基本介紹
- 中文名：寬頻碼分多址
- 外文名：Wideband Code Division Multiple Access
- 別名：W-CDMA
- 網路模式：C網
- 網路類型：3G
- 國內運營商：聯通
- 套用學科：通信
歷史概要,WCDMA介紹,技術特徵,誤解,技術,發展情況,市場情況,與其他標準比較,演變,進一步發展,體制演進,技術特徵,技術特點,優勢,關鍵技術,實現難點,
歷史概要
歷史上，歐洲電信標準委員會（ETSI）在GSM之後就開始研究3G標準，其中有幾種備選方案是基於直接串列擴頻碼分多址的，而日本的第三代研究也是使用寬頻碼分多址技術的，其後以二者為主導進行融合，在3GPP組織中發展成了第三代移動通信系統UMTS，並提交給國際電信聯盟（ITU-T）。
國際電信聯盟最終接受W-CDMA作為IMT-20003G標準的一部分。
WCDMA介紹
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）程式，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程式。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。
作為一項新興技術，WCDMA也是基於CDMA技術的實踐和套用衍生。 WCDMA正迅速風靡全球並已占據80%的無線市場。截至2013年，全球WCDMA用戶已超過36億，遍布170個國家的156家運營商已經商用3GWCDMA業務。
WidebandCodeDivision Multiple Access,即WCDMA.
摘要：本文主要分析了WCDMA主要技術特點、發展現狀和未來網路演進的方向。分別介紹了WCDMA技術在不同階段的具體特徵和相互演進的方法，介紹了WCDMA未來面臨的市場和主要業務方向。涉及WCDMA實現的關鍵技術包括射頻、中頻、基帶的RAKE處理技術和Turbo編解碼技術，論述了不同技術的實現難點，最後介紹了增強技術多用戶檢測和智慧型天線技術的原理。
Keywords：MobileCommunication，WCDMA，Radio Access Network，The Third Generation Partnership Project
Abstract：Thepaperpresentsthe main technologies，current situation and evolution of WCDMA. The key features and evolution process during several phases of WCDMA are also discussed. The future services and markets that will be occupied by the WCDMA system are involved. At last the key implementation issues, handicaps and enhanced technologies in WCDMA receiver are also introduced.
第三代移動通信系統（也稱3G）是移動通信市場經歷了第一代模擬技術的移動通信業務的引入，在第二代數字移動通信市場的蓬勃發展中被引入日程的。在當今Internet數據業務不斷升溫中，在固定接入速率（HDSL、ADSL、VDSL）不斷提升的背景下，第三代移動通信系統也看到了市場的曙光，益發為電信運營商、通信設備製造商和普通用戶所關注。
移動通信技術開始是各自發展的狀態，各個國家、技術組織都不斷發展自己的技術，美國有AMPS、D-AMPS、IS-136、IS-95，日本有PHS、PDC，歐洲則是GSM。這種格局一方面在移動通信發展的初期滿足了用戶的需求，開拓了移動通信市場，另一方面也人為造成地區間的隔離，引發了全球統一移動通信制式的需求。ITU正是在這個背景下於1985年啟動了第三代移動通信系統的規範工作。
在第三代移動通信規範提案的概念評估過程中，寬頻碼分多址（WCDMA）技術以其自身的技術優勢成為3G的主流技術之一。這裡主要介紹WCDMA起源、面臨的移動通信市場和業務狀況、WCDMA技術特點、發展現狀和演進方向。
技術特徵
只列出部分關鍵特徵
無線通信占用5MHz頻寬
碼率是3.84MChips
支持的復用模式：FDD、TDD
高速傳輸以支持多媒體業務
室內環境至少2Mbit/s
室外步行環境至少384Kbit/s
室外車輛環境至少144Kbit/s
誤解
W-CDMA名字跟CDMA很相近，同時W-CDMA跟CDMA關係也很微妙。兩者都基於碼分多址技術，都使用了美國高通（Qualcomm）的部分專利技術。一般認為W-CDMA的提出是部分廠商為了繞開專利陷阱而開發的，其方案已經儘可能地避開高通專利。
在行動電話領域，術語CDMA指代屬於第二代行動電話的幾種相關技術，包括碼分多址擴頻復用技術，以及美國高通（Qualcomm）開發的包括cdmaOne（IS-95）和CDMA2000（IS-2000）的CDMA標準族。
在Qualcomm為IS-95協定使用它之前，CDMA復用技術已經存在了很長時間。然而，由於採用CDMA復用方法是IS-95協定區別於當時的GSM（採用TDMA）等其它協定的主要特徵，現在通常將該協定也稱為CDMA。
W-CDMA屬於第三代行動電話技術，它也使用CDMA的復用技術而且它跟Qualcomm的標準也很相似。但是W-CDMA不僅僅是復用標準。它是一個詳細的定義行動電話怎樣跟基站通訊，信號怎樣調製，數據幀怎么構建等的完整的規範集。
術語CDMA在移動通訊領域通常特指Qualcomm開發的CDMA標準族。它們定義了一組移動通訊協定。
CDMA作為復用技術，既用於W-CDMA空中接口協定，也用於Qualcomm的CDMA協定。
W-CDMA專指在IMT-2000中定義的行動電話協定。
W-CDMA協定與Qualcomm開發的CDMA無關。
CDMA標準族（cdmaOne和CDMA2000）不兼容W-CDMA標準族。
技術
發展情況
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（無線套用協定）的手機占到約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，為未來的套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接口和網路設備，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。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，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於2000年底開始商用，日本預計2001年7月份左右開始商用WCDMA-FDD，中國和歐洲計畫商用WCDMA的時間計畫在2002年左右。
2001年，日本NTT DoCoMo公司的FOMA是世界上第一個商業運營W-CDMA服務。J-Phone日本電話（現軟體銀行）已經繼推出基於W-CDMA服務後，聲稱“沃達豐全球標準”兼容UMTS（儘管2004年時還有爭議）。2003年初，和記黃埔逐步在全球運營他們的UMTS網路（簡稱3）。
大多數歐洲GSM運營商計畫未來某個時間推出UMTS服務，儘管有幾個已經把此服務提到日程上來，有一些甚至從2003年底就開始運營UMTS網路。沃達豐於2004年2月在歐洲多個UMTS網路投入運行。沃達豐還打算在其他國家（包括澳大利亞及紐西蘭）建設UMTS網路。AT&T無線（現被Cingular收購，並沿用AT&T品牌）在一些城市開通了UMTS。儘管因為公司兼併使得網路建設進度被延遲，但Cingular已宣布計畫在2005年與HSDPA一起部署W-CDMA。
TeliaSonera於2004年10月13日開始在芬蘭提供384kbps速率的W-CDMA服務。服務只是在主要城市可用。通訊費率大約2美元每兆位元組。
台灣的3G服務從2005年第四季開始，除了亞太電信採用CDMA2000外，中華電信、台灣大哥大、遠傳電信及威寶電信均使用W-CDMA系統。
中國聯通也於2009年5月17日起在中國大陸提供W-CDMA服務，並開始提供HSPA服務（在部分地區還提供HSPA+服務）。
市場情況
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；行動網路上的Internet套用也更為普遍，E-MAIL、WWW瀏覽、電子商務、電子賀卡等業務與行動網路相結合。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套用前景，股票信息、交通信息、氣象信息、位置服務（LCS）、網上教室、網上遊戲等移動套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）以保證行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，行動網路運營者、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。
與其他標準比較
最初CDMA2000計畫使用多個1.25MHz載波，但後來放棄了，而W-CDMA則使用單一5MHz頻寬載波。
在ITU的IMT-2000標準中，W-CDMA被看作CDMA直接串列擴頻，而CDMA2000被稱作"多載波CDMA"。
W-CDMA 標準族（例如FOMA、UMTS）與CDMA標準族（例如cdmaOne和CDMA2000）不一致。
演變
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接口Iu、Iub、Iur接口均採用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”，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齣版，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。從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接口基於ATM技術，提供開放的Iub接口；
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，智慧型業務的增強，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卡協定，可提高用戶的參與性和操作，支持業務的套用編程接口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；
體制演進
根據前述，我們可以總結WCDMA體制的演進方法是：
-Release99提供了第三代全網解決方案，標準已經成熟，具備蜂窩行動網路的實現基礎、基本功能和擴展條件：
–全新的無線接入網路UTRAN
–結合CS和PS域的核心網路
–增強型的GSM核心網路GERAN
-Release4和Release5進一步增加新的業務，最佳化技術體制和網路結構，是Release99協定的補充和完善，保證了WCDMA體制的延續性：
–全IP網路
–新的無線接入方法－HSDPA
–增強智慧型網路和安全
技術特徵
技術特點
1.基站同步方式：支持異步和同步的基站運行方式，靈活組網
2. 信號頻寬：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. 信道編碼：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
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信道編解碼，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尋方法，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、能夠套用於高達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。
關鍵技術
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、中頻數位化處理，RAKE接收機、信道編解碼、功率控制等關鍵技術和多用戶檢測、智慧型天線等增強技術。
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的信號頻寬為達到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頻寬。
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布，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。
由於信道中快速衰落和噪聲的影響，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信道估計的結果進行相位的旋轉，實際的CDMA系統中的信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尋和解調，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。
信道編解碼
信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候選的信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並行級聯構成：
Turbo碼的原理是基於對傳統級聯碼的算法和結構上的修正，內交織器的引入使得疊代解碼的正反饋得到了很好的消除。Turbo的疊代解碼算法包括SOVA（軟輸出Viterbi算法）、MAP（最大後驗機率算法）等。由於MAP算法的每一次疊代性能的提高都優於Viterbi算法，因此MAP算法的疊代解碼器可以獲得更大的編碼增益。實際實現的MAP算法是Log-MAP算法，它將MAP算法置於對數域中進行計算，減少了計算量。
