第三代移動通信技術

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更新時間: 2013-09-07

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第三代移動通信系統(IMT-2000),在第二代移動通信技術基礎上進一步演進的以寬頻CDMA技術為主,並能同時提供話音和數據業務的移動通信系統亦即未來移動通信系統,是一代有能力徹底解決第一、二代移動通信系統主要弊端的最選進的移動通信系統。

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1 第三代移動通信技術 -第三代移動通信系統簡介

第三代移動通信系統一個突出特色就是,要在未來移動通信系統中實現個人終端用戶能夠在全球範圍內的任何時間、任何地點,與任何人,用任意方式、高質量地完成任何信息之間的移動通信與傳輸。可見,第三代移動通信十分重視個人在通信系統中的自主因素,突出了個人在通信系統中的主要地位,所以又叫未來個人通信系統。

第三代移動通信技術第三代移動通信技術

  眾所周知,在第二代數字移動通信系統中,通信標準的無序性所產生的百花齊放局面,雖然極大地促進了移動通信前期局部性的高速發展,但也較強地制約了移動通信後期全球性的進一步開拓,即包括不同頻帶利用在內的多種通信標準並存局面,使得「全球通」漫遊業務很難真正實現,同時現有帶寬也無法滿足信息內容和數據類型日益增長的需要。第二代移動通信所投入的巨額軟硬體資源和已經佔有的寵大市場份額決定了第三代移動通信只能與第二代移動通信在系統方面兼容地平滑過渡,同時也就使得第三代移動通信標準的制定顯得複雜多變,難以確定。
  伴隨芬蘭赫爾辛基國際電聯(ITU)大會帷幕的徐徐落下,在由中國所制訂的TD-SCDMA、美國所制訂的CDMA2000和歐洲所制訂的WCDMA所組成的最後三個提案中,幾經周折后,最終將確定一個提案或幾個提案兼容來作為第三代移動通信的正式國際標準(IMT-2000)。其中,中國的TD-SCDMA方案完全滿足國際電聯對第三代移動通信的基本要求,在所有提交的標準提案中,是唯一採用智能天線技術,也是頻譜利用率最高的提案,可以縮短運營商從第二代移動通信過渡到第三代系統的時間,在技術上具有明顯的優勢。更重要的是,中國的標準一旦被採用 ,將會改變中國以往在移動通信技術方面受制於人的被動局面;在經濟方面可減少、甚至取消昂貴的國外專利提成費,為祖國帶來巨大的經濟利益;在市場方面則會徹底改變過去只有運營市場沒有產品市場的畸形布局,從而使中國獲得與國際同步發展移動通信的平等地位。
  TD-SCDMA技術方案是中國首次向國際電聯提出的中國建議,是一種基於CDMA,結合智能天線、軟體無線電、高質量語音壓縮編碼等先進技術的優秀方案。TD-SCDMA技術的一大特點就是引入了SMAP同步接入信令,在運用CDMA技術后可減少許多干擾,並使用了智能天線技術。另一大特點就是在蜂窩系統應用時的越區切換採用了指定切換的方法,每個基站都具有對移動台的定位功能,從而得知本小區各個移動台的準確位置,做到隨時認定同步基站。TD-SCDMA技術的提出,對於中國能夠在第三代移動通信標準制定方面佔有一席之地起到了關鍵作用。
  顯然,第三代移動通信系統將會以寬頻CDMA系統為主,所謂CDMA,即碼分多址技術。移動通信的特點要求採用多址技術,多址技術實際上就是指基站周圍的移動台以何種方式搶佔通道進入基站和從基站接收信號的技術,移動台只有佔領了某一通道,才有可能完成移動通信。目前已經實用的多址技術有應用於第一代和第二代移動通信中的頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)和窄帶碼分多址(CDMA)三種。FDMA是不同的移動台佔用不同的頻率。TDMA是不同的移動台佔用同一頻率,但佔用的時間不同。CDMA是不同的移動台佔用同一頻率,但各帶有不同的隨機碼序,以示區分佈進行擴頻,因此同一頻率所能服務的移動台數量是由隨機碼的數量來決定的。多址技術的性能比較見表1所示。寬頻CDMA不僅具有CDMA所擁有的一切優點,而且運行帶寬要寬得多,抗干擾能力也很強,傳遞信號功能更趨完善,能實現無線系統大容量和高密度地覆蓋漫遊,也更容易管理系統。第三代移動通信所採用的寬頻CDMA技術完全能夠滿足現代用戶的多種需要,滿足大容量的多媒體信息傳送,具有更大的靈活性。
  隨著第三代移動通信系統標準的最後敲定,其終端設備也已初見端倪,浮出水面。愛立信公司最近推出的R320雙頻手機具有內置Modem、紅外介面、可進行圖形Internet瀏覽、遊戲、語音撥號及簡訊息服務。諾基亞公司推出的7100系列手機則可支持GSM網上的9.6kb/s數字通信和CDMA網上的14.4kb/s的數字通信,也具備了遊戲、語音撥號和簡訊息功能(圖1);另一款由諾基亞最新推出的媒體行動電話MP(Media Phone),則可以提供簡單的Web瀏覽。而Alcatel公司不僅為無線IP提供了WAP網點,還推出了「口袋大小」的Internet行動電話One Touch Pocket。該話機尺寸僅有116mm×59mm×15mm,可提供全屏幕顯示,採用鋰電池,通話時間可達3小時,待機時間為80小時,用戶使用該手機,可從中心局存儲、管理和恢復E-mail、語音郵件和傳真信息,用戶還可利用「文本-語音」新技術從該手機中收聽E-mail話音郵件,完成轉送傳真到任何一部傳真機上的工作。最近,摩托羅拉公司又推出了具有未來移動通信意義上的手機晶元,該晶元可以安裝在任何手機上,可使安裝了該晶元的手機在全球任何地方通信。總之,第三代移動通信設備不管是從功能方面、還是從外觀方面都將為用戶帶來新的技術革命。

2 第三代移動通信技術 -第三代移動通信系統的特徵


  根據IMT-2000系統的基本標準,第三代移動通信系統主要由4個功能子系統構成,它們是核心網(CN)、無線接入網(RAN)、移動台(MT)和用戶識別模塊(UIM),且基本對應於GSM系統的交換子系統(SSS)、基站子系統(BBS)、移動台(MS)和SIM卡四部分。其中核心網和無線接入網是第三代移動通信系統的重要內容,也是第三代移動通信標準制訂中最難辦的技術內容。
  第三代移動通信系統可以使全球範圍內的任何用戶所使用的小型廉價移動台,實現從陸地到海洋到衛星的全球立體通信聯網,保證全球漫遊用戶在任何地方、任何時候與任何人進行通信,並能提供具有有線電話的語音質量,提供智能網業務,多媒體、分組無線電、娛樂及眾多的寬頻非話業務。第三代移動通信系統的特點是:綜合了蜂窩、無繩、尋呼、集群、無線擴頻、無線接入、移動數據、移動衛星、個人通信等各類移動通信功能,提供了與固定電信網路兼容的高質量業務,支持低速率話音和數據業務,以及不對稱數據傳輸。第三代移動通信系統可以實現移動性、交互性和分散式三大業務,是一個通過微微小區,到微小區,到宏小區,直到「隨時隨地」連接的全球性衛星網路。下面,我們就來總結第三代移動通信的基本特徵和它與第二代移動通信系統的基本區別。
  1、第三代移動通信的基本特徵
  (1)具有全球範圍設計的,與固定網路業務及用戶互連,無線介面的類型儘可能少和高度兼容性;
  (2)具有與固定通信網路相比擬的高話音質量和高安全性;
  (3)具有在本地採用2Mb/s高速率接入和在廣域網採用384kb/s接入速率的數據率分段使用功能;
  (4)具有在2GHz左右的高效頻譜利用率,且能最大程度地利用有限帶寬;
  (5)移動終端可連接地面網和衛星網,可移動使用和固定使用,可與衛星業務共存和互連;
  (6)能夠處理包括國際互聯網和視頻會議、高數據率通信和非對稱數據傳輸的分組和電路交換業務;
  (7)支持分層小區結構,也支持包括用戶向不同地點通信時瀏覽國際互聯網的多種同步連接;
  (8)語音只佔移動通信業務的一部分,大部分業務是非話數據和視頻信息;
  (9)一個共用的基礎設施,可支持同一地方的多個公共的和專用的運營公司;
  (10)手機體積小、重量輕,具有真正的全球漫遊能力;
  (11)具有根據數據量、服務質量和使用時間為收費參數,而不是以距離為收費參數的新收費機制。
  2、寬頻CDMA與窄帶CDMA或GSM的主要區別

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  IMT-2000的主要技術方案是寬頻CDMA,並同時兼顧了在第二代數字式移動通信系統中應用廣泛的GSM與窄帶CDMA系統的兼容問題。那麼,支撐第三代移動通信系統的寬頻CDMA與在第二代移動通信系統中運行的窄帶CDMA和GSM在技術與性能方面有什麼區別呢?
  (1)更大的通信容量和覆蓋範圍。寬頻CDMA可以使用更寬的通道,是窄帶CDMA的4倍,提供的容量也要比它高4倍。更大的帶寬可改善頻率分集效果,從而可降低衰減問題。還可為更多用戶提供更好的統計平均效果。寬頻CDMA的上行鏈路中使用了相干解調,可提供2-3dB的解調增益,從而有效地改善了覆蓋範圍。由於寬頻CDMA的通道更寬,衰減 效應較小 ,可改善功率控制精度。其上、下行鏈中的快速功率控制還可抵消衰減,並可降低平均功率水平,從而能夠提高容量。
  (2)具有可變的高速數據率。寬頻CDMA同時支持無線介面的高低數據比特率,其全移動的384kb/s數據率和本地通的2Mb/s數據率不僅可支持普通話音,還可支持多媒體數據,可滿足具有不同通信要求的各類用戶。由於可變的高速數據率,可通過使用可變正交擴頻碼,使得發射輸出功率的自適應得以實現。應用中,用戶會發現寬頻CDMA要比窄帶CDMA和GSM具有更好的應用性能。
  (3)可同時提供高速電路交換和分組交換業務。雖然在窄帶CDMA與GSM移動通信業務中,只有也只需要與話音相關的電路和交換。但分組交換所提供的與主機應用始終「聯機」而不佔用專用通道的特性,可以實現只根據用戶所傳輸數據的多少來付費,而不是像現在的移動通信那樣,只根據用戶連續佔用時間的長短來付費的新收費機制。另外,寬頻CDMA還有一種優化分組模式,對於不太頻繁的分組數據,可提供快速分組傳播,在專用通道上,也支持大型或比較頻繁的分組 。同時,分組數據業務對於建立遠程區域網和無線國際互聯網接入的經濟高效應用也非常重要。當然,高速的電話交換業務仍然非常適應像視頻會議這樣的實時應用。
  (4)寬頻CDMA支持多種同步業務。每個寬頻CDMA終端均可同時使用多種業務,因而可使每個用戶在連接到區域網的同時還能夠接收話音呼叫,即當用戶被長時間數據呼叫佔據時也不會出現像現在常見的忙音現象。
  (5)寬頻CDMA技術還支持其他系統改進功能。第三代移動通信系統中的寬頻CDMA還將引進其他可改進系統的相關功能,以期達到進一步提高系統容量的目的。具體內容主要是支持自適應天線陣(AAA),該天線可利用天線方向圖對每個行動電話進行優化,可提供更加有效的頻譜和更高容量。自適應天線要求下行鏈中每個連接都有導頻符,而寬頻CDMA系統中的每個區中都使用一個公共導頻廣播。
  無線基站再也不需要全球定位系統來同步,由於寬頻CDMA擁有一個內部系統來同步無線電基站,所以不像GSM移動通信系統那樣在建立和維護基站時需要GPS(全球定位系統)外部系統來進行同步。因為依賴全球定位系統衛星覆蓋來安裝無線電基站,在購物中心和地鐵等地區會導致實施困難等問題。
  支持分層小區結構(HCS),寬頻CDMA的載波可引進一種被稱為「移動輔助異頻越區切換(MAIFHO)」 的新切換機制,使其能夠支持分層小區結構。這樣,移動台可以掃描多個碼分多址載波,使得移動系統可在熱點地區部署微小區。
  支持多用戶檢測,因為多用戶檢測可消除小區中的干擾並能提高容量。
  3、第三代移動通信增加的新業務
  (1)高速電路交換數據(HSCSD)業務是GSM向第三代移動通信兼容的一種軟體解決方案,它把單個業務通道的數據速率從9.6kb/s提高到14.4kb/s,並可把四條通道復用在一個時隙中,從而使數據經營者能夠提供高達57.6kb/s的傳輸速率,是目前數據傳輸速率的6倍。
  (2)通用分組無線業務(GPRS)是由諾基亞開發的基於IP解決方案的可使GSM運營者邁向多媒體無線業務以其兼容第三代移動通信系統的另一項新技術,可提供高達115kb/s的數據傳輸速率。
  (3)增強型數據速率(EDGE)業務是由GSM和TDMA廠商正在合作開發的基於未來移動通信系統的應用平台,它將能為未來移動通信系統IMT-2000提供高達384kb/s的移動速率業務。

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3 第三代移動通信技術 -第三代移動通信標準中的主要技術

  1、影響第三代移動通信的三大技術因素
  在第三代移動通信標準IMT-2000K中 ,提出了對頻譜和業務上的基本要求,即有名的2GHz頻段和384kb/s廣域網和2Mb/s本地網數據傳輸速率業務等。顯然,要實現第三代移動通信系統中的基本要求,首選必須解決頻譜、核心網路和無線接入三大技術因素。
  (1)必須確定全球統一的頻譜段。IMT-2000標準確定在2GHz左右的頻段,而美國聯邦通信委員會卻在1994年就把PCS定位在1.9GHz,並已拍賣,使得第三代移動通信系統建立統一頻譜出現了裂痕。
  (2)必須建立統一的核心網路系統。第三代移動通信系統標準將是在第二代移動通信系統的核心網路基礎上,逐步將電路交換演變成高速電路交換與分組交換相結合的核心網路。現在世界上存在兩大移動通信系統核心網路,即GSM-MAP和ANSI-41,國際電聯已決定將兩大網路都定為第三代核心網路。因此,要實現全球漫遊,就必須通過信令轉換器把它們連接起來,形成邏輯上的統一核心網路系統。
  (3)必須考慮多頻譜的無線接入方案。國際電聯稱之為無線傳輸技術(RTT)的無線接入方案,可以分為兩大類,一類是建立在現有頻段上把現有無線接入技術革新演變成能為第三代移動通信提供業務的RTT,這裡最重要的是考慮反向兼容要求,其中工作頻段在900/1800/1900MHz的GSM、北美的D-AMPS和窄帶CDMA(IS-95)都在考慮向第三代過渡的反向兼容性。一類是直接工作在新的頻段上,即IMT-2000制訂的2GHz頻段上,為第三代移動通信開發出新的無線傳輸技術,即寬頻CDMA技術。

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  2、第三代移動通信標準中的主要技術
  帶來第三代移動通信系統天翻地覆變化的當然是第三代移動通信中所採用的多種高新技術,這些高新技術是第三代移動通信系統的精髓,也是制訂第三代移動通信系統標準的基礎,了解這些技術就了解了第三代移動通信系統。下面我們就專門介紹幾項有可能應用於第三代移動通信系統中的技術。
  (1)TD-SCDMA技術。TD-SCDMA是中國唯一提交的關於第三代移動通信的標準技術,它使用了第二代和第三代移動通信中的所有接入技術,包括TDMA、CDMA和SDMA,其中最關鍵的創新部分是SDMA。SDMA可以在時域/頻域之外用來增加容量和改善性能, SDMA的關鍵技術就是利用多天線對空間參數進行估計,對下行鏈路的信號進行空間合成。另外,將CDMA與SDMA技術結合起來也起到了相互補充的作用,尤其是當幾個移動用戶靠得很近並使得SDMA無法分出時,CDMA就可以很輕鬆地起到分離作用了,而SDMA本身又可以使相互干擾的CDMA用戶降至最小。SDMA技術的另一重要作用是可以大致估算出每個用戶的距離和方位,可應用於第三代移動通信用戶的定位,並能為越區切換提供參考信息。總的來講,TD-SCDMA有價格便宜、容量較高和性能優良等諸多優點。
  (2)智能天線技術:智能天線技術是中國標準TD-SDMA中的重要技術之一,是基於自適應天線原理的一種適合於第三代移動通信系統的新技術。它結合了自適應天線技術的優點,利用天線陣列的波束匯成和指向,產生多個獨立的波束,可以自適應地調整其方向圖以跟蹤信號的變化,同時可對干擾方向調零以減少甚至抵消干擾信號,增加系統的容量和頻譜效率。智能天線的特點是能夠以較低的代價換得天線覆蓋範圍、系統容量、業務質量、抗阻塞和抗掉話等性能的提高。智能天線在干擾和雜訊環境下,通過其自身的反饋控制系統改變輻射單元的輻射方向圖、頻率響應及其他參數,使接收機輸出端有最大的信噪比。
  (3)WAP技術。WAP(Wireless Application Protocol,無線應用協議)已經成為數字行動電話和其他無線終端上無線信息和電話服務的實際世界標準。WAP可提供相關服務和信息,提供其他用戶進行連接時的安全、迅速、靈敏和在線的交互方式。WAP駐留在網際網路上的TCP/IP環境和蜂窩傳輸環境之間,但是獨立於所使用的傳輸機制,可用於通過行動電話或其他無線終端來訪問和顯示多種形式的無線信息。
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  WAP規範既利用了現有技術標準中適應於無線通信環境的部分,又在此基礎上進行了新的擴展。由於WAP技術位於GSM網路和網際網路之間,一端連接現有的GSM網路,一端連接網際網路。因此,只要用戶具有支持WAP協議的媒體電話,就可以進入互聯網,實現一體化的信息傳送。而廠商使用該協議,則可以開發出無線介面獨立、設備獨立和完全可以交互操作的手持設備Internet接入方案,從而使得廠商的WAP方案能最大限度地利用用戶對Web伺服器、Web開發工具、Web編程和Web應用的既有投資,保護用戶現有利益。同時也解決了無線環境所帶來的有關新問題。目前,全球各大行動電話製造商,包括諾基亞、愛立信、摩托羅拉和阿爾卡特在內,都已保證提供支持WAP的無線設備。
  (4)快速無線IP技術。快速無線IP(Wireless IP,無線互聯網)技術將是未來移動通信發展的重點,寬頻帶多媒體業務是最終用戶的基本要求。根據ITM-2000的基本要求,第三代移動通信系統可以提供較高的傳輸速度(本地區2Mb/s,移動144Kb/s)。現代的移動設備越來越多了(手機、筆記本電腦、PDA等),剩下的好像就是網路是否可以移動,無線IP技術與第三代移動通信技術結合將會實現這個願望。由於無線IP主機在通信期間需要在網路上移動,其IP地址就有可能經常變化,傳統的有線IP技術將導致通信中斷,但第三代移動通信技術因為利用了蜂窩行動電話呼叫原理,完全可以使移動節點採用並保持固定不變的IP地址,一次登錄即可實現在任意位置上或在移動中保持與IP主機的單一鏈路層連接,完成移動中的數據通信。
  (5)軟體無線電技術。在不同工作頻率、不同調製方式、不同多址方式等多種標準共存的第三代移動通信系統中,軟體無線電技術是一種最有希望解決這些問題的技術之一。軟體無線電技術可將模擬信號的數字化過程儘可能地接近天線,即將AD轉換器盡量靠近RF射頻前端,利用DSP的強大處理能力和軟體的靈活性實現通道分離、調製解調、通道編碼解碼等工作,從而可為第二代移動通信系統向第三代移動通信系統的平滑過渡提供一個良好的無縫解決方案。
  第三代移動通信系統需要很多關鍵性技術,軟體無線電技術基於同一硬體平台,通過載入不同的軟體,就可以獲得不同的業務特性,這對於系統升級、網路平滑過渡、多頻多模的運行情況來講,相對簡單容易、成本低廉,因此對於第三代移動通信系統的多模式、多頻段、多速率、多業務、多環境的特殊要求特別重要。所以在未來移動通信應用中有著廣泛的應用意義,不僅可改變傳統觀念,還將為移動通信的軟體化、智能化、通用化、個人化和兼容性帶來深遠影響。
  (6)多載波技術。多載波MC-CDMA是第三代移動通信系統中使用的一種新技術。多載波CDMA技術早在1993年的PIMRC會議上就被提出來了。目前,多載波CDMA作為一種有著良好應用前景的技術,已吸引了許多公司對此進行深入研究。多載波CDMA技術的研究內容大致有兩類:一是用給定擴頻碼來擴展原始數據,再用每個碼片來調製不同的載波。另一種是用擴頻碼來擴展已經進行了串並變換后的數據流,再用每個數據流來調製不同的載波。
  (7)多用戶檢測技術。在CDMA系統中,由於碼間不正交,會引起多址干擾(MAI),而多址干擾將會限制系統容量,為了消除多址干擾影響,人們提出了利用其他用戶的已知信息去消除多址干擾的多用戶檢測技術。多用戶檢測技術分為兩大類:線性多用戶檢測和相減去干擾檢測。在線性多用戶檢測中,對傳統的解相器軟輸出的信號進行一種線性的映射(變換)以期產生新的一組有希望提供更好性能的輸出。在相減去干擾檢測中,可產生對干擾的預測並使之減小。目前,CDMA系統中的多用戶檢測技術還存在一定的局限,主要表現在:多用戶檢測只是消除了小區內的干擾,而對小區間的干擾還是無法消除;演算法相當複雜,不易在實際系統中實現。多用戶檢測技術的局限是暫時的,隨著數字信號處理技術和微電子技術的發展,降低複雜性的多用戶檢測技術必將在第三代移動通信系統中得到廣泛的應用。

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