3G技術(shù)制式比較及后3G時(shí)代展望

3G技術(shù)制式比較及后3G時(shí)代展望
2009年1月7日，工業(yè)和信息化部根據國務(wù)院會(huì )議精神，正式將3G移動(dòng)通信運營(yíng)牌照發(fā)放給中國電信、中國移動(dòng)和中國聯(lián)通三家電信運營(yíng)商，目前3G頻段也已經(jīng)正式分配。其中中國電信獲得的是cdma2000制式，頻段是1920-1935MHz和2110-2125MHz，其3G制式基于FDD（頻分雙工）模式；中國移動(dòng)獲得的是TD-SCDMA制式，頻段是1880-1900MHz和2010-2025MHz，其3G標準基于TDD（時(shí)分雙工）模式；中國聯(lián)通獲得的是WCDMA制式，頻段是1940-1955MHz和2130-2145MHz，3G標準也基于FDD模式。根據工業(yè)和信息化部無(wú)線(xiàn)電管理局消息，相關(guān)分配方案已經(jīng)正式通知三大運營(yíng)商。自此，中國的移動(dòng)通信正式開(kāi)啟了3G時(shí)代。
3G（3rd Generation）是指第三代移動(dòng)通信。第一代模擬制式手機（1G）只能進(jìn)行語(yǔ)音通話(huà)；第二代GSM、TDMA等數字制式手機（2G）便增加了接收數據的功能，如接受電子郵件或網(wǎng)頁(yè)；第三代與前兩代的主要區別是在傳輸聲音和數據的速度上的提升，它能夠在全球范圍內更好地實(shí)現無(wú)縫漫游，并處理圖像、音樂(lè )、視頻流等多種媒體形式，提供包括網(wǎng)頁(yè)瀏覽、電話(huà)會(huì )議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)，同時(shí)也要考慮與已有第二代系統的良好兼容性。為了提供這種服務(wù)，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )必須能夠支持不同的數據傳輸速度，也就是說(shuō)在室內、室外和行車(chē)的環(huán)境中能夠分別支持至少2Mbps（兆比特／每秒）、384kbps（千比特／每秒）以及144kbps的傳輸速度。國際電信聯(lián)盟(ITU)目前確定了全球3G三大主流標準，分別是WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA和WiMAX。
3G是ITU在1985年提出的工作在2000MHz的頻段、預期在2002年左右商用的系統，當時(shí)稱(chēng)為陸地移動(dòng)通信，即FPLMTS。1996年正式更名為IMT2000。1998年6月，各國標準化組織向國際電聯(lián)提交了各自的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)候選方案，共有16種。在這些技術(shù)當中，以碼分多址技術(shù)作為第三代移動(dòng)通信的主要技術(shù)。其中，最有代表性的主流技術(shù)有三種，分別是WCDMA技術(shù)、cdma2000技術(shù)和TD-SCDMA技術(shù)。其中，WCDMA是歐洲和日本支持的方案，cdma2000是由美國提出的方案，而TD-SCDMA則是第一個(gè)由中國提出、以我國知識產(chǎn)權為主的、被國際上廣泛接受和認可的國際標準，采用的是TDMA和CDMA混合接入方案。WCDMA 和TD-SCDMA 是由3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃，一個(gè)成立于1998年12月的標準化機構）開(kāi)發(fā)和維護的規范，而CDMA2000是由3GPP2開(kāi)發(fā)和維護的規范，這些技術(shù)都是以CDMA 技術(shù)為核心。這三種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)的具體技術(shù)參數如表1所示。
表1 三種無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)參數比較
各項指標WCDMAcdma2000TD-SCDMA
擴展類(lèi)型單載波直接序列擴頻CDMA多載波和直接序列擴頻CDM時(shí)分同步CDMA
最小帶寬/MHz51.251.6
碼片速率/Mcps3.841.22881.28
幀長(cháng)/ms102010
語(yǔ)音編碼器AMR可變速率聲碼器AMR
擴頻因子（SF）256-443-216-1
調制方式上行：BPSK
下行：HPSK上行：8PSK
下行：QPSK上行：8PSK
下行：QPSK
雙工方式FDDFDDTDD
基站間同步異步（不需GPS）同步（需GPS）同步（主從同步）

cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA同屬3G的主流技術(shù)標準，其中cdma2000和WCDMA是FDD的標準，而TD-SCDMA則是一個(gè)TDD標準，這三種技術(shù)標準各有特色。WCDMA的主要關(guān)鍵技術(shù)在窄帶CDMA的技術(shù)基礎上有所改進(jìn)：可適應多種速率的傳輸，靈活地提供多種業(yè)務(wù)；BTS之間無(wú)需同步；優(yōu)化的分組數據傳輸方式；支持不同載頻之間的切換；上、下行快速功率控制；反向采用導頻輔助的相干檢測；充分考慮了信號設計對EMC的影響。cdma2000主要考慮了美國和韓國現有的IS-95商用系統的兼容性，采用了IS-95的軟切換和功率控制技術(shù)，幀長(cháng)同樣為20ms,需要BTS之間的同步，主要改進(jìn)在于：反向信道采用連續導頻方式；反向信道相干接收；前向發(fā)送分集；充分考慮了信號設計對EMC的影響等。TD-SCDMA采用TDD的模式，前向和反向可以使用相同頻率的同步時(shí)間間隔，其特點(diǎn)在于：能使用各種頻率，不需要成對的頻率；適用于不對稱(chēng)的上下行數據速率；因前向和反向信道在同一頻率，可以采用智能天線(xiàn)等新技術(shù)以提高性能。
現有的移動(dòng)通信業(yè)務(wù)都是對稱(chēng)雙工語(yǔ)音業(yè)務(wù)和相應的低比特率數據業(yè)務(wù)。對于語(yǔ)音業(yè)務(wù)，每窄帶的業(yè)務(wù)信道被占用的帶寬是20-30KHz，通常整個(gè)頻譜會(huì )被再分為固定數量的業(yè)務(wù)信道。對稱(chēng)成對頻帶上的FDD運行模式非常適合于對稱(chēng)雙工的語(yǔ)音業(yè)務(wù)，因此在1G和2G時(shí)代，FDD成為移動(dòng)通信系統的典型標準。然而，隨著(zhù)移動(dòng)用戶(hù)對高速數據處理能力的要求日漸增長(cháng)，對3G 數據傳輸速率的要求也從8k bit/s 增長(cháng)到2M bit/s。隨著(zhù)每個(gè)用戶(hù)要求的頻帶和數據吞吐量的迅速增長(cháng)，3G 要同時(shí)支持對稱(chēng)和非對稱(chēng)業(yè)務(wù)的混合業(yè)務(wù)，導致頻譜分配和頻譜管理發(fā)生了相當大的變化。
由于要實(shí)現對稱(chēng)和非對稱(chēng)業(yè)務(wù)，實(shí)現靈活的、自適應的頻譜分享是十分必要的。在FDD 系統中，由于其采用固定的上/下行鏈路分配，導致這個(gè)問(wèn)題不能在頻域中被徹底解決。而TDD 模式是通過(guò)無(wú)線(xiàn)信道在時(shí)域里周期性重復的TDMA 幀結構來(lái)實(shí)現，這個(gè)幀結構被再分為幾個(gè)時(shí)隙，因而能在同一幀的不同時(shí)隙中發(fā)送上行業(yè)務(wù)（從移動(dòng)終端到基站的通信業(yè)務(wù)）或下行業(yè)務(wù)（從基站到移動(dòng)終端的通信業(yè)務(wù)）。也就是說(shuō)，根據所傳輸數據的類(lèi)型不同，上、下行鏈路上的頻譜可以被靈活地分配。當從基站發(fā)送電子郵件和下載互聯(lián)網(wǎng)信息等非對稱(chēng)數據業(yè)務(wù)時(shí)，更多的時(shí)隙將被分配給下行鏈路；當進(jìn)行語(yǔ)音電話(huà)等對稱(chēng)業(yè)務(wù)時(shí)，上、下行業(yè)務(wù)占有相同的時(shí)隙，從而實(shí)現了對無(wú)線(xiàn)頻譜靈活的、自適應的共享。
對于頻率規劃管理來(lái)說(shuō)，采用TD-SCDMA后，不成對頻域更容易被分配和利用，自行解決了所有對稱(chēng)和非對稱(chēng)業(yè)務(wù)以及任何混合業(yè)務(wù)的上/下行鏈路資源分配的問(wèn)題。因此，中國建議的TD-SCDMA 系統帶有無(wú)線(xiàn)資源靈活時(shí)域分配的顯著(zhù)特點(diǎn)，對各種雙工業(yè)務(wù)的全球無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)發(fā)展都可以說(shuō)是一個(gè)里程碑。
與FDD的兩種標準WCDMA和cdma2000相比，TD-SCDMA也有其不足之處。比如，在對CDMA技術(shù)的利用方面，TD-SCDMA因要與GSM的小區兼容，小區復用系數為3，降低了頻譜利用率；因為T(mén)D-SCDMA采用多時(shí)隙不連續傳輸方式，頻帶寬度窄，不能充分利用多徑，抗快衰落和多普勒效應的能力差，降低了系統效率，實(shí)現軟切換和軟容量能力較困難；系統平均功率與峰值功率之比隨時(shí)隙數增加而增加，受耗電制約，終端發(fā)射功率不大，小區半徑較小，一般不超過(guò)10公里，而FDD系統的小區半徑可以達到幾十公里。
FDD的兩種標準WCDMA和cdma2000都滿(mǎn)足IMT-2000提出的全部技術(shù)要求，包括支持高比特率多媒體業(yè)務(wù)、分組數據和IP接入等。這兩種系統的無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)均基于DS-CDMA作為多用戶(hù)接入技術(shù)， WCDMA和cdma2000各具優(yōu)勢。WCDMA相對cdma2000的一些優(yōu)勢主要在于：
1) WCDMA使用的帶寬和碼片速率(3.84Mcps)是cdma20001x演進(jìn)家族的三倍以上，因而能提供更大的多路徑分集、更高的中繼增益和更小的信號開(kāi)銷(xiāo)。此外，更高的碼片速率也改善了接收機解決多徑效應的能力。2) WCDMA在小區站點(diǎn)同步方面的設計是使用異步基站，而cdma2000基站則通常通過(guò)GPS實(shí)現同步，這將造成室內和城市小區(采用室內天線(xiàn))部署的困難。3) WCDMA進(jìn)行功率控制的頻率幾乎是cdma2000的兩倍，達到每秒1500次(1.5kHz)，因而能保證更好的信號質(zhì)量，并支持更多的用戶(hù)。
另外，在現有網(wǎng)絡(luò )基礎和市場(chǎng)推廣上，WCDMA占據著(zhù)更大的優(yōu)勢。由于全球移動(dòng)系統有85%都在用GSM系統，而GSM向3G過(guò)渡的最佳途徑就是歷經(jīng)GPRS演進(jìn)到WCDMA。所以,現有網(wǎng)絡(luò )上的絕對優(yōu)勢使得cdma2000難以對WCDMA望其項背。
但是，另一方面，運營(yíng)商在網(wǎng)絡(luò )演進(jìn)過(guò)程中必須考慮由2G到3G的過(guò)渡成本問(wèn)題。新的3G 網(wǎng)絡(luò )要能夠最大限度地利用已有的2G網(wǎng)絡(luò )設備，包括核心網(wǎng)絡(luò )和基站設施。最好可以避免在初期不確定情況下大規模投資，采取一個(gè)逐步追加投資的過(guò)程，從而降低風(fēng)險，并且獲得長(cháng)期的最