通信學(xué)論文-蜂窩移動寬帶無線接入技術(shù)在移動通信領(lǐng)域,目前為人們所廣泛關(guān)注的熱點技術(shù)即是第三代移動通信技術(shù)(3G)。與第二代移動通信系統(tǒng)相比,第三代移動通信技術(shù)最大的優(yōu)勢是能夠向用戶提供移動寬帶數(shù)據(jù)接入,從而能向用戶提供寬帶多媒體業(yè)務(wù)。除了3G以外,從2G向3G演進(jìn)的2.5G、2.75G移動通信技術(shù)也能向用戶提供一定的寬帶接入能力。由此,作者也把包括2.5G、2.75G、3G在內(nèi)的能向用戶提供一定寬帶接入能力的蜂窩移動通信技術(shù),歸于寬帶無線接入技術(shù)進(jìn)行介紹。本文主要介紹了包括wcdma系列和cdma2000系列的包括2.5G/2.75G/3G在內(nèi)的蜂窩移動寬帶無線接入技術(shù),如gprs/edge/wcdma、cdma20001x/1xEV-DO/1xEV-DV等。蜂窩移動通信技術(shù)發(fā)展概述蜂窩移動通信技術(shù)從發(fā)展到現(xiàn)在主要經(jīng)歷了三個階段,即第一代、第二代和第三代蜂窩移動通信技術(shù)。第一代蜂窩移動通信技術(shù)是模擬蜂窩移動通信技術(shù),以美國貝爾實驗室開發(fā)的先進(jìn)移動電話系統(tǒng)AMPS為典型代表。第一代蜂窩移動通信技術(shù)由于采用模擬技術(shù)和FDMA多址接入方式,在使用中暴露出很多弊端,如頻譜利用率比較低、保密性差、只能提供低速語音業(yè)務(wù)、設(shè)備體積大成本高等,在實際中已經(jīng)基本不再使用。第二代移動通信技術(shù)是數(shù)字移動通信系統(tǒng),采用數(shù)字調(diào)制技術(shù),具有頻譜利用率高,保密性好的特點,不僅可以支持話音業(yè)務(wù),也可以支持低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),因而又稱為窄帶數(shù)字通信系統(tǒng)。第二代數(shù)字移動通信系統(tǒng)典型代表有美國的DAMPS系統(tǒng)、IS-95系統(tǒng)和歐洲GSM系統(tǒng),其中DAMPS和GSM都采用TDMA多址接入方式,而IS-95采用則采用CDMA多址接入方式,系統(tǒng)容量比GSM和DAMPS要大的多。第二代數(shù)字移動通信技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用的蜂窩移動通信技術(shù),但由于只能提供窄帶業(yè)務(wù),已經(jīng)不能滿足人們越來越多的對于移動寬帶多媒體業(yè)務(wù)的需求。第三代移動通信系統(tǒng)是寬帶數(shù)字通信系統(tǒng),它的目標(biāo)是提供移動寬帶多媒體通信,多址方式基本都采用CDMA多址接入,屬于寬帶CDMA移動通信技術(shù)。第三代移動通信系統(tǒng)能提供多種類型的高質(zhì)量多媒體業(yè)務(wù),能實現(xiàn)全球無縫覆蓋,具有全球漫游能力并與固定網(wǎng)絡(luò)相兼容。它可以實現(xiàn)小型便攜式終端在任何時候、任何地點進(jìn)行任何種類的通信。第三代移動通信技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化工作由3GPP和3GPP2兩個標(biāo)準(zhǔn)化組織來推動和實施。目前,在世界范圍內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的第三代移動通信系統(tǒng)體制為WCDMA和CDMA2000。下面將對這兩種體制的第三代移動通信技術(shù)以及相應(yīng)的二代半過渡性技術(shù)進(jìn)行介紹。WCDMA體制移動寬帶無線接入技術(shù)1.GPRS技術(shù):GPRS技術(shù)是從第二代移動通信GSM技術(shù)向3G移動通信技術(shù)WCDMA發(fā)展演進(jìn)的一種過渡技術(shù),也即屬于所謂的2.5G移動通信技術(shù)。GPRS全稱為通用分組無線業(yè)務(wù)(GeneralPacketRadioService),是一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)。相對原來GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式,GPRS是分組交換技術(shù),它以一種有效的方式采用分組交換模式來傳送數(shù)據(jù)和信令。如圖1中所示,GPRS是在GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,對原有GSM網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)和無線子系統(tǒng)的設(shè)備及功能進(jìn)行增強而成。在網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中增加了GGSN(網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點)和SGSN(服務(wù)GPRS支持節(jié)點)。這樣,在GPRS網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中,GGSN和SGSN一起構(gòu)成了分組交換域,可與外部分組交換網(wǎng)絡(luò)如X.25網(wǎng)絡(luò)、IP網(wǎng)絡(luò)直接相連；而原有的MSC和GMSC則構(gòu)成了電路交換域,與PSTN網(wǎng)絡(luò)相連。此外,GPRS還用用戶數(shù)據(jù)和路由信息將GSM網(wǎng)絡(luò)中的HLR增強為GPRS的數(shù)據(jù)庫(GR)。在無線子系統(tǒng)中,GPRS增強了BSC的功能,增加了GSM業(yè)務(wù)信道和控制信道的種類,以支持GPRS的多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS頻道采用TDMA,一個TDMA幀劃分8個時隙,每個時隙對應(yīng)一個物理信道。在GPRS中,每個物理信道可以由多個用戶共享,并可根據(jù)語音和數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)要求動態(tài)分配。GPRS還采用了更好物理信道編碼方案,當(dāng)使用8個時隙時,每個用戶的最高接入速率可達(dá)164kbps。GPRS支持IP,X.25等數(shù)據(jù)通信協(xié)議,可提供移動臺與移動臺之間,移動臺與外部分組交換網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信。GPRS可優(yōu)化利用網(wǎng)絡(luò)和無線資源,維護(hù)無線子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的嚴(yán)格分離,并允許采用其他非GSM標(biāo)準(zhǔn)的無線子系統(tǒng)接入GPRS網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng),這有利于GPRS網(wǎng)絡(luò)的升級,便于向3G演進(jìn)。GPRS的缺點是其可提供的接入速率有限,可提供的多媒體業(yè)務(wù)相當(dāng)有限。2.EDGE技術(shù):EDGE是一種基于GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)增強型技術(shù),其英文全稱為EnhancedDataRateforGSMEvolution,中文含義為“增強數(shù)據(jù)速率的GSM演進(jìn)技術(shù)”。EDGE相比GPRS最大的變化是在數(shù)據(jù)傳輸時采用8PSK調(diào)制替代原先GSM/GPRS中的GMSK調(diào)制(高斯最小頻移鍵控,為2PSK調(diào)制),再結(jié)合不同糾錯檢錯能力的信道編碼方案,EDGE共提供9種不同的調(diào)制編碼方案(MCS),而GPRS采用單一GMSK調(diào)制,僅提供四種編碼方案(CS)。這樣EDGE可以適應(yīng)更惡劣更復(fù)雜多變的無線傳播環(huán)境。此外,EDGE在鏈路層數(shù)據(jù)發(fā)送和重傳機制上,采用了“鏈路適配”和“增量冗余”技術(shù),提高了數(shù)據(jù)重發(fā)成功率。鏈路適配技術(shù)可在不同MCS之間根據(jù)實時的無線鏈路質(zhì)量及時調(diào)整采用最佳MCS方案；增量冗余技術(shù)在重發(fā)信息種加入更多的冗余信息來提高接收端正確解調(diào)的概率。綜合以上各項技術(shù),EDGE技術(shù)理論數(shù)據(jù)傳輸速率可高達(dá)384Kbps473.6Kbps,與GPRS相比大大提高了用戶數(shù)據(jù)接入速率,因為也被稱之為2.75G技術(shù)。目前,北美和亞洲少數(shù)運營商已經(jīng)開通了基于EDGE的服務(wù),但由于運營時間尚短,其成熟性和可靠性還有待進(jìn)一步觀察。3.WCDMA技術(shù):WCDMA屬于3G移動通信技術(shù),目前有R99、R4、R5以及R6共4個版本。R99版本接入部分主要定義了全新的5MHz每載頻的寬帶碼分多址無線接入網(wǎng),采納了功率控制、軟切換及更軟切換等CDMA關(guān)鍵技術(shù),提高了頻譜效率和數(shù)據(jù)傳送能力。基站只做基帶處理和擴頻,接入系統(tǒng)智能集中于RNC統(tǒng)一管理,引入了適于分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)膮f(xié)議和機制,數(shù)據(jù)速率可支持144Kbps、384Kbps,最高可達(dá)2Mbps?；竞蚏NC之間采用基于ATM的Iub接口,而RNC則分別通過基于ATMAAL2的Iu-CS和AAL5的Iu-PS分別與核心網(wǎng)的CS域和PS域相連。R99版本核心網(wǎng)部分向下兼容GPRS,分為CS電路交換域和PS分組交換域,CS域和PS域分別基于演進(jìn)的MSC/GMSC和SGSN/GGSN,CS域主要負(fù)責(zé)與電路型業(yè)務(wù)相關(guān)的呼叫控制和移動性管理等功能,呼叫控制采用TUP,ISUP等標(biāo)準(zhǔn)ISDN信令,移動性管理上采用了進(jìn)一步演進(jìn)的MAP協(xié)議,物理實體與GSM類似包括了MSC,GMSC,VLR。PS域主要負(fù)責(zé)與分組型業(yè)務(wù)相關(guān)的會話控制和移動性管理等功能,在原有的GPRS系統(tǒng)基礎(chǔ)上對一些接口協(xié)議,工作流和和業(yè)務(wù)功能作部分改動,相對于GPRS,增加了服務(wù)級別的概念,分組域的業(yè)務(wù)質(zhì)量保證能力提高,帶寬增加；語音編解碼器在核心網(wǎng)實現(xiàn),支持系統(tǒng)間切換(GSM/UMTS),增強了安全和計費功能。R4版本相對于R99,無線接入網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)沒有改變,改變的只是一些接口協(xié)議的特性和功能的增強；但在核心網(wǎng)CS域改變較大。R4核心網(wǎng)CS域采用開放式結(jié)構(gòu),控制與底層承載相分離,由MSC服務(wù)器和MGW媒體網(wǎng)關(guān)配合,替代原有的節(jié)點式MSC交換機實現(xiàn)呼叫接續(xù)和控制功能,整個CS核心網(wǎng)由TDM中心節(jié)點交換型演進(jìn)為典型的分組話音分布式體系結(jié)構(gòu)。同時,CS核心網(wǎng)采用ATM/IP分組交換網(wǎng)替代原來的TDM電路交換,提高了帶寬利用效率。R4版本在無線寬帶接入速率方面與R99基本相同。R5版本在無線接入網(wǎng)方面引入了IPUTRAN和HSDPA高速下行分組接入。IPUTRAN在無線接入網(wǎng)部分采用IP來承載用戶信令和用戶數(shù)據(jù)；HSDPA(高速下行分組接入)用于實現(xiàn)WCDMA網(wǎng)絡(luò)高速下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),下行數(shù)據(jù)接入速率理論上可高達(dá)14.4Mbps,同時可以把同樣無線頻段中的系統(tǒng)數(shù)據(jù)容量提高一倍以上。HSDPA能達(dá)到這樣高的接入速率,在于其引入了先進(jìn)技術(shù)以及相應(yīng)的無線接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)的一些改進(jìn),如引入了高速下行共享信道HS-DSCH,采用縮短的子幀和高階QAM調(diào)制、采用自適應(yīng)調(diào)制編碼AMC和物理層混合自動重傳HARQII/III,直接在NodeB中進(jìn)行快速包調(diào)度等。R5版本在核心網(wǎng)方面增加了IP多媒體子系統(tǒng)(IMS),但I(xiàn)MS域還無法完全取代R4分組化的CS域,R5只是R4的補充和滿足IP多媒體業(yè)務(wù)的需求的一個版本。R6版本中引入了HSUPA高速上行分組接入以及MBMS多媒體廣播和組播業(yè)務(wù)。與HSDPA相類似,HSUPA采用自適應(yīng)調(diào)制編碼AMC、混合自動重傳HARQ以及更加靈活的NodeB快速調(diào)度等技術(shù),理論上可為用戶提供5.8Mbps的上行數(shù)據(jù)接入。MBMS可在無線接入網(wǎng)中實現(xiàn)點到多點的高速多媒體業(yè)務(wù)廣播和組播,實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)資源的共享,提高了網(wǎng)絡(luò)資源特別是無線資源的利用效率。目前R6版本還沒完全確定,還在3GPP的討論和不斷演化之中。CDMA2000體制移動寬帶無線接入技術(shù)1.CDMA20001X:cdma20001x是由IS-95A/B演化而來的,它是cdma2000第三代移動通信系統(tǒng)的第一個階段,可以看作是2.5G技術(shù)。cdma20001x在IS-95A/B的基礎(chǔ)上,對無線接入網(wǎng)絡(luò)部分進(jìn)行了改進(jìn),采用比IS295A/B更先進(jìn)的技術(shù),在無線信道類型、物理信道調(diào)制和無線分組接口功能上都有很大的增強。cdma20001x的話音容量大約是IS-95A/B的1.52倍,能夠在1.25MHz的帶寬上提供高達(dá)153.6kbit/s的雙向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。核心網(wǎng)部分則原來的電路交換網(wǎng)基礎(chǔ)上,增加了一個分組交換網(wǎng)絡(luò),支持移動IP業(yè)務(wù),支持QoS,能適應(yīng)更多、更復(fù)雜的多媒體業(yè)務(wù)。根據(jù)IMT-2000原定計劃,cdma2000系統(tǒng)將從1x起步,即首先使用單載波系統(tǒng)來保證與第二代移動通信系統(tǒng)的兼容。隨著技術(shù)的發(fā)展,通過把三個或三個以上的載波捆綁在一起的方式,進(jìn)一步提高性能。但之后,多個載波的方式?jīng)]有成為主要的研究方向。而是在單個載波的基礎(chǔ)上,提出了一系列新的技術(shù),來增強cdma2000的性能。這些新的技術(shù)被叫做1xEV技術(shù),即1x技術(shù)的演進(jìn)。這些1xEV技術(shù)主要包括1xEV-DO和1xEV-DV。2.CDMA20001XEV-DO:1xEV-DO采用將數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和和語音業(yè)務(wù)分離的思想,在獨立于cdma20001x的載波上向移動終端提供高速無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),不支持話音業(yè)務(wù)。1xEV-DO針對高速分組數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c,在前向鏈路上采用了諸如前向最大功率發(fā)送、高階調(diào)制、動態(tài)速率控制、自適應(yīng)編碼調(diào)制、HARQ、多用戶分集和調(diào)度以及時分調(diào)度等多項技術(shù),前向鏈路速率可達(dá)2.46Mbps；而對于反向鏈路上的數(shù)據(jù)傳輸,和cdma20001x基本相同。1xEV-DO與1x不完全兼容,1xEV-DO單模終端不能在cdma20001x網(wǎng)絡(luò)中通信,同樣cdma20001x單模終端也不能在1xEV-DO網(wǎng)絡(luò)中通信。在組網(wǎng)方面,對于那些只需要分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶,1xEV-DO可以單獨組網(wǎng),此時的核心網(wǎng)配置可采用基于IP的、較為簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；對于同時需要語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的用戶,可以與cdma20001x聯(lián)合組網(wǎng),同時提供語音與高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),不過這時用戶終端需要采用同時支持1xEV-DO與cdma20001x的雙模終端。1xEV-DO保持了與cdma20001x在設(shè)計和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上的兼容性。在無線射頻部分,1xEV-DO具有與cdma20001x相同的射頻特性及實現(xiàn)方式,升級時可以直接使用已有的cdma20001x射頻部分；在核心網(wǎng)部分,1xEV-DO也可以與cdma20001x共用相同的分組數(shù)據(jù)核心網(wǎng)。目前國際上,1xEV-DO已經(jīng)商用,技術(shù)較為成熟。3.CDMA20001XEV-DV:與1xEV-DO只提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)不同,1xEV-DV的設(shè)計目標(biāo)要求能提供混合高速數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)。1xEV-DV可完全后向兼容cdma20001x,便于從1x網(wǎng)絡(luò)升級,其空中接口標(biāo)準(zhǔn)分兩個版本:Rel.C和Rel.D。Rev.C主要改進(jìn)和增強了CDMA20001X的前向鏈路,前向峰值速率達(dá)到3.1Mbps,Rev.D則改進(jìn)和增強了反向鏈路,反向峰值速率達(dá)到1.8Mbps,而在Rev.C中反向峰值速率僅為230.4kb/s。但Rev.C和Rev.D版本中對話音容量都沒有很大的改善。Rel.C結(jié)合諸多新技術(shù)如自適應(yīng)調(diào)頻編碼(AMC)、混合自動重發(fā)請求(HARQ)、使用TDM/CDM混合的新高速分組數(shù)據(jù)信道(F-PDCH)；可支持多種業(yè)務(wù)組合；后向兼容cdma20001x,不必采用雙模終端,可由1X系統(tǒng)平滑演進(jìn)