WCDMA技术与发展

WCDMA技术与发展华为技术有限公司吴更石杨平关键词：移动通信，宽带码分多址WCDMA，无线接入网，第三代伙伴项目3GPP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，WidebandCodeDivisionMultipleAccess，RadioAccessNetwork，TheThirdGenerationPartnershipProjectAbstract：Thepaperpresentsthemaintechnologies，currentsituationandevolutionofWCDMA.ThekeyfeaturesandevolutionprocessduringseveralphasesofWCDMAarealsodiscussed.ThefutureservicesandmarketsthatwillbeoccupiedbytheWCDMAsystemareinvolved.Atlastthekeyimplementationissues,handicapsandenhancedtechnologiesinWCDMAreceiverarealsointroduced.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。一WCDMA的起源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。日本于1993年在ARIB中建立了研究委员会来进行日本3G的研究和开发，并通过评估将CDMA技术作为3G的主要选择。日本运营商NTTDoCoMo在1996年推出了一套WCDMA的实验系统方案，并得到了当时世界上主要的移动设备制造商的支持。由此产生了WCDMA的发展动力。1998年12月成立的3GPP（第三代伙伴项目）极大地推动了WCDMA技术的发展，加快了WCDMA的标准化进程，并最终使WCDMA技术成为ITU批准的国际通信标准。第三代的主要技术体制，其中WCDMA-FDD/TDD（现称高码片速率TDD）和TD-SCDMA（融和后现称低码片速率TDD）都是由3GPP开发和维护的规范，这些技术都是以CDMA技术为核心的。值得指出的是，TD-SCDMA技术规范是我国第一份自己提出，被ITU全套采纳的无线通信标准，最近已经通过了3GPP的规范化进程，推出了完整的技术规范协议。目前看来，将要采用的第三代标准中选取WCDMA-FDD模式的国家是最多的，比如欧洲、日本、韩国都决定WCDMA-FDD模式为自己的主流制式。去年底，美国的AT&T移动业务分公司也宣布选取WCDMA-FDD为自己的第三代业务平台。WCDMA的三套技术实际上采用的是同一套核心网络规范，不同的无线接入技术。其核心网络的主要特点就是重视从GSM网络向WCDMA网络的演进，这是由于GSM的巨大商业成功造成的，这种演进是以GPRS技术作为中间承接的。除了制定TD-SCDMA标准以外，中国也积极参与了ITU和3GPP的WCDMA另外两种技术的跟踪、评估和研发工作，这些工作在90年代中期就已经开始了。1998年成立的中国无线通信标准研究组（CWTS）是3GPP的正式组织成员，华为公司、大唐集团等国内企业还加入3GPP，成为独立成员。目前这些企业都在加紧研发自己的WCDMA-FDD系统，力争和国外主要通信设备制造商同期加入我国移动通信的实验网建设工程中。在3GPP成员和专家的努力下，WCDMA已经推出了成熟的可供商用的版本Release99和包括TD-SCDMA全套规范的Release4版本。但是，由于无线通信技术和IP技术的迅速发展，WCDMA标准也在不断发展中，新的兼容的无线技术和核心网络技术也在不断被提出和采纳，从现在的情况看，WCDMA还是一个“活”的标准，在后面会介绍WCDMA还有许多需要研究的课题，需要学术界和产业界的共同开发。二WCDMA面临的市场机遇和业务情况1.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。诺基亚预测到今年上网手机数量将增加到2亿左右，其中WAP手机有1.8亿。移动运营目前主要面临的就是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。实际上目前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。近年来，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，目前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去年底开始商用，日本预计今年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。2.WCDMA未来业务展望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、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。三WCDMA的主要技术特征和发展1.WCDMA-FDD制式的主要技术特点：n基站同步方式：支持异步和同步的基站运行方式，灵活组网n信号带宽：5MHz；码片速率：3.84Mcpsn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）n信道编码：卷积码和Turbo码，支持2M速率的数据业务n调制方式：上行：BPSK；下行：QPSKn功率控制：上下行闭环功率控制，外环功率控制n解调方式：导频辅助的相干解调n语音编码：AMR，与GSM兼容n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nMAP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n支持软切换和更软切换n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。2.WCDMA技术的进一步发展为了适应