1.1.2 3G的发展历程

面向第三代（3G）移动通信系统的研究工作起步于1990年初，1996年ITU命名第三代移动通信系统为国际移动通信系统-2000（IMT-2000），这个命名有3层含义：系统工作在2000MHz频段；最高业务速率可达2000kbit/s；预计在2000年左右实现商用。

IMT-2000最主要的工作是确定第三代移动通信系统的空中接口，1999年，最终确定在第三代移动通信系统中使用5种技术方案。其中，WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大流派采用CDMA技术，这是3G的主流技术。WCDMA和TD-SCDMA由3GPP组织制定，CDMA2000由3GPP2组织制定。SC-TDMA和MC-TDMA采用了TDMA技术。因为SC-TDMA和MC-TDMA与中国没有关系，所以本书集中讨论CDMA技术。

IMT-2000定义的第三代移动系统的需求主要包括以下8项内容。

·最高可达2Mbit/s的比特速率。

·根据不同的带宽需求支持可变的比特速率。

·支持不同服务质量要求的业务，例如，语音、视频和分组数据复用到一条单一的连接中。

·时延要求涵盖了从时延敏感型的实时业务到比较灵活的尽力而为型的分组数据。

·质量要求涵盖从10%的误帧率到10-6的误比特率。

·与2G系统的共存，支持为增加覆盖范围和负载均衡而要在两种系统之间进行切换的其他功能。

·支持上、下行链路业务不对称的服务。

·支持FDD、TDD两种模式的共存。

日本和欧洲分别于1997年和1998年选择了WCDMA空中接口技术。全球WCDMA技术规范活动归并为3GPP的目的是，要在1999年底制定首套技术规范，史称Release 99。WCDMA的无线接入方式称为UMTS陆地无线接入网（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN），UTRAN是通用移动通信系统（Universal Mobile Telecommunications System，UMTS）中最重要的无线接入方式，使用范围最广。

UTRAN的网络结构如图1-4所示。UTRAN包含一个或多个无线网络子系统（Radio Network Subsystem，RNS）。RNS是UTRAN内的一个子网，它包括一个无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC）、一个或多个NodeB。RNC通过Iur接口彼此互联，而RNC和NodeB通过Iub接口相连。RNC是负责控制无线资源的网元，其逻辑功能相当于GSM的BSC，RNC通过Iu CS接口连接到电路交换（Circuit Switched，CS）域的移动业务交换中心（Mobile Switching Centre，MSC），通过Iu PS连接到分组交换（Packet Switched，PS）域的SGSN。NodeB的主要功能是进行空中接口物理层的处理（如信道编码和交织、速率匹配、扩频等），它也执行一些基本的无线资源管理工作。例如，内环功率控制，从逻辑上讲，NodeB对应GSM的BTS。

WCDMA空中接口的主要特征包括以下7项。

·WCDMA是一个宽带直接序列码分多址（Direct Sequence-Code Division Multiple Access，DS-CDMA）系统，即通过由CDMA扩频码产生的伪随机比特（称为码片）与用户数据相乘，从而把用户信息比特扩展到较大的带宽上去。

·使用3.84M chip/s的码片速率需要大约5MHz的载波带宽，WCDMA所固有的宽载波带宽使其能支持的用户数据速率较高以及支持多径分集增强。

·WCDMA支持两种基本的工作模式：频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）和时分双工（Time Division Duplex，TDD）。在FDD模式下，上行链路和下行链路分别使用单独的5MHz的载波；在TDD模式下，只使用1个5MHz的载波，在上下行链路之间分时共享。

·WCDMA支持异步基站工作模式，不需要使用一个全局的时间基准。因为不需要接收GPS信号，所以室内小区和微小区的部署变得简单了。

·WCDMA在设计上要与GSM协同工作，因此，WCDMA支持与GSM之间的切换。

·由于信号带宽较宽，存在着复杂的多径衰落信号，WCDMA使用快速功率控制和Rake接收机在内的分集接收能力缓解信号功率衰落的问题。

·WCDMA支持软切换和更软切换，可以有效地减轻远近效应造成的干扰。

Release 99版本刚完成，研究组的工作就开始集中到对Release 99做必要的修改和确定一些新特性上。由于版本的命名方式有所调整，2001年3月发布的版本称为Rel-4，Rel-4只对Release 99版本做了细微的调整。相对Rel-4版本，Rel-5版本则有较多的补充，包括高速下行分组接入（High-Speed Downlink Packet Access，HSDPA）和基于IP的传输层。Rel-6版本引入了高速上行分组接入（High-Speed Uplink Packet Acces，HSUPA）和多媒体多播广播业务（Multimedia Broadcast Multicast Service，MBMS）。Rel-5和Rel-6版本对移动宽带接入定义了基准要求，而在Rel-7、Rel-8和Rel-9版本中，高速分组接入（High-Speed Packet Access，HSPA）的演进进一步提升了HSPA的能力，并且在Rel-10和Rel-11版本中有所发展。

WCDMA版本演进的一个显著特征是通过高阶调制方式、多载波技术和多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术，实现了更高的峰值速率。Rel-6版本中下行链路的峰值比特速率为14Mbit/s，上行链路的峰值比特速率为5.76Mbit/s。随着双小区HSPA技术（DC-HSPA）以及3载波和4载波的使用，加之更高阶调制方案的实施（下行链路为64QAM，上行链路为16QAM）和多天线解决方案（即MIMO技术），下行链路和上行链路的数据速率都有明显的提升。Rel-9版本中的下行链路峰值比特速率为84Mbit/s，上行链路的峰值比特速率为24Mbit/s。图1-5所示的为HSPA极限峰值速率的演进路线，并给出了达到极限峰值速率的条件。

时分同步码分多址（Time Division Synchronous Code Division Multiple Access，TDSCDMA）的技术细节由3GPP完成，1999年12月，在3GPP RAN第7次全会上，正式确定了TD-SCDMA和UTRA TDD标准的融合原则。在2001年3月的3GPP RAN第11次全会上，TD-SCDMA被正式列入3GPP关于第三代移动通信系统的技术规范，包含在3GPP Rel-4版本中。TD-SCDMA的行业标准由中国通信标准化协会（China Communications Standards Association，CCSA）的第五技术委员会（TC5）制定，包括系统体系、空中接口和网元接口的详细技术规范，并由原信息产业部在2006年1月20日正式颁布。

除了双工方式采用TDD而非FDD之外，TD-SCDMA与WCDMA/HSPA的主要差别在于低码片速率（1.28M chip/s）以及由此导致的大约1.6MHz载波带宽，以及可选的高阶调制方式（8 PSK）和不同的5ms时隙帧结构。

TD-SCDMA反映到3GPP标准中的一些功能都源自CCSA内部的工作，这些功能包括以下两项具体内容。

·多频点操作

在此模式下，单小区可支持多个1.28M chip/s的载波。只在主载波频点上发送广播信道（Broadcast Channel，BCH）以便降低小区间的干扰，主频点上的载波包含所有公共信道，而业务信道既可以在主载波上传输，也可以在辅载波上传输，各终端只能在单个1.6MHz载波上运行。

·多载波HSDPA

在采用多载波HSDPA的小区中，高速下行共享信道（High Speed-Downlink Shared Channel，HS-DSCH）可以在多于一个载波上发送给终端，规范还为最多6个载波定义了一个UE能力级。

CDMA 2000是在IS-95的蜂窝移动通信标准下演进而成的，当成为更为全球化的IMT-2000技术时，更名为CDMA 2000，并且其标准化工作也由TIA转移到3GPP2，3GPP2是3GPP的姐妹组织，3GPP2致力于CDMA 2000的规范工作。CDMA标准经历了与WCDMA/HSPA类似的演进过程，在其不同的演进过程中，与WCDMA/HSPA一样，关注的焦点从语音和电路交换型数据逐步转移到数据和宽带数据，所采用的基本原理与HSPA非常类似。

CDMA 2000的演进路线如图1-6所示。CDMA 20001X标准正式被ITU接纳为IMT2000之后，为更好地支持数据业务而启动了两条并行的演进路线，第一条称为演进-只支持数据（EVolution-Data Only，EV-DO）继续作为演进主线，也称为高速分组数据（High Rate Packet Data，HRPD）；另一条并行路线为演进-集成数据与语音（EVolution-Data and Voice，EV-DV），以便在同一载波上同时支持数据和电路交换业务，现在EV-DV已经不在3GPP2继续演进。

图1-6还展示了超移动宽带（Ultra Mobile Broadband，UMB），一个基于OFDM的标准，包括支持多天线传输和最高达20MHz的信道带宽等。UMB与LTE所采用的技术和功能类似，其中一个主要的区别在于UMB在上行链路上使用OFDM，而LTE采用单载波调制，UMB不支持CDMA2000的后向兼容。目前，虽然UMB没有得到应用，也不在3GPP2进一步发展，但是来自UMB的一些功能，最著名的是基于OFDM的多天线方案已被采纳，同时此方案作为EV-DO版本C中相应功能的基础。