通信学论文-第三代移动通信系统的研究现状和发展趋势.doc

通信学论文-第三代移动通信系统的研究现状和发展趋势摘要本文介绍了第三代移动通信系统的研究现状，分析和比较了分别以日本、美国和欧洲为主提出的W-CDMA、CdmaOne和TD-CDMA系统的技术特点，最后探讨了第三代移动通信系统的发展趋势。关键词第三代移动通信系统码分多址IMT-20001引言第三代移动通信系统是指能够满足国际电联提出的IMT-2000/FPLMTS系统要求的新一代移动通信系统。国际电联于1995年提出了IMT-2000/FPLMTS的评估标准，对未来蜂窝移动通信系统提出了较详细的要求。IMT-2000系统的基本特征有以下几点：球范围设计的高度兼容性；MT-2000中的业务与固定网络的业务兼容；质量；机体积很小，具有全球漫游能力；用的频谱为885MHz2025MHz，2110MHz2200MHz（共230MHz）1980MHz2010MHz，2170MHz2200MHz（限于卫星使用）动终端可以连接地面网和卫星网，可移动使用也可固定使用；线接口的类型应尽可能得少，而且具有高度的兼容性。从而可以看出未来的第三代移动通信系统要具有很好的网络兼容性，用户终端可在全球范围内几个不同的系统间实现漫游，不仅要为移动用户提供话音及低速数据业务，而且要提供广泛的多媒体业务，这就对无线接口提出了较高的要求。ITU已对IMT-2000的测试环境提出了具体要求，给出了表征IMT-2000系统的最低限度的参数，包括：支持的数据率范围，误码率要求，单向的时延要求，激活因子和业务量模型。根据ITU的要求，目前各大电信公司联盟均已提出了自己的第三代移动通信系统方案，主要以日本DoCoMo公司为首提出的W-CDMA；美国Lucent、Motorola等公司提出的CdmaOne；欧洲西门子、阿尔卡特等公司提出的TD-CDMA。总体来说，在第三代移动通信系统中采用CDMA技术已达成共识，但各自实现方案还有较大差别，下面分别介绍并比较。2三种方案的特点（1）W-CDMA系统由于欧洲的GSM系统已经在数字移动通信市场中占据了很大的份额，美国的窄带CDMA系统（IS-95）也正在迅速赶上来，而日本的第二代数字移动通信系统PDC仅限于国内使用，无法推广到其它国家，所以日本很早就开始从事第三代移动通信系统的开发工作，分别提出了基于TDMA（时分多址）和基于CDMA（码分多址）的第三代移动通信系统，希望在未来的市场中占据有利地位，尤其以DoCoMo公司（NTT）的W-CDMA系统最有竞争力，目前DoCoMo公司正在同爱立信、Motorola、Lucent，以及其它厂家合作，努力完善系统，争取在1998年完成样机，1999年进行商业试验。W-CDMA系统无线接口的基本参数为扩频方式：可变扩频比（4256）的直接扩频；载波扩频速率：4096Mchip/s；每载波带宽：5MHz（可扩展为10MHz/20MHz）；载波速率：16kbit/s256kbit/s帧长度：10ms；时隙长度（功率控制组）：0625ms；调制方式：QPSK功率控制：开环自适应闭环方式（功控速率16kbit/s）W-CDMA系统中采用导频符号相干RAKE接收机技术，解决了反向信道的容量限制问题，每个无线帧长度为10ms，分成16个时隙（timeslot），每个时隙长度为0625ms，在每个时隙的前部插入全“1”或全“0”的导频符号进行信道参数估计，这种方法在其它系统的调制中也有采用的，但W-CDMA系统将从导频符号得到的衰落信道的振幅和相位信息，作为RAKE接收机最大比值合并的加权系数，取得了很好的效果。与IS-95不同，W-CDMA系统不采用GPS精确定时方式，不同基站间不采用精确定时，优点是摆脱了美国GPS系统的控制，可采用较为自由的信道管理方式。缺点是需要快速实现小区搜索。自适应阵列天线技术可以增加系统容量，而干扰消除技术可以减少高速率用户对系统造成的干扰。虽然这两种技术在实际应用中还有许多问题尚未解决，但日本正努力在W-CDMA系统中采用这两项技术。自适应阵列天线技术已经有很多文章论述过，这里不再介绍。干扰消除技术实际上是多用户检测技术的一种实现方式。采用23级干扰消除器，容量可增加30。另外，W-CDMA系统采用了精确的功率控制，即采用基于SIR（信噪比）的开环闭环的功率控制方式，在业务信道帧中插入功率控制比特，插入速率16kbit/s，比IS-95的功控速率增加一倍，可以跟踪一般的快衰落过程。（2）CdmaOne系统CdmaOne是Lucent、Motorola、Nortel、Qualcomm和三星联合提出的第三代移动通信系统方案，是从IS-95和IS-41的标准发展而来，因此它与AMPS、DAMPS和IS-95均有较好的兼容性。同时，又由于它采用了一些新技术，使其能完全满足第三代移动通信系统即IMT-2000/FPLMTS的要求，其无线接口参数如下：载波带宽：5MHz（可扩展为10/20MHz）扩频方式：采取直接扩频或多载波扩频；扩频速率：36864Mchip/s；扩频码长度：可根据无线环境和数据速率而变化；帧长度：20ms；时隙长度（功率控制组）：125ms；调制方式：下行QPSK，上行BPSK；功率控制：开环闭环方式（功控速率800bit/s）。CdmaOne扇区内采用连续导频信道广播，能提供独立于传输速率的功控、定时和相位纠正，能以较小的复杂度提供基站的快速捕获和邻近基站的快速搜索。与IS-95相同的短码结构加上Walsh函数使信道之间正交，高速（800bit/s）前向链路功控使前向链路平均发射功率最小化。调制方式采取多载波方式和直扩方式。这两种方式有相同的信息传送率和实现复杂度。多载波CDMA链路在5MHz带宽内有3个125MHzCDMA载波，10MHz带宽则有10个125MHz载波。多载波CDMA前向链路信号与IS-95前向链路信号正交，编码后的信息符号同时在多个CDMA载波上传送，由此带来的频域分集等效于将信号扩展到整个带宽。导频信号在IS-95与多载波业务信道重叠时可以共享，在相同的频段允许前向链路容量在IS-95和宽带用户之间动态共享，继续支持低成本/低功耗的IS-95手机用于话音和低速数据业务。直接扩频链路扩频速率为36864Mchip/s，采用256位的Walsh码。Walsh码的长度可根据无线环境和数据速率而变化，在信道速率为96kbit/s或者144kbit/s时采用256位Walsh码；快速移动的用户可限制Walsh码长大于等于16位；用户在无线信道情况较好时，可采用4位的Walsh码以实现最高的数据速率。（3）TD-CDMAUMTS是ETSI针对第三代移动通信系统IMT-2000提出的解决方案，目前又分为2个子方案即由德国的kaiserslautern大学、西门子公司、阿尔卡特公司提出并得到GSM网络运营者支持的TD-CDMA系统和由NTTDoCoMo、爱立信公司、诺基亚公司提出的W-CDMA系统。TD-CDMA可以单独运营以满足ETSI/UMTS和ITU/IMT-2000的要求也可双模工作向后兼容GSM900和DCS1800，使第二代GSM900、DCS1800系统可以平滑过渡至IMT-2000，从而可以利用现有的GSM网络设备，节约了投资，其无线接口参数如下：每载波带宽：16MHz；每载波时隙数：8slot；帧长度：4615ms；时隙长度：577s；单位时隙信道数：8个；单位时隙传信率：8/16kbit/s；特征码扩频码长度：16bit；单位载波信道数：64个。从TD-CDMA的接入方式可以看出其兼有TDMA和CDMA的特点，是以TDMA为基本框架在每个时隙传送具有正交特征码的多用户信号，好处是能利用TDMA、CDMA的优点并克服各自的缺点且与GSM有较好的兼容性。TDMA的优势是已经通过了大量用户的试验和有全球最大的用户数；而CDMA的优势是可灵活提供可变速率业务和多径分集能力。单位载波信道数的增加所带来的好处是对于同样的小区用户数而言，收发信机个数降低，最多可达8倍，从而可降低基站设备的投资。TD-CDMA中的扩频调制不同于DS-CDMA，它具有很强的适应性，既可适应于GSM中所采用的QPSK/GMSK方式，又可适应于多载波CDMA和脉冲压缩（PulseCompression）CDMA，从而确保了对GSM系统的兼容性和对新技术的开放性。由于TD-CDMA系统接入方式的特殊性，从时域上已大幅度降低了多址干扰，加上小区复用系数为3，又从空间上隔离了部分多址干扰，仅考虑上述2项就比直扩CDMA要优越。另外，由于TD-CDMA用户数少，每时隙最多为8个信道，共有16个特征码字表示的信道，多用户信号是同步的，从而决定了联合检测（即多用户检测）容易实现，且可进行最大似然检测以达到多用户检测的性能极限，大大降低了多址干扰。而在直扩CDMA中（如IS-95），由于反向信道异步和用户数多的特点使得多用户检测难以实现。3三种方案的性能比较这三种方案都是根据ITU的IMT-2000系统框架要求，结合原有的系统及近几年移动通信领域的新技术，能够在2000年左右推出商用的移动多媒体通信系统。下面我们从几方面比较一下这三种方案。（1）利用CDMA技术的程度CDMA技术主要有以下几个优点：小区复用系数为1，利用多