第三代移动通信系统与技术

第三代（３Ｇ）移动通信系统的主要目标是为用户提供无线接入多媒体应用服务，如视频／图像传输、无线接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ及ＩＰ网络各种服务（如浏览Ｗｅｂ网页，传递文件等），同时要实现无缝漫游。这就要求３Ｇ系统在技术上达到如下要求：无线数据速率达到１４４ｋｂｉｔ／ｓ～２Ｍｂｉｔ／ｓ；变速率分组数据传输；多用户有效地使用无线和网络资源；业务的灵活性和业务的复用等。

     为了实现上述目标和要求，国际上对３Ｇ系统在技术和标准上做了大量的研发工作。欧、日、美、韩等都提出了区域性的标准。由于３Ｇ系统是２１世纪全球性系统，要实现全球漫游，应当有统一的国际标准。因此ＩＴＵ在制订第三代移动通信标准——ＩＭＴ－２０００中担负了重要角色，它负责对区域性标准进行评估、协调，达成共识，制订统一标准。在这一过程中，要解决技术研发、经济和商业利益、政策等大量难题，这是一个艰难的历程。

１ ３Ｇ系统的研发及标准化工作

    近１０年来，对３Ｇ系统的技术和标准的研发主要有４个国家地区组织：欧洲ＥＴＳＩ、日本ＡＲＩＢ、美国ＴＩＡ和韩国ＴＴＡ。到目前为止研发工作主要集中在空中接口的技术标准上，在网络技术标准上也开展了不少工作。

     欧洲早在１０年前就开始了３Ｇ系统（ＵＭＴＳ）的研究计划，早期的ＲＡＣＥⅠ和ＲＡＣＥⅡ计划对基本无线传输技术和空中接口进行了研究，１９９５年ＡＣＴＳ计划中ＦＲＡＭＥＳ项目主要研究了无线宽带多址技术，提出了两种方案：ＦＭＡ１方案——宽带ＴＤＭＡ方案（有或无扩频）；ＦＭＡ２方案——Ｗ－ＣＤＭＡ方案。１９９７年ＥＴ-ＳＩ成立５个初步方案研究组（α、β、γ、δ、ε组）分别对５种类型空中接口方案进行评估：欧日的Ｗ－ＣＤＭＡ、ＦＭＡ１（无扩频，ＴＤＭＡ）、ＯＦＤＭ、ＦＭＡ１（有扩频，即ＴＤ－ＣＤ-ＭＡ）以及ＯＤＭＡ方案。其中，α组在欧日共同努力下，达成方案参数的协调（上行链路为ＦＭＡ２，下行链路为ＡＲＩＢ／Ｗ－ＣＤＭＡ）。１９９８年１月ＥＴＳＩ ＳＭＧ确定ＵＴＭＳ的空中接口标准（ＵＴＲＡ），同意ＵＭＴＳ ＦＤＤ部分采用α组协调的Ｗ－ＣＤＭＡ方案，而ＵＭＴＳ ＴＤＤ部分采用ＴＤ－ＣＤＭＡ方案。

    ＵＴＲＡ的关键要素是：

    Ｗ－ＣＤＭＡ／ＦＤＤ使用一对频段（１９２０～１９８０ＭＨｚ和２１１０～２１７０

ＭＨｚ）；

    ＴＤ－ＣＤＭＡ／ＴＤＤ使用非成对频段（共３５ＭＨｚ）；

    参数选择应使ＦＤＤ／ＴＤＤ双模式终端易实现。

    日本由ＡＲＩＢ的ＩＭＴ－２０００委员会负责评估、协调各种方案，结果确定集中在Ｗ－ＣＤＭＡ和ＭＴＤＭＡ两种方案上。１９９７年放弃ＭＴＤＭＡ和其它方案，并与ＥＴＳＩ合作协调Ｗ－ＣＤＭＡ方案。

    美国由ＴＩＡ的ＴＲ４５和ＴＲ４６负责移动和个人通信的标准。在ＴＲ４６．１中，一种Ｗ－ＣＤＭＡ空中接口方案已被作为无线本地环路的标准。１９９７年ＴＲ４５．３评估了几种Ｗ－ＣＤＭＡ建议，研发了宽带ｃｄ-ｍａＯｎｅ（或ｃｄｍａ２０００）方案，其后向兼容ＩＳ－９５。１９９８年的ＴＲ４５．３采纳了ＵＷＣＣ提出的基于宽带ＴＤＭＡ的ＵＭＣ－１３６方案。

    韩国ＴＴＡ提出了两个宽带ＣＤ-ＭＡ方案：ＴＴＡⅠ，其参数类似宽带ｃｄｍａＯｎｅ；ＴＴＡⅡ，其参数类似ＥＴ-ＳＩ／ＡＲＩＢ Ｗ－ＣＤＭＡ。

    在ＩＴＵ中，有ＩＴＵ－Ｒ ＴＧ８／１负责评估和协调各国家和组织提交的空中接口方案，制订ＩＭＴ－２０００空中接口标准（ＲＴＴ）。另外，还负责整个系统的体系结构。现在以宽带ＣＤＭＡ技术作为空中接口的主导技术已成定势，其中两个典型的方案是ＥＴＳＩ／ＡＲＩＢ Ｗ－ＣＤＭＡ（异步网络方案）和ＴＩＡ ｃｄｍａＯｎｅ（同步网络方案）。

     Ｗ－ＣＤＭＡ与ｃｄｍａＯｎｅ两种方案的主要差别是码片速率、下行链路信道结构和网络的同步方式。如何协调这两个方案，仍是ＩＴＵ－Ｒ的一项艰巨的任务。

     ＩＭＴ－２０００使用的频段已由世界无线电管理大会（ＷＡＲＣ’９２）确定在２ＧＨｚ频段上共有２３０ＭＨｚ带宽。

     ＩＭＴ－２０００的网络技术标准则由ＩＴＵ－Ｔ负责协调制订。目前已取得部分成果，如网络框架结构和网络的功能模型。

２ ３Ｇ系统的主要技术特点

    采用宽带（５ＭＨｚ）ＤＳ－ＣＤＭＡ使得３Ｇ系统在系统性能、业务能力和系统运行上相对２Ｇ系统有明显的改进和优越性，可满足第三代移动通信的目标要求。

２．１ 系统性能的改进

（１）系统能力的改进

    由于采用宽带、相干解调、快速功率控制等技术，不但使话音业务能力至少提高一倍（３ｄＢ），而且使高速分组数据能力大大提高。如一个Ｗ－ＣＤＭＡ载波可支持１３０个用户同时各以３８４ｋｂｉｔ／ｓ的分组速率接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ浏览Ｗｅｂ网页。此外，Ｗ－ＣＤＭＡ也支持自适应天线阵列、多用户检测和下行链路天线分集等技术，这些技术还可进一步改进系统的性能。

（２）覆盖性能改进

    由于语音业务性能提高，所以在ＧＳＭ１８００小区覆盖范围内使用Ｗ－ＣＤＭＡ可以提供更好的语音业务和１４４ｋｂｉｔ／ｓ电路交换数据业务，这使２Ｇ系统向３Ｇ系统过渡成为可能。

２．２ 业务的灵活性

（１）支持多种业务并保证业务质量

    采用正交可变扩频因子（ＯＶＳＦ）码、多码传输、多信道复接等技术和可变传输信道数据结构可支持多种业务。系统利用Ｗ－ＣＤＭＡ功率资源共享的特点，通过无线资源管理对信号和干扰功能控制使得系统在处理多种混合业务和变速率业务时具有很大的灵活性，同时也保证了各种业务的质量。

（２）自适应选择快速高效的分组接入方式

    系统根据对分组业务特征的估计来自适应地选择在公共和专用信道上的双模式的分组接入方式，可获得快速接入响应和最大的吞吐率。

２．３ 系统运行的灵活性

（１）无缝隙的频率切换

    在３Ｇ系统中，为了实现高系统容量和高移动性，采用了分层次的小区结构（ＨＣＳ），即小区划分为宏区、微区和微微区三个层次的伞形叠加结构。不同层次小区配置不同的频率。因此在不同层次小区间切换需要频率间切换。频率间切换是通过下行链路的时隙模式来实现的。

（２）支持自适应天线阵列

    这是通过专用的导频信道来实现的。

（３）ＴＤＤ模式

    ＥＴＳＩ ＵＴＲ／ＴＤＤ模式是基于ＴＤ－ＣＤＭＡ技术的。ＥＴＳＩ将协调Ｗ－ＣＤＭＡ的ＦＤＤ和ＴＤＤ两种模式的参数。这两种模式的主要差别在于ＴＤＤ模式包含附加的ＴＤＭＡ部分，它能采用动态信道配置方法避免干扰。这种避免干扰的能力对于在同一地域有几个系统不协调操作的情况下是很有用的，这也是ＴＤＤ模式的主要应用。

３ 空中接口技术

     Ｗ－ＣＤＭＡ空中接口的物理层、无线链路控制（ＲＬＣ）层和媒质接入控制（ＭＡＣ）层的工作机理。

３．１ 物理层

（１）物理信道的分类

     物理层工作机理可以用物理信道来描述。物理信道可分为公共和专用两种基本类型，按物理层向高层提供的服务，又可划分为５种传输信道：广播控制信道（ＢＣＣＨ）、前向接入信道（ＦＡＣＨ）、寻呼信道（ＰＣＨ）、随机接入信道（ＲＡＣＨ）、专用信道（ＤＣＨ）。

     前三种信道均为下行链路公共信道，ＲＡＣＨ为上行公共信道，而ＤＣＨ可以是上行或下行的。上行链路有２路专用物理信道：数据信道（ＤＰＤＣＨ）和控制信道（ＤＰＣＣＨ）。

（２）物理信道的结构及技术

     帧结构

     帧长１０ｍｓ，并分为１６个时隙。下行链路帧中的控制信息包括导频比特（Ｐｉｌｏｔ）、发送功率控制比特（ＴＰＣ）和传输格式指示（ＴＦＩ）。为了提高比特率，多个信道可并行传输。

    扩频调制（专用信道）

    上下行链路均采用ＱＰＳＫ调制，利用ＯＶＳＦ码作为信道特征码进行扩频，以ＰＮ码扰码。ＯＶＳＦ码的正交性和可变扩频因子是提供业务灵活性的关键因素。

    下行链路公共控制物理信道（ＣＣＰＣＨ）

    其特点是采用固定速率（无ＴＦＩ和ＴＰＣ，只含Ｐｉｌｏｔ）和公共信道特征码。ＣＣＰＣＨ又分主ＣＣＰＣＨ（ＢＣＣＨ）和次ＣＣＰＣＨ（ＦＡＣＨ、ＰＣＨ）两种。ＣＣＰＣＨ是移动台首先获取的信道。

    传输信道编码／复用

    多个传输信道并行地通过信道编码、交织和时分复用成为一个合成的传输信道ＣＣ－ＴｒＣｈ。信道编码和交织方案可以根据差错率、时延等因素来选择。

    速率匹配

    其作用是将ＣＣ－ＴｒＣｈ比特率匹配到上下行物理信道比特率组中之一。速率匹配包括静态和动态两种。

（３）物理层的操作

    随机接入

   采用时隙Ａｌｏｈａ方式。移动台（ＭＳ）接入过程可分为４步：在ＢＣＣＨ上获取有关信息、接入装备、在ＲＡＣＨ上发送请求突发、在ＦＡＣＨ上等待确认。

    小区搜索

    小区搜索是以异步操作方式进行的。基站在ＣＣＰＣＨ（ＢＣＣＨ）上并行发出两种同步码：主同步码（ＰＳＣ）和次同步码（ＳＳＣ）。ＰＳＣ使移动台获得时隙同步，ＳＳＣ用于帧同步和获得长扰码组，再以相关方法搜索到一个长扰码。

    软切换

    虽然基站（ＢＳ）操作是异步的，但在软切换情况下，要求在当前ＢＳ与目标ＢＳ间的连结层上是同步的，具体说是当前ＢＳ下行ＤＣＰ（当前下行ＤＣＰ）与目标ＢＳ下行ＤＣＰ（目标下行ＤＣＰ）之间同步。

    时隙模式

    它是用来支持频率间切换测量的（停发一帧来测量）。该模式仅用于时间性要求高的实时业务。

３．２ ＲＬＣ／ＭＡＣ层

    该层主要负责有效地传送高层实时和非实时数据，以及对不同业务复用的数据流进行控制。在传送数据过程中，对数据进行格式变换处理，变换成传输块送交物理层传送。

４ 网络技术

４．１ ＩＭＴ－２０００对网络能力的要求

    ＩＭＴ－２０００对网络能力的要求主要有：提供多媒体业务（包括电路和分组两种操作模式）；数据速率达到２Ｍｂｉｔ／ｓ；可协商业务质量；全球漫游；支持虚拟归属环境；能与现有网络互连；适应各种用户终端设备（如个人分组终端、车载终端、特殊的移动终端、连接到移动台上的标准ＰＳＴＮ／ＩＳＤＮ终端等）。

４．２ 网络技术与标准研发原则

     ＩＭＴ－２０００网络体系结构应遵循以下几个原则：

（１）“演进”原则

    由２Ｇ网络演进到３Ｇ网络的原则的主要目的和必要性是充分利用对现有２Ｇ网络的大量投资，其可能性在于对３Ｇ网络的许多要求已在２Ｇ网络中实现或将要实现。然而，我们仍必须在实现３Ｇ系统技术的“演进”与“革命”之间做出适当的平衡，以研发出一个更有效的３Ｇ系统。

（２）“分离”原则

    将网络的功能划分为无线接入网（ＲＡＮ）与骨干网（ＣＮ）两部分。ＲＡＮ包括所有与空中接口有关的功能，它为想要使用网络业务的用户（移动的或固定的）提供无线接入服务。ＣＮ包括交换网和业务网，交换网包括固定传输的呼叫和承载业务的控制，业务网包含支持网络业务的所有功能。ＲＡＮ和ＣＮ分离且通过接口相连结。这两部分相对独立，有利于各自的技术与标准的研发，也有利于与现有网络相连和现有网络的演进。

（３）“家庭成员”原则

    在“演进”原则下，现有２Ｇ系统的各种网络（如ＧＳＭ和ＩＳ－４１）演进到符合ＩＭＴ－２０００要求的ＣＮ，虽然它们的协议、控制、信令、消息等互不相同，但各个ＣＮ之间通过标准接口互连。它们都符合３Ｇ系统的要求，都是ＩＭＴ－２０００ ＣＮ的家庭成员。

４．３ 网络参考模型

    参考模型是由ＵＩＭ、ＭＴ、ＲＡＮ和ＣＮ组成。有４种接口：ＵＩＭ－ＭＴ接口、ＭＴ－ＲＡＮ接口、ＲＡＮ－ＣＮ接口和两个ＣＮ之间接口。ＲＡＮ包括基站（ＢＳ）和无线网络控制器（ＲＮＣ）两个实体。ＣＮ包括移动交换中心（ＭＳＣ）、网关ＭＳＣ（ＧＭＳＣ）、漂移ＭＳＣ（ＤＭＳＣ，Ｄｒｉｆｔ ＭＳＣ）、鉴权中心（ＡＣ）、原籍位置寄存器（ＨＬＲ）、访问区位置寄存器（ＶＬＲ）、网关位置寄存器（ＧＬＲ）、业务数据点（ＳＤＰ）、业务控制点（ＳＣＰ）、智能外围设备（ＩＰ）、分组数据服务节点（ＰＤＳＮ）、分组数据网关节点（ＰＤＧＮ）等实体。

４．４ 网络技术

     在３Ｇ网络中将综合采用以下的网络技术：智能网（ＩＮ）、异步转移模式（ＡＴＭ）、７号信令系统（ＳＳ７）、移动应用协议（ＭＡＰ）、移动ＩＰ和无线ＩＰ等。

     移动系统最重要的特征是支持各种业务无缝漫游，而漫游是由系统中移动性管理来实现的。为此目的，ＧＳＭ和ＩＳ－４１系统已定义了ＭＡＰ。ＭＡＰ是在交换与数据库（如ＭＳＣ、ＶＬＲ、ＨＬＲ）之间的应用协议，它支持呼叫管理、补充业务管理、短消息转移、位置管理、安全管理和移动设备管理等。一般讲，ＭＡＰ用于电信网，而移动ＩＰ用于数据网。移动ＩＰ是ＩＰ的变型，它能使移动主机以其归属ＩＰ地址在访问区接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ。移动ＩＰ的特征技术是代理技术和隧道技术。移动ＩＰ与特定的无线（移动）网络相结合，引发了无线ＩＰ的概念与技术。移动ＩＰ和无线ＩＰ技术是当前移动通信网与ＩＰ网相融合发展趋势中的一个产物，它能满足３Ｇ系统对移动多媒体业务和无线接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ业务的要求。

４．５ 网络的演进

    第二代移动通信 ＧＳＭ系统目前已能提供话音、短消息及９．６ｋｂｉｔ／ｓ电路交换数据业务。第二代移动通信ＧＳＭ系统的技术与标准研发已在Ｐｈａｓｅ ２＋阶段，主要成果是基本完成通用分组无线业务（ＧＰＲＳ）标准的制订，商用化的技术设备不久将推向市场。ＧＰＲＳ的目标是在第二代移动通信 ＧＳＭ网上实现无线分组数据业务，可以为用户以无线方式接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ提供服务，数据速率高达１７０ｋｂｉｔ／ｓ左右。第二代移动通信 ＧＳＭ／ＧＰＲＳ所提供的这种业务能力是向第三代移动通信系统迈出的重要的一步。

从网络技术实现来看，ＧＰＲＳ主要是在骨干网ＭＳＣ处增加两个节点：服务ＧＰＲＳ支持节点（ＳＧＳＮ）和网关ＧＰＲＳ支持节点（ＧＧＳＮ）。ＳＧＳＮ节点通过相应接口（Ｇｂ、Ｇｓ、Ｇｒ、Ｇｄ）与ＲＡＮ、ＳＳ７网、ＭＳＣ／ＶＬＲ、ＨＬＲ相连，而ＧＧＳＮ节点通过Ｇｉ接口与Ｘ．２５网和Ｉｎｔｅｒｎｅｔ相连。两节点之间通过Ｇｎ接口互连。

    这种增强了的第二代移动通信 ＧＳＭ／ＧＰＲＳ的网络结构与ＩＭＴ－２０００骨干网的参考模型有相似之处。因此，由第二代移动通信 ＧＳＭ／ＧＰＲＳ骨干网演进到第三代移动通信骨干网是可能的。其研发的关键工作是按ＩＭＴ－２０００骨干网标准中的ＭＳＣ、ＰＤＳＮ、ＰＤＧＮ要求实现第三代移动通信 ＭＳＣ、第三代移动通信 ＳＧＳＮ和第三代移动通信 ＧＧＳＮ，同时要实现ＲＡＮ－ＣＮ接口和ＮＮＩ接口。这样就可以实现第三代移动通信系统的主要目标——移动多媒体通信和无线接入Ｉｎｔｅｒｎｅｔ。

     基于宽带ＣＤＭＡ的空中接口和第二代网络演进是第三代移动通信技术和标准研发的主导方向。

（收稿日期：１９９９－０８－３１）

[摘要] 移动通信正在向第三代发展，对于其技术标准的研究已经取得了很多成果。文章介绍了基于宽带ＣＤＭＡ的第三代移动通信系统的研发及标准化工作、主要技术特点、空中接口和网络技术。

[关键词] 第三代移动通信 宽带码分多址 移动多媒体通信 空中接口 网络演进

[Abstract] Ｔｈｅ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｏｗａｒｄｓ ｔｈｅ ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｉｔｓ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｓｔａｎｄａｒｄｓ ｈａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｇｒｅａｔ ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎ-ｔｒｏｄｕｃｅｓ ｔｈｅ Ｒ＆Ｄ，ｓｔａｎｄａｒｄｉｚａｔｉｏｎ，ｍａｉｎ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｆｅａｔｕｒｅｓ，ａｉｒ ｉｎｔｅｒ-ｆａｃｅ ａｎｄ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ．

[Keywords] Ｔｈｉｒｄ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｍｏｂｉｌｅ ｃｏｍ-ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｗ－ＣＤＭＡ Ｍｏｂｉｌｅ ｍｕｌｔｉｍｅｄｉａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ａｉｒ ｉｎｔｅｒｆａｃｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ