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宽带码分多址

宽带码分多址(英语:Wideband Code Division Multiple Access,常简写为W-CDMA)是一种3G蜂窝网络,使用的部分协议与2G GSM标准一致。具体一点来说,W-CDMA是一种利用码分多址复用(或者CDMA 通用 复用技术,不是指CDMA标准)方法的宽带扩频3G移动通信空中接口。 [1]

WCDMA主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动,GSM的巨大成功对第三代系统在欧洲的标准化产生重大影响。欧洲于1988年开展RACEⅠ(欧洲先进通信技术的研究)程序,并一直延续到1992年6月,它代表了第三代无线研究活动的开始。1992-1995年之间欧洲开始了RACEⅡ程序。ACTS(先进通信技术和业务)建立于1995年底,为UMTS(通用移动通信系统)建议了FRAMES(未来无线宽带多址接入系统)方案。在这些早期研究中,对各种不同的接入技术包括TDMA、CDMA、OFDM等进行了实验和评估。为WCDMA奠定了技术基础。

作为一项新兴技术,WCDMA也是基于CDMA技术的实践和应用衍生。 WCDMA正迅速风靡全球并已占据80%的无线市场。截至2013年,全球WCDMA用户已超过36亿,遍布170个国家的156家运营商已经商用3GWCDMA业务。

历史上,欧洲电信标准委员会(ETSI)在GSM之后就开始研究其3G标准,其中有几种备选方案是基于直接串行扩频码分多址的,而日本的第三代研究也是使用宽带码分多址技术的,其后以二者为主导进行融合,在3GPP组织中发展成了第三代移动通信系统UMTS,并提交给国际电信联盟(ITU)。

国际电信联盟最终接受W-CDMA作为IMT-20003G标准的一部分。

WidebandCodeDivision Multiple Access,即WCDMA.

摘要:本文主要分析了WCDMA主要技术特点、发展现状和未来网络演进的方向。分别介绍了WCDMA技术在不同阶段的具体特征和相互演进的方法,介绍了WCDMA未来面临的市场和主要业务方向。涉及WCDMA实现的关键技术包括射频、中频、基带的RAKE处理技术和Turbo编解码技术,论述了不同技术的实现难点,最后介绍了增强技术多用户检测和智能天线技术的原理。

Keywords:MobileCommunication,WCDMA,Radio Access Network,The Third Generation Partnership Project

Abstract:Thepaperpresentsthe main technologies,current situation and evolution of WCDMA. The key features and evolution process during several phases of WCDMA are also discussed. The future services and markets that will be occupied by the WCDMA system are involved. At last the key implementation issues, handicaps and enhanced technologies in WCDMA receiver are also introduced.

第三代移动通信系统(也称3G)是移动通信市场经历了第一代模拟技术的移动通信业务的引入,在第二代数字移动通信市场的蓬勃发展中被引入日程的。在当今Internet数据业务不断升温中,在固定接入速率(HDSL、ADSL、VDSL)不断提升的背景下,第三代移动通信系统也看到了市场的曙光,益发为电信运营商、通信设备制造商和普通用户所关注。

移动通信技术开始是各自发展的状态,各个国家、技术组织都不断发展自己的技术,美国有AMPS、D-AMPS、IS-136、IS-95,日本有PHS、PDC,欧洲则是GSM。这种格局一方面在移动通信发展的初期满足了用户的需求,开拓了移动通信市场,另一方面也人为造成地区间的隔离,引发了全球统一移动通信制式的需求。ITU正是在这个背景下于1985年启动了第三代移动通信系统的规范工作。

在第三代移动通信规范提案的概念评估过程中,宽带码分多址(WCDMA)技术以其自身的技术优势成为3G的主流技术之一。这里主要介绍WCDMA起源、面临的移动通信市场和业务状况、WCDMA技术特点、发展现状和演进方向。

只列出部分关键特征

无线通信占用5MHz带宽

码率是3.84MChips

支持的复用模式:FDD、TDD

高速传输以支持多媒体业务

室内环境至少2Mbit/s

室外步行环境至少384Kbit/s

室外车辆环境至少144Kbit/s

W-CDMA名字跟CDMA很相近,同时W-CDMA跟CDMA关系也很微妙。两者都基于码分多址技术,都使用了美国高通(Qualcomm)的部分专利技术。一般认为W-CDMA的提出是部分厂商为了绕开专利陷阱而开发的,其方案已经尽可能地避开高通专利。

在移动电话领域,术语CDMA指代属于第二代移动电话的几种相关技术,包括码分多址扩频复用技术,以及美国高通(Qualcomm)开发的包括cdmaOne(IS-95)和CDMA2000(IS-2000)的CDMA标准族。

在Qualcomm为IS-95协议使用它之前,CDMA复用技术已经存在了很长时间。然而,由于采用CDMA复用方法是IS-95协议区别于当时的GSM(采用TDMA)等其它协议的主要特征,现在通常将该协议也称为CDMA。

W-CDMA属于第三代移动电话技术,它也使用CDMA的复用技术而且它跟Qualcomm的标准也很相似。但是W-CDMA不仅仅是复用标准。它是一个详细的定义移动电话怎样跟基站通讯,信号怎样调制,数据帧怎么构建等的完整的规范集。

术语CDMA在移动通讯领域通常特指Qualcomm开发的CDMA标准族。它们定义了一组移动通讯协议。

CDMA作为复用技术,既用于W-CDMA空中接口协议,也用于Qualcomm的CDMA协议。

W-CDMA专指在IMT-2000中定义的移动电话协议。

W-CDMA协议与Qualcomm开发的CDMA无关。

CDMA标准族(cdmaOne和CDMA2000)不兼容W-CDMA标准族。 [1]

W-CDMA可以使用非成对或者成对频段,虽然所有当前W-CDMA设备(例如FOMAandUMTS)使用两个5MHz频段,一个用于上行一个用于下行。

移动通信市场和WCDMA

首先,全球移动通信发展的速度非常迅速,1999年已经超过4亿用户,其中一半以上是GSM用户,其他主要是PDC和IS-95的用户。按照最新的估计,全球达到10亿用户的里程碑将会在2002年上半年。全球上网手机的数量超过上网PC的数量的时间将提前到2002年。在2000年能上网的手机市场已达到6000万。其中,支持WAP(无线应用协议)的手机占到约4000万。中国的移动通信用户也已经突破九千万。诺基亚预测上网手机数量将增加到2亿左右,其中WAP手机有1.8亿。

移动运营主要面临的就是Internet业务和其他增值业务,如银行业务、定位业务等的引入。这方面日本的NTTDoCoMo率先引入了I-Mode移动Internet业务,取得了巨大的商用成功,目前有一万多个商业网站在经营I-Mode业务。新业务的引入对无线通信网络提出了新的要求。GPRS一类在建立在原有制式上的数据传输方案已经远远不能满足需求,需要一类适合于宽带数据业务和IP业务的新的宽带移动通信系统。

其次,原有业务由于使用的频谱比较少(不到100MHz),加上第二代技术的频谱效率本身比较低,甚至无法满足现有的以语音为主的业务需求。实际上在一些国家和城市的中心地带容量严重不足,日本等国家和一些中心城市的问题尤为突出。

ITU早在WRC92会议上就为IMT-2000规划了120MHz(1920MHz-1980MHz,2110MHz-2170MHz)的对称频谱资源供FDD使用,35MHz(1900MHz-1920MHz,2010MHz-2025MHz)的非对称频谱资源供TDD使用。WRC2000的会议上又增加了800MHz频段(806-960MHz),1.7GHz频段(1710-1885MHz),2.5GHz频段(2500-2690MHz)供IMT-2000业务使用,两者相加使得3G未来的频谱有500MHz以上,为未来的应用预留了巨大的资源空间。

再者,全球一体化的进程迫切需要一个全球统一的移动通信系统,第二代移动通信系统现有的多制式的空中接口和网络设备,不可能实现这个要求,因此新的有望实现全球统一的移动通信系统WCDMA-FDD被寄予厚望。

最后,移动通信技术日新月异,第二代通信系统的标准化和产业化工作已经完成了很久,其主要目的当时也仅仅是为了解决语音通信的需求。随着CDMA等无线通信技术的日益成熟,以及无线数据通信技术的发展,需要对原来无线通信技术体制进行相应的更新,提高频谱资源的利用效率,提高运营商的成本收益。

3G的标准化需求是市场和技术双重驱动的行为,3G的标准制定和系统开发工作已经基本完成。3G的商用进程也在进行中,最早是韩国cdma2000-1x于2000年底开始商用,日本预计2001年7月份左右开始商用WCDMA-FDD,中国和欧洲计划商用WCDMA的时间计划在2002年左右。

2001年,日本NTT DoCoMo公司的FOMA是世界上第一个商业运营W-CDMA服务。J-Phone日本电话(现软件银行)已经继推出基于W-CDMA服务后,声称“沃达丰全球标准”兼容UMTS(尽管2004年时还有争议)。2003年初,和记黄埔逐步在全球运营他们的UMTS网络(简称3)。

大多数欧洲GSM运营商计划未来某个时间推出UMTS服务,尽管有几个已经把此服务提到日程上来,有一些甚至从2003年底就开始运营UMTS网络。沃达丰于2004年2月在欧洲多个UMTS网络投入运行。沃达丰还打算在其他国家(包括澳大利亚及新西兰)建设UMTS网络。AT&T无线(现被Cingular收购,并沿用AT&T品牌)在一些城市开通了UMTS。尽管因为公司兼并使得网络建设进度被延迟,但Cingular已宣布计划在2005年与HSDPA一起部署W-CDMA。

TeliaSonera于2004年10月13日开始在芬兰提供384kbps速率的W-CDMA服务。服务只是在主要城市可用。通讯费率大约2美元每兆字节。

台湾的3G服务从2005年第四季开始,除了亚太电信采用CDMA2000外,中华电信、台湾大哥大、远传电信及威宝电信均使用W-CDMA系统。

中国联通也于2009年5月17日起在中国大陆提供W-CDMA服务,并开始提供HSPA服务(在部分地区还提供HSPA+服务)。

3G的市场开发需要业务的牵引,不同于二代系统主要是为了解决人们随时随地话音通信的需求,3G能够具有支持不同媒体业务的能力,如何开发这些能力是3G业务开发的一个重要课题。

为了提供市场前期牵引的能力,WCDMA规范注重了业务能力的开发。WCDMA预期提供的业务是非常丰富的。可以通过WCDMA终端,享受普通、宽带话音,多媒体业务,可视电话和视频会议电话;移动网络上的Internet应用也更为普遍,E-MAIL、WWW浏览、电子商务、电子贺卡等业务与移动网络相结合。移动办公类业务也是一个发展方向:Intranet接入、企业VPN等将大力普及。信息、教育类业务将有很好的应用前景,股票信息、交通信息、气象信息、位置服务(LCS)、网上教室、网上游戏等移动应用更将极大的丰富人们的生活。

IMT-2000提出了SoLSA、VHE等新的特色业务,使得业务提供更加灵活和个性化。R'99中可通过MExE,SAT,CAMEL等现有技术来体现VHE的业务平台概念。WCDMA支持多呼叫,即能够向终端提供同时进行多个CS呼叫或PS会话的能力。WCDMA提供丰富的切换能力(同频、异频和不同系统间切换)以保证移动网络中的业务连续性问题。

业务IP化、分组化、多媒体化、个性化、生成简单化是总的发展趋势。在未来的业务生成体系中,移动网络运营者、业务提供者(ISP)和内容提供者(ICP)将进行紧密的分工合作。特别重要的是,未来的网络将提供开放的业务结构(OSA),移动运营者可以自己或者和其他机构合作在网络提供的开放业务平台上开发出各种各样的灵活业务,从而满足移动用户的更高要求。

最初CDMA2000计划使用多个1.25MHz载波,但后来放弃了,而W-CDMA则使用单一5MHz带宽载波。

在ITU的IMT-2000标准中,W-CDMA被看作CDMA直接串行扩频,而CDMA2000被称作"多载波CDMA"。

W-CDMA 标准族(例如FOMA、UMTS)与CDMA标准族(例如cdmaOne和CDMA2000)不一致。

为了适应商用化和技术发展的需要,保证网络运营商的投资,3GPP将WCDMA标准分成了两个大的阶段,它们是:

Release99(R99)版本:1999年12月起,每三个月更新一次,2000年6月版本基本稳定,可供开发。9月份、12月份和2001年3月份版本更加完善;无线接入网络的主要接口Iu、Iub、Iur接口均采用ATM和IP方式,网络是基于ATM的网络;核心网基于演进的GSMMSC和GPRSGSN;电路与分组交换节点逻辑上分开。

Release2000(R00)版本(已改为Release4、5….):主要是引入“全IP网络”,初步提出了基于IP的核心网结构,没有开始实质标准化工作,真正的“全IP”标准预计在2002完成,在网络结构上将实现传输、控制和业务分离,同时IP化也将从核心网(CN)逐步延伸到无线接入网(RAN)和终端(UE)。

R99版本主要标准已经完成,于2000出版,能够提供实现网络和终端的全部基础,包括通用移动通信网络的全部功能基础,提供了商用版本的必要保证,未来的Release4和Release5将在这些功能基础上增加新的功能,保证了标准的延续性。图1所示的实际上就是R99全网的框架,可以看出初期的WCDMA网络可以和GSM网络并存的,由GSM实现广域的全覆盖,而WCDMA实现部分业务密集和高质量业务区的覆盖。这样主要是保证了第二代运营商的投资和平滑过渡。

图1Release99初期网络结构(与GSM共存)

现有的Release99版本WCDMA系统性能和提供的业务主要是:

Release99版本的WCDMA提供了全新的无线接入网络-UTRAN,提高了频谱利用率,高了数据传送能力,数据速率在广域为384kbit/s,小范围慢速移动时为2Mbit/s,支持AMR语音编解码技术,可提高话音质量和系统容量,Iub,Iur和Iu接口基于ATM技术,提供开放的Iub接口;

Release99版本的WCDMA核心网络分为CS域和PS域,其分别基于演进的MSC/GMSC和SGSN/GGSN,CS域主要负责与电路型业务相关的呼叫控制和移动性管理等功能,在呼叫控制:采用TUP,ISUP等标准ISDN信令,移动性管理上采用了进一步演进的MAP协议,物理实体与GSM类似包括了MSC,GMSC,VLR。PS域主要负责与分组型业务相关的会话控制和移动性管理等功能,在原有的GPRS系统基础上对一些接口协议,工作流和和业务功能作部分改动,语音编解码器在核心网实现,支持系统间切换(GSM/UMTS),增强了安全性能和收费系统;

能够提供的主要业务平台包括:基本定位业务,号码可携性业务,智能业务的增强,GSM和UMTS间的切换,可支持所有GSM及其补充业务,例如:无应答的呼叫前转,提供新USIM卡协议,可提高用户的参与性和操作,支持业务的应用编程接口API(开放业务结构),支持多播业务,64kbit/s电路数据承载业务和多媒体业务;

根据前述,我们可以总结WCDMA体制的演进方法是:

-Release99提供了第三代全网解决方案,标准已经成熟,具备蜂窝移动网络的实现基础、基本功能和扩展条件:

全新的无线接入网络UTRAN

结合CS和PS域的核心网络

增强型的GSM核心网络GERAN

-Release4和Release5进一步增加新的业务,优化技术体制和网络结构,是Release99协议的补充和完善,保证了WCDMA体制的延续性:

全IP网络

新的无线接入方法-HSDPA

增强智能网络和安全

1.基站同步方式:支持异步和同步的基站运行方式,灵活组网

2. 信号带宽:5MHz;码片速率:3.84Mcps

3. 发射分集方式:TSTD(时间切换发射分集)、STTD(时空编码发射分集)、FBTD(反馈发射分集)

4. 信道编码:卷积码和Turbo码,支持2M速率的数据业务

5. 调制方式:上行:BPSK;下行:QPSK

6. 功率控制:上下行闭环功率控制,外环功率控制

7. 解调方式:导频辅助的相干解调

8. 语音编码:AMR,与GSM兼容

9. 核心网络基于GSM/GPRS网络的演进,并保持与GSM/GPRS网络的兼容性

10. MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制的移动性管理机制的核心,保持与GPRS网络的兼容性

11. 支持软切换和更软切换

12. 基站无需严格同步,组网方便

WCDMA-FDD的优势在于,码片速率高,有效地利用了频率选择性分集和空间的接收和发射分集,可以解决多径问题和衰落问题,采用Turbo信道编解码,提供较高的数据传输速率,FDD制式能够提供广域的全覆盖,下行基站区分采用独有的小区搜索方法,无需基站间严格同步。采用连续导频技术,能够支持高速移动终端。相比第二代的移动通信制式,WCDMA具有:更大的系统容量、更优的话音质量、更高的频谱效率、更快的数据速率、更强的抗衰落能力、更好的抗多径性、能够应用于高达500km/h的移动终端的技术优势,而且能够从GSM系统进行平滑过渡,保证运营商的投资,为3G运营提供了良好的技术基础。

WCDMA产业化的关键技术包括射频和基带处理技术,具体包括射频、中频数字化处理,RAKE接收机、信道编解码、功率控制等关键技术和多用户检测、智能天线等增强技术。

射频和中频

射频部分是传统的模拟结构,实现射频和中频信号转换。射频上行通道部分主要包括自动增益控制(射频部分是传统的模拟结构,实现射频和中频信号转换。射频上行通道部分主要包括自动增益控制(RFAGC),接收滤波器(Rx滤波器)和下变频器。射频的下行通道部分主要包括二次上变频,宽带线性功放和射频发射滤波器。中频部分主要包括上行的去混迭滤波器、下变频器、ADC和下行的中频平滑滤波器,上变频器和DAC。与GSM信号和第一代信号不同,WCDMA的信号带宽为达到5MHz的宽带信号。宽带信号的射频功放的线性和效率是普遍存在的矛盾。

RAKE接收机

RAKE接收机专为CDMA系统设计的经典的分集接收器,其理论基础就是:当传播时延超过一个码片周期时,多径信号实际上可被看作是互不相关的。

带DLL的相关器是一个迟早门的锁相环。它由两个相关器(早和晚)组成,和解调相关器分别相差±1/2(或1/4)个码片。迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位。延迟环路的性能取决于环路带宽。

延迟估计的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布,识别具有较大能量的多径位置,并将它们的时间量分配到RAKE接收机的不同接收径上。匹配滤波器的测量精度可以达到1/4-1/2码片,而RAKE接收机的不同接收径的间隔是一个码片。实际实现中,如果延迟估计的更新速度很快(比如几十ms一次),就可以无须迟早门的锁相环。

由于信道中快速衰落和噪声的影响,实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化,因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转,实际的CDMA系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。根据发射信号中是否携带有连续导频,可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法。

在系统中对每个用户都要进行多径的搜索和解调,而且WCDMA的码片速率很高,其基带硬件的处理量很大,在实际实现中有一定困难。

信道编解码

信道编解码主要是降低信号传播功率和解决信号在无线传播环境中不可避免的衰落问题。编解码技术结合交织技术的使用可以提高误码率性能,与无编码情况相比,传统的卷积码可以将误码率提高两个数量级达到10-3~10-4,而Turbo码可以将误码率进一步提高到10-6。WCDMA候选的信道编解码技术中原来包括Reed-Solomon和Turbo码,Turbo码因为编解码性能能够逼近Shannon极限而最后被采用作为3G的数据编解码技术。卷积码主要是用于低数据速率的语音和信令。Turbo编码由两个或以上的基本编码器通过一个或以上交织器并行级联构成,如图3:

Turbo码的原理是基于对传统级联码的算法和结构上的修正,内交织器的引入使得迭代解码的正反馈得到了很好的消除。Turbo的迭代解码算法包括SOVA(软输出Viterbi算法)、MAP(最大后验概率算法)等。由于MAP算法的每一次迭代性能的提高都优于Viterbi算法,因此MAP算法的迭代译码器可以获得更大的编码增益。实际实现的MAP算法是Log-MAP算法,它将MAP算法置于对数域中进行计算,减少了计算量。

Turbo解码算法实现的难点在于高速数据时的解码速率和相应的迭代次数,现有的DSP都内置了解码器所需的基本算法,使得Turbo解码可以依赖DSP芯片直接实现而无需采用ASIC。

智能天线技术是利用自适应的波束赋形技术,提高用户波达方向的方向图增益,同时利用方向图的零点降低空间上大功率用户的干扰。其主要实现难点在于多通道的不一致性和校正技术、RAKE接收机结合基带处理的高度复杂性以及FDD技术引起的上下行波达方向的不一致性。


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