寬頻碼分多址

WCDMA主要起源於歐洲和日本的早期第三代無線研究活動，GSM的巨大成功對第三代系統在歐洲的標準化產生重大影響。歐洲於1988年開展RACEⅠ（歐洲先進通信技術的研究）程序，並一直延續到1992年6月，它代表了第三代無線研究活動的開始。1992-1995年之間歐洲開始了RACEⅡ程序。ACTS（先進通信技術和業務）建立於1995年底，為UMTS（通用移動通信系統）建議了FRAMES（未來無線寬頻多址接入系統）方案。在這些早期研究中，對各種不同的接入技術包括TDMA、CDMA、OFDM等進行了實驗和評估。為WCDMA奠定了技術基礎。

日本於1993年在ARIB中建立了研究委員會來進行日本3G的研究和開發，並通過評估將CDMA技術作為3G的主要選擇。日本運營商NTTDoCoMo在1996年推出了一套WCDMA的實驗系統方案，並得到了當時世界上主要的移動設備製造商的支持。由此產生了WCDMA的發展動力。

1998年12月成立的3GPP（第三代夥伴項目）極大地推動了WCDMA技術的發展，加快了WCDMA的標準化進程，並最終使WCDMA技術成為ITU批准的國際通信標準。第三代的主要技術體制，其中WCDMA-FDD/TDD（現稱高碼片速率TDD）和TD-SCDMA（融和后現稱低碼片速率TDD）都是由3GPP開發和維護的規範，這些技術都是以CDMA技術為核心的。值得指出的是，TD-SCDMA技術規範是我國第一份自己提出，被ITU全套採納的無線通信標準，最近已經通過了3GPP的規範化進程，推出了完整的技術規範協議。目前看來，將要採用的第三代標準中選取WCDMA-FDD模式的國家是最多的，比如歐洲、日本、韓國都決定WCDMA-FDD模式為自己的主流制式。去年底，美國的AT&T移動業務分公司也宣布選取WCDMA-FDD為自己的第三代業務平台。

WCDMA的三套技術實際上採用的是同一套核心網路規範，不同的無線接入技術。其核心網路的主要特點就是重視從GSM網路向WCDMA網路的演進，這是由於GSM的巨大商業成功造成的，這種演進是以GPRS技術作為中間承接的。

除了制定TD-SCDMA標準以外，中國也積極參與了ITU和3GPP的WCDMA另外兩種技術的跟蹤、評估和研發工作，這些工作在90年代中期就已經開始了。1998年成立的中國無線通信標準研究組（CWTS）是3GPP的正式組織成員，華為公司、大唐集團等國內企業還加入3GPP，成為獨立成員。目前這些企業都在加緊研發自己的WCDMA-FDD系統，力爭和國外主要通信設備製造商同期加入我國移動通信的實驗網建設工程中。

在3GPP成員和專家的努力下，WCDMA已經推出了成熟的可供商用的版本Release99和包括TD-SCDMA全套規範的Release4版本。但是，由於無線通信技術和IP技術的迅速發展，WCDMA標準也在不斷發展中，新的兼容的無線技術和核心網路技術也在不斷被提出和採納，從現在的情況看，WCDMA還是一個“活”的標準，在後面會介紹WCDMA還有許多需要研究的課題，需要學術界和產業界的共同開發。

1.移動通信市場和WCDMA

首先，全球移動通信發展的速度非常迅速，1999年已經超過4億用戶，其中一半以上是GSM用戶，其他主要是PDC和IS-95的用戶。按照最新的估計，全球達到10億用戶的里程碑將會在2002年上半年。全球上網手機的數量超過上網PC的數量的時間將提前到2002年。在2000年能上網的手機市場已達到6000萬。其中，支持WAP（無線應用協議）的手機佔到約4000萬。中國的移動通信用戶也已經突破九千萬。諾基亞預測到今年上網手機數量將增加到2億左右，其中WAP手機有1.8億。

移動運營目前主要面臨的就是Internet業務和其他增值業務，如銀行業務、定位業務等的引入。這方面日本的NTTDoCoMo率先引入了I-Mode移動Internet業務，取得了巨大的商用成功，目前有一萬多個商業網站在經營I-Mode業務。新業務的引入對無線通信網路提出了新的要求。GPRS一類在建立在原有制式上的數據傳輸方案已經遠遠不能滿足需求，需要一類適合於寬頻數據業務和IP業務的新的寬頻移動通信系統。

其次，原有業務由於使用的頻譜比較少（不到100MHz），加上第二代技術的頻譜效率本身比較低，甚至無法滿足現有的以語音為主的業務需求。實際上目前在一些國家和城市的中心地帶容量嚴重不足，日本等國家和一些中心城市的問題尤為突出。

ITU早在WRC92會議上就為IMT-2000規劃了120MHz（1920MHz-1980MHz，2110MHz-2170MHz）的對稱頻譜資源供FDD使用，35MHz（1900MHz-1920MHz，2010MHz-2025MHz）的非對稱頻譜資源供TDD使用。WRC2000的會議上又增加了800MHz頻段（806-960MHz），1.7GHz頻段（1710-1885MHz），2.5GHz頻段（2500-2690MHz）供IMT-2000業務使用，兩者相加使得3G未來的頻譜有500MHz以上，為未來的應用預留了巨大的資源空間。

再者，全球一體化的進程迫切需要一個全球統一的移動通信系統，第二代移動通信系統現有的多制式的空中介面和網路設備，不可能實現這個要求，因此新的有望實現全球統一的移動通信系統WCDMA-FDD被寄予厚望。

最後，移動通信技術日新月異，第二代通信系統的標準化和產業化工作已經完成了很久，其主要目的當時也僅僅是為了解決語音通信的需求。近年來，隨著CDMA等無線通信技術的日益成熟，以及無線數據通信技術的發展，需要對原來無線通信技術體制進行相應的更新，提高頻譜資源的利用效率，提高運營商的成本收益。

3G的標準化需求是市場和技術雙重驅動的行為，目前3G的標準制定和系統開發工作已經基本完成。3G的商用進程也在進行中，最早是韓國cdma2000-1x去年底開始商用，日本預計今年7月份左右開始商用WCDMA-FDD，中國和歐洲計劃商用WCDMA的時間計劃在2002年左右。

2.WCDMA未來業務展望

3G的市場開發需要業務的牽引，不同於二代系統主要是為了解決人們隨時隨地話音通信的需求，3G能夠具有支持不同媒體業務的能力，如何開發這些能力是3G業務開發的一個重要課題。

為了提供市場前期牽引的能力，WCDMA規範注重了業務能力的開發。WCDMA預期提供的業務是非常豐富的。可以通過WCDMA終端，享受普通、寬頻話音，多媒體業務，可視電話和視頻會議電話；移動網路上的Internet應用也更為普遍，E-MAIL、WWW瀏覽、電子商務、電子賀卡等業務與移動網路相結合。移動辦公類業務也是一個發展方向：Intranet接入、企業VPN等將大力普及。信息、教育類業務將有很好的應用前景，股票信息、交通信息、氣象信息、位置服務（LCS）、網上教室、網上遊戲等移動應用更將極大的豐富人們的生活。

IMT-2000提出了SoLSA、VHE等新的特色業務，使得業務提供更加靈活和個性化。R'99中可通過MEXE，SAT，CAMEL等現有技術來體現VHE的業務平台概念。WCDMA支持多呼叫，即能夠向終端提供同時進行多個CS呼叫或PS會話的能力。WCDMA提供豐富的切換能力（同頻、異頻和不同系統間切換）以保證移動網路中的業務連續性問題。

業務IP化、分組化、多媒體化、個性化、生成簡單化是總的發展趨勢。在未來的業務生成體系中，移動網路運營者、業務提供者（ISP）和內容提供者（ICP）將進行緊密的分工合作。特別重要的是，未來的網路將提供開放的業務結構（OSA），移動運營者可以自己或者和其他機構合作在網路提供的開放業務平台上開發出各種各樣的靈活業務，從而滿足移動用戶的更高要求。

1.WCDMA-FDD制式的主要技術特點：

n 基站同步方式：支持非同步和同步的基站運行方式，靈活組網

n 信號帶寬：5MHz；碼片速率：3.84Mcps

n 發射分集方式：TSTD（時間切換髮射分集）、STTD（時空編碼發射分集）、FBTD（反饋發射分集）

n 通道編碼：卷積碼和Turbo碼，支持2M速率的數據業務

n 調製方式：上行：BPSK；下行：QPSK

n 功率控制：上下行閉環功率控制，外環功率控制

n 解調方式：導頻輔助的相干解調

n 語音編碼：AMR，與GSM兼容

n 核心網路基於GSM/GPRS網路的演進，並保持與GSM/GPRS網路的兼容性

n MAP技術和GPRS隧道技術是WCDMA體制的移動性管理機制的核心，保持與GPRS網路的兼容性

n 支持軟切換和更軟切換

n 基站無需嚴格同步，組網方便

WCDMA-FDD的優勢在於，碼片速率高，有效地利用了頻率選擇性分集和空間的接收和發射分集，可以解決多徑問題和衰落問題，採用Turbo通道編解碼，提供較高的數據傳輸速率，FDD制式能夠提供廣域的全覆蓋，下行基站區分採用獨有的小區搜索方法，無需基站間嚴格同步。採用連續導頻技術，能夠支持高速移動終端。相比第二代的移動通信制式，WCDMA具有：更大的系統容量、更優的話音質量、更高的頻譜效率、更快的數據速率、更強的抗衰落能力、更好的抗多徑性、能夠應用於高達500km/h的移動終端的技術優勢，而且能夠從GSM系統進行平滑過渡，保證運營商的投資，為3G運營提供了良好的技術基礎。

2.WCDMA技術的進一步發展

為了適應商用化和技術發展的需要，保證網路運營商的投資，3GPP將WCDMA標準分成了兩個大的階段，它們是：

Release99(R99)版本：1999年12月起，每三個月更新一次，2000年6月版本基本穩定，可供開發。9月份、12月份和2001年3月份版本更加完善；無線接入網路的主要介面Iu、Iub、Iur介面均採用ATM和IP方式，網路是基於ATM的網路；核心網基於演進的GSMMSC和GPRSGSN；電路與分組交換節點邏輯上分開。

Release2000(R00)版本（已改為Release4、5….）：主要是引入“全IP網路”，目前初步提出了基於IP的核心網結構，沒有開始實質標準化工作，真正的“全IP”標準預計在2002完成，在網路結構上將實現傳輸、控制和業務分離，同時IP化也將從核心網(CN)逐步延伸到無線接入網(RAN)和終端(UE)。

R99版本主要標準已經完成，於2000出版，能夠提供實現網路和終端的全部基礎，包括通用移動通信網路的全部功能基礎，提供了商用版本的必要保證，未來的Release4和Release5將在這些功能基礎上增加新的功能，保證了標準的延續性。圖1所示的實際上就是R99全網的框架，可以看出初期的WCDMA網路可以和GSM網路並存的，由GSM實現廣域的全覆蓋，而WCDMA實現部分業務密集和高質量業務區的覆蓋。這樣主要是保證了第二代運營商的投資和平滑過渡。

現有的Release99版本WCDMA系統性能和提供的業務主要是：

Release99版本的WCDMA提供了全新的無線接入網路-UTRAN，提高了頻譜利用率，高了數據傳送能力，數據速率在廣域為384kbit/s，小範圍慢速移動時為2Mbit/s，支持AMR語音編解碼技術，可提高話音質量和系統容量，Iub,Iur和Iu介面基於ATM技術，提供開放的Iub介面；

Release99版本的WCDMA核心網路分為CS域和ps域，其分別基於演進的MSC/GMSC和SGSN/GGSN，CS域主要負責與電路型業務相關的呼叫控制和移動性管理等功能，在呼叫控制：採用TUP，ISUP等標準ISDN信令，移動性管理上採用了進一步演進的MAP協議，物理實體與GSM類似包括了MSC，GMSC，VLR。PS域主要負責與分組型業務相關的會話控制和移動性管理等功能，在原有的GPRS系統基礎上對一些介面協議，工作流和和業務功能作部分改動，語音編解碼器在核心網實現，支持系統間切換（GSM/UMTS），增強了安全性能和收費系統；

能夠提供的主要業務平台包括：基本定位業務，號碼可攜性業務，智能業務的增強，GSM和UMTS間的切換，可支持所有GSM及其補充業務，例如：無應答的呼叫前轉，提供新USIM卡協議，可提高用戶的參與性和操作，支持業務的應用編程介面API(開放業務結構)，支持多播業務,64kbit/s電路數據承載業務和多媒體業務；

WCDMA產業化的關鍵技術包括射頻和基帶處理技術，具體包括射頻、中頻數字化處理，RAKE接收機、通道編解碼、功率控制等關鍵技術和多用戶檢測、智能天線等增強技術。

1.射頻和中頻

射頻部分是傳統的模擬結構，實現射頻和中頻信號轉換。射頻上行通道部分主要包括自動增益控制（射頻部分是傳統的模擬結構，實現射頻和中頻信號轉換。射頻上行通道部分主要包括自動增益控制（RFAGC），接收濾波器（Rx濾波器）和下變頻器。射頻的下行通道部分主要包括二次上變頻，寬頻線性功放和射頻發射濾波器。中頻部分主要包括上行的去混迭濾波器、下變頻器、ADC和下行的中頻平滑濾波器，上變頻器和DAC。與GSM信號和第一代信號不同，WCDMA的信號帶寬為達到5MHz的寬頻信號。寬頻信號的射頻功放的線性和效率是普遍存在的矛盾。

2.RAKE接收機的總體結構

帶DLL的相關器是一個遲早門的鎖相環。它由兩個相關器（早和晚）組成，和解調相關器分別相差±1/2（或1/4）個碼片。遲早門的相關結果相減可以用於調整碼相位。延遲環路的性能取決於環路帶寬。

延遲估計的作用是通過匹配濾波器獲取不同時間延遲位置上的信號能量分佈，識別具有較大能量的多徑位置，並將它們的時間量分配到RAKE接收機的不同接收徑上。匹配濾波器的測量精度可以達到1/4-1/2碼片，而RAKE接收機的不同接收徑的間隔是一個碼片。實際實現中，如果延遲估計的更新速度很快（比如幾十ms一次），就可以無須遲早門的鎖相環。

由於通道中快速衰落和雜訊的影響，實際接收的各徑的相位與原來發射信號的相位有很大的變化，因此在合併以前要按照通道估計的結果進行相位的旋轉，實際的CDMA系統中的通道估計是根據發射信號中攜帶的導頻符號完成的。根據發射信號中是否攜帶有連續導頻，可以分別採用基於連續導頻的相位預測和基於判決反饋技術的相位預測方法。

在系統中對每個用戶都要進行多徑的搜索和解調，而且WCDMA的碼片速率很高，其基帶硬體的處理量很大，在實際實現中有一定困難。

3.通道編解碼技術

通道編解碼主要是降低信號傳播功率和解決信號在無線傳播環境中不可避免的衰落問題。編解碼技術結合交織技術的使用可以提高誤碼率性能，與無編碼情況相比，傳統的卷積碼可以將誤碼率提高兩個數量級達到10-3~10-4，而Turbo碼可以將誤碼率進一步提高到10-6。WCDMA候選的通道編解碼技術中原來包括Reed-Solomon和Turbo碼，Turbo碼因為編解碼性能能夠逼近Shannon極限而最後被採用作為3G的數據編解碼技術。卷積碼主要是用於低數據速率的語音和信令。Turbo編碼由兩個或以上的基本編碼器通過一個或以上交織器并行級聯構成：

Turbo碼的原理是基於對傳統級聯碼的演演算法和結構上的修正，內交織器的引入使得迭代解碼的正反饋得到了很好的消除。Turbo的迭代解碼演演算法包括SOVA（軟輸出Viterbi演演算法）、MAP（最大后驗概率演演算法）等。由於MAP演演算法的每一次迭代性能的提高都優於Viterbi演演算法，因此MAP演演算法的迭代解碼器可以獲得更大的編碼增益。實際實現的MAP演演算法是Log-MAP演演算法，它將MAP演演算法置於對數域中進行計算，減少了計算量。

Turbo解碼演演算法實現的難點在於高速數據時的解碼速率和相應的迭代次數，現有的DSP都內置了解碼器所需的基本演演算法，使得Turbo解碼可以依賴DSP晶元直接實現而無需採用ASIC。

4.關鍵技術、增強技術和實現難點：

WCDMA-FDD實現技術和產業化的關鍵點主要是上述技術的實現和網路技術的實現，包括：

-物理層發射和接收機關鍵技術

–射頻技術－線性功放、多載波TRx，AGC，其主要實現難點在於功放的線性和功放效率的矛盾。

–中頻技術－中頻採樣、變頻，其實現難點在於數字變頻技術和中頻的自動增益控制演演算法。

–基帶技術：包括RAKE接收技術、功率控制技術和通道編解碼實現技術，包括Turbo編解碼和卷積碼，其實現的主要難點在於大用戶容量，通道多，基帶處理量大。

無線接入網路資源管理技術，主要的實現難點在於無線資源的參數配置需要在模擬和運營中不斷優化調整，包括：

–功率控制技術

–移動性管理

–無線資源優化參數配置

–無線接入網路運營

-核心網路IP化技術，其實現主要是全IP的QoS控制演演算法。

WCDMA的接收機增強技術包括：智能天線技術和多用戶檢測技術。

多用戶檢測技術（MUD）是通過去除小區內干擾來改進系統性能，增加系統容量。多用戶檢測技術還能有效緩解直擴CDMA系統中的遠/近效應。其實現難點主要是基帶處理的複雜度很高。

智能天線技術是利用自適應的波束賦形技術，提高用戶波達方向的方向圖增益，同時利用方向圖的零點降低空間上大功率用戶的干擾。其主要實現難點在於多通道的不一致性和校正技術、RAKE接收機結合基帶處理的高度複雜性以及FDD技術引起的上下行波達方向的不一致性。

技術特點

1.基站同步方式：支持非同步和同步的基站運行方式，靈活組網

2. 信號帶寬：5MHz；碼片速率：3.84Mcps

3. 發射分集方式：TSTD（時間切換髮射分集）、STTD（時空編碼發射分集）、FBTD（反饋發射分集）

4. 通道編碼：卷積碼和Turbo碼，支持2M速率的數據業務

5. 調製方式：上行：BPSK；下行：QPSK

6. 功率控制：上下行閉環功率控制，外環功率控制

7. 解調方式：導頻輔助的相干解調

8. 語音編碼：AMR，與GSM兼容

9. 核心網路基於GSM/GPRS網路的演進，並保持與GSM/GPRS網路的兼容性

10. MAP技術和GPRS隧道技術是WCDMA體制的移動性管理機制的核心，保持與GPRS網路的兼容性

11. 支持軟切換和更軟切換

12. 基站無需嚴格同步，組網方便

優勢

WCDMA-FDD的優勢在於，碼片速率高，有效地利用了頻率選擇性分集和空間的接收和發射分集，可以解決多徑問題和衰落問題，採用Turbo通道編解碼，提供較高的數據傳輸速率，FDD制式能夠提供廣域的全覆蓋，下行基站區分採用獨有的小區搜索方法，無需基站間嚴格同步。採用連續導頻技術，能夠支持高速移動終端。相比第二代的移動通信制式，WCDMA具有：更大的系統容量、更優的話音質量、更高的頻譜效率、更快的數據速率、更強的抗衰落能力、更好的抗多徑性、能夠應用於高達500km/h的移動終端的技術優勢，而且能夠從GSM系統進行平滑過渡，保證運營商的投資，為3G運營提供了良好的技術基礎。

WCDMA產業化的關鍵技術包括射頻和基帶處理技術，具體包括射頻、中頻數字化處理，RAKE接收機、通道編解碼、功率控制等關鍵技術和多用戶檢測、智能天線等增強技術。

射頻和中頻

射頻部分是傳統的模擬結構，實現射頻和中頻信號轉換。射頻上行通道部分主要包括自動增益控制（射頻部分是傳統的模擬結構，實現射頻和中頻信號轉換。射頻上行通道部分主要包括自動增益控制（RFAGC），接收濾波器（Rx濾波器）和下變頻器。射頻的下行通道部分主要包括二次上變頻，寬頻線性功放和射頻發射濾波器。中頻部分主要包括上行的去混迭濾波器、下變頻器、ADC和下行的中頻平滑濾波器，上變頻器和DAC。與GSM信號和第一代信號不同，WCDMA的信號帶寬為達到5MHz的寬頻信號。寬頻信號的射頻功放的線性和效率是普遍存在的矛盾。

RAKE接收機

RAKE接收機專為CDMA系統設計的經典的分集接收器，其理論基礎就是：當傳播時延超過一個碼片周期時，多徑信號實際上可被看作是互不相關的。

帶DLL的相關器是一個遲早門的鎖相環。它由兩個相關器（早和晚）組成，和解調相關器分別相差±1/2（或1/4）個碼片。遲早門的相關結果相減可以用於調整碼相位。延遲環路的性能取決於環路帶寬。

延遲估計的作用是通過匹配濾波器獲取不同時間延遲位置上的信號能量分佈，識別具有較大能量的多徑位置，並將它們的時間量分配到RAKE接收機的不同接收徑上。匹配濾波器的測量精度可以達到1/4-1/2碼片，而RAKE接收機的不同接收徑的間隔是一個碼片。實際實現中，如果延遲估計的更新速度很快（比如幾十ms一次），就可以無須遲早門的鎖相環。

由於通道中快速衰落和雜訊的影響，實際接收的各徑的相位與原來發射信號的相位有很大的變化，因此在合併以前要按照通道估計的結果進行相位的旋轉，實際的CDMA系統中的通道估計是根據發射信號中攜帶的導頻符號完成的。根據發射信號中是否攜帶有連續導頻，可以分別採用基於連續導頻的相位預測和基於判決反饋技術的相位預測方法。

在系統中對每個用戶都要進行多徑的搜索和解調，而且WCDMA的碼片速率很高，其基帶硬體的處理量很大，在實際實現中有一定困難。

通道編解碼

通道編解碼主要是降低信號傳播功率和解決信號在無線傳播環境中不可避免的衰落問題。編解碼技術結合交織技術的使用可以提高誤碼率性能，與無編碼情況相比，傳統的卷積碼可以將誤碼率提高兩個數量級達到10-3~10-4，而Turbo碼可以將誤碼率進一步提高到10-6。WCDMA候選的通道編解碼技術中原來包括Reed-Solomon和Turbo碼，Turbo碼因為編解碼性能能夠逼近Shannon極限而最後被採用作為3G的數據編解碼技術。卷積碼主要是用於低數據速率的語音和信令。Turbo編碼由兩個或以上的基本編碼器通過一個或以上交織器并行級聯構成，如圖3：

Turbo碼的原理是基於對傳統級聯碼的演演算法和結構上的修正，內交織器的引入使得迭代解碼的正反饋得到了很好的消除。Turbo的迭代解碼演演算法包括SOVA（軟輸出Viterbi演演算法）、MAP（最大后驗概率演演算法）等。由於MAP演演算法的每一次迭代性能的提高都優於Viterbi演演算法，因此MAP演演算法的迭代解碼器可以獲得更大的編碼增益。實際實現的MAP演演算法是Log-MAP演演算法，它將MAP演演算法置於對數域中進行計算，減少了計算量。

Turbo解碼演演算法實現的難點在於高速數據時的解碼速率和相應的迭代次數，現有的DSP都內置了解碼器所需的基本演演算法，使得Turbo解碼可以依賴DSP晶元直接實現而無需採用ASIC。

實現難點

智能天線技術是利用自適應的波束賦形技術，提高用戶波達方向的方向圖增益，同時利用方向圖的零點降低空間上大功率用戶的干擾。其主要實現難點在於多通道的不一致性和校正技術、RAKE接收機結合基帶處理的高度複雜性以及FDD技術引起的上下行波達方向的不一致性。