基于ＣＤＭＡ的第３代移动通信系统

１ 概述

    以ＡＭＰＳ、ＴＡＣＳ为代表的第１代模拟移动通信系统和以ＧＳＭ、ＩＳ－５４、ＩＳ－９５和ＰＤＣ为代表的第２代数字移动通信系统主要是为话音业务设计的。尽管根据ＩＴＵ调制解调器和传真的标准，在这些网络上能传输一些辅助数据业务，但远远无法满足现代社会的要求。随着ＩＳＤＮ网络的商业化及笔记本电脑、掌上型电脑的日益普及，人们要求移动通信具有固定网络高质量、宽带化的特点。实现话音、数据和图像等业务的综合化，以使人们在任何时间、任何地点与任何人进行通信，是未来第３代移动通信系统的目标。未来第３代移动通信能提供的业务有：话音、遥测遥控、信用卡认证、接入数据库、寻呼、电子邮件、文件传送、终端仿真、传真、运动图像、多媒体（话音、文本、图像等的融合）等。

    目前，世界上从事第３代移动通信系统研究的国家和组织很多。由ＩＴＵ－Ｔ和ＩＴＵ－Ｒ联合成立的ＦＬＰＭＴＳ（ＩＭＴ－２０００）及欧洲的ＵＭＴＳ（ＡＣＴＳ）是进行这方面研究的两个相对独立又相互合作的组织。

２ 基于ＣＤＭＡ的第３代移动通信系统

    在进行第３代移动通信系统无线接口的设计时，涉及到许多相互矛盾的要求，如速率、误码率、时延特性、总效率、实现复杂性等。要从系统的角度出发，进行折衷处理，使每种业务都能很好地综合在系统内。在频分多址（ＦＤＭＡ）、时分多址（ＴＤＭＡ）和码分多址（ＣＤＭＡ）技术中，ＣＤＭＡ技术以其容量大、频带利用率高等特点而成为第３代移动通信系统研究的热点。当前，基于ＣＤＭＡ的第３代移动通信系统的大部分技术来源于第２代ＩＳ－９５ＣＤＭＡ系统，为了满足第３代移动通信系统的要求，需要对其进行一些技术上的改进。下面简要介绍一些基于ＣＤ-ＭＡ的第３代移动通信系统所采用的新技术。

２．１ 多扩频带宽

    为了利用有限的频率资源，一般采用多扩频带宽。带宽是依据每个用户所要求的最大数据速率而定的。对于话音及话音带宽内的数据业务，一般选用窄带，例如１．２５ＭＨｚ或５ＭＨｚ的带宽，可减小接收机前端的复杂性及功耗。而对于高速数据业务，则分配一个较高的扩频带宽（例如１０ＭＨｚ或２０ＭＨｚ）。

２．２ 长短码结合方案

    为了便于系统扩展及操作，一般选用两层扩频码（长码加短码）方案。各小区采用同样的正交短码集，而不同的小区则通过不同的长码来区分（如图１所示）。对于每个用户来说，它处理的扩频码为长码与短码之和。因为长码数近乎无限，而每个小区都可以用同样的短码集。这样做便于小区管理，也可以实现近乎自动的信道管理。而ＩＳ－９５不同，所有小区都是异步操作的。不同小区的识别通过快速小区搜索算法完成。

２．３ 多码和变扩频增益

     对于不同速率的业务有两种传输系统：多码ＣＤＭＡ系统和变扩频增益ＣＤＭＡ系统。所谓多码ＣＤＭＡ系统是选定一个基本速率，当用户业务速率为基本速率的Ｗ倍时，将其业务数据流转换为Ｗ个并行的基本速率业务流，再给每个基本速率业务分配一个扩频码，简单地说就是用Ｗ个并行的扩频序列传输一个速率为Ｗ倍基本速率的业务。所谓变扩频增益ＣＤＭＡ系统是指在扩频带宽固定的情况下，不同速率的业务以不同的扩频增益进行传输。这两种传输方法各有优缺点。变扩频增益ＣＤＭＡ系统，扩频码较难设计，而且当数据速率较高时，扩频增益变得过小。而多码ＣＤＭＡ系统由于传输信号的包络变化很大，不适于在手机中应用。目前采用的方案是下行链路采用多码ＣＤＭＡ系统，而上行链路采用变扩频增益的办法，只有当上行链路传输的数据速率很高时，才采用多码ＣＤＭＡ系统。

２．４ 相干检测

    上、下行链路都使用相干检测，这时信道估计通过导频信号完成。有两种导频信号的插入方法：“外插”及“内插”导频信号。

“内插”导频是指在每一帧的帧头插入导频符号。接收机在收到导频符号后，通过“内插”的办法对一帧内的信道变化作出估计。

    “外插”导频是通过一个码信道连续传送导频信号，接收端对导频信道进行估计，并将其结果用于其它码信道。可以在下行链路中采用“外插”导频法，而在上行链路中采用“内插”导频法。

２．５ 面向连接的分组传输

    变速率传输的基本原理也可以用于面向连接的分组传输。因为分组数据通常是突发的，因此在一帧中，一般要么出现最大速率的数据分组，要么没有任何数据，这就是不连续传输（ＤＴＸ）。

    在ＤＴＸ期间，由控制信道追踪信道变化并保持同步，还要监测链路以判断是否需要过境切换。这一点对于分组业务特别重要，因为ＤＴＸ会持续许多帧。

２．６ 盲速率检测

    对于相干检测ＣＤＭＡ系统，采用盲数据率检测法来实现变速率数据的传输。变速率数据首先进行循环冗余码校验（ＣＲＣ）块编码，然后进行卷积编码，成帧交织。

    在接收端，接收机并不知道每帧的数据传输速率，接收机仅知道可能结束的比特的位置。经过Ｒａｋｅ接收和最大比合并后的数据送入软判决维特比译码器。在每个可能结束的比特的位置，维特比译码器通过“残存”路径得到假设的发射数据序列。假设的发射数据序列进行ＣＲＣ检错，如果没有错误，就认为假设的发射序列为实际的发射序列，送至发射机发射。

２．７ 干扰相消

    第３代移动通信系统将采用的一个重要的新技术是多用户检测技术。在上行链路中，由于异步传输及多径衰落，总存在多址接入干扰。传统接收机采用单用户检测，其性能受到多址接入干扰的严重限制，降低了系统的容量。为了克服传统ＣＤＭＡ接收机的缺点，人们提出了各种多用户检测方法，目前可归纳为干扰相消和联合检测两种办法，而干扰相消方法因实现相对简单而成为研究的重点。

干扰相消法是先用传统方法得到最强用户的估计干扰，然后估计最强用户对其它用户造成的干扰并从接收信号中减去这部分干扰。在剩下的用户中再找出最强用户，得到其估计干扰，并从接收信号中消除其带来的干扰，依次类推，最后估计出最弱的用户。

    理论分析和计算机模拟表明，单级干扰相消器并不能使接收机的性能提高很多。一种改进的方法是采用多级干扰相消器，在一级干扰相消器后面加入几级干扰相消器。

２．８ 基于业务质量的自适应功率控制

    一般情况下，干扰相消器可以极大地减小多址接入干扰的影响，有效地克服远近效应。但阴影效应和瑞利衰落的影响依旧，为此可使用自适应发射功率控制。此时的功率控制与传统的功率控制不同，它是基于业务质量的功率控制，其目的不再是使到达基站接收机的各用户的功率尽可能相等以减小多址干扰和克服远近效应，而是为了消除阴影效应和瑞利衰落的影响，在保证业务质量的前提下尽可能降低发射机的平均发射功率，这一点对节省移动台的功耗十分重要。

    前述的技术大部分是基于频分复用分割（ＦＤＤ）的，事实上，基于时分复用分割（ＴＤＤ）的ＣＤＭＡ也正日益引起人们的注意。与ＦＤＤ相比，ＴＤＤ的一个显著的优点是上、下行链路共用同一个频带，因此上、下行信道高度相关，可以完成许多ＦＤＤ难以完成的功能。

２．９ 功率控制

    在信号的传输过程中，信号衰减受３个因素的影响：传输距离、阴影效应和多径衰落。功率控制的目的是追踪信号衰减的变化，通过调整发射功率来补偿信号的衰减。传输距离、阴影效应引起的信号衰减变化比较缓慢，因此很容易得到补偿。而多径衰落与移动台的移动速度有关，移动台的移动速度越快，功率控制的补偿效果越差。

     在ＴＤＤ中，由于上、下行链路是时分复用的，因此不仅阴影效应在上、下行链路上引起的信号衰落是相关的，而且上、下行链路在多径衰落上也是高度相关的，因此在ＴＤＤ中仅需要使用开环功率控制即可，而在ＦＤＤ中则必须使用闭环功率控制。

     在ＴＤＤ中，由下行链路得到信号衰减的变化，然后使用外推估计上行链路信号的衰减，并据此改变发射机的功率控制因子。ＴＤＤ功率控制的变化范围可以很大，而无需象ＦＤＤ那样每次只能升、降一个固定的电平。

２．１０ 预选择性天线分集

    分集合并技术用于抗多径衰落非常有效。选择性分集是指接收机从独立的各径中选出最强径用于数据接收。这种分集接收方法实现起来比较复杂，不适用于移动台。但在某些环境下，天线分集能给移动台提供很好的接收效果。

在ＴＤＤ ＣＤＭＡ系统中，可以通过预选择性天线分集的办法实现移动台的分集接收。基站测量不同的接收天线上接收信号的强度，并从中选出最强的信号来解调数据。由于上行链路和下行链路的衰落高度相关，选择上行链路中接收信号最强的天线作为下一帧下行链路的发射天线，这样移动台仅用一个接收天线就实现了选择性天线分集。

２．１１ 预Ｒａｋｅ合并分集

    ＣＤＭＡ系统的一个重要特征是应用Ｒａｋｅ接收机并达到多径分集的目的。而Ｒａｋｅ接收机需进行大量的信号处理，功耗也较大。在ＴＤＤ ＣＤＭＡ系统中，可以认为在一段时间内上、下行链路的信道冲击响应是相同的。因此仅需在基站里对信道的冲击响应作出估计。在下行链路中，待传输的信号与估计的上行链路的信道冲击响应的复共轭相卷积，便得到待传输的预Ｒａｋｅ信号。信号经过下行信道传输后，在接收机端接收的信号等价于Ｒａｋｅ接收机的输出。因此，移动台无需对信道进行估计就可以实现Ｒａｋｅ合并分集。

由此可见，与ＦＤＤ相比，ＴＤＤ更适用于功耗要求小，实现简单的移动通信系统。

３  第３代移动通信手段发展趋势

    目前基于ＣＤＭＡ的第３代移动通信系统很多，例如：欧洲ＲＡＣＥ计划中的Ｒ２０２０ ＣＯＤＩＴ及ＡＣＴＳ计划中的ＡＣ０９０ＦＲＡＭＥ，日本ＡＲＩＢ中的３种基于ＣＤＭＡ／ＦＤＤ、两种基于ＣＤＭＡ／ＴＤＤ的系统，美国的ＩＳ－６６５等。其中以ＩＳ－６６５为基础的移动通信系统已经在１９９６年底进行了现场测试。ＡＲＩＢ在对５种基于ＣＤＭＡ的系统进行计算机模拟和现场测试后，决定将它们综合在一个基于ＣＤＭＡ的系统中。ＦＲＡＭＥ在ＣＯＤＩＴ和ＡＴＤＭＡ的基础上形成了两种空中接口，目前正在对这两种空中接口进行模拟和测试，预计１９９７年底得到两者的比较结果，并最终给出一个统一的空中接口。

    目前，第３代移动通信系统尚未形成统一的空中接口。未来的第３代移动通信系统是基于ＴＤＭＡ还是ＣＤＭＡ，或者是基于ＣＤＭＡ和ＴＤＭＡ相结合的技术是目前第３代移动通信系统争论的焦点。作为宽带ＣＤＭＡ系统，其目标是在不同的无线环境下进行各种不同速率、不同业务质量的集成。为了达到这个目标，可以在系统中采用不同的扩频带宽、扩频增益、数据速率和发射功率。

前面仅考虑了无线接口中的部分关键技术。事实上，对于宽带ＣＤＭＡ系统来说，它在很多方面还有许多问题需要解决。现有的移动通信系统通常被设计成孤立的网络或者仅仅是固定网络的补充，这与通信全球化的发展趋势是不完全相容的。第３代移动通信系统要求与未来的固定网络完全相容，而不仅仅是固定网络的补充。从网络和系统的概念看，要进行移动性管理和网络管理。对于移动性的管理，要求在业务质量、安全性、实时操作性等方面与现有网络的业务、无线容量、终端类型等方面相匹配，同时要求有限的位置更新、过境切换等。第３代移动通信系统要求在很宽的范围内适用，如何有效地解决位置更新、过境切换等将成为一个十分重要的问题。对于网络管理，合法用户数据的处理，网络的维护、收费、业务统计等仍在传统的网络管理（ＴＭＮ）模块内，而业务的管理、呼叫路由、业务间无线资源的管理等需要新的ＴＭＮ单元。从网络运营上看，要求能够提供无缝的无线覆盖。但未来的第３代移动通信系统所占用的频带中的一部分被无绳电话、办公系统及各种不同的公用网络操作者所共享，且这些不同的网络有不同的运营者，不同的移动特性，因此将来所需的无线资源管理要远胜于现在。□

（收稿日期：１９９７－０９－２０）

[摘要] 本文根据第３代移动通信系统的发展，简要介绍了基于ＣＤ-ＭＡ的第３代移动通信系统采用的一系列新技术，并提出了未来宽带ＣＤＭＡ系统还需解决的一些问题。

[关键词] 码分多址 扩频技术 多用户检测技术 功率控制

[Abstract] Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａ-ｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓ-ｔｅｍ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｂｒｉｅｆｌｙ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｐ-ｐｌｉｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＣＤＭＡ－ｂａｓｅｄ ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａ-ｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｐｒｏｐｏｓｅｓ ｓｏｍｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｈｉｃｈ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｓｏｌｖｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔ ｔｈｅ ｂｒｏａｄ-ｂａｎｄ ＣＤＭＡ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ．

[Keywords] ＣＤＭＡ Ｓｐｒｅａｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍｕｌｔｉｕｓｅｒ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ