卢昌龙南京邮电学院电子工程系
【摘要】本文讨论了CDMA 的发展历程，分析了CDMA 移动通信环境中面临的问题，分析了WCDMA 系统中的关键技术，以及WCDMA 技术的主要特点，最后在WCDMA 的基础上，提出了增强网络性能的新方法。
1 影响第三代移动通信的技术因素
在第三代移动通信标准IMT-2000K 中，提出了对频谱和业务的基本要求，即有名的2GHz 频段和384kb/s 广域网和2Mb/s 本地网数据传输速率业务等。显然，要实现第三代移动通信系统中的基本要求，首选必须解决频谱、核心网络和无线接入三大技术因素。必须确定全球统一的频谱段。IMT-2000 标准确定在2GHz 左右的频段，而美国联邦通信委员会却在1994 年就把PCS 定位在1.9GHz，并已拍卖，使得第三代移动通信系统建立统一频谱出现了裂痕。必须建立统一的核心网络系统。第三代移动通信系统标准将是在第二代移动通信系统的核心网络基础上，逐步将电路交换演变成高速电路交换与分组交换相结合的核心网络。现在世界上存在两大移动通信系统核心网络，即GSM-MAP 和ANSI-41，国际电联已决定将两大网络都定为第三代核心网络。因此，要实现全球漫游，就必须通过信令转换器把它们连接起来，形成逻辑上的统一核心网络系统。
必须考虑多频谱的无线接入方案。国际电联称之为无线传输技术（RTT）的无线接入方案，可以分为两大类，一类是建立在现有频段上把现有无线接入技术革新演变成能为第三代移动通信提供业务的RTT，这里最重要的是考虑反向兼容要求，其中工作频段在900/1800/1900MHz 的GSM、北美的D-AMPS 和窄带CDMA（IS-95）都在考虑向第三代过渡的反向兼容性。一类是直接工作在新的频段上，即IMT-2000 制订的2GHz 频段上，为第三代移动通信开发出新的无线传输技术，即宽带CDMA 技术（WCDMA）。
2 WCDMA 移动通信系统
WCDMA 是3G 的主要RTT 标准，与IS-95 相比，采用了宽带扩频技术，这样能更好地利用CDMA 的优点如统计复用、多径分辨和利用等，总体上看WCDMA 与IS-95、cdma 2000没有本质不同，撇开IPR 问题，所有的不同点无非是怎样才能更好发挥CDMA 的优势、提高系统的性能如系统容量、通信质量和网络覆盖等。本文所指的WCDMA 关键技术并不是与IS-95、cdma 2000 相比WCDMA 系统特有的技术，而是在WCDMA 协议框架范围内对系统性能有重要影响的技术，如果没有这些关键技术，WCDMA 将达不到预期的目标。整个WCDMA 系统可分为两大部分即无线接入网部分和核心网部分，两部分的发展有很大的不同，核心网受有线网络的技术发展影响很大，而无线接入网络的目标一直是提高无线资源利用率和业务提供的灵活性。
2.1 CDMA 移动通信环境
移动通信环境至少包括无线信道和业务两个方面。在移动通信系统中，信号的传播由于移动、散射和衰落将导致复杂的电磁行为，具体表现在信号的时延、频率和角度扩展。时延扩展使得接收端得到多个拷贝的信号，而且这些信号之间并没有很明确的关系，时延扩展将直接导致码间串扰ISI；频率扩展将导致信号的时间衰落；角度扩展将导致信号的空间衰落。移动通信系统中业务环境也是系统设计需要考虑的重要因素。WCDMA 移动通信系统与2G 移动通信系统有很大的不同，数据业务将占很大的比重，而且不同的业务具有不同的QoS，比如占有不同的带宽、具有不同的误码率等，无疑这要求无线资源管理算法能够按需为用户分配资源。业务环境还包括业务的空间分布和时间分布，WCDMA 系统中存在大量的突发到达业务，业务的空间分布可能取非均匀分布形式，用户可能在某些区域发起呼叫的可能性较大。尽管WCDMA 与IS-95 A 在无线信道上没有太大的差别，但业务环境的复杂性将导致WCDMA 系统在处理业务时需要更复杂的机制。
2.2 CDMA 需要解决的主要问题
CDMA 依靠特征码来区分用户，在移动通信环境中将导致两个问题即多径干扰和多址干扰，多址干扰又分本小区干扰和小区外干扰两大类。
⑴ 多径干扰
为了克服多径干扰，需要特征码有很好的自相关特性，而为了克服多址干扰需要特征码之间有良好的互相关特性，如何寻找既有良好自相关又有良好互相关的特征码一直是CDMA 研究的主要问题之一，这方面的努力还在继续，比较遗憾的是Welsh 界告诉我们，自相关和互相关不可能同时做到都好，换句话说克服多径干扰和多址干扰单从特征码优选的角度看只能取得某种折中，多径干扰和多址干扰问题是CDMA 移动通信系统内在问题，无论采用任何技术都只能减少多径干扰和多址干扰的影响，而无法根本上消除。CDMA 研究的另外一个主要问题是依靠同步或准同步来改善CDMA 性能。
⑵ 多址干扰
多址干扰的表现形式主要是远近效应，即功率强的用户对功率弱的用户带来的多址干扰比相反方向即功率弱的用户对功率强的用户带来的多址干扰要大，因此需要功率控制技术，平衡用户功率，为了克服多址干扰还可以利用物理层技术如RAKE 接收、多用户检测和智能天线。WCDMA 系统中，第三层涉及到了呼叫管理CM、移动管理MM 和无线资源管理RRM三个部分，CM 和MM 与GSM、GPRS 相比有许多相似之处，WCDMA 的RRM 与GSM 相比则有很大的不同，需要解决这样的问题：①需要给用户分配多少资源，例如用户通信过程中需要分配多少功率，再比如当用户初次发起呼叫时，根据用户的QoS 确定用户所需要的无线资源；②当前系统中还有多少无线资源，例如当用户初次发起呼叫或者有用户期望切换到本小区时系统需要首先估计本小区还有多少资源，再与用户期望的无线资源进行比较，以决定是否允许用户接入。
3 WCDMA 的关键技术
3.1 软件无线电
在不同工作频率、不同调制方式、不同多址方式等多种标准共存的第三代移动通信系统中，软件无线电技术是一种最有希望解决这些问题的技术之一。软件无线电技术可将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线，即将AD 转换器尽量靠近RF 射频前端，利用DSP 的强大处理能力和软件的灵活性实现信道分离、调制解调、信道编码译码等工作，从而可为第二代移动通信系统向第三代移动通信系统的平滑过渡提供一个良好的无缝解决方案。
3.2 无线资源管理技术
包括切换、接入控制、拥塞控制、外环功率控制。当移动台在使用相同频率的扇区或小区之间移动时，进行软切换。和第二代系统不同，第三代系统没有GPS 引导下的定时装置；又由于同步码间歇发送的原因，相邻基站的定时会有较大的相位差，所以软切换时的接收和发送都比较复杂，硬件开销会上升。为保证移动台在空闲时正确进行频间切换，有一种间歇式DL 时隙传输方案(信息在帧的头和尾两个时隙分别传输)可供选择。在WCDMA 中，上行链路采用开环功控和闭环功控两种方式。当上行链路没有建立时，开环功控用来调节物理随机接入信道的发射功率。链路建立之后，使用闭环功控。闭环功控包括内环功控和外环功控。外环功控以误码率或者误帧率作为控制目标，下行链路只有闭环功控。
3.3 物理层技术
包括RAKE 接收、多用户检测、智能天线、内环功率控制，其中内环功控以信噪比作为控制目标。RAKE 接收就是完成多径分离合并功能，与IS-95 A 的不同之处为，WCDMA 具有高3倍的多径分辨能力，另外在WCDMA 系统中，可以利用用户发射的导频信息，在反向链路进行相干合并，对于WCDMA 理论分析显示，若在反向链路采用8 个径的RAKE 接收，75%以上的信号能量将被利用。RAKE 接收对于多址干扰的抑制能力取决于不同用户特征码之间的互相关性。
多用户检测考虑到其它用户的信息如用户之间的相关特性是已知的，充分利用CDMA用户特征码的内在结构信息改善接收系统的性能。比较典型的多用户检测算法有线性解相关算法和干扰抵消算法，线性解相关算法通过估计用户之间的相关矩阵同时检测多个用户的信息，干扰抵消算法则先将干扰信号扣除掉，然后再进行信号检测。多用户检测可以提高系统的容量，克服远近效应的影响。目前适用于WCDMA 的多用户检测算法较少。今后多用户检测努力的方向是降低复杂度和针对WCDMA 系统进行设计。智能天线可分为两类即外挂式和内嵌式。前者如Metawave 的方法，后者如Arraycomm的方法，在开发全新的WCDMA 基础设施时，需要采用内嵌式的方法，以便充分利用智能天线带来的全部优越性，包括：增大通信距离，提供更大范围的覆盖，可以实现特殊需求的覆盖；增加系统通信容量；与其它技术结合，提供无线电定位，提供新的电信业务；改善通信质量，降低误码率
3.4 其他关键技术
包括特征码优选、同步CDMA，与标准制定有关。
4 WCDMA 技术的主要特点
4.1 业务灵活性
WCDMA 允许每个5MHz 载波处理从8Kbps 到2Mbps 的混合业务。另外在同一信道上即可进行电路交换业务也可以进行分组交换业务，利用在单一终端上进行多个电路和分组交换连接，从而实现真正的多媒体业务。可以支持不同质量要求的业务（例如话音和分组数据）并保证高质量和完美的覆盖。
4.2 频谱效率
WCDMA 能够高效利用可用的无线电频谱。由于它采用单小区复用，因此不需要频率规划。利用分层小区结构、自适应天线阵列和相干解调（双向）等技术，网络容量可以得到大幅提高。重要的是，由于每个小区层所需要的频率就是2×5MHz，因此一个分层式网络可在2×15MHz 频段内部署。
4.3 容量和覆盖范围
WCDMA 射频收发信机能够处理的话音用户是典型窄带收发信机的8 倍。每个射频载波可处理80 个同时话音呼叫，或者每个载波可处理50 个同时的Internet 数据用户。有趣的是，在城市和郊区，WCDMA 的容量差不多是窄带CDMA 的两倍。更大的带宽和在上行链路与下行链路中使用相干解调和快速功率控制允许更低的接收机门限。
4.4 每个连接可提供多种业务
WCDMA 符合真正的UMTS/IMT－2000 要求。分组和电路交换业务可在不同的带宽内自由地混合、并可同时向同一用户提供。每个WCDMA 终端能够同时接入多达6 个不同业务，这些业务可以是话音或者传真、电子邮件和视频等数据业务的组合。
4.5 网络规模的经济性
通过为现有数字蜂窝网络（如欧洲的GSM）增加WCDMA 无线接入并运行于两种系统中，同一核心网络可被复用，并使用了相同的站点。WCDMA 接入网络与GSM 核心网络之间的链路使用了最新的ATM 模式微型小区传输规程，即异步传输模式第二适配层（AAL2：ATM Adaption Layer 2）。这种高效地处理数据分组的方法将标准E1/T1 线路的容量提高到了大约300 个话音呼叫，而现在的网络只有30 个话音呼叫。预计传输成本将节约50％左右。
4.6 卓越的话音能力
每个小区将能够处理至少192 个话音呼叫，而在GSM 网络中每个小区只能处理大约100个话音呼叫。
4.7 无缝的GSM/UMTS 接入
双模终端将在GSM 网络和UMTS/IMT－2000 网络之间提供无缝的切换和漫游，在两个接入系统之间将有尽可能大的业务映象。
4.8 快速业务接入
为了支持多媒体业务的即时接入，一种新的随机接入机制已经开发出来，它利用快速同步来处理384Kbps 分组数据业务。在移动用户和基站之间建立连接所需的时间只有零点几毫秒。
4.9 终端的经济性和简单性
WCDMA 手机所要求的信号处理大约是复合TD/CDMA 技术的十分之一。更简单、更经济的终端易于进行大量生产，从而也就带来了更高的规模经济、更多的竞争，网络运营公司和用户也将获得更大的选择余地。因此，WCDMA 为GSM 运营公司提供了在现有投资上建立第三代无线接入的机会。无缝的全球标准提供了特别的机会来为第三代业务建立协调的全球标准。相应的，这也确保了无线网络运营公司从全球漫游业务获得高收益的机会。
5 WCDMA 的新技术
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。
6 结束语
国内外设计者对第三代移动通信进行了大量的研究，和第二代相比，业务有所增加，性能有所提高，但关键技术上的复杂度并没有明显上升。WCDMA 是统计复用无线资源，系统为了可靠工作需要复杂的无线资源管理如功率控制、接入控制和拥塞控制等。与IS-95 A相比，WCDMA 业务复杂性使得无线资源管理的作用更加突出。为了提高无线资源利用率，可以采用很多物理层技术如RAKE 接收、多用户检测和智能天线等，目前的研究是这三种技术趋于融合，只有这样才能有效克服CDMA 的内在问题如多址干扰和多径干扰。这些关键技术的研究还在进行之中，我们应该加强对先进技术的跟踪，不断对现有技术进行完善。
----《移动通信在线》
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