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3G三大标准演进及比较分析

2006/1/13/10:33 来源:通信世界 作者:刁兆坤

    全球移动通信,从第一代模拟技术,到第二代GSM和CDMA,再到今日被各国广为关注的3G(第三代移动通信),一直牵动着世界电信业的神经中枢。3G从概念的提出,到今天逐渐步入实用化,期间走过了漫长曲折的道路。在错综复杂的环境下,我国政府在3G的发展上采取了十分稳健的政策,保持了我国通信产业高速稳定的增长,并首次提出了具有自主产权的TD-SCDMA技术,具有重要的示范作用。从移动通信技术发展趋势和可实现业务功能分析,基于CDMA制式的3种标准被普遍看好,分别对应cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA三种技术,它们被认为是3G的三大主流应用技术标准。目前,中国的3G即将进入商用化阶段,对技术标准的取舍选择也成为移动运营商要仔细考虑的问题,因此有必要对这三种主流技术标准进行比较分析,以期为我国3G标准的选择提供有益的参考。三种主流的3G技术标准在技术上各有千秋,从目前的情况来看,不会出现哪种标准“一统江湖”的局面,而至于谁能在3G时代占据更大的市场份额,关键是看哪个技术标准更符合市场需求和竞争的需要了。

  一、三大标准及其发展分析

  鉴于宽带多媒体综合业务市场需求背景,ITU于1996年正式将1985年提出的FPLMTS更名为IMT-2000,其核心工作频段为2000MHz以及多媒体业务最高运行速率第一阶段为2000kbit/s。ITU-R第8研究组的TG 8/1任务组决心推进IMT-2000无线电传输技术(RTT)的评估、融合工作。至1998年9月,RTT提案包括对MSS(移动卫星业务)在内多达16个,它们基本来自IMT-2000的16个RTT评估组成员,包括欧洲ETSI的UTRA W-CDMA及DECT,美国TIA及TIPI的cdma2000、UWC-136、WIMS W-CDMA及W-CDMA/NA,日本 ARIB的W-CDMA,中国CATT的TD-SCDMA,韩国 TTA的Global CDMA(同步)、Global CDMA(异步)及 LEO卫星系统SAT-CDMA,ESA的宽带卫星系统SW-CDMA及混合宽带CDMA/TDMA卫星系统 SW-C-TDMA,ICO全球通信公司的ICO RTT以及 INMARSAT的卫星系统 Horizons与 Iridum LLC公司的卫星系统INX。其中前10种为IMT-2000地面系统RTT提案,后6种RTT反映了将MSS纳入IMT-200O的努力。纵观此10种地面RTT候选技术,除UWC-136及EP-DECT外,其余8种均为CDMA技术,因而宽带CDMA无疑是IMT-2000的主流技术,而且这8种CDMA技术中,如上所述有5种属W-CDMA范畴,仅两种属cdma2000,因此W-CDMA在这方面亦处于有利的地位。而中国 CATT的 TD-S-CDMA获得了欧洲原先有关TD/CDMA提案者的支持,将智能天线、软件无线电及多用户检测等先进技术有机组合在一起,构成一种较有效的CDMA-TDD方式。

  CDMA 1X系统的下一个发展阶段被称作1x EV-DO,与IS-95/cdma2000 1X 相比,1xEV-DO技术能够提供高达十几倍的高速分组数据业务,它能在1.25MHz(同cdma2000-1X带宽)内提供高达2.4Mbit/s的数据业务,是cdma2000-1X的增强性技术。1xEV-DO 的诸多技术与cdma2000 1X 相同,组网简单,并能利用现有投资进行平滑升级。目前,cdma20001x EV-DO已经具备商用化条件,并在美国、韩国实现商用。

  1.CDMA2000技术特点及发展

  cdma2000的发起者主要以美国和韩国为主的以IS-95 CDMA为标准的制造商和运营公司,它是从cdmaOne演进而来的第三代移动通信技术。cdma2000继承了IS-95窄带CDMA系统的技术特点,网络运营商同样可以在窄带CDMA网络中更换或增加部分网络设备过渡到3G。事实上,cdma2000标准是一个体系结构,称为cdma2000 family,它同样还包含一系列的子标准。其技术特点有:前反向同时采用导频辅助相干解调;通过不同的相位偏置区分不同的小区和用户;射频带宽从1.25MHz到20MHz可调;快速前向和反向功率控制;下行信道中采用公共连续导频方式进行相干检测,提高系统容量;码片速率分别为1.2288Mcps 和3.6864Mcps,多载波方式能很好地兼容IS-95网络;核心网络给予ANSI-41网络的演进,并保持与ANSI-41网络的兼容性;支持软切换和更软切换;在同步方式上cdma2000与IS-95相同,基站间同步采用GPS方式等。

  从2000年开始,3GPP2就在cdma2000 1X基础上制定了1X的增强技术,即1X EV的标准,目前1X EV分为两个阶段。在CDMA2000 1X EV两个发展阶段中,第一阶段是cdma2000 1X EV-DO,支持平均速率650kbit/s、最高可达2.4Mbit/s速率的高速数据业务;第二阶段为cdma20001X EV-DV,它属于数据、话音改进型,具有数据信道与话音信道合一的特点,可同时传输数据和话音两种业务,最大数率可达到5Mbit/s。

  2.WCDMA技术特点及发展

  WCDMA的发起者主要是欧洲和日本标准化组织和厂商,WCDMA继承了第二代移动通信体制GSM标准化程度高和开放性好的特点,标准化进展顺利。WCDMA支持高速数据传输(慢速移动时384kbit/s,室内走动时2Mbit/s),支持可变速传输。其主要特点如下:基站支持异步和同步的基站运行方式,组网方便、灵活;调制方式方面上行为BPSK,下行为QPSK;导频辅助的相干解调方式;适应多种速率的传输,同时对多速率、多媒体的业务可通过改变扩频比和多码并行传送的方式来实现;上、下行快速、高效的功率控制大大减少了系统的多址干扰,提高了系统容量,同时也降低了传输的功率;核心网络基于GSM/GPRS网络的演进,并保持与GSM/GPRS网络的兼容性;支持软切换和更软切换,切换方式包括三种,即扇区间软切换、小区间软切换和载频间硬切换等。

  3GPP的R99、R4、R5、R6等各版本中,R6尚未冻结;R5虽已于2002年3月冻结,但目前正处于各厂家落实设备开发进程而大量提交CR的阶段,协议还很不稳定,近两三年内尚不具备大规模网络建设条件;R4于2001年3月冻结,协议已基本稳定;3GPP R99于1999年12月冻结,成熟稳定,目前已有多个网络运营实例。上述不同版本的改进主要体现在核心网,无线网则改动不大。

  3.TD-SCDMA技术特点及发展

  TD-SCDMA目前主要是中国大唐集团和鼎桥公司在开发,TD-SCDMA技术进展迅速:顺利通过信息产业部 MTnet一、二阶段测试的同时,成功的户外演示显示出TD-SCDMA 走向最终商用的不可逆转之势;3G 频谱规划的出台,TDD获得了总共155M的频谱资源, 结合TD-SCDMA技术在频谱利用率方面的优势,必将为TD-SCDMA在未来的发展上提供广阔的空间;TD-SCDMA试验网的成功试运行,也进一步加速了TD-SCDMA的产业化及商用进程。TD-SCDMA其主要技术特点为: 信号带宽为1.6MHz;码片速率为1.28Mchip/s;采用智能天线技术,提高了频谱效率;采用同步CDMA技术,降低上行用户间的干扰和保持时隙宽度;接收机和发射机采用软件无线电技术;采用联合检测技术,降低多址干扰;多时隙,具有上下行不对称信道分配能力,适应数据业务;采用接力切换,降低掉话率,提高切换的效率;核心网络基于GSM/GPRS网络的演进,并保持与它们的兼容性;基站间采用GPS或者网络同步方式,降低基站间干扰。

  二、三大标准的技术层面比较及优劣势分析

  cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA同属3G的主流技术标准,但在技术上cdma2000和WCDMA是FDD的标准,而TD-SCDMA则是一个TDD标准。WCDMA和cdma2000都满足IMT-2000提出的全部技术要求,包括支持高比特率多媒体业务、分组数据和IP接入等。这两种系统的无线传输技术均基于DS-CDMA作为多用户接入技术,单就技术来说,WCDMA和cdma2000在技术先进性和发展成熟度上各具优势,但总体来看,WCDMA似乎更胜一筹,WCDMA具备一定优势,各家电信企业也因此更加倾向于采用该标准。另外,在传统网络基础和市场推广上,WCDMA占据着更大的优势。由于全球移动系统有85%都在用GSM系统,而GSM向3G过渡的最佳途径就是历经GPRS演进到WCDMA,所以传统网络上的绝对优势使得cdma2000难以对WCDMA形成真正的挑战。TD-SCDMA技术的优点是能够为网络运营商提供从第二代网络向通过现有的传输链接提供第三代业务的网络的渐进、无缝的转换,频谱的利用率可能会比普通GSM高出3到5倍,这些技术优势将会给运营商和终端OEM带来较以往更连贯的经营模式,并能够缩短类似3G业务的面市时间,促进应用和内容的开发,后者是实现ARPU增长的关键因素。作为ITU-T接受的低码片率TDD世界级标准,能够在一个移动连接过程中大幅度地调节分配给上行链路和下行链路通信的时间比例,是TD-SCDMA的一个独一无二的性能。这种特性最大限度地提高了频谱的利用率,对于在亚太区呈现增长态势的移动互联网应用,频谱是一个紧缺的宝贵资源。

  1.CDMA2000 主要优劣势分析

  CDMA2000的优点主要是产品成熟度较高,近期建网成本可能稍低;其次非核心频段的产品已大规模商用,有成熟的组网经验,网规网优也比较容易;还有CDMA20001X商用终端种类较多,已经超过300种。当然CDMA2000也有缺点,这主要包括:第一,将来的规模效应较小;第二,全球漫游能力有一定的局限性,尤其在欧洲;第三,核心频段上的产品尚未成熟;第四,必须采用GPS同步,所以存在一定的风险。

  2.WCDMA主要优劣势分析

  WCDMA的优势首先是规模效应大,全球漫游能力强,因为GSM网络用户占移动用户的70%以上,116家获得3G牌照的运营商中的绝大多数(114家)选择了WCDMA;第二,WCDMA已有核心网基于R4软交换构架的商用产品,向全IP网络演进的路线明确;第三,WCDMA可以采用异步和同步方式,风险小。WCDMA劣势主要表现在:第一,标准和产品成熟度较低,版本更新频繁;第二,目前商用终端种类10种左右,相对较少,并且互操作性有待验证;第三,目前商用用户较少,市场有待进一步培育。

  3.TD-SCDMA主要优劣势分析

  与WCDMA和CDMA2000共享的频分双工FDD模式不同的是,TD-SCDMA所用的时分双工TDD技术是国际电联选用的3种3G标准中惟一的TDD技术,TD-SCDMA组网可以采用TSM和LCR两种方式。这使TD-SCDMA在某种程度上具有不可替代的优越性,它不是其他制式的补充。  TD-SCDMA无线接入网可部署在现有的GSM核心网基础上,这种方式已由CWTS制订为TSM标准。TSM可以采用混合组网和独立组网两种方式。TSM混合组网时,其核心网设备使用现有的GSM核心网设备,无线子系统以A/Gb接口接入核心网设备,TSM独立组网时,则需要新建TSM核心网设备,一般是GSM核心网设备。

  当然,与前两种标准相比,尤其是与WCDMA比起来,TD-SCDMA也有“尚显稚嫩”的地方。比如,在对CDMA技术的利用方面,TD-SCDMA因要与GSM的小区兼容,小区复用系数为3,降低了频谱利用率。又因为TD-SCDMA频带宽度窄,不能充分利用多径,降低了系统效率,实现软切换和软容量能力较困难。另外,TD-SCDMA系统要精确定时,小区间保持同步,对定时系统要求高。

  三、三大标准的演进能力分析

  CDMA2000在新技术的探索方面是所有3G技术中最活跃的。在无线接口方面,为进一步加强CDMA 1X的竞争力,3GPP2从2000年开始在CDMA1X基础上制定1X的增强技术,即1X EV标准。目前专家把1X EV的发展分为了两个阶段,第一阶段将以发展1X EV-DO为主,第二阶段则以1X EV-DV为发展目标。相对WCDMA来说,CDMA2000已经是非常成熟,大概在明年,有更多的运营商会推出CDMA2000的业务,CDMA的商业化进程将快于WCDMA。就CDMA2000而言,它比WCDMA早几年将应用推向市场。之所以能做到这一点,关键是CDMA2000在设备的射频部分、频率和带宽都没有变化。关键的变化是数字芯片,如果人们可以以新的数字芯片加载一些软件,你就可以从IS95A或B演进到CDMA2000,并可向后兼容。

  从现有GSM网络演进到WCDMA网络时,不论采用哪种演进策略,都充分考虑了如何改造和利用2代已有的长途骨干网、信令网、智能网、关口局及HLR/AUC、SC等设备。这样既最大限度地保护了运营商在GSM/GPRS等方面的已有投资,又可以使运营商根据自己地区的业务开展情况和经营状况,逐步、渐进地提供丰富的3G系统业务,从而达到优化自己的网络资源配置、简化网络结构和便于运营、管理的目的。这充分体现了WCDMA系统对GSM/GPRS现网设施的继承性和保护。但与cdma2000 1X相比,由GSM向WCDMA的兼容相对来讲则是有限的。由于GSM与WCDMA分别采用TDMA和CDMA两种调制解调方式,因此由GSM向WCDMA的过渡中,除核心网可以保持兼容外,基站子系统几乎无法实现兼容,TDMA和CDMA两种调制解调方式存在本质差异,当GSM升级到第三代后,必须对现有基站进行改造。这种不兼容使得现有的GSM手机无法在未来的WCDMA网络中使用,而未来的WCDMA手机也无法在现有的GSM网中使用,两者之间必须由一种适合两种需求的双模或多频手机才能实现互通,而无法实现真正意义上的平滑过渡。

  由于TD-SCDMA的商用要在国内市场率先实现,运营商在TD-SCDMA大规模独立组网等方面经验的缺乏肯定影响其业务提供的进度,这将对新移动运营商构成较严重的打击。另外,技术的可持续发展能力往往成为运营商(尤其是新运营商)进行制式选择的重要考虑因素。WCDMA有HSDPA,cdma2000有EV-DO,而在“2005 TD-SCDMA国际峰会”上,TD-SCDMA增强型技术也被首次提出。增强型技术对于3G的意义并不仅仅限于数据速率的提升,在更高的频谱利用率的基础上,还可以降低每用户的运营成本,并增强网络覆盖和网络容量,同时保证系统的后向兼容性。目前,国内企业对TD-SCDMA增强型技术的研发已经进入到了实质性阶段。据TD-SCDMA产业联盟秘书长杨骅介绍,在TD-SCDMA增强型技术的研发上,产业联盟已经给出了技术演进路标,并在商用时间节点上有着相对统一的规划。在此基础上,技术演进路线由各个厂家自行制订。有业内分析人士表示,TD-SCDMA向增强型技术的演进,将使TD-SCDMA具备更长远的竞争力。但是,从现实情况来看,TD-SCDMA方面在增强型技术的演进开发速度上还需要进一步加强。

  不管是WCDMA、CDMA2000还是TD-SCDMA都各有千秋。技术最先进和发展最成熟是一对矛盾,技术最先进的往往不是发展最成熟的,发展最成熟的也往往不是最先进的,除了技术先进性、设备成熟度以外,笔者认为运营商将来可能采用的制式还和将来的市场规模效益有关。上述内容,纯属作者本人观点,欢迎磋商探讨。

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