WCDMA向后3G演進中基帶傳輸技術(shù)

引言

　　近10 年來, 移動通信技術(shù)得到突飛猛進的發(fā)展, 經(jīng)歷了第一代模擬移動通信、第二代數(shù)字移動通信技術(shù)和即將投入商用的第三代移動通信技術(shù)。第三代移動通信的主流制式分為三大類———WCDMA , cdma2000 和中國的TD-SCDMA , 焦點集中在WCDMA 和cdma2000 。而基于第二代移動通信的考慮和目前全球范圍內(nèi)3G的應用情況, 可以說WCDMA 已經(jīng)成為最為主流、應用最廣泛的第三代無線傳輸技術(shù)。

　　但是隨著多媒體業(yè)務、數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌l(fā)展, 人們對通信的質(zhì)量和通信的業(yè)務不斷增加。由于目前第三代移動通信仍然不能支持超過20 Mbit/ s 的高速數(shù)據(jù)業(yè)務以及很大范圍(8 kbit/ s～20 Mbit/ s) 的業(yè)務, 并且第三代移動通信并沒有實現(xiàn)真正意義上的全球漫游, 因此, 近年來一些研究學者又提出了未來移動通信系統(tǒng)的新構(gòu)想———Beyond 3G的概念。Beyond 3G移動通信系統(tǒng)必須能夠支持全IP 高速分組數(shù)據(jù)傳輸(數(shù)據(jù)速率為數(shù)十甚至數(shù)百Mbit/ s) 、支持高的終端移動性(移動速度高達每小時幾百公里) 、支持高的傳輸質(zhì)量(數(shù)據(jù)業(yè)務的誤碼率低于10  
- 6) 、提供高的頻譜利用率和功率效率(發(fā)射功率降低10dB 以上) ,并能夠有效地支持在用戶數(shù)據(jù)速率、用戶容量、服務質(zhì)量和移動速度等方面大動態(tài)范圍的變化。

　　目前, WCDMA 的標準也在不斷朝著Beyond3G演進, 其發(fā)展方向主要有: 支持更多的多媒體業(yè)務, 提高下行的數(shù)據(jù)傳輸速率, 實行全IP 網(wǎng)絡,實現(xiàn)不同標準不同無線接入技術(shù)之間的切換以及漫游等。在這些發(fā)展方向中, 如何提高下行數(shù)據(jù)傳輸速率非常重要, 而解決這個問題的關(guān)鍵在于一些新的基帶傳輸技術(shù), 例如一些智能信號處理技術(shù)。另外, 由于目前第三代移動通信技術(shù)還沒有大規(guī)模商用, 技術(shù)能力又有很大的擴展空間, 因此, 本文從這個方面出發(fā), 結(jié)合目前比較新的基帶傳輸中采用的技術(shù), 對它們在WCDMA 向后三代演進中的應用進行探討。

　　WCDMA 概述

　　WCDMA 標準化主要是由區(qū)域性的標準化組織3GPP 負責, 該組織是由歐洲ETSI 發(fā)起, 并由ETSI ( 歐洲) 、CWTS ( 中國) 、ARIB ( 日本) 、TTC (日本) 、TTA (韓國) 和T1 (美國) 等成員組成的第三代合作組織, 其目標是制定與GSM/GPRS 相兼容的第三代移動通信標準WCDMA , 在歐洲又稱為UMTS。目前, 3GPP 制訂的WCDMA系統(tǒng)標準包括多個版本: R99 、R4 和R5 。R99 是目前最成熟、最穩(wěn)定的版本, 其主要特點是采用基于GSM/ GPRS 的核心網(wǎng)絡, 引入新的WCDMA 和CDMATDD 的無線接入網(wǎng)絡RAN。 R4 的主要特征是完成了由我國提交的TD-SCDMA 技術(shù)在3GPP的標準化, R4 核心網(wǎng)部分主要特點是在電路域?qū)⒊休d與控制分開, 這也是邁向全IP 的第一步。R5則是全IP 的第一個版本, 其核心網(wǎng)部分在結(jié)構(gòu)上將發(fā)生較大的變化, 引入IP 多媒體域。R5 的另一個主要增強是無線接口引入支持下行速率為10Mbit/ s 的HSDPA 技術(shù)。

　　從上述標準的演變過程可以看出, WCDMA 的演變包括網(wǎng)絡層解決方案的演變和物理層基帶傳輸方面的演進。網(wǎng)絡層方面的演進包括發(fā)展無線接入網(wǎng)絡資源管理技術(shù), 以及核心網(wǎng)IP 化技術(shù)等。由于物理傳輸層的演進是基礎(chǔ),因此本文著重討論增強WCDMA 物理傳輸以及WCDMA 向后三代演進時可能采用的一些新技術(shù)。

　　WCDMA 向后三代演進物理層的關(guān)鍵技術(shù)

　　WCDMA 向后三代演進中的關(guān)鍵技術(shù)包括抗衰落、抗突發(fā)差錯的信道編碼技術(shù); 克服用戶間干擾的多用戶檢測技術(shù); 克服多徑干擾的均衡技術(shù)以及采用分塊傳輸?shù)募夹g(shù); 還有提高數(shù)據(jù)傳輸速率和抗衰落的MIMO (Multi-Input Multi-Output) 多天線技術(shù)、AMC 技術(shù); 最后還有結(jié)合網(wǎng)絡層和物理層的H-ARQ 技術(shù)。這些技術(shù)還可以有機結(jié)合來共同提高系統(tǒng)性能。下面我們分別對這些技術(shù)進行討論, 并考慮他們在WCDMA 中實現(xiàn)的可能性。

　　信道編碼技術(shù)

　　移動通信中, 解決深衰落引起的突發(fā)差錯的常用方法就是交織加糾錯編碼技術(shù)。交織可以把突發(fā)差錯隨機化, 然后就可以通過糾錯編碼來糾正隨機差錯。常用的糾錯編碼有RS 碼和卷積碼以及它們的級聯(lián)形式。1993 年, C1Berrou 提出了Turbo 碼。Turbo 碼是并行或串行級聯(lián)循環(huán)卷積碼。它由兩個遞歸系統(tǒng)卷積碼(RSC 碼) 通過一個交織器的并行(或串行) 級聯(lián)構(gòu)成, 其編碼是迭代式進行的。在AWGN 和瑞利衰落信道中的實驗表明, 它可以很接近香農(nóng)限, 相比RS 碼和卷積碼的級聯(lián)碼, Turbo碼有2 dB 以上的增益。因此, Turbo 碼受到各個移動通信標準的青睞, 并成為后3G 的關(guān)鍵技術(shù)。但是, Turbo 碼也有它的缺點, 即譯碼比較復雜。 

    Turbo 碼的提出大大刺激了糾錯編碼技術(shù)的發(fā)展。1997 年Mackay 重新發(fā)現(xiàn)了Gallage 在1967 年提出的LDPC (低密度奇偶校驗) 碼。研究表明,LDPC 碼也具有優(yōu)異的性能, 與Turbo 碼相比, 它的譯碼可以并行實現(xiàn), 因此具有很強的實用價值。目前對LDPC 在移動通信中的應用也開始熱起來,考慮到Turbo 碼譯碼復雜, 而LDPC 碼譯碼簡單編碼稍微復雜, 在上行采用Turbo 碼, 下行采用LDPC 碼很有吸引力。但是關(guān)于LDPC 碼, 還有以下幾方面需要進一步研究: LDPC 碼在移動衰落信道下的性能; 尋找編碼簡單、譯碼可以并行實現(xiàn)的LDPC 碼, 并對它在移動通信中的應用進行深入研究。

　　多用戶檢測技術(shù)

　　在CDMA 系統(tǒng)中, 由于多個用戶的隨機接入,所使用的擴頻碼集一般并非嚴格正交, 以及多徑信道造成Walsh 碼的不正交都會引起各用戶之間的相互干擾—稱為多址干擾(MAI)  
。多址干擾的存在嚴重地影響了WCDMA 系統(tǒng)的性能和大大降低了系統(tǒng)的容量, 因此多址干擾的抑制和消除對于WCDMA 系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的意義。經(jīng)過近20年的發(fā)展, 多址干擾抑制技術(shù)的研究已日臻成熟。從最初S.Verdu 提出的最優(yōu)檢測器, 到后來以解相關(guān)檢測器以及多項式展開檢測器為代表的線性檢測器, 直至從實現(xiàn)的角度考慮而發(fā)展形成的多級型非線性的并行干擾抵消檢測器( PIC) , 而PIC 也是迄今為止, 最有可能得以實現(xiàn)的多址干擾抵消技術(shù)?？紤]到系統(tǒng)的復雜度, PIC 的級數(shù)不應過多,實現(xiàn)時可以考慮采用2～3 級。

　　均衡技術(shù)

　　對于第三代移動通信系統(tǒng)來說, 最關(guān)鍵的要求就是高且可變的數(shù)據(jù)速率。WCDMA 和cdma2000系統(tǒng)增加數(shù)據(jù)速率同時又無需增加帶寬的方法有兩種, 一種是降低擴頻因子, 可以看成是可變擴頻因子(VSF , Variable Spreading Factor) 技術(shù); 另外一種方法是擴頻因子保持不變, 通過分配數(shù)個并行的擴頻碼道即多碼(MC , MultiCode) 技術(shù)來提高數(shù)據(jù)速率。有時候也聯(lián)合這兩種技術(shù), 即混合的方案。WCDMA 就采用了VSF 的方法來傳輸高速數(shù)據(jù), 這時候就產(chǎn)生了小擴頻比情況。由于擴頻增益較小時, 擴頻碼和擾碼形成的復合碼的自相關(guān)和互相關(guān)特性的不理想, 在多徑傳播中產(chǎn)生的徑間干擾將會變得比較嚴重, 從而造成了CDMA 系統(tǒng)中的符號間干擾( ISI) 。消除這種低擴頻比增益下符號間的干擾, 已成為能否實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵問題。由于傳統(tǒng)的消除信道失真引起的ISI 的方法是使用均衡器, 因此CDMA 系統(tǒng)中的ISI 消除也可以使用均衡技術(shù), 只不過在擴頻比比較大的時候沒有必要。

　　WCDMA 系統(tǒng)中可以采用兩種技術(shù)進一步克服多徑干擾: 均衡技術(shù)和低復雜度的分塊傳輸技術(shù)。有的文獻采用chip 級均衡來克服符號間干擾, 獲得了很好的性能。另外, 為了降低復雜度,還可以先做RAKE 接收, 然后在符號級做均衡器。但是, 隨著數(shù)據(jù)速率和帶寬的增加, 信道記憶長度也在增加, 即使是線性均衡, 復雜度仍然非常高。為了進一步降低復雜度, 后3G采用的分塊傳輸?shù)乃枷胍部梢杂糜?G的CDMA 系統(tǒng)中。分塊傳輸?shù)乃枷胧? 在每個數(shù)據(jù)塊前面加上循環(huán)前綴(如果先對數(shù)據(jù)塊進行IFFT 變換, 則是OFDM 調(diào)制, 如果不進行IFFT 變換, 就是單載波頻域均衡系統(tǒng)) ,這樣, 接收端就可以在頻域?qū)崿F(xiàn)單點的均衡, 從而降低了均衡的復雜度。

　　MIMO 以及空時碼技術(shù)

　　在CDMA 系統(tǒng)中, 當上行鏈路采用多用戶檢測時, 可以大大提高容量, 為了提高下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸速率, 研究學者提出了多天線和發(fā)送分集技術(shù)。它大致包括V-BLAST (貝爾實驗室垂直分層空時結(jié)構(gòu)) 和基于發(fā)送分集的空時編碼技術(shù)。前者各個發(fā)送天線上的數(shù)據(jù)相互獨立, 因而帶寬效率高; 后者發(fā)送天線上的數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián), 因而有更好的性能。將這兩種技術(shù)應用于WCDMA , 可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸速率, 改善系統(tǒng)性能。目前WCDMA 標準的HSDPA 技術(shù)中已經(jīng)考慮采用了空時分組碼和基于多天線的V-BLAST 技術(shù)。而文獻分析了WCDMA 系統(tǒng)中采用空時格柵編碼的可能性。目前, 如何在終端實現(xiàn)多天線接收仍然存在實現(xiàn)上的困難。

　　智能天線技術(shù)

　　如前面所述, 多址干擾限制了WCDMA 系統(tǒng)容量(小區(qū)移動用戶數(shù)) 。在不增加帶寬的條件下擴大WCDMA 的系統(tǒng)容量就要抑制多址干擾。智能天線通過定向發(fā)射信號, 抑制發(fā)射機對同小區(qū)和鄰小區(qū)的干擾。通過空間合并, 整個天線陣的方向圖在期望信號方向有較大的增益, 在其它方向上天線增益降低, 從而提高接收信干比。采用自適應天線還能在干擾方向上形成空間零點, 達到抑制強干擾信號的目的。目前, 雖然采用陣列天線及空時處理技術(shù)可在空域有效地抑制多址干擾, 但由于系統(tǒng)實現(xiàn)的復雜性, 現(xiàn)有的WCDMA 系統(tǒng)標準未包括陣列天線技術(shù)。隨著技術(shù)和器件的進一步發(fā)展, 智能天線技術(shù)在WCDMA 系統(tǒng)中應該有很大的應用前景。 

    自適應鏈路技術(shù)

　　移動通信的一個重要特征就是信道調(diào)條件、服務分布以及信息類型隨著空間和時間不斷變化。這使得在設計鏈路傳輸子系統(tǒng)時, 滿足如下更靈活更智能的功能:

　　(1) 適應流量的動態(tài)變化;

　　(2) 能夠根據(jù)不同的信息類型控制QoS ;

　　(3) 適應由于信道衰落引起的信道變化;

　　(4) 增加系統(tǒng)的容量。

　　自適應鏈路關(guān)鍵技術(shù)初步分為: 自適應資源管理和自適應傳輸技術(shù)。自適應資源管理包括動態(tài)信道分配、動態(tài)幀長分配以及動態(tài)差錯控制等等, 而自適應傳輸技術(shù)包括傳輸功率控制、自適應調(diào)制、自適應碼率、自適應符號速率以及自適應波束成形技術(shù)等等。

　　幸運的是, 目前,系統(tǒng)工程師已經(jīng)應用了大多數(shù)調(diào)制技術(shù), 如QPSK、M-QAM 和接入技術(shù)如CDMA 和TDMA 到無線通信系統(tǒng)中。而在WCDMA 的R5 中HSDPA 技術(shù)已經(jīng)使用了部分的自適應鏈路技術(shù)如自適應調(diào)制技術(shù)。目前自適應鏈路技術(shù)在WCDMA 中應用的困難在于如何有效地結(jié)合這些技術(shù), 從而創(chuàng)建靈活的無線資源管理和無線傳輸技術(shù)來滿足上面所述的四個要求。

　　H-ARQ 技術(shù)

　　H-ARQ (Hybrid-ARQ) 實際上是一種隱性的鏈路自適應技術(shù)。在未來的移動通信系統(tǒng)中, 要求物理層和網(wǎng)絡層支持多媒體業(yè)務, 希望對不同的業(yè)務提供不同等級的QoS 質(zhì)量保護, 這就要求物理層和網(wǎng)絡層需要采用靈活的糾錯編碼和ARQ 方式, 將前向糾錯編碼( FEC) 和自動差錯反饋(ARQ) 結(jié)合起來, 在編碼中引入了一定的自適應性, 可以更好地適應信道, 提高系統(tǒng)的吞吐量。目前HSDPA 中已經(jīng)考慮采用H-ARQ 技術(shù), 如何將其與其它自適應鏈路技術(shù)有機結(jié)合是應用在后三代中亟待解決的問題。

　　多個技術(shù)的結(jié)合

　　上述討論了幾種技術(shù)單獨地應用于WCDMA系統(tǒng)中的情況, 而多個技術(shù)的結(jié)合可以進一步提高系統(tǒng)的性能。這些結(jié)合并不是盲目的結(jié)合, 而是有機地結(jié)合起來。其中包括: 信道編碼與多用戶檢測結(jié)合、信道編碼與均衡結(jié)合、信道編碼與MIMO及空時碼結(jié)合、信道編碼與空時碼、自適應鏈路及H - ARQ 結(jié)合等等。這些技術(shù)的有機結(jié)合可以獲得很大的增益。目前, 信道編碼與多用戶檢測、均衡、MIMO 結(jié)合已經(jīng)被很多學者所研究, 特別是用Turbo 碼或者LDPC 碼, 采用“Turbo”原理與上述技術(shù)結(jié)合, 可以獲得很大的增益, 被認為是后3G的關(guān)鍵技術(shù)。而編碼、自適應調(diào)制和H-ARQ的結(jié)合更是顯而易見的。但是, 目前這些技術(shù)的結(jié)合也存在實現(xiàn)上的困難。我們相信, 隨著器件的發(fā)展, 這些新技術(shù)將未來WCDMA 系統(tǒng)中發(fā)揮很大的作用。

　　結(jié)束語

　　作為WCDMA 系統(tǒng)向后3G演進的增強基帶傳輸技術(shù), 多用戶檢測技術(shù)、均衡技術(shù)、MIMO 和空時碼技術(shù)、智能天線技術(shù)、自適應鏈路技術(shù)、混合ARQ 技術(shù)等技術(shù)將能夠顯著提高通信系統(tǒng)的容量和通信質(zhì)量, 具有很好的應用前景。雖然這些技術(shù)應用在目前的系統(tǒng)中正式商用化還有待時日, 但這些技術(shù)的使用無疑將加速WCDMA 向后3G的演進。