第4章WCDMA的产生背景及标准化

第4章WCDMA的产生背景及标准化AnttiToskala4.1引言在第三代标准制定的第一个阶段，选择最好的无线多址技术这一基本过程是在几个地区中进行的。本章主要介绍ETSI在1997年所进行的选择过程以及这个地区性的标准化组织在1998年初的决议。同时也介绍其它一些从事WCDMA相关工作的标准化组织，接着介绍3GPP为制定WCDMA的全球标准而共同努力的成果。最后是ITU对IMT-2000建议的开发工作和ITU的工作与地区性活动之间的关系。4.2欧洲的背景情况在进行第三代技术的选择之前欧洲就已经进行了长期的研究工作，如图4-1所示。1988年的欧洲高级通信技术研究计划RACEI（ResearchofAdvancedCommunicationTechnologiesinEurope）是第三代基础研究工作的开始。之后的RACEII计划在1992~1995年间开发了基于CDMA的CODIT（CodeDivisionTestbed）和基于TDMA的ATDMA（AdvancedTDMAMobileAccess）空中接口。此外，欧洲的其它一些工程中也对宽带空中接口的提议进行了研究，例如[1]。为支持移动通信的研究和开发，欧洲研究计划ACTS（AdvancedCommunicationTechnologiesandService,高级通信技术与系统）于1995年底启动。ACTS制定了FRAMES（FutureRadioWidebandMultipleAccessSystem,未来无线宽带多址系统）计划[2]，其目的是为UMTS无线接入系统定义一个提案。FRAMES中主要的工业合作伙伴有诺基亚、西门子、爱立信、法国电信和CSEM/Pro电信，欧洲的一些大学也有参与。在FRAMES的初期建议评估阶段进行的工作的基础上定义了一个统一的多址平台，它包括两种模式：FMA1——宽带的TDMA[3]和FMA2——宽带的CDMA[4]。FRAMES的宽带CDMA和宽带TDMA提案被提交给ETSI作为UMTS空中接口和ITUIMT-2000建议的候选方案。UMTS地面无线接入（UTRA，UMTSTerrestrialRadioAccess）空中接口的建议在1996年提交给ETSI（这是一件具有里程碑意义的事件），并于1997年初展示之后，1997年7月ETSI将这一建议分成了五大概念组，它们是：宽带CDMA（WCDMA）；宽带TDMA（WTDMA）；TDMA/CDMA；OFDMA；34WCDMA技术与系统设计ODMA。下面简要介绍一下这几个概念组。对建议的评估是基于ITU-RIMT-2000体系结构中定义的要求（并且ETSI在UMTS21.01[5]中对这些要求也有详细定义，在UMTS30.03[6]中涵盖了评估原则及条件）。UMTS30.06[7]中比较了评估结果。4.2.1宽带CDMAWCDMA概念组的形成来自于FRAMES/FMA2、富士通（Fujitsu）、NEC、松下(Panasonic)提出的WCDMA提案。一些日本、欧洲和美国公司对于WCDMA概念的发展做出了贡献。WCDMA上行链路物理层主要采纳自FRAMES/FMA2，下行链路解决方案根据WCDMA概念组其它提案的原理进行了一些改进。系统基本特点包括：5MHz的宽带CDMA运行方式；物理层的灵活性，综合所有的数据速率到一个单一的载波；复用系数为1。增强的内容包括：发送分集；自适应天线；支持先进的接收机结构。WCDMA的概念得到了最大的支持，技术方面的推动力之一就是物理层能同时容纳不同业务类型的灵活性。这是一项很大的优点，尤其是当我们考虑中低比特速率时。WCDMA的缺点之一即为，当工作于TDD频段的无执照系统连续进行发送和接收时，纯粹的WCDMA技术不能如无绳电话系统一样方便地采用干扰规避技术。4.2.2宽带TDMAWTDMA概念组的形成来自于FRAMES/FMA1提案的非扩频选择方案。FRAMES/FMA1主要是一个基于TDMA的系统概念，采用1.6MHz的载波间隔来应用宽带业务。这一概念的目标是借助于干扰在运行频带上的平均化、跳频和部分载入来获得高容量。系统基本特点包括：TDMA突发中用训练序列来均衡；采用跳频使干扰平均化；链路自适应；两个基本的突发类型：1/16th和1/64th的突发长度分别用于高速和低速数据速率；较低的复用系数。增强的内容包括：小区间的干扰抑制；支持自适应天线；TDD运行模式；第4章WCDMA的产生背景及标准化35时延扩展较大的环境下采用比较简单的均衡器。系统的主要局限性在于低比特速率业务方面。在基于TDMA的运行模式中，最小的时隙持续时间只有帧的持续时间的1/64th，从而导致或者形成很高的峰值功率，或者形成很低的平均输出功率。这就意味着在很多的领域，例如话音中，WTDMA概念并不具有竞争性，它需要选择一种窄带伙伴来完善自己。4.2.3宽带TDMA/CDMAWTDMA/CDMA概念组是基于FRAMES/FMA1提案的扩频选择方案；这一方案产生了载波间隔为1.6MHz的混合CDMA/TDMA概念系统基本特点包括：TDMA突发结构中采用训练序列进行信道估计；在TDMA结构的基础上应用CDMA的概念增加了灵活性；在相同载波的同一个时隙内利用多用户检测降低小区内干扰；复用系数低，降到了3。增强的内容包括：跳频；小区间干扰抵消；支持自适应天线；运行于TDD模式；动态信道分配（DCA）。就这个提案，特别是关于接收机复杂性的问题，曾在方案的选择过程中进行过热烈的讨论。4.2.4OFDMAOFDMA组的基础主要来自于索尼（Sony）、朗讯（Lucent）和Telia的OFDMA技术。这一系统概念的形成得力于其它论坛中对OFDMA的讨论成果，例如日本的标准化论坛ARIB。系统的基本特点包括：采用OFDM和TDMA复用方式以及慢跳频；OFDM信号中，把100kHz宽度的一个频隙作为一个基本的资源单位；分配若干个频隙来达到高比特率，组成宽带信号；把信息分配到载波上的几个频隙中以获得分集。增强的内容包括：发送分集；为了干扰抵消采用多用户检测；自适应天线。这一系统概念的主要技术弱点在于上行链路发射方向，该方向上的信号包络变化对功率放大器的设计提出了较高要求。36WCDMA技术与系统设计4.2.5ODMAODMA（OpportunityDrivenMultipleAccess,条件驱动多址接入），是由沃达丰（Vodafone）提出的，其本质上是一个中继协议，而不像上述提案一样是一个纯粹的多址接入方案。ODMA后来被综合进WCDMA和WCDMA/TDMA概念组中去，在进行方案选择的过程中并没有把它当成一个独立的概念组。4.2.6ETSI的选择所有提议的这些技术基本上都能满足UMTS的需求，尽管在诸如系统容量之类的问题上很难达成一致，这是因为假设的前提不同，仿真的结果就会有很大不同。然而很快地，WCDMA和WTDMA/CDMA就明显地成为了主要的候选方案。除此之外，诸如某项技术在全球范围内的应用潜力这样的问题也要考虑进去，而在这类问题中，单纯地考虑技术得到的结论是很不够的；在这方面，日本的ARIB技术选择的结果给了WCDMA很大的帮助。ETSI于1998年1月决定[8]，对WCDMA和WTDMA/CDMA这两种技术，在成对的频带上，即FDD模式，选择WCDMA作为UTRA空中接口的标准；在分配的不成对频谱上，即TDD模式，选择WTDMA/CDMA作为空中接口标准。从图4-1中可以看出，从欧洲开始第三代移动通信技术的研究到做出采用UTRA技术的决定，花了10年的时间。ETSI继续进行具体的UTRA标准化的工作直到3GPP（3rdGenerationPartnershipProject,第三代移动通信伙伴计划）接手。在1999年初，技术性的工作连同在UTRA方面的成果移交给了3GPP。图4-1欧洲的第三代系统的研究计划和ETIS的决议4.3日本的背景情况在日本，ARIB（AssociationforRadioIndustriesandBusiness,无线电产业与商业联合会）对基于WCDMA、WTDMA、OFDM三种不同技术的第三代系统进行了评估。日本的WCDMA技术同欧洲ETSI考虑的很相似；实际上，ARIB的成员也对ETSI的WCDMA概念组做出了他们自己的技术贡献。在ARIB中同样也考虑了由欧洲提供的FRAMES/FMA2的具体细节。另外两种技术，WTDMA和OTDMA也同ETSI的候选方案很相似。1997年ARIB的选择结果是WCDMA方案，包括FDD和TDD两种工作模式。由于这一选择结果公布于ETSI选择过程结束之前，所以就给ETSI选择一种全球性的技术带来了一定程度的压力。制定三代标准体系结构的3GPP成立后，如同ETSI贡献了其UTRA成果一样，ARIB也将其WCDMA的成果贡献给了3GPP。在日本，更高层规范的制定是由TTC（TelecommunicationTechnologyCommittee,电信技术委员会）来承担，后来，这一工作也已交给了3GPP。第4章WCDMA的产生背景及标准化374.4韩国的背景情况在韩国，电信技术协会（TelecommunicationTechnologyAssociation,TTA）采纳了一种“双轨”方式来开发第三代CDMA技术。他们开发的TTA1和TTA2空中接口建议（后来分别改名为全球CDMA1和全球CDMA2）分别基于同步和异步宽带CDMA技术。TTA1WCDMA类似于ETSI、ARIB和T1P1中的WCDMA技术；TTA2则类似于TR45.5中的cdma2000。在ETSI和ARIB的标准化进程中，韩国的技术与ETSI和ARIB的方案之间所不同的技术细节被提交和考虑，这样，在ETSI、ARIB和TTAWCDMA这三种方案之间就有了很大程度的共同性。韩国在标准化上的努力后来分别对3GPP的WCDMA和3GPP2的cdma2000的标准化工作提供了帮助。4.5美国的背景情况美国存在着多种二代技术，其中应用最广泛的数字系统是基于GSM-1900、US-TDMA（D-AMPS）、US-CDMA（IS-95）标准的，而且也已经为所有这些技术定义了一种向第三代演进的自然途径。此外，TR46.1标准化委员会还制定了一个与第二代系统没有直接关系的第三代CDMA提案，即WIMSW-CDMA。4.5.1W-CDMAN/A与GSM-1900相关的标准化工作是在T1P1中进行的，就像在ETSI中进行GSM的标准化工作一样，也进行了类似的技术选择的讨论。结果，W-CDMAN/A（N/A表示北美）提交给了ITU-RIMT-2000。这一提案与ETSI和ARIB的WCDMA技术有很多共同之处，这是因为参与此提案制定的公司同样也参与了ETSI和ARIB的提案的制定。4.5.2UWC-136在TR45.3中讨论了IS-136（数字AMPS）技术向第三代演进的问题。最后决定选用一种窄带和宽带TDMA混合的方案：其中窄带部分与EDGE的概念一致，EDGE是ETSI和T1P1中关于GSM演进的组成部分；宽带部分用以提供可达2Mbps的室内业务，是基于与ETSI中相同的WCDMA概念。在TR45.3中选择EDGE使得TR45.3、T1P1、ETSI中TDMA技术之间有清楚的联系。我们期望加速基于TDMA的技术的开发，使其能以EDGE的形式而成为公共的空中接口的组成部分，一些IS-136运营商已经宣布要采用GSM/EDGE作为他们的无线接入演进方案。4.5.3cdma2000提交给ITU的cdma2000空中接口提案是TR45.5对IS-95向第三代系统演进进行评估的工作成果。cdma2000提案是部分基于IS-95的原理，包括同步网络运行、公共导频信道等方面，，但它是一个宽带版本，其带宽是IS-95的3倍。在ITU的提案中包括更多的带宽选择和38WCDMA技术与系统设计下行链路的多载波选项。c