王玉
本文作者王玉先生，上海大唐移动通信设备有限公司工程师。
一 引言
随着知识经济时代的到来，人们对个人通信的要求日益迫切。移动通信作为实现个人通信的必由之路，其有限的频谱资源与用户不断增长的带宽需求之间的矛盾日益突出。为满足用户需求、有效提高频谱利用率，移动通信系统已从第一代的模拟系统、第二代的窄带数字系统向第三代宽带CDMA系统飞速发展。
由于目前两种主要的第二代移动通信系统(采用TDMA方式的GSM和采用CDMA方式的IS-95)使用的网络技术不一样，且都已具备相当规模，考虑到后向兼容性问题，两大核心网络(MAP与IS-41)将结合自身特点分别向第三代系统演进。
a. GSM向IMT-2000/UMTS演进
欧洲第二代GSM系统的全球用户分布很广，因此，希望在进一步发展GSM系统的同时，逐步平稳地推出第三代移动通信系统。现在，欧洲一方面积极完善和发展GSM标准，在GSM Phase2+阶段，推出了GPRS业务和CAMEL(移动通信加强型逻辑的客户化应用)业务，另一方面也致力于IMT-2000的标准化工作。
开始时采用增强型二代核心网，第三代无线接入网通过适配功能单元(AF)接入到增强型二代核心网，延续一段时期后，根据业务需求的增长，然后在二代核心网之间采用互通功能单元(IWF)连接，逐步淘汰二代核心网，实现第三代核心网(基于ATM)。如图1所示。
最终形成的欧洲IMT-2000/UMTS网络结构如图2所示。
b. IS-95向IMT-2000/cdma 2000演进
北美在IMT-2000网络发展目标基础上，以宽带分组交换网为核心，将当前从功能上分层的网络模式演变成端到端的客户机/服务器模式，如图3所示。
在向第三代网络过渡时，分4个阶段进行：
(1) 引入带分组数据功能的基站和基站控制器，将话音和分组数据业务分开，分组数据通过服务路由器与分组数据网(如Internet)连接；
(2) 引入第三代基站控制器和基站，两者之间通过宽带ATM网络连接。同时在移动业务交换中心留有二代基站控制器的接口，以利于三代与二代的共同覆盖；
(3) 完全过渡到分组模式，所有的话音和数据业务都通过服务互通模块(SIWF)转接，并将二代和三代基站控制器功能合二为一；
(4) 将基站控制器的功能扩展为一个服务器，称为BSC服务器；同时，将分组功能从服务器互通模块中分离出来，成为一个单独的分组服务器。
从以上网络演进的4个阶段可以看出，北美的思路基本上与欧洲的UMTS/IMT-2000相似，都是引入分组数据功能，将分组数据与话音分开。然而，在网络的最终目标上，北美构想了一个端到端的以宽带ATM网为核心，BSC、MSC、HLR等为服务器的网络模型。
本文阐述第三代移动通信系统中无线传输的关键技术，并讨论未来交换技术的发展。
二 第三代移动通信系统无线传输关键技术
IMT-2000无线接口技术规范草案共包含5个无线接口标准，其中3个使用CDMA技术，2个使用TDMA技术。这5个无线接口技术标准是： IMT-2000 CDMA DS (即W-CDMA)、IMT-2000 CDMA MC(即cdma 2000)、IMT-2000 CDMA TDD(含TD-SCDMA和UTRA TDD)、IMT-2000 TDMA SC(UWC-136)和IMT-2000 FDMA/TDMA(DECT)。
虽然3种基于CDMA技术的第三代无线接口技术标准在接入方式、Chip速率、同步方式、对高速业务的支持等方面存在着明显的不同。但由于三者均采用了CDMA技术，在无线传输关键技术上存在着共性。
1. RAKE接收机
在多径传输的研究上，过去无法分离多径，仅根据多径的矢量和来研究，这样便得到了瑞利分布的传播模型。GSM系统中采用均衡、空间分集、RS编码及交织技术来抵抗多径引起的衰落。采用CDMA技术后，此种研究已经深入到对每一径的分布特性分别进行统计分析的地步。因此CDMA系统首先通过探测接收机对导频信号的多径予以分离，并计算出时延和相位参数，然后根据导频信号的时延和相位参数调整横向滤波器系数，实现信号的同相功率叠加，以改善解调信号的信噪比，这就是RAKE接收机的基本原理。
IS-95系统带宽较窄，有效分离出来的多径数目较少。随着带宽的进一步增加，虽然多径分量更加容易辨别和分离，但与此同时，多径的数目也显著增加；此外，第三代系统对多普勒频移的要求更加严格。如何增加RAKE接收机的分支数目，对多径进行有效地分离、调整、选择与合并，需要更加深入地研究。同时，扩频码的同步与跟踪技术也必须作相应的改进，以适应更高的数据速率。
2. Turbo码技术
1993年提出的Turbo码技术是一种把交织与编码有机结合起来的技术，它具有超乎寻常的接近香农限的优异性能，可以进一步改善抗干扰、抗衰落能力，目前尚没有一种信道编码技术能与其抗衡。但是Turbo码优异的性能是建立在较长交织长度基础之上的，相应地带来了较大的时延，因此这种技术只适合于非实时的高速数据传输。有关Turbo码技术的研究，国际上也刚刚起步，人们正试图揭示这一新思路的实质，完善其理论体系，以便更好地指导Turbo码的发展与应用。目前虽然提出了一些Turbo码的编、解码算法，但由于微电子技术水平与运算复杂度之间的矛盾，不可避免地限制了其在第三代系统中的应用。寻找性能优良、低实现成本的简化算法，将是Turbo码技术研究的关键。由于我国在算法研究上有一定的优势，在这个领域里将大有可为。
3. 软件无线电
软件无线电技术是指在硬件平台基本不变的情况下，尽量通过数字信号处理技术和软件工程的方法来实现系统的功能。通过软件的无线下载与变换来实现同一设备与不同系统的通信，并可实现系统功能的远程更新与升级。第三代移动通信系统将充分运用软件无线电灵活适配的优点，解决不同标准的兼容问题。通信双方自适应地选择系统模式，调用适当软件进行通信，使全球漫游得以实现。
虽然软件无线电的概念正在被人们接受和引用，但随着载波频率的提高，凭借现有水平还远不能真正实现软件无线电的目标。其瓶颈主要是高速A/D、D/A变换器件和高速数字信号处理器件。目前，软件无线电已经从基带实现发展到中频实现，随着微电子技术的进一步发展，在不久的将来完全有可能在射频实现真正意义上的软件无线电。
我国的硬件工艺远落后于软件技术，但采用软件无线电技术后，硬件平台将不是竞争的关键，如何在最短的时间里开发出满足市场需求的软件决定着一个企业的生存，这将是我国通信企业赶超世界跨国公司的一次机遇。
4. 智能天线
智能天线是在天线阵的基础上，通过在每个天线单元上相干接收上行信号后进行相应的基带数字处理，获得上行信号的空间特征矢量及空间特征矩阵，在此基础上实施多径信号的分离和确定每径的入射方位角，并且对每个天线单元所接收信号的到达方向、功率和相对时延差进行估计，利用相控阵天线的基本原理变全向天线为定向天线，进行上行波束赋形，以达到最佳的接收效果。在TDD方式下，上下行链路工作在相同频率，即上下行链路的电波传播特性近似相同。这样，从上行信号中求出的空间特征矢量近似反应了下行链路的特性，可以作为下行波束赋形的依据，即进行下行链路的定向发射。藉此技术不仅降低了发射功率而且避免了多址干扰的影响，从而大大地增加了系统的容量。
由于要在非常有限的时间间隔内，根据天线阵各单元采样获得的大量数据，计算各码道相互独立的空间特征矢量，寻求高效的实时算法是实现智能天线的关键。此外，在FDD方式下，上下行链路的电波传播特性不同，如何根据上行信号空间特征矢量计算下行信号空间特征矢量，将严重影响智能天线在FDD方式下的使用。
5. 多用户检测
IS-95系统容量受多址干扰和远近效应两方面的限制。对于远近效应，IS-95系统通过功率控制，使得不同用户到达基站的功率大致相等。对于多址干扰，IS-95系统只是简单地把其他用户信号均看作多址干扰(MAI)，通过扩频增益抑制多址干扰。但是，对多址干扰的抑制能力不是无限的，随着用户数目的增加，系统性能将严重恶化。
从理论上讲，如果能消去用户受到的多址干扰，就可以提高系统容量。多用户检测的基本思想就是把所有用户的信号都当作有用信号，而不是当作干扰信号，根据多个用户的信息联合检测出每个单独用户的信息。即当多个移动用户与同一基站通信时，基站首先对每个用户的信号进行估计，进而估算出其他用户对每个用户的多址干扰量。从接收信号中去除多址干扰量后，再次对用户信号进行估计。最终，基站将得到每个用户的准确信息。为了去除多径信道的影响，通常在多用户检测的前端用RAKE接收机解决多径问题。也可以在RAKE接收机之前进行多用户检测，此时需要对每一径信号进行估计。随着用户数的增加，多用户检测的运算量迅速增加。受复杂度的限制，目前只对上行链路进行多用户检测的研究。
6. 无线ATM技术
无线ATM技术将显著提高系统复用效率，适应第三代移动通信系统多媒体业务的需要。此外，采用无线ATM技术，可实现移动通信网与ATM有线骨干网的无缝连接，简化系统结构。
无线ATM的实现将分两步完成。首先在基站内部到移动交换机之间实现ATM传输，即在BTS与BSC之间以及BSC与MSC之间采用ATM信元结构。其次，在无线接口上实现ATM传输，以达到在系统中全部采用ATM技术，适应未来电信网需要的目的。
三 我国的第三代移动通信系统无线接口标准
在5种无线接口标准中，由信息产业部电信科学技术研究院(CATT)代表中国提出的TD-SCDMA无线接口标准使用了智能天线与软件无线电等先进技术，能提供较大的系统容量，还能从GSM系统平滑过渡，具有自主知识产权，缩短了我国在移动通信领域与国外的差距。目前，CATT与上海大唐移动通信设备有限公司正在进行TD-SCDMA技术的开发工作，并积极与西门子等公司就TDD方式进行融合，希望第三代移动通信系统能在TDD方式采用唯一的无线接口标准。预计在2001年为国内运营商提供基于TD-SCDMA标准的第三代设备。
我国幅员辽阔，各地发展水平参差不齐。因此，对第三代系统的配置必将逐步展开：首先在热点地区以“孤岛”形式存在，然后在大部分地区实现与第二代系统的重叠覆盖，最终完全实现第三代系统的无缝覆盖。根据这种思路，TD-SCDMA系统无疑是最佳选择。TD-SCDMA系统由于采用TDD方式，频率配置简单，采用智能天线与软件无线电技术，提高了频率利用率，系统的灵活性好，成本低。同时，该技术考虑了我国的实际情况，能与GSM很好的兼容，并且没有IPR问题，有利于促进我国民族通信产业的腾飞。
四 第三代移动通信系统网络交换技术的发展
第三代移动通信系统以提供宽带多媒体业务和全球漫游等网络功能为特征，因此向第三代系统演进的关键因素是网络技术。比较明显的改进是引入了ATM传输技术和智能网概念。
虽然在骨干网络中，由于链路的传送速率极高(>155Mb/s)，并且业务可以近似看成是恒定速率的，使用IP技术不会导致太大的问题。但是，在移动网的应用中，由于以上条件不能满足，如果强行使用IP技术，必将导致网络效率大幅度的下降。此外，现行的IP技术只是一种单一服务质量(QoS)的协议，不能保证不同业务所需要的服务质量，在低速网络和业务突发性很强的网络中，这种缺点表现得尤为突出。
目前，第三代移动通信系统采用ATM传输技术。ATM的主要长处是能够为不同的传输提供不同类型的服务。正是这种能力使得ATM网络能以单一的网络结构提供大容量的综合业务，并能有效利用带宽、支持未来新业务发展的需求。此外，ATM是一种分组长度固定、面向连接的技术，这一特性保证了ATM网络的服务质量。
随着计算机网络的发展、Internet的推广与普及，IP技术越来越受到人们的关注和重视。“IP over Everything”和“Everything on IP”这两句话很好地概述了IP的重要特性。以IP协议为核心的未来的网络体系，向下可兼容各种不同的通信机制，如ATM、SDH、WDM等技术，向上可实现各种不同的业务，如音频、视频和多媒体等业务。
随着IP网络可靠性和服务质量的提高，在不久的将来，IP技术必将替代ATM而占据主导地位。目前，3GPP等组织正在对IP技术进行跟踪和进一步的研究，试图在第三代移动通信系统的第二阶段引入IP交换技术。
五 小结
从中国的实际情况来看，除了部分经济比较发达的沿海城市，为了满足高话务量的需要会引入第三代系统外，在很长一段时间内，移动用户仍以话音业务为主，对第三代系统提供的新业务需求量不是很大。因此，从运营商角度考虑，必然希望能充分利用现有系统，逐步引入能兼容GSM系统的第三代系统。但从设备制造商角度考虑，第三代移动通信系统的开发将是民族通信产业实现整体突破的大好时机，与国外竞争对手站在同一起跑线上的情况是从未有过的。如果我们能很好地把握住这个机会，将使民族通信产业发生质的飞跃，进而加强我国在知识经济时代的竞争能力。
（全文完）
来源：《世界网络与多媒体》
出版日期：2000年4
