引言

　　近10 年來, 移動通信技術得到突飛猛進的發展, 經曆了第一代模擬移動通信、第二代數字移動通信技術和即將投入商用的第三代移動通信技術。第三代移動通信的主流製式分為三大類――― , cdma2000 和中國的TD-SCDMA , 焦點集中在WCDMA 和cdma2000 。而基於第二代移動通信的考慮和目前全球範圍內3G的應用情況, 可以說WCDMA 已經成為最為主流、應用最廣泛的第三代無線傳輸技術。

　　但是隨著多媒體業務、數據傳輸的發展, 人們對通信的質量和通信的業務不斷增加。由於目前第三代移動通信仍然不能支持超過20 Mbit/ s 的高速數據業務以及很大範圍(8 kbit/ s～20 Mbit/ s) 的業務, 並且第三代移動通信並沒有實現真正意義上的全球漫遊, 因此, 近年來一些研究學者又提出了未來移動通信係統的新構想―――Beyond 3G的概念。Beyond 3G移動通信係統必須能夠支持全IP 高速分組數據傳輸(數據速率為數十甚至數百Mbit/ s) 、支持高的終端移動性(移動速度高達每小時幾百公裏) 、支持高的傳輸質量(數據業務的誤碼率低於10 - 6) 、提供高的頻譜利用率和功率效率(發射功率降低10dB 以上) ,並能夠有效地支持在用戶數據速率、用戶容量、服務質量和移動速度等方麵大動態範圍的變化。

　　目前, WCDMA 的標準也在不斷朝著Beyond3G演進, 其發展方向主要有: 支持更多的多媒體業務, 提高下行的數據傳輸速率, 實行全IP 網絡,實現不同標準不同無線接入技術之間的切換以及漫遊等。在這些發展方向中, 如何提高下行數據傳輸速率非常重要, 而解決這個問題的關鍵在於一些新的傳輸技術, 例如一些智能信號處理技術。另外, 由於目前第三代移動通信技術還沒有大規模商用, 技術能力又有很大的擴展空間, 因此, 本文從這個方麵出發, 結合目前比較新的基帶傳輸中采用的技術, 對它們在WCDMA 向後三代演進中的應用進行探討。

　　WCDMA 概述

　　WCDMA 標準化主要是由區域性的標準化組織3GPP 負責, 該組織是由歐洲ETSI 發起, 並由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, 其目標是製定與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 製訂的WCDMA係統標準包括多個版本: R99 、R4 和R5 。R99 是目前最成熟、最穩定的版本, 其主要特點是采用基於GSM/ GPRS 的核心網絡, 引入新的WCDMA 和CDMATDD 的無線接入網絡RAN。 R4 的主要特征是完成了由我國提交的TD-SCDMA 技術在3GPP的標準化, R4 核心網部分主要特點是在電路域將承載與控製分開, 這也是邁向全IP 的第一步。R5則是全IP 的第一個版本, 其核心網部分在結構上將發生較大的變化, 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。

　　從上述標準的演變過程可以看出, WCDMA 的演變包括網絡層解決方案的演變和物理層基帶傳輸方麵的演進。網絡層方麵的演進包括發展無線接入網絡資源管理技術, 以及核心網IP 化技術等。由於物理傳輸層的演進是基礎,因此本文著重討論增強WCDMA 物理傳輸以及WCDMA 向後三代演進時可能采用的一些新技術。

　　WCDMA 向後三代演進物理層的關鍵技術

　　WCDMA 向後三代演進中的關鍵技術包括抗衰落、抗突發差錯的信道編碼技術; 克服用戶間幹擾的多用戶檢測技術; 克服多徑幹擾的均衡技術以及采用分塊傳輸的技術; 還有提高數據傳輸速率和抗衰落的MIMO (Multi-Input Multi-Output) 多天線技術、AMC 技術; 最後還有結合網絡層和物理層的H-ARQ 技術。這些技術還可以有機結合來共同提高係統性能。下麵我們分別對這些技術進行討論, 並考慮他們在WCDMA 中實現的可能性。

　　信道編碼技術

　　移動通信中, 解決深衰落引起的突發差錯的常用方法就是交織加糾錯編碼技術。交織可以把突發差錯隨機化, 然後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形式。1993 年, C1Berrou 提出了Turbo 碼。Turbo 碼是並行或串行級聯循環卷積碼。它由兩個遞歸係統卷積碼(RSC 碼) 通過一個交織器的並行(或串行) 級聯構成, 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, 它可以很接近香農限, 相比RS 碼和卷積碼的級聯碼, 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, 並成為 的關鍵技術。但是, Turbo 碼也有它的缺點, 即譯碼比較複雜。

　　Turbo 碼的提出大大刺激了糾錯編碼技術的發展。1997 年Mackay 重新發現了Gallage 在1967 年提出的LDPC (低密度奇偶校驗) 碼。研究表明,LDPC 碼也具有優異的性能, 與Turbo 碼相比, 它的譯碼可以並行實現, 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 碼譯碼複雜, 而LDPC 碼譯碼簡單編碼稍微複雜, 在上行采用Turbo 碼, 下行采用LDPC 碼很有吸引力。但是關於LDPC 碼, 還有以下幾方麵需要進一步研究: LDPC 碼在移動衰落信道下的性能; 尋找編碼簡單、譯碼可以並行實現的LDPC 碼, 並對它在移動通信中的應用進行深入研究。

　　多用戶檢測技術

　　在CDMA 係統中, 由於多個用戶的隨機接入,所使用的擴頻碼集一般並非嚴格正交, 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幹擾―稱為多址幹擾(MAI) 。多址幹擾的存在嚴重地影響了 係統的性能和大大降低了係統的容量, 因此多址幹擾的抑製和消除對於WCDMA 係統的發展具有重要的意義。經過近20年的發展, 多址幹擾抑製技術的研究已日臻成熟。從最初S.Verdu 提出的最優檢測器, 到後來以解相關檢測器以及多項式展開檢測器為代表的線性檢測器, 直至從實現的角度考慮而發展形成的多級型非線性的並行幹擾抵消檢測器( PIC) , 而PIC 也是迄今為止, 最有可能得以實現的多址幹擾抵消技術。考慮到係統的複雜度, PIC 的級數不應過多,實現時可以考慮采用2～3 級。

　　均衡技術

　　對於第三代移動通信係統來說, 最關鍵的要求就是高且可變的數據速率。WCDMA 和cdma2000係統增加數據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; 另外一種方法是擴頻因子保持不變, 通過分配數個並行的擴頻碼道即多碼(MC , MultiCode) 技術來提高數據速率。有時候也聯合這兩種技術, 即混合的方案。WCDMA 就采用了VSF 的方法來傳輸高速數據, 這時候就產生了小擴頻比情況。由於擴頻增益較小時, 擴頻碼和擾碼形成的複合碼的自相關和互相關特性的不理想, 在多徑傳播中產生的徑間幹擾將會變得比較嚴重, 從而造成了CDMA 係統中的符號間幹擾( ISI) 。消除這種低擴頻比增益下符號間的幹擾, 已成為能否實現高速數據傳輸的關鍵問題。由於傳統的消除信道失真引起的ISI 的方法是使用均衡器, 因此CDMA 係統中的ISI 消除也可以使用均衡技術, 隻不過在擴頻比比較大的時候沒有必要。

　　WCDMA 係統中可以采用兩種技術進一步克服多徑幹擾: 均衡技術和低複雜度的分塊傳輸技術。有的文獻采用chip 級均衡來克服符號間幹擾, 獲得了很好的性能。另外, 為了降低複雜度,還可以先做RAKE 接收, 然後在符號級做均衡器。但是, 隨著數據速率和帶寬的增加, 信道記憶長度也在增加, 即使是線性均衡, 複雜度仍然非常高。為了進一步降低複雜度, 采用的分塊傳輸的思想也可以用於3G的CDMA 係統中。分塊傳輸的思想是: 在每個數據塊前麵加上循環前綴(如果先對數據塊進行IFFT 變換, 則是OFDM 調製, 如果不進行IFFT 變換, 就是單載波頻域均衡係統) ,這樣, 接收端就可以在頻域實現單點的均衡, 從而降低了均衡的複雜度。

　　MIMO 以及空時碼技術

　　在CDMA 係統中, 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據傳輸速率, 研究學者提出了多天線和發送分集技術。它大致包括V-BLAST (貝爾實驗室垂直分層空時結構) 和基於發送分集的空時編碼技術。前者各個發送天線上的數據相互獨立, 因而帶寬效率高; 後者發送天線上的數據相互關聯, 因而有更好的性能。將這兩種技術應用於WCDMA , 可以大大提高數據傳輸速率, 改善係統性能。目前WCDMA 標準的HSDPA 技術中已經考慮采用了空時分組碼和基於多天線的V-BLAST 技術。而文獻分析了WCDMA 係統中采用空時格柵編碼的可能性。目前, 如何在終端實現多天線接收仍然存在實現上的困難。

　　智能天線技術

　　如前麵所述, 多址幹擾限製了WCDMA 係統容量(小區移動用戶數) 。在不增加帶寬的條件下擴大WCDMA 的係統容量就要抑製多址幹擾。智能天線通過定向發射信號, 抑製發射機對同小區和鄰小區的幹擾。通過空間合並, 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, 從而提高接收信幹比。采用自適應天線還能在幹擾方向上形成空間零點, 達到抑製強幹擾信號的目的。目前, 雖然采用陣列天線及空時處理技術可在空域有效地抑製多址幹擾, 但由於係統實現的複雜性, 現有的WCDMA 係統標準未包括陣列天線技術。隨著技術和器件的進一步發展, 智能天線技術在WCDMA 係統中應該有很大的應用前景。

　　自適應鏈路技術

　　移動通信的一個重要特征就是信道調條件、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係統時, 滿足如下更靈活更智能的功能:

　　(1) 適應流量的動態變化;

　　(2) 能夠根據不同的信息類型控製QoS ;

　　(3) 適應由於信道衰落引起的信道變化;

　　(4) 增加係統的容量。

　　自適應鏈路關鍵技術初步分為: 自適應資源管理和自適應傳輸技術。自適應資源管理包括動態信道分配、動態幀長分配以及動態差錯控製等等, 而自適應傳輸技術包括傳輸功率控製、自適應調製、自適應碼率、自適應符號速率以及自適應波束成形技術等等。

　　幸運的是, 目前 , 係統工程師已經應用了大多數調製技術, 如QPSK、M-QAM 和接入技術如CDMA 和TDMA 到無線通信係統中。而在 的R5 中HSDPA 技術已經使用了部分的自適應鏈路技術如自適應調製技術。目前自適應鏈路技術在WCDMA 中應用的困難在於如何有效地結合這些技術, 從而創建靈活的無線資源管理和無線傳輸技術來滿足上麵所述的四個要求。

　　H-ARQ 技術

　　H-ARQ (Hybrid-ARQ) 實際上是一種隱性的鏈路自適應技術。在未來的移動通信係統中, 要求物理層和網絡層支持多媒體業務, 希望對不同的業務提供不同等級的QoS 質量保護, 這就要求物理層和網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, 提高係統的吞吐量。目前HSDPA 中已經考慮采用H-ARQ 技術, 如何將其與其它自適應鏈路技術有機結合是應用在後三代中亟待解決的問題。

　　多個技術的結合

　　上述討論了幾種技術單獨地應用於WCDMA係統中的情況, 而多個技術的結合可以進一步提高係統的性能。這些結合並不是盲目的結合, 而是有機地結合起來。其中包括: 信道編碼與多用戶檢測結合、信道編碼與均衡結合、信道編碼與MIMO及空時碼結合、信道編碼與空時碼、自適應鏈路及H - ARQ 結合等等。這些技術的有機結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 結合已經被很多學者所研究, 特別是用Turbo 碼或者LDPC 碼, 采用“Turbo”原理與上述技術結合, 可以獲得很大的增益, 被認為是的關鍵技術。而編碼、自適應調製和H-ARQ的結合更是顯而易見的。但是, 目前這些技術的結合也存在實現上的困難。我們相信, 隨著器件的發展, 這些新技術將未來WCDMA 係統中發揮很大的作用。

　　結束語

　　作為WCDMA 係統向後3G演進的增強傳輸技術, 多用戶檢測技術、均衡技術、MIMO 和空時碼技術、智能天線技術、自適應鏈路技術、混合ARQ 技術等技術將能夠顯著提高通信係統的容量和通信質量, 具有很好的應用前景。雖然這些技術應用在目前的係統中正式商用化還有待時日, 但這些技術的使用無疑將加速WCDMA 向後3G的演進。