3G技术制式比较及后3G时代展望

3G技术制式比较及后3G时代展望
2009年1月7日，工业和信息化部根据国务院会议精神，正式将3G移动通信运营牌照发放给中国电信、中国移动和中国联通三家电信运营商，目前3G频段也已经正式分配。其中中国电信获得的是cdma2000制式，频段是1920-1935MHz和2110-2125MHz，其3G制式基于FDD（频分双工）模式；中国移动获得的是TD-SCDMA制式，频段是1880-1900MHz和2010-2025MHz，其3G标准基于TDD（时分双工）模式；中国联通获得的是WCDMA制式，频段是1940-1955MHz和2130-2145MHz，3G标准也基于FDD模式。根据工业和信息化部无线电管理局消息，相关分配方案已经正式通知三大运营商。自此，中国的移动通信正式开启了3G时代。
3G（3rd Generation）是指第三代移动通信。第一代模拟制式手机（1G）只能进行语音通话；第二代GSM、TDMA等数字制式手机（2G）便增加了接收数据的功能，如接受电子邮件或网页；第三代与前两代的主要区别是在传输声音和数据的速度上的提升，它能够在全球范围内更好地实现无缝漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与已有第二代系统的良好兼容性。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特／每秒）、384kbps（千比特／每秒）以及144kbps的传输速度。国际电信联盟(ITU)目前确定了全球3G三大主流标准，分别是WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA和WiMAX。
3G是ITU在1985年提出的工作在2000MHz的频段、预期在2002年左右商用的系统，当时称为陆地移动通信，即FPLMTS。1996年正式更名为IMT2000。1998年6月，各国标准化组织向国际电联提交了各自的无线传输技术候选方案，共有16种。在这些技术当中，以码分多址技术作为第三代移动通信的主要技术。其中，最有代表性的主流技术有三种，分别是WCDMA技术、cdma2000技术和TD-SCDMA技术。其中，WCDMA是欧洲和日本支持的方案，cdma2000是由美国提出的方案，而TD-SCDMA则是第一个由中国提出、以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的国际标准，采用的是TDMA和CDMA混合接入方案。WCDMA 和TD-SCDMA 是由3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划，一个成立于1998年12月的标准化机构）开发和维护的规范，而CDMA2000是由3GPP2开发和维护的规范，这些技术都是以CDMA 技术为核心。这三种无线传输技术的具体技术参数如表1所示。
表1 三种无线传输技术参数比较
各项指标WCDMAcdma2000TD-SCDMA
扩展类型单载波直接序列扩频CDMA多载波和直接序列扩频CDM时分同步CDMA
最小带宽/MHz51.251.6
码片速率/Mcps3.841.22881.28
帧长/ms102010
语音编码器AMR可变速率声码器AMR
扩频因子（SF）256-443-216-1
调制方式上行：BPSK
下行：HPSK上行：8PSK
下行：QPSK上行：8PSK
下行：QPSK
双工方式FDDFDDTDD
基站间同步异步（不需GPS）同步（需GPS）同步（主从同步）

cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA同属3G的主流技术标准，其中cdma2000和WCDMA是FDD的标准，而TD-SCDMA则是一个TDD标准，这三种技术标准各有特色。WCDMA的主要关键技术在窄带CDMA的技术基础上有所改进：可适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务；BTS之间无需同步；优化的分组数据传输方式；支持不同载频之间的切换；上、下行快速功率控制；反向采用导频辅助的相干检测；充分考虑了信号设计对EMC的影响。cdma2000主要考虑了美国和韩国现有的IS-95商用系统的兼容性，采用了IS-95的软切换和功率控制技术，帧长同样为20ms,需要BTS之间的同步，主要改进在于：反向信道采用连续导频方式；反向信道相干接收；前向发送分集；充分考虑了信号设计对EMC的影响等。TD-SCDMA采用TDD的模式，前向和反向可以使用相同频率的同步时间间隔，其特点在于：能使用各种频率，不需要成对的频率；适用于不对称的上下行数据速率；因前向和反向信道在同一频率，可以采用智能天线等新技术以提高性能。
现有的移动通信业务都是对称双工语音业务和相应的低比特率数据业务。对于语音业务，每窄带的业务信道被占用的带宽是20-30KHz，通常整个频谱会被再分为固定数量的业务信道。对称成对频带上的FDD运行模式非常适合于对称双工的语音业务，因此在1G和2G时代，FDD成为移动通信系统的典型标准。然而，随着移动用户对高速数据处理能力的要求日渐增长，对3G 数据传输速率的要求也从8k bit/s 增长到2M bit/s。随着每个用户要求的频带和数据吞吐量的迅速增长，3G 要同时支持对称和非对称业务的混合业务，导致频谱分配和频谱管理发生了相当大的变化。
由于要实现对称和非对称业务，实现灵活的、自适应的频谱分享是十分必要的。在FDD 系统中，由于其采用固定的上/下行链路分配，导致这个问题不能在频域中被彻底解决。而TDD 模式是通过无线信道在时域里周期性重复的TDMA 帧结构来实现，这个帧结构被再分为几个时隙，因而能在同一帧的不同时隙中发送上行业务（从移动终端到基站的通信业务）或下行业务（从基站到移动终端的通信业务）。也就是说，根据所传输数据的类型不同，上、下行链路上的频谱可以被灵活地分配。当从基站发送电子邮件和下载互联网信息等非对称数据业务时，更多的时隙将被分配给下行链路；当进行语音电话等对称业务时，上、下行业务占有相同的时隙，从而实现了对无线频谱灵活的、自适应的共享。
对于频率规划管理来说，采用TD-SCDMA后，不成对频域更容易被分配和利用，自行解决了所有对称和非对称业务以及任何混合业务的上/下行链路资源分配的问题。因此，中国建议的TD-SCDMA 系统带有无线资源灵活时域分配的显著特点，对各种双工业务的全球无线业务发展都可以说是一个里程碑。
与FDD的两种标准WCDMA和cdma2000相比，TD-SCDMA也有其不足之处。比如，在对CDMA技术的利用方面，TD-SCDMA因要与GSM的小区兼容，小区复用系数为3，降低了频谱利用率；因为TD-SCDMA采用多时隙不连续传输方式，频带宽度窄，不能充分利用多径，抗快衰落和多普勒效应的能力差，降低了系统效率，实现软切换和软容量能力较困难；系统平均功率与峰值功率之比随时隙数增加而增加，受耗电制约，终端发射功率不大，小区半径较小，一般不超过10公里，而FDD系统的小区半径可以达到几十公里。
FDD的两种标准WCDMA和cdma2000都满足IMT-2000提出的全部技术要求，包括支持高比特率多媒体业务、分组数据和IP接入等。这两种系统的无线传输技术均基于DS-CDMA作为多用户接入技术， WCDMA和cdma2000各具优势。WCDMA相对cdma2000的一些优势主要在于：
1) WCDMA使用的带宽和码片速率(3.84Mcps)是cdma20001x演进家族的三倍以上，因而能提供更大的多路径分集、更高的中继增益和更小的信号开销。此外，更高的码片速率也改善了接收机解决多径效应的能力。2) WCDMA在小区站点同步方面的设计是使用异步基站，而cdma2000基站则通常通过GPS实现同步，这将造成室内和城市小区(采用室内天线)部署的困难。3) WCDMA进行功率控制的频率几乎是cdma2000的两倍，达到每秒1500次(1.5kHz)，因而能保证更好的信号质量，并支持更多的用户。
另外，在现有网络基础和市场推广上，WCDMA占据着更大的优势。由于全球移动系统有85%都在用GSM系统，而GSM向3G过渡的最佳途径就是历经GPRS演进到WCDMA。所以,现有网络上的绝对优势使得cdma2000难以对WCDMA望其项背。
但是，另一方面，运营商在网络演进过程中必须考虑由2G到3G的过渡成本问题。新的3G 网络要能够最大限度地利用已有的2G网络设备，包括核心网络和基站设施。最好可以避免在初期不确定情况下大规模投资，采取一个逐步追加投资的过程，从而降低风险，并且获得长期的最