3G移动通信主要技术标准讨论

陈 辉

（廊坊师范学院，河北 廊坊 065000）

相对第一代模拟制式手机（1G）和第二代GSM、TDMA等数字手机（2G），3G通信的名称繁多，国际电联规定为“IMT-2000”（国际移动电话2000）标准，欧洲的电信业巨头们则称其为“UMTS”通用移动通信系统。该标准规定，移动终端以车速移动时，其传转数据速率为144kbps，室外静止或步行时速率为384kbps，而室内为2Mbps。但这些要求并不意味着用户可用速率就可以达到2Mbps，因为室内速率还将依赖于建筑物内详细的频率规划以及组织与运营商协作的紧密程度。

一、国际电联接受的3G通信的三大主流标准

国际电信联盟（ITU）确定3G通信的三大主流标准分别是WCDMA（宽频分码多重存取）、CDMA2000（多载波分复用扩频调制）和TD-SCDMA（时分同步码分多址接入）。

1.WCDMA。WCDMA是一种由3GPP具体制定的，基于GSM MAP核心网，UTRAN（UMTS陆地无线接入网）为无线接口的第三代移动通信系统。目前WCDMA有Release 99、Release 4、Release 5、Release 6等版本。WCDMA（宽带码分多址）是一个ITU（国际电信联盟）标准，它是从码分多址（CDMA）演变来的，在官方上被认为是IMT-2000的直接扩展，与现在市场上通常提供的技术相比，它能够为移动和手提无线设备提供更高的数据速率。WCDMA采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84Mcps，载波带宽为5MHz.基于Release 99/ Release 4版本，可在5MHz的带宽内，提供最高384kbps的用户数据传输速率。WCDMA能够支持移动/手提设备之间的语音、图像、数据以及视频通信，速率可达2Mb/s（对于局域网而言）或者384Kb/s（对于宽带网而言）。

但值得我们注意的是WCDMA系统的容量、覆盖、质量三者之间的关系是相互影响相互制约的，它们三者又直接影响着建网的投资。在规划中确定了要满足的通信质量要求之后，需要解决的就是覆盖与容量间的平衡问题，运营商在规划阶段的最大挑战就是容量与覆盖间的取舍。为了很好地解决WCDMA系统覆盖与容量之间的矛盾，消除干扰，提升系统容量，满足用户业务需求，在WCDMA的后续发展中产生了许多新技术。其中最值得关注的就是高速下行分组接入（HSDPA）。HSDPA是3GPP在R5协议中为了满足上／下行数据业务不对称的需求而提出的一种调制解调算法，它可以在不改变已经建设的WCDMA网络结构的情况下，把下行数据业务速率提高到10Mbps。该技术是WCDMA网络建设后期提高下行容量和数据业务速率的一种重要技术。

HSDPA采用的关键技术是自适应调制编码（AMC）和混合自动重复（HARQ）。AMC根据信道的质量情况，选择最合适的调制和编码方式。HSDPA技术增加了高速下行共享信道（HS－DSCH），并依靠HARQ和AMC对信道变化进行适应。不同的用户在时分和码分上共享HS－DSCH信道。为了承载下行信令，还增加了共享控制信道（HS－SCCH），与HS－DSCH相关的上行采用DPCCH－HS信道，承载HARQ的ACK／NACK信息和信道质量测量指示（CQI）。同时在NodeB增加了MAC－hs实体，该功能实体包含HARQ和HSDPA的调度功能以及对HS－DSCH的控制功能。HSDPA提高下行数据速率的一种方法是采用多天线发射和多天线接收（MIMO）技术。其他技术也对WCDMA网络性能的提升提供帮助，比如智能天线SA和多用户检测MUD。前者能显著提高系统的容量和覆盖性能，提高频谱利用率，从而降低运营商成本，后者通过对多个用户信号进行联合检测，从而尽可能地减小多址干扰来达到提高容量或覆盖的目的。

2.CDMA2000。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。采用的是频分双工模式，即上先行链路采用不同频点，这一点与GSM是一样的。其次，CDMA2000采用的是多载波技术，即用多路载波传输信号，可以抗多径效应和码间干扰，从而提高空中接口传输速率。

3.TD-SCDMA。TD-SCDMA（time-division synchronous code division multiple access），即时分—同步码分多址存取，是由我国信息产业部电信科学技术研究院提出，与德国西门子公司联合开发。主要技术特点：时分双工技术、智能天线技术和软件无线电技术。

（1）时分双工技术。在TDD（时分同步）模式下，TD-SCDMA采用在周期性重复的时间帧里传输基本TDMA突发脉冲的工作模式（与GSM相同），通过周期性转换传输方向，在同一载波上交替进行上下行链路传输。

（2）智能天线技术。智能天线系统由一组天线及相连的收发信机和先进的数字信号处理算法构成，能有效产生多波束赋形，每个波束指向一个特定终端，并能自动跟踪移动终端。

在接收端，通过空间选择性分集，可大大提高接收灵敏度，减少不同位置同信道用户的干扰，有效合并多径分量，抵消多径衰落，提高上行容量；在发送端，智能空间选择性波束成形传送，降低输出功率要求，减少同信道干扰，提高下行容量。

智能天线改进了小区覆盖，智能天线阵的辐射图形完全可用软件控制，在网络覆盖需要调整等使原覆盖改变时，均可通过软件非常简单地进行网络优化。此外，智能天线降低了无线基站的成本，智能天线使等效发射功率增加，用多只低功率放大器代替单只高功率放大器，可大大降低成本，降低对电源的要求及增加可靠性。

智能天线无法解决的问题是时延超过码片宽度的多径干扰和高速移动多普勒效应造成的信道恶化。因此，在多径干扰严重的高速移动环境下，智能天线必须和其它抗干扰的数字信号处理技术同时使用，才可能达到最佳效果。这些数字信号处理技术包括联合检测、干扰抵消及Rake接收等。

（3）软件无线电技术。软件无线电是利用数字信号处理软件实现无线功能的技术，能在同一硬件平台上利用软件处理基带信号，通过加载不同的软件，可实现不同的业务性能。

二、三个技术标准的比较

WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA都属于宽带CDMA技术。宽带CDMA进一步拓展了标准的CDMA概念，在一个相对更宽的频带上扩展信号，从而减少由多径和衰减带来的传播问题，具有更大的容量，可以根据不同的需要使用不同的带宽，具有较强的抗衰落能力与抗干扰能力，支持多路同步通话或数据传输，且兼容现有设备。WCDMA、CDMA2000与TD-SCDMA都能在静止状态下提供2Mbit/s的数据传输速率，但三者的一些关键技术仍存在着较大的差别，性能上也有所不同。

1.双工模式。WCDMA与CDMA2000都是采用FDD（频分数字双工）模式，TD-SCDMA采用TDD（时分数字双工）模式。FDD是将上行（发送）和下行（接收）的传输使用分离的两个对称频带的双工模式，需要成对的频率，通过频率来区分上、下行，对于对称业务（如语音）能充分利用上下行的频谱，但对于非对称的分组交换数据业务（如互联网）时，由于上行负载低，频谱利用率则大大降低。TDD是将上行和下行的传输使用同一频带的双工模式，根据时间来区分上、下行并进行切换，物理层的时隙被分为上、下行两部分，不需要成对的频率，上下行链路业务共享同一信道，可以不平均分配，特别适用于非对称的分组交换数据业务（如互联网）。TDD的频谱利用率高，而且成本低廉，但由于采用多时隙的不连续传输方式，基站发射峰值功率与平均功率的比值较高，造成基站功耗较大，基站覆盖半径较小，同时也造成抗衰落和抗多普勒频移的性能较差，当手机处于高速移动的状态下时通信能力较差。WCDMA与CDMA2000能够支持移动终端在时速500公里左右时的正常通信，而TD-SCDMA只能支持移动终端在时速120公里左右时的正常通信。TD-SCDMA在高速公路及铁路等高速移动的环境中处于劣势。

2.码片速率与载波带宽。WCDMA（FDD-DS）采用直接序列扩频方式，其码片速率为3.84Mchip/s。CDMA20001x与CDMA20003x的区别在于载波数量不同，CDMA20001x为单载波，码片速率为1.2288Mchip/s，CDMA20003x为三载波，其码片速率为1.2288×3＝3.6864Mchip/s。TDSCDMA的码片速率为1.28Mchip/s。码片速率高能有效地利用频率选择性分集以及空间的接收和发射分集，可以有效地解决多径问题和衰落问题，WCDMA在这方面最具优势。

载波带宽方面，WCDMA采用了直接序列扩谱技术，具有5MHz的载波带宽。CDMA20001x采用了1.25MHz的载波带宽，CDMA20003x利用三个1.25MHz载波的合并形成3.75MHz的载波带宽。TD-SCDMA采用三载波设计，每载波具有1.6M的带宽。载波带宽越高，支持的用户数就越多，在通信时发生网塞的可能性就越小。在这方面WCDMA具有比较明显的优势。

TD-SCDMA系统仅采用1.28Mchip/s的码片速率，采用TDD双工模式，因此只需占用单一的1.6M带宽，就可传送2Mbit/s的数据业务。而WCDMA与CDMA2000要传送2Mbit/s的数据业务，均需要两个对称的带宽，分别作为上、下行频段，因而TDSCDMA对频率资源的利用率是最高的。

3.越区切换技术。WCDMA与CDMA2000都采用了越区“软切换”技术，即当手机发生移动或是目前与手机通信的基站话务繁忙使手机需要与一个新的基站通信时，并不先中断与原基站的联系，而是先与新的基站连接后，再中断与原基站的联系，这是经典的CDMA技术。“软切换”是相对于“硬切换”而言的。FDMA和TDMA系统都采用“硬切换”技术，先中断与原基站的联系，再与新的基站进行连接，因而容易产生掉话。由于软切换在瞬间同时连接两个基站，对信道资源占用较大。而TD-SCDMA则是采用了越区“接力切换”技术，智能天线可大致定位用户的方位和距离，基站和基站控制器可根据用户的方位和距离信息，判断用户是否移动到应切换给另一基站的临近区域，如果进入切换区，便由基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换目的。接力切换是一种改进的硬切换技术，可提高切换成功率，与软切换相比可以减少切换时对邻近基站信道资源的占用时间。

在切换的过程中，需要两个基站间的协调操作。WCDMA无需基站间的同步，通过两个基站间的定时差别报告来完成软切换。CDMA2000与TDSCDMA都需要基站间的严格同步，因而必须借助GPS（Global Positioning System，全球定位系统）等设备来确定手机的位置并计算出到达两个基站的距离。由于GPS依赖于卫星，CDMA2000与TD-SCDMA的网络布署将会受到一些限制，而WCDMA的网络在许多环境下更易于部署，即使在地铁等GPS信号无法到达的地方也能安装基站，实现真正的无缝覆盖。而且GPS是美国的系统，若将移动通信系统建立在GPS可靠工作的基础上，将会受制于美国的GPS政策，有一定的风险。

4.与第二代系统的兼容性。WCDMA由GSM网络过渡而来，虽然可以保留GSM核心网络，但必须重新建立WCDMA的接入网，并且不可能重用GSM基站。CDMA20003x从CDMA IS95、CDMA20001x过渡而来，可以保留原有的CDMA IS95设备。TDSCDMA系统的的建设只需在已有的GSM网络上增加TD-SCDMA设备即可。三种技术标准中，WCDMA在升级的过程中耗资最大。

三、结 语

三种主流的3G技术标准CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA，在技术上各有千秋，从我国目前的情况来看，不会出现哪种标准“一统江湖”的局面，而至于谁能在3G时代占据更大的市场份额，关键是看哪个技术标准更符合市场需求和竞争的需要，更能充分发挥3G技术的优势。与2G相比，3G最大的优势是能够提供至少384Kbps的高速数据接入，除可承载原有的话音业务和短信业务外，它还能够开设许多新的业务。作为全球最大的移动通信市场，中国3G的发展无疑将对世界移动通信市场产生深远影响，因此中国3G的未来发展走向必然备受关注。

［1］张平，王卫东.第三代蜂窝移动通信系统—WCDMA［M］.北京：北京邮电大学出版社，2000.

［2］刘宝玲，付长东.3G移动通信系统概述［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

［3］姜波.WCDMA关键技术详解［M］.北京：人民邮电出版社，2008.

［4］谢显中.TD-SCDMA第三代移动通信系统技术与实现［M］.电子工业出版社，2004.

［5］刘彩霞，刘波粒，李新民.从2G到3G演进的中介技术——GPRS［J］.现代电子技术，2004，27（15）.

［6］3GPP Technical Specification 23.246.Multimedia Broadcast/Multicast Service［M］.Architecture and functional description，2005，6（3）.