IMT-2000無線傳輸技術(shù)方案的

主要技術(shù)概要

王樹甲[1]

摘  要  圍繞第三代移動(dòng)通信（IMT-2000）無線傳輸技術(shù)（RTT）的目標(biāo)要求，概要分析諸方案可能采用的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞  3G  WCDMA  cdma2000  codec  卷積編碼  RS編碼  多徑分集接收  CDMA-IC  智能天線

一、引  言

第三代移動(dòng)通信（IMT-2000）無線傳輸技術(shù)（RTT）方案經(jīng)過ITU-R TG8/1任務(wù)組的多年努力和18次會(huì)議的協(xié)調(diào)已基本確定。盡管并列了5類7種RTT系列，但實(shí)質(zhì)上都是二代CDMA和TDMA數(shù)字移動(dòng)通信技術(shù)的繼承和發(fā)展。如果說第一代與第二代（2G）移動(dòng)通信之間實(shí)現(xiàn)了模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)的過渡，那么2G與3G（第三代）之間將實(shí)現(xiàn)不同數(shù)字方式的變換，具有明顯的演進(jìn)特點(diǎn)。

事實(shí)上，人們是在2G系統(tǒng)建立過程中已就3G系統(tǒng)目標(biāo)達(dá)成共識(shí)，即建立一個(gè)全球統(tǒng)一的多業(yè)務(wù)、多應(yīng)用、多運(yùn)營商環(huán)境的第三代移動(dòng)通信體系，同時(shí)對(duì)它提出了高靈活性、高質(zhì)量、大容量的要求。很顯然，RTT方案對(duì)于實(shí)現(xiàn)3G目標(biāo)十分關(guān)鍵，而多種RTT方案又不可能全面達(dá)到3G目標(biāo)。所以，各方案都將接受實(shí)踐的篩選，“物競?cè)藫?#8221;地確立主流RTT方案。

除了3G目標(biāo)之外，還要考慮各RTT方案在2G/3G演進(jìn)過渡的經(jīng)濟(jì)性、靈活性和兼容性，以保護(hù)2G系統(tǒng)的巨大投資。

鑒于上述情況，與其繼續(xù)討論各RTT方案的優(yōu)劣，不如分析3G系統(tǒng)RTT方案中的關(guān)鍵技術(shù)，從中了解綜合地實(shí)現(xiàn)3G經(jīng)濟(jì)性、靈活性、高質(zhì)量、大容量目標(biāo)的技術(shù)途徑。

二、信源編/譯碼技術(shù)

信源編/譯碼（codec）方法的選擇與許多因素有關(guān)，如所要求的業(yè)務(wù)質(zhì)量、通道編/譯碼方式、延時(shí)要求、小區(qū)覆蓋范圍和容量、頻率空間復(fù)用因子、多址方式、調(diào)制方式等。在這些因素中，有的相互矛盾，有的相得益彰，需要統(tǒng)籌兼顧與折衷平衡。鑒于（1）2G主流系統(tǒng)的語音傳輸質(zhì)量并不令人滿意，13kbit/s GSM的規(guī)則脈沖激勵(lì)長時(shí)預(yù)測（RPE-LTP）codec主觀評(píng)定分?jǐn)?shù)（MOS）為3.54，9.6kbit/s CDMA的碼本激勵(lì)線性預(yù)測(CELP)codec主觀評(píng)定分?jǐn)?shù)為3.45；（2）3G系統(tǒng)提出了語音質(zhì)量要與有線固定電話質(zhì)量相匹敵的目標(biāo)要求，而64kbit/s PCM的MOS為4.3分，32kbit/s ADPCM的MOS為4.1分；所以，提高3G系統(tǒng)的codec質(zhì)量不僅是主要矛盾，還是諸矛盾因素間的矛盾主要方面。

為了提高3G系統(tǒng)語音編譯碼器的質(zhì)量，首先應(yīng)當(dāng)適當(dāng)提高codec的速率，在2G CDMA系統(tǒng)中業(yè)已提出14.4kbit/s速率的語音業(yè)務(wù)，它的MOS為4.2分，仍采用CELP方式，并在IS—95B中實(shí)施；Nokia公司大勢所趨。順便指出，如果日后發(fā)展無線IP電話時(shí)，提高速率有利于減小裝/拆包時(shí)延。其次是合理選擇曾研制了增強(qiáng)型可變速率編碼（EVRC）的GSM手機(jī)，但在網(wǎng)中很難推廣實(shí)施。這表明適當(dāng)增加編碼速率是語音編碼的幀長問題，2G系統(tǒng)的GSM和CDMA都選擇了20ms幀長，它比較適合人類語聲信號(hào)的統(tǒng)計(jì)特性，在保證一定質(zhì)量的前提下，可以進(jìn)行有效的語音壓縮。為了后向兼容，cdma One仍會(huì)采用20ms幀長，而WCDMA方案決定采用10ms幀長。幀長參數(shù)直接影響編/譯碼延時(shí)，而延時(shí)會(huì)造成與PSDN端局相接時(shí)2/4線變換處的回聲，通信距離越遠(yuǎn)越嚴(yán)重，需要采用回聲消除措施，才不致影響這類通話的質(zhì)量。不言而喻，幀長減小也有利于無線IP電話的減小延時(shí)。第三，幀長的大小決定了交織深度，交織技術(shù)有助于將無線信道的突發(fā)性串誤碼變換為隨機(jī)誤碼，并通過前向糾錯(cuò)技術(shù)加以消除。所以，采用較長的幀長，可以得到較深的交織，有利于提高語音質(zhì)量卻不影響容量，付出的代價(jià)是延時(shí)。第四，利用語音激話因子（40%-60%），實(shí)施可變速率語音編碼，有利于增加容量和有效利用頻率資源。

關(guān)于3G系統(tǒng)的高速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)的信源編/譯碼問題，很可能仿照固定業(yè)務(wù)，放在數(shù)據(jù)終端設(shè)備（DTE）一側(cè)，與什么樣的固定業(yè)務(wù)互通，就有什么樣的編/譯碼方式或互通功能裝置（IWF）或編/譯碼變換裝置。當(dāng)然，對(duì)于所謂個(gè)人數(shù)字助理器一類的簡單DTE，可以與移動(dòng)終端（MT）綜合在一個(gè)物理實(shí)體中，但在邏輯功能上是涇渭分明的。MT的一個(gè)重要功能在于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供更強(qiáng)有力的信道編/譯碼方式，使傳輸誤碼率達(dá)到10^-6的量級(jí)。

三、信道編碼技術(shù)

眾所周知，無線電信道是時(shí)變信道，而移動(dòng)通信的無線電信道也一定會(huì)受到多徑衰落和多普勤（Doppler）頻移影響，使時(shí)空環(huán)境變得更為復(fù)雜和低劣。因此，無論采用什么調(diào)制方式，移動(dòng)通信系統(tǒng)都需要采用不同的數(shù)字信號(hào)處理（DSP）技術(shù)來改善它的鏈路性能，檢測和糾正比加性高斯白噪聲信道嚴(yán)重得多的各種差錯(cuò)或誤碼。除了分集接收等其它措施之外，信道編碼技術(shù)、數(shù)字信號(hào)交織技術(shù)也是十分重要的方法。

一般而言，3G系統(tǒng)仍會(huì)采用技術(shù)成熟、實(shí)現(xiàn)方便、行之有效的卷積編碼方式。顧名思義，所謂卷積編碼是指輸出碼元與輸入碼元之間存在卷積規(guī)律的編碼方式。卷積碼與分組碼不同，消息比特?zé)o需組成不同的碼組，而是將連續(xù)加消息比特序列有頭無尾地變換為編碼器輸出比特序列。這種高變結(jié)構(gòu)性的映射變換也使譯碼方法與分組碼譯碼方法有顯著區(qū)別。卷積碼的譯碼方法有數(shù)種，最重要的是Viterbi算法，該算法可以完成卷積碼的最大似然譯碼。卷積編碼器主要由移位寄存器構(gòu)成，Viterbi譯碼器既可采用軟判決譯碼，也可采用硬判決譯碼來實(shí)現(xiàn)。前者性能優(yōu)于后者2-3dB，但延時(shí)較后者長。

具體地講，多載波CDMA方案須采用與IS-95B標(biāo)準(zhǔn)后向兼容方案，兩種DS-CDMA RTT方案對(duì)于語音業(yè)務(wù)信道和控制信令信道仍會(huì)采用不同編碼比率R和約束長度K的卷積編碼/Viterbi譯碼。例如，語音業(yè)務(wù)信道采用R=1/3，K=9的卷積碼，控制信令信道采用R=1/2，K=9的卷積碼。除了其它含義之外，參數(shù)K還表征編碼器的復(fù)雜度。實(shí)踐表明，在復(fù)雜度相同的條件下，卷積碼優(yōu)于分組碼。

應(yīng)當(dāng)指出，卷積碼本身具有與交織技術(shù)類似的消息比特序列的時(shí)間分集作用，因而對(duì)干擾、衰落引起的連續(xù)突發(fā)差錯(cuò)有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。然而，在卷積編碼之后仍會(huì)采用交織技術(shù)，從而以可容忍的延時(shí)代價(jià)換取更良好的時(shí)間分集效果，最終改善無線信道的性能質(zhì)量。

從各種業(yè)務(wù)不同質(zhì)量要求看，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)要求的差錯(cuò)率（誤碼率）比語音業(yè)務(wù)嚴(yán)得多。盡管數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)可以用上層反饋重發(fā)協(xié)議來保證萬無一失，但為了盡可能減少反饋重發(fā)，提高無線資源利用率，要求無線信道的比特差錯(cuò)率最好達(dá)到10^-6的量級(jí)，而語音通常要求10^-3。這決不是一件容易事，為此數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)信道需要采用既有很強(qiáng)隨機(jī)離散差錯(cuò)糾正能力又有很強(qiáng)連續(xù)突發(fā)差錯(cuò)糾正能力的Reecl-Solomon(RS)編碼。

所謂RS編碼，實(shí)際上可以通過我們熟悉的BCH碼（Bcse-Chaudhufi-Hocqenghem）來理解，首先將RS碼視為編碼碼長n=q-1=2^m-1(q，m均為大于1的整數(shù))，監(jiān)督碼元為n-k=2t（k為消息碼長，t為可糾正的差錯(cuò)碼數(shù)目），最小距離do=2t+1的q元（q>2）BCH碼，而后將二元碼的概念推廣為多元符號(hào)的概念，每個(gè)符號(hào)的二元碼數(shù)目為m。

RS編碼以往多用于軍事、航天方面，現(xiàn)已廣泛用于光盤、通信方面。例如，REFLEX雙向無線電尋呼通信系統(tǒng)的上行信道便采用了RS（n=31，k=23）的編碼，它在加羅瓦域GF（2⁵）為n=2⁵-1=31個(gè)符號(hào)，每個(gè)符號(hào)5比特，可糾正4個(gè)符號(hào)或20比特的連續(xù)突發(fā)差錯(cuò)。

據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，WCDMA方案的數(shù)據(jù)信道采用RS（36，32）編碼，似為RS（63，31）之誤。比照上述實(shí)例不難理解RS（63，31）碼，其符號(hào)長度為63，每符號(hào)為6比特；消息符號(hào)數(shù)目為31，即186個(gè)比特，可糾正16個(gè)符號(hào)或96個(gè)比特的連續(xù)突發(fā)差錯(cuò)。若數(shù)據(jù)速率為128kbit/s，則可以認(rèn)為RS（63，31）碼能夠糾正持續(xù)時(shí)間小于0.75ms的任何損傷引起的連續(xù)突發(fā)差錯(cuò)。

通常采用RS譯碼算法通過軟件或硬件實(shí)現(xiàn)RS譯碼器，包括5種不同的算法。硬件實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)是速度快，工作速率可達(dá)10Mbit/s，多用于衛(wèi)星通信和數(shù)字視頻應(yīng)用技術(shù)，但現(xiàn)成的單片RS編譯碼器多采用每符號(hào)8比特（GF（2⁸））。蜂窩數(shù)字分組數(shù)據(jù)（CDPD）系統(tǒng)，由于工作速率低（19.2kbit/s），已用實(shí)時(shí)軟件實(shí)現(xiàn)了RS（63，47）的譯碼器，軟件方法的吸引力在于開發(fā)時(shí)間短、開發(fā)成本低，而且具有良好的靈活性。

綜上所述，信道編/譯碼技術(shù)通過在所要發(fā)送的數(shù)字消息中有選擇地加入冗余數(shù)據(jù)，并據(jù)此在收端譯碼時(shí)進(jìn)行糾錯(cuò)，從而保證消息數(shù)據(jù)的質(zhì)量要求。信道編碼的理論基礎(chǔ)是仙農(nóng)信道編碼定理，不論對(duì)于帶寬受限的應(yīng)用還是功率受限的應(yīng)用，信道編碼都能提供改善鏈路、檢糾差錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)。至于信道編碼技術(shù)的選擇自然是要針對(duì)移動(dòng)通信信道，W-CDMA方式的主要信道損傷，兼顧質(zhì)量、容量和成本。

四、信道復(fù)用與多址連接技術(shù)

如果說信源編碼與信道編碼技術(shù)主要是針對(duì)各種信源（業(yè)務(wù)）采取技術(shù)措施來提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的有效性和可靠性，那么信道復(fù)用與多址技術(shù)則是為了充分利用信道，采取技術(shù)措施使多個(gè)不同信源共用一個(gè)信道，進(jìn)一步提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的有效性和可靠性。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，數(shù)字信號(hào)在基帶的復(fù)用與在射頻通帶的多址連接通常是一致的，并通過射頻調(diào)制/解調(diào)聯(lián)系起來。

不論是時(shí)分復(fù)用/多址還是碼分復(fù)用/多址技術(shù)都是建立在頻譜的頻分復(fù)用基礎(chǔ)上的，這涉及頻道間隔、載波通帶帶寬的概念，如果采用頻分雙工（FDD），還要涉及收、發(fā)頻率間隔的概念。換句話說，它們都有一個(gè)選擇窄帶或?qū)拵Ф嗦窂?fù)用/多址的問題。例如，當(dāng)初DAMPS為后向兼容只能選擇30kHz窄帶，GSM/DCS在爭論中為兼顧高、低業(yè)務(wù)量密度地區(qū)的小區(qū)覆蓋的經(jīng)濟(jì)/技術(shù)合理性，選擇了200kHz，相當(dāng)于8個(gè)TACS頻道，而DECT則選擇了1.728MHz頻道間隔和時(shí)分雙工（TDD）?，F(xiàn)名為cdma One碼分多址方式，曾叫部分頻段（PB）DS-CDMA，也是要與AMPS共用頻段，每個(gè)CDMA頻道占用1.23MHz帶寬，但要在AMPS頻段建立第一個(gè)CDMA頻道，需要一定的保護(hù)頻帶，占用1.5MHz相當(dāng)于50個(gè)AMPS頻道。之后，每擴(kuò)充一個(gè)cdma One頻道占用1.23~1.25MHz頻帶。

更大量事實(shí)表明，在技術(shù)的更新?lián)Q代過程中既有繼承又有發(fā)展與創(chuàng)新。2G的各TDMA方式與cdma One相比，各有優(yōu)缺點(diǎn)。GSM/DCS的突出優(yōu)點(diǎn)是，占用相對(duì)統(tǒng)一的頻段，采用統(tǒng)一的SIM卡和IMSI管理用戶，易于實(shí)現(xiàn)全球漫游；采用慢跳頻技術(shù)進(jìn)行頻率分集和時(shí)間分集，提高了抗干擾和抗衰落能力；采用移動(dòng)臺(tái)協(xié)助的越區(qū)切換技術(shù)，這是cdma One不能做到的；技術(shù)復(fù)雜度低，經(jīng)濟(jì)性好。這些優(yōu)點(diǎn)使GSM系統(tǒng)捷足先至地占領(lǐng)了世界市場，成為2G主流系統(tǒng)。CDMA方式有眾所周知的優(yōu)點(diǎn)，但在實(shí)踐中它不得不受AMPS牽制，自身復(fù)雜度又高，結(jié)果貽誤市場商機(jī)，然而，正是由于能與AMPS共用頻段和系統(tǒng)間漫游，許多采用AMPS系統(tǒng)的國家和地區(qū)都建立了cdma One系統(tǒng)，朝、日、北美在其它頻段也采用了CDMA技術(shù)，我國長城網(wǎng)是四大城市的CDMA實(shí)驗(yàn)網(wǎng)，業(yè)已放號(hào)運(yùn)營。

在2G/3G的技術(shù)變革中，一個(gè)值得深思的問題是，為什么多數(shù)國家和地區(qū)、多數(shù)跨國生產(chǎn)商都主張CDMA方式的IMT-2000 RTT方案？為什么Ericson和Nokio公司能夠力排歐盟眾議將W-CDMA作為歐洲第一方案提交ITU，又作為IMT-2000 RTT的方案列于諸方案之首呢？這主要是寬帶CDMA方式具有許多潛在優(yōu)勢：適應(yīng)多速率、多業(yè)務(wù)、多應(yīng)用的市場需求；有利于與現(xiàn)在、過去和未來的分組交換方式及業(yè)務(wù)的互聯(lián)互通，諸如與X.25網(wǎng)、幀中繼網(wǎng)、Internet網(wǎng)和ATM網(wǎng)的互聯(lián)互通；能夠克服2G CDMA方案中的缺欠，諸如上行鏈路性能比下行鏈路差，是限制容量的薄弱環(huán)節(jié)以及國際漫游難的問題?？梢圆捎眯碌募夹g(shù)措施，諸如多用戶抗干擾接收技術(shù)、智能天線技術(shù)，進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾、抗衰落特性，從而改善質(zhì)量或提高容量。

為了靈活地傳送多種速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和多媒體業(yè)務(wù)，各IMT-2000寬帶CDMA方案可根據(jù)業(yè)務(wù)速率和業(yè)務(wù)質(zhì)量要求分配不同的無線資源，例如128kbit/s以下的業(yè)務(wù)，通過改變擴(kuò)頻增益和碼信道功率來保證質(zhì)量和容量要求；對(duì)于高于128kbit/s的業(yè)務(wù)采用多個(gè)碼信道并行傳送方式來實(shí)現(xiàn)。所以，只要熟悉直接序列擴(kuò)頻碼分復(fù)用多址技術(shù)的基本原理，便不難理解3G各CDMA RTT方案。各參數(shù)和具體技術(shù)的選擇和配搭原則是，頻譜利用效率與功率利用效率合理折中，質(zhì)量與容量的統(tǒng)籌平衡。因此，放松一些參數(shù)便須收緊另一些參數(shù)，反之亦然。若想普遍提高質(zhì)量和容量，則一定會(huì)提高復(fù)雜度，付出經(jīng)濟(jì)代價(jià)。最終還受理論限制，不可能無限地全面提高有效性、可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

五、擴(kuò)頻調(diào)制與射頻調(diào)制技術(shù)

所有調(diào)制/解調(diào)技術(shù)都是為了提高頻帶利用效率和/或功率利用效率，或是求得兩者的折衷平衡，由于即使是平穩(wěn)加性高斯白噪聲信道也屬于帶寬受限的信道，于是以盡可能高的系統(tǒng)增益（發(fā)送功率－接收靈敏度）來減小所需的帶寬便成了一般調(diào)制/解調(diào)方式選擇的目標(biāo)。然而擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)恰恰相反，例如一些軍事通信以比必要信號(hào)帶寬大幾個(gè)數(shù)量級(jí)的傳輸帶寬換取極高的系統(tǒng)增益或極高的信號(hào)質(zhì)量。3G的各CDMA方案與此類似，以比基帶信號(hào)帶寬大得多的頻帶，傳送多路信號(hào)，在保證一定質(zhì)量的條件下，降低解調(diào)信噪比門限，提高功率利用效率。

擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)具有許多固有特性，使它特別適合多用戶、多業(yè)務(wù)、多應(yīng)用的移動(dòng)通信環(huán)境，其中最主要的有：

——與所要傳送的數(shù)字消息信號(hào)相比，擴(kuò)頻信號(hào)不僅具有很寬頻帶，而且還具有偽隨機(jī)噪聲特性。由于在發(fā)端擴(kuò)頻過程中要給每個(gè)用戶分配一個(gè)獨(dú)特的正交碼（Walsh code）或近似正交的偽隨機(jī)碼（PN），所以盡管它的在時(shí)域和頻域是重疊的，也能根據(jù)碼域的相關(guān)性原理用收端產(chǎn)生的正確PN碼來解調(diào)各路信號(hào)，即對(duì)它們進(jìn)行功率分割。當(dāng)然，由于各PN碼并非完全正交，各路信號(hào)間也不是絕對(duì)互不相關(guān)的，實(shí)現(xiàn)中又不能做到完全理想，所以，碼分復(fù)用的容量是受質(zhì)量要求制約的所謂軟容量。

——抗窄帶干擾的能力強(qiáng)是擴(kuò)頻信號(hào)的另一固有特性，因?yàn)檎瓗Ц蓴_是影響擴(kuò)頻信號(hào)頻譜的一小部分，消息信號(hào)仍可以在保證質(zhì)量的前提下加以解調(diào)；采用陷波濾波器消除干擾亦不會(huì)造成嚴(yán)重失真。

——由于擴(kuò)頻信號(hào)在很寬頻帶內(nèi)具有均勻能量分布特性，所以在任意給定時(shí)間多徑和多普勒效應(yīng)造成的衰落只能影響擴(kuò)頻信號(hào)的一小部分。從時(shí)域上看，多徑引起的延時(shí)的擴(kuò)頻信號(hào)與原來發(fā)送的擴(kuò)頻信號(hào)的相關(guān)性很差；從頻域上看，頻率選擇性衰落是窄帶性質(zhì)的，只影響擴(kuò)頻信號(hào)的一小部分。因此，寬帶擴(kuò)頻信號(hào)的抗衰落能力很強(qiáng)。

——由于各用戶信號(hào)可能共用同一頻譜、同一頻道，所以擴(kuò)頻調(diào)制可以免除復(fù)雜的頻率規(guī)劃，大大提高頻率的空間復(fù)用系數(shù)。應(yīng)當(dāng)注意的是，不能用1、1/7和1/4來分別表示CDMA、FDMA和TDMA的頻率復(fù)用系數(shù)，因?yàn)檫@沒有建立在等同的小區(qū)容量、信號(hào)質(zhì)量和覆蓋范圍的基礎(chǔ)上。理論計(jì)算和實(shí)踐結(jié)果都表明，CDMA方式與FDMA、TDMA不同，除受相鄰小區(qū)干擾外，主要受小區(qū)內(nèi)各用戶之間的干擾制約。Cdma One頻率復(fù)用系數(shù)不是1而是0.67。要想進(jìn)一步改善小區(qū)內(nèi)各用戶之間的干擾，就需要進(jìn)一步提高用以限制所謂遠(yuǎn)近效應(yīng)的功率控制準(zhǔn)確度，而這無疑會(huì)增加控制消息的開銷、實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度或成本。

關(guān)于射頻調(diào)制/解調(diào)方式，3G CDMA方案仍會(huì)采用成熟的正交相移鍵控（QPSK）和二元相移鍵控（BPSK）。為了克服Cdma One存在的上、下行鏈路系統(tǒng)增益不平衡問題，上行鏈路可以用時(shí)分復(fù)用方法傳送導(dǎo)引信號(hào)，以便在收端采用與下行鏈路一致的相干解調(diào)技術(shù)，從而提高上行鏈路傳輸質(zhì)量。

在發(fā)端，數(shù)字基帶信號(hào)經(jīng)帶通濾波器限制帶寬后，進(jìn)行中頻或射頻調(diào)制，完成數(shù)/模變換，經(jīng)天線發(fā)射出去；在收端，經(jīng)帶通濾波器選擇接收天線所收到的有用信號(hào)，再經(jīng)下變頻器變換為寬帶中頻已調(diào)信號(hào)，而后進(jìn)行多用戶、多業(yè)務(wù)數(shù)字解調(diào)。顯然，中頻調(diào)制可以采用矢量調(diào)制方式，之前的信號(hào)也都是數(shù)字信號(hào)，而在空中傳送的信號(hào)是已調(diào)射頻模擬信號(hào)。

六、分集技術(shù)

信道編碼、數(shù)字交織、自適應(yīng)均衡和分集接收技術(shù)可以獨(dú)立地或級(jí)聯(lián)地用于無線電移動(dòng)通信的時(shí)變信道，改善接收信號(hào)的質(zhì)量，但作用機(jī)理有所不同，信道編碼與交織技術(shù)是針對(duì)時(shí)變信道的連續(xù)突發(fā)誤碼特性進(jìn)行前向糾錯(cuò)，使信道損傷造成的誤碼或差錯(cuò)能夠在收端利用冗余碼糾正過來或大部分糾正過來，從而提高對(duì)信息數(shù)據(jù)的接收質(zhì)量；自適應(yīng)均衡技術(shù)是為了補(bǔ)償時(shí)變信道惡劣的幅度特性和時(shí)延特性，使之變得平穩(wěn)，從而減小失真，提高傳輸質(zhì)量；分集接收技術(shù)主要是用來補(bǔ)償衰落信道造成的損傷，提高有用信號(hào)電平和傳輸質(zhì)量。交織、均衡和分集技術(shù)都能夠在不降低功率利用效率和帶寬利用效率的前提下改善無線電通信鏈路的質(zhì)量。

1．頻率分集

頻率分集是擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的固有特性，與窄帶通信系統(tǒng)相比，寬帶CDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)很少產(chǎn)生整個(gè)通帶信號(hào)全都衰落的所謂平衰落。在頻域衰落呈現(xiàn)選擇性衰落特性，類似于一個(gè)窄帶陷波濾波器，其中心頻點(diǎn)隨時(shí)間和/或用戶移動(dòng)而在通帶內(nèi)變化。陷波濾波的帶寬是兩個(gè)信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間差的倒數(shù)。在許多移動(dòng)通信環(huán)境下，多徑信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間差遠(yuǎn)大于1μs，僅丟失200～300 kHz的窄帶信號(hào)，所以，寬帶CDMA信號(hào)具有很強(qiáng)的抗多徑衰落能力。

2．時(shí)間分集

時(shí)間分集也是數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)常用的技術(shù)方法。發(fā)端的卷積編碼和交織技術(shù)與收端的采用軟判決點(diǎn)的Viterbi譯碼和去交織技術(shù)一起構(gòu)成了寬帶CDMA系統(tǒng)的時(shí)間分集方式。時(shí)間分集可以將無線信道產(chǎn)生的連續(xù)突發(fā)誤碼在時(shí)域散布，使之具有離散隨機(jī)特性，以便提高系統(tǒng)的糾錯(cuò)能力，改善信道性能。

多徑信號(hào)分集接收方法實(shí)質(zhì)上也是一種時(shí)間分集技術(shù)，它一反采用增大功率或均衡技術(shù)對(duì)付多徑問題的常規(guī)方法，而是利用多徑信號(hào)增大有用信號(hào)的方法來提高接收質(zhì)量。因?yàn)?span lang=EN-US>CDMA系統(tǒng)的移動(dòng)臺(tái)與為之服務(wù)的基站是同步工作的，所以移動(dòng)臺(tái)能夠區(qū)分直接射來信號(hào)與延時(shí)的多徑反射信號(hào)，因而可以采用多個(gè)相關(guān)接收器來接收幾個(gè)最強(qiáng)的多徑信號(hào)，并按照自相關(guān)原理重建更強(qiáng)的接收信號(hào)。多徑接收又稱耙式（Rake）接收，一個(gè)稱之為搜索器的專門電路在時(shí)域搜尋各多徑信號(hào)，直至找到與其所分配的碼信道具有很強(qiáng)相關(guān)性的多徑信號(hào)，并分配一個(gè)接收支路解調(diào)該信號(hào)。由于有幾個(gè)接收支路，所以能夠解調(diào)幾路相關(guān)的多徑信號(hào)，并通過不同延時(shí)和加權(quán)合成所要接收的信號(hào)。當(dāng)接收條件變化后，搜索器迅速重新分配各相關(guān)接收器。顯然，如果各多徑信號(hào)到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間差小于一個(gè)時(shí)鐘周期，則耙式接收器不能起作用。然而實(shí)際表明，即使在很強(qiáng)、很短的多徑信號(hào)條件下，也存在較長時(shí)間延時(shí)的信號(hào)。

3．空間分集

CDMA系統(tǒng)特有的耙式接收和頻率復(fù)用特性是實(shí)現(xiàn)小區(qū)間軟切換的基礎(chǔ)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于小區(qū)邊界附近時(shí)，可以與兩個(gè)距離最近的基站建立并保持上、下行鏈路，由交換中心擇優(yōu)選取，直至一個(gè)基站的信號(hào)變得不能付諸使用為止。不難看出，這正是一種大范圍的空間分集方式，而這種宏分集方式大大改善了當(dāng)移動(dòng)臺(tái)處于不利的小區(qū)邊界時(shí)的上、下鏈路傳輸質(zhì)量。

當(dāng)然，在基站采用雙接收天線的空間分集方式也適用于寬帶CDMA系統(tǒng)，但效果不會(huì)很好，于是人們提出了智能天線的概念，用多個(gè)可以跟蹤實(shí)際用戶的高增益窄波束來達(dá)到最有效的覆蓋，減少干擾，提高傳輸質(zhì)量。

七、智能天線技術(shù)

所謂智能天線技術(shù)（SA或IA）尚無嚴(yán)格定義，智能化程度及應(yīng)用效果也大不相同。這種技術(shù)通常是一種天線陣列與一些信號(hào)處理算法相結(jié)合技術(shù)，諸如借助旋轉(zhuǎn)對(duì)稱不變性技術(shù)的信號(hào)參數(shù)估算（ESPRIT）、采用天線陣列的盲和非盲自適應(yīng)信號(hào)提取技術(shù)、天線陣列來向多個(gè)同頻數(shù)字信號(hào)的盲式估算技術(shù)等。目前大多屬于專有技術(shù)，以往用于軍事通信和雷達(dá)系統(tǒng)，如今人們希望用于3G系統(tǒng)和個(gè)人通信系統(tǒng)。然而，它的難度很大，復(fù)雜度很高，各3G系統(tǒng)的現(xiàn)場試驗(yàn)均沒采用。

我們可以這樣來理解智能天線：（1）天線陣列的基本單元是半波偶極天線，而半波偶極天線的方向性圖是大家所熟習(xí)的，其遠(yuǎn)區(qū)場場強(qiáng)在水平面是無方向性的，在垂直平面上形成“8”字形，相對(duì)理想點(diǎn)源有2.15dBi的增益；（2）若在球座標(biāo)的Z軸方向組成同軸的半波偶極天線陣列，便會(huì)增大垂直面的增益，使主射束變得尖銳，并出現(xiàn)許多副瓣，它們之間形成場強(qiáng)很低，甚至為0的點(diǎn)，但不會(huì)影響水平面的方向性；（3）同理，在球座標(biāo)Φ平面對(duì)稱地安排半波偶極天線陣列，便會(huì)影響遠(yuǎn)區(qū)場水平面的方向性；（4）理論分析和實(shí)際試驗(yàn)表明，天線陣列各單元上分布和激勵(lì)（電壓和相位）與遠(yuǎn)區(qū)場方向性圖的關(guān)系，類似于Fourier時(shí)域與頻域變換的關(guān)系，也就是說，天線陣列各單元的空間位置參數(shù)（相對(duì)于波長）、激勵(lì)電壓的幅度和相位與遠(yuǎn)區(qū)場方向性的關(guān)系是空間離散Fourier變換的關(guān)系。（5）所以，采用空間濾波算法，按照信號(hào)到達(dá)角度，可以分離同一頻道上的多個(gè)信號(hào)。

根據(jù)以上分析，人們可以預(yù)先安排多個(gè)波束，按照用戶的位置和移動(dòng)速度切換波束，使有用信號(hào)獲得較高增益，而對(duì)其它用戶呈現(xiàn)較小的干擾；也可以采用自適應(yīng)算法，用不同的波束對(duì)準(zhǔn)不同方位的用戶群，從而減小各用戶群間的干擾。

智能天線還可以通過數(shù)據(jù)處理和變換增強(qiáng)在多徑傳播條件下的有用信號(hào)的接收，但與耙式多徑接收不同，所利用的是多徑信號(hào)的空間自相關(guān)性。例如，首先利用空間濾波原理分離同一消息信號(hào)沿不同方向抵達(dá)的各個(gè)多徑信號(hào)；而后調(diào)整各多徑信號(hào)的相位延遲和幅度；最后按某種優(yōu)化算法組合已調(diào)整加權(quán)的各信號(hào)，作為輸出信號(hào)。

只有在同一頻段，天線收、發(fā)方向性才有良好的互易性，所以智能天線更適合用于時(shí)分雙工（TDD）方式，對(duì)于數(shù)十兆赫頻率間隔的頻分雙工（FDD）方式，智能天線實(shí)現(xiàn)起來更為復(fù)雜，效果相對(duì)差一些。

八、多用戶抗干擾接收技術(shù)

3G移動(dòng)通信系統(tǒng)必須有較高的系統(tǒng)容量和小區(qū)容量，以適應(yīng)多用戶、多速率、多業(yè)務(wù)的要求，而干擾，特別是小區(qū)內(nèi)各用戶間的干擾是限制CDMA系統(tǒng)容量的主要因素。為此提出了基于干擾消除的多用戶檢測接收技術(shù)，模擬實(shí)驗(yàn)表明，采用消除小區(qū)內(nèi)外干擾CDMA系統(tǒng)（CDMA-IC）的潛在容量可達(dá)到80個(gè)用戶/cell/MHz。

CDMA-IC方式的機(jī)理和概念并不復(fù)雜，它首先檢測和解調(diào)所收到的復(fù)合信號(hào)中最強(qiáng)的碼信道信號(hào)，而后從復(fù)合信號(hào)中減去該信號(hào)；此后再檢測次強(qiáng)的信號(hào)，并從所余的總信號(hào)中減去；依信號(hào)強(qiáng)度順序重復(fù)進(jìn)行上述過程，直至檢測出所有的碼信道信號(hào)。因?yàn)檩^強(qiáng)的碼信道往往產(chǎn)生較大的干擾，所以依次檢測和解調(diào)各碼信道，可以得到較高的載干比，而且比較均衡，從而可以提高接收質(zhì)量或提高容量。總之，進(jìn)一步提高了頻譜利用效率。

此外，CDMA-IC方式可不需要接收信號(hào)具有接近相等的功率，遠(yuǎn)近效應(yīng)引起的各碼信道間的功率散布特性、快衰落造成的接收電平變化，無需進(jìn)行控制。更為重要的是，CDMA-IC可以解決常規(guī)CDMA難以解決的分層小區(qū)覆蓋結(jié)構(gòu)的難題，而這種結(jié)構(gòu)對(duì)于解決小區(qū)容量與覆蓋的矛盾、高速移動(dòng)與頻頻切換的矛盾，具有靈活性。

多用戶抗干擾接收技術(shù)的主要難點(diǎn)是處理延時(shí)，尤其當(dāng)用戶數(shù)目增大或碼信道增多時(shí)，因?yàn)橐M(jìn)行排序、反復(fù)檢測、反復(fù)進(jìn)行碼型正反變換、反復(fù)減去已檢測的信號(hào)。所以，這種技術(shù)很難用于寬帶CDMA中的話音業(yè)務(wù)。對(duì)于多種速率的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因?yàn)閿U(kuò)頻增益不同，必然采用大小不等的碼信道功率來保證相同的傳輸質(zhì)量，而且對(duì)延時(shí)要求不高，所以有可能利用抗干擾接收技術(shù)。CDMA-IC技術(shù)只能用于基站接收系統(tǒng)，復(fù)雜度較高，這是不言而喻的。

以上概述的3G系統(tǒng)的基本技術(shù)可以組合的應(yīng)用，例如，若采用多用戶抗干擾接收技術(shù)，就不必采用嚴(yán)格的功率控制技術(shù)，節(jié)省下行快速時(shí)分功率控制鏈路的開銷；反之若采用了快速功率控制技術(shù)，再采用干擾消除技術(shù)的增益也就不大了。又如，我國提出的TD-SCDMA方案，有利于采用智能天線技術(shù)，且效果好、復(fù)雜度較低，而且對(duì)改善載干比，提高傳輸質(zhì)量和容量大有作為，便可降低其它一些技術(shù)措施的指標(biāo)要求。應(yīng)當(dāng)指出的是，并非各3G RTT方案全面采用上述基本技術(shù)，不過都是我們應(yīng)當(dāng)研究探索、靈活運(yùn)用的技術(shù)。

（收稿日期：2000-03-06）