发信人: ydc (高个子,大胖子), 信区: CRC
标  题: 基于CDMA的IMT基于CDMA的IMT-2000空中接口方案简介
发信站: 哈工大紫丁香 (2000年12月04日16:35:13 星期一), 站内信件

 ——1  引言
  ——IMT-2000是国际电信联盟ITU提出的第三代移动通信系统，最早称为未来公
众陆地移动通信系统（FPLMTS）。其目的在于形成全球统一的频率、统一的标准、
实现全球漫游和提供多业务的服务。对IMT-2000无线传输媒体（RTT）而言，ITU要
求在室内环境达到2Mbit/s，室外步行环境达到 
  384kbit/s，室外车辆中达到144kbit/s，卫星移动环境中达到96kbit/s的数据速
率。
  ——围绕IMT-2000展开的竞争正在猛烈的进行，与任何激烈的经济竞争一样，用
“战争”来描述并不过份。截止1998年的6月底，提交lTU的第三代地面候选天线接
口技术多达10种，经过类似技 
  术彼此合并，到目前为止还有5种：W-CDMA、cdma2000、TD-SCDMA、UWC136和
EP-DECT。W-CDMA是欧洲和日本支持的方案，cdma2000是由美国提出的方案，
UWC-136是基于IS-136（D-AMPS）的TDMA方案，EP-DECT是在欧洲DECT基础上稍加改
进而来的，我国提出的TD-SCDMA采用TDMA和CDMA混合接入方案。
  ——但由于CDMA技术使用单一的频率，并可在整个系统区域内重复使用，小区复
用系数为1，各个 
  用户采用一组正交码来区分，因而，频率规划简单，频谱利用率高，容量大。在
相同的频段内提供的系统容量比模拟TDMA系统大10-20倍，比TDMA数字系统大4-6倍
。使用功率控制技术、智能天线、干扰消除等技术后可进一步提高系统容量。因而
IMT-2000技术方案已基本上统一到CDMA技 
  术上。
  ——目前，这场电信业战争的焦点主要集中在两个相互竞争的方案上：W-CDMA和
cdma2000（Wideband 
  cdmaOne）。本文先简要描述CDMA方案的特征，然后分别介绍W-CDMA和cdma2000
的空中接口方案。
  ——2  第三代CDMA
  ——和第二代CDMA相比，第三代系统采用了更宽的带宽、更高的码片速率。在提
交给lTU有关IMT-2000的方案中，几乎所有的方案使用的带宽在名义上都是5MHz，
一方面，这是因为用5MHz带宽可以在合理用户容量的前提下提供144kbit/s和
384bit/s数据速率，以及在一定条件下提供2Mbit/s的数据速率。另一方面，宽带
系统本身具有频率分集作用，比窄带系统能更好地克服多径衰落。改善通信质量。
改善载波特性。例如，通过提高码片速率，缩短了码片周期，进而可以提高时间的
分辨能力，对在多径环境下接收合成波的有效路径更多。
  ——第三代CDMA系统中一般采用时分复用或码分复用方案来提供多业务（多速率
）服务，如图1所 
  示。时分复用方案中，由于避免了多码传输，可减少发送功率的峰平比（峰值功
率和平均功率之比），因而可以降低噪声功率，提高系统容量。码分复用是把不同
速率和业务质量（QoS）要求的业务完全分割开来，不同的业务独自编码和交织，
映射到不同的物理数据信道中。并且，各个业务信道是单独控制，因而比较灵活。
但缺点是峰平比较高。

  图1 时分复用和码分复用原理
  ——为了进一步减少峰平比，提高功率效率，减少对其他用户的干扰，第三代
CDMA采用了如图2的复数扩频电路。扩频调制一般采用对称WQPSK（balanced 
  QPSK）和双信道QPSK（dual-channel 
  QPSK）。对称QPSK扩频，数据先串并变换分I和Q两路，再进行调制。双信道吸亚
扩频，I和Q信道中的数据不是一路信号串并变换得来的，而是相互独立的两路数据
。由于QPSK调制允许在I和Q信道中使用同一个扩频码，所以为了更有效的利用扩频
码和频谱资源，下行链路也采用QPSK调制。

  图2 复数扩频
  ——为了克服TDMA系统中上行链路限制容量的瓶颈效应，第三代CDMA在上行链路
采用了相干检测技术，这样可以改善性能3dB左右。为改善下行链路性能，第三代
CDMA采用了比第二代CDMA更快的功率控制技术，能更好地克服多径衰落的影响。并
且通过分集发射来改善下行链路的性能。为充分挖掘无线信道潜力，增加系统容量
，第三代CDMA在上行和下行链路都采用了多用户检测（MUD）技术。
  ——此外．第三代CDMA还采用了智能无线技术。智能天线是一种多波束、用户跟
踪、自适应定向的天线阵。当用户一定时，可以减少其它用户信号的干扰。下行链
路中使用附加导频以实现接收机对信道进行估计。
  ——对业务密集的热点地区，第三代CDMA采用分层小区的方案：在微蜂窝或微微
蜂窝上面叠加一个宏蜂窝，不同的蜂窝使用不同的频率。此时，对越区切换时的载
波搜索有两种方法：对于分集接收机而言，可以暂时分配一个分枝来搜索不同的载
波；对于单个接收机而言，可以在空闲时间里搜索载波（这是因为下行链路的数据
一般是在特定的时隙里传输的，如每帧10ms）。
  ——到目前为止，基于CDMA的第三代移动通信系统主要有两种方案：同步方案和
异步方案。其主要区别就是基站间是需要还是不需要同步。在提交给ITU的方案中
，ETSI、ARIB以及TTA 
  II的WCDMA提案属于异步网络方案；美国TR45.5定义的cdma2000是同步方案。
  ——纵观各方案，竞争的焦点在于W-CDMA和cdma2000。不过，两者采用的技术基
本上是一致的，如表1所示，其主要的不同点在于：码片率、下行链路结构和网络
的同步。前者下行链路采用直 
  接序列扩频，码片速率为4．096Mchip/s；后者下行链路既可采用直接序列扩频
也可采用多载波CDMA方式。前者码片速率为3．6864Mchip/s，后者码片速率为1．
2288Mchip/s。W-CDMA系统中采用不同的长码进行扩频，而cdma2000采用同一长码
的不同相位偏移来进行扩频，这主要得益于cdma2000是同步网络。
  表1 W-CDMA和cdma2000的参数比较
        WCDMAcdma2000
        信道带宽5，10，20MHz1.25，5，10，20MHz
        多址接入DS-CDMADS-CDMA/Multicarrier CDMA
        码片率（Chip 
        rate）4.096/8.192/16.384Mchip/s直接序列扩频1.2288/3.6864/7.
3728/11.0593/14.7456Mchips/s（n=1，3，6，9，12）
        帧长10ms/20ms（可选）20ms（数据和控制信息）5ms（基本信道和专用控
制信道的控制信息
        扩频调制对称QPSK（下行链路）双信道QPSK（上行链路） 复数扩频调制
对称QPSK（下行链路）双信道QPSK（上行链路）复数扩频调制
        数据调制QPSK（下行链路）/BPSK（上行链路）QPSK（下行链路）/QPSK（
上行链路）
        相干检测用户专用的时分复用导频信号（上行和下行链路） 公共导频信
号（下行链路）导频信号与PC和EIB时分复用（上行链路） 
        公共连续导频信号和辅助频信号（上行链路）
        信道复用（上行链路）控制信道和导频信道时分复用 数据信道和控制信
道同相（I）正交（Q）复用控制、导频、基本以及增补信道码分复用 
        数据、控制信道同相正交复用
        多速率可变扩频和多码扩频可变扩频和多码扩频
        扩频参数4-256（4.096Mchips/s)4-1024
        功率控制开环和快速闭环（1.6kHz）功率控制开环和快速闭环（800Hz）
功率控制
        扩频码（下行链路）正交可变参数码（OVSF）（区分信道）Gold序列（区
分小区和用户）可变长度Walsh序列（用于区分信道） 
        长为3×215的M序列（不同小区采用不同的相位偏移码）
        扩频码（上行链路）可变长度正交序列（信道识别码） 长为241的Gold码
（用户识别码） VL-Kasami（可选）可变长度正交序列（信道识别码） 
        长为215的M序列（区分I和Q信道） 长为241-1的M序列（用户识别码）
        越区切换软切换/频率间切换软切换/频率间切换
        小区搜索3步码捕获方案搜索广播公共导频信道
        基站间定时异步/同步（可选）同步

  ——3 W-CDMA

  ——如表1所示，W-CDMA采用不同的长码进行扩频。图3所示的是前向链路专用物
理信道（DPCH）的扩频调制示意图。采用的是对称QPSK调制，同相（I）和正交（
Q）数据用相同的信道标识码（channelization 
  code）和扰频码（scrambing 
  code）来扩频。同一小区的不同物理信道用不同信道标识码来区分。信道标识码
采用的是正交可变扩频参数（OVSF）码。OVSF码在不同的扩频参数的情况2下也能
保证不同下行物理链路的正交性，因而可以提供不同的比特率。同属一个小区下行
链路采用相同的扰频码。长为40960码片（10ms）。系统可用扰频码512个。为了更
快的搜索小区，下行链路使用的扰频码分成32组，每组16个码，采用如图4所示三
步小区搜索方法。

  图3 W-CDMA上行链路扩频调制结构示意图

  图4 W-CDMA三步小区搜索方法
  ——图5所示的是上行链路专用物理信道扩频调制示意图。采用的是双信道QPSK
（dual channel 
  QPSK）调制，I和Q信道用不同的信道标识码扩频后复用成I+jQ信号，再用信道标
识码进行扩频。最后调制到射频。上行链路使用的信道标识码和下行链路中使用的
码属于同一类的OVSF码，以保证专用物理数据信道（DPDCH）和专用物理控制信道
（DPCCH）的正交性。上行链路使用的扰频码通常也是长为40960码片（10ms）的伪
随机码。为较易实现MUD，上行链路扰频码也可采用短VL-Kasami码。
  ——下行链路，各用户相干检测所需的导频信号是用时分复用方式来发送的。并
且每条链路对应一个导频信号，所以可以被用来进行信道估计。在使用自适应天线
情况下，上行链路也采用时分复用的导频信号来进行相干检测。

  图5 W-CDMA下行链路扩频调制结构示意图
  ——对W-CDMA系统业务信道而言，较低的数据速率采用单码扩频，较高的数据速
率采用多码扩频。同一连接的多业务，在正常情况下，采用如图1所示时分复用的
方式。经过外部编码，内部编码、业务复用和信道编码后，多业务数据流被映射到
一个或多个专用的物理数据信道（DPDCH）。在多码扩频情况下，数据经过串并变
换分成两路，分别映射到1和0信道进行扩频传输。W-CDMA中信道编码采用卷积码和
级联码，对要求BER=10-3的业务采用的束长度为9的卷积编码，卷积率在1/2和1／
4间。对要求BER＝10-6的业务，采用级联编码和外部Rs编码。一般一帧内部采用块
交织。但为了改善长时延的性能，W-CDMA还支持帧间交织。目前，Turbo编码处于
研究阶段。
  ——对短的不常用的分组数据，W-CDMA一般采用公共信道分组传输方法，即把分
组数据直接填充到随机接人串中发送。对长的常用的分组数据采用专用信道来传输
。数据大的单个分组数据采用单个分组传输方案，此时，一俟传输完将立即释放占
有的专用的信道。多分组传输方案中，在分组间将保持专用信道以传输概率控制和
同步信息。在W-CDMA中，随机接人串帧长10ms，并且用固的功率发射，遵循Aloha
原理。
  ——4 cdma2000
  ——由于载波间可以重叠，频谱利用率较高，cdma2000提供了多载波方案。在此
方案中带宽为1．25MHz，码片速率是1．2288Mchip/s。采用此方案可以使日IS-95
平稳过渡到第三代移动通信系统。 
  ——cdma2000系统下行链路中，I信道和Q信道分别采用一个长为3×215的M序列
来扩频。不同的小 
  区采用同一个M序列不同的相位偏移。搜索小区时只需搜索这两个码及其不同的
相位偏移码。在上行链路中，扩频码采用的是长为241的M序列，以不同的相位来区
分不同的用户。信道是用相互正文的、可变扩频参数的Walsh序列来区分。
  ——下行链路在不使用自适应天线的情况下，采用公共导频信道作为相干检测的
参考信号。使用自适应天线时，采用辅助导频信道作为参考信号。辅助导频信道是
用户通过码分复用合用一个信道。上行链路的导频信号和功率控制以及丢失指示比
特时分复用。
  ——在多速率业务方面， 
  cdma2000系统提供两种业务信道类型：基本信道和增补信道。这两种信道都是码
分复用信道。基本信道支持的数据速率为9．6kbit/s、14．4kbit/s及其子集的速
率，可以传输语音。信令和低速数据。增补信道提供不同的高速数据速率。在下行
链路中，不同Qos要求的业务都是用码分复用的方式在增补信道中传输的。
cdma2000的帧长为20ms，但控制信息用5ms和20ms，在基本信道中传输。基本信道
使用约束长度为9的卷积编码。增补信道中传输速率为14．4kbit/s。对高速数据而
言，采用约束长度为4，卷积率为1/4的Turbo码。
  ——cdma2000系统中分组数据的传送也遵循时隙Aloha原理。但与W-CDMA不同的
是，第一次随机接入不成功后，其后将增加发射功率。移动用户得到业务信道后，
第一次发送数据时，可以不必事先约定发送速率。如果数据速率超过一定的门限，
就需要申请一个新的接入。移动台传输完后，将立即释放占用的业务信道，但专用
的控制信道不释放。如图6所示。过了一会儿，释放专用控制信道，但保持链路层
和网络层的连接以便减少链路重建时的设置时间。短数据串可以通过公共业务信道
传输。cdma2000系统中还采用了简单的自动重发请求的方案。

  图6 cdma2000 MAC状态示意图
  ——5 结束语
  ——然而，IMT-2000的政治色彩似乎比其技术本身更加令人关注，美国为
IMT-2000提交了多达4个方案。但综观各方案，cdma2000的前景不容乐观。在几个
建议中，只有韩国的CDMA 
  I和cdma2000有使用的可能性，其余的建议更有可能偏袒W-CDMA。但美国凭借其
巨大的经济、政治实力，不会坐视cdma2000落败的；而欧洲国家深受GSM巨大成功
的鼓舞，对第三代移动通信系统的标准似乎是志在必得。此外cdma2000是依赖全球
定位系统（GPS）来实现同步的，一方面使得室内基站同步困难，另一方面GPS是由
美国控制的军用技术，易受美国的控制。所以，对其他国家而言，不大会愿意完全
支持把cdma2000方案作为全球统一标准。而且，基于CDMA的方案与目前在全球获得
广泛应用的GSM系统不兼容的情形，使得GSM运营商不大可能支持采用CDMA技术作为
标准，因而，对IMT-2000而言，唯有可能的是出现多个标准并存的局面。W-CDMA、
cdma2000以及基于GSM对3G的演进方案一起作为IMT-2000标准，称为IMT-2000家族
。


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