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WA000010 WCDMA系统根本原理
WCDMA系统概述

第1章 WCDMA系统概述
1.1 移动通信的开展
现代的移动通信开展至今，主要走过了两代，而第三代现在正处于预商用阶段，不少厂家已经在欧洲、亚洲进行实验网的商用试运行。
第一阶段是模拟蜂窝移动通信网。时间是上世纪七十年代中期至八十年代中期。 这一阶段相对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。
第一代移动通信系统的典型代表是美国的AMPS系统和后来的改良型系统TACS，以及NMT和NTT等。AMPS〔先进的移动 系统〕使用模拟蜂窝传输的800MHz频带，在北美、南美和局部环太平洋国家广泛使用；TACS〔总接入通信系统〕使用900MHz频带，分ETACS〔欧洲〕和NTACS〔日本〕两种版本，英国、日本和局部亚洲国家广泛使用此标准。
第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用，语音信号为模拟调制，每隔30KHz/25KHz一个模拟用户信道。其主要弊端有：
(1) 频谱利用率低
(2) 业务种类有限
(3) 无高速数据业务
(4) 保密性差，易被窃听和盗号
(5) 设备本钱高
(6) 体积大，重量大
为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而生，这就是以GSM和IS-95为代表的第二代移动通信系统，时间是从八十年代中期开始。第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的DAMPS系统、IS-95和欧洲的GSM系统。
GSM〔全球移动通信系统〕发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的TDMA标准而设计的，支持64Kbps的数据速率，可与ISDN互连。GSM使用900MHz频带，使用1800MHz频带的称为DCS1800。GSM采用FDD双工方式和TDMA多址方式，每载频支持8个信道，信号带宽200KHz。
DAMPS 〔先进的数字移动 系统〕也称IS-54〔北美数字蜂窝〕，使用800MHz频带，是两种北美数字蜂窝标准中推出较早的一种，指定使用TDMA多址方式。
IS-95是北美的另一种数字蜂窝标准，使用800MHz或1900MHz频带，指定使用CDMA多址方式，已成为美国PCS〔个人通信系统〕网的首先技术。
由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，从1996年开始，为了解决中速数据传输问题，又出现了代的移动通信系统，如GPRS和IS-95B。
CDMA系统容量大，相当于模拟系统的10到20倍，与模拟系统的兼容性好。美国、韩国、香港等地已经开通了窄带CDMA系统，对用户提供效劳。由于窄带CDMA技术比GSM成熟晚等原因，使得其在世界范围内的应用远不及GSM，只在北美、韩国和中国等地有较大规模商用。移动通信现在主要提供的效劳仍然是语音效劳以及低速率数据效劳。由于网络的开展，数据和多媒体通信的开展势头很快，所以，第三代移动通信的目标就是宽带多媒体通信。
第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力， 与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信系统。
第三代移动通信系统最早由国际电信联盟〔ITU〕 于1985年提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统〔FPLMTS，Future Public Land Mobile Telecommunication System〕，1996年更名为IMT-2000〔International Mobile Telecommunication-2000，国际移动通信-2000〕。主要体制有WCDMA、cdma2000和UWC-136。1999年11月5日，国际电联ITU-R TG8/1第18次会议通过了“IMT-2000无线接口技术标准〞建议，其中我国提出的TD-SCDMA技术写在了第三代无线接口标准建议的IMT-2000 CDMA TDD局部中。“IMT-2000无线接口技术标准〞建议的通过说明TG8/1制定第三代移动通信系统无线接口技术标准方面的工作已经根本完成，第三代移动通信系统开发和应用将进入实质阶段。
1.1.1 标准组织
3G的标准化工作实际上是由3GPP〔3th Generation Partner Project，第三代伙伴关系方案〕和3GPP2两个标准化组织来推动和实施的。
3GPP成立于1998年12月，由欧洲的ETSI、日本ARIB、韩国TTA和美国的T1等组成。采用欧洲和日本的WCDMA技术，构筑新的无线接入网络，在核心交换侧那么在现有的GSM移动交换网络根底上平滑演进，提供更加多样化的业务。UTRA〔Universal Terrestrial Radio Access〕为无线接口的标准。
1999年的1月，3GPP2也正式成立，由美国的TIA、日本ARIB、韩国TTA等组成。无线接入技术采用cdma2000和UWC-136为标准，cdma2000这一技术在很大程度上采用了高通公司的专利。核心网采用ANSI/IS-41。
我国的无线通信标准研究组〔CWTS〕是这两个标准化组织的正式组织成员，华为公司、大唐集团也都是3GPP的独立成员。
1.1.2 3G演进策略
3GPP和3GPP2制定的演进策略总体上都是渐进式的。
l 保证现有投资和运营商利益
l 有利于现有技术的平滑过渡
从开展的角度说，由现有的第二代移动通信系统向IMT-2000演进的过程是一个至关重要的问题。它关系到现有网的再使用〔另建新网络不应是最正确方案〕和多种第二代数字网络体制向同一标准开展这两个主要问题。
1. GSM向WCDMA的演进策略
GSM向WCDMA的演进策略应是：目前的GSM→HSCSD〔高速电路交换数据，速率14.4~64kbps〕→GPRS〔通用分组无线业务，速率144kbpss〕→最终以网络业务覆盖再度平滑无缝隙地演进至IMT-2000 WCDMA〔DS〕。
(1) 高速电路交换数据，HSCSD：High Speed Circuit Switched Data
HSCSD是能将多个全速率话音信道共同分配给HSCSD结构的特性。HSCSD的目的是以单一的物理层结构提供不同空间接口用户速率的多种业务的混合。HSCSD的好处在于更高的数据速率〔高达64 kbps，最大数据速率取决于生产厂家〕并仍使用现有GSM数据技术，现有GSM系统稍加改动就可使用。
(2) 通用分组无线业务，GPRS：General Packet Radio Service
GPRS的主要优点是：
l 标准的无线分组交换Internet/Intranet接入，适用于所有GSM覆盖的地方。
l 可变的数据速率峰值，从每秒几个比特到〔最大数据速率取决于生产厂家〕。
l 由于按实际数据量记费，使用户可能全天在线上而只付实际传输数据量的费用。
l 支持现有业务以及新的应用业务。
l 无线接口上打包，优化无线资源共享。
l 网络构成的分组交换技术，优化网络资源共享。
l 可延伸到未来无线协议的能力。
在现有GSM局部的根底上，以分组交换为根底的GPRS网络结构增加了新的网络功能局部：
(3) 宽带码分多址，WCDMA：Wideband Code Division Multi Access
WCDMA成为以UMTS/IMT-2000为目标的成熟的新技术。其能够满足ITU所列出的所有要求，提供非常有效的高速数据，具有高质量的语音和图象业务。在GSM向WCDMA的演进过程中，仅核心网局部是平滑的。而由于空中接口的革命性变化，无线接入网局部的演进也将是革命性的。
2. IS-95向cdma2000的演进策略
从IS-95A〔速率〕→IS-95B〔速率〕→cdma2000 1X，cdma2000 1X能提供更大容量和高速数据速率〔144kbps〕，支持突发模式并增加新的补充信道。采用增强技术后的cdma2000 1X EV可以提供更高的性能。
IS-95B与IS-95A的区别重要在于可以捆绑多个信道，IS-95B与IS-95A本质上是根本相同的，可以共存于同一载波中。cdma2000 1X那么有较大的改良，cdma2000 1X系统设备可以同时支持1X终端和IS-95A/B终端。因此，IS-95A/B/1X可以同时存在于同一载波中。对cdma2000系统来说，从2G到3G过渡，可以采用逐步替换的方式。即压缩2G系统的1个载波，转换为3G载波，开始向用户提供中高速速率的业务。随着3G系统中用户量增加，可以逐步减少2G系统使用的载波，增加3G系统的载波。网络运营商通过这种平滑升级，不仅可以向用户提供各种最新的业务，而且很好地保护了已有设备的投资。
在向第三代演进的过程中，需要注意的问题是BTS和BSC等无线设备的演进问题。在制定cdma2000标准的时候，已经充分考虑了保护运营商的投资，很多无线指标在2G和3G中是相同的。对BTS来说，天线、射频滤波器和功率放大器等射频局部是可以再利用的，而基带信号处理局部那么必须更换。
cdma2000 1X EV的演进方向目前包括2个分支：仅支持数据业务的分支cdma2000 1X EV-DO和同时支持数据和话音业务的分支cdma2000 1X EV-DV。在仅支持数据业务方面目前已经确定采用Qualcomm公司提出的HDR，而在同时支持数据和话音业务分支方面目前的提案已有几家，包括我国已经提交的一项技术LAS-CDMA，这些改良技术目前还处于评审过程中。
3. DAMPS向UWC-136的演进策略
IS-136〔DAMPS〕向UWC-136的演进的第一步是实现GPRS-136。第二步是实现UWC-136 〔Universal Wireless Communications〕。UWCC和决定选用以EDGE为根底的技术。这同时意味着以GPRS网络结构来支持136+的高速数据传输。GPRS-136是136+包交换数据业务的官方称呼，由于考虑到实现的经济性问题，高层协议〔指第三层以上〕与GPRS完全相同。它提供了与GSM的GPRS同样的容量，用户可接入IP和两种格式的数据网。其主要目的是减少TIA/EIA-136与GSM GPRS之间的技术差异。以便用户在GPRS-136和GSM GPRS网络间的漫游。美国TIA开展第三代的策略之一是通过向第三代的演进实现与同样为TDMA接入方式的GSM的趋同〔convergence〕。这对于全球性漫游和产品的经济性极有好处，也实现了UWCC和ETSI的合作协议。更重要的是，这使TDMA在第三代系统中的角色更为重要。
1.2 3G的体制种类及区别
1.2.1 多种体制的由来
目前ITU对3G的研究工作主要有3GPP和3GPP2这两个组织来承当。而在3G上，ITU的目标是：建立ITM-2000系统家族，求同存异，实现不同3G系统上的全球漫游。
家族概念〔Family Concept〕
(1) 网络局部
在1997年3月ITU-T SG11的一次中间会议上，通过了欧洲提出的“ITM-2000家族概念〞。此概念是基于现有的网络已经 有至少两种主要标准，即GSM MAP和IS-41。
(2) 无线接口
在1997年9月ITU-R TG8/1会议上，开始讨论无线接口的家族概念。在1998年1月TG8/1特别会议上，提出并开始采用“套〞的概念，不再使用“家族概念〞。其含义是无线接口标准可能多于一个，但并没有成认可以多于一个，而是希望最终能统一成一个标准。
造成技术不同的原因主要有下面两个：
(1) 与第二代关系
网络局部一定要与第二代的兼容性，即第三代的网络是基于第二代的网络逐步开展演进。第二代网络有两大核心网：GSM MAP和IS-41。
无线接口：美国的IS-95 CDMA和IS-136 TDMA运营者强调后向兼容〔演进性〕；欧洲的GSM、日本PDC运营者无线接口不后向兼容〔革命型〕。
核心网与无线接口的对应关系如下列图1-1所示：

图1-1 核心网与无线接入网接口的对应关系
(2) 频谱对技术的选用起着重要的作用
在频谱方面，其中关键的问题是ITU分配的ITM-2000频率在美国已用于PCS业务；由于美国要与第二代共用频谱，所以特别强调无线接口的后向兼容，技术上强调逐步演进。而其他大多数国家有新的IMT-2000频段，新频段有很大的灵活性。另外就是知识产权起着非常重要的作用，Qualcomm公司有自己的专利声明；还有就是竞争也是一个造成技术不同的主要因素。
1.2.2 RTT技术提案
ITU-R第8研究组的TG8/1任务组负责推进IMT-2000无线电传输技术〔RTT〕的评估、融合工作。至1998年9月，RTT提案包括对MSS〔移动卫星业务〕在内多达16个，它们根本来自IMT-2000的16个RTT评估组成员，包括
(1) UTRA WCDMA〔欧洲〕
(2) DECT 〔欧洲〕
(3) cdma2000 〔美国〕
(4) UWC-136 〔美国〕
(5) WIMS WCDMA 〔美国〕
(6) WCDMA/NA〔美国〕
(7) WCDMA〔日本〕
(8) TD-SCDMA〔中国〕
(9) Global CDMA〔同步〕〔韩国〕
(10) Global CDMA〔异步〕〔韩国〕
(11) LEO卫星系统SAT-CDMA
(12) ESA的宽带卫星系统SW-CDMA
(13) 混合宽带CDMA/TDMA卫星系统SW-CTDMA
(14) ICO全球通信公司的ICO RTT
(15) INMARSAT的卫星系统Horizons
(16) Iridium LLC公司的卫星系统INX。
其中前10种为IMT-2000地面系统RTT提案，后6种RTT反映了将MSS〔卫星移动通信业务〕纳入IMT-2000的努力。
提案充分反映了很多国家对IMT-2000未来制式确定的关心与力争施加有效影响的根本愿望。但从市场根底、后向兼容及总体特征看，欧洲ETSI的UTRA WCDMA及美国cdma2000这两个提案，最具竞争力，RTT融合的关键即在于这两个提案的融合能否取得有效的进展。
1.2.3 技术融合
IMT-2000既包括地面移动通信业务〔TMS〕，又包括卫星移动通信业务〔MSS〕。建议一个全球统一、融合得更好的第三代移动通信标准，对运营商、制造商、用户及政策规划管理部门均更有利，也为世界各国所欢送。
就16个RTT候选方案来看，地面移动通信融合的最终结果对于FDD模式，以欧洲ETSI的WCDMA 〔DS〕与美国TIA的cdma2000最具竞争力；而对于TDD模式，欧洲的ETSI UTRA提出的TD-CDMA与中国CATT提出的TD-SCDMA是进一步融合的主要对象。1999年3月底，爱立信和高通公司就IPR达成的一系列协议，为推广全球CDMA标准扫除了知识产权方面的严重障碍。1999年5月底，运营者协调集团OHG〔全球31个主要操作运营者与11个重要制造商〕提出的涉及IMT-2000的融合提案对促进其主要参数〔码片速率、导频结构及核心网协议以GSM-MAP、ANSI-41为根底〕统一起了积极作用，参与者一致统一码片速率对FDD-DS-CDMA取，对FDD-MC-CDMA即FDD-cdma2000-(MC)取。1999年6月于北京召开的TG8/1第17次会议就IMT-2000的无线接口技术标准建议Rec、IMT、RSPC达成了框架协议，并鼓励3GPP、3GPP2及各标准开发组织SDOS支持上述OHG提案，由工作组对MSS提案进行更细节化的工作。
1999年11月，在芬兰赫尔辛基召开的第18次会议上，通过了“IMT-2000无线接口技术标准〞建议，该建议的通过说明TG8/1在制定第三代移动通信系统无线接口技术标准方面的工作已根本完成。第三代移动通信系统的开发和应用进入实质阶段。TD-SCDMA和WCDMA、cdma2000确定为最终的三种技术体制。
1.2.4 三种主要技术体制比拟
1. WCDMA的技术特点
WCDMA由欧洲标准化组织3GPP所制定，受全球标准化组织、设备制造商、器件供给商、运营商的广泛支持，将成为未来3G的主流体制。
核心网基于GSM/GPRS网络的演进，保持与GSM/GPRS网络的兼容性。
核心网络可以基于TDM、ATM和IP技术，并向全IP的网络结构演进。
核心网络逻辑上分为电路域和分组域两局部，分别完成电路型业务和分组型业务。
UTRAN基于ATM技术，统一处理语音和分组业务，并向IP方向开展。
MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。
空中接口采用WCDMA：信号带宽5MHz，码片速率，AMR语音编码，支持同步/异步基站运营模式，上下行闭环加外环功率控制方式，开环〔STTD、TSTD〕和闭环〔FBTD〕发射分集方式，导频辅助的相干解调方式，卷积码和Turbo码的编码方式，上行和下行采用QPSK调制方式。
2. cdma2000技术体制
cdma2000体制是基于IS-95的标准根底上提出的3G标准，目前其标准化工作由3GPP2来完成。
电路域－－继承2G IS95 CDMA网络，引入以WIN为根本架构的业务平台。
分组域－－基于Mobile IP技术的分组网络。
无线接入网－－以ATM交换机为平台，提供丰富的适配层接口。
空中接口采用cdma2000兼容IS95： 信号带宽N×〔N＝1,3,6,9,12〕；码片速率N×；8K/13K QCELP或8K EVRC语音编码；基站需要GPS/GLONESS同步方式运行；上下行闭环加外环功率控制方式；前向可以采用OTD和STS发射分集方式，提高信道的抗衰落能力，改善了前向信道的信号质量；反向采用导频辅助的相干解调方式，提高了解调性能；采用卷积码和Turbo码的编码方式；上行BPSK和下行QPSK调制方式。
3. TD-SCDMA技术体制
TD-SCDMA标准由中国无线通信标准组织CWTS提出，目前已经融合到了3GPP关于WCDMA-TDD的相关标准中。
核心网基于GSM/GPRS网络的演进，保持与GSM/GPRS网络的兼容性。核心网络可以基于TDM、ATM和IP技术，并向全IP的网络结构演进。核心网络逻辑上分为电路域和分组域两局部，分别完成电路型业务和分组型业务。
UTRAN基于ATM技术，统一处理语音和分组业务，并向IP方向开展。
MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。
空中接口采用TD-SCDMA。
TD-SCDMA具有“3S〞特点：即智能天线〔Smart Antenna〕、同步CDMA〔Synchronous CDMA〕和软件无线电〔Software Radio〕。
TD-SCDMA采用的关键技术有：智能天线＋联合检测、多时隙CDMA＋DS-CDMA、同步CDMA、信道编译码和交织〔与3GPP相同〕、接力切换等。
三种主要技术体制的比照情况如下表所示：
表1-1 三种主要技术体制比拟
制式
WCDMA
cdma2000
TD-SCDMA
采用国家
欧洲、日本
美国、韩国
中国
继承根底
GSM
窄带CDMA
GSM
同步方式
异步/同步
同步
同步
码片速率

N×

信号带宽
5MHz
N×

空中接口
WCDMA
cdma2000兼容IS-95
TD-SCDMA
核心网
GSM MAP
ANSI-41
GSM MAP

1.3 3G频谱情况
国际电联对第三代移动通信系统IMT-2000划分了230MHz频率，即上行1885～2025MHz、下行2110～2200MHz，共230MHz。其中，1980～2021 MHz〔地对空〕和2170～2200MHz〔空对地〕用于移动卫星业务。上下行频带不对称，主要考虑可使用双频FDD方式和单频TDD方式。此规划在WRC92上得到通过，在2000年的WRC2000大会上，在WRC-92根底上又批准了新的附加频段： 806-960 MHz 、1710-1885 MHz 、2500-2690 MHz。如下列图1-2所示：

图1-3 WRC-2000的频谱分配
欧盟对第三代移动通信的问题亦十分重视，欧洲电信标准化协会早在十多年前就开始了第三代移动通信标准化的研究工作，成立了一个由运营商、设备制造商和电信管制机构的代表组成的“通用移动通信系统〔即UMTS〕论坛〞，1995年正式向ITU提交了频谱划分的建议方案。
欧洲情况为陆地通信为1900～1980MHz、2021～2025MHz和2110～2170MHz，共计155MHz。
北美情况比拟复杂，如图1-2所示。在3G低频段的1850～1990MHz处，实际已经划给PCS使用，且已划成2×15MHz和2×5MHz的多个频段。PCS业务已经占用的IMT-2000的频谱，虽然经过调整，但调整后IMT-2000的上行与PCS的下行频段仍需共用。这种安排不大符合一般基站发高收低的配置。
日本～已用于PHS频段，还可以提供2×60MHz＋15MHz＝135MHz的3G频段〔1920～1980MHz，2110～2170MHz，2021～2025MHz〕。 目前，日本正在致力于去除与第三代移动通信频率有冲突的问题。
韩国和ITU建议一样，共计170MHz。
WCDMA FDD模式使用频谱为〔3GPP并不排斥使用其他频段〕：上行：1920～1980MHz，下行：2110～2170MHz。每个载频的频率为5M范围，双工间隔：190MHz。而美洲地区：上行：1850～1910MHz，下行：1930～1990MHz。双工间隔：80MHz
WCDMA TDD〔包括High bit rate和Low bit rate〕模式使用频谱为〔3GPP并不排斥使用其他频段〕：
(1) 上下行1900～1920MHz和2021～2025MHz
(2) 美洲地区：上下行1850～1910MHz和1930～1990MHz
(3) 美洲地区：上下行1910～1930MHz
特殊情况下〔如两国边界地区〕可能会出现TDD和FDD在同一个频带内共存的情况，3GPP TSG RAN WG4正在进行这方面的研究。
cdma2000 中只有FDD模式，目前共有7个Band class，其中Band Class 6为IMT-2000规定的1920～1980MHz/2110～2180MHz的频段。
在我国，根据目前的无线电频率划分，1700～2300Mhz频段有移动业务、固定业务和空间业务，该频段内有大量的微波通信系统和一定数量的无线电定位设备正在使用。1996年12月，国家无委为了开展蜂窝移动通信和无线接入的需要，对2GHz的局部地面无线电业务频率进行重新规划和调整。但还与第三代移动有冲突，即公众蜂窝移动通信的频段和无线接入的频段均占用了IMT～2000的频段中的一局部。
因此，第三代移动通信必须与现有的各种无线通信系统共享有限的频率资源。为了促使运营、科研、生产等部门积极开展第三代移动通信系统，满足我国移动通信开展的近期频谱需求和长远频谱需求，必须随着技术、业务的开展，做好IMT-2000频段的规划调整工作。
我国的IMT-2000频谱使用情况如下列图所示。

图1-4 我国IMT-2000频谱占用情况
IMT-2000在我国的频段分配如下：
〔一〕主要工作频段：
频分双工〔FDD〕方式：1920－1980MHz／2110－2170MHz；
时分双工〔TDD〕方式：1880－1920MHz、2021－2025MHz。
〔二〕补充工作频率：
频分双工〔FDD〕方式：1755－1785MHz／1850－1880MHz；
时分双工〔TDD〕方式：2300－2400MHz，与无线电定位业务共用，均为主要业务，共用标准另行制定。
〔三〕卫星移动通信系统工作频段：
1980－2021MHz／2170－2200MHz。

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