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WCDMA数字移动通信系统及其与CDMA2000的比较
郭经红
    本文主要对WCDMA数字移动通信系统物理层及其特点作了详细的描述，并与CDMA2000系统作了比较。
1 、引言
移动通信技术经历了从模拟调制到数字调制技术的发展。第一代采用频分多址（FDMA）模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代蜂窝系统采用时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大为改善。TDMA方式的主要缺点是：（1）系统容量仍不理想；（2）和FDMA方式一样，TDMA方式的越区切换性能仍不完善。为了克服FDMA和TDMA两种多址方式的缺点，北美推出了IS-95／CDMA数字移动通信系统，IS-95／CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量等特点显示出巨大的发展潜力，立即在全世界范围内掀起一股研究CDMA技术的热潮。随着社会进步及用户数量的急剧增长，频率资源日益紧张，要求第三代移动通信系统IMT-2000能提供更大的系统容量，更高的通信质量，并能提供2Mbit／s数据业务，以满足人们对多媒体通信的要求并适应通信个人化的发展方向。第三代数字蜂窝移动通信系统的两大主要候选方案是北美的CDMA2000系统和欧洲的WCDMA系统，都是建立在CDMA技术基础上，CDMA已被广泛接收为第三代移动通信系统的重要技术。
第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点概括为：
（1）全球普及和全球无缝漫游的系统。第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。它将使用共同的频段，全球统一标准。
（2）具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务。现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供100-200kbit／s的数据业务，GSM演进到最高阶段的速率能力为384kbit／s。而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音分组数据到多媒体业务；应能根据需要，提供带宽。ITU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必须满足在以下三个环境的三种要求。即：
快速移动环境，最高速率达144kbit／s
室内环境，最高速率达2Mbit／s
室外到室内或步行环境，最高速率达384kbit／s
（3）便于过渡、演进。由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容。
（4）高频谱效率、高服务质量、低成本、高保密性。
目前IMT-2000无线传输技术（RTT）提案有16个之多，其中地面系统RTT提案有10个，移动卫星系统的RTT提案有6个。从市场基础及总体系统特征看，地面系统以欧洲UTRA（WCDMA／TD-CDMA）及美国CDMA2000这两个提案最具竞争力，我国的RTT提案是TD-SCDMA。根据ITU的时间表，1999年底前将完成IMT-2000无线技术规范。
2 、WCDMA的主要特点
信息社会的到来对通信手段提出了越来越高的要求，WCDMA是应运而生的全新第三代移动通信系统方案，与前两代系统相比有较多的优点，主要概括为以下几方面：
（1）比第二代移动通信系统有更好的性能。包括更大的系统容量和更大的覆盖区域，且可以从第二代系统逐步演进。
WCDMA由于自身的带宽较宽，因而由多径效应引起的信号衰落较小，上下行链路发射时分复用导频信号，从而实现相干解调，能大幅度提高链路容量。WCDMA中采用快速功率控制技术，使发射机的发射功率总是处于最小的水平，从而减少了多址干扰。另外，在下行链路发送用户专用导频信号而不是公共导频信号，能使下行链路使用自适应天线成为可能，从而减少小区的多用户干扰，这些技术都提高了系统容量，对一般话音服务，系统容量至少提高两倍。
（2）提供更加灵活的服务。包括：支持更宽范围的服务，最高可支持2Mbit／s的高速数据业务；支持一条连线上传输多条并行业务；支持高速率的分组接入。
WCDMA最重要的一个特点是功率对用户来说是共享资源。在下行链路上，基站中码分复用的用户分享总的功率，上行链路中，基站有一个最大干扰容限，这个功率在小区中产生干扰的移动台之间分配。共享功率使WCDMA能灵活地处理个有不同速率的业务。当数据速率变化时，无须对码字、时隙等重新分配，也即无须重新分配物理信道，只要调整功率分配即可保证业务传输质量不受影响。WCDMA中使用正交变扩频增益扩频码（OVSF），这种码字保证了下行链路不同用户信道或同一用户不同业务信道的正交性，对于不同的数据速率，这种正交性仍然存在。这一措施也保证了WCDMA适应多种业务的要求。
WCDMA方案中采用了对不同QOS要求的业务进行不同的信道编码的策略。标准业务仅采用卷积编码，高质量业务在卷积编码的基础上增加RS编码或采用Turbo Code的编码方法，而对特定业务则在第一层不采用纠错编码而完全由高层来采取差错控制，这样处理的结果使得各种业务变化为同一种数据。
此外，WCDMA中电路和分组交换业务能以创新方式在同一信道组合，使一个终端能处理多项业务。带宽不同的电路和分组交换业务可自由组合，同时向同一个用户投送。
（3）采用更加灵活的系统操作。包括：支持基站间的异步操作；支持自适应天线阵技术与多用户检测的技术；支持非平衡频带下采用时分双工的模式，采用单信元频率复用等。
3 、WCDMA的物理层技术标准
WCDMA方案包括FDD与TDD两种工作方式。前者工作在覆盖面积较大的范围内，提供中、低速业务；后者主要侧重在业务繁重的小范围内，提供高至2Mbps的业务。下面仅就FDD方式进行讨论。
3.1 基本参数
WCDMA工作频段：920～1980MHz频段分配给FDD上行链路使用；2110～2170MHz频段分配给FDD下行链路使用；1900～1920MHz频段由于在高频段没有相应的镜像频段，被分配给TDD双工方式使用。
基本标称带宽5MHz，但其实际值可以以200kHz为步长，根据需要在4.4～5.2MHz之间调整。基本带宽可以扩展至10／20MHz。
基本扩频码速率4.096Mcps，它也可以扩展到8.192／16.384MHz。
帧长10ms，每帧包含16个时隙，每时隙0.625ms，代表一个功控周期。

3.2 信道结构
WCDMA信道可分为专用信道和公共信道两大类。
专用信道包括：业务信道、独立专用控制信道、伴随专用控制信道。
公共信道包括：广播控制信道、前向接入信道、伴随专用控制信道。
这些信道通过不同的方式映射到相应的物理信道。下面我们分别对上下行链路进行介绍。
（1）上行链路
上行链路专用物理信道分为：专用物理数据信道（DPDCH）和专用物理控制信道（DPCCH）。公用物理信道为物理随机接入信道（PRACH）。
专用物理信道：上行链路专用物理数据信道用来承载第二层和更高层的专用数据。专用物理控制信道用来承载第一层产生的控制信息，包括：用于信道估计的导频信号（Pilot）；功率控制信号（TPC）以及传送格式指示比特（TFI）。
上行链路专用物理信道帧结构如图1所示。每帧10ms，分成16个时隙。72个连接的帧组成一个超帧，时长720ms。

每时隙比特数为：10*2k，其中k=0，……，6，相应的为SF=256／2k。即为256-4。DPCCH与DPDCH是并行发送的。
公共物理信道：上行链路公共物理信道只有一种：物理随机接入信道（PRACH）。
移动台仅在相对于所在小区广播控制信道帧边界的一系列给定时间偏置处发起接入尝试。这样的时间偏置称为接入时隙。每个接入时隙都会与别的接入时隙之间有1.25ms的时间间隔，以防止接入尝试的相互碰撞。本小区中哪些接入时隙可用的消息在广播控制信道中发布。每个接入时隙随机接入突发的结构如下图2所示。

接入突发由长度为1ms的前导部分和长度为10ms的消息部分组成。两部分之间为0.25ms的空闲时隙。其中前导部分是由16个复数符号A或-A（A=1+j，这里j是虚部的标记）组成特征序列，共有16个不同的这样的序列。在一个小区中，哪些特征序列可以使用的消息通过基站下行信道予以广播。消息部分由数据部分（对应于DPDCH）和第一层控制信息部分（对应于DPCCH）组成，这两部分是通过两条物理信道并行发送的。控制信息部分时隙由TPC，TFI和Pilot组成。数据部分时隙由16比特的移动台识别码，3比特的所要求服务类型指示码，可选的用户短信息包，8比特的循环冗余比特组成。
（2）下行链路
下行链路物理信道由专用物理数据信道（DPDCH）和专用物理控制信道（DPCCH），基本公共控制物理信道（Primary CCPCH），基本公共控制物理信道（Primary CCPCH）和辅助公共控制物理信道（Secondary CCPCH）组成。专用物理信道的功能与上行链路相同。基本公共物理控制信道用来承载广播控制信道（BCCH），辅助公共控制物理信道用来承载前向接入信道（FRACH），寻呼信道（PCH）和同步信道（SCH）。
专用物理数据信道：下行链路专用物理信道是DPCCH和DPDCH的时分复用。第二层及高层的数据与第一层的控制信息（TPC，TFI，Pilot）通过时分复用复用到同一条信道上。其帧结构如图3。

同样，下行链路DPCH一帧也是由16个0.625ms的时隙组成的，帧长为10ms。72个连续的帧组成一个超帧。
当总的比特率大于一条物理信道所能承载的最大码速率时，可采用多码传输的方法，即在下行链咱发送多个并行的相同的物理信道。此时，第一层控制信息只需要在第一条物理信道发送，其它物理信道在相应的时间段中不发送任何信息。多码传输的另一种方法是每个发送的物理信道的扩频增益不同。因此，此时每条物理信道都需要发送第一层的控制信息。
基本公共控制物理信道：Primary CCPCH承载BCCH，它的码速是固定的，为32kbps。其帧结构与下行链路DPCH的差别是它不包含TPC和TFI，只包含Pilot和DATA。每时隙有8比特的Pilot和12比特的DATA。
辅助公共控制物理信道：Secondary CCPCH承载FACH和PCH，FACH和PCH分别映射到不同的Secondary CCPCH。
Secondary CCPCH码速是恒定的。但这里的恒定，只是对一条Secondary CCPCH而言。对不同的辅助公共控制物理信道，它的码速是可以不同的，以适应不同的FACH和PCH容量。
Secondary CCPCH和Primary CCPCH的主要区别是前者的码速对不同信道是不同的，虽然在同一信道中是恒定的，后者码速对每个小区都是相同的；并且前者是在有数据时才发送，且可能只在某个方向发送，前者在整个小区连续发射的。
同步信道由两个子信道组成；基本同步信道和辅助同步信道。
可见，上下行链路有很大不同，下行链路专用数据信道和专用控制信道是时分复用的，而上行链路专用数据信道和专用控制信道是并行发送的。
4 、WCDMA和CDMA2000的比较
4.1 无线传输技术的主要差别对比
两套方案在无线传输技术上有较大差别，详见表1。
表1 WCDMA与CDMA2000的技术参数对比

WCDMA
CDMA2000
切片速率（Mchip／s）

4.096(1.024×4)×N
3.6864×(1.2288×3)×N
基站间同步
无需GPS的异步方式
需借助GPS的严格同步方式
下行链路导频码
对业务码时分复用的导频码
公共连续的导频码
帧长
短帧长10ms
长帧长20ms
语音编码
固定速率编码
可变速率编码
功率控制速度
1600次／秒
800次／秒
DS与MC
单载波宽带DS
多载波(MC)DS
最小带宽
5MHz
3×1.5MHz
下行链路扩频
可变长正交序列(区分不同信道)Gold序列(区分不同小区与用户)
可变长Walsh序列(区分不同信道)M序列3×215(小区以序列的不同相位区分I、Q路以不同序列区分)
上行链路扩频
可变长正交序列(区分不同信道)Gold序列241(不同用户以序列区分,I、Q路以不同相位区分)
可变长正交序列(区分不同信道)
(1)序列215(区分I、Q路)
(2)序列241-1(区分不同用户)
4.2 两种方案各自的演进策略
WCDMA与CDMA两种方案各自的演进策略示于图4。

两套方案各有利弊，从技术角度看，WCDMA方案采取了许多新技术，如时分复用的导频码的使用，能实现相干解调，从而提高链路容量，且满足了使用自适应天线的要求；基站间异步方式摆脱了对GPS的依赖等等，但CDMA2000是建立在IS-95空中接口的基础上的，最大限度地利用了成熟的技术，相对来说技术复杂程度低、风险小，系统演进升级的成本较小。