IMT2000中的無線傳輸技術(shù)

Abstract: On the basis of a comparison of the characteristics of different RTTs and taking into account the needs of the development of China's mobile communications and the interests of the country, its operators and its users, the author expresses the following view concerning the development of 3G in the country: First to develop and use CDMA TDD technologies and products developed on the basis of China's proposal on TD-SCDMA RTT and provide 3G services based on the GSM core network in large- and medium-sized cities, and then to consider building a full IP core network and using FDD technology and systems.

關(guān)鍵詞：無線傳輸技術(shù)(RTT)；第三代移動通信；核心網(wǎng)

Key words: radio transmission technology (RTT); 3G; core network
?
1 前言

　　在2000年5月的ITU-R全會上，通過了第三代移動通信的無線傳輸技術(shù)(RTT)的標(biāo)準(zhǔn)[1]-ITU建議ITU-R M.1457。 此標(biāo)準(zhǔn)還僅僅是第一個(gè)初步的版本，今后，每年還將在ITU-R WP8F工作組的組織下進(jìn)行完善和更新。對其中的主流技術(shù)CDMA，將在兩個(gè)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織內(nèi)進(jìn)行實(shí)際的工作：由3GPP完成CDMA-DS(WCDMA)和CDMA TDD的標(biāo)準(zhǔn)；由3GPP2完成CDMA-MC(CDMA2000)。在3GPP，今2000年的主要工作內(nèi)容是完成全I(xiàn)P的核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和完成CDMA TDD標(biāo)準(zhǔn)的集成(Integration)。對上述兩個(gè)內(nèi)容，在2001年上半年，3GPP將通過新的標(biāo)準(zhǔn)版本：R'00。而ITU-R WP8F將完成新版本的ITU-R M.1457，即正式使用的第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)。

　　我國現(xiàn)在有世界上最大的GSM移動通信網(wǎng)，目前仍然以每月超過200萬用戶的速度在增加，明年將成為國際上移動通信用戶最多的國家。在各大城市，GSM系統(tǒng)的頻譜資源即將枯竭，移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)成倍的增加，無線Internet接入已經(jīng)興起，各運(yùn)營商都希望獲得第三代移動通信的許可證并盡可能早地提供第三代移動通信業(yè)務(wù)，以在滿足市場需求的同時(shí)，在市場競爭中占據(jù)有利地位。

　　我國的移動通信制造業(yè)也將第三代移動通信看作一個(gè)10年難遇的契機(jī)，希望在第三代移動通信產(chǎn)業(yè)方面徹底改變由外國企業(yè)獨(dú)占我國市場的不利局面。各企業(yè)分別從第三代移動通信三種CDMA技術(shù)入手，進(jìn)行了技術(shù)準(zhǔn)備和產(chǎn)品開發(fā)。從2001年起，制造業(yè)將配合運(yùn)營商的要求，在國內(nèi)開展第三代移動通信的現(xiàn)場試驗(yàn)。在本文中，將對第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)情況作一個(gè)簡單介紹，對TDD模式的特點(diǎn)和TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)進(jìn)行說明，最后，對向第三代移動通信演進(jìn)的策略問題，提出作者的看法。

2 第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)的幾個(gè)問題

　　2.1 核心網(wǎng)問題

　　第三代移動通信的標(biāo)準(zhǔn)中，核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是進(jìn)度比較慢的部分。從90年代中開始制定標(biāo)準(zhǔn)以來到3GPP的R'99中確定的核心網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（見圖1），都是基于電路交換的網(wǎng)絡(luò)，在包交換方面，則是基于ATM技術(shù)，這是當(dāng)時(shí)技術(shù)發(fā)展歷史所決定的。如圖1所示，無線接入網(wǎng)通過Iuc接入電路交換的業(yè)務(wù)，通過Iup接入包交換的業(yè)務(wù)，而核心網(wǎng)本身則是基于GSM MAP核心網(wǎng)(具GPRS功能)的一個(gè)擴(kuò)充和升級。對第三代移動通信的要求，顯然是有距離的，也是一個(gè)過渡性的標(biāo)準(zhǔn)版本，此種核心網(wǎng)，恐怕只有日本為急于開通WCDMA系統(tǒng)而使用。

　　但就在同時(shí)，由于IP技術(shù)的進(jìn)展，很多公司從1999年起就強(qiáng)烈提出全I(xiàn)P核心網(wǎng)的概念，并被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織承認(rèn)，并將在R'00中完成標(biāo)準(zhǔn)化。

　　2．2 第三代以后的技術(shù)

　　在ITU WP8F第一次會議(2000年3月)上，就考慮到新技術(shù)的發(fā)展，并提出了第三代后的無線傳輸技術(shù)問題。目前主要考慮的是兩個(gè)主要的技術(shù)：智能天線(Smart/adaptive Antenna)和軟件無線電(Software Defined Radio)。要求各國對此兩個(gè)技術(shù)在IMT-2000中的應(yīng)用提出建議。

　　在IMT-2000的RTT中，只有我國建議的TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)明確提出要使用智能天線，并將物理層技術(shù)以智能天線來進(jìn)行設(shè)計(jì)。ITU和很多代表希望將此技術(shù)使用于FDD系統(tǒng)中，以全面提高第三代移動通信系統(tǒng)的性能和容量。而軟件無線電則是設(shè)備，主要是用戶終端設(shè)備的實(shí)現(xiàn)方式，不要再對每種模式開發(fā)一套專用芯片，而是基于通用的硬件平臺，用軟件來實(shí)現(xiàn)。今后的多模終端，必須用軟件無線電技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

　　2．3 ITU關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)完善提高的策略

　　作為一代移動通信標(biāo)準(zhǔn)，希望此標(biāo)準(zhǔn)能使用到2020甚至2025年，必然遇到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)相對穩(wěn)定性和新技術(shù)不斷涌現(xiàn)之間的矛盾。為解決此矛盾，使第三代移動通信的標(biāo)準(zhǔn)具有較長時(shí)間的生命力，在ITU和國際標(biāo)準(zhǔn)化組織內(nèi)，是用如下方式來處理的：

　　· 不斷研究新技術(shù)，對各種新的技術(shù)和可能的發(fā)展方向都留有足夠的時(shí)間和空間來討論和研究；
　　· 標(biāo)準(zhǔn)版本的修改更新，基本上每年一次，保證標(biāo)準(zhǔn)的相對穩(wěn)定性；
　　· 對小修改，每年均可進(jìn)行，由ITU-R WP8F批準(zhǔn)。此修改一定要向前兼容，以保證用戶的利益；
　　· 對較大修改，由各標(biāo)準(zhǔn)化組織提出，ITU-R WP8F討論，ITU-R大會通過；
　　· 對大修改，即完全新的技術(shù)，則必須由ITU-R大會批準(zhǔn)，由各標(biāo)準(zhǔn)化組織和ITU-R WP8F研究提出，再由ITU-R大會通過。

　　顯然，隨著今后技術(shù)的進(jìn)展，第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)將不斷更新和完善。

3 TDD和TD-SCDMA

　　在第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)制定過程中，國際上對無線通信中的TDD雙工方式第一次給予了高度重視，在CDMA和TDMA系統(tǒng)中都制定了TDD的標(biāo)準(zhǔn)。很多國家的營運(yùn)商都表示了首先選用TDD系統(tǒng)的愿望。其主要原因?yàn)樵谕瑯訚M足IMT2000要求的前提下，TDD系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

　　·各國對第三代移動通信需要大約400MHz的頻譜資源，在3GHz以下，頻率資源是非常困難的。TDD能使用各種頻率資源，不需要成對的頻率；

　　· 第三代移動通信業(yè)務(wù)中，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將占主要地位；而數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中，不對稱的IP型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)又最重要。TDD方式特別適用于上下行不對稱，具有不同數(shù)據(jù)傳輸速率的業(yè)務(wù)；

　　· TDD上下行工作于同一頻率，對稱的電波傳播特性使之便于使用諸如智能天線等新技術(shù)，達(dá)到提高性能、降低成本的目的；

　　· TDD系統(tǒng)設(shè)備成本較低，將可能比FDD系統(tǒng)低20%~50%。

　　傳統(tǒng)上，通信界一般認(rèn)為TDD系統(tǒng)的主要問題是在終端的移動速度和覆蓋距離等方面：由于TDD系統(tǒng)采用多時(shí)隙的不連續(xù)的傳輸方式，對抗快衰落和多普勒效應(yīng)的能力比連續(xù)傳輸?shù)腇DD方式差；另一方面，TDD系統(tǒng)中的平均功率和峰值功率的比隨時(shí)隙數(shù)的增加而增加，考慮到耗電和成本因素，用戶終端的發(fā)射功率不可能很大，故通信距離（小區(qū)半徑）就比較小。如FDD系統(tǒng)的小區(qū)半徑可能達(dá)到數(shù)十公里而TDD系統(tǒng)一般不超過十公里。本文中，我們將說明，上述兩個(gè)問題已經(jīng)在TD-SCDMA系統(tǒng)中基本解決了。

　　3．1 移動速度問題

　　移動速度的主要限制是多普勒效應(yīng)所產(chǎn)生的頻移和快衰落，它們都需要基帶數(shù)字信號處理技術(shù)來克服。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，基帶數(shù)字信號處理技術(shù)是基于智能天線和聯(lián)合檢測，其限制在設(shè)備基帶數(shù)字信號處理能力和算法復(fù)雜性之間的矛盾。我們最近的成果為：在移動速度為250km/h和UMTS(3GPP)移動環(huán)境下，TD-SCDMA系統(tǒng)全部碼道均使用時(shí)，鏈路仿真結(jié)果表明系統(tǒng)是能夠支持的。此結(jié)果和WCDMA系統(tǒng)相當(dāng)，證明TD-SCDMA同樣可以工作于高速移動條件。

　　3．2 通信距離問題

　　通信距離是由鏈路估算來說明的。在同等發(fā)射功率，同樣衰落環(huán)境和同樣接收靈敏度下，不同CDMA系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有基本相同的通信距離。對此，TD-SCDMA和WCDMA沒有明顯差別。

　　另外一個(gè)TDD系統(tǒng)的特殊要求是上下行之間必須要一個(gè)保護(hù)時(shí)隙，予留給遠(yuǎn)距離的用戶終端，以達(dá)到上行同步。目前TD-SCDMA系統(tǒng)的保護(hù)時(shí)隙可以提供的通信距離為12 km，但是，當(dāng)要求提供通信半徑超過10 km的基站時(shí)，可以提高網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)設(shè)置，少使用一個(gè)上行時(shí)隙，則小區(qū)半徑就僅僅取決于發(fā)射功率，和FDD系統(tǒng)相同。雖然少使用一個(gè)上行，系統(tǒng)容量減少了14%，但仍然比其它系統(tǒng)高50%以上。

　　以上情況說明，移動通信一定是以FDD為主流的傳統(tǒng)論點(diǎn)已受到挑戰(zhàn)，TDD系統(tǒng)在第三代移動通信中的位置已不可動搖。第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)的前景是一個(gè)共同的網(wǎng)絡(luò)（全球的IP網(wǎng)絡(luò)），衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)用來完成全球無縫覆蓋，F(xiàn)DD或TDD系統(tǒng)均可用來建設(shè)全國和國際移動通信網(wǎng)，而TDD系統(tǒng)用來在城市人口集中地區(qū)提供高密度和高容量的話音、數(shù)據(jù)及多媒體業(yè)務(wù)則有明顯優(yōu)勢，用雙模甚至多模用戶終端來實(shí)現(xiàn)全球漫游。
大家知道，在CDMA TDD模式下，有兩個(gè)不同碼片速率的選項(xiàng)：UTRA TDD和TD-SCDMA。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)在高層信令和部分物理層技術(shù)是相同的。但是，此兩個(gè)技術(shù)的設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)是不同的，使用的技術(shù)也有差別，導(dǎo)致其主要特性和用途均不同。通過比較，TD-SCDMA在前述TDD的優(yōu)勢上更為突出，并有比其它系統(tǒng)高得多的頻譜利用率。更重要的是：UTRA TDD是WCDMA(FDD)系統(tǒng)的一個(gè)補(bǔ)充，是一個(gè)使用于室內(nèi)環(huán)境，提供數(shù)據(jù)和多媒體的系統(tǒng)；而TD-SCDMA是基于ITU對IMT-2000的全部要求來設(shè)計(jì)的，它解決了移動速度和小區(qū)半徑等TDD的問題，它本身就可以組成一個(gè)完整的蜂窩網(wǎng)絡(luò)。

4 TD-SCDMA是由第二代向第三代演進(jìn)的首選技術(shù)

　　根據(jù)國內(nèi)外多數(shù)預(yù)測，在21世紀(jì)前十余年，第三代移動通信的市場發(fā)展可能至少分為如下3個(gè)階段：

　　· 初期，2001~2005年。其特點(diǎn)為：第二代移動通信網(wǎng)（主要是GSM和IS-95CDMA）繼續(xù)發(fā)展和擴(kuò)大，在第二代移動通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，在局部地區(qū)（城市等用戶集中地區(qū)）提供第三代移動通信業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率限制在384 kbit/s及以下，地區(qū)或國際漫游依賴于第二代移動通信系統(tǒng)；

　　· 中期，2004~2010年。它是第三代移動通信系統(tǒng)的高速成長期，其特點(diǎn)為：第二代移動通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)停止發(fā)展，建設(shè)成功全國或全球覆蓋的第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)，全面達(dá)到IMT2000的各項(xiàng)要求。

　　· 后期，2010年以后，全球25%以上人口使用第三代移動通信系統(tǒng)，第四代移動通信設(shè)備開始進(jìn)入市場，提供更高速率的多媒體業(yè)務(wù)。

　　此市場發(fā)展預(yù)測也就是制定移動通信從第二代到第三代的演進(jìn)策略的依據(jù)。而所謂的演進(jìn)，就是考慮上述初期的情況和制定對策。

　　本文所建議的演進(jìn)過程可以分為如下兩個(gè)階段：

　　第一階段是在第二代網(wǎng)絡(luò)中提供第三代移動通信業(yè)務(wù)。如對現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)，在它擴(kuò)容時(shí)，使用TD-SCDMA的BSS（基站子系統(tǒng)），同時(shí)在用戶集中地區(qū)，在現(xiàn)有GSM基站的站址增加TD-SCDMA基站。使用TD-SCDMA/GSM雙頻雙模用戶終端，這些初期的3G用戶在TD-SCDMA基站覆蓋區(qū)內(nèi)，可以享受3G服務(wù)。在覆蓋區(qū)域以外，則使用GSM工作。顯然，此初期系統(tǒng)用戶在享受3G服務(wù)時(shí)，只能在同一BSS的TD-SCDMA基站之間實(shí)現(xiàn)越區(qū)切換，而GSM網(wǎng)絡(luò)的功能將不受影響。

　　用此方式，可以用比簡單地對GSM系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容更低的投入，不僅擴(kuò)大了容量，在用戶密集的地區(qū)為用戶提供了移動通信服務(wù)，解決了頻譜資源不足造成的容量問題。而且，還為最急需的地區(qū)提供了第三代移動通信的業(yè)務(wù)。同時(shí)，也為以后向第三代過渡打下了基礎(chǔ)。

　　到這一步，第三代移動通信的覆蓋范圍可能逐步達(dá)到城市一級，在大城市將有幾十到上百個(gè)第三代的BTS，系統(tǒng)將支持不同BSS之間的自動越區(qū)切換。當(dāng)然，還沒有達(dá)到全國和全球覆蓋，自動漫游還依靠GSM系統(tǒng)。

　　第二階段是過渡到第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)。到2004~2005年，第三代移動通信將進(jìn)入高速成長期，各國、各營運(yùn)商均將開始建設(shè)完整的第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)。我認(rèn)為此網(wǎng)絡(luò)將是基于全I(xiàn)P的網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，可以由RNC通過Iu接口進(jìn)入此全I(xiàn)P的核心網(wǎng)，也可能在基站(Node B)直接通過Iub接口進(jìn)入此核心網(wǎng)。對在第一階段中使用的設(shè)備來說，唯一需要升級更新的部分就是BSS軟件升級，滿足全I(xiàn)P核心網(wǎng)的要求。而網(wǎng)絡(luò)中投資最大的部分：BTS已經(jīng)在第一階段建設(shè)了，只有對其接口進(jìn)行軟件升級，不增加硬件的投入。此時(shí)，網(wǎng)中不僅有TDD的基站，也將有FDD的基站，此3G網(wǎng)將是一個(gè)全國覆蓋、國際漫游的完整的網(wǎng)絡(luò)。從第二代到第三代的演進(jìn)或過渡的過程將在上述基本上不大量增加新投資的過程中完成了。

5 小結(jié)

　　根據(jù)以上分析，我們不難得到如下結(jié)論：

　?。?）第三代移動通信標(biāo)準(zhǔn)(IMT_RSPC)是全世界各國十余年合作和艱苦工作的結(jié)晶，是現(xiàn)代無線通信技術(shù)發(fā)展的反映。而且，此標(biāo)準(zhǔn)也是在逐漸完善和更新的過程中。

　?。?）至2001年中在3GPP完成的R'00中，最主要的是完成了全I(xiàn)P核心網(wǎng)和CDMA TDD模式的標(biāo)準(zhǔn)集成。這樣，到全世界2002~2003開始建設(shè)第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，可以一步達(dá)到全I(xiàn)P網(wǎng)絡(luò)；在主流CDMA標(biāo)準(zhǔn)中只有一個(gè)TDD標(biāo)準(zhǔn)。

　?。?）在第三代移動通信技術(shù)中，TDD模式的無線傳輸技術(shù)在頻譜靈活性、提供不對稱業(yè)務(wù)和低價(jià)格等方面的優(yōu)勢已被國際上認(rèn)可。在提供移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別是IP型業(yè)務(wù)方面的優(yōu)勢，使TDD模式的系統(tǒng)在城市及其郊區(qū)有巨大的競爭力。

　?。?）我國提出的TD-SCDMA技術(shù)，原來作為一個(gè)完整的系統(tǒng)來設(shè)計(jì)，又采用了智能天線等先進(jìn)技術(shù)，在技術(shù)上被公認(rèn)有明顯優(yōu)勢。而且，完全可以使用于高速移動的環(huán)境，并可能通過提高發(fā)射功率來增加小區(qū)半徑，基本克服了TDD模式的缺點(diǎn)。根據(jù)此標(biāo)準(zhǔn)所開發(fā)的設(shè)備可以達(dá)到提供高頻譜利用率、靈活和低成本的目標(biāo)，在市場上將具有強(qiáng)的競爭能力。