第1章引言

第1章引言HarriHolma,AnttiToskala和UkkoLappalainen1.1第三代系统中的WCDMA模拟蜂窝系统通常被称为第一代移动通信系统，现今正在使用的数字系统例如GSM、PDC、cdmaOne(IS-95)和US-TDMA(IS-136)则都是第二代系统。这些系统已经使在众多主要市场中语音通信无线化，而且消费者也日益认识到诸如文本消息传送、数据网的接入等正在迅速成长的其他业务的价值所在。第三代系统为多媒体通信而设计：通过该系统提供的高质量图像和视频，人与人之间的通信能力进一步增强；而第三代系统所带来的更新更灵活的通信能力和更高的数据速率使得公用网和专用网上的信息与业务的接入能力大大增强。所有这一切，连同第二代系统向第三代系统的平滑连续过渡，不仅为设备制造商、运营商，同时为使用这些网络的内容和应用提供商创造新的商机。在标准化论坛中，WCDMA技术已经成为了被广泛采纳的第三代空中接口，其规范已在3GPP(the3rdGenerationPartnershipProject)中制定，3GPP是由来自欧洲、日本、韩国、美国和中国的标准化组织组成的一个联合标准化计划。在3GPP中，WCDMA被称作UTRA(UniversalTerrestrialRadioAccess)FDD(FrequencyDivisionDuplex)和UTRATDD(TimeDivisionDuplex)，WCDMA这个名字涵盖了FDD和TDD两种操作模式。本书中，涉及到规范的章节采用3GPP术语UTRAFDD和UTRATDD，其余的则采用术语WCDMA。本书中将主要介绍WCDMAFDD技术。WCDMATDD模式及其与WCDMAFDD的区别将在第12章中阐述。1.2第三代系统的空中接口和频谱分配开发第三代移动通信系统的工作开始于ITU(InternationalTelecommunicationsUnion)属下的世界无线电管理大会（WARC）1992年会议，在此次会议中，2GHz附近的频率被指定给未来的第三代移动系统（包括地面系统和卫星系统）使用。在ITU中，第三代系统被称为IMT-2000(InternationalMobileTelephony2000)。在IMT-2000的框架结构中，，为第三代系统定义了几种不同的基于CDMA或TDMA技术的空中接口，这些将在第3章介绍。在第三代进程中，最初的目标是建立一个单一的、通用的、全球性的IMT-2000空中接口。第三代系统要比第二代系统更接近这一目标，这是由于欧洲、亚洲（包括日本和韩国）都采用了相同的空中接口－WCDMA，而且它们都使用相同的WARC-92分配给第三代IMT-2000系统的2GHz附近的频带。但在北美，这部分频谱已经拍卖给了第二代系统的运营商，并且没有新2WCDMA技术与系统设计频谱可用于IMT-2000。这样，第三代业务必须在现有的频带上开展业务，而且WCDMA也能够应用在北美地区的这些现有的频带上。在那些采用USPCS频谱分配方案的国家中，全球性的IMT-2000频谱无法使用。但是一些拉美国家（如巴西）计划在2GHz附近的频段采纳欧洲的频谱分配方案。除了WCDMA以外还有一些空中接口也能够用来提供第三代业务，它们是EDGE和cdma2000。EDGE（EnhancedDataRatesforGSMEvolution）在一个200kHz的GSM载波间隔内能提供比特率最高可达500kps的第三代业务[1]。EDGE具有一些GSM所没有的先进特性，它能提高频谱利用率及支持新业务。cdma2000可以作为现有IS-95运营商的升级解决方案，这将在第13章中详细介绍。图1-1给出了这些不同的空中接口预期将在哪些地区被采用，以及预期采用的频带。在图中，各地区的局部可能存在一些例外区域，在这些区域中已经使用着多种技术。图1-2和表1-1是欧洲、日本、韩国和美国的频谱分配情况。在欧洲和亚洲的大多数地区，为WCDMAFDD分配的2×60MHz(1920～1980MHz和2110～2170MHz)的IMT-2000频带是可用的。TDD的可用频带有所不同：在欧洲，预计1900～1920MHz和2020-2025MHz这25MHz要被用于发执照的TDD业务。这个不成对频谱的剩余部分——在2010～2020MHz中的部分，预计将用于无执照的TDD应用（SPA:SelfProvidedApplications）。在FDD系统中上、下行链路使用不同的频率，由双工频带间距分隔，而TDD系统中上、下行链路使用相同的频带。图1-1预期提供第三代服务的空中接口和频谱在日本和韩国以及其它亚洲国家，WARC-92频带都可以用于IMT-2000。日本的第二代系统采用的是PDC，而在韩国，在蜂窝系统和PCS系统中都使用IS-95标准。韩国的PCS频谱分配和USPCS频谱分配不同，IMT-2000的频谱被完整地保留下来。在日本，IMT-2000TDD的一部分频谱已经被PHS（无绳电话系统）使用。在中国，IMT-2000频谱的一部分已被预留给PCS或WLL(无线本地环路)使用，不过这部分频谱并没有分配给任何运营商。根据规范的相关条款，用于WCDMAFDD的2×60MHz的IMT-2000频谱在中国可用。TDD频谱在中国同样可用。在美国，第三代系统没有新的频谱可用。第三代业务可以布置在现有的PCS频带。这要求把部分现存的第二代频谱替换给第三代系统使用。对于USPCS，可以选择使用EDGE，WCDMA，cdma2000等第三代空中接口中的任意一种。图1-2欧洲、日本、韩国和美国的频谱分配EDGE可以应用在已被GSM900和GSM1800占用的频谱上。在日本和韩国，没有使用这些GSM频带。GSM900的总共可用频带是2×25MHz加上EGSM2×10MHz；GSM1800的总共可用带宽是2×75MHz。EGSM指的是GSM900频带的扩展。在所有使用GSM系统的国家中都没有使用全部的GSM带宽。第1章引言3表1-12GHz附近现有频谱分配上行链路下行链路总计GSM1800UMTS-FDDUMTS-TDD美国PCS1710-17851805-18802×75MHz1920-19802110-21702×60MHz1900-1920和2010-202520+12MHz1850-19101930-19902×60MHz第一个IMT-2000执照已经于1999年3月在芬兰被授予，接着西班牙在2000年3月也颁发了IMT-2000执照。芬兰和西班牙并没有进行频谱的拍卖。瑞典也在2000年12月不经拍卖就颁发了执照。然而在其他国家，例如英国、德国和意大利，采用了类似于拍卖USPCS频谱的途径。表1-2给出了在欧洲和日本的一些UMTS执照的例子。每个国家的UMTS运营商的数目一般在3到6个。表1-2UMTS执照发放情况国家运营商个数每个运营商的FDD载波（2×5MHz）数每个运营商的TDD载波（1×5MHz）数芬兰日本西班牙英国德国荷兰意大利奥地利4134565563432～322～3221010～10～10～110～21Telia和Sonera合并后目前只有3个运营商。除了上述频率外，今后还会为IMT-2000分配更多的频率。在ITU的2000年5月WARC-2000会议上，下列频带被确认为IMT-2000使用：1710～1885MHz；2500～2690MHz；806～960MHz。值得注意的是，上述一些频带，特别是低于2GHz的频带部分被用于诸如GSM系统中。欧洲新的IMT-2000频带将在2500-2690MHz。确切的频谱双工安排等问题目前还在讨论中。这些相同的频谱预期在全球都可以应用。美国新的第三代频谱1.7/2.1GHz预计将在不久进行拍卖。这个频谱可以有效地应用WCDMA开展第三代业务。可以用于FDD上行链路的1.7GHz频段符合GSM1800系统频段的安排，而可用于WCDMA下行链路的2.1GHz也符合WARC-92频段安排。图1-3表1-3给出了关于第三代业务的主要的频谱安排。图1-3欧洲和美国3G系统预期新的频谱分配图表1-3关于第三代业务的新的频谱分配上行链路下行链路总计4WCDMA技术与系统设计美国新的频段1新的IMT-2000频段1710-17702110-21702×60MHz2500-2690190MHz（频率安排正在讨论中）1确切的频谱数量正在讨论中。初始的频谱预计将是1710-1775和2110-2155这2×45MHz1.3第三代系统的时间表20世纪90年代初，在欧共体的研究项目CODIT[2]和FRAME[3]以及欧洲一些大的无线通信公司中就开始了有关WCDMA的研究工作[4]。这些项目研制出了一些用以评价链路性能[5]的WCDMA试验系统，并且获得了一些对WCDMA这一概念的基本理解，而这正是标准化工作所必需的。1998年1月，欧洲标准化组织ETSI决定把WCDMA作为第三代空中接口[6]，同时实施了一些细致的标准化工作，这些工作成为了3GPP标准化进程的一部分。第一个完整的WCDMA规范完成于1999年底。2001年日本在一些主要地区开通了第一个商用网络；在欧洲2002年初为预商用的测试阶段。大规模的商用将有赖于实用的终端，预计到2002年下半年，也就是作者写这本书的时候，各个厂商将会推出终端产品。图1-4所示的是预计的时间进程表，这是关于FDD操作模式的时间表。TDD模式的进程预计会稍慢一些，第一个TDD网有可能是基于3GPP规范的Release4或者5版本。在日本，由于TDD频谱无法使用，TDD模式的时间进程表同样也不十分清晰。回顾一下GSM的历史，我们发现，自从1991年7月第一个GSM商用网（芬兰的Radiolinja）开通以来，某些国家蜂窝电话的普及率已经突破50%，还有些国家甚至达到80%。第二代系统已经使话音业务无线化；现在第三代系统面临的挑战就是使一系列新的数据业务也无线化。图1-4WCDMA标准及商业运营时间进程表1.4WCDMA与第二代空中接口的区别这一部分将介绍第三代空中接口与第二代的不同之处。这里将考虑第二代空中接口中的GSM和IS-95（cdmaOne系统的标准）。其他第二代空中接口还有日本的PDC和主要应用在美洲地区的US-TDMA；这两个接口是基于TDMA（时分多址）的，与IS-95和GSM相比，它们与GSM有更多的相似之处。业已建成的第二代系统主要用在宏小区中提供话音业务。为了更好地理解第二、三代系统之间不同的背景原因，首先看一下第三代系统有哪些新的需求，如下所示：最高可达2Mbps的比特率；根据不同的带宽需求支持可变比特速率；支持不同服务质量要求的业务例如语音、视频和分组数据复用到一条单一的连接中；满足从对时延敏感的实时业务到比较灵活的尽力而为型的分组数据的时延要求；第1章引言5支持从10%的误帧率到10-6的误比特率的质量要求；与第二代系统的共存以及支持为增加覆盖范围和负载均衡而要在两种系统之间进行切换的功能；支持上、下行业务量不对称的服务——如浏览网页造成的下行负载远大于上行负载；高频谱利用率；支持FDD、TDD两种模式的共存。表1-4列出了WCDMA与GSM的主要区别，表1-5则是WCDMA与IS-95的主要区别。在表中仅仅比较了空中接口，GSM当然还包括业务和核心网这些方面，这一GSM平台将和WCDMA空中接口共同使用，参见后面关于核心网的部分。表1-4WCDMA和GSM空中接口的主要区别WCDMAGSM载波间隔5MHz200kHz频率重用系数11～18功率控制频率1500Hz2Hz或更低服务质量控制无线资源管理算法网络规划(频率规划)频率分集55MHz频率的带宽使其可采用Rake接收机进行多径分集跳频分组数据基于负载的分组调度GPRS中基于时隙的调度下行发送分集支持以提高下行链路的容量标准不支持，但可以应用表1-3WCDMA与IS-95空中接口的主要区别WCDMAIS-95载波间隔5MHz1.25MHz码片速