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 WCDMA cdma2000 TD-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/MHz 5 1.25 1.6
码片速率/Mcps 3.84 1.2288 1.28
帧长/ms 10 20 10
语音编码器 AMR 可变速率声码器 AMR
扩频因子（SF） 256-4 43-2 16-1
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 FDD FDD TDD
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，并且获得长期的最大规模效益。
从GSM过渡到WCDMA的成本要远远高于从CDMA过渡到cdma2000，因为WCDMA只能兼容GSM的核心网，基站设施都需要重新建设，因此，WCDMA只能在原有GSM网络之外另外建设一个独立的3G网络。而对于cdma2000,由于其延续了IS-95 的技术，系统的升级只需更换基站的信道板，终端的设计和元器件也有许多是相同的。原有的IS-95网络设备商和终端设备商就可以很容易继续提供对cdma2000系统和终端的支持。因此，运营商可以在极短的时间内将 IS-95的系统升级为cdma2000，终端厂商也会非常容易地推出cdma2000的终端，从而大大提高了cdma2000网络和终端的经济规模，也大幅降低了cdma2000的成本。尤为重要的是，从2G升级到3G的工程建设周期，cdma2000要远远快于WCDMA，这将是3G市场竞争中中国电信制胜的“法宝”。
展望后3G时代的技术潮流，能够超越3G而实现个人通信“超级链接”的网络技术——3G长期演进技术LTE（简称LTE）将是未来发展的方向。LTE解决方案是3GPP组织发布的下一代网络技术标准，由于美国高通公司在3G时代占据了技术的核心专利，LTE阵营处心积虑搞OFDM以绕开高通主要技术。与3G相比，LTE具有更高容量、更高频谱效率和低时延的特点，并完全支持与3GPP2组织的CDMA网络的互通。采用LTE技术，CDMA运营商可以融入到3GPP部署的移动网络中，获取规模化效益，支持LTE终端的全球漫游。
目前，移动无线技术的演进路径主要有三条：一是WCDMA和TD-SCDMA，均从HSPA演进至HSPA+，进而到LTE；二是CDMA2000沿着EV-DO Rev.0/Rev.A/Rev.B，最终到UMB或LTE；三是802.16m的WiMAX路线。这其中LTE拥有最多的支持者。原本就运营GSM/WCDMA的英国沃达丰、日本NTT DoCoMo、西班牙电信、法国电信、美国AT&T和Verizon、中国移动等世界最主要电信运营商已经决定采用或测试LTE技术。而全世界最优秀的CDMA运营商也都在部署LTE或HSPA作为其的下一代网络：美国Verizon、Alltel，日本KDDI、韩国SK电讯和韩国电信(KTF)、澳大利亚电信(Telstra)、和记电讯(澳大利亚、越南)，以及较小的加拿大贝尔和Telus、泰国CAT、新西兰电信。因此，未来在宽带无线移动技术领域，LTE将成为主流技术，并占据移动市场的大部分份额。