WCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

1、WCDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)1 CDM儂展歷程為了明確什么是W-CDMAI統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，有必要回顧一下蜂窩 移動通信的發(fā)展歷史。1949 年，Claude Shannon 等人首次給出了 CDMA!袈，1956 年， Price和Green提出RAK強收機的概念，1978年Cooper等人給出在蜂窩 移動通信系統(tǒng)中采用 CDMA勺建議。可以說 CDM腋術(shù)由來以久，但 CDMA 或者確切地說擴頻技術(shù)除了應(yīng)用在軍事領(lǐng)域外，還找不到更好的應(yīng)用。上個世紀(jì)80年代可以說是移動通信發(fā)展的重要時期，因為這個 時候幾乎同時萌芽了兩種重要的移動通信體制一種是TDM琳制，另一種是CDMA制。1987年，歐洲確立了下一

2、代移動通信體制將以TDM股術(shù)為主，談到CDMA寸則認(rèn)為是幾乎無法實現(xiàn)的體制，國內(nèi)的技術(shù)評論和分析 也大致給出了相似的結(jié)論，TDMA勺研究開發(fā)熱情最終導(dǎo)致一個幾乎被全球 接收的GS防口其它類似系統(tǒng)如 DAMP辱口 PDC而幾乎與此同時，一家美國 的公司Qua11comm則堅定地研究CDM被術(shù)，在當(dāng)時力量顯得非常微弱， 1989年Qua11comm進行了首次CDMAt驗，并在以后的年份驗證了兩項 CDMA 關(guān)鍵技術(shù)功率控制和軟切換，隨后通過網(wǎng)絡(luò)運營說明CDMA勺可行性。90年代中后期CDMAF究、開發(fā)熱潮正式來臨，就連老牌的TDM酸備制造商Ericcson也在3G中支持CDM腋術(shù)，Nokia很早就

3、在積蓄 CDMAb量，因 此出現(xiàn)這樣的局面，在 3G標(biāo)準(zhǔn)化進程中CDM械了主流技術(shù)，差異無非是 各種 CDMA勺變形如 MC-CDMADS-CDMA TD-SCDMA： TD-CDMA?。很容易提出這樣的問題，為什么幾乎同時萌芽的技術(shù),TDM姆已成熟并得到大規(guī)模商用，而 CDMAW后來才受到重視。單就技術(shù)原因來 看，CDM是更為復(fù)雜的技術(shù)，如果沒有功率控制等無線資源管理技術(shù)的支 持，CDMA勺性能比TDM健差，Qua11comm的主要貢獻正在于證實了 CDMA 系統(tǒng)無線資源管理的可能性。CDM/W究、開發(fā)熱潮白到來說明了 CDMAE 在趨于成熟，國內(nèi)有不少廠家已經(jīng)初步掌握了TDMA!術(shù)，彳!對

4、于CDMAE需要更多的努力。W-CDMA1 3G的主要RTT標(biāo)準(zhǔn)，與IS-95相比，采用了寬帶擴頻 技術(shù)，這樣能更好地利用 CDMA勺優(yōu)點如統(tǒng)計復(fù)用、多徑分辨和利用等， 總體上看 W-CDMAJ IS-95、CDMA 200皎有本質(zhì)不同，撇開IPR問題，所 有的不同點無非是怎樣才能更好發(fā)揮 CDMA勺優(yōu)勢、提高系統(tǒng)的性能如系 統(tǒng)容量、通信質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)覆蓋等。本文所指的W-CDM慶鍵技術(shù)并不是與IS-95、CDMA 200目比 W-CDMAI統(tǒng)特有的技術(shù)，而是在 W-CDMA、議框架范圍內(nèi)對系統(tǒng)性能有重 要影響的技術(shù)，如果沒有這些關(guān)鍵技術(shù)，W-CDMA達(dá)不到預(yù)期的目標(biāo)。整個W-CDMA統(tǒng)可分為兩大

5、部分即無線接入網(wǎng)部分和核心網(wǎng)部 分，兩部分的發(fā)展有很大的不同， 核心網(wǎng)受有線網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)發(fā)展影響很大， 而無線接入網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)一直是提高無線資源利用率和業(yè)務(wù)提供的靈活性， 本文所指的W-CDMA鍵技術(shù)僅限于無線接入網(wǎng)部分。本文所指的關(guān)鍵技 術(shù)不包括 W-CDM題絡(luò)部分。2 CDM版動通信環(huán)境和需要解決的問題CDMA的本質(zhì)-一種無線資源的統(tǒng)計復(fù)用方式移動通信系統(tǒng)需要解決的首要問題是多個用戶如何共享無線媒 體，也就是解決多址接入問題。已經(jīng)提出并實現(xiàn)了三種多址方式如FDMATDMA CDMIA SDMABI3依靠陣列天線來實現(xiàn)空分多址應(yīng)該是非常有前途的 第四種多址方式。在實際的移動通信系統(tǒng)中可能采用混合

6、多址方式如GSM采用了 FDMA/TDMA式，SDMAT以與FDMA TDMA CDM仲的任何一個組 合實現(xiàn)系統(tǒng)。移動通信系統(tǒng)的無線資源包括頻譜、時間、功率、空間和特征 碼等要素。從移動通信發(fā)展歷史看，提高無線資源利用率一直是追求的主 要目標(biāo)。FDMA TDMAf CDMA勺最大不同點在于：CDM麋統(tǒng)計復(fù)用資源， 每個載頻的所有用戶共享頻率、時間、功率資源，用戶之間只依靠特征碼 來區(qū)分；而FDMA TDM是固定分配資源，不同的用戶在頻率、時間、功 率資源上部分或全部不同，用戶之間有較好的隔離度。所有 FDMA TDMA 和CDMA勺技術(shù)差異都來源于這個不同點。以GSM（ TDMA為例，在移動通

7、信環(huán)境下，只要網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃尤其是 頻率規(guī)劃和干擾規(guī)劃比較合理，由于用戶之間有較好的隔離度（或者靠頻 率、或者靠時間），用戶之間的相互干擾比較容易控制，某個用戶增加或 減少功率都不會給使用不同無線資源的用戶造成很大影響，無線資源管理比較簡單，系統(tǒng)主要依靠目前是否有無線信道設(shè)備決定接入用戶，這是固 定分配資源帶來的好處，另外在 GSMfr采用了硬切換、慢速功率控制等技 術(shù)，固定分配資源帶來的問題主要是無線資源的利用率比較低，最明顯 的例子是語音通信，當(dāng)用戶不說話時頻率資源被白白浪費掉。在IS-95(CDMA)系統(tǒng)中，不同的用戶具有不同的特征碼， 頻率規(guī) 劃比較簡單，但CDM原統(tǒng)覆蓋和容量覆蓋需要很好的

8、協(xié)調(diào)，如果某個小 區(qū)業(yè)務(wù)負(fù)載過重則會導(dǎo)致覆蓋范圍減小甚至?xí)霈F(xiàn)覆蓋盲區(qū)，在IS-95中采用了軟切換、快速功率控制等技術(shù)，無線資源管理如接入控制比較復(fù)雜， 這是統(tǒng)計復(fù)用資源帶來的問題，CDM相來的好處是無線資源的利用率比較 高，還以語音通信為例，依靠 DTX技術(shù)可以使同一小區(qū)內(nèi)的無線資源得到 最大限度的利用。要給出FDMA TDM保口 CDM顏譜利用率和實現(xiàn)復(fù)雜度上的比較 是一個復(fù)雜的問題，盡管TDM厭口 CDM唐B可以在技術(shù)框架限定范圍內(nèi)不斷引入新技術(shù)來提高系統(tǒng)性能，理論分析表明CDM府網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和無線資源管理等技術(shù)的配合下，比 TDMAT更高的頻譜利用率。移動通信環(huán)境移動通信環(huán)境至少包括無線信

9、道和業(yè)務(wù)兩個方面。在移動通信系統(tǒng)中，信號的傳播由于移動、散射和衰落將導(dǎo)致 復(fù)雜的電磁行為，具體表現(xiàn)在信號的時延、頻率和角度擴展。時延擴展使 得接收端得到多個拷貝的信號，而且這些信號之間并沒有很明確的關(guān)系，時延擴展將直接導(dǎo)致碼間串?dāng)_ISI ;頻率擴展將導(dǎo)致信號的時間衰落；角度擴展將導(dǎo)致信號的空間衰落。移動通信系統(tǒng)中業(yè)務(wù)環(huán)境也是系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的重要因素。 W-CDM移動通信系統(tǒng)與2G移動通信系統(tǒng)有很大的不同，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)將占很 大的比重，而且不同的業(yè)務(wù)具有不同的QoS比如占有不同的帶寬、具有不同的誤碼率等，無疑這要求無線資源管理算法能夠按需為用戶分配資 源。業(yè)務(wù)環(huán)境還包括業(yè)務(wù)的空間分布和時間分布，W

10、-CDM砥統(tǒng)中存在大量的突發(fā)到達(dá)業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)的空間分布可能取非均勻分布形式，用戶可能在某 些區(qū)域發(fā)起呼叫的可能性較大。盡管W-CDMAJ IS-95 A在無線信道上沒有太大的差別，但業(yè)務(wù) 環(huán)境的復(fù)雜性將導(dǎo)致W-CDMAI統(tǒng)在處理業(yè)務(wù)時需要更復(fù)雜的機制。CDMA需要解決的主要問題如前所述，CDMA勺所有問題都來源于無線資源的統(tǒng)計復(fù)用，還 來源于移動通信環(huán)境的復(fù)雜性。CDMAK靠特征碼來區(qū)分用戶，在移動通信環(huán)境中將導(dǎo)致兩個問 題即多徑干擾和多址干擾，多址干擾又分本小區(qū)干擾和小區(qū)外干擾兩大 類。為了克服多徑干擾，需要特征碼有很好的自相關(guān)特性，而為了克服多 址干擾需要特征碼之間有良好的互相關(guān)特性，如何尋

11、找既有良好自相關(guān)又 有良好互相關(guān)的特征碼一直是 CDMAF究的主要問題之一，這方面的努力 還在繼續(xù)，比較遺憾的是 Welsh界告訴我們，自相關(guān)和互相關(guān)不可能同時做到都好，換句話說克服多徑干擾和多址干擾單從特征碼優(yōu)選的角度看只能取得某種折中，多徑干擾和多址干擾問題是CDM能動通信系統(tǒng)內(nèi)在問題，無論采用任何技術(shù)都只能減少多徑干擾和多址干擾的影響，而無法根 本上消除。CDMAW究的另外一個主要問題是依靠同步或準(zhǔn)同步來改善CDMA性能。多址干擾的表現(xiàn)形式主要是遠(yuǎn)近效應(yīng)，即功率強的用戶對功率 弱的用戶帶來的多址干擾比相反方向即功率弱的用戶對功率強的用戶帶 來的多址干擾要大，因此需要功率控制技術(shù)，平衡用戶

12、功率，GS岷管也采用了功率控制技術(shù)但區(qū)別在于兩個方面：GSM功率控制速率要慢得多；GSM對功率控制依賴程度要低，而 CDM股有了功率控制 將幾乎無法工作。為了克服多址干擾還可以利用物理層技術(shù)如RAK強收、多用戶檢測和智能天線。RAKE接收就是完成多徑分離合并功能，與 IS-95 A的不同之處 為，W-CDM層有高3倍的多徑分辨能力，另外在 W-CDMA統(tǒng)中，可以利 用用戶發(fā)射的導(dǎo)頻信息，在反向鏈路進行相干合并，對于 W-CDMA1論分 析顯示，若在反向鏈路采用 8個徑的RAKEg收,75%Z上的信號能量將被利用。RAK強收對于多址干擾的抑制能力取決于不同用戶特征碼之間的互相關(guān)性。RAKE接收將

13、來自其它用戶的干擾當(dāng)作白噪聲看待。多用戶檢測考慮到其它用戶的信息如用戶之間的相關(guān)特性是已知的，充分利用CDMA用戶特征碼的內(nèi)在結(jié)構(gòu)信息改善接收系統(tǒng)的性能。比較典型的多用戶檢測 算法有線性解相關(guān)算法和干擾抵消算法，線性解相關(guān)算法通過估計用戶之 間的相關(guān)矩陣同時檢測多個用戶的信息，干擾抵消算法則先將干擾信號扣 除掉，然后再進行信號檢測。多用戶檢測可以提高系統(tǒng)的容量，克服遠(yuǎn)近 效應(yīng)的影響。但關(guān)于多用戶檢測需要考慮：多用戶檢測算法運算復(fù)雜，實 現(xiàn)比較困難；多用戶檢測僅可用于改善上行鏈路的性能，只適合在基站使 用；多用戶檢測無法克服小區(qū)外干擾；適用于W-CDMAJ多用戶檢測算法較少。今后多用戶檢測努力的

14、方向是降低復(fù)雜度和針對W-CDMAI統(tǒng)進行設(shè)計。從目前商用化的情況看，智能天線可分為兩類即外掛式和內(nèi)嵌 式。前者如Metawave的方法，后者如 Arraycomm的方法，在開發(fā)全新的 W-CDMAS礎(chǔ)設(shè)施時，需要采用內(nèi)嵌式的方法，以便充分利用智能天線帶來 的全部優(yōu)越性，包括：增大通信距離，提供更大范圍的覆蓋，可以實現(xiàn)特殊需求的覆蓋；增加系統(tǒng)通信容量；與其它技術(shù)結(jié)合，提供無線電定位， 提供新的電信業(yè)務(wù)；改善通信質(zhì)量，降低誤碼率。W-CDM際統(tǒng)中，第三層涉及到了呼叫管理 CM移動管理 MMffl無線資源管理 RRME個部分，CMB MMW GSM GPR&目比有許多相似之處，W-CDMA勺RRl

15、W GSM!比則有很大的不同，作為無線資源管理至少需要 解決這樣的問題：(1)需要給用戶分配多少資源，例如用戶通信過程中需要分 配多少功率，再比如當(dāng)用戶初次發(fā)起呼叫時，根據(jù)用戶的QoS確定用戶所需要的無線資源；(2)當(dāng)前系統(tǒng)中還有多少無線資源？例如當(dāng)用戶初次發(fā)起呼叫 或者有用戶期望切換到本小區(qū)時系統(tǒng)需要首先估計本小區(qū)還有多少資源， 再與用戶期望的無線資源進行比較，以決定是否允許用戶接入。本文認(rèn)為特征碼優(yōu)選、同步 CDM麋如何設(shè)計一個 CDMA1袈的 問題，作為設(shè)備制造商、電信運營商應(yīng)該更多關(guān)注在一個 CDMAg袈內(nèi)改 善系統(tǒng)性能的技術(shù)?；谇懊娣治?，表1給出了 W-CDMAJ關(guān)鍵技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)備注l|UII1|軟件無線電設(shè)計Node B、RNC#系結(jié)構(gòu)切換、接入控制、擁塞控制、無線資源管理技術(shù)外環(huán)功率控制RAKES收、多用戶檢測、物理層技術(shù)智能天線、內(nèi)環(huán)功率控制特征碼優(yōu)選、同步CDMA與標(biāo)準(zhǔn)制定有關(guān)表1 W-CDMA關(guān)