无线通信系统的发展历程与趋势

无线通信系统的发展历程与趋势 第xx卷第xx期 通 信 学 报 Vol.xx No.xx 2008年05月 Journal on Communications May 2008 无线通信系统的发展历程与趋势 汪涛 (华南理工大学 电子与信息学院2005级1班，广州 510641) 摘 要:本文以多址接入和双工技术这两项现代无线通信的基础技术为主干，回顾1G和2G 系统使用的主要技术、性能指标和关键技术，比较正在发展中的几种3G系统的 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，还简 要介绍了4G系统和未来的无线通信系统的特点及其关键技术。 关键词:无线通信系统;频分多址;时分多址;码分多址;双工 中图分类号:TN924.2 文献标识码:A 文章编号:1000-436X(2008)05-xxxx-xx History and Development of Wireless Communication Systems WANG Tao (Class 05(1), School of Electronic and Information Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China) Abstract: This paper reviews the 1G and 2G systems by introducing two core technologies of modern wireless communications, Multiple Access and Multiplexing. Then, several developing 3G standards are presented and compared. Finally, new features and core technologies of 4G and future wireless communication systems are briefly introduced. Key words: wireless communication system; FDMA; TDMA; CDMA; Multiplexing 1 引言 现代无线通信系统中最重要的两项基础是多址接入(Multiple Access)和双 工(Multiplexing)。从1G到4G的无线通信系统演进史基本上就是在这两项技 术上进行不断改进。 多址接入技术为不同的用户同时接入无线通信网提供了可能性。图1给出了 三种最典型的多址接入技术:FDMA、TDMA和CDMA的比较。 收稿日期:2008-05-13;修订日期:2008-xx-xx 作者简介:汪涛(1987-)，男，华南理工大学 2005级1班本科生，专业为信息工程(通信 工程)，学号200530214150。 - 2 - 通 信 学 报 第xx卷 图1 三种最典型的多址接入技术 双工技术为用户同时接收和发送数据提供了可能性。图2给出了两种最典型的双工技术:FDD模式和TDD模式的比较。 图2 两种最典型的双工技术 [1](p450) 表1给出了历代蜂窝系统所采用的多址接入和双工技术。 蜂窝系统 多址接入和双工技术 Advanced Mobile Phone System(AMPS) FDMA/FDD Global System for Mobile(GSM) TDMA/FDD US Digital Cellular(USDC) TDMA/FDD Pacific Digital Cellular(PDC) TDMA/FDD CT2 Cordless Telephone(无绳电话) FDMA/TDD Digital European Cordless Telephone(DECT，无绳电话) FDMA/TDD US Narrowband Spread Spectrum(IS-95) CDMA/FDD W-CDMA(3GPP) CDMA/FDD CDMA/TDD cdma2000(3GPP2) CDMA/FDD CDMA/TDD 表1 历代蜂窝系统所采用的多址接入和双工技术 2 第一代无线通信系统 2.1 第一代无线通信系统简介 采用频分多址(Frequency Division Multiple Access)技术组建的模拟蜂窝网也被称为第一代(First Generation，下称1G)无线通信系统。这些系统中，话务是主要的通信方式。由于采用模拟调制，这些系统容易被第三方窃听。1G的主 2 - 3 - 通 信 学 报 第xx卷 要蜂窝系统包括AMPS、NMT、Hicap、CDPD、Mobitex、DataTac、TACS和ETACS。 20世纪70年代末，AT&T的贝尔实验室发明了美国的第一个蜂窝电话系统，即AMPS(Advanced Mobile Phone Service)。Ameritech公司的AMPS在1983年首次在芝加哥的城区和郊区部署。当年，FCC(Federal Communications Commission)分配了位于800MHz频段的40MHz频谱给AMPS，到了1989年，由于业务量激增，FCC又额外分配了10MHz(称为扩展频谱)给AMPS。最初的AMPS蜂窝系统的特点是:蜂窝较大，基站采用全向天线以减少成本。在芝加哥部署的AMPS覆盖了大约2100平方英里。 时至今日，AMPS仍然在世界上的许多地方(尤其是农村)使用，包括美国、南美、澳大利亚和中国。虽然在每个国家AMPS所使用的频带不同，但其无线接口标准是一致的。 到了80年代中期，ETACS(The European Total Access Communication System)在欧洲发展了起来，ETACS和AMPS基本一致，但其每个信道的带宽为25KHz(AMPS为30KHz)。ETACS和AMPS的另一个不同在于电话号码(Mobile Identification Number)的划分，因为欧洲的电话号码要划分为国家区号，而美国 [1](p533)的电话号码要划分的是州区号(Area Code)。 中国于1983年规定蜂窝式移动电话系统频段为870-889.975MHz与915-935.975MHz，频道间隔为25KHz。1990年8月确定采用TACS制式，即频段为890-915MHz与935-960MHz，双工间隔频率为45MHz，并且规定即日起停止引进非该频段的模拟蜂窝系统，原来已引进的各种系统可以沿用到2005年。[2](p221) 表2给出了AMPS、ETACS和NTT(日本采用的1G系统)系统的性能指标比较。 系统名称 AMPS TACS NTT 使用地区 美国 欧洲、中国 日本 频段/MHz 基站发射 870-890 935-960 915-940 移动台发射 825-845 890-915 860-885 频道间隔B/KHz 30 25 25 c 收发频率间隔/MHz 45 45 55 基站发射功率/W 100 100 25 移动台发射功率/W 3 7 5 小区半径/km 2-20 2-20 2-20 区群小区数/N 7/12 7/12 9/12 话音 调制方式 FM FM FM 频偏/KHz +12 +9.5 +5 信令 调制方式 FSK FSK FSK 频偏/KHz +8.0 +6.4 +4.5 速率/(KB/s) 10 8 0.3 纠错编码 基站 BCH(40,28) BCH(40,28) BCH(43,31) 移动台 BCH(48,36) BCH(48,36) BCH(15,11) 表2 第一代无线通信系统的性能指标比较 所有1G系统都有两类逻辑信道:业务信道和控制信道。业务信道传输模拟 3 - 4 - 通 信 学 报 第xx卷 FM电话，同时还传输必要的模拟信令。控制信道分为下行的寻呼信道和上行的接入信道，均传输数字信令。 2.2 频分多址接入技术 FDMA技术是1G系统广泛采用的多址接入技术，每个用户被分配了一个独一无二的频带或信道。这些信道按需分配，且不能被其他用户共享。 在采用了频分双工(Frequency Division Duplexing，下称FDD)模式的系统中，用户被同时分配了一对频率，一个用于前向信道，一个用于反向信道。较高的频谱用作前向信道即基站向移动台方向的信道，较低的频谱用作反向信道即移动台向基站方向的信道。FDD模式要求同时占用2个信道(2对频谱)才能实现双工通信。 所以，基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转。此外还要设置频道间隔，以免因系统的频率漂移造成频道间重叠。前向信道与反向信道之间设有保护频带，用户频道之间也设有保护频隙。如图3所示。 图3 频分双工的前向与反向信道 FDMA遇到的主要干扰如表3所示。 干扰方式 起因 解决 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 系统内非线性器件产生的 互调干扰 选用无互调的频率集 各种组合频率成份落入本频道接收机通带内 相邻波道信号中存在的 邻道干扰 加大频道间的隔离度 寄生辐射落入本频道接收机带内 同频干扰 相邻区群中同信道小区的信号造成的干扰 适当选择频道干扰因子Q 表3 频分多址的主要干扰 下面是消除互调干扰(亦称“非线性作用”)的一个例子。 假设一个基站传输的两个载波频率为1930和1932MHz，并由一个可以产生非线性作用的放大器放大。该基站使用的频段为1920MHz到1940MHz，则由《高频电子线路》课程的知识可知，则带内和带外互调干扰产生的频率为mf+nf，12其中m、n为任意整数，而f、f为载波频率。一些典型的频率包括:1930，1928，12 1932，1934，1926，1924，1936，1938(单位:MHz)。 在AMPS中，当一个用户与基站通信时，将占用一对双工信道，它们间距45MHz。如果多个用户要同时使用AMPS，则需要占用多对信道。因此，不难想到一个FDMA系统能同时支持的最多用户数由式(1)给出: N = ( B- 2B) / B (1) t guard c 式中B是总的频谱宽度，B是在频谱宽度边沿的保护频带，B是频道间tguardc 4 - 5 - 通 信 学 报 第xx卷 隔(参见表2)。此处的B和B可以理解为双工信道中的一个，所以需要为前向tc 和反向信道同时分配一对对称的频带(通常相隔45MHz或55MHz)。 对于美国的AMPS蜂窝运营商，如果它分配到了每个单工频带12.5MHz的宽度，即B为12.5MHz，B为10KHz，且B为30KHz，那么按照式(1)可得tguardc 6 33 N = (12.5×10- 2(10×10)) / 30×10= 416，即每个蜂窝载 [1](p452)波可分配最多416个信道。 FDMA的优点在于其符号时间远大于平均延迟扩展，所以码间干扰较少，无需自适应均衡。但每信道占用一个载频，信道的相对带宽较窄，即通常在窄带系统中实现;且基站复杂庞大，易产生信道间的互调干扰，必须使用带通滤波器来限制邻道干扰。最后，FDMA的越区切换较为复杂，必须瞬时中断传输，对 [3]于数据传输将带来数据的丢失。 3 第二代无线通信系统 3.1第二代无线通信系统简介 从2G开始，无线通信步入了纯数字时代。2G的另一个显著特点是，所有的标准都以商业利益为宗旨。目前，世界上大多数运营中的无线通信系统都是2G系统，其中60%的市场被欧洲标准占据。2G标准包括GSM、iDEN、USDC(D-AMPS)、IS-95、PDC、CSD、PHS、GPRS、HSCSD和WiDEN。 第一代AMPS系统并不能满足当今大城市的通信容量需求。数字蜂窝(Digital Cellular)，亦即采用数字调制技术的蜂窝系统，可以极大地提供系统的容量和性能。经过主要蜂窝产商的大量研究和比较，在20世纪80年代晚期，USDC(The United States Digital Cellular System)实现了可以在固定频带内支持更多用户的时分多址(Time Division Multiple Access)系统。在每个AMPS信道上，USDC可以支持3个全速率(Full-rate)用户或6个半速率(Half-rate)用户。在FDD模式上，USDC沿用了AMPS的45MHz间隔。1990年，USDC/AMPS双模式系统由EIA/TIA(Electronic Industries Association and Telecommunication Industry Association)在Interim Standard 54(IS-54)中标准化，随后被升级到IS-136。由于USDC保持了和AMPS的兼容性，有时也被称为D-AMPS(Digital AMPS)。USDC系统的性能指标如表4所示。 参数 USDC IS-54标准 多址接入/双工模式 TDMA/FDD 数字调制方式 ?/4 DPSK 频道间隔B 30KHz c 反向信道频带 824-849MHz 前向信道频带 860-894MHz 前向和反向信道数据速率 48.6Kbps 频带利用率 1.62bps/Hz 均衡器 未指定 信道编码 7比特CRC 和码率为1/2、约束长度为6的卷积码 交织 2时隙交织器 5 - 6 - 通 信 学 报 第xx卷 每信道用户数 3(全速率，7.95Kbps/用户) 6(半速率，3.975Kbps/用户) 表4 USDC系统的性能指标 表4中信道编码中采用7比特CRC 和码率为1/2、约束长度为6的卷积码，即输入1个比特，输出2个比特，前后6个码元均有约束关系。而交织编码主要应对突发干扰，交织深度越深，抗突发错误的能力越强。交织是按照水平写入、垂 [1](p542)直读出的顺序进行的。 1982年，北欧四国向CEPT(Conference Europe of Post and Telecommunications)提交了一份建议 书 关于书的成语关于读书的排比句社区图书漂流公约怎么写关于读书的小报汉书pdf ，要求订制900MHz频段的欧洲公共电信业务规范，建立全欧统一的蜂窝网移动通信系统，以解决欧洲各国在1G系统中采用多种不同系统造成的互不兼容、无法漫游的问题。同年，GSM(Group Special Mobile)成立。经过几年的讨论和现场测试和论证比较，1986年，GSM成员国选定了窄带TDMA 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。1988年，欧洲18国达成GSM谅解备忘录并颁布了GSM(Global System for Mobile communications)标准。它包括两个并行的系统，GSM 900和DCS 1800，这两个系统功能相同，主要的差异是频段不同。在GSM标准中，未对硬件做出规定，只对功能、接口等做了详细规定，便于不同公司的产品可以互连互通。GSM标准共有12项 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 ，包括:概述、业务、网络、MS-BS(移动台-基站)接口与协议、无线链路的物理层、话音编码规范、MS的终端适配器、BS-MSC(基站-移动交换中心)接口与协议、网络互通、业 [2](p228)务互通、设备型号认可规范、操作和维护。 [4]图4是GSM的Logo，它的身影出现在无数手机和其它无线通信设备上。 图4 GSM的Logo GSM蜂窝系统的网络结构如图5所示。由图可见，GSM蜂窝系统的主要组成部分可分为移动台(MS)、基站子系统和网络子系统。基站子系统(简称基站BS)由基站收发台(BTS)和基站控制器(BSC)组成;网络子系统由移动交换中心(MSC)、操作维护中心(OMC)、原籍位置寄存器(HLR)、访问位置寄存器(VLR)、鉴权中心(AUC)和移动设备识别寄存器(EIR)等组成。由MS、BS和网络子系统构成公用陆地移动通信网，该网络由MSC与公用交换电话网(PSTN)、综合业务数字网(ISDN)和公用数据网(PDN)进行互连。 6 - 7 - 通 信 学 报 第xx卷 图5 GSM蜂窝系统的网络结构 3.2 时分多址接入技术 TDMA是2G系统中的几个应用最广泛的系统，包括USDC和GSM，所采用的多址接入技术。它把频谱资源分为几个时隙(Time Slots)，每个时隙只允许一个用户收发数据。用户通过周期性地占用时隙来占用信道，所以一个信道可以认为是一个在每帧(Frame)中重复出现的，这里N个时隙组成一个帧。TDMA传输数据的方法是buffer-and-burst，所以每个用户的传输并非实时的。这也要求TDMA不能再采用FDMA那样的模拟调制方式。 TDMA的帧结构如图6所示。 图6 时分多址的帧结构 TDMA的效率是指TDMA系统所传输的数据中有百分之多少是包含了要传输的信息，而非同步信息的。帧效率η，指的是每帧中信息比特所占的百分比。f 这里的信息包括了信源和信道编码时所需要的比特，所以对用户来说真正的效率要比η还低。 f 每帧用于同步的比特总数b由式(2)给出。 OH b= Nb+ Nb+ Nb+ Nb (2) OH rr tp tg rg 式中N是每帧中同步突发(Reference Burst，用于网络同步)的数量，Nrt是每帧中话务突发(Traffic Burst，用于数据传输)的数量，b是每个同步突发中r 7 - 8 - 通 信 学 报 第xx卷 所需要的同步比特数，b是每个话务突发中所需要的同步比特数。b是保护时间pg等效的比特数(保护比特)。整个帧的比特数b由式(3)给出。 T b=TR (3) Tf 式中T是帧的时间长度，R是比特率。这时的帧效率η由式(4)给出: ff η = ( 1 – b / b ) × 100% (4) fOHT TDMA系统的信道数量可由每个信道TDMA时隙的数量乘以信道的数量得到，由式(5)给出: N = m ( B – 2B ) / B (5) totguardc 式中m是每个信道上用户复用的最大数量。 在采用TDMA/FDD的GSM系统中，假设使用25MHz为前向链路，并将其分为200KHz每个的信道。如果通过TDMA，每个信道又支持8个话务信道，并假设不使用保护频段，那么由式(5)可得N = 25MHz / ((200KHz) / 8) = 1000。这表示该GSM系统可支持1000用户同时使用，在实际应用中其容量比FDMA大，在前述的计算过程中可知FDMA占用12.5MHz时只可分配416个信道。 如果在上述GSM系统中，每个时隙包含156.25比特，且该信道的数据速率为270.883Kbps，那么每个比特的时间T = 1 / 270.883Kbps = 3.692 b μs，每个时隙为T = 156.25 × T = 0.577 ms，每帧为T = 8 slotbf× T = 4.615 ms。这意味着一个用户在相邻的传输中需要等4.615ms。 slot 如果一个正常的GSM时隙包含6个尾比特、8.25个保护比特、26个同步比特，和两个话务突发，每个58比特的数据，那么一个时隙就有6 + 8.25 + 26 + 2(58) = 156.25 bits，一帧有8 × 156.25 = 1250 bits/frame，每帧用于同步的比特总数为:bOH = 8(6) + 8(8.25) + 8(26) = 322 bits，帧效率为η = (1 – 322/1250) × 100 f [1](p456)= 74.24%。 TDMA系统的缺点包括:突发传输的速率高，远大于语音编码速率，故TDMA系统中需要较高的同步开销。发射信号速率随N的增大而提高，引起码间串扰加大，所以必须采用自适应均衡。 当然，TDMA的优点也十分明显。由于采用了帧的交错(Interleaving)，即移动台在接收发射时使用同样的时隙号，而接收的TDMA帧开始时刻相对于发射的TDMA帧开始时刻延迟了若干个时隙的时间间隔(USDC为2时隙，GSM 8 - 9 - 通 信 学 报 第xx卷 为3时隙)，使时间的接收发射时隙分开，从而避免了GSM在同一时间同时接收发射引起的于扰，所以TDMA手机无需采用价格昂贵的双工滤波器，从而也降低了成本。 此外，TDMA基站复杂性小，互调干扰小，抗干扰能力强，频率利用率高， 也较FDMA大。最后，TDMA的越区切换简单，可在无信息传输时进系统容量 [3]行，不会丢失数据。 3.3 2.5G和2.75G无线通信系统简介 2.5G或2.75G系统是指在2G系统的基础上，提供GPRS或EDGE业务的系统。GPRS(General Packet Radio Service)是为GSM和USDC(IS-136)移动用户提供的以包交换为基础的移动数据服务，为用户提供从56Kbps到114Kbps速率的分组数据业务。EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution)也称为EGPRS(Enhanced GPRS)，GSM用户可以容易地升级到EDGE。EDGE是GPRS的扩展集，并向下兼容GPRS。EDGE可以将GSM中每时隙的总速率从22.8Kbps提高到69.2Kbps。 GPRS通过动态利用多个时隙(如4个)建立链路，每个时隙的数据传输速率可由9.6Kbps提高到14.4Kbps。EDGE通过采用8-PSK调制技术代替原来的GMSK调制，从而将GPRS的传输速率提高到原来的3倍。 将现有GSM网络改造为能提供GPRS业务的网络需要增加两个主要单元: GPRS服务支持节点)和GGSN(GPRS网关支持节点)。SGSN对移动SGSN( 终端进行定位和跟踪，并发送和接收移动终端的分组。GGSN将SGSN发送和接收的GSM分组按照其它分组协议(如IP)发送到其它网络。升级到EDGE无需对GSM核心网络进行硬件或软件上的改动，但基站子系统必须升级，安装EDGE收发模块。 [5]表5给出了GPRS和EDGE的编码、调制方式和速率。 2G系统扩展类型 编码和调制方式 速率(Kbps/时隙) CS-1/GMSK 8.0 CS-2/GMSK 12.0 GPRS (2.5G) CS-3/GMSK 14.4 CS-4/GMSK 20.0 MCS-1/GMSK 8.8 MCS-2/GMSK 11.2 MCS-3/GMSK 14.8 MCS-4/GMSK 17.6 EDGE MCS-5/8-PSK 22.4 (2.75G) MCS-6/8-PSK 29.6 MCS-7/8-PSK 44.8 MCS-8/8-PSK 54.4 MCS-9/8-PSK 59.2 表5 GPRS和EDGE的编码、调制方式和速率 9 - 10 - 通 信 学 报 第xx卷 4 第三代无线通信系统 4.1第三代无线通信系统简介 为了满足不断增长的网络容量需求，数据速率亟待提高到能提供高速数据传输和多媒体应用的水平上来，于是3G标准出现了。3G系统基本上是2G的线性扩展，它们基于两种不同的骨干架构，一种基于电路交换，另一种则基于包交换。 ITU(International Telecommunication Union)定义了一组特定的空中接口技术并称之为3G，包含在IMT-2000(International Mobile Telecommunications-2000)倡议中。IMT-2000是3G的国际标准，它包括IMT-DS(IMT Direct Sequence，或W-CDMA、UTRA-FDD)、IMT-MC(IMT Multi Carrier，或CDMA2000)、IMT-TD(IMT Time Division，或TD-CDMA和TD-SCDMA)、IMT-SC(IMT-Single Carrier，或EDGE，实际上是2.75G标准)和IMT-FT(IMT-Frequency Time或DECT)。现在，2G到3G的转换正在进行中，无数的技术正在被标准化。 常见的3G标准包括:UMTS(W-CDMA)、CDMA2000、FOMA、TD-SCDMA、GAN/UMA、WiMax。表6给出了三种主流第三代移动通信系统主要技术性能的 [2](p363)比较。 标准 WCDMA CDMA2000 TS-SCDMA 载频间隔/MHz 5 1.25 1.6 码片速率/(Mc/s) 3.84 1.2288 1.28 帧长/ms 10 20 10(分为两个子帧) 基站同步 需要，典型方法是不需要 需要 GPS 功率控制 反向:800Hz 快速功控:上、下行前向:慢速、快速功0-200Hz 1500Hz 控 下行发射分集 支持 支持 支持 频率间切换 支持，可用压缩模式支持，可用空闲时隙支持 进行测量 进行测量 检测方式 相干解调 相干解调 联合解调 信道估计 DwPCH、UpPCH、中公共导频 前向、反向导频 间码 编码方式 卷积码 卷积码 卷积码 Turbo码 Turbo码 Turbo码 表6 第三代无线通信系统的性能指标比较 4.2码分多址接入技术 码分多址(Code Division Multiple Access)技术实际上是扩频多址(Spread Spectrum Multiple Access)的一种，广泛应用于3G系统中。不过，美国的IS-95这个2G系统中就已经率先采用了CDMA。SSMA使用比最小所需的RF带宽大好几个数量级的带宽来传输信号。通过伪噪声(pseudo-noise，下称PN)信号，可以将一个窄带信号转变为一个宽带的、类似于噪声的信号，然后再传播。SSMA提供对多径干扰(Multipath Interference)更好的抵抗力，以及更大的多址容量。SSMA在单用户情况下的带宽利用率并不高，然而当多个用户可以同时使用同样 10 - 11 - 通 信 学 报 第xx卷 的频谱且互不干扰时，SSMA的优势就体现了出来。SSMA主要可以分为FH(Frequency Hopped)和DS(Direct Sequence)两种，后者就是CDMA。 FHMA(Frequency Hopped Multiple Access)和FDMA有点相像，每个用户同一时刻占用一个窄带，只是每个FHMA用户的频率是在不断切换的，这种切换是由收发端同步产生的特定PN码决定的。如果频率切换的速率大于码率，那么这种FHMA系统就称为FFHS(Fast Frequency Hopping System)，反之就是SFHS(Slow Frequency Hopping System)。FHMA的一个重要优点在于，频率的跳跃为加密提供了一道天然屏障。蓝牙(Bluetooth)和HomeRF无线技术都采用FHMA作为一种高电源效率和低成本的实现方式。 CDMA和FHMA的区别在于，窄带信号被扩频到一个非常宽的频域上，这个信号称为扩频信号(Spreading Signal)，也即前文提到的PN信号。扩频信号的速率比数据速率大好几个数量级，它使得每个用户所传输的都是伪随机码字，且大致上与其它所有码字都是正交的。接收器进行一次时间相关运算来判定想要的接收信号。为了接收信号，接收器需要知道发送器使用的本地地址码。每个 [1](p458)CDMA用户都是独立的，并不知道其它用户的情况。 CDMA系统工作如图7所示。 图7 码分多址系统的工作示意图 CDMA系统的特点包括:多用户共享同一频率;通信容量大;容量具有软特性(多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会出现硬阻塞现象);由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落信道数据速率很高，无需自适应均衡;平滑的软切换和有效的宏分集，不会引起通信中断;低信号功率谱密度的好处;抗窄带干扰能力强;对窄带系统的干扰很小，可以与其它系统共用频段。 CDMA的越区过程使用“软切换”，即每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收合并这些信号，此时处于宏分集状态，当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平 [3]滑完成，称为软切换。 软切换过程如图8所示。 11 - 12 - 通 信 学 报 第xx卷 图8 码分多址系统的软切换过程 CDMA系统存在的主要问题之一是移动用户所在的位置的变化以及深衰落的存在，会使基站接收到的各用户信号功率相差很大，强信号对弱信号有着明显的抑制作用(也称为The Near-far Problem)。解决这个问题的方法是在每个基站采用功率控制，它保证每个基站覆盖范围内的移动用户提供同样的信号强度到基 ，因为不同用户的扩频序列不完全正交，扩站的接收器。另一个问题是多址干扰 频码集的非零互相关系数会引起用户间的相互干扰。 5 第四代和未来的无线通信系统 5.1 第四代无线通信系统简介 在UMTS(W-CDMA)的基础上，诞生了HSPA(High Speed Packet Access)家族，它包括HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)和HSUPA(High Speed Uplink Packet Access)。目前实现的HSDPA支持1.8、3.6、7.2和14.4Mbps的下行速率，而HSUPA则提供最高5.76Mbps的上行速率。 采用了正交频分复用技术(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)和多天线等新技术的系统则被称为后3G(Post 3G)、超3G(Beyond 3G或Super 3G)，或4G系统。这类系统中的典型是基于UMTS的HSOPA(High Speed OFDM Packet Access)，它是由3GPP的LTE(Long Term Evolution)提供的升级方案。3GPP(3rd Generation Partnership Project)是一个不同国家(包括中国)的电信组织之间的一个协会，它正不断地在IMT-2000的框架内提供3G系统的实现。 4G系统将采用OFDM，它是多载波调制的一种。其主要思想是:将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰(ICI)。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。且由 [6]于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 图9给出了OFDM模式和传统的FDD模式(FDM信号)之比较。可以看出，OFDM节省了相当带宽。 12 - 13 - 通 信 学 报 第xx卷 图9 正交频分复用信号和传统频分双工信号的比较 相比3G系统，4G系统的优势是明显的。以HSOPA为例，它支持从1.25MHz到20MHz的灵活带宽范围，而W-CDMA要求5MHz的强制信道间隔。其传输速度的峰值可以达到100Mbps下行、50Mbps上行。其网络延迟也将大大减少。 5.2 其它的多址接入策略 除了FDMA、TDMA、CDMA三种传统的多址接入技术外，其它的多址接入策略还包括混合扩频技术(Hybrid Spread Spectrum Techniques)、空分多址 和随机多址等。这些技术在1G到4G的系统(Space Division Multiple Access) 中均有应用。其中，使用SDMA技术的智能天线将是4G系统中的关键技术。 SDMA通过空间的分割来区别不同的用户，常与FDMA、TDMA、CDMA结合使用。它使用定向波束天线在不同用户方向上形成不同的波束，相同的频率(在TDMA或CDMA系统中)或不同的频率(在FDMA系统中)用来服务于被天线波束覆盖的这些不同区域。如图10所示。 图10 空分多址接入示意图 SDMA解决的主要问题是蜂窝系统中反向链路的困难。比如，用户端的发射功率必须动态控制，这是因为各用户和基站间无线传播路径的不同;而对用户端发射功率的控制程度受限，这是因为发射受到用户单元电池能量的限制。但如果基站的天线采用SDMA来在空间上滤出每一个用户并使得能检测到的能力提高，那么反向链路的困难就得到改善，同时用户端的能耗也将降低。 自适应天线是实现SDMA的最佳途径，这也是4G的核心技术——智能天线的主要课题，这是因为它提供了最理想的SDMA、无穷小波束宽度、无穷大快速搜索能力，它能提供在本小区内不受其他用户干扰的唯一信道，还能克服多径 [3]干扰和同信道干扰。 常见的随机多址包括ALOHA协议和载波侦听多址(Carrier Sense Multiple Access)协议。 13 - 14 - 通 信 学 报 第xx卷 ALOHA协议是一种最简单的数据分组传输协议，它规定:任何一个用户可以随时接入信道发送数据分组;发送结束后，在相同的信道上或一个单独的反馈信道上等待应答;若在给定的时间区间内没有收到认可应答，则重发数据分组; 要使当前分组传输成功，必须在当前分组到达时刻的前后各一个分组长度内没有其它用户的分组到达，即易损区间为2倍的分组长度。 在ALOHA协议的基础上，提出了改进的时隙ALOHA协议。它将时间轴分成时隙，时隙大小大于一个分组的长度，所有用户都同步在时隙开始时刻发送，称之为时隙ALOHA协议。时隙ALOHA协议的易损区间减少为一个分组长度。 前并不监听信道，这意味着它对其它用户的情况并不了ALOHA协议在传输 解。而CSMA协议中，每个节点在发送之前，先侦听信道是否有分组在传输，若信道空闲，才进行发送;若信道忙，则按照设定的准则推迟发送。这样可以进一步提高传输性能。 采用分组预约多址(Packet Radio Multiple Access)可以提高TDMA的性能。在TDMA的帧结构基础上，PRMA为每一个语音突发在TDMA帧中预约一个时 [3]隙(TDMA中一路话音固定占用一个时隙)。 5.3 未来移动通信系统的特点 在未来的移动通信中，用户将可以在任何地点、任何时间以任何方式接入网络;移动终端的类型不再限于手机，且用户可以自由地选择业务、应用和网络，还可实现非常先进的移动电子商务。最后，系统和业务的可扩展性也将大大提高。 从技术层面上看，未来移动通信中的关键技术包括:智能天线、空时编码(Space Time Coding)、多输入多输出(Multiple-Input and Multiple-Output)和软件无线电。 智能天线的主要任务是实现基于空分多址(Space Division Multiple Access)的自适应天线。空时编码是指对发送符号进行联合编码，然后再多个天线上同时发送，从而实现接收段的有效分集合并，以提高系统的可靠性。多输入多输出同样也是为了提高系统的可靠性，增加分集增益，它还可以提高系统的传输容量。最后，软件无线电可以解决通信产品更新换代越来越快、产品生存周期越来越短、对多种通信体制之间的互连和对移动终端的兼容性要求日益迫切的问题，它通过研制一种基本的可编程硬件平台，将无线通信新体制、新系统和新产品的研制和开发从以硬件为主转移到以软件为主。 参考文献: [1] THEODORE R. Wireless Communications: Principles and Practice: Second Edition[M]. Prentice Hall. March 2004. [2] 李建东等. 移动通信(第四版)[M]. 西安电子科技大学出版社. 2006年7月. [3] 冯义志. 蜂窝组网技术课堂讲义[Z]. 华南理工大学电子与信息学院. 2008年5月, [4] Wikipedia. Global System for Mobile communications[EB]. Wikipedia: The Free Encyclopedia. May 2008. [5] Wikipedia. Enhanced Data Rates for GSM Evolution[EB]. Wikipedia: The Free Encyclopedia. May 2008. [6] 百度百科. 正交频分复用技术[EB]. 百度百科——全球最大中文百科全书. 2008年5月. 14