1、WA000010 WCDMA系統基本原理 ISSUE1.0WCDMA系統概述第1章 WCDMA系統概述1.1 移動通信的發展現代的移動通信發展至今，主要走過了兩代，而第三代現在正處于預商用階段，不少廠家已經在歐洲、亞洲進行實驗網的商用試運行。第一階段是模擬蜂窩移動通信網。時間是上世紀七十年代中期至八十年代中期。 這一階段相對于以前的移動通信系統，最重要的突破是貝爾實驗室在七十年代提出的蜂窩網的概念。蜂窩網，即小區制，由于實現了頻率復用，大大提高了系統容量。第一代移動通信系統的典型代表是美國的AMPS系統和后來的改進型系統TACS，以及NMT和NTT等。AMPS（先進的移動電話系統）使用模擬蜂窩

2、傳輸的800MHz頻帶，在北美、南美和部分環太平洋國家廣泛使用；TACS（總接入通信系統）使用900MHz頻帶，分ETACS（歐洲）和NTACS（日本）兩種版本，英國、日本和部分亞洲國家廣泛使用此標準。第一代移動通信系統的主要特點是采用頻分復用，語音信號為模擬調制，每隔30KHz/25KHz一個模擬用戶信道。其主要弊端有：(1) 頻譜利用率低(2) 業務種類有限(3) 無高速數據業務(4) 保密性差，易被竊聽和盜號(5) 設備成本高(6) 體積大，重量大為了解決模擬系統中存在的這些根本性技術缺陷，數字移動通信技術應運而生，這就是以GSM和IS-95為代表的第二代移動通信系統，時間是從八十年代中

3、期開始。第二代數字蜂窩移動通信系統的典型代表是美國的DAMPS系統、IS-95和歐洲的GSM系統。GSM（全球移動通信系統）發源于歐洲，它是作為全球數字蜂窩通信的TDMA標準而設計的，支持64Kbps的數據速率，可與ISDN互連。GSM使用900MHz頻帶，使用1800MHz頻帶的稱為DCS1800。GSM采用FDD雙工方式和TDMA多址方式，每載頻支持8個信道，信號帶寬200KHz。DAMPS （先進的數字移動電話系統）也稱IS-54（北美數字蜂窩），使用800MHz頻帶，是兩種北美數字蜂窩標準中推出較早的一種，指定使用TDMA多址方式。IS-95是北美的另一種數字蜂窩標準，使用800MHz

4、或1900MHz頻帶，指定使用CDMA多址方式，已成為美國PCS（個人通信系統）網的首先技術。由于第二代移動通信以傳輸話音和低速數據業務為目的，從1996年開始，為了解決中速數據傳輸問題，又出現了2.5代的移動通信系統，如GPRS和IS-95B。CDMA系統容量大，相當于模擬系統的10到20倍，與模擬系統的兼容性好。美國、韓國、香港等地已經開通了窄帶CDMA系統，對用戶提供服務。由于窄帶CDMA技術比GSM成熟晚等原因，使得其在世界范圍內的應用遠不及GSM，只在北美、韓國和中國等地有較大規模商用。移動通信現在主要提供的服務仍然是語音服務以及低速率數據服務。由于網絡的發展，數據和多媒體通信的發展

5、勢頭很快，所以，第三代移動通信的目標就是寬帶多媒體通信。第三代移動通信系統是一種能提供多種類型、高質量的多媒體業務，能實現全球無縫覆蓋，具有全球漫游能力， 與固定網絡相兼容，并以小型便攜式終端在任何時候、任何地點進行任何種類的通信系統。第三代移動通信系統最早由國際電信聯盟（ITU） 于1985年提出，當時稱為未來公眾陸地移動通信系統（FPLMTS，Future Public Land Mobile Telecommunication System），1996年更名為IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000，國際移動通信-2000）

6、。主要體制有WCDMA、cdma2000和UWC-136。1999年11月5日，國際電聯ITU-R TG8/1第18次會議通過了“IMT-2000無線接口技術規范”建議，其中我國提出的TD-SCDMA技術寫在了第三代無線接口規范建議的IMT-2000 CDMA TDD部分中。“IMT-2000無線接口技術規范”建議的通過表明TG8/1制定第三代移動通信系統無線接口技術規范方面的工作已經基本完成，第三代移動通信系統開發和應用將進入實質階段。1.1.1 標準組織3G的標準化工作實際上是由3GPP（3th Generation Partner Project，第三代伙伴關系計劃）和3GPP2兩個標準

7、化組織來推動和實施的。3GPP成立于1998年12月，由歐洲的ETSI、日本ARIB、韓國TTA和美國的T1等組成。采用歐洲和日本的WCDMA技術，構筑新的無線接入網絡，在核心交換側則在現有的GSM移動交換網絡基礎上平滑演進，提供更加多樣化的業務。UTRA（Universal Tetrestrial Radio Access）為無線接口的標準。1999年的1月，3GPP2也正式成立，由美國的TIA、日本ARIB、韓國TTA等組成。無線接入技術采用cdma2000和UWC-136為標準，cdma2000這一技術在很大程度上采用了高通公司的專利。核心網采用ANSI/IS-41。我國的無線通信標準研

8、究組（CWTS）是這兩個標準化組織的正式組織成員，華為公司、大唐集團也都是3GPP的獨立成員。1.1.2 3G演進策略3GPP和3GPP2制定的演進策略總體上都是漸進式的。l 保證現有投資和運營商利益l 有利于現有技術的平滑過渡從發展的角度說，由現有的第二代移動通信系統向IMT-2000演進的過程是一個至關重要的問題。它關系到現有網的再使用（另建新網絡不應是最佳方案）和多種第二代數字網絡體制向同一規范發展這兩個主要問題。1. GSM向WCDMA的演進策略GSM向WCDMA的演進策略應是：目前的GSMHSCSD（高速電路交換數據，速率14.464kbps）GPRS（通用分組無線業務，速率144k

9、bpss）最終以網絡業務覆蓋再度平滑無縫隙地演進至IMT-2000 WCDMA（DS）。(1) 高速電路交換數據，HSCSD：High Speed Circuit Switched DataHSCSD是能將多個全速率話音信道共同分配給HSCSD結構的特性。HSCSD的目的是以單一的物理層結構提供不同空間接口用戶速率的多種業務的混合。HSCSD的好處在于更高的數據速率（高達64 kbps，最大數據速率取決于生產廠家）并仍使用現有GSM數據技術，現有GSM系統稍加改動就可使用。(2) 通用分組交換無線業務，GPRS：General Packet Radio ServiceGPRS的主要優點是：l

10、標準的無線分組交換Internet/Intranet接入，適用于所有GSM覆蓋的地方。l 可變的數據速率峰值，從每秒幾個比特到171.2kbps（最大數據速率取決于生產廠家）。l 由于按實際數據量記費，使用戶可能全天在線上而只付實際傳輸數據量的費用。l 現有業務的使用性以及新的應用。l 無線接口上打包，優化無線資源共享。l 網絡構成的分組交換技術，優化網絡資源共享。l 可延伸到未來無線協議的能力。在現有GSM部分的基礎上，以分組交換為基礎的GPRS網絡結構增加了新的網絡功能部分：(3) 寬帶碼分多址，WCDMA：Wideband Code Division Multi AccessWCDMA成

11、為以UMTS/IMT-2000為目標的成熟的新技術。其能夠滿足ITU所列出的所有要求，提供非常有效的高速數據，具有高質量的語音和圖象業務。在GSM向WCDMA的演進過程中，僅核心網部分是平滑的。而由于空中接口的革命性變化，無線接入網部分的演進也將是革命性的。2. IS-95向cdma2000的演進策略從IS-95A（速率9.6/14.4Kbps）IS-95B（速率115.2kbps）cdma2000 1X，cdma2000 1X能提供更大容量和高速數據速率（144kbps），支持突發模式并增加新的補充信道。采用增強技術后的cdma2000 1X EV可以提供更高的性能。IS-95B與IS-95

12、A的區別重要在于可以捆綁多個信道，IS-95B與IS-95A本質上是基本相同的，可以共存于同一載波中。cdma2000 1X則有較大的改進，cdma2000 1X系統設備可以同時支持1X終端和IS-95A/B終端。因此，IS-95A/B/1X可以同時存在于同一載波中。對cdma2000系統來說，從2G到3G過渡，可以采用逐步替換的方式。即壓縮2G系統的1個載波，轉換為3G載波，開始向用戶提供中高速速率的業務。隨著3G系統中用戶量增加，可以逐步減少2G系統使用的載波，增加3G系統的載波。網絡運營商通過這種平滑升級，不僅可以向用戶提供各種最新的業務，而且很好地保護了已有設備的投資。在向第三代演進的

13、過程中，需要注意的問題是BTS和BSC等無線設備的演進問題。在制定cdma2000標準的時候，已經充分考慮了保護運營商的投資，很多無線指標在2G和3G中是相同的。對BTS來說，天線、射頻濾波器和功率放大器等射頻部分是可以再利用的，而基帶信號處理部分則必須更換。cdma2000 1X EV的演進方向目前包括2個分支：僅支持數據業務的分支cdma2000 1X EV-DO和同時支持數據和話音業務的分支cdma2000 1X EV-DV。在僅支持數據業務方面目前已經確定采用Qualcomm公司提出的HDR(High Data Rate)，而在同時支持數據和話音業務分支方面目前的提案已有幾家，包括我國

14、已經提交的一項技術LAS-CDMA，這些改進技術目前還處于評審過程中。3. DAMPS向UWC-136的演進策略IS-136（DAMPS）向UWC-136的演進的第一步是實現GPRS-136。第二步是實現UWC-136 （Universal Wireless Communications）。UWCC和TIA TR-45.3決定選用以EDGE為基礎的技術。這同時意味著以GPRS網絡結構來支持136+的高速數據傳輸。GPRS-136是136+包交換數據業務的官方稱呼，由于考慮到實現的經濟性問題，高層協議（指第三層以上）與GPRS完全相同。它提供了與GSM的GPRS同樣的容量，用戶可接入IP和X.2

15、5兩種格式的數據網。其主要目的是減少TIA/EIA-136與GSM GPRS之間的技術差別。以便用戶在GPRS-136和GSM GPRS網絡間的漫游。美國TIA發展第三代的策略之一是通過向第三代的演進實現與同樣為TDMA接入方式的GSM的趨同（convergence）。這對于全球性漫游和產品的經濟性極有好處，也實現了UWCC和ETSI的合作協議。更重要的是，這使TDMA在第三代系統中的角色更為重要。1.2 3G的體制種類及區別1.2.1 多種體制的由來目前ITU對3G的研究工作主要有3GPP和3GPP2這兩個組織來承擔。而在3G上，ITU的目標是：建立ITM-2000系統家族，求同存異，實現不

16、同3G系統上的全球漫游。家族概念（Family Concept）(1) 網絡部分在1997年3月ITU-T SG11的一次中間會議上，通過了歐洲提出的“ITM-2000家族概念”。此概念是基于現有的網絡已經 有至少兩種主要標準，即GSM MAP和IS-41。(2) 無線接口在1997年9月ITU-R TG8/1會議上，開始討論無線接口的家族概念。在1998年1月TG8/1特別會議上，提出并開始采用“套”的概念，不再使用“家族概念”。其含義是無線接口標準可能多于一個，但并沒有承認可以多于一個，而是希望最終能統一成一個標準。造成技術不同的原因主要有下面兩個：(1) 與第二代關系網絡部分一定要與第二

17、代的兼容性，即第三代的網絡是基于第二代的網絡逐步發展演進。第二代網絡有兩大核心網：GSM MAP和IS-41。無線接口：美國的IS-95 CDMA和IS-136 TDMA運營者強調后向兼容（演進性）；歐洲的GSM、日本PDC運營者無線接口不后向兼容（革命型）。核心網與無線接口的對應關系如下圖1-1所示：圖1-1 核心網與無線接入網接口的對應關系(2) 頻譜對技術的選用起著重要的作用在頻譜方面，其中關鍵的問題是ITU分配的ITM-2000頻率在美國已用于PCS業務；由于美國要與第二代共用頻譜，所以特別強調無線接口的后向兼容，技術上強調逐步演進。而其他大多數國家有新的IMT-2000頻段，新頻段有

18、很大的靈活性。另外就是知識產權起著非常重要的作用，Qualcomm公司有自己的專利聲明；還有就是競爭也是一個造成技術不同的主要因素。1.2.2 RTT技術提案ITU-R第8研究組的TG8/1任務組負責推進IMT-2000無線電傳輸技術（RTT）的評估、融合工作。至1998年9月，RTT提案包括對MSS（移動衛星業務）在內多達16個，它們基本來自IMT-2000的16個RTT評估組成員，包括(1) UTRA WCDMA（歐洲）(2) DECT （歐洲）(3) cdma2000 （美國）(4) UWC-136 （美國）(5) WIMS WCDMA （美國）(6) WCDMA/NA（美國）(7) W

19、CDMA（日本）(8) TD-SCDMA（中國）(9) Global CDMA（同步）（韓國）(10) Global CDMA（異步）（韓國）(11) LEO衛星系統SAT-CDMA(12) ESA的寬帶衛星系統SW-CDMA(13) 混合寬帶CDMA/TDMA衛星系統SW-CTDMA(14) ICO全球通信公司的ICO RTT(15) INMARSAT的衛星系統Horizons(16) Iridium LLC公司的衛星系統INX。其中前10種為IMT-2000地面系統RTT提案，后6種RTT反映了將MSS（衛星移動通信業務）納入IMT-2000的努力。提案充分反映了很多國家對IMT-2000

20、未來制式確定的關心與力爭施加有效影響的基本愿望。但從市場基礎、后向兼容及總體特征看，歐洲ETSI的UTRA WCDMA及美國cdma2000這兩個提案，最具競爭力，RTT融合的關鍵即在于這兩個提案的融合能否取得有效的進展。1.2.3 技術融合IMT-2000既包括地面移動通信業務（TMS），又包括衛星移動通信業務（MSS）。建議一個全球統一、融合得更好的第三代移動通信標準，對運營商、制造商、用戶及政策規劃管理部門均更有利，也為世界各國所歡迎。就16個RTT候選方案來看，地面移動通信融合的最終結果對于FDD模式，以歐洲ETSI的WCDMA （DS）與美國TIA的cdma2000最具競爭力；而對于

21、TDD模式，歐洲的ETSI UTRA提出的TD-CDMA與中國CATT提出的TD-SCDMA是進一步融合的主要對象。1999年3月底，愛立信和高通公司就IPR達成的一系列協議，為推廣全球CDMA標準掃除了知識產權方面的嚴重障礙。1999年5月底，運營者協調集團OHG（全球31個主要操作運營者與11個重要制造商）提出的涉及IMT-2000的融合提案對促進其主要參數（碼片速率、導頻結構及核心網協議以GSM-MAP、ANSI-41為基礎）統一起了積極作用，參與者一致統一碼片速率對FDD-DS-CDMA取3.84Mcps，對FDD-MC-CDMA即FDD-cdma2000-(MC)取3.6864Mcp

22、s。1999年6月于北京召開的TG8/1第17次會議就IMT-2000的無線接口技術規范建議Rec、IMT、RSPC達成了框架協議，并鼓勵3GPP、3GPP2及各標準開發組織SDOS支持上述OHG提案，由工作組對MSS提案進行更細節化的工作。1999年11月，在芬蘭赫爾辛基召開的第18次會議上，通過了“IMT-2000無線接口技術規范”建議，該建議的通過表明TG8/1在制定第三代移動通信系統無線接口技術規范方面的工作已基本完成。第三代移動通信系統的開發和應用進入實質階段。TD-SCDMA和WCDMA、cdma2000確定為最終的三種技術體制。1.2.4 三種主要技術體制比較1. WCDMA的技

23、術特點WCDMA由歐洲標準化組織3GPP所制定，受全球標準化組織、設備制造商、器件供應商、運營商的廣泛支持，將成為未來3G的主流體制。核心網基于GSM/GPRS網絡的演進，保持與GSM/GPRS網絡的兼容性。核心網絡可以基于TDM、ATM和IP技術，并向全IP的網絡結構演進。核心網絡邏輯上分為電路域和分組域兩部分，分別完成電路型業務和分組型業務。UTRAN基于ATM技術，統一處理語音和分組業務，并向IP方向發展。MAP技術和GPRS隧道技術是WCDMA體制移動性管理機制的核心。空中接口采用WCDMA：信號帶寬5MHz，碼片速率3.84Mcps，AMR語音編碼，支持同步/異步基站運營模式，上下行

24、閉環加外環功率控制方式，開環（STTD、TSTD）和閉環（FBTD）發射分集方式，導頻輔助的相干解調方式，卷積碼和Turbo碼的編碼方式，上行和下行采用QPSK調制方式。2. cdma2000技術體制cdma2000體制是基于IS-95的標準基礎上提出的3G標準，目前其標準化工作由3GPP2來完成。電路域繼承2G IS95 CDMA網絡，引入以WIN為基本架構的業務平臺。分組域基于Mobile IP技術的分組網絡。無線接入網以ATM交換機為平臺，提供豐富的適配層接口。空中接口采用cdma2000兼容IS95： 信號帶寬N1.25MHz（N1,3,6,9,12）；碼片速率N1.2288Mcps；

25、8K/13K QCELP或8K EVRC語音編碼；基站需要GPS/GLONESS同步方式運行；上下行閉環加外環功率控制方式；前向可以采用OTD和STS發射分集方式，提高信道的抗衰落能力，改善了前向信道的信號質量；反向采用導頻輔助的相干解調方式，提高了解調性能；采用卷積碼和Turbo碼的編碼方式；上行BPSK和下行QPSK調制方式。3. TD-SCDMA技術體制TD-SCDMA標準由中國無線通信標準組織CWTS提出，目前已經融合到了3GPP關于WCDMA-TDD的相關規范中。核心網基于GSM/GPRS網絡的演進，保持與GSM/GPRS網絡的兼容性。核心網絡可以基于TDM、ATM和IP技術，并向全

26、IP的網絡結構演進。核心網絡邏輯上分為電路域和分組域兩部分，分別完成電路型業務和分組型業務。UTRAN基于ATM技術，統一處理語音和分組業務，并向IP方向發展。MAP技術和GPRS隧道技術是WCDMA體制移動性管理機制的核心。空中接口采用TD-SCDMA。TD-SCDMA具有“3S”特點：即智能天線（Smart Antenna）、同步CDMA（Synchronous CDMA）和軟件無線電（Software Radio）。TD-SCDMA采用的關鍵技術有：智能天線聯合檢測、多時隙CDMADS-CDMA、同步CDMA、信道編譯碼和交織（與3GPP相同）、接力切換等。三種主要技術體制的對比情況如下

27、表所示：表1-1 三種主要技術體制比較制式WCDMAcdma2000TD-SCDMA采用國家歐洲、日本美國、韓國中國繼承基礎GSM窄帶CDMAGSM預計試用期日本2001年韓國2000年底同步方式異步同步異步碼片速率3.84McpsN1.2288Mcps1.28Mcps信號帶寬5MHzN1.25MHz1.6MHz空中接口WCDMAcdma2000兼容IS-95TD-SCDMA核心網GSM MAPANSI-41GSM MAP1.3 3G頻譜情況國際電聯對第三代移動通信系統IMT-2000劃分了230MHz頻率，即上行18852025MHz、下行21102200MHz，共230MHz。其中，198

28、02010 MHz（地對空）和21702200MHz（空對地）用于移動衛星業務。上下行頻帶不對稱，主要考慮可使用雙頻FDD方式和單頻TDD方式。此規劃在WRC92上得到通過，在2000年的WRC2000大會上，在WRC-92基礎上又批準了新的附加頻段： 806-960 MHz 、1710-1885 MHz 、2500-2690 MHz。如下圖1-2所示：圖1-3 WRC-2000的頻譜分配歐盟對第三代移動通信的問題亦十分重視，歐洲電信標準化協會早在十多年前就開始了第三代移動通信標準化的研究工作，成立了一個由運營商、設備制造商和電信管制機構的代表組成的“通用移動通信系統（即UMTS）論壇”，19

29、95年正式向ITU提交了頻譜劃分的建議方案。歐洲情況為陸地通信為19001980MHz、20102025MHz和21102170MHz，共計155MHz。北美情況比較復雜，如圖1-2所示。在3G低頻段的18501990MHz處，實際已經劃給PCS使用，且已劃成215MHz和25MHz的多個頻段。PCS業務已經占用的IMT-2000的頻譜，雖然經過調整，但調整后IMT-2000的上行與PCS的下行頻段仍需共用。這種安排不大符合一般基站發高收低的配置。日本1893.51919.6MHz已用于PHS頻段，還可以提供260MHz15MHz135MHz的3G頻段（19201980MHz，21102170MHz，20102025MHz）。 目前，日本正在致力于清除與第三代移動通信頻率有沖突的問題。韓國和ITU建議一樣，共計170MHz。WCDMA FDD模式使用頻譜為（3GPP并不排斥使用其他頻段）：上行：19201980MHz，下行：21102170MHz。