WCDMA向后3G演進(jìn)中基帶傳輸技術(shù)

引言

　　近10 年來(lái), 移動(dòng)通信技術(shù)得到突飛猛進(jìn)的發(fā)展, 經(jīng)歷了第一代模擬移動(dòng)通信、第二代數字移動(dòng)通信技術(shù)和即將投入商用的第三代移動(dòng)通信技術(shù)。第三代移動(dòng)通信的主流制式分為三大類(lèi)———WCDMA , cdma2000 和中國的TD-SCDMA , 焦點(diǎn)集中在WCDMA 和cdma2000 。而基于第二代移動(dòng)通信的考慮和目前全球范圍內3G的應用情況, 可以說(shuō)WCDMA 已經(jīng)成為最為主流、應用最廣泛的第三代無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。

　　但是隨著(zhù)多媒體業(yè)務(wù)、數據傳輸的發(fā)展, 人們對通信的質(zhì)量和通信的業(yè)務(wù)不斷增加。由于目前第三代移動(dòng)通信仍然不能支持超過(guò)20 Mbit/ s 的高速數據業(yè)務(wù)以及很大范圍(8 kbit/ s～20 Mbit/ s) 的業(yè)務(wù), 并且第三代移動(dòng)通信并沒(méi)有實(shí)現真正意義上的全球漫游, 因此, 近年來(lái)一些研究學(xué)者又提出了未來(lái)移動(dòng)通信系統的新構想———Beyond 3G的概念。Beyond 3G移動(dòng)通信系統必須能夠支持全IP 高速分組數據傳輸(數據速率為數十甚至數百Mbit/ s) 、支持高的終端移動(dòng)性(移動(dòng)速度高達每小時(shí)幾百公里) 、支持高的傳輸質(zhì)量(數據業(yè)務(wù)的誤碼率低于10  
- 6) 、提供高的頻譜利用率和功率效率(發(fā)射功率降低10dB 以上) ,并能夠有效地支持在用戶(hù)數據速率、用戶(hù)容量、服務(wù)質(zhì)量和移動(dòng)速度等方面大動(dòng)態(tài)范圍的變化。

　　目前, WCDMA 的標準也在不斷朝著(zhù)Beyond3G演進(jìn), 其發(fā)展方向主要有: 支持更多的多媒體業(yè)務(wù), 提高下行的數據傳輸速率, 實(shí)行全IP 網(wǎng)絡(luò ),實(shí)現不同標準不同無(wú)線(xiàn)接入技術(shù)之間的切換以及漫游等。在這些發(fā)展方向中, 如何提高下行數據傳輸速率非常重要, 而解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵在于一些新的基帶傳輸技術(shù), 例如一些智能信號處理技術(shù)。另外, 由于目前第三代移動(dòng)通信技術(shù)還沒(méi)有大規模商用, 技術(shù)能力又有很大的擴展空間, 因此, 本文從這個(gè)方面出發(fā), 結合目前比較新的基帶傳輸中采用的技術(shù), 對它們在WCDMA 向后三代演進(jìn)中的應用進(jìn)行探討。

　　WCDMA 概述

　　WCDMA 標準化主要是由區域性的標準化組織3GPP 負責, 該組織是由歐洲ETSI 發(fā)起, 并由ETSI ( 歐洲) 、CWTS ( 中國) 、ARIB ( 日本) 、TTC (日本) 、TTA (韓國) 和T1 (美國) 等成員組成的第三代合作組織, 其目標是制定與GSM/GPRS 相兼容的第三代移動(dòng)通信標準WCDMA , 在歐洲又稱(chēng)為UMTS。目前, 3GPP 制訂的WCDMA系統標準包括多個(gè)版本: R99 、R4 和R5 。R99 是目前最成熟、最穩定的版本, 其主要特點(diǎn)是采用基于GSM/ GPRS 的核心網(wǎng)絡(luò ), 引入新的WCDMA 和CDMATDD 的無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )RAN。 R4 的主要特征是完成了由我國提交的TD-SCDMA 技術(shù)在3GPP的標準化, R4 核心網(wǎng)部分主要特點(diǎn)是在電路域將承載與控制分開(kāi), 這也是邁向全IP 的第一步。R5則是全IP 的第一個(gè)版本, 其核心網(wǎng)部分在結構上將發(fā)生較大的變化, 引入IP 多媒體域。R5 的另一個(gè)主要增強是無(wú)線(xiàn)接口引入支持下行速率為10Mbit/ s 的HSDPA 技術(shù)。

　　從上述標準的演變過(guò)程可以看出, WCDMA 的演變包括網(wǎng)絡(luò )層解決方案的演變和物理層基帶傳輸方面的演進(jìn)。網(wǎng)絡(luò )層方面的演進(jìn)包括發(fā)展無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò )資源管理技術(shù), 以及核心網(wǎng)IP 化技術(shù)等。由于物理傳輸層的演進(jìn)是基礎,因此本文著(zhù)重討論增強WCDMA 物理傳輸以及WCDMA 向后三代演進(jìn)時(shí)可能采用的一些新技術(shù)。

　　WCDMA 向后三代演進(jìn)物理層的關(guān)鍵技術(shù)

　　WCDMA 向后三代演進(jìn)中的關(guān)鍵技術(shù)包括抗衰落、抗突發(fā)差錯的信道編碼技術(shù); 克服用戶(hù)間干擾的多用戶(hù)檢測技術(shù); 克服多徑干擾的均衡技術(shù)以及采用分塊傳輸的技術(shù); 還有提高數據傳輸速率和抗衰落的MIMO (Multi-Input Multi-Output) 多天線(xiàn)技術(shù)、AMC 技術(shù); 最后還有結合網(wǎng)絡(luò )層和物理層的H-ARQ 技術(shù)。這些技術(shù)還可以有機結合來(lái)共同提高系統性能。下面我們分別對這些技術(shù)進(jìn)行討論, 并考慮他們在WCDMA 中實(shí)現的可能性。

　　信道編碼技術(shù)

　　移動(dòng)通信中, 解決深衰落引起的突發(fā)差錯的常用方法就是交織加糾錯編碼技術(shù)。交織可以把突發(fā)差錯隨機化, 然后就可以通過(guò)糾錯編碼來(lái)糾正隨機差錯。常用的糾錯編碼有RS 碼和卷積碼以及它們的級聯(lián)形式。1993 年, C1Berrou 提出了Turbo 碼。Turbo 碼是并行或串行級聯(lián)循環(huán)卷積碼。它由兩個(gè)遞歸系統卷積碼(RSC 碼) 通過(guò)一個(gè)交織器的并行(或串行) 級聯(lián)構成, 其編碼是迭代式進(jìn)行的。在A(yíng)WGN 和瑞利衰落信道中的實(shí)驗表明, 它可以很接近香農限, 相比RS 碼和卷積碼的級聯(lián)碼, Turbo碼有2 dB 以上的增益。因此, Turbo 碼受到各個(gè)移動(dòng)通信標準的青睞, 并成為后3G 的關(guān)鍵技術(shù)。但是, Turbo 碼也有它的缺點(diǎn), 即譯碼比較復雜。 

    Turbo 碼的提出大大刺激了糾錯編碼技術(shù)的發(fā)展。1997 年Mackay 重新發(fā)現了Gallage 在1967 年提出的LDPC (低密度奇偶校驗) 碼。研究表明,LDPC 碼也具有優(yōu)異的性能, 與Turbo 碼相比, 它的譯碼可以并行實(shí)現, 因此具有很強的實(shí)用價(jià)值。目前對LDPC 在移動(dòng)通信中的應用也開(kāi)始熱起來(lái),考慮到Turbo 碼譯碼復雜, 而LDPC 碼譯碼簡(jiǎn)單編碼稍微復雜, 在上行采用Turbo 碼, 下行采用LDPC 碼很有吸引力。但是關(guān)于LDPC 碼, 還有以下幾方面需要進(jìn)一步研究: LDPC 碼在移動(dòng)衰落信道下的性能; 尋找編碼簡(jiǎn)單、譯碼可以并行實(shí)現的LDPC 碼, 并對它在移動(dòng)通信中的應用進(jìn)行深入研究。

　　多用戶(hù)檢測技術(shù)

　　在CDMA 系統中, 由于多個(gè)用戶(hù)的隨機接入,所使用的擴頻碼集一般并非嚴格正交, 以及多徑信道造成Walsh 碼的不正交都會(huì )引起各用戶(hù)之間的相互干擾—稱(chēng)為多址干擾(MAI)  
。多址干擾的存在嚴重地影響了WCDMA 系統的性能和大大降低了系統的容量, 因此多址干擾的抑制和消除對于WCDMA 系統的發(fā)展具有重要的意義。經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展, 多址干擾抑制技術(shù)的研究已日臻成熟。從最初S.Verdu 提出的最優(yōu)檢測器, 到后來(lái)以解相關(guān)檢測器以及多項式展開(kāi)檢測器為代表的線(xiàn)性檢測器, 直至從實(shí)現的角度考慮而發(fā)展形成的多級型非線(xiàn)性的并行干擾抵消檢測器( PIC) , 而PIC 也是迄今為止, 最有可能得以實(shí)現的多址干擾抵消技術(shù)?？紤]到系統的復雜度, PIC 的級數不應過(guò)多,實(shí)現時(shí)可以考慮采用2～3 級。

　　均衡技術(shù)

　　對于第三代移動(dòng)通信系統來(lái)說(shuō), 最關(guān)鍵的要求就是高且可變的數據速率。WCDMA 和cdma2000系統增加數據速率同時(shí)又無(wú)需增加帶寬的方法有兩種, 一種是降低擴頻因子, 可以看成是可變擴頻因子(VSF , Variable Spreading Factor) 技術(shù); 另外一種方法是擴頻因子保持不變, 通過(guò)分配數個(gè)并行的擴頻碼道即多碼(MC , MultiCode) 技術(shù)來(lái)提高數據速率。有時(shí)候也聯(lián)合這兩種技術(shù), 即混合的方案。WCDMA 就采用了VSF 的方法來(lái)傳輸高速數據, 這時(shí)候就產(chǎn)生了小擴頻比情況。由于擴頻增益較小時(shí), 擴頻碼和擾碼形成的復合碼的自相關(guān)和互相關(guān)特性的不理想, 在多徑傳播中產(chǎn)生的徑間干擾將會(huì )變得比較嚴重, 從而造成了CDMA 系統中的符號間干擾( ISI) 。消除這種低擴頻比增益下符號間的干擾, 已成為能否實(shí)現高速數據傳輸的關(guān)鍵問(wèn)題。由于傳統的消除信道失真引起的ISI 的方法是使用均衡器, 因此CDMA 系統中的ISI 消除也可以使用均衡技術(shù), 只不過(guò)在擴頻比比較大的時(shí)候沒(méi)有必要。

　　WCDMA 系統中可以采用兩種技術(shù)進(jìn)一步克服多徑干擾: 均衡技術(shù)和低復雜度的分塊傳輸技術(shù)。有的文獻采用chip 級均衡來(lái)克服符號間干擾, 獲得了很好的性能。另外, 為了降低復雜度,還可以先做RAKE 接收, 然后在符號級做均衡器。但是, 隨著(zhù)數據速率和帶寬的增加, 信道記憶長(cháng)度也在增加, 即使是線(xiàn)性均衡, 復雜度仍然非常高。為了進(jìn)一步降低復雜度, 后3G采用的分塊傳輸的思想也可以用于3G的CDMA 系統中。分塊傳輸的思想是: 在每個(gè)數據塊前面加上循環(huán)前綴(如果先對數據塊進(jìn)行IFFT 變換, 則是OFDM 調制, 如果不進(jìn)行IFFT 變換, 就是單載波頻域均衡系統) ,這樣, 接收端就可以在頻域實(shí)現單點(diǎn)的均衡, 從而降低了均衡的復雜度。

　　MIMO 以及空時(shí)碼技術(shù)

　　在CDMA 系統中, 當上行鏈路采用多用戶(hù)檢測時(shí), 可以大大提高容量, 為了提高下行鏈路的數據傳輸速率, 研究學(xué)者提出了多天線(xiàn)和發(fā)送分集技術(shù)。它大致包括V-BLAST (貝爾實(shí)驗室垂直分層空時(shí)結構) 和基于發(fā)送分集的空時(shí)編碼技術(shù)。前者各個(gè)發(fā)送天線(xiàn)上的數據相互獨立, 因而帶寬效率高; 后者發(fā)送天線(xiàn)上的數據相互關(guān)聯(lián), 因而有更好的性能。將這兩種技術(shù)應用于WCDMA , 可以大大提高數據傳輸速率, 改善系統性能。目前WCDMA 標準的HSDPA 技術(shù)中已經(jīng)考慮采用了空時(shí)分組碼和基于多天線(xiàn)的V-BLAST 技術(shù)。而文獻分析了WCDMA 系統中采用空時(shí)格柵編碼的可能性。目前, 如何在終端實(shí)現多天線(xiàn)接收仍然存在實(shí)現上的困難。

　　智能天線(xiàn)技術(shù)

　　如前面所述, 多址干擾限制了WCDMA 系統容量(小區移動(dòng)用戶(hù)數) 。在不增加帶寬的條件下擴大WCDMA 的系統容量就要抑制多址干擾。智能天線(xiàn)通過(guò)定向發(fā)射信號, 抑制發(fā)射機對同小區和鄰小區的干擾。通過(guò)空間合并, 整個(gè)天線(xiàn)陣的方向圖在期望信號方向有較大的增益, 在其它方向上天線(xiàn)增益降低, 從而提高接收信干比。采用自適應天線(xiàn)還能在干擾方向上形成空間零點(diǎn), 達到抑制強干擾信號的目的。目前, 雖然采用陣列天線(xiàn)及空時(shí)處理技術(shù)可在空域有效地抑制多址干擾, 但由于系統實(shí)現的復雜性, 現有的WCDMA 系統標準未包括陣列天線(xiàn)技術(shù)。隨著(zhù)技術(shù)和器件的進(jìn)一步發(fā)展, 智能天線(xiàn)技術(shù)在WCDMA 系統中應該有很大的應用前景。 

    自適應鏈路技術(shù)

　　移動(dòng)通信的一個(gè)重要特征就是信道調條件、服務(wù)分布以及信息類(lèi)型隨著(zhù)空間和時(shí)間不斷變化。這使得在設計鏈路傳輸子系統時(shí), 滿(mǎn)足如下更靈活更智能的功能:

　　(1) 適應流量的動(dòng)態(tài)變化;

　　(2) 能夠根據不同的信息類(lèi)型控制QoS ;

　　(3) 適應由于信道衰落引起的信道變化;

　　(4) 增加系統的容量。

　　自適應鏈路關(guān)鍵技術(shù)初步分為: 自適應資源管理和自適應傳輸技術(shù)。自適應資源管理包括動(dòng)態(tài)信道分配、動(dòng)態(tài)幀長(cháng)分配以及動(dòng)態(tài)差錯控制等等, 而自適應傳輸技術(shù)包括傳輸功率控制、自適應調制、自適應碼率、自適應符號速率以及自適應波束成形技術(shù)等等。

　　幸運的是, 目前,系統工程師已經(jīng)應用了大多數調制技術(shù), 如QPSK、M-QAM 和接入技術(shù)如CDMA 和TDMA 到無(wú)線(xiàn)通信系統中。而在WCDMA 的R5 中HSDPA 技術(shù)已經(jīng)使用了部分的自適應鏈路技術(shù)如自適應調制技術(shù)。目前自適應鏈路技術(shù)在WCDMA 中應用的困難在于如何有效地結合這些技術(shù), 從而創(chuàng )建靈活的無(wú)線(xiàn)資源管理和無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足上面所述的四個(gè)要求。

　　H-ARQ 技術(shù)

　　H-ARQ (Hybrid-ARQ) 實(shí)際上是一種隱性的鏈路自適應技術(shù)。在未來(lái)的移動(dòng)通信系統中, 要求物理層和網(wǎng)絡(luò )層支持多媒體業(yè)務(wù), 希望對不同的業(yè)務(wù)提供不同等級的QoS 質(zhì)量保護, 這就要求物理層和網(wǎng)絡(luò )層需要采用靈活的糾錯編碼和ARQ 方式, 將前向糾錯編碼( FEC) 和自動(dòng)差錯反饋(ARQ) 結合起來(lái), 在編碼中引入了一定的自適應性, 可以更好地適應信道, 提高系統的吞吐量。目前HSDPA 中已經(jīng)考慮采用H-ARQ 技術(shù), 如何將其與其它自適應鏈路技術(shù)有機結合是應用在后三代中亟待解決的問(wèn)題。

　　多個(gè)技術(shù)的結合

　　上述討論了幾種技術(shù)單獨地應用于WCDMA系統中的情況, 而多個(gè)技術(shù)的結合可以進(jìn)一步提高系統的性能。這些結合并不是盲目的結合, 而是有機地結合起來(lái)。其中包括: 信道編碼與多用戶(hù)檢測結合、信道編碼與均衡結合、信道編碼與MIMO及空時(shí)碼結合、信道編碼與空時(shí)碼、自適應鏈路及H - ARQ 結合等等。這些技術(shù)的有機結合可以獲得很大的增益。目前, 信道編碼與多用戶(hù)檢測、均衡、MIMO 結合已經(jīng)被很多學(xué)者所研究, 特別是用Turbo 碼或者LDPC 碼, 采用“Turbo”原理與上述技術(shù)結合, 可以獲得很大的增益, 被認為是后3G的關(guān)鍵技術(shù)。而編碼、自適應調制和H-ARQ的結合更是顯而易見(jiàn)的。但是, 目前這些技術(shù)的結合也存在實(shí)現上的困難。我們相信, 隨著(zhù)器件的發(fā)展, 這些新技術(shù)將未來(lái)WCDMA 系統中發(fā)揮很大的作用。

　　結束語(yǔ)

　　作為WCDMA 系統向后3G演進(jìn)的增強基帶傳輸技術(shù), 多用戶(hù)檢測技術(shù)、均衡技術(shù)、MIMO 和空時(shí)碼技術(shù)、智能天線(xiàn)技術(shù)、自適應鏈路技術(shù)、混合ARQ 技術(shù)等技術(shù)將能夠顯著(zhù)提高通信系統的容量和通信質(zhì)量, 具有很好的應用前景。雖然這些技術(shù)應用在目前的系統中正式商用化還有待時(shí)日, 但這些技術(shù)的使用無(wú)疑將加速WCDMA 向后3G的演進(jìn)。