IMT2000中的无线传输技术

关键词：无线传输技术(RTT)；第三代移动通信；核心网

Key words: radio transmission technology (RTT); 3G; core network
 
1 前言

　　在2000年5月的ITU-R全会上，通过了第三代移动通信的无线传输技术(RTT)的标准[1]-ITU建议ITU-R M.1457。 此标准还仅仅是第一个初步的版本，今后，每年还将在ITU-R WP8F工作组的组织下进行完善和更新。对其中的主流技术CDMA，将在两个国际标准化组织内进行实际的工作：由3GPP完成CDMA-DS(WCDMA)和CDMA TDD的标准；由3GPP2完成CDMA-MC(CDMA2000)。在3GPP，今2000年的主要工作内容是完成全IP的核心网标准和完成CDMA TDD标准的集成(Integration)。对上述两个内容，在2001年上半年，3GPP将通过新的标准版本：R'00。而ITU-R WP8F将完成新版本的ITU-R M.1457，即正式使用的第三代移动通信标准。

　　我国现在有世界上最大的GSM移动通信网，目前仍然以每月超过200万用户的速度在增加，明年将成为国际上移动通信用户最多的国家。在各大城市，GSM系统的频谱资源即将枯竭，移动数据业务成倍的增加，无线Internet接入已经兴起，各运营商都希望获得第三代移动通信的许可证并尽可能早地提供第三代移动通信业务，以在满足市场需求的同时，在市场竞争中占据有利地位。

　　我国的移动通信制造业也将第三代移动通信看作一个10年难遇的契机，希望在第三代移动通信产业方面彻底改变由外国企业独占我国市场的不利局面。各企业分别从第三代移动通信三种CDMA技术入手，进行了技术准备和产品开发。从2001年起，制造业将配合运营商的要求，在国内开展第三代移动通信的现场试验。在本文中，将对第三代移动通信标准情况作一个简单介绍，对TDD模式的特点和TD-SCDMA标准和技术进行说明，最后，对向第三代移动通信演进的策略问题，提出作者的看法。

2 第三代移动通信标准的几个问题

　　2.1 核心网问题

　　第三代移动通信的标准中，核心网标准是进度比较慢的部分。从90年代中开始制定标准以来到3GPP的R'99中确定的核心网标准（见图1），都是基于电路交换的网络，在包交换方面，则是基于ATM技术，这是当时技术发展历史所决定的。如图1所示，无线接入网通过Iuc接入电路交换的业务，通过Iup接入包交换的业务，而核心网本身则是基于GSM MAP核心网(具GPRS功能)的一个扩充和升级。对第三代移动通信的要求，显然是有距离的，也是一个过渡性的标准版本，此种核心网，恐怕只有日本为急于开通WCDMA系统而使用。

　　但就在同时，由于IP技术的进展，很多公司从1999年起就强烈提出全IP核心网的概念，并被国际标准化组织承认，并将在R'00中完成标准化。

　　2．2 第三代以后的技术

　　在ITU WP8F第一次会议(2000年3月)上，就考虑到新技术的发展，并提出了第三代后的无线传输技术问题。目前主要考虑的是两个主要的技术：智能天线(Smart/adaptive Antenna)和软件无线电(Software Defined Radio)。要求各国对此两个技术在IMT-2000中的应用提出建议。

　　在IMT-2000的RTT中，只有我国建议的TD-SCDMA标准明确提出要使用智能天线，并将物理层技术以智能天线来进行设计。ITU和很多代表希望将此技术使用于FDD系统中，以全面提高第三代移动通信系统的性能和容量。而软件无线电则是设备，主要是用户终端设备的实现方式，不要再对每种模式开发一套专用芯片，而是基于通用的硬件平台，用软件来实现。今后的多模终端，必须用软件无线电技术来实现。

　　2．3 ITU关于标准完善提高的策略

　　作为一代移动通信标准，希望此标准能使用到2020甚至2025年，必然遇到一个标准相对稳定性和新技术不断涌现之间的矛盾。为解决此矛盾，使第三代移动通信的标准具有较长时间的生命力，在ITU和国际标准化组织内，是用如下方式来处理的：

　　· 不断研究新技术，对各种新的技术和可能的发展方向都留有足够的时间和空间来讨论和研究；
　　· 标准版本的修改更新，基本上每年一次，保证标准的相对稳定性；
　　· 对小修改，每年均可进行，由ITU-R WP8F批准。此修改一定要向前兼容，以保证用户的利益；
　　· 对较大修改，由各标准化组织提出，ITU-R WP8F讨论，ITU-R大会通过；
　　· 对大修改，即完全新的技术，则必须由ITU-R大会批准，由各标准化组织和ITU-R WP8F研究提出，再由ITU-R大会通过。

　　显然，随着今后技术的进展，第三代移动通信标准将不断更新和完善。

3 TDD和TD-SCDMA

　　在第三代移动通信标准制定过程中，国际上对无线通信中的TDD双工方式第一次给予了高度重视，在CDMA和TDMA系统中都制定了TDD的标准。很多国家的营运商都表示了首先选用TDD系统的愿望。其主要原因为在同样满足IMT2000要求的前提下，TDD系统有如下特点：

　　·各国对第三代移动通信需要大约400MHz的频谱资源，在3GHz以下，频率资源是非常困难的。TDD能使用各种频率资源，不需要成对的频率；

　　· 第三代移动通信业务中，数据业务将占主要地位；而数据业务中，不对称的IP型的数据业务又最重要。TDD方式特别适用于上下行不对称，具有不同数据传输速率的业务；

　　· TDD上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便于使用诸如智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的；

　　· TDD系统设备成本较低，将可能比FDD系统低20%~50%。

　　传统上，通信界一般认为TDD系统的主要问题是在终端的移动速度和覆盖距离等方面：由于TDD系统采用多时隙的不连续的传输方式，对抗快衰落和多普勒效应的能力比连续传输的FDD方式差；另一方面，TDD系统中的平均功率和峰值功率的比随时隙数的增加而增加，考虑到耗电和成本因素，用户终端的发射功率不可能很大，故通信距离（小区半径）就比较小。如FDD系统的小区半径可能达到数十公里而TDD系统一般不超过十公里。本文中，我们将说明，上述两个问题已经在TD-SCDMA系统中基本解决了。

　　3．1 移动速度问题

　　移动速度的主要限制是多普勒效应所产生的频移和快衰落，它们都需要基带数字信号处理技术来克服。在TD-SCDMA系统中，基带数字信号处理技术是基于智能天线和联合检测，其限制在设备基带数字信号处理能力和算法复杂性之间的矛盾。我们最近的成果为：在移动速度为250km/h和UMTS(3GPP)移动环境下，TD-SCDMA系统全部码道均使用时，链路仿真结果表明系统是能够支持的。此结果和WCDMA系统相当，证明TD-SCDMA同样可以工作于高速移动条件。

　　3．2 通信距离问题

　　通信距离是由链路估算来说明的。在同等发射功率，同样衰落环境和同样接收灵敏度下，不同CDMA系统应当有基本相同的通信距离。对此，TD-SCDMA和WCDMA没有明显差别。

　　另外一个TDD系统的特殊要求是上下行之间必须要一个保护时隙，予留给远距离的用户终端，以达到上行同步。目前TD-SCDMA系统的保护时隙可以提供的通信距离为12 km，但是，当要求提供通信半径超过10 km的基站时，可以提高网络管理系统设置，少使用一个上行时隙，则小区半径就仅仅取决于发射功率，和FDD系统相同。虽然少使用一个上行，系统容量减少了14%，但仍然比其它系统高50%以上。

　　以上情况说明，移动通信一定是以FDD为主流的传统论点已受到挑战，TDD系统在第三代移动通信中的位置已不可动摇。第三代移动通信网络的前景是一个共同的网络（全球的IP网络），卫星移动通信系统用来完成全球无缝覆盖，FDD或TDD系统均可用来建设全国和国际移动通信网，而TDD系统用来在城市人口集中地区提供高密度和高容量的话音、数据及多媒体业务则有明显优势，用双模甚至多模用户终端来实现全球漫游。
大家知道，在CDMA TDD模式下，有两个不同码片速率的选项：UTRA TDD和TD-SCDMA。这两个标准在高层信令和部分物理层技术是相同的。但是，此两个技术的设计出发点是不同的，使用的技术也有差别，导致其主要特性和用途均不同。通过比较，TD-SCDMA在前述TDD的优势上更为突出，并有比其它系统高得多的频谱利用率。更重要的是：UTRA TDD是WCDMA(FDD)系统的一个补充，是一个使用于室内环境，提供数据和多媒体的系统；而TD-SCDMA是基于ITU对IMT-2000的全部要求来设计的，它解决了移动速度和小区半径等TDD的问题，它本身就可以组成一个完整的蜂窝网络。

4 TD-SCDMA是由第二代向第三代演进的首选技术

　　根据国内外多数预测，在21世纪前十余年，第三代移动通信的市场发展可能至少分为如下3个阶段：

　　· 初期，2001~2005年。其特点为：第二代移动通信网（主要是GSM和IS-95CDMA）继续发展和扩大，在第二代移动通信网络的基础上，在局部地区（城市等用户集中地区）提供第三代移动通信业务，数据业务速率限制在384 kbit/s及以下，地区或国际漫游依赖于第二代移动通信系统；

　　· 中期，2004~2010年。它是第三代移动通信系统的高速成长期，其特点为：第二代移动通信网络和系统停止发展，建设成功全国或全球覆盖的第三代移动通信网络，全面达到IMT2000的各项要求。

　　· 后期，2010年以后，全球25%以上人口使用第三代移动通信系统，第四代移动通信设备开始进入市场，提供更高速率的多媒体业务。

　　此市场发展预测也就是制定移动通信从第二代到第三代的演进策略的依据。而所谓的演进，就是考虑上述初期的情况和制定对策。

　　本文所建议的演进过程可以分为如下两个阶段：

　　第一阶段是在第二代网络中提供第三代移动通信业务。如对现有GSM网络，在它扩容时，使用TD-SCDMA的BSS（基站子系统），同时在用户集中地区，在现有GSM基站的站址增加TD-SCDMA基站。使用TD-SCDMA/GSM双频双模用户终端，这些初期的3G用户在TD-SCDMA基站覆盖区内，可以享受3G服务。在覆盖区域以外，则使用GSM工作。显然，此初期系统用户在享受3G服务时，只能在同一BSS的TD-SCDMA基站之间实现越区切换，而GSM网络的功能将不受影响。

　　用此方式，可以用比简单地对GSM系统网络扩容更低的投入，不仅扩大了容量，在用户密集的地区为用户提供了移动通信服务，解决了频谱资源不足造成的容量问题。而且，还为最急需的地区提供了第三代移动通信的业务。同时，也为以后向第三代过渡打下了基础。

　　到这一步，第三代移动通信的覆盖范围可能逐步达到城市一级，在大城市将有几十到上百个第三代的BTS，系统将支持不同BSS之间的自动越区切换。当然，还没有达到全国和全球覆盖，自动漫游还依靠GSM系统。

　　第二阶段是过渡到第三代移动通信网络。到2004~2005年，第三代移动通信将进入高速成长期，各国、各营运商均将开始建设完整的第三代移动通信网络。我认为此网络将是基于全IP的网络。此时，可以由RNC通过Iu接口进入此全IP的核心网，也可能在基站(Node B)直接通过Iub接口进入此核心网。对在第一阶段中使用的设备来说，唯一需要升级更新的部分就是BSS软件升级，满足全IP核心网的要求。而网络中投资最大的部分：BTS已经在第一阶段建设了，只有对其接口进行软件升级，不增加硬件的投入。此时，网中不仅有TDD的基站，也将有FDD的基站，此3G网将是一个全国覆盖、国际漫游的完整的网络。从第二代到第三代的演进或过渡的过程将在上述基本上不大量增加新投资的过程中完成了。

5 小结

　　根据以上分析，我们不难得到如下结论：

　　（1）第三代移动通信标准(IMT_RSPC)是全世界各国十余年合作和艰苦工作的结晶，是现代无线通信技术发展的反映。而且，此标准也是在逐渐完善和更新的过程中。

　　（2）至2001年中在3GPP完成的R'00中，最主要的是完成了全IP核心网和CDMA TDD模式的标准集成。这样，到全世界2002~2003开始建设第三代移动通信网络时，可以一步达到全IP网络；在主流CDMA标准中只有一个TDD标准。

　　（3）在第三代移动通信技术中，TDD模式的无线传输技术在频谱灵活性、提供不对称业务和低价格等方面的优势已被国际上认可。在提供移动数据业务，特别是IP型业务方面的优势，使TDD模式的系统在城市及其郊区有巨大的竞争力。

　　（4）我国提出的TD-SCDMA技术，原来作为一个完整的系统来设计，又采用了智能天线等先进技术，在技术上被公认有明显优势。而且，完全可以使用于高速移动的环境，并可能通过提高发射功率来增加小区半径，基本克服了TDD模式的缺点。根据此标准所开发的设备可以达到提供高频谱利用率、灵活和低成本的目标，在市场上将具有强的竞争能力。

　　（5）在本世纪初期（2001~2004年），在第二代移动通信网中用户密集地区或要求数据和多媒体业务的地区（大中城市主要地区），依托第二代移动通信网开通第三代移动通信业务，主要是以TD-SCDMA的系统为主，使用双频双模终端，将会收到巨大的经济效益，是平稳地向第三代移动通信过渡的较好方式。