IMT2000中的無線傳輸技術

Abstract: On the basis of a comparison of the characteristics of different RTTs and taking into account the needs of the development of China's mobile communications and the interests of the country, its operators and its users, the author expresses the following view concerning the development of 3G in the country: First to develop and use CDMA TDD technologies and products developed on the basis of China's proposal on TD-SCDMA RTT and provide 3G services based on the GSM core network in large- and medium-sized cities, and then to consider building a full IP core network and using FDD technology and systems.

關鍵詞：無線傳輸技術(RTT)；第三代移動通信；核心網

Key words: radio transmission technology (RTT); 3G; core network
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1 前言

　　在2000年5月的ITU-R全會上，通過了第三代移動通信的無線傳輸技術(RTT)的標準[1]-ITU建議ITU-R M.1457。 此標準還僅僅是第一個初步的版本，今后，每年還將在ITU-R WP8F工作組的組織下進行完善和更新。對其中的主流技術CDMA，將在兩個國際標準化組織內進行實際的工作：由3GPP完成CDMA-DS(WCDMA)和CDMA TDD的標準；由3GPP2完成CDMA-MC(CDMA2000)。在3GPP，今2000年的主要工作內容是完成全IP的核心網標準和完成CDMA TDD標準的集成(Integration)。對上述兩個內容，在2001年上半年，3GPP將通過新的標準版本：R'00。而ITU-R WP8F將完成新版本的ITU-R M.1457，即正式使用的第三代移動通信標準。

　　我國現在有世界上最大的GSM移動通信網，目前仍然以每月超過200萬用戶的速度在增加，明年將成為國際上移動通信用戶最多的國家。在各大城市，GSM系統(tǒng)的頻譜資源即將枯竭，移動數據業(yè)務成倍的增加，無線Internet接入已經興起，各運營商都希望獲得第三代移動通信的許可證并盡可能早地提供第三代移動通信業(yè)務，以在滿足市場需求的同時，在市場競爭中占據有利地位。

　　我國的移動通信制造業(yè)也將第三代移動通信看作一個10年難遇的契機，希望在第三代移動通信產業(yè)方面徹底改變由外國企業(yè)獨占我國市場的不利局面。各企業(yè)分別從第三代移動通信三種CDMA技術入手，進行了技術準備和產品開發(fā)。從2001年起，制造業(yè)將配合運營商的要求，在國內開展第三代移動通信的現場試驗。在本文中，將對第三代移動通信標準情況作一個簡單介紹，對TDD模式的特點和TD-SCDMA標準和技術進行說明，最后，對向第三代移動通信演進的策略問題，提出作者的看法。

2 第三代移動通信標準的幾個問題

　　2.1 核心網問題

　　第三代移動通信的標準中，核心網標準是進度比較慢的部分。從90年代中開始制定標準以來到3GPP的R'99中確定的核心網標準（見圖1），都是基于電路交換的網絡，在包交換方面，則是基于ATM技術，這是當時技術發(fā)展歷史所決定的。如圖1所示，無線接入網通過Iuc接入電路交換的業(yè)務，通過Iup接入包交換的業(yè)務，而核心網本身則是基于GSM MAP核心網(具GPRS功能)的一個擴充和升級。對第三代移動通信的要求，顯然是有距離的，也是一個過渡性的標準版本，此種核心網，恐怕只有日本為急于開通WCDMA系統(tǒng)而使用。

　　但就在同時，由于IP技術的進展，很多公司從1999年起就強烈提出全IP核心網的概念，并被國際標準化組織承認，并將在R'00中完成標準化。

　　2．2 第三代以后的技術

　　在ITU WP8F第一次會議(2000年3月)上，就考慮到新技術的發(fā)展，并提出了第三代后的無線傳輸技術問題。目前主要考慮的是兩個主要的技術：智能天線(Smart/adaptive Antenna)和軟件無線電(Software Defined Radio)。要求各國對此兩個技術在IMT-2000中的應用提出建議。

　　在IMT-2000的RTT中，只有我國建議的TD-SCDMA標準明確提出要使用智能天線，并將物理層技術以智能天線來進行設計。ITU和很多代表希望將此技術使用于FDD系統(tǒng)中，以全面提高第三代移動通信系統(tǒng)的性能和容量。而軟件無線電則是設備，主要是用戶終端設備的實現方式，不要再對每種模式開發(fā)一套專用芯片，而是基于通用的硬件平臺，用軟件來實現。今后的多模終端，必須用軟件無線電技術來實現。

　　2．3 ITU關于標準完善提高的策略

　　作為一代移動通信標準，希望此標準能使用到2020甚至2025年，必然遇到一個標準相對穩(wěn)定性和新技術不斷涌現之間的矛盾。為解決此矛盾，使第三代移動通信的標準具有較長時間的生命力，在ITU和國際標準化組織內，是用如下方式來處理的：

　　· 不斷研究新技術，對各種新的技術和可能的發(fā)展方向都留有足夠的時間和空間來討論和研究；
　　· 標準版本的修改更新，基本上每年一次，保證標準的相對穩(wěn)定性；
　　· 對小修改，每年均可進行，由ITU-R WP8F批準。此修改一定要向前兼容，以保證用戶的利益；
　　· 對較大修改，由各標準化組織提出，ITU-R WP8F討論，ITU-R大會通過；
　　· 對大修改，即完全新的技術，則必須由ITU-R大會批準，由各標準化組織和ITU-R WP8F研究提出，再由ITU-R大會通過。

　　顯然，隨著今后技術的進展，第三代移動通信標準將不斷更新和完善。

3 TDD和TD-SCDMA

　　在第三代移動通信標準制定過程中，國際上對無線通信中的TDD雙工方式第一次給予了高度重視，在CDMA和TDMA系統(tǒng)中都制定了TDD的標準。很多國家的營運商都表示了首先選用TDD系統(tǒng)的愿望。其主要原因為在同樣滿足IMT2000要求的前提下，TDD系統(tǒng)有如下特點：

　　·各國對第三代移動通信需要大約400MHz的頻譜資源，在3GHz以下，頻率資源是非常困難的。TDD能使用各種頻率資源，不需要成對的頻率；

　　· 第三代移動通信業(yè)務中，數據業(yè)務將占主要地位；而數據業(yè)務中，不對稱的IP型的數據業(yè)務又最重要。TDD方式特別適用于上下行不對稱，具有不同數據傳輸速率的業(yè)務；

　　· TDD上下行工作于同一頻率，對稱的電波傳播特性使之便于使用諸如智能天線等新技術，達到提高性能、降低成本的目的；

　　· TDD系統(tǒng)設備成本較低，將可能比FDD系統(tǒng)低20%~50%。

　　傳統(tǒng)上，通信界一般認為TDD系統(tǒng)的主要問題是在終端的移動速度和覆蓋距離等方面：由于TDD系統(tǒng)采用多時隙的不連續(xù)的傳輸方式，對抗快衰落和多普勒效應的能力比連續(xù)傳輸的FDD方式差；另一方面，TDD系統(tǒng)中的平均功率和峰值功率的比隨時隙數的增加而增加，考慮到耗電和成本因素，用戶終端的發(fā)射功率不可能很大，故通信距離（小區(qū)半徑）就比較小。如FDD系統(tǒng)的小區(qū)半徑可能達到數十公里而TDD系統(tǒng)一般不超過十公里。本文中，我們將說明，上述兩個問題已經在TD-SCDMA系統(tǒng)中基本解決了。

　　3．1 移動速度問題

　　移動速度的主要限制是多普勒效應所產生的頻移和快衰落，它們都需要基帶數字信號處理技術來克服。在TD-SCDMA系統(tǒng)中，基帶數字信號處理技術是基于智能天線和聯合檢測，其限制在設備基帶數字信號處理能力和算法復雜性之間的矛盾。我們最近的成果為：在移動速度為250km/h和UMTS(3GPP)移動環(huán)境下，TD-SCDMA系統(tǒng)全部碼道均使用時，鏈路仿真結果表明系統(tǒng)是能夠支持的。此結果和WCDMA系統(tǒng)相當，證明TD-SCDMA同樣可以工作于高速移動條件。

　　3．2 通信距離問題

　　通信距離是由鏈路估算來說明的。在同等發(fā)射功率，同樣衰落環(huán)境和同樣接收靈敏度下，不同CDMA系統(tǒng)應當有基本相同的通信距離。對此，TD-SCDMA和WCDMA沒有明顯差別。

　　另外一個TDD系統(tǒng)的特殊要求是上下行之間必須要一個保護時隙，予留給遠距離的用戶終端，以達到上行同步。目前TD-SCDMA系統(tǒng)的保護時隙可以提供的通信距離為12 km，但是，當要求提供通信半徑超過10 km的基站時，可以提高網絡管理系統(tǒng)設置，少使用一個上行時隙，則小區(qū)半徑就僅僅取決于發(fā)射功率，和FDD系統(tǒng)相同。雖然少使用一個上行，系統(tǒng)容量減少了14%，但仍然比其它系統(tǒng)高50%以上。

　　以上情況說明，移動通信一定是以FDD為主流的傳統(tǒng)論點已受到挑戰(zhàn)，TDD系統(tǒng)在第三代移動通信中的位置已不可動搖。第三代移動通信網絡的前景是一個共同的網絡（全球的IP網絡），衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)用來完成全球無縫覆蓋，FDD或TDD系統(tǒng)均可用來建設全國和國際移動通信網，而TDD系統(tǒng)用來在城市人口集中地區(qū)提供高密度和高容量的話音、數據及多媒體業(yè)務則有明顯優(yōu)勢，用雙模甚至多模用戶終端來實現全球漫游。
大家知道，在CDMA TDD模式下，有兩個不同碼片速率的選項：UTRA TDD和TD-SCDMA。這兩個標準在高層信令和部分物理層技術是相同的。但是，此兩個技術的設計出發(fā)點是不同的，使用的技術也有差別，導致其主要特性和用途均不同。通過比較，TD-SCDMA在前述TDD的優(yōu)勢上更為突出，并有比其它系統(tǒng)高得多的頻譜利用率。更重要的是：UTRA TDD是WCDMA(FDD)系統(tǒng)的一個補充，是一個使用于室內環(huán)境，提供數據和多媒體的系統(tǒng)；而TD-SCDMA是基于ITU對IMT-2000的全部要求來設計的，它解決了移動速度和小區(qū)半徑等TDD的問題，它本身就可以組成一個完整的蜂窩網絡。

4 TD-SCDMA是由第二代向第三代演進的首選技術

　　根據國內外多數預測，在21世紀前十余年，第三代移動通信的市場發(fā)展可能至少分為如下3個階段：

　　· 初期，2001~2005年。其特點為：第二代移動通信網（主要是GSM和IS-95CDMA）繼續(xù)發(fā)展和擴大，在第二代移動通信網絡的基礎上，在局部地區(qū)（城市等用戶集中地區(qū)）提供第三代移動通信業(yè)務，數據業(yè)務速率限制在384 kbit/s及以下，地區(qū)或國際漫游依賴于第二代移動通信系統(tǒng)；

　　· 中期，2004~2010年。它是第三代移動通信系統(tǒng)的高速成長期，其特點為：第二代移動通信網絡和系統(tǒng)停止發(fā)展，建設成功全國或全球覆蓋的第三代移動通信網絡，全面達到IMT2000的各項要求。

　　· 后期，2010年以后，全球25%以上人口使用第三代移動通信系統(tǒng)，第四代移動通信設備開始進入市場，提供更高速率的多媒體業(yè)務。

　　此市場發(fā)展預測也就是制定移動通信從第二代到第三代的演進策略的依據。而所謂的演進，就是考慮上述初期的情況和制定對策。

　　本文所建議的演進過程可以分為如下兩個階段：

　　第一階段是在第二代網絡中提供第三代移動通信業(yè)務。如對現有GSM網絡，在它擴容時，使用TD-SCDMA的BSS（基站子系統(tǒng)），同時在用戶集中地區(qū)，在現有GSM基站的站址增加TD-SCDMA基站。使用TD-SCDMA/GSM雙頻雙模用戶終端，這些初期的3G用戶在TD-SCDMA基站覆蓋區(qū)內，可以享受3G服務。在覆蓋區(qū)域以外，則使用GSM工作。顯然，此初期系統(tǒng)用戶在享受3G服務時，只能在同一BSS的TD-SCDMA基站之間實現越區(qū)切換，而GSM網絡的功能將不受影響。

　　用此方式，可以用比簡單地對GSM系統(tǒng)網絡擴容更低的投入，不僅擴大了容量，在用戶密集的地區(qū)為用戶提供了移動通信服務，解決了頻譜資源不足造成的容量問題。而且，還為最急需的地區(qū)提供了第三代移動通信的業(yè)務。同時，也為以后向第三代過渡打下了基礎。

　　到這一步，第三代移動通信的覆蓋范圍可能逐步達到城市一級，在大城市將有幾十到上百個第三代的BTS，系統(tǒng)將支持不同BSS之間的自動越區(qū)切換。當然，還沒有達到全國和全球覆蓋，自動漫游還依靠GSM系統(tǒng)。

　　第二階段是過渡到第三代移動通信網絡。到2004~2005年，第三代移動通信將進入高速成長期，各國、各營運商均將開始建設完整的第三代移動通信網絡。我認為此網絡將是基于全IP的網絡。此時，可以由RNC通過Iu接口進入此全IP的核心網，也可能在基站(Node B)直接通過Iub接口進入此核心網。對在第一階段中使用的設備來說，唯一需要升級更新的部分就是BSS軟件升級，滿足全IP核心網的要求。而網絡中投資最大的部分：BTS已經在第一階段建設了，只有對其接口進行軟件升級，不增加硬件的投入。此時，網中不僅有TDD的基站，也將有FDD的基站，此3G網將是一個全國覆蓋、國際漫游的完整的網絡。從第二代到第三代的演進或過渡的過程將在上述基本上不大量增加新投資的過程中完成了。

5 小結

　　根據以上分析，我們不難得到如下結論：

　　（1）第三代移動通信標準(IMT_RSPC)是全世界各國十余年合作和艱苦工作的結晶，是現代無線通信技術發(fā)展的反映。而且，此標準也是在逐漸完善和更新的過程中。

　?。?）至2001年中在3GPP完成的R'00中，最主要的是完成了全IP核心網和CDMA TDD模式的標準集成。這樣，到全世界2002~2003開始建設第三代移動通信網絡時，可以一步達到全IP網絡；在主流CDMA標準中只有一個TDD標準。

　?。?）在第三代移動通信技術中，TDD模式的無線傳輸技術在頻譜靈活性、提供不對稱業(yè)務和低價格等方面的優(yōu)勢已被國際上認可。在提供移動數據業(yè)務，特別是IP型業(yè)務方面的優(yōu)勢，使TDD模式的系統(tǒng)在城市及其郊區(qū)有巨大的競爭力。

　　（4）我國提出的TD-SCDMA技術，原來作為一個完整的系統(tǒng)來設計，又采用了智能天線等先進技術，在技術上被公認有明顯優(yōu)勢。而且，完全可以使用于高速移動的環(huán)境，并可能通過提高發(fā)射功率來增加小區(qū)半徑，基本克服了TDD模式的缺點。根據此標準所開發(fā)的設備可以達到提供高頻譜利用率、靈活和低成本的目標，在市場上將具有強的競爭能力。