WCDMA系统的关键技术

1、WCDMA系统的关键技术1 CDM侬展历程为了明确什么是W-CDMAI统的关键技术，有必要回顾一下蜂窝 移动通信的发展历史。1949 年，Claude Shannon 等人首次给出了 CDMA!袈，1956 年， Price和Green提出RAK强收机的概念，1978年Cooper等人给出在蜂窝 移动通信系统中采用 CDMA勺建议。可以说 CDM腋术由来以久，但 CDMA 或者确切地说扩频技术除了应用在军事领域外，还找不到更好的应用。上个世纪80年代可以说是移动通信发展的重要时期，因为这个 时候几乎同时萌芽了两种重要的移动通信体制一种是TDM琳制，另一种是CDMA制。1987年，欧洲确立了下一

2、代移动通信体制将以TDM股术为主，谈到CDMA寸则认为是几乎无法实现的体制，国内的技术评论和分析 也大致给出了相似的结论，TDMA勺研究开发热情最终导致一个几乎被全球 接收的GS防口其它类似系统如 DAMP辱口 PDC而几乎与此同时，一家美国 的公司Qua11comm则坚定地研究CDM被术，在当时力量显得非常微弱， 1989年Qua11comm进行了首次CDMAt验，并在以后的年份验证了两项 CDMA 关键技术功率控制和软切换，随后通过网络运营说明CDMA勺可行性。90年代中后期CDMAF究、开发热潮正式来临，就连老牌的TDM酸备制造商Ericcson也在3G中支持CDM腋术，Nokia很早就

3、在积蓄 CDMAb量，因 此出现这样的局面，在 3G标准化进程中CDM械了主流技术，差异无非是 各种 CDMA勺变形如 MC-CDMADS-CDMA TD-SCDMA： TD-CDMA?。很容易提出这样的问题，为什么几乎同时萌芽的技术,TDM姆已成熟并得到大规模商用，而 CDMAW后来才受到重视。单就技术原因来 看，CDM是更为复杂的技术，如果没有功率控制等无线资源管理技术的支 持，CDMA勺性能比TDM健差，Qua11comm的主要贡献正在于证实了 CDMA 系统无线资源管理的可能性。CDM/W究、开发热潮白到来说明了 CDMAE 在趋于成熟，国内有不少厂家已经初步掌握了TDMA!术，彳!对

4、于CDMAE需要更多的努力。W-CDMA1 3G的主要RTT标准，与IS-95相比，采用了宽带扩频 技术，这样能更好地利用 CDMA勺优点如统计复用、多径分辨和利用等， 总体上看 W-CDMAJ IS-95、CDMA 200皎有本质不同，撇开IPR问题，所 有的不同点无非是怎样才能更好发挥 CDMA勺优势、提高系统的性能如系 统容量、通信质量和网络覆盖等。本文所指的W-CDM庆键技术并不是与IS-95、CDMA 200目比 W-CDMAI统特有的技术，而是在 W-CDMA、议框架范围内对系统性能有重 要影响的技术，如果没有这些关键技术，W-CDMA达不到预期的目标。整个W-CDMA统可分为两大

5、部分即无线接入网部分和核心网部 分，两部分的发展有很大的不同， 核心网受有线网络的技术发展影响很大， 而无线接入网络的目标一直是提高无线资源利用率和业务提供的灵活性， 本文所指的W-CDMA键技术仅限于无线接入网部分。本文所指的关键技 术不包括 W-CDM题络部分。2 CDM版动通信环境和需要解决的问题CDMA的本质-一种无线资源的统计复用方式移动通信系统需要解决的首要问题是多个用户如何共享无线媒 体，也就是解决多址接入问题。已经提出并实现了三种多址方式如FDMATDMA CDMIA SDMABI3依靠阵列天线来实现空分多址应该是非常有前途的 第四种多址方式。在实际的移动通信系统中可能采用混合

6、多址方式如GSM采用了 FDMA/TDMA式，SDMAT以与FDMA TDMA CDM仲的任何一个组 合实现系统。移动通信系统的无线资源包括频谱、时间、功率、空间和特征 码等要素。从移动通信发展历史看，提高无线资源利用率一直是追求的主 要目标。FDMA TDMAf CDMA勺最大不同点在于：CDM麋统计复用资源， 每个载频的所有用户共享频率、时间、功率资源，用户之间只依靠特征码 来区分；而FDMA TDM是固定分配资源，不同的用户在频率、时间、功 率资源上部分或全部不同，用户之间有较好的隔离度。所有 FDMA TDMA 和CDMA勺技术差异都来源于这个不同点。以GSM（ TDMA为例，在移动通

7、信环境下，只要网络规划尤其是 频率规划和干扰规划比较合理，由于用户之间有较好的隔离度（或者靠频 率、或者靠时间），用户之间的相互干扰比较容易控制，某个用户增加或 减少功率都不会给使用不同无线资源的用户造成很大影响，无线资源管理比较简单，系统主要依靠目前是否有无线信道设备决定接入用户，这是固 定分配资源带来的好处，另外在 GSMfr采用了硬切换、慢速功率控制等技 术，固定分配资源带来的问题主要是无线资源的利用率比较低，最明显 的例子是语音通信，当用户不说话时频率资源被白白浪费掉。在IS-95(CDMA)系统中，不同的用户具有不同的特征码， 频率规 划比较简单，但CDM原统覆盖和容量覆盖需要很好的

8、协调，如果某个小 区业务负载过重则会导致覆盖范围减小甚至会出现覆盖盲区，在IS-95中采用了软切换、快速功率控制等技术，无线资源管理如接入控制比较复杂， 这是统计复用资源带来的问题，CDM相来的好处是无线资源的利用率比较 高，还以语音通信为例，依靠 DTX技术可以使同一小区内的无线资源得到 最大限度的利用。要给出FDMA TDM保口 CDM颜谱利用率和实现复杂度上的比较 是一个复杂的问题，尽管TDM厌口 CDM唐B可以在技术框架限定范围内不断引入新技术来提高系统性能，理论分析表明CDM府网络规划和无线资源管理等技术的配合下，比 TDMAT更高的频谱利用率。移动通信环境移动通信环境至少包括无线信

9、道和业务两个方面。在移动通信系统中，信号的传播由于移动、散射和衰落将导致 复杂的电磁行为，具体表现在信号的时延、频率和角度扩展。时延扩展使 得接收端得到多个拷贝的信号，而且这些信号之间并没有很明确的关系，时延扩展将直接导致码间串扰ISI ;频率扩展将导致信号的时间衰落；角度扩展将导致信号的空间衰落。移动通信系统中业务环境也是系统设计需要考虑的重要因素。 W-CDM移动通信系统与2G移动通信系统有很大的不同，数据业务将占很 大的比重，而且不同的业务具有不同的QoS比如占有不同的带宽、具有不同的误码率等，无疑这要求无线资源管理算法能够按需为用户分配资 源。业务环境还包括业务的空间分布和时间分布，W

10、-CDM砥统中存在大量的突发到达业务，业务的空间分布可能取非均匀分布形式，用户可能在某 些区域发起呼叫的可能性较大。尽管W-CDMAJ IS-95 A在无线信道上没有太大的差别，但业务 环境的复杂性将导致W-CDMAI统在处理业务时需要更复杂的机制。CDMA需要解决的主要问题如前所述，CDMA勺所有问题都来源于无线资源的统计复用，还 来源于移动通信环境的复杂性。CDMAK靠特征码来区分用户，在移动通信环境中将导致两个问 题即多径干扰和多址干扰，多址干扰又分本小区干扰和小区外干扰两大 类。为了克服多径干扰，需要特征码有很好的自相关特性，而为了克服多 址干扰需要特征码之间有良好的互相关特性，如何寻

11、找既有良好自相关又 有良好互相关的特征码一直是 CDMAF究的主要问题之一，这方面的努力 还在继续，比较遗憾的是 Welsh界告诉我们，自相关和互相关不可能同时做到都好，换句话说克服多径干扰和多址干扰单从特征码优选的角度看只能取得某种折中，多径干扰和多址干扰问题是CDM能动通信系统内在问题，无论采用任何技术都只能减少多径干扰和多址干扰的影响，而无法根 本上消除。CDMAW究的另外一个主要问题是依靠同步或准同步来改善CDMA性能。多址干扰的表现形式主要是远近效应，即功率强的用户对功率 弱的用户带来的多址干扰比相反方向即功率弱的用户对功率强的用户带 来的多址干扰要大，因此需要功率控制技术，平衡用户

12、功率，GS岷管也采用了功率控制技术但区别在于两个方面：GSM功率控制速率要慢得多；GSM对功率控制依赖程度要低，而 CDM股有了功率控制 将几乎无法工作。为了克服多址干扰还可以利用物理层技术如RAK强收、多用户检测和智能天线。RAKE接收就是完成多径分离合并功能，与 IS-95 A的不同之处 为，W-CDM层有高3倍的多径分辨能力，另外在 W-CDMA统中，可以利 用用户发射的导频信息，在反向链路进行相干合并，对于 W-CDMA1论分 析显示，若在反向链路采用 8个径的RAKEg收,75%Z上的信号能量将被利用。RAK强收对于多址干扰的抑制能力取决于不同用户特征码之间的互相关性。RAKE接收将

13、来自其它用户的干扰当作白噪声看待。多用户检测考虑到其它用户的信息如用户之间的相关特性是已知的，充分利用CDMA用户特征码的内在结构信息改善接收系统的性能。比较典型的多用户检测 算法有线性解相关算法和干扰抵消算法，线性解相关算法通过估计用户之 间的相关矩阵同时检测多个用户的信息，干扰抵消算法则先将干扰信号扣 除掉，然后再进行信号检测。多用户检测可以提高系统的容量，克服远近 效应的影响。但关于多用户检测需要考虑：多用户检测算法运算复杂，实 现比较困难；多用户检测仅可用于改善上行链路的性能，只适合在基站使 用；多用户检测无法克服小区外干扰；适用于W-CDMAJ多用户检测算法较少。今后多用户检测努力的

14、方向是降低复杂度和针对W-CDMAI统进行设计。从目前商用化的情况看，智能天线可分为两类即外挂式和内嵌 式。前者如Metawave的方法，后者如 Arraycomm的方法，在开发全新的 W-CDMAS础设施时，需要采用内嵌式的方法，以便充分利用智能天线带来 的全部优越性，包括：增大通信距离，提供更大范围的覆盖，可以实现特殊需求的覆盖；增加系统通信容量；与其它技术结合，提供无线电定位， 提供新的电信业务；改善通信质量，降低误码率。W-CDM际统中，第三层涉及到了呼叫管理 CM移动管理 MMffl无线资源管理 RRME个部分，CMB MMW GSM GPR&目比有许多相似之处，W-CDMA勺RRl

15、W GSM!比则有很大的不同，作为无线资源管理至少需要 解决这样的问题：(1)需要给用户分配多少资源，例如用户通信过程中需要分 配多少功率，再比如当用户初次发起呼叫时，根据用户的QoS确定用户所需要的无线资源；(2)当前系统中还有多少无线资源？例如当用户初次发起呼叫 或者有用户期望切换到本小区时系统需要首先估计本小区还有多少资源， 再与用户期望的无线资源进行比较，以决定是否允许用户接入。本文认为特征码优选、同步 CDM麋如何设计一个 CDMA1袈的 问题，作为设备制造商、电信运营商应该更多关注在一个 CDMAg袈内改 善系统性能的技术。基于前面分析，表1给出了 W-CDMAJ关键技术。关键技术备注l|UII1|软件无线电设计Node B、RNC#系结构切换、接入控制、拥塞控制、无线资源管理技术外环功率控制RAKES收、多用户检测、物理层技术智能天线、内环功率控制特征码优选、同步CDMA与标准制定有关表1 W-CDMA关