W-CDMA关键技术

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1 CDMA发展历程

     为了明确什么是W-CDMA系统的关键技术，有必要回顾一下蜂窝移动通信的发展历史。

     1949年，Claude Shannon等人首次给出了CDMA框袈，1956年，Price和Green提出RAKE接收机的概念，1978年Cooper等人给出在蜂窝移动通信系统中采用CDMA的建议。可以说CDMA技术由来以久，但CDMA或者确切地说扩频技术除了应用在军事领域外，还找不到更好的应用。

     上个世纪80年代可以说是移动通信发展的重要时期，因为这个时候几乎同时萌芽了两种重要的移动通信体制一种是TDMA体制，另一种是CDMA体制。1987年，欧洲确立了下一代移动通信体制将以TDMA技术为主，谈到CDMA时则认为是几乎无法实现的体制，国内的技术评论和分析也大致给出了相似的结论，TDMA的研究开发热情最终导致一个几乎被全球接收的GSM和其它类似系统如DAMPS和PDC。而几乎与此同时，一家美国的公司Quallcomm则坚定地研究CDMA技术，在当时力量显得非常微弱，1989年Quallcomm进行了首次CDMA试验，并在以后的年份验证了两项CDMA关键技术功率控制和软切换，随后通过网络运营说明CDMA的可行性。90年代中后期CDMA研究、开发热潮正式来临，就连老牌的TDMA设备制造商Ericcson也在3G中支持CDMA技术，Nokia很早就在积蓄CDMA力量，因此出现这样的局面，在3G标准化进程中CDMA成了主流技术，差异无非是各种CDMA的变形如MC-CDMA、DS-CDMA、TD-SCDMA和TD-CDMA等。

     很容易提出这样的问题，为什么几乎同时萌芽的技术，TDMA早已成熟并得到大规模商用，而CDMA则后来才受到重视。单就技术原因来看，CDMA是更为复杂的技术，如果没有功率控制等无线资源管理技术的支持，CDMA的性能比TDMA更差，Quallcomm的主要贡献正在于证实了CDMA系统无线资源管理的可能性。CDMA研究、开发热潮的到来说明了CDMA正在趋于成熟，国内有不少厂家已经初步掌握了TDMA技术，但对于CDMA还需要更多的努力。

     W-CDMA是3G的主要RTT标准，与IS-95相比，采用了宽带扩频技术，这样能更好地利用CDMA的优点如统计复用、多径分辨和利用等，总体上看W-CDMA与IS-95、CDMA 2000没有本质不同，撇开IPR问题，所有的不同点无非是怎样才能更好发挥CDMA的优势、提高系统的性能如系统容量、通信质量和网络覆盖等。

     本文所指的W-CDMA关键技术并不是与IS-95、CDMA 2000相比W-CDMA系统特有的技术，而是在W-CDMA协议框架范围内对系统性能有重要影响的技术，如果没有这些关键技术，W-CDMA将达不到预期的目标。

     整个W-CDMA系统可分为两大部分即无线接入网部分和核心网部分，两部分的发展有很大的不同，核心网受有线网络的技术发展影响很大，而无线接入网络的目标一直是提高无线资源利用率和业务提供的灵活性，本文所指的W-CDMA关键技术仅限于无线接入网部分。本文所指的关键技术不包括W-CDMA网络部分。

2 CDMA移动通信环境和需要解决的问题

2.1 CDMA的本质------一种无线资源的统计复用方式

     移动通信系统需要解决的首要问题是多个用户如何共享无线媒体，也就是解决多址接入问题。已经提出并实现了三种多址方式如FDMA、TDMA、CDMA， SDMA即依靠阵列天线来实现空分多址应该是非常有前途的第四种多址方式。在实际的移动通信系统中可能采用混合多址方式如GSM采用了FDMA/TDMA方式，SDMA可以与FDMA、TDMA、CDMA中的任何一个组合实现系统。

     移动通信系统的无线资源包括频谱、时间、功率、空间和特征码等要素。从移动通信发展历史看，提高无线资源利用率一直是追求的主要目标。

     FDMA、TDMA与CDMA的最大不同点在于：CDMA是统计复用资源， 每个载频的所有用户共享频率、时间、功率资源，用户之间只依靠特征码来区分；而FDMA、TDMA是固定分配资源，不同的用户在频率、时间、功率资源上部分或全部不同，用户之间有较好的隔离度。所有FDMA、TDMA和CDMA的技术差异都来源于这个不同点。

     以GSM（TDMA）为例，在移动通信环境下，只要网络规划尤其是频率规划和干扰规划比较合理，由于用户之间有较好的隔离度（或者靠频率、或者靠时间），用户之间的相互干扰比较容易控制，某个用户增加或减少功率都不会给使用不同无线资源的用户造成很大影响，无线资源管理比较简单，系统主要依靠目前是否有无线信道设备决定接入用户，这是固定分配资源带来的好处，另外在GSM中采用了硬切换、慢速功率控制等技术， 固定分配资源带来的问题主要是无线资源的利用率比较低，最明显的例子是语音通信，当用户不说话时频率资源被白白浪费掉。

     在IS-95(CDMA)系统中，不同的用户具有不同的特征码，频率规划比较简单，但CDMA系统覆盖和容量覆盖需要很好的协调，如果某个小区业务负载过重则会导致覆盖范围减小甚至会出现覆盖盲区，在IS-95中采用了软切换、快速功率控制等技术，无线资源管理如接入控制比较复杂，这是统计复用资源带来的问题，CDMA带来的好处是无线资源的利用率比较高，还以语音通信为例，依靠DTX技术可以使同一小区内的无线资源得到最大限度的利用。

     要给出FDMA、TDMA和CDMA频谱利用率和实现复杂度上的比较是一个复杂的问题， 尽管TDMA和CDMA都可以在技术框架限定范围内不断引入新技术来提高系统性能，理论分析表明CDMA在网络规划和无线资源管理等技术的配合下，比TDMA有更高的频谱利用率。

2.2 移动通信环境

     移动通信环境至少包括无线信道和业务两个方面。

     在移动通信系统中，信号的传播由于移动、散射和衰落将导致复杂的电磁行为，具体表现在信号的时延、频率和角度扩展。时延扩展使得接收端得到多个拷贝的信号，而且这些信号之间并没有很明确的关系，时延扩展将直接导致码间串扰ISI；频率扩展将导致信号的时间衰落；角度扩展将导致信号的空间衰落。

     移动通信系统中业务环境也是系统设计需要考虑的重要因素。W-CDMA移动通信系统与2G移动通信系统有很大的不同，数据业务将占很大的比重，而且不同的业务具有不同的QoS，比如占有不同的带宽、具有不同的误码率等，无疑这要求无线资源管理算法能够按需为用户分配资源。业务环境还包括业务的空间分布和时间分布，W-CDMA系统中存在大量的突发到达业务，业务的空间分布可能取非均匀分布形式，用户可能在某些区域发起呼叫的可能性较大。

     尽管W-CDMA与IS-95 A在无线信道上没有太大的差别，但业务环境的复杂性将导致W-CDMA系统在处理业务时需要更复杂的机制。

2.3 CDMA需要解决的主要问题

     如前所述，CDMA的所有问题都来源于无线资源的统计复用，还来源于移动通信环境的复杂性。

     CDMA依靠特征码来区分用户，在移动通信环境中将导致两个问题即多径干扰和多址干扰，多址干扰又分本小区干扰和小区外干扰两大类。为了克服多径干扰，需要特征码有很好的自相关特性，而为了克服多址干扰需要特征码之间有良好的互相关特性，如何寻找既有良好自相关又有良好互相关的特征码一直是CDMA研究的主要问题之一，这方面的努力还在继续，比较遗憾的是Welsh界告诉我们，自相关和互相关不可能同时做到都好，换句话说克服多径干扰和多址干扰单从特征码优选的角度看只能取得某种折中，多径干扰和多址干扰问题是CDMA移动通信系统内在问题，无论采用任何技术都只能减少多径干扰和多址干扰的影响，而无法根本上消除。

     CDMA研究的另外一个主要问题是依靠同步或准同步来改善CDMA性能。

     多址干扰的表现形式主要是远近效应，即功率强的用户对功率弱的用户带来的多址干扰比相反方向即功率弱的用户对功率强的用户带来的多址干扰要大，因此需要功率控制技术，平衡用户功率，GSM尽管也采用了功率控制技术但区别在于两个方面：

     （1） GSM功率控制速率要慢得多；

     （2） GSM对功率控制依赖程度要低，而CDMA没有了功率控制将几乎无法工作。

     为了克服多址干扰还可以利用物理层技术如RAKE接收、多用户检测和智能天线。

     RAKE接收就是完成多径分离合并功能，与IS-95 A的不同之处为，W-CDMA具有高3倍的多径分辨能力，另外在W-CDMA系统中，可以利用用户发射的导频信息，在反向链路进行相干合并，对于W-CDMA理论分析显示，若在反向链路采用8个径的RAKE接收，75%以上的信号能量将被利用。RAKE接收对于多址干扰的抑制能力取决于不同用户特征码之间的互相关性。

     RAKE接收将来自其它用户的干扰当作白噪声看待。多用户检测考虑到其它用户的信息如用户之间的相关特性是已知的，充分利用CDMA用户特征码的内在结构信息改善接收系统的性能。比较典型的多用户检测算法有线性解相关算法和干扰抵消算法，线性解相关算法通过估计用户之间的相关矩阵同时检测多个用户的信息，干扰抵消算法则先将干扰信号扣除掉，然后再进行信号检测。多用户检测可以提高系统的容量，克服远近效应的影响。但关于多用户检测需要考虑：多用户检测算法运算复杂，实现比较困难；多用户检测仅可用于改善上行链路的性能，只适合在基站使用；多用户检测无法克服小区外干扰；适用于W-CDMA的多用户检测算法较少。今后多用户检测努力的方向是降低复杂度和针对W-CDMA系统进行设计。

     从目前商用化的情况看，智能天线可分为两类即外挂式和内嵌式。前者如Metawave的方法，后者如Arraycomm的方法，在开发全新的W-CDMA基础设施时，需要采用内嵌式的方法，以便充分利用智能天线带来的全部优越性，包括： 增大通信距离，提供更大范围的覆盖，可以实现特殊需求的覆盖；增加系统通信容量；与其它技术结合，提供无线电定位，提供新的电信业务；改善通信质量，降低误码率。

     W-CDMA系统中，第三层涉及到了呼叫管理CM、移动管理MM和无线资源管理RRM三个部分，CM和MM与GSM、GPRS相比有许多相似之处，W-CDMA 的RRM与GSM相比则有很大的不同，作为无线资源管理至少需要解决这样的问题：

     （1） 需要给用户分配多少资源，例如用户通信过程中需要分配多少功率，再比如当用户初次发起呼叫时，根据用户的QoS确定用户所需要的无线资源；

     （2）当前系统中还有多少无线资源？例如当用户初次发起呼叫或者有用户期望切换到本小区时系统需要首先估计本小区还有多少资源，再与用户期望的无线资源进行比较，以决定是否允许用户接入。

     本文认为特征码优选、同步CDMA是如何设计一个CDMA框袈的问题，作为设备制造商、电信运营商应该更多关注在一个CDMA框袈内改善系统性能的技术。

基于前面分析，表1给出了W-CDMA的关键技术。

关键技术
备注

软件无线电
设计Node B、RNC体系结构

切换、接入控制、拥塞控制、

外环功率控制
无线资源管理技术

RAKE接收、多用户检测、

智能天线、内环功率控制
物理层技术

特征码优选、同步CDMA
与标准制定有关


表 1 W-CDMA关键技术



3 结束语

     W-CDMA是统计复用无线资源，系统为了可靠工作需要复杂的无线资源管理如功率控制、接入控制和拥塞控制等。与IS-95 A相比，W-CDMA业务复杂性使得无线资源管理的作用更加突出。为了提高无线资源利用率，可以采用很多物理层技术如RAKE接收、多用户检测和智能天线等，目前的研究是这三种技术趋于融合，只有这样才能有效克服CDMA的内在问题如多址干扰和多径干扰。软件无线电则是设计基站结构的新方法，具有很高的使用价值。中兴通讯正在为解决各种W-CDMA关键技术难题做不懈的努力。