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IMT-2000无线传输技术方案的 主要技术概要 王树甲[1] 摘 要 围绕第三代移动通信（IMT-2000）无线传输技术（RTT）的目标要求，概要分析诸方案可能采用的关键技术。 关键词 一、引 言 第三代移动通信（IMT-2000）无线传输技术（RTT）方案经过ITU-R TG8/1任务组的多年努力和18次会议的协调已基本确定。尽管并列了5类7种RTT系列，但实质上都是二代CDMA和TDMA数字移动通信技术的继承和发展。如果说第一代与第二代（ 事实上，人们是在 除了 鉴于上述情况，与其继续讨论各RTT方案的优劣，不如分析 二、信源编/译码技术 信源编/译码（codec）方法的选择与许多因素有关，如所要求的业务质量、通道编/译码方式、延时要求、小区覆盖范围和容量、频率空间复用因子、多址方式、调制方式等。在这些因素中，有的相互矛盾，有的相得益彰，需要统筹兼顾与折衷平衡。鉴于（1） 为了提高 关于 三、信道编码技术 众所周知，无线电信道是时变信道，而移动通信的无线电信道也一定会受到多径衰落和多普勤（Doppler）频移影响，使时空环境变得更为复杂和低劣。因此，无论采用什么调制方式，移动通信系统都需要采用不同的数字信号处理（DSP）技术来改善它的链路性能，检测和纠正比加性高斯白噪声信道严重得多的各种差错或误码。除了分集接收等其它措施之外，信道编码技术、数字信号交织技术也是十分重要的方法。 一般而言， 具体地讲，多载波CDMA方案须采用与IS-95B标准后向兼容方案，两种DS-CDMA RTT方案对于语音业务信道和控制信令信道仍会采用不同编码比率R和约束长度K的卷积编码/Viterbi译码。例如，语音业务信道采用R=1/3，K=9的卷积码，控制信令信道采用R=1/2，K=9的卷积码。除了其它含义之外，参数K还表征编码器的复杂度。实践表明，在复杂度相同的条件下，卷积码优于分组码。 应当指出，卷积码本身具有与交织技术类似的消息比特序列的时间分集作用，因而对干扰、衰落引起的连续突发差错有较强的纠错能力。然而，在卷积编码之后仍会采用交织技术，从而以可容忍的延时代价换取更良好的时间分集效果，最终改善无线信道的性能质量。 从各种业务不同质量要求看，数据业务要求的差错率（误码率）比语音业务严得多。尽管数据业务可以用上层反馈重发协议来保证万无一失，但为了尽可能减少反馈重发，提高无线资源利用率，要求无线信道的比特差错率最好达到10-6的量级，而语音通常要求10-3。这决不是一件容易事，为此数据业务信道需要采用既有很强随机离散差错纠正能力又有很强连续突发差错纠正能力的Reecl-Solomon(RS)编码。 所谓RS编码，实际上可以通过我们熟悉的BCH码（Bcse-Chaudhufi-Hocqenghem）来理解，首先将RS码视为编码码长n=q-1= RS编码以往多用于军事、航天方面，现已广泛用于光盘、通信方面。例如，REFLEX双向无线电寻呼通信系统的上行信道便采用了RS（n=31，k=23）的编码，它在加罗瓦域GF（25）为n=25-1=31个符号，每个符号5比特，可纠正4个符号或20比特的连续突发差错。 据文献报道，WCDMA方案的数据信道采用RS（36，32）编码，似为RS（63，31）之误。比照上述实例不难理解RS（63，31）码，其符号长度为63，每符号为6比特；消息符号数目为31，即186个比特，可纠正16个符号或96个比特的连续突发差错。若数据速率为128kbit/s，则可以认为RS（63，31）码能够纠正持续时间小于0.75ms的任何损伤引起的连续突发差错。 通常采用RS译码算法通过软件或硬件实现RS译码器，包括5种不同的算法。硬件实现的优点是速度快，工作速率可达10Mbit/s，多用于卫星通信和数字视频应用技术，但现成的单片RS编译码器多采用每符号8比特（GF（28））。蜂窝数字分组数据（CDPD）系统，由于工作速率低（19.2kbit/s），已用实时软件实现了RS（63，47）的译码器，软件方法的吸引力在于开发时间短、开发成本低，而且具有良好的灵活性。 综上所述，信道编/译码技术通过在所要发送的数字消息中有选择地加入冗余数据，并据此在收端译码时进行纠错，从而保证消息数据的质量要求。信道编码的理论基础是仙农信道编码定理，不论对于带宽受限的应用还是功率受限的应用，信道编码都能提供改善链路、检纠差错的优点。至于信道编码技术的选择自然是要针对移动通信信道，W-CDMA方式的主要信道损伤，兼顾质量、容量和成本。 四、信道复用与多址连接技术 如果说信源编码与信道编码技术主要是针对各种信源（业务）采取技术措施来提高移动通信系统的有效性和可靠性，那么信道复用与多址技术则是为了充分利用信道，采取技术措施使多个不同信源共用一个信道，进一步提高移动通信系统的有效性和可靠性。在移动通信系统中，数字信号在基带的复用与在射频通带的多址连接通常是一致的，并通过射频调制/解调联系起来。 不论是时分复用/多址还是码分复用/多址技术都是建立在频谱的频分复用基础上的，这涉及频道间隔、载波通带带宽的概念，如果采用频分双工（FDD），还要涉及收、发频率间隔的概念。换句话说，它们都有一个选择窄带或宽带多路复用/多址的问题。例如，当初DAMPS为后向兼容只能选择30kHz窄带，GSM/DCS在争论中为兼顾高、低业务量密度地区的小区覆盖的经济/技术合理性，选择了200kHz，相当于8个TACS频道，而DECT则选择了1.728MHz频道间隔和时分双工（TDD）。现名为cdma One码分多址方式，曾叫部分频段（PB）DS-CDMA，也是要与AMPS共用频段，每个CDMA频道占用1.23MHz带宽，但要在AMPS频段建立第一个CDMA频道，需要一定的保护频带，占用1.5MHz相当于50个AMPS频道。之后，每扩充一个cdma One频道占用1.23~1.25MHz频带。 更大量事实表明，在技术的更新换代过程中既有继承又有发展与创新。 在 为了灵活地传送多种速率的数据业务和多媒体业务，各IMT-2000宽带CDMA方案可根据业务速率和业务质量要求分配不同的无线资源，例如128kbit/s以下的业务，通过改变扩频增益和码信道功率来保证质量和容量要求；对于高于128kbit/s的业务采用多个码信道并行传送方式来实现。所以，只要熟悉直接序列扩频码分复用多址技术的基本原理，便不难理解 五、扩频调制与射频调制技术 所有调制/解调技术都是为了提高频带利用效率和/或功率利用效率，或是求得两者的折衷平衡，由于即使是平稳加性高斯白噪声信道也属于带宽受限的信道，于是以尽可能高的系统增益（发送功率－接收灵敏度）来减小所需的带宽便成了一般调制/解调方式选择的目标。然而扩频调制技术恰恰相反，例如一些军事通信以比必要信号带宽大几个数量级的传输带宽换取极高的系统增益或极高的信号质量。 扩频调制技术具有许多固有特性，使它特别适合多用户、多业务、多应用的移动通信环境，其中最主要的有： ——与所要传送的数字消息信号相比，扩频信号不仅具有很宽频带，而且还具有伪随机噪声特性。由于在发端扩频过程中要给每个用户分配一个独特的正交码（Walsh code）或近似正交的伪随机码（PN），所以尽管它的在时域和频域是重叠的，也能根据码域的相关性原理用收端产生的正确PN码来解调各路信号，即对它们进行功率分割。当然，由于各PN码并非完全正交，各路信号间也不是绝对互不相关的，实现中又不能做到完全理想，所以，码分复用的容量是受质量要求制约的所谓软容量。 ——抗窄带干扰的能力强是扩频信号的另一固有特性，因为窄带干扰是影响扩频信号频谱的一小部分，消息信号仍可以在保证质量的前提下加以解调；采用陷波滤波器消除干扰亦不会造成严重失真。 ——由于扩频信号在很宽频带内具有均匀能量分布特性，所以在任意给定时间多径和多普勒效应造成的衰落只能影响扩频信号的一小部分。从时域上看，多径引起的延时的扩频信号与原来发送的扩频信号的相关性很差；从频域上看，频率选择性衰落是窄带性质的，只影响扩频信号的一小部分。因此，宽带扩频信号的抗衰落能力很强。 ——由于各用户信号可能共用同一频谱、同一频道，所以扩频调制可以免除复杂的频率规划，大大提高频率的空间复用系数。应当注意的是，不能用1、1/7和1/4来分别表示CDMA、FDMA和TDMA的频率复用系数，因为这没有建立在等同的小区容量、信号质量和覆盖范围的基础上。理论计算和实践结果都表明，CDMA方式与FDMA、TDMA不同，除受相邻小区干扰外，主要受小区内各用户之间的干扰制约。Cdma One频率复用系数不是1而是0.67。要想进一步改善小区内各用户之间的干扰，就需要进一步提高用以限制所谓远近效应的功率控制准确度，而这无疑会增加控制消息的开销、实现的复杂度或成本。 关于射频调制/解调方式， 在发端，数字基带信号经带通滤波器限制带宽后，进行中频或射频调制，完成数/模变换，经天线发射出去；在收端，经带通滤波器选择接收天线所收到的有用信号，再经下变频器变换为宽带中频已调信号，而后进行多用户、多业务数字解调。显然，中频调制可以采用矢量调制方式，之前的信号也都是数字信号，而在空中传送的信号是已调射频模拟信号。 六、分集技术 信道编码、数字交织、自适应均衡和分集接收技术可以独立地或级联地用于无线电移动通信的时变信道，改善接收信号的质量，但作用机理有所不同，信道编码与交织技术是针对时变信道的连续突发误码特性进行前向纠错，使信道损伤造成的误码或差错能够在收端利用冗余码纠正过来或大部分纠正过来，从而提高对信息数据的接收质量；自适应均衡技术是为了补偿时变信道恶劣的幅度特性和时延特性，使之变得平稳，从而减小失真，提高传输质量；分集接收技术主要是用来补偿衰落信道造成的损伤，提高有用信号电平和传输质量。交织、均衡和分集技术都能够在不降低功率利用效率和带宽利用效率的前提下改善无线电通信链路的质量。 1．频率分集 频率分集是扩频通信系统的固有特性，与窄带通信系统相比，宽带CDMA移动通信系统很少产生整个通带信号全都衰落的所谓平衰落。在频域衰落呈现选择性衰落特性，类似于一个窄带陷波滤波器，其中心频点随时间和/或用户移动而在通带内变化。陷波滤波的带宽是两个信号到达接收点的时间差的倒数。在许多移动通信环境下，多径信号到达接收点的时间差远大于1μs，仅丢失200～300 kHz的窄带信号，所以，宽带CDMA信号具有很强的抗多径衰落能力。 2．时间分集 时间分集也是数字移动通信系统常用的技术方法。发端的卷积编码和交织技术与收端的采用软判决点的Viterbi译码和去交织技术一起构成了宽带CDMA系统的时间分集方式。时间分集可以将无线信道产生的连续突发误码在时域散布，使之具有离散随机特性，以便提高系统的纠错能力，改善信道性能。 多径信号分集接收方法实质上也是一种时间分集技术，它一反采用增大功率或均衡技术对付多径问题的常规方法，而是利用多径信号增大有用信号的方法来提高接收质量。因为CDMA系统的移动台与为之服务的基站是同步工作的，所以移动台能够区分直接射来信号与延时的多径反射信号，因而可以采用多个相关接收器来接收几个最强的多径信号，并按照自相关原理重建更强的接收信号。多径接收又称耙式（Rake）接收，一个称之为搜索器的专门电路在时域搜寻各多径信号，直至找到与其所分配的码信道具有很强相关性的多径信号，并分配一个接收支路解调该信号。由于有几个接收支路，所以能够解调几路相关的多径信号，并通过不同延时和加权合成所要接收的信号。当接收条件变化后，搜索器迅速重新分配各相关接收器。显然，如果各多径信号到达接收点的时间差小于一个时钟周期，则耙式接收器不能起作用。然而实际表明，即使在很强、很短的多径信号条件下，也存在较长时间延时的信号。 3．空间分集 CDMA系统特有的耙式接收和频率复用特性是实现小区间软切换的基础。当移动台处于小区边界附近时，可以与两个距离最近的基站建立并保持上、下行链路，由交换中心择优选取，直至一个基站的信号变得不能付诸使用为止。不难看出，这正是一种大范围的空间分集方式，而这种宏分集方式大大改善了当移动台处于不利的小区边界时的上、下链路传输质量。 当然，在基站采用双接收天线的空间分集方式也适用于宽带CDMA系统，但效果不会很好，于是人们提出了智能天线的概念，用多个可以跟踪实际用户的高增益窄波束来达到最有效的覆盖，减少干扰，提高传输质量。 七、智能天线技术 所谓智能天线技术（SA或IA）尚无严格定义，智能化程度及应用效果也大不相同。这种技术通常是一种天线阵列与一些信号处理算法相结合技术，诸如借助旋转对称不变性技术的信号参数估算（ESPRIT）、采用天线阵列的盲和非盲自适应信号提取技术、天线阵列来向多个同频数字信号的盲式估算技术等。目前大多属于专有技术，以往用于军事通信和雷达系统，如今人们希望用于 我们可以这样来理解智能天线：（1）天线阵列的基本单元是半波偶极天线，而半波偶极天线的方向性图是大家所熟习的，其远区场场强在水平面是无方向性的，在垂直平面上形成“8”字形，相对理想点源有2.15dBi的增益；（2）若在球座标的Z轴方向组成同轴的半波偶极天线阵列，便会增大垂直面的增益，使主射束变得尖锐，并出现许多副瓣，它们之间形成场强很低，甚至为0的点，但不会影响水平面的方向性；（3）同理，在球座标Φ平面对称地安排半波偶极天线阵列，便会影响远区场水平面的方向性；（4）理论分析和实际试验表明，天线阵列各单元上分布和激励（电压和相位）与远区场方向性图的关系，类似于Fourier时域与频域变换的关系，也就是说，天线阵列各单元的空间位置参数（相对于波长）、激励电压的幅度和相位与远区场方向性的关系是空间离散Fourier变换的关系。（5）所以，采用空间滤波算法，按照信号到达角度，可以分离同一频道上的多个信号。 根据以上分析，人们可以预先安排多个波束，按照用户的位置和移动速度切换波束，使有用信号获得较高增益，而对其它用户呈现较小的干扰；也可以采用自适应算法，用不同的波束对准不同方位的用户群，从而减小各用户群间的干扰。 智能天线还可以通过数据处理和变换增强在多径传播条件下的有用信号的接收，但与耙式多径接收不同，所利用的是多径信号的空间自相关性。例如，首先利用空间滤波原理分离同一消息信号沿不同方向抵达的各个多径信号；而后调整各多径信号的相位延迟和幅度；最后按某种优化算法组合已调整加权的各信号，作为输出信号。 只有在同一频段，天线收、发方向性才有良好的互易性，所以智能天线更适合用于时分双工（TDD）方式，对于数十兆赫频率间隔的频分双工（FDD）方式，智能天线实现起来更为复杂，效果相对差一些。 八、多用户抗干扰接收技术 CDMA-IC方式的机理和概念并不复杂，它首先检测和解调所收到的复合信号中最强的码信道信号，而后从复合信号中减去该信号；此后再检测次强的信号，并从所余的总信号中减去；依信号强度顺序重复进行上述过程，直至检测出所有的码信道信号。因为较强的码信道往往产生较大的干扰，所以依次检测和解调各码信道，可以得到较高的载干比，而且比较均衡，从而可以提高接收质量或提高容量。总之，进一步提高了频谱利用效率。 此外，CDMA-IC方式可不需要接收信号具有接近相等的功率，远近效应引起的各码信道间的功率散布特性、快衰落造成的接收电平变化，无需进行控制。更为重要的是，CDMA-IC可以解决常规CDMA难以解决的分层小区覆盖结构的难题，而这种结构对于解决小区容量与覆盖的矛盾、高速移动与频频切换的矛盾，具有灵活性。 多用户抗干扰接收技术的主要难点是处理延时，尤其当用户数目增大或码信道增多时，因为要进行排序、反复检测、反复进行码型正反变换、反复减去已检测的信号。所以，这种技术很难用于宽带CDMA中的话音业务。对于多种速率的数据业务，因为扩频增益不同，必然采用大小不等的码信道功率来保证相同的传输质量，而且对延时要求不高，所以有可能利用抗干扰接收技术。CDMA-IC技术只能用于基站接收系统，复杂度较高，这是不言而喻的。 以上概述的 （收稿日期： |
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