3G技術(shù)制式比較及后3G時代展望

3G技術(shù)制式比較及后3G時代展望
????????????????????? 2009年1月7日，工業(yè)和信息化部根據(jù)國務(wù)院會議精神，正式將3G移動通信運營牌照發(fā)放給中國電信、中國移動和中國聯(lián)通三家電信運營商，目前3G頻段也已經(jīng)正式分配。其中中國電信獲得的是cdma2000制式，頻段是1920-1935MHz和2110-2125MHz，其3G制式基于FDD（頻分雙工）模式；中國移動獲得的是TD-SCDMA制式，頻段是1880-1900MHz和2010-2025MHz，其3G標(biāo)準(zhǔn)基于TDD（時分雙工）模式；中國聯(lián)通獲得的是WCDMA制式，頻段是1940-1955MHz和2130-2145MHz，3G標(biāo)準(zhǔn)也基于FDD模式。根據(jù)工業(yè)和信息化部無線電管理局消息，相關(guān)分配方案已經(jīng)正式通知三大運營商。自此，中國的移動通信正式開啟了3G時代。
3G（3rd Generation）是指第三代移動通信。第一代模擬制式手機（1G）只能進行語音通話；第二代GSM、TDMA等數(shù)字制式手機（2G）便增加了接收數(shù)據(jù)的功能，如接受電子郵件或網(wǎng)頁；第三代與前兩代的主要區(qū)別是在傳輸聲音和數(shù)據(jù)的速度上的提升，它能夠在全球范圍內(nèi)更好地實現(xiàn)無縫漫游，并處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)，同時也要考慮與已有第二代系統(tǒng)的良好兼容性。為了提供這種服務(wù)，無線網(wǎng)絡(luò)必須能夠支持不同的數(shù)據(jù)傳輸速度，也就是說在室內(nèi)、室外和行車的環(huán)境中能夠分別支持至少2Mbps（兆比特／每秒）、384kbps（千比特／每秒）以及144kbps的傳輸速度。國際電信聯(lián)盟(ITU)目前確定了全球3G三大主流標(biāo)準(zhǔn)，分別是WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA和WiMAX。
3G是ITU在1985年提出的工作在2000MHz的頻段、預(yù)期在2002年左右商用的系統(tǒng)，當(dāng)時稱為陸地移動通信，即FPLMTS。1996年正式更名為IMT2000。1998年6月，各國標(biāo)準(zhǔn)化組織向國際電聯(lián)提交了各自的無線傳輸技術(shù)候選方案，共有16種。在這些技術(shù)當(dāng)中，以碼分多址技術(shù)作為第三代移動通信的主要技術(shù)。其中，最有代表性的主流技術(shù)有三種，分別是WCDMA技術(shù)、cdma2000技術(shù)和TD-SCDMA技術(shù)。其中，WCDMA是歐洲和日本支持的方案，cdma2000是由美國提出的方案，而TD-SCDMA則是第一個由中國提出、以我國知識產(chǎn)權(quán)為主的、被國際上廣泛接受和認(rèn)可的國際標(biāo)準(zhǔn)，采用的是TDMA和CDMA混合接入方案。WCDMA 和TD-SCDMA 是由3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃，一個成立于1998年12月的標(biāo)準(zhǔn)化機構(gòu)）開發(fā)和維護的規(guī)范，而CDMA2000是由3GPP2開發(fā)和維護的規(guī)范，這些技術(shù)都是以CDMA 技術(shù)為核心。這三種無線傳輸技術(shù)的具體技術(shù)參數(shù)如表1所示。
表1 三種無線傳輸技術(shù)參數(shù)比較
各項指標(biāo)?WCDMA?cdma2000?TD-SCDMA
擴展類型?單載波直接序列擴頻CDMA?多載波和直接序列擴頻CDM?時分同步CDMA
最小帶寬/MHz?5?1.25?1.6
碼片速率/Mcps?3.84?1.2288?1.28
幀長/ms?10?20?10
語音編碼器?AMR?可變速率聲碼器?AMR
擴頻因子（SF）?256-4?43-2?16-1
調(diào)制方式?上行：BPSK
下行：HPSK?上行：8PSK
下行：QPSK?上行：8PSK
下行：QPSK
雙工方式?FDD?FDD?TDD
基站間同步?異步（不需GPS）?同步（需GPS）?同步（主從同步）

cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA同屬3G的主流技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，其中cdma2000和WCDMA是FDD的標(biāo)準(zhǔn)，而TD-SCDMA則是一個TDD標(biāo)準(zhǔn)，這三種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)各有特色。WCDMA的主要關(guān)鍵技術(shù)在窄帶CDMA的技術(shù)基礎(chǔ)上有所改進：可適應(yīng)多種速率的傳輸，靈活地提供多種業(yè)務(wù)；BTS之間無需同步；優(yōu)化的分組數(shù)據(jù)傳輸方式；支持不同載頻之間的切換；上、下行快速功率控制；反向采用導(dǎo)頻輔助的相干檢測；充分考慮了信號設(shè)計對EMC的影響。cdma2000主要考慮了美國和韓國現(xiàn)有的IS-95商用系統(tǒng)的兼容性，采用了IS-95的軟切換和功率控制技術(shù)，幀長同樣為20ms,需要BTS之間的同步，主要改進在于：反向信道采用連續(xù)導(dǎo)頻方式；反向信道相干接收；前向發(fā)送分集；充分考慮了信號設(shè)計對EMC的影響等。TD-SCDMA采用TDD的模式，前向和反向可以使用相同頻率的同步時間間隔，其特點在于：能使用各種頻率，不需要成對的頻率；適用于不對稱的上下行數(shù)據(jù)速率；因前向和反向信道在同一頻率，可以采用智能天線等新技術(shù)以提高性能。
現(xiàn)有的移動通信業(yè)務(wù)都是對稱雙工語音業(yè)務(wù)和相應(yīng)的低比特率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。對于語音業(yè)務(wù)，每窄帶的業(yè)務(wù)信道被占用的帶寬是20-30KHz，通常整個頻譜會被再分為固定數(shù)量的業(yè)務(wù)信道。對稱成對頻帶上的FDD運行模式非常適合于對稱雙工的語音業(yè)務(wù)，因此在1G和2G時代，F(xiàn)DD成為移動通信系統(tǒng)的典型標(biāo)準(zhǔn)。然而，隨著移動用戶對高速數(shù)據(jù)處理能力的要求日漸增長，對3G 數(shù)據(jù)傳輸速率的要求也從8k bit/s 增長到2M bit/s。隨著每個用戶要求的頻帶和數(shù)據(jù)吞吐量的迅速增長，3G 要同時支持對稱和非對稱業(yè)務(wù)的混合業(yè)務(wù)，導(dǎo)致頻譜分配和頻譜管理發(fā)生了相當(dāng)大的變化。
由于要實現(xiàn)對稱和非對稱業(yè)務(wù)，實現(xiàn)靈活的、自適應(yīng)的頻譜分享是十分必要的。在FDD 系統(tǒng)中，由于其采用固定的上/下行鏈路分配，導(dǎo)致這個問題不能在頻域中被徹底解決。而TDD 模式是通過無線信道在時域里周期性重復(fù)的TDMA 幀結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，這個幀結(jié)構(gòu)被再分為幾個時隙，因而能在同一幀的不同時隙中發(fā)送上行業(yè)務(wù)（從移動終端到基站的通信業(yè)務(wù)）或下行業(yè)務(wù)（從基站到移動終端的通信業(yè)務(wù)）。也就是說，根據(jù)所傳輸數(shù)據(jù)的類型不同，上、下行鏈路上的頻譜可以被靈活地分配。當(dāng)從基站發(fā)送電子郵件和下載互聯(lián)網(wǎng)信息等非對稱數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時，更多的時隙將被分配給下行鏈路；當(dāng)進行語音電話等對稱業(yè)務(wù)時，上、下行業(yè)務(wù)占有相同的時隙，從而實現(xiàn)了對無線頻譜靈活的、自適應(yīng)的共享。
對于頻率規(guī)劃管理來說，采用TD-SCDMA后，不成對頻域更容易被分配和利用，自行解決了所有對稱和非對稱業(yè)務(wù)以及任何混合業(yè)務(wù)的上/下行鏈路資源分配的問題。因此，中國建議的TD-SCDMA 系統(tǒng)帶有無線資源靈活時域分配的顯著特點，對各種雙工業(yè)務(wù)的全球無線業(yè)務(wù)發(fā)展都可以說是一個里程碑。
與FDD的兩種標(biāo)準(zhǔn)WCDMA和cdma2000相比，TD-SCDMA也有其不足之處。比如，在對CDMA技術(shù)的利用方面，TD-SCDMA因要與GSM的小區(qū)兼容，小區(qū)復(fù)用系數(shù)為3，降低了頻譜利用率；因為TD-SCDMA采用多時隙不連續(xù)傳輸方式，頻帶寬度窄，不能充分利用多徑，抗快衰落和多普勒效應(yīng)的能力差，降低了系統(tǒng)效率，實現(xiàn)軟切換和軟容量能力較困難；系統(tǒng)平均功率與峰值功率之比隨時隙數(shù)增加而增加，受耗電制約，終端發(fā)射功率不大，小區(qū)半徑較小，一般不超過10公里，而FDD系統(tǒng)的小區(qū)半徑可以達到幾十公里。
FDD的兩種標(biāo)準(zhǔn)WCDMA和cdma2000都滿足IMT-2000提出的全部技術(shù)要求，包括支持高比特率多媒體業(yè)務(wù)、分組數(shù)據(jù)和IP接入等。這兩種系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)均基于DS-CDMA作為多用戶接入技術(shù)， WCDMA和cdma2000各具優(yōu)勢。WCDMA相對cdma2000的一些優(yōu)勢主要在于：
1) WCDMA使用的帶寬和碼片速率(3.84Mcps)是cdma20001x演進家族的三倍以上，因而能提供更大的多路徑分集、更高的中繼增益和更小的信號開銷。此外，更高的碼片速率也改善了接收機解決多徑效應(yīng)的能力。2) WCDMA在小區(qū)站點同步方面的設(shè)計是使用異步基站，而cdma2000基站則通常通過GPS實現(xiàn)同步，這將造成室內(nèi)和城市小區(qū)(采用室內(nèi)天線)部署的困難。3) WCDMA進行功率控制的頻率幾乎是cdma2000的兩倍，達到每秒1500次(1.5kHz)，因而能保證更好的信號質(zhì)量，并支持更多的用戶。
另外，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和市場推廣上，WCDMA占據(jù)著更大的優(yōu)勢。由于全球移動系統(tǒng)有85%都在用GSM系統(tǒng)，而GSM向3G過渡的最佳途徑就是歷經(jīng)GPRS演進到WCDMA。所以,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上的絕對優(yōu)勢使得cdma2000難以對WCDMA望其項背。
但是，另一方面，運營商在網(wǎng)絡(luò)演進過程中必須考慮由2G到3G的過渡成本問題。新的3G 網(wǎng)絡(luò)要能夠最大限度地利用已有的2G網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，包括核心網(wǎng)絡(luò)和基站設(shè)施。最好可以避免在初期不確定情況下大規(guī)模投資，采取一個逐步追加投資的過程，從而降低風(fēng)險，并且獲得長期的最大規(guī)模效益。
從GSM過渡到WCDMA的成本要遠遠高于從CDMA過渡到cdma2000，因為WCDMA只能兼容GSM的核心網(wǎng)，基站設(shè)施都需要重新建設(shè)，因此，WCDMA只能在原有GSM網(wǎng)絡(luò)之外另外建設(shè)一個獨立的3G網(wǎng)絡(luò)。而對于cdma2000,由于其延續(xù)了IS-95 的技術(shù)，系統(tǒng)的升級只需更換基站的信道板，終端的設(shè)計和元器件也有許多是相同的。原有的IS-95網(wǎng)絡(luò)設(shè)備商和終端設(shè)備商就可以很容易繼續(xù)提供對cdma2000系統(tǒng)和終端的支持。因此，運營商可以在極短的時間內(nèi)將 IS-95的系統(tǒng)升級為cdma2000，終端廠商也會非常容易地推出cdma2000的終端，從而大大提高了cdma2000網(wǎng)絡(luò)和終端的經(jīng)濟規(guī)模，也大幅降低了cdma2000的成本。尤為重要的是，從2G升級到3G的工程建設(shè)周期，cdma2000要遠遠快于WCDMA，這將是3G市場競爭中中國電信制勝的“法寶”。
展望后3G時代的技術(shù)潮流，能夠超越3G而實現(xiàn)個人通信“超級鏈接”的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)——3G長期演進技術(shù)LTE（簡稱LTE）將是未來發(fā)展的方向。LTE解決方案是3GPP組織發(fā)布的下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，由于美國高通公司在3G時代占據(jù)了技術(shù)的核心專利，LTE陣營處心積慮搞OFDM以繞開高通主要技術(shù)。與3G相比，LTE具有更高容量、更高頻譜效率和低時延的特點，并完全支持與3GPP2組織的CDMA網(wǎng)絡(luò)的互通。采用LTE技術(shù)，CDMA運營商可以融入到3GPP部署的移動網(wǎng)絡(luò)中，獲取規(guī)?；б妫С諰TE終端的全球漫游。
目前，移動無線技術(shù)的演進路徑主要有三條：一是WCDMA和TD-SCDMA，均從HSPA演進至HSPA+，進而到LTE；二是CDMA2000沿著EV-DO Rev.0/Rev.A/Rev.B，最終到UMB或LTE；三是802.16m的WiMAX路線。這其中LTE擁有最多的支持者。原本就運營GSM/WCDMA的英國沃達豐、日本NTT DoCoMo、西班牙電信、法國電信、美國AT&T和Verizon、中國移動等世界最主要電信運營商已經(jīng)決定采用或測試LTE技術(shù)。而全世界最優(yōu)秀的CDMA運營商也都在部署LTE或HSPA作為其的下一代網(wǎng)絡(luò)：美國Verizon、Alltel，日本KDDI、韓國SK電訊和韓國電信(KTF)、澳大利亞電信(Telstra)、和記電訊(澳大利亞、越南)，以及較小的加拿大貝爾和Telus、泰國CAT、新西蘭電信。因此，未來在寬帶無線移動技術(shù)領(lǐng)域，LTE將成為主流技術(shù)，并占據(jù)移動市場的大部分份額。