第三代移动通信系统的研究现状和发展趋势
摘要 本文介绍了第三代移动通信系统的研究现状，分析和比较了分别以日本、美国和欧洲为主提出的W-CDMA、CdmaOne和TD-CDMA系统的技术特点，最后探讨了第三代移动通信系统的发展趋势。
关键词 第三代移动通信系统 码分多址 IMT-2000
1 引言
第三代移动通信系统是指能够满足国际电联提出的IMT-2000/FPLMTS系统要求的新一代移动通信系统。国际电联于1995年提出了IMT-2000/FPLMTS的评估标准，对未来蜂窝移动通信系统提出了较详细的要求。
IMT- 2000系统的基本特征有以下几点：
球范围设计的高度兼容性；
MT- 2000中的业务与固定网络的业务兼容；
质量；
机体积很小，具有全球漫游能力；
用的频谱为
885 MHz～2025 MHz，2110 MHz～2200 MHz（共230 MHz）
1980 MHz～2010 MHz，2170 MHz～2200 MHz（限于卫星使用）
动终端可以连接地面网和卫星网，可移动使用也可固定使用；
线接口的类型应尽可能得少，而且具有高度的兼容性。
从而可以看出未来的第三代移动通信系统要具有很好的网络兼容性，用户终端可在全球范围内几个不同的系统间实现漫游，不仅要为移动用户提供话音及低速数据业务，而且要提供广泛的多媒体业务，这就对无线接口提出了较高的要求。ITU已对IMT-2000的测试环境提出了具体要求，给出了表征 IMT-2000系统的最低限度的参数，包括：支持的数据率范围，误码率要求，单向的时延要求，激活因子和业务量模型。
根据ITU的要求，目前各大电信公司联盟均已提出了自己的第三代移动通信系统方案，主要以日本DoCoMo公司为首提出的W-CDMA；美国Lucent、Motorola等公司提出的CdmaOne；欧洲西门子、阿尔卡特等公司提出的TD-CDMA。总体来说，在第三代移动通信系统中采用CDMA技术已达成共识，但各自实现方案还有较大差别，下面分别介绍并比较。
2 三种方案的特点
（1） W-CDMA系统
由于欧洲的 GSM系统已经在数字移动通信市场中占据了很大的份额，美国的窄带CDMA系统（IS-95）也正在迅速赶上来，而日本的第二代数字移动通信系统PDC仅限于国内使用，无法推广到其它国家，所以日本很早就开始从事第三代移动通信系统的开发工作，分别提出了基于TDMA（时分多址）和基于CDMA（码分多址）的第三代移动通信系统，希望在未来的市场中占据有利地位，尤其以DoCoMo公司（NTT）的W-CDMA系统最有竞争力，目前DoCoMo公司正在同爱立信、Motorola、Lucent，以及其它厂家合作，努力完善系统，争取在 1998年完成样机，1999年进行商业试验。
W- CDMA系统无线接口的基本参数为
扩频方式：可变扩频比（4～256）的直接扩频；
载波扩频速率：4．096 Mchip/s；
每载波带宽：5 MHz（可扩展为10 MHz/20 MHz）；
载波速率：16 kbit/s～256 kbit/s
帧长度：10 ms；
时隙长度（功率控制组）：0．625 ms；
调制方式：QPSK
功率控制：开环＋自适应闭环方式（功控速率1．6 kbit/s）
W- CDMA系统中采用导频符号相干RAKE接收机技术，解决了反向信道的容量限制问题，每个无线帧长度为10 ms，分成16个时隙（time slot），每个时隙长度为0．625 ms，在每个时隙的前部插入全“1”或全“0”的导频符号进行信道参数估计，这种方法在其它系统的调制中也有采用的，但W-CDMA系统将从导频符号得到的衰落信道的振幅和相位信息，作为RAKE接收机最大比值合并的加权系数，取得了很好的效果。
与IS- 95不同，W-CDMA系统不采用GPS精确定时方式，不同基站间不采用精确定时，优点是摆脱了美国GPS系统的控制，可采用较为自由的信道管理方式。缺点是需要快速实现小区搜索。
自适应阵列天线技术可以增加系统容量，而干扰消除技术可以减少高速率用户对系统造成的干扰。虽然这两种技术在实际应用中还有许多问题尚未解决，但日本正努力在W-CDMA系统中采用这两项技术。自适应阵列天线技术已经有很多文章论述过，这里不再介绍。干扰消除技术实际上是多用户检测技术的一种实现方式。采用2～3级干扰消除器，容量可增加30％。
另外，W- CDMA系统采用了精确的功率控制，即采用基于SIR（信噪比）的开环＋闭环的功率控制方式，在业务信道帧中插入功率控制比特，插入速率1．6 kbit/s，比IS-95的功控速率增加一倍，可以跟踪一般的快衰落过程。
（2） CdmaOne系统
CdmaOne是Lucent、 Motorola、Nortel、Qualcomm和三星联合提出的第三代移动通信系统方案，是从IS-95和IS-41的标准发展而来，因此它与 AMPS、DAMPS和IS-95均有较好的兼容性。同时，又由于它采用了一些新技术，使其能完全满足第三代移动通信系统即IMT- 2000/FPLMTS的要求，其无线接口参数如下：
载波带宽：5 MHz（可扩展为10/20 MHz）
扩频方式：采取直接扩频或多载波扩频；
扩频速率：3．6864 Mchip/s；
扩频码长度：可根据无线环境和数据速率而变化；
帧长度：20 ms；
时隙长度（功率控制组）：1．25 ms；
调制方式：下行QPSK，上行BPSK；
功率控制：开环＋闭环方式（功控速率800 bit/s）。
CdmaOne扇区内采用连续导频信道广播，能提供独立于传输速率的功控、定时和相位纠正，能以较小的复杂度提供基站的快速捕获和邻近基站的快速搜索。与IS-95相同的短码结构加上Walsh函数使信道之间正交，高速（800 bit/s）前向链路功控使前向链路平均发射功率最小化。
调制方式采取多载波方式和直扩方式。这两种方式有相同的信息传送率和实现复杂度。多载波CDMA链路在5 MHz带宽内有3个1．25 MHz CDMA载波，10 MHz带宽则有10个1．25 MHz载波。多载波CDMA前向链路信号与IS-95前向链路信号正交，编码后的信息符号同时在多个CDMA载波上传送，由此带来的频域分集等效于将信号扩展到整个带宽。导频信号在IS-95与多载波业务信道重叠时可以共享，在相同的频段允许前向链路容量在IS-95和宽带用户之间动态共享，继续支持低成本/低功耗的IS-95手机用于话音和低速数据业务。
直接扩频链路扩频速率为3．6864 Mchip/s，采用256位的Walsh码。Walsh码的长度可根据无线环境和数据速率而变化，在信道速率为9．6 kbit/s或者14．4 kbit/s时采用256位Walsh码；快速移动的用户可限制Walsh码长大于等于16位；用户在无线信道情况较好时，可采用 4位的Walsh码以实现最高的数据速率。
（3） TD-CDMA
UMTS是ETSI针对第三代移动通信系统IMT-2000提出的解决方案，目前又分为 2个子方案即由德国的kaiserslautern大学、西门子公司、阿尔卡特公司提出并得到GSM网络运营者支持的TD-CDMA系统和由NTT DoCoMo、爱立信公司、诺基亚公司提出的W-CDMA系统。
TD- CDMA可以单独运营以满足ETSI/UMTS和ITU/IMT- 2000的要求也可双模工作向后兼容GSM900和DCS1800，使第二代GSM900、DCS1800系统可以平滑过渡至IMT-2000，从而可以利用现有的GSM网络设备，节约了投资，其无线接口参数如下：
每载波带宽：1．6 MHz；
每载波时隙数：8 slot；
帧长度：4．615 ms；
时隙长度：577 μs；
单位时隙信道数：8个；
单位时隙传信率：8/16 kbit/s；
特征码扩频码长度：16 bit；
单位载波信道数：64个。
从TD- CDMA的接入方式可以看出其兼有TDMA和CDMA的特点，是以 TDMA为基本框架在每个时隙传送具有正交特征码的多用户信号，好处是能利用TDMA、CDMA的优点并克服各自的缺点且与GSM有较好的兼容性。 TDMA的优势是已经通过了大量用户的试验和有全球最大的用户数；而CDMA的优势是可灵活提供可变速率业务和多径分集能力。单位载波信道数的增加所带来的好处是对于同样的小区用户数而言，收发信机个数降低，最多可达8倍，从而可降低基站设备的投资。
TD- CDMA中的扩频调制不同于DS- CDMA，它具有很强的适应性，既可适应于GSM中所采用的QPSK/GMSK方式，又可适应于多载波CDMA和脉冲压缩（Pulse Compression） CDMA，从而确保了对GSM系统的兼容性和对新技术的开放性。
由于TD- CDMA系统接入方式的特殊性，从时域上已大幅度降低了多址干扰，加上小区复用系数为 3，又从空间上隔离了部分多址干扰，仅考虑上述2项就比直扩CDMA要优越。另外，由于TD-CDMA用户数少，每时隙最多为8个信道，共有16个特征码字表示的信道，多用户信号是同步的，从而决定了联合检测（即多用户检测）容易实现，且可进行最大似然检测以达到多用户检测的性能极限，大大降低了多址干扰。而在直扩CDMA中（如IS-95），由于反向信道异步和用户数多的特点使得多用户检测难以实现。
3 三种方案的性能比较
这三种方案都是根据ITU的IMT-2000系统框架要求，结合原有的系统及近几年移动通信领域的新技术，能够在2000年左右推出商用的移动多媒体通信系统。下面我们从几方面比较一下这三种方案。
（1） 利用CDMA技术的程度
CDMA技术主要有以下几个优点：小区复用系数为1，利用多径能力，可变扩频增益，多用户检测，软切换，软容量。TD-CDMA、W-CDMA、 CdmaOne对CDMA技术的利用程度各不相同，如表1所示。总的来说，TD-CDMA较差，这是因为TD-CDMA系统要与GSM系统兼容，小区复用系数为3，降低了频谱利用率，并且因为扩频带宽只有1．6 MHz，所以并不能充分利用多径，降低了系统效率，并且软切换和软容量能力实现起来很困难，但因为每个时隙内最多只有8个用户，所以采用联合检测相对来说要容易一些，对干扰抵消能力强。
表1 三种方案的比较
W- CDMA
CdmaOne
TD-CDMA
小区复用系数
1
1
3
利用多径能力
好
好
差
软切换
好
好
困难
扩频增益
4～256
4～256
16
多用户检测
困难
困难
容易
软容量
可以实现
可以实现
无法实现
（2） 同步方式，功率控制和支持高速业务能力
目前商用的CDMA系统（IS-95），采用64位Walsh正交扩频码序列，反向信道采取非相干接收方式，成为限制系统容量的主要问题，所以在第三代系统中反向链路普遍采用相干接收方式。W-CDMA系统采用内插导频符号辅助相干接收技术，两者具体性能目前还较难比较，涉及到接收机的结构及实际环境限制，但前者在车辆移动速度较快时，会跟踪不上快衰落变化，性能恶化。另外，CdmaOne系统需要GPS精确定时，小区间要保持同步，对定时系统要求较高；而W-CDMA和TD-CDMA系统则不需要小区间的同步，可适应环境的变化，可在室外、室内、甚至地铁中使用。TD-CDMA系统继承了 GSM900和DCS1800正反向信息同步的特点，从而克服了反向信道限制容量的瓶颈效应，而同步意味着正反向信道均可采用正交码，从而克服了远近效应，降低了对功率控制的要求。
CdmaOne系统采用与IS-95系统相同的开环加闭环功率控制方式，功控速率为800 bit/s，W-CDMA系统采用开环加自适应闭环功控方式，功控速率增加到1600 bit/s，效果有较大提高，可以抵消一般快衰落的影响。 TD-CDMA采用了联合检测进一步消除了多用户干扰，使得上行链路用户之间功率相差很大时仍能有效地解调信息即克服了远近效应，带来的好处是为了克服瑞利衰落（快衰落）的快速功率控制不是必须的，而消除对数正态衰落（慢衰落）的慢速功率控制仍有必要，其目的是为了节约功率、延长移动台的电池使用寿命和提高业务质量。由于对抗快衰落的能力较强，TD-CDMA可以支持高达每小时500 km的移动体的通信，这在现代移动通信中是至关重要的。而直扩 CDMA对于高速移动通信的支持能力较差。
W-CDMA系统在5 MHz带宽中可提供16 kbit/s、32 kbit/s、64 kbit/s、128 kbit/s等多个传输速率。当信息速率超过128 kbit/s时，W-CDMA系统可分配多个码分信道给用户进行复用，采用并行传送方式可提供384 kbit/s（128 kbit/s×3），并且可容易地实现室内2 Mbit/s的信息传送。CdmaOne系统可通过多载波传送或复用码信道，实现较高速率的信息传送。 TD-CDMA提供综合业务是通过无线电资源的复用，可采用在每个时隙内的多码传输和时隙合并方式，为了达到2 Mbit/s的峰值速率需采用16进制的QAM调制方式，当移动台的传信率较高时需要较高的发射功率，又因为采用与GSM系统相同的TDMA时隙分配方式，所以无法充分利用系统资源，造成浪费。
（3） 与已有系统的兼容性
CdmaOne系统将IS-95从一个话音、低速数据系统改进为一个无线多媒体系统，使之能提供基本满足IMT-2000要求的容量和服务，优化了话音和数据业务，能支持高速率的电路和分组业务，提供平滑地向后兼容性（与 IS-95），其网络结构和软件均从IS-95系统发展而来，N× 1．25 MHz信道带宽与IS-95已经使用的频带兼容。TD-CDMA系统与GSM有相同的帧长度和时隙长度，将GSM或DCS1800的网络作相应扩充，即可实现与TD-CDMA系统的兼容，在与公网的接口上则向ATM过渡，提高了市场竞争能力。W-CDMA系统，与第二代及在第二代基础上开发的PCS及 PCN系统不兼容，需要单独的基站和移动台子系统，需要全面安装系统设备，所以初期投资要大一些。
4 未来的发展趋势
ITU为 IMT-2000/FPLMTS系统提出的时间表是：1998年底完成无线传输技术的选择，1999年完成标准的制定，2000年以后开始商用。现在以日本、欧洲和美国电信公司为主的联盟已分别提出了各自的第三代移动通信系统，决定最终结果的不仅是技术的先进，还有成本、系统的复杂性和市场需求，具体如下：（1） 市场需求。IMT-2000商用系统将在2000年左右推出，会在以后十年内逐渐占领市场，所以要研究今后几年人们对移动通信业务需求，IMT- 2000应能够提供那些业务。（2） 成本和系统复杂性。成本取决于系统本身的投入，及与已有系统设备的兼容性。从初期投入来分析，W- CDMA系统采用了一些新技术，要设计全新的基站和移动台，及整个网络结构，所以投入要大一些。（3）技术先进性。运营商希望以较少的基站覆盖较大的区域，并且提高系统容量。从整体的性能来衡量，W-CDMA因为设计比较超前，可提供更多的业务、较大的系统容量而具有相当大的竞争力，TD-CDMA系统因为其本身的缺陷，无法充分发挥CDMA技术的优势。
由于目前的移动运营商已在现有的第二代移动通信系统中投入了大量资金，因此必然希望将自己目前的系统平滑过渡到第三代系统；另外，欧、日、美电信公司都希望在未来的第三代移动通信系统市场中占有较大份额，都不会轻易放弃自己的方案。因此，国际电联很难最终形成一个统一的第三代移动通信标准，极有可能几种方案共存。
5 结束语
本文介绍了有可能成为IMT-2000标准的三个第三代移动通信系统候选方案，比较了其技术特点。我国应积极参加国际电联有关第三代移动通信系统的方案论证过程，并开展第三代移动通信系统的关键技术的研究工作，希望能尽力摆脱专利问题的困扰，形成自己的专利技术，提高中国电信业的独立性和与国外电信厂商的竞争能力。
我国目前尚没有能力从事整个第三代系统的研制，但可在跟踪的基础上，争取在移动通信的关键技术中有所突破，形成自主开发的专利技术。我们可以在以下几个方面有所突破：（1） 智能天线；（2） 干扰抑制（多用户检测）；（3） 多址划分；（4） 功率控制；（5） 系统优化；（6） 组网技术。