確的無線網(wǎng)絡(luò)接口。該接口允許未來多種無線系統(tǒng)連接到多種現(xiàn)存的核 心網(wǎng)絡(luò)和IMT 2 0 0 0的核心網(wǎng)絡(luò)。無線接入網(wǎng)由無線承載公用功能(RBCF Radio Bear Common F unctionality)和無線傳輸

2、特定功能(RTSF Radio Transm ission Specific Functionality)兩個(gè)部分組成。RBCF 完成控制和傳輸功能；RTSF完成無線接入技術(shù)功能，主要為無線傳輸技術(shù)(RTT Radio Transmission Technology)和無線傳輸適配功能(R TAFRadio Transmission Adaptation Functionality)。在交換網(wǎng)一側(cè)，IMT 2 0 0 0通過合適互通功能或適配功能與現(xiàn)有的核心網(wǎng)絡(luò)互連。IMT 2 0 0 0的競爭焦點(diǎn)集中在地面無線傳輸技術(shù)上。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本特點(diǎn)第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)為多功能、多業(yè)務(wù)和多用途

3、的數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，是在全球范圍 內(nèi)覆蓋和使用的。它根據(jù)特定的環(huán)境提供從14 4kbit/s到2Mbit/s的個(gè)人通 信，支持全球無縫漫游和提供寬帶多媒體業(yè)務(wù)；使用共同的頻段(WRC分配給IMT2 0 0 0 使用的頻段為 1885 2025MHz，2110 2200 MHz)，全球統(tǒng) 一標(biāo)準(zhǔn)。支持從話音到分組數(shù)據(jù)進(jìn)而到多媒體業(yè)務(wù)，根據(jù)需要提供帶寬。ITU對(duì)第三代無線 傳輸技術(shù)的最低要求為：快速移動(dòng)環(huán)境，最高速率達(dá)14 4kbit/s ；室外到室內(nèi)或步 行環(huán)境，最高速率達(dá)3 8 4 kbit/s ；室內(nèi)環(huán)境，最高速率達(dá)2Mbit/s。兼容第二代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)榈诙苿?dòng)通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已具有相當(dāng)

4、的規(guī)模，為便于 過渡，第三代移動(dòng)通信一定要兼容第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)。性能價(jià)格比優(yōu)，具有強(qiáng)大的競爭能力。頻譜效率高。服務(wù)質(zhì)量好。保密系統(tǒng)完善。根據(jù)以上要求，目前，提交到ITU的地面無線傳輸技術(shù)共有10種。這10個(gè)技術(shù)的 雙工方式、應(yīng)用環(huán)境、多址方式、碼片速率、幀長和提交者等見表1。在表1的10個(gè)地面建議中，歐洲D(zhuǎn)ECT無線接入標(biāo)準(zhǔn)（序號(hào)10）作為IMT2 0 0 0的微小區(qū)/微微小區(qū)組成部分，適合無線PBX等應(yīng)用。事實(shí)上，DECT使用了 第三代移動(dòng)通信的頻譜，能夠滿足ITU室內(nèi)和步行環(huán)境的帶寬要求，即固定用戶為2Mb it/s,在校園或工作環(huán)境中的移動(dòng)用戶則使用3 8 4 kbit/s，但由于DE

5、CT并 非為廣域無線網(wǎng)絡(luò)用戶而設(shè)計(jì)，因此不能滿足144kbit/s車輛用戶的快速移動(dòng)要 求。UWC13 6C序號(hào)9）是一個(gè)純TDMA技術(shù)，是在北美IS136 TDMA （DAMPS）技術(shù)的基礎(chǔ)上提交的。北美IS136 TDMACDAMPS）是 第二代數(shù)字系統(tǒng)的主要技術(shù)之一，其用戶規(guī)模與IS 95相當(dāng)，因此，UWC136將 被IS136的運(yùn)營者繼續(xù)采用。其它8個(gè)建議都是基于CDMA技術(shù)，也就是說寬帶CDMA技術(shù)是第三代移動(dòng)通信的 主要技術(shù)WCDMA和cdma 2 0 0 0為第三代移動(dòng)通信的主流技術(shù)。WCDMA實(shí)際上有兩個(gè)獨(dú)立的建議：日本無線工業(yè)廣播協(xié)會(huì)（ARIB）支持的純 WCDMA和歐洲電信

6、標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI ）制定的UTRA；UTRA實(shí)際上是以日本 的WCDMA技術(shù)和歐洲第三代GSM使用的最初UMTS平臺(tái)為基礎(chǔ)的混合標(biāo)準(zhǔn)。目 前，這兩個(gè)建議正在進(jìn)一步融合。cdma 2 0 0 0是基于窄帶IS95CDMA技術(shù)的寬帶CDMA技術(shù)。cdma 2 0 0 0和IS 95采用的基本技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)如功率控制、軟切換、RAKE接收等是 很類似的，性能上也沒有太大的差異。WCDMA和cdma 2 0 0 0兩種寬帶CDMA的主要區(qū)別為：碼片速率（Chip rate）：cdma20 0 0使用目前的PCS頻段，強(qiáng)調(diào) 與IS 95的后向兼容。其基本思路是采用多載波方式，碼片速率是窄帶1 .2 2

7、 8 8 M cps的整數(shù)倍，初期為1倍或3倍，即1 .2288Mcps或3.6864Mcps， 也就是說在5 MHz的帶寬上采用3. 6 8 6 4 Mcps的碼片速率。而WCDMA采用 直接序列擴(kuò)頻，碼片速率為4.0 9 6 Mcps。目前，ITUT仍在嘗試就5 MHz的 帶寬內(nèi)采用3.8 4Mcps的碼片速率進(jìn)行折中，但未能達(dá)成一致cdma 2 0 0 0反 對(duì)折中，因?yàn)椴捎昧?3.84Mcps的碼片速率，cdma 2 0 0 0就無法與IS 95 后向兼容。基站同步方式：cdma20 00采用IS 9 5系統(tǒng)所采用的方式，即采用GPS 使基站之間嚴(yán)格同步。WCDMA則采用異步方式。雖然

8、日本也提出了同步方式可作為選 項(xiàng)，但仍采用異步方式的3步捕捉同步的方式，只是省略了第3步。其同步方式和cdma 2000的同步方式相差甚遠(yuǎn)。導(dǎo)頻信道方式：WCDMA采用專用導(dǎo)頻符號(hào)，與業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流時(shí)分復(fù)用cdma 2 0 0 0仍然采用IS 95系統(tǒng)所采用的公共導(dǎo)頻信道方式。導(dǎo)頻信道方式差異較大，難以達(dá)到統(tǒng)一。上述三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)得不到統(tǒng)一，因此，兩種寬帶技術(shù)難以融合。我國提出的建議一時(shí)分同步CDMA（TD-SCDMA），采用時(shí)分雙工方式和時(shí)分 同步碼分多址接入。工作頻段為2. 0 1- 2. 0 2 5 GHz,每個(gè)信道1. 2 MHz帶寬， 其中保護(hù)帶寬約為100kHz。每個(gè)射頻信道幀由8個(gè)可動(dòng)

9、態(tài)分配的TDMA時(shí)隙組成， 每個(gè)TDMA時(shí)隙又分為16個(gè)CDMA碼分信道。每個(gè)碼分信道經(jīng)過一個(gè)特定的Wais h碼與一個(gè)公共的偽隨機(jī)碼相乘后彼此分開。TD-SCDMA系統(tǒng)中，每幀的長度為5m s（8個(gè)時(shí)隙），碼片速率為1 .113 6 Mcps，接入信道的擴(kuò)頻增益為16,業(yè)務(wù) 信道的擴(kuò)頻增益為16或3 2。采用DQPSK方式調(diào)制，可選8PSK或16QAM方式。 話音業(yè)務(wù)采用卷積編碼，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)采用級(jí)連編碼，并進(jìn)行相應(yīng)的交織處理TDSCDM A與WCDMA和cdma 2 0 0 0沒有多大的關(guān)系，它的設(shè)計(jì)更像一種低移動(dòng)性的WL L技術(shù)，采用的TDMA和CDMA混合接入方案與同樣采用這兩種技術(shù)的UT

10、RA合作有 良好的基礎(chǔ)。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的分層結(jié)構(gòu)通信協(xié)議分為三層，分別為：第一層為物理層，定義了無線頻譜的管理，通過無線鏈路傳遞數(shù)據(jù)，它是由一系列下 行物理信道和上行物理信道組成。第二層為鏈路層，它由媒體接入控制（MAC）子層和鏈路接入控制（LAC）子層 兩個(gè)子層組成；MAC子層根據(jù)LAC子層不同業(yè)務(wù)實(shí)體的要求對(duì)物理層的資源進(jìn)行管理和 控制，并負(fù)責(zé)提供LAC子層業(yè)務(wù)實(shí)體所需的QoS級(jí)別。LAC子層負(fù)責(zé)提供MAC子層 所不能提供的更高級(jí)別的QoS控制，這種控制可以通過ARQ等方式來實(shí)現(xiàn)，以滿足來自 更高層業(yè)務(wù)實(shí)體的傳輸可靠性。第三層為高層，它集0SI模型中的網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表達(dá)層和應(yīng)

11、用層為一 體。高層實(shí)體主要負(fù)責(zé)各種業(yè)務(wù)的呼叫信令處理，話音業(yè)務(wù)（包括電路類型和分組類型）和 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（包括IP業(yè)務(wù)、電路、分組數(shù)據(jù)和短消息等）的控制與處理等。分層結(jié)構(gòu)（見圖2）中的C平面為控制平面，U平面為用戶信息平面。第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的兩個(gè)主要技術(shù)路線：從以上的分析可看出，在已提交ITUT的IMT 2 0 0 0的建議中，主要有兩種 技術(shù)的發(fā)展路線，其一為以歐洲為代表的以GSM為核心網(wǎng)的歐洲派的技術(shù)路線，另一個(gè)為 以美國為代表的以DAMPS為核心網(wǎng)的北美派的技術(shù)路線，二者都有很大的影響力，直 接影響著第三代移動(dòng)通信的最終發(fā)展，且已給ITU構(gòu)成了威脅。GSM MAP+UTRA3GP P路線3

12、GPP是以歐洲ETSI發(fā)起的，日本ARIB、TTC、韓國TTA和美國TI參 加的第三代伙伴計(jì)劃。目的是制定以GSM MAP為核心網(wǎng)、UTRA（FDD：WC DMA，TDD：TD CDMA）為無線接口的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。D-AMPS+cdma 2 0 0 03GP P2路線3GPP2是由美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)ANSI發(fā)起的，日本ARIB、TTC、韓國TTA參加的另一個(gè)第三代伙伴計(jì)劃。目的是制定以DAMPS為核心網(wǎng)、cdma 2 0 0 0 為無線接口的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于IMT 2 0 0 0的幾點(diǎn)說明FD D和 TDDFDD和TDD在技術(shù)上各有自己的特色。FDD在蜂窩系統(tǒng)的應(yīng)用中較為成熟，但無

13、 法解決頻率不對(duì)稱的問題。TDD方式能解決頻率不對(duì)稱的問題，能夠很好的適應(yīng)未來In ternet瀏覽問題。但TDD技術(shù)在蜂窩系統(tǒng)中尚未取得完全的成功，一些關(guān)鍵技術(shù)尚 需得到驗(yàn)證?？罩薪涌诩夹g(shù)和移動(dòng)交換技術(shù)初期的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的最高傳輸速率為144kbit/s（最多不超過384 kbit/s），這種速率無論是分組模式還是電路模式，對(duì)于移動(dòng)交換機(jī)而言均談不上高 速，移動(dòng)交換機(jī)可能存在的困難在于如何支持3G系統(tǒng)所需的并發(fā)多業(yè)務(wù)?？紤]到國內(nèi)在交 換方面的傳統(tǒng)優(yōu)勢，實(shí)施3G交換機(jī)的難度應(yīng)遠(yuǎn)低于空中接口部分。因此，空中接口技術(shù)成 為發(fā)展第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。關(guān)鍵技術(shù)的復(fù)用無論是WCDMA還是c

14、dma 2 0 0 0,無論是FDD還是TDD，均有大量共性關(guān) 鍵技術(shù)（如功率控制、RACK接收機(jī)、信道編譯碼器等）。新型技術(shù)的應(yīng)用類似于多用戶檢測、智能天線、新型信道編譯碼等新型關(guān)鍵技術(shù)并不是初期第三代移動(dòng) 通信系統(tǒng)所必需的，但這些技術(shù)的突破將會(huì)很大程度上提高系統(tǒng)性能。芯片支持問題毫無疑問，專用集成電路（ASIC ）芯片對(duì)于第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)化是必需的， 擁有我們自己獨(dú)立產(chǎn)權(quán)的ASIC的開發(fā)應(yīng)同步進(jìn)行。標(biāo)準(zhǔn)的選擇IMT 2 0 0 0的發(fā)展尚有許多不確定的因素，這些因素有來自技術(shù)方面的，也有來 自其它方面的。目前較為公認(rèn)的主流標(biāo)準(zhǔn)為歐洲的WCDMA標(biāo)準(zhǔn)（UTRA）和北美的 cdma 2

15、 0 0 0標(biāo)準(zhǔn)。考慮我國擁有較為龐大的GSM蜂窩通信系統(tǒng)，且國內(nèi)傳統(tǒng)上較易 接受歐洲標(biāo)準(zhǔn)，選擇歐洲的WCDMA標(biāo)準(zhǔn)作為主攻方向是必要的。但另一方面，北美的 cdma 2 0 0 0標(biāo)準(zhǔn)較為成熟，北美的CDMA運(yùn)營組織CDG號(hào)稱有能力在兩年之內(nèi)推 出cdma 2 0 0 0 lx商用系統(tǒng)。由于cdma 2 0 0 0 lx系統(tǒng)必須與已有的IS 95系統(tǒng)兼容，因此一些關(guān)鍵參數(shù)與IS95系統(tǒng)相同，而且國內(nèi)已建有CDMA商用 實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，并有較好的IS 95CDMA研究基礎(chǔ)，通過對(duì)IS95CDMA的改造，相 對(duì)較易在短時(shí)期內(nèi)完成cdma 2 0 0 0 lx實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，因此，選擇北美的cdma20 0 0標(biāo)準(zhǔn)作為主攻方向也是很有必要的。另外，由于未來移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)巨大，在國內(nèi)采用兩 種或兩種以上的標(biāo)準(zhǔn)也是完全可能的。體制標(biāo)準(zhǔn)的創(chuàng)新和研究。主要考慮以下三個(gè)方面：在技術(shù)上最大程度地使關(guān)鍵技術(shù)能 夠復(fù)用（考慮與IS 95、GSM的兼容與復(fù)用）；減少系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度；最大程度地 占有知識(shí)產(chǎn)權(quán)。第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)（如AMPS和TACS等）是采用FDM