第三代移动通信系统的现状及关键技术.doc

第三代移动通信系统的现状及关键技术C 2003年6月5日 16:08通信世界网 （作者：南京邮电学院 郑宝玉 丁家昕） 引言 个人通信是指任何人在任何时间和任何地点实现与任何人进行任何种类的信息交换。实现个人通信的通信网络叫个人通信网，实现个人通信的业务服务叫个人通信服务。个人通信服务不仅提供终端的移动性，而且提供个人的移动性，将传统的“通信至终端”转变为“通信至个人”，每个用户有一个属于自己的唯一号码，即全球一人一号，网络能按用户意愿提供多种服务，包括各类宽带业务。可见个人通信的实现将使人类彻底摆脱现有通信网的束缚，达到无约束自由通信的最高境界。 无线接入是实现个人通信的必要条件，也是技术难点。无线个人通信系统是一个立体的通信网络，天上有卫星通信系统的覆盖，地上有各种大小的蜂窝系统覆盖。它主要包括：陆地蜂窝移动通信系统、卫星移动通信系统、寻呼系统、集群移动通信系统、无绳通信系统等。在这些系统中，陆地蜂窝移动通信系统因其与人们日常生活关系最为密切而无疑是最为重要的一类系统，目前各国专家正积极地研究与开发的第三代移动通信系统（）正是蜂窝移动通信系统的重要里程碑。 第三代移动通信系统中面临的主要问题 八十年代初开始商用的以模拟技术为主要特征的移动通信系统被称为第一代移动通信系统；九十年代人们普遍使用的以和为代表的数字移动通信系统被称为第二代移动通信系统；而被命名为（ ）的以智能移动通信技术为主要特征的新一代移动通信系统被称为第三代移动通信系统。与前两代系统相比，系统有更大的容量、更好的通信质量、更高的频带利用率，这些特点使得它能为高速和低速移动用户提供话音、数据、会议电视及多媒体等多种业务。而且用户能在全球范围内无缝漫游。 系统确实给人们展示了一个美好的通信前景，但这些美好前景的实现要以克服系统所面临的技术难题为前提。这些难题有的是蜂窝移动通信所固有的，也有的是系统所特有的。只有理解了这些问题，才能深刻地理解为解决这些问题而开发出的各种关键技术的意义。 、多径衰落：这个问题存在于所有的移动通信系统中。由于无线电波在传播过程中将发生折射、反射和散射，从而产生多条传播路径。不同路径的信号到达接收机时，由于天线的位置、方向和极化不同，使接收信号的幅度、相位起伏变化，产生严重的衰落现象。为了保证通信质量，不得不增加信号功率，这就直接影响了系统的容量。 、时延扩展：不同路径的信号有不同的传播时延，当时延超过检测脉冲符号宽度的时，符号间的干扰就明显存在，从而限制了移动通信的数据速率。 、多址干扰：由于系统采用码分多址（）技术，即采用不同的扩频码字来区分用户，这就要求各用户的扩频码具有强的自相关性和弱的互相关性。但实际上各用户间的互干扰不可能完全消失，所以系统是干扰受限系统，就是说来自本小区和邻近小区用户的干扰成了决定系统容量和性能的主要因素。多址干扰是系统所特有的一种干扰。 、远近效应：在各移动台均以相同功率发射信号时，基站接收到的近处移动台发射的信号功率将远大于远处移动台发射的信号功率。远近效应就是指近处大功率信号对远处小功率信号产生的很强的干扰。它也是一类多址干扰，不过在系统中这种多址干扰表现十分突出。 、体制问题：目前，第一代和第二代系统已经被广泛应用，所以，从资源利用的角度来考虑，系统必须兼容前两代系统，而且能在将来平滑地过渡到第四代移动通信系统，甚至个人通信系统的最高目标。但目前，第一代和第二代系统种类繁多，标准层出不穷，体制多种多样。所以，如何使系统起好一个承前启后的作用，也是一个急待解决的问题。 第三代移动通信系统中的关键技术 为了解决系统所必须面对的主要问题，各国学者进行了广泛而深入的研究，发展并创新了许多关键技术。这些技术有的已被系统采用，有的还在进一步研究之中。 、多址技术 这里所指的多址技术包括两方面的含义：一是指系统中地址码的研究；二是指各种多址协议的进一步研究。因为系统采用码分多址技术，所以扩频码的选择至关重要。系统中采用了位函数作为扩频码，前向信道的性能可以得到保证，但反向信道性能还不尽如人意。目前，学者们对正交变扩频因子码（）进行了广泛研究，希望彻底解决其生成方法、可用数目和复用等问题，使其尽早投入使用。 另外，人们对多址协议也给予了极大关注，它可以看作是传统分组预约多址（）协议的扩展。是基于时分多址的帧结构，每个用户在真正有信息输出时，才按照一定允许概率竞争空闲时隙。研究结果表明：协议与随机接入的相比，在蜂窝环境和仅有话音的情况下，系统容量可提高。 、信道编码 虽然扩频技术有利于克服多径衰落以提供高质量的传输信道，但扩频系统存在潜在的频谱效率非常低的缺点。所以，系统中必须采用信道编码技术以进一步改善通信质量。目前，主要采用前向信道纠错编码和交织技术以进一步克服衰落效应。编码和交织都极大地依赖于信道的特征和业务的需求。不仅对于业务信道和控制信道采用不同的编码和交织技术，而且对于同一信道的不同业务也采用不同的编码和交织技术。目前，研究较多的有分组编码、卷积码和格码调制等。在三种编码技术中，无线频率调制结合网格纠错编码方案能提供较大的带宽效率，但根据目前纠错编码技术发展趋势来看，结合分组码和卷积码技术的级联码例如并行级联码码将更具吸引力。 、功率控制 功率控制技术是解决远近效应的有效方法。在上行链路，为了克服宽带系统的远近效应，需要动态范围达的功率控制。上行链路功率控制方式分开环和闭环两种，闭环功率控制包括内环功控和外环功控。开环功率控制主要用来克服距离衰减，闭环功率控制用于克服多普勒频率产生的衰落，以此保证基站接收到的所有移动台信号具有相同的功率。在下行链路中，为了实现快速和自适应的功控算法，也插入功控子信道实现前向的闭环功控。 、智能天线 智能天线也叫自适应阵列天线，它由天线阵、波束形成网络、波束形成算法三部分组成。它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加权幅度和相位，从而调节天线阵列的方向图形状，达到增强所需信号，抑制干扰信号的目的。智能天线也可以用空分复用的概念加以解释，就是利用信号入射方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来，从而达到成倍地扩展通信系统容量的目的。 智能天线技术已日趋完善，中国电信科学研究院信威公司已推出了带智能天线的同步系统，美国麦得威通信公司的智能天线也已投放市场。 、多用户检测 通信系统中的传统检测器都是单用户检测器，它将所需用户的信号当作有用信号，而将其它用户的信号都作为干扰信号对待。但从信息论的角度看，系统是一种多输入、多输出的信道。因此单用户检测器不能充分利用信道容量。多用户检测的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号，而不是干扰信号来处理，这样就可以充分利用各用户信号的用户码、幅度、定时和延迟等信息，从而大幅度地降低多径多址干扰。目前，主要有两种基本的方法来实现多用户检测：一是线性检测法，它的基本想法是通过线性变换来消除不同用户间的相关性，使得送入每个用户的检测器的信号只与自己的信号相关；二是相减式干扰对消器，它在送入匹配滤波器输入端的信号中减去本地估计出的来自其它用户的多址干扰，从而消除多址干扰。 、切换技术 由于移动通信系统采用蜂窝结构，所以，移动台在跨越空间划分的小区时，必然要进行越区切换，即完成移动台到基站的空中接口的转移，以及基站到网入口和网入口到交换中心的相应的转移。在第一和第二代移动通信系统中都采用越区硬切换方式，硬切换使通信容易中断。系统将在使用相同载波频率的小区间实现软切换，即移动用户在越区时可以与两个小区的基站同时接通，只相应改变扩频码，即可做到“先接通再断开”的交换功能，从而大大改善了切换时的通话质量。但软切换具体的实现方法和步骤还有待研究。另外，不同载波的小区间的切换仍需要用硬切换，所以切换技术中还有许多问题需要解决。 、信道结构及上层协议信令 系统的用户巨大，且要实现全球范围的漫游，那么各种资源的管理控制必然十分复杂和庞大，这就要求信道结构合理，各种协议信令丰富完善。系统的无线空中接口将采用分层结构及协议，这些协议包括用户平面、控制平面和控制平面传递信令。比如：呼叫控制、移动性管理、无线载波控制、无线资源控制等。 、软件无线电 软件无线电是对无线传输系统的革命，它被称为“无线电世界的个人计算机”。软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用和转换器，在通用的硬件平台上，尽可能通过软件来定义无线电的功能。这样利用一个统一的平台，通过软件生成、等不同体制的终端，并且可以适应未来技术的发展。它与宽带综合业务网的基础传输模式异步转移模式一样能适应未来业务的发展，并与软件定义的电信信息网络的发展相一致。软件化是无线传输系统从模拟到数字的飞跃后的另一次飞跃。在民用方面，公司已推出体制的基站系统。在军用方面，美国已推出了“易通话”的演示系统，该系统在第一阶段能产生种波形，第二阶段能产生种波形，工作在种网络，具有种加密体制。我国主题也开展了这方面的研究。也许只有软件无线电的全面实现，人类才能实现个人通信的美好愿望。