第三代移动通信系统：技术优化与进展

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：相对第二代移动通信系统，第三代移动通信系统的目标是统一全球移动通信使用频率、提高无线传输效率、提高网络兼容扩展性以及实现全球漫游。第三代移动通信系统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。采用智能天线阵技术可以提高第三代移动通信系统的容量及服务质量。向全IP网过渡第二代移动通信系统GSM 主要支持话音业务，其网络也主要是以电路交换网为核心。

相对第二代移动通信系统，第三代移动通信系统的目标是统一全球移动通信使用频率、提高无线传输效率、提高网络兼容扩展性以及实现全球漫游。

1.关键技术

第三代移动通信系统的三个标准（WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA）都采用CDMA 多址方式，以扩频方式占用宽信道，降低了蜂窝的频率复用系数，同时采用较2G 系统更为先进的通信技术，满足了ITU 对3G 系统的要求，其关键技术如下。

（1）高效的信道编译码技术

信道编码和交织依赖于信道特性和业务需求。第三代移动通信系统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。

Turbo码是1993年由C.Berrou等人提出的一种新型编码，它具有接近香农极限的纠错性能。

第三代移动通信系统采用了卷积码和Turbo码两种纠错编码。在高速率、对译码时延要求不高的数据链路中使用Turbo码以利于其优异的纠错性能；考虑到Turbo码译码的复杂度、时延的原因，在语音和低速率、对译码时延要求比较苛刻的数据链路中使用卷积码，在其他逻辑信道中也使用卷积码。

（2）智能天线技术

无线覆盖范围、系统容量、业务质量、阻塞和掉话等问题一直困扰着蜂窝移动通信系统。采用智能天线阵技术可以提高第三代移动通信系统的容量及服务质量。智能天线阵（Intelligent/Adaptive Antenna Arrays）技术是基于自适应天线阵列原理，利用天线阵列的波束合成和指向，产生多个独立的波束，自适应地调整其方向图以跟踪信号变化；对干扰方向调零以减少甚至抵消干扰信号，提高接收信号的载干比（C/I），以增加系统的容量和频谱效率。采用智能天线技术在于以较低的代价换得无线覆盖范围、系统容量、业务质量、抗阻塞和掉话等性能的显著提高。智能天线阵在干扰和噪声环境下，通过其自身的反馈控制系统改变辐射单元的辐射方向图、频率响应以及其他参数，使接收机输出端有最大的信噪比。

（3）多用户检测和干扰消除技术

对于CDMA 系统，从理论上讲，如果能消去用户受到的多址干扰，就可以提高容量。多用户检测的基本思想是把所有用户的信号都当作有用信号，而不是当作干扰信号。在小区通信中，每个移动用户与一个基站通信，移动用户只需接收所需信号，而基站必须检测所有的用户信号，因此移动用户只有自己的扩频码，而基站需要知道所有用户的扩频码。由于移动用户受到复杂度的限制（如尺寸、重量等），多用户检测目前主要用于基站。虽然基站采用了多用户检测技术，但由于基站只有本小区用户的扩频码，相邻小区的干扰仍会降低多用户检测的性能。由于无线信道是多径信道，多用户检测时这种多径信道传输将极大影响其性能，可以通过在多用户检测前端用RAKE类型的结构减小多径造成的影响。

（4）向全IP网过渡

第二代移动通信系统GSM 主要支持话音业务，其网络也主要是以电路交换网为核心。随着数据业务的发展，GSM 的核心网也在向支持GRPS的分组交换网过渡。3G 的应用和服务将在数据速率和带宽方面提出更多的要求，如果想满足高流量等级和不断变化的需求，唯一的办法是过渡到全IP网络，它将真正实现话音和数据的业务融合。全IP网络可支持移动IP业务，将无线话音和无线数据综合到一个技术平台上传输，即IP协议。移动网络将实现全包交换网络，包括话音和数据都由IP包来承载，话音和数据的隔阂将消失。

全IP网络可节约成本，提高可扩展性、灵活性和使网络运作更有效率等。全IP网络支持IPv6，解决IP地址的不足和提供移动IP 业务。IP 业务在移动通信中的引入，将改变移动通信的业务模式和服务方式。基于移动IP技术，为用户快速、高效、方便地部署丰富的应用服务成为可能。

2.IMT-2000无线传输技术

在IMT-2000无线传输技术标准化过程中，成立了两个标准化协调组织，即3GPP 和3GPP2，分别对WCDMA 和CDMA2000 进行融合。IMT-2000 的无线接口技术分类如表10.1所示。

表10.1　IMT-2000无线传输技术分类

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IMT-2000空中接口标准是由多种标准组合成的一个混合标准。在这个混合型的物理接口标准中，除保留了一个TDMA 的标准UWC-136外，主要是对CDMA 技术的标准进行了大量的工作，标准中主要的陆地标准都是基于CDMA 技术的。表10.2中列出了它们的主要技术参数。

表10.2　IMT-2000中CDMA技术各项标准的主要物理层参数

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续表

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3.无线传输增强技术

(1)WCDMA HSPA

为了满足上下行数据业务的不对称的需求，WCDMA 阵营3GPP 组织在Release 5版本的协议中提出了一种基于WCDMA的增强型技术，即高速分组接入技术（HSPA），包括高速下行分组接入（HSDPA）和高速上行分组接入（HSUPA），其中HSDPA 可实现最高速率达10 Mbit/s的下行数据传输，Release 6版本中提出了增强的上行传输技术，可支持最高达5.7 Mbit/s的峰值上行速率，Release 7、8中提出了引入高阶调制16QAM/64QAM 和多天线传输技术，Release 9中提出了载波聚合技术，通过载波聚合可实现上行10 MHz带宽的传输技术，Release 10更进一步提出了通过载波聚合技术实现20 MHz的下行传输技术，可支持最高达168 Mbit/s的下行峰值速率。

HSDPA新增了用于承载下行链路的用户数据的物理信道：高速下行共享信道（HS-DSCH），以及相应的控制信道。HSDPA 中没有采用Release 99版本中物理信道使用的可变扩频因子和快速功率控制，而是采用以下几项关键技术：自适应调制和编码（AMC）、混合自动请求重传（HARQ）、快速小区选择（FCS）、多输入多输出天线技术（MIMO）等，来保证高速数据业务的可靠传输。

1）自适应调制和编码

无线信道的一个重要特点是有很强的时变性，对这种时变特性进行自适应跟踪能够给系统性能的改善带来很大好处。链路自适应技术有很多种，AMC就是其中之一。HSDPA 在原有系统固定的调制和编码方案的基础之上，引入了更多的编码速率和16QAM 调制，使系统能够通过改变调制编码方式对链路的变化进行自适应跟踪，以提高数据传输速率和频谱利用率。

采用AMC技术，可以使处于有利位置的用户得到更高的传输速率，提高小区的平均吞吐量。同时，它通过改变调制编码方案，取代了对发射功率的调整，以减小冲突。

AMC技术对信道情况测量误差和时延十分敏感，这对终端的性能提出了更高的要求。

2）混合自动请求重传

ARQ 技术即为自动请求重传，用于对出错的帧进行重传控制，但是本身并没有纠错的功能。于是人们将ARQ 与FEC 相结合，实现了检错纠错的功能，这就是通常所说的HARQ技术。

HARQ 有三种方式：HARQ TypeⅠ、HARQ TypeⅡ和HARQ TypeⅢ。

HARQ TypeⅠ就是单纯地将ARQ 与FEC相结合，对收到的数据帧，先进行解码、纠错，若是能纠正其中的错误，正确解码，则接受该数据帧；若是无法正确恢复该数据帧，则扔弃这个收到的数据帧，并要求发端进行重传。重传的数据帧与第一次传输的帧采用完全相同的调制编码方式。

HARQ TypeⅡ也称作增量冗余方案，对收到的数据帧采用了合并的方法。对于无法正确译码的数据帧，收端并不是像原来那样简单地抛弃，而是先保留下来，待重传的数据帧收到后，和刚刚保留的那个错误译码的数据帧合并在一起，然后再进行译码。为了纠错，重传时携带了附加的冗余信息，每一次重传的冗余量是不同的，而且通常是与先前传输的帧合并后才能被解码。

HARQ TypeⅢ也是一种增量冗余编码方案，与Type Ⅱ不同的是，Type Ⅲ每次重传的信息都具有自解码的能力。

HSDPA 中，使用的是TypeⅡ与TypeⅢ方式，用于数据的检错与重传。HSDPA 中，在物理层也引入了HARQ 技术，改变了以往的仅在物理层以上采用ARQ 的处理办法。这就使需要进行重传的数据量减少，时延降低，数据接入效率提高，对信道衰落明显、信噪比低的情况的改善尤其突出。

3）快速小区选择

在FCS过程中，移动台根据不同小区的下行链路导频信道信号强度，以帧为单位快速选择能为它提供最佳服务质量的小区，从而达到降低干扰和提高系统容量的目的。对HSDPA高速的数据传输系统来说，对通信系统小区快速选择的优点是更有效地利用基站的发射功率，减小下行链路干扰以及提高整个系统的吞吐量。

4）多输入多输出天线技术

较传统的单输入单输出（SISO）系统而言，多输入多输出（MIMO）系统通过引入多个发射天线，或多个接收天线，来提高传输速率以及获得分集增益。

采用MIMO 系统后，通过改进的天线发射和接收分集可以提高信道质量；而且不同天线可以对扩频序列进行再利用，从而提高数据传输速率。但是同时，MIMO 系统也会增加射频部分的复杂度。

由于在发射端采用多个发射天线，则存在一个如何将要传输的数据流合理地映射到各个发射天线的问题。MIMO 系统的空时二维信道特性将对最终的映射准则起决定性的作用，正如信噪比对选择自适应调制、编码系统最终的模式一样，合理的映射准则不应该是固定的，而应该是根据信道的特性自适应地调整。将自适应技术和MIMO 技术结合在一起可以突破传统SISO 系统的信道容量的限制，获得更高的传输速率，在下一代的高速无线传输系统中将有着广泛的应用前景。

(2)CDMA2000 1X EV-DO

CDMA2000 1X 的增强型技术1X EV（EVolution）系统，是在CDMA2000 1X 基础上的演进系统。1X EV 系统分为两个阶段，即CDMA2000 1X EV-DO 和CDMA2000 1X EV-DV。DO 是Data Only或Data Optimized，1X EV-DO 通过引入一系列新技术，提高了数据业务的性能。DV 是Data and Voice的缩写，1X EV-DV 同时改善了数据业务和语音业务的性能。

2000年9月，3GPP2通过了CDMA2000 1X EV-DO 的标准，协议编号为C.S0024，对应的TIA/EIA 标准为IS-856。

1X EV-DO 的主要特点是提供高速数据服务，每个CDMA 载波可以提供2.457 6 Mbit/s扇区的下行峰值吞吐量。下行链路的速率范围是38.4 kbit/s～2.457 6 Mbit/s，上行链路的速率范围是9.6～153.7 kbit/s。上行链路数据速率与CDMA2000 1X 基本一致，而下行链路的数据速率远远高于CDMA2000 1X。为了能提供下行高速数据速率，1X EV-DO 主要采用了以下关键技术。

1）下行最大功率发送

1X EV-DO 下行始终以最大功率发射，确保下行始终有最好的信道环境。

2）动态速率控制

终端根据信道环境的好坏（C/I），向网络发送DRC 请求，快速反馈目前下行链路可以支持的最高数据速率，网络以此速率向终端发送数据，信道环境越好则速率越高，信道环境越差则速率越低。与功率控制相比，速率控制能够获得更高的小区数据业务吞吐量。

3）自适应编码和调制

根据终端反馈的数据速率情况（即终端所处的无线环境的好坏），网络侧自适应地采用不同的编码和调制方式（如QPSK、8PSK、16PSK）向终端发送数据。

4)HARQ

根据数据速率的不同，一个数据包在一个或多个时隙中发送，HARQ 功能允许在成功解调一个数据包后提前终止发送该数据包的剩余时隙，从而提高系统吞吐量。HARQ 功能能够提高小区吞吐量2.9～3.5倍。

5）多用户分集和调度

CDMA2000 1X EV-DO 同一扇区内的用户间以时分复用的方式共享唯一的下行数据业务信道。1X EV-DO 系统默认采用比例公平（Proportional Fair）调度算法，此种调度算法使小区下行链路吞吐量最大化。当有多个用户同时申请下行数据传输时，扇区优先分配时隙给DRC/R 最大的用户，其中DRC为该用户申请的速率，R 为之前该用户的平均数据速率。可粗略地将其看作是多用户分集时间相等，即当用户无线条件较好时，尽量多传送数据；当用户信道条件不好时，少传或不传数据，将资源让给信号条件好的用户，避免自身的数据经历多次重传，降低系统吞吐量，并同时保持多用户之间的公平性。即为无线环境相当的用户比较均匀地分配无线资源，维持可接受的包延迟率。可以看出，每个用户的实际吞吐量取决于总的用户数量和干扰水平。

第三代移动通信系统：技术优化与进展

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