摘要　　本文介紹了第三代移動通信系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀，分析和比較了分別以日本、美國和歐洲為主提出的W-CDMA、CdmaOne和TD-CDMA系統(tǒng)的技術(shù)特點，最后探討了第三代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞　第三代移動通信系統(tǒng)　碼分多址　IMT-2000
1　引言
　　第三代移動通信系統(tǒng)是指能夠滿足國際電聯(lián)提出的IMT-2000/FPLMTS系統(tǒng)要求的新一代移動通信系統(tǒng)。國際電聯(lián)于1995年提出了IMT-2000/FPLMTS的評估標準，對未來蜂窩移動通信系統(tǒng)提出了較詳細的要求。
　　IMT- 2000系統(tǒng)的基本特征有以下幾點：
　　球范圍設(shè)計的高度兼容性；
　　MT- 2000中的業(yè)務(wù)與固定網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)兼容；
　　質(zhì)量；
　　機體積很小，具有全球漫游能力；
　　用的頻譜為
　　885 MHz～2025 MHz，2110 MHz～2200 MHz（共230 MHz）
　　1980 MHz～2010 MHz，2170 MHz～2200 MHz（限于衛(wèi)星使用）
　　動終端可以連接地面網(wǎng)和衛(wèi)星網(wǎng)，可移動使用也可固定使用；
　　線接口的類型應(yīng)盡可能得少，而且具有高度的兼容性。
　　從而可以看出未來的第三代移動通信系統(tǒng)要具有很好的網(wǎng)絡(luò)兼容性，用戶終端可在全球范圍內(nèi)幾個不同的系統(tǒng)間實現(xiàn)漫游，不僅要為移動用戶提供話音及低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，而且要提供廣泛的多媒體業(yè)務(wù)，這就對無線接口提出了較高的要求。ITU已對IMT-2000的測試環(huán)境提出了具體要求，給出了表征 IMT-2000系統(tǒng)的最低限度的參數(shù)，包括：支持的數(shù)據(jù)率范圍，誤碼率要求，單向的時延要求，激活因子和業(yè)務(wù)量模型。
　　根據(jù)ITU的要求，目前各大電信公司聯(lián)盟均已提出了自己的第三代移動通信系統(tǒng)方案，主要以日本DoCoMo公司為首提出的W-CDMA；美國Lucent、Motorola等公司提出的CdmaOne；歐洲西門子、阿爾卡特等公司提出的TD-CDMA。總體來說，在第三代移動通信系統(tǒng)中采用CDMA技術(shù)已達成共識，但各自實現(xiàn)方案還有較大差別，下面分別介紹并比較。
2　三種方案的特點
　?。?） W-CDMA系統(tǒng)
　　由于歐洲的 GSM系統(tǒng)已經(jīng)在數(shù)字移動通信市場中占據(jù)了很大的份額，美國的窄帶CDMA系統(tǒng)（IS-95）也正在迅速趕上來，而日本的第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)PDC僅限于國內(nèi)使用，無法推廣到其它國家，所以日本很早就開始從事第三代移動通信系統(tǒng)的開發(fā)工作，分別提出了基于TDMA（時分多址）和基于CDMA（碼分多址）的第三代移動通信系統(tǒng)，希望在未來的市場中占據(jù)有利地位，尤其以DoCoMo公司（NTT）的W-CDMA系統(tǒng)最有競爭力，目前DoCoMo公司正在同愛立信、Motorola、Lucent，以及其它廠家合作，努力完善系統(tǒng)，爭取在 1998年完成樣機，1999年進行商業(yè)試驗。
　　W- CDMA系統(tǒng)無線接口的基本參數(shù)為
　　擴頻方式：可變擴頻比（4～256）的直接擴頻；
　　載波擴頻速率：4．096 Mchip/s；
　　每載波帶寬：5 MHz（可擴展為10 MHz/20 MHz）；
　　載波速率：16 kbit/s～256 kbit/s
　　幀長度：10 ms；
　　時隙長度（功率控制組）：0．625 ms；
　　調(diào)制方式：QPSK
　　功率控制：開環(huán)＋自適應(yīng)閉環(huán)方式（功控速率1．6 kbit/s）
　　W- CDMA系統(tǒng)中采用導(dǎo)頻符號相干RAKE接收機技術(shù)，解決了反向信道的容量限制問題，每個無線幀長度為10 ms，分成16個時隙（time slot），每個時隙長度為0．625 ms，在每個時隙的前部插入全“1”或全“0”的導(dǎo)頻符號進行信道參數(shù)估計，這種方法在其它系統(tǒng)的調(diào)制中也有采用的，但W-CDMA系統(tǒng)將從導(dǎo)頻符號得到的衰落信道的振幅和相位信息，作為RAKE接收機最大比值合并的加權(quán)系數(shù)，取得了很好的效果。
　　與IS- 95不同，W-CDMA系統(tǒng)不采用GPS精確定時方式，不同基站間不采用精確定時，優(yōu)點是擺脫了美國GPS系統(tǒng)的控制，可采用較為自由的信道管理方式。缺點是需要快速實現(xiàn)小區(qū)搜索。
　　自適應(yīng)陣列天線技術(shù)可以增加系統(tǒng)容量，而干擾消除技術(shù)可以減少高速率用戶對系統(tǒng)造成的干擾。雖然這兩種技術(shù)在實際應(yīng)用中還有許多問題尚未解決，但日本正努力在W-CDMA系統(tǒng)中采用這兩項技術(shù)。自適應(yīng)陣列天線技術(shù)已經(jīng)有很多文章論述過，這里不再介紹。干擾消除技術(shù)實際上是多用戶檢測技術(shù)的一種實現(xiàn)方式。采用2～3級干擾消除器，容量可增加30％。
　　另外，W- CDMA系統(tǒng)采用了精確的功率控制，即采用基于SIR（信噪比）的開環(huán)＋閉環(huán)的功率控制方式，在業(yè)務(wù)信道幀中插入功率控制比特，插入速率1．6 kbit/s，比IS-95的功控速率增加一倍，可以跟蹤一般的快衰落過程。
　　（2） CdmaOne系統(tǒng)
　　CdmaOne是Lucent、 Motorola、Nortel、Qualcomm和三星聯(lián)合提出的第三代移動通信系統(tǒng)方案，是從IS-95和IS-41的標準發(fā)展而來，因此它與 AMPS、DAMPS和IS-95均有較好的兼容性。同時，又由于它采用了一些新技術(shù)，使其能完全滿足第三代移動通信系統(tǒng)即IMT- 2000/FPLMTS的要求，其無線接口參數(shù)如下：
　　載波帶寬：5 MHz（可擴展為10/20 MHz）
　　擴頻方式：采取直接擴頻或多載波擴頻；
　　擴頻速率：3．6864 Mchip/s；
　　擴頻碼長度：可根據(jù)無線環(huán)境和數(shù)據(jù)速率而變化；
　　幀長度：20 ms；
　　時隙長度（功率控制組）：1．25 ms；
　　調(diào)制方式：下行QPSK，上行BPSK；
　　功率控制：開環(huán)＋閉環(huán)方式（功控速率800 bit/s）。
　　CdmaOne扇區(qū)內(nèi)采用連續(xù)導(dǎo)頻信道廣播，能提供獨立于傳輸速率的功控、定時和相位糾正，能以較小的復(fù)雜度提供基站的快速捕獲和鄰近基站的快速搜索。與IS-95相同的短碼結(jié)構(gòu)加上Walsh函數(shù)使信道之間正交，高速（800 bit/s）前向鏈路功控使前向鏈路平均發(fā)射功率最小化。
　　調(diào)制方式采取多載波方式和直擴方式。這兩種方式有相同的信息傳送率和實現(xiàn)復(fù)雜度。多載波CDMA鏈路在5 MHz帶寬內(nèi)有3個1．25 MHz CDMA載波，10 MHz帶寬則有10個1．25 MHz載波。多載波CDMA前向鏈路信號與IS-95前向鏈路信號正交，編碼后的信息符號同時在多個CDMA載波上傳送，由此帶來的頻域分集等效于將信號擴展到整個帶寬。導(dǎo)頻信號在IS-95與多載波業(yè)務(wù)信道重疊時可以共享，在相同的頻段允許前向鏈路容量在IS-95和寬帶用戶之間動態(tài)共享，繼續(xù)支持低成本/低功耗的IS-95手機用于話音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。
　　直接擴頻鏈路擴頻速率為3．6864 Mchip/s，采用256位的Walsh碼。Walsh碼的長度可根據(jù)無線環(huán)境和數(shù)據(jù)速率而變化，在信道速率為9．6 kbit/s或者14．4 kbit/s時采用256位Walsh碼；快速移動的用戶可限制Walsh碼長大于等于16位；用戶在無線信道情況較好時，可采用 4位的Walsh碼以實現(xiàn)最高的數(shù)據(jù)速率。

（3） TD-CDMA
　　UMTS是ETSI針對第三代移動通信系統(tǒng)IMT-2000提出的解決方案，目前又分為 2個子方案即由德國的kaiserslautern大學(xué)、西門子公司、阿爾卡特公司提出并得到GSM網(wǎng)絡(luò)運營者支持的TD-CDMA系統(tǒng)和由NTT DoCoMo、愛立信公司、諾基亞公司提出的W-CDMA系統(tǒng)。
　　TD- CDMA可以單獨運營以滿足ETSI/UMTS和ITU/IMT- 2000的要求也可雙模工作向后兼容GSM900和DCS1800，使第二代GSM900、DCS1800系統(tǒng)可以平滑過渡至IMT-2000，從而可以利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，節(jié)約了投資，其無線接口參數(shù)如下：
　　每載波帶寬：1．6 MHz；
　　每載波時隙數(shù)：8 slot；
　　幀長度：4．615 ms；
　　時隙長度：577 μs；
　　單位時隙信道數(shù)：8個；
　　單位時隙傳信率：8/16 kbit/s；
　　特征碼擴頻碼長度：16 bit；
　　單位載波信道數(shù)：64個。
　　從TD- CDMA的接入方式可以看出其兼有TDMA和CDMA的特點，是以 TDMA為基本框架在每個時隙傳送具有正交特征碼的多用戶信號，好處是能利用TDMA、CDMA的優(yōu)點并克服各自的缺點且與GSM有較好的兼容性。 TDMA的優(yōu)勢是已經(jīng)通過了大量用戶的試驗和有全球最大的用戶數(shù)；而CDMA的優(yōu)勢是可靈活提供可變速率業(yè)務(wù)和多徑分集能力。單位載波信道數(shù)的增加所帶來的好處是對于同樣的小區(qū)用戶數(shù)而言，收發(fā)信機個數(shù)降低，最多可達8倍，從而可降低基站設(shè)備的投資。
　　TD- CDMA中的擴頻調(diào)制不同于DS- CDMA，它具有很強的適應(yīng)性，既可適應(yīng)于GSM中所采用的QPSK/GMSK方式，又可適應(yīng)于多載波CDMA和脈沖壓縮（Pulse Compression） CDMA，從而確保了對GSM系統(tǒng)的兼容性和對新技術(shù)的開放性。
　　由于TD- CDMA系統(tǒng)接入方式的特殊性，從時域上已大幅度降低了多址干擾，加上小區(qū)復(fù)用系數(shù)為 3，又從空間上隔離了部分多址干擾，僅考慮上述2項就比直擴CDMA要優(yōu)越。另外，由于TD-CDMA用戶數(shù)少，每時隙最多為8個信道，共有16個特征碼字表示的信道，多用戶信號是同步的，從而決定了聯(lián)合檢測（即多用戶檢測）容易實現(xiàn)，且可進行最大似然檢測以達到多用戶檢測的性能極限，大大降低了多址干擾。而在直擴CDMA中（如IS-95），由于反向信道異步和用戶數(shù)多的特點使得多用戶檢測難以實現(xiàn)。
3　三種方案的性能比較
　　這三種方案都是根據(jù)ITU的IMT-2000系統(tǒng)框架要求，結(jié)合原有的系統(tǒng)及近幾年移動通信領(lǐng)域的新技術(shù)，能夠在2000年左右推出商用的移動多媒體通信系統(tǒng)。下面我們從幾方面比較一下這三種方案。
　?。?） 利用CDMA技術(shù)的程度
　　CDMA技術(shù)主要有以下幾個優(yōu)點：小區(qū)復(fù)用系數(shù)為1，利用多徑能力，可變擴頻增益，多用戶檢測，軟切換，軟容量。TD-CDMA、W-CDMA、 CdmaOne對CDMA技術(shù)的利用程度各不相同，如表1所示?？偟膩碚f，TD-CDMA較差，這是因為TD-CDMA系統(tǒng)要與GSM系統(tǒng)兼容，小區(qū)復(fù)用系數(shù)為3，降低了頻譜利用率，并且因為擴頻帶寬只有1．6 MHz，所以并不能充分利用多徑，降低了系統(tǒng)效率，并且軟切換和軟容量能力實現(xiàn)起來很困難，但因為每個時隙內(nèi)最多只有8個用戶，所以采用聯(lián)合檢測相對來說要容易一些，對干擾抵消能力強。
表1　三種方案的比較

（2） 同步方式，功率控制和支持高速業(yè)務(wù)能力
　　目前商用的CDMA系統(tǒng)（IS-95），采用64位Walsh正交擴頻碼序列，反向信道采取非相干接收方式，成為限制系統(tǒng)容量的主要問題，所以在第三代系統(tǒng)中反向鏈路普遍采用相干接收方式。W-CDMA系統(tǒng)采用內(nèi)插導(dǎo)頻符號輔助相干接收技術(shù)，兩者具體性能目前還較難比較，涉及到接收機的結(jié)構(gòu)及實際環(huán)境限制，但前者在車輛移動速度較快時，會跟蹤不上快衰落變化，性能惡化。另外，CdmaOne系統(tǒng)需要GPS精確定時，小區(qū)間要保持同步，對定時系統(tǒng)要求較高；而W-CDMA和TD-CDMA系統(tǒng)則不需要小區(qū)間的同步，可適應(yīng)環(huán)境的變化，可在室外、室內(nèi)、甚至地鐵中使用。TD-CDMA系統(tǒng)繼承了 GSM900和DCS1800正反向信息同步的特點，從而克服了反向信道限制容量的瓶頸效應(yīng)，而同步意味著正反向信道均可采用正交碼，從而克服了遠近效應(yīng)，降低了對功率控制的要求。
　　CdmaOne系統(tǒng)采用與IS-95系統(tǒng)相同的開環(huán)加閉環(huán)功率控制方式，功控速率為800 bit/s，W-CDMA系統(tǒng)采用開環(huán)加自適應(yīng)閉環(huán)功控方式，功控速率增加到1600 bit/s，效果有較大提高，可以抵消一般快衰落的影響。 TD-CDMA采用了聯(lián)合檢測進一步消除了多用戶干擾，使得上行鏈路用戶之間功率相差很大時仍能有效地解調(diào)信息即克服了遠近效應(yīng)，帶來的好處是為了克服瑞利衰落（快衰落）的快速功率控制不是必須的，而消除對數(shù)正態(tài)衰落（慢衰落）的慢速功率控制仍有必要，其目的是為了節(jié)約功率、延長移動臺的電池使用壽命和提高業(yè)務(wù)質(zhì)量。由于對抗快衰落的能力較強，TD-CDMA可以支持高達每小時500 km的移動體的通信，這在現(xiàn)代移動通信中是至關(guān)重要的。而直擴 CDMA對于高速移動通信的支持能力較差。
　　W-CDMA系統(tǒng)在5 MHz帶寬中可提供16 kbit/s、32 kbit/s、64 kbit/s、128 kbit/s等多個傳輸速率。當信息速率超過128 kbit/s時，W-CDMA系統(tǒng)可分配多個碼分信道給用戶進行復(fù)用，采用并行傳送方式可提供384 kbit/s（128 kbit/s×3），并且可容易地實現(xiàn)室內(nèi)2 Mbit/s的信息傳送。CdmaOne系統(tǒng)可通過多載波傳送或復(fù)用碼信道，實現(xiàn)較高速率的信息傳送。 TD-CDMA提供綜合業(yè)務(wù)是通過無線電資源的復(fù)用，可采用在每個時隙內(nèi)的多碼傳輸和時隙合并方式，為了達到2 Mbit/s的峰值速率需采用16進制的QAM調(diào)制方式，當移動臺的傳信率較高時需要較高的發(fā)射功率，又因為采用與GSM系統(tǒng)相同的TDMA時隙分配方式，所以無法充分利用系統(tǒng)資源，造成浪費。
　?。?） 與已有系統(tǒng)的兼容性
　　CdmaOne系統(tǒng)將IS-95從一個話音、低速數(shù)據(jù)系統(tǒng)改進為一個無線多媒體系統(tǒng)，使之能提供基本滿足IMT-2000要求的容量和服務(wù)，優(yōu)化了話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能支持高速率的電路和分組業(yè)務(wù)，提供平滑地向后兼容性（與 IS-95），其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和軟件均從IS-95系統(tǒng)發(fā)展而來，N× 1．25 MHz信道帶寬與IS-95已經(jīng)使用的頻帶兼容。TD-CDMA系統(tǒng)與GSM有相同的幀長度和時隙長度，將GSM或DCS1800的網(wǎng)絡(luò)作相應(yīng)擴充，即可實現(xiàn)與TD-CDMA系統(tǒng)的兼容，在與公網(wǎng)的接口上則向ATM過渡，提高了市場競爭能力。W-CDMA系統(tǒng)，與第二代及在第二代基礎(chǔ)上開發(fā)的PCS及 PCN系統(tǒng)不兼容，需要單獨的基站和移動臺子系統(tǒng)，需要全面安裝系統(tǒng)設(shè)備，所以初期投資要大一些。
4　未來的發(fā)展趨勢
　　ITU為 IMT-2000/FPLMTS系統(tǒng)提出的時間表是：1998年底完成無線傳輸技術(shù)的選擇，1999年完成標準的制定，2000年以后開始商用?，F(xiàn)在以日本、歐洲和美國電信公司為主的聯(lián)盟已分別提出了各自的第三代移動通信系統(tǒng)，決定最終結(jié)果的不僅是技術(shù)的先進，還有成本、系統(tǒng)的復(fù)雜性和市場需求，具體如下：（1） 市場需求。IMT-2000商用系統(tǒng)將在2000年左右推出，會在以后十年內(nèi)逐漸占領(lǐng)市場，所以要研究今后幾年人們對移動通信業(yè)務(wù)需求，IMT- 2000應(yīng)能夠提供那些業(yè)務(wù)。（2） 成本和系統(tǒng)復(fù)雜性。成本取決于系統(tǒng)本身的投入，及與已有系統(tǒng)設(shè)備的兼容性。從初期投入來分析，W- CDMA系統(tǒng)采用了一些新技術(shù)，要設(shè)計全新的基站和移動臺，及整個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，所以投入要大一些。（3）技術(shù)先進性。運營商希望以較少的基站覆蓋較大的區(qū)域，并且提高系統(tǒng)容量。從整體的性能來衡量，W-CDMA因為設(shè)計比較超前，可提供更多的業(yè)務(wù)、較大的系統(tǒng)容量而具有相當大的競爭力，TD-CDMA系統(tǒng)因為其本身的缺陷，無法充分發(fā)揮CDMA技術(shù)的優(yōu)勢。
　　由于目前的移動運營商已在現(xiàn)有的第二代移動通信系統(tǒng)中投入了大量資金，因此必然希望將自己目前的系統(tǒng)平滑過渡到第三代系統(tǒng)；另外，歐、日、美電信公司都希望在未來的第三代移動通信系統(tǒng)市場中占有較大份額，都不會輕易放棄自己的方案。因此，國際電聯(lián)很難最終形成一個統(tǒng)一的第三代移動通信標準，極有可能幾種方案共存。
5　結(jié)束語
　　本文介紹了有可能成為IMT-2000標準的三個第三代移動通信系統(tǒng)候選方案，比較了其技術(shù)特點。我國應(yīng)積極參加國際電聯(lián)有關(guān)第三代移動通信系統(tǒng)的方案論證過程，并開展第三代移動通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)的研究工作，希望能盡力擺脫專利問題的困擾，形成自己的專利技術(shù)，提高中國電信業(yè)的獨立性和與國外電信廠商的競爭能力。
　　我國目前尚沒有能力從事整個第三代系統(tǒng)的研制，但可在跟蹤的基礎(chǔ)上，爭取在移動通信的關(guān)鍵技術(shù)中有所突破，形成自主開發(fā)的專利技術(shù)。我們可以在以下幾個方面有所突破：（1） 智能天線；（2） 干擾抑制（多用戶檢測）；（3） 多址劃分；（4） 功率控制；（5） 系統(tǒng)優(yōu)化；（6） 組網(wǎng)技術(shù)。