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曹淑敏:第三代移动通信的概念及发展演进
2003-11-04 23:50  转自: 人民邮电报
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信息产业部电信研究院 曹淑敏

  摘要:本文简述了第三代移动通信标准的概念的提出、内涵及发展演变过程。对一些存在争议和疑问的说法,进行了说明。

  1.引言

  第三代移动通信,即国际电信联盟(ITU)定义的IMT-2000(InternationalMobileTelecommunication-2000),俗称3G。

  虽然第三代移动通信已经热了很多年,人们对它讨论、争论和评判了许多年,但也伴随着对这个概念的很多质疑,如3G和2G本质区别是什么?3G的主要特征是什么?3G是否实现了当初人们的期望和目标?cdma20001x到底是3G还是2G/2.5G?3G和频谱之间的关联如何?3G下一步的发展方向如何?等等。

  虽然ITU早在十几年前就已经确定了理想的目标,但是由于在3G的概念形成和技术标准的产生及演变的过程中,移动通信经历了从第一代模拟移动通信过渡到以TDMA(主要是GSM)和CDMA(即IS95、cdmaOne或称窄带CDMA)为主的第二代移动通信技术的发展过程;从少数人使用的奢侈品向普通大众普及的全球超过10亿用户的个人消费品;由固定通信的补充演变为主导的、而且将很快成为最重要的通信手段;从单一的话音业务向多种业务发展的过程。

  与第二代移动通信替代第一代模拟移动通信不同的是,第三代移动通信的发展将是在一个庞大的十几亿用户的基础上,甚至在有些国家和地区是在用户逐渐趋于饱和的情况下引入和发展的,另外2G的技术和业务能力也在不断增强和提高。所以对3G的认识以及它的内涵必然随着移动通信的上述发展发生着一些变化,使得3G和2G之间的技术能力更加趋向于无缝衔接,特别是在业务和应用方面。另一方面,由于3G的发展和演变有着复杂的经济、利益,甚至政治背景,所以使得3G的概念和技术不再只是单纯的技术的概念,而是多种因素共同作用之后的结果。

  所以对于3G的内涵在业界达成广泛共识的基础上,也有一些不同的诠释和理解。

  2.IMT-2000的概念提出及其主要特征

  第一代和第二代移动通信标准和频段的使用都是国家或区域性行为,这是和第三代移动通信的最大的不同。如GSM是欧洲提出的标准,后来被一百多个国家采用,CDMA则是美国提出的标准,也有几十个国家采用。他们使用的频段也有很大的差异,GSM一般使用900MHz/1800MHz,北美和少数南美国家使用1900MHz频段。cdmaOne则一般使用800MHz(日本的800MHz上下行相反),美洲一些国家还使用了1900MHz,韩国使用了1800MHz频段。除GSM和cdmaOne之外,日本采用的主要标准是PDC,北美还有TDMA(IS-136或DAMPS)标准等。虽然GSM和CDMA成了第二代主流的标准,但毕竟在应用国家和频段使用上有很多差异,难以做到理想的国际漫游。如GSM无法在日本和韩国使用,CDMA则无法在欧洲使用等。

  第三代移动通信是第一次由国际标准化组织即国际电信联盟ITU牵头、领导,努力在频段和标准上统一的一个系统。经过十几年的艰苦努力,虽然没有完全实现最初的所有愿望,但与第二代相比,无论是在频段的统一上、标准的统一上,还是技术能力上又大大迈进了一步。

  第三代移动通信系统是国际电信联盟(ITU)在1985年首先提出的,当时被称为未来公众陆地移动通信系统,即FPLMTS(FuturePublicLandMobileTelecommunicationSystems)。随着时间的推移,IMT-2000的要求和目标愈加清晰,由于FPLMTS这个名称含义不准确,发音拗口,1996年ITU正式将其更名为全球移动通信系统IMT-2000,意即工作在2000MHz频段,预期在2000年左右商用的系统。IMT-2000最主要的目标和特征为:

  (1)全球统一频段、统一制式,全球无缝漫游;

  (2)高频谱效率;

  (3)支持移动多媒体业务,即室内环境支持2Mbps、步行/室外到室内支持384kbps、车速环境支持144kbps等。

  这些成为后来IMT-2000技术提交、评估和标准形成的重要依据。

  注:

  ■ITUIMT-2000FDD(频分双工)频段

  ■ITUIMT-2000TDD(时分双工)频段

  ■ITUIMT-2000MSS(移动卫星)频段

  图中我国的频谱规划只含了核心频段部分,其他频段没有在此示意。其他颜色指规划给其他业务/系统或预留给其他业务。图为WRC-92规划频谱及各国规划情况

  1992年世界无线电大会(WRC-92)为IMT-2000规划了230MHz(1885MHz~2025MHz,2110MHz~2200MHz)的频段,即后来被称为的核心频段,见上图,为标准的统一奠定了一定的基础。

  如前所述,IMT-2000的概念是在世界上模拟蜂窝移动通信刚刚开始商用时提出的,目标的形成也是在第二代移动通信刚刚商用之时。当时人们对移动通信发展的估计后来也发生了巨大的变化,特别是1996年美国将IMT-2000核心频段的上行作为PCS(个人通信系统)频段拍卖,欧洲的GSM和北美的CDMA制式成为两大2G主流技术,这些都对第三代移动通信标准的形成和演变带来了巨大的影响。

  下面对上述三个特征的演变情况逐一描述。

  3.3G的目标实现了多少?

  3.1“全球统一标准、统一频段、全球无缝漫游”。在3G概念提出的很多年里,也有一些持怀疑态度的国家和地区,特别是美国频段与ITU的冲突,使得全球统一频段的目标无法完全实现。

  但是中国、欧洲、日本、韩国和绝大多数国家及地区目前规划的频段和ITU的基本一致,这和目前的2G情况比,向统一大大迈进了一步。

  从标准上来看,虽然在2000年ITU-R通过了5个标准,没有实现当初期望的统一成唯一一个标准的目标,但是事实上,目前的主流FDD标准只有WCDMA和cdma2000及其增强型标准,TDD目前具有商用前景的也只有TD-SCDMA。决定和计划采用WCDMA的国家和地区比GSM多,特别是日本和韩国都分别有两个运营商采用,采用cdma2000的运营商也多于采用cdmaOne的国家和地区。

  所以,全球漫游在3G得到进一步的,而且是真正的实现。标准的融合并没有停止,而是一直在不断地发展。

  从技术融合的角度来讲,WCDMA的增强型技术HSDPA(高速下行分组接入)和cdma20001X的增强性技术1XEV/DV在技术上也在融合,两大核心网络也均在向全IP方向演进,而且正在向采用相同的方案和技术规范融合。

  在2000年世界无线电大会(WRC)上又确认了新的频段,称为WRC-2000确认频段,人们也常将核心频段以外的称为扩展频段。将目前2G采用的800/900MHz和1800/1900MHz频段均纳入3G频段,同时又增加了2500MHz~2690MHz频段。其中2500MHz~2690MHz有望实现全球统一。所以3G的频段统一和标准统一的目标一直在逐步地实现。

  3.2“频谱效率高”。在评估和确定IMT-2000的标准时,频谱效率是其中重要的一个内容。从当时评估的结果看,WCDMA和cdma2000的容量相当,均是二代的cdmaOne的两倍,比GSM的容量则高4倍以上。从已经商用的cdma20001X和WCDMA的情况看,容量的确比2G高很多,而且目前商用的3G系统还没有实现3G的全部能力,随着技术的完善和演进,容量的优势将更加明显。

  3.3“移动多媒体业务”。三个环境的三个数据速率是评估是否满足3G技术的最直接和定量的标准,也是区别于2G的重要特征之一。从几种3G技术的能力来讲,不但可以达到目标,而且3G的增强性技术已经超过了当初的目标。cdma20001XEV/DO可以实现峰值2.4Mbps的速率,1XEV/DV可以实现3.1Mbps的速率,WCDMAHSDPA则可实现10Mbps的数据速率。

  从已经商用的情况看,WCDMA已经实现了384kbps,cdma20001X则实现了用户速率平均为50kbps~97kbps,1XEV/DO实现了平均500kbps的用户速率。目前GPRS实现的实际速率为30kbps~40kbps。TD-SCDMA的实验系统已经实现了148kbps的速率。所以3G技术在能力上已经超出最初的目标,而且已经实现的能力也超过了2G/2.5G系统。

  这里,需要再澄清一个问题,有人说由于目前的3G系统还没有实现2Mbps,所以就不是真正意义的3G,这种说法有一些不妥。因为一方面当初的目标是指技术能力,并不是一定要开始商用时就全部实现,另一方面,从市场的需求来看,也无须初期就实现2Mbps速率。

  人们对移动通信的新业务是在近两年才逐步认识的,业务本身并没有明显的“代”的概念,而是逐步演进的。但是由于3G支持的数据速率更高,采取更加灵活的提供业务的技术,使得其可以提供比现有2G/2.5G质量和性能更高,而且内容更加丰富的业务。目前虽然处在商用的初期,实际提供的业务,除了能更好地支持2G/2.5G所有的业务外,还可支持移动可视电话、摄像等2G/2.5G无法支持的业务。

  4.cdma20001X是不是3G?

  ITU在2000年通过的3G标准中cdma20001X是cdma2000的一部分(含多种多载波模式cdma20001X、3X、6X、9X、12X等)。但cdma20001X成为3G标准,的确有背后利益协调的结果,在1998~1999年WCDMA和cdma2000(直接序列扩频方式DS)两种CDMA技术融合的著名故事中,将cdma20001X作为3G标准的一部分,是北美以高通和朗讯为主的CDMA阵营同意三个参数(导频、码片速率和同步)融合的条件之一。尽管在1999年11月TG8/1最后的全会讨论通过时,遇到了英国最后的质疑,但最终还是成为了3G标准cdma2000的组成部分。

  从cdma20001X的能力来看,尽管比GPRS支持的速率高,但仍然是一个数量级的;另外,就像GPRS开始在GSM网引入分组数据业务一样,cdma20001X为CDMA网引入了分组数据业务,所以难免有人认为它不是3G技术。由于cdma20001X可以很容易地在现有的cdmaOne上平滑升级,也有人把它叫作2.5G的另一个技术。

  另外还有一个最主要原因,就是运营商的利益。日本、韩国的cdmaOne的运营商希望政府允许他们在现有cdmaOne的频段上直接升级成cdma20001X,不要再发放许可证,以免贻误时机,同时也不希望影响在3G核心频段的许可证,所以他们在初期,将在原有频段采用的cdma20001X称为2.5G,甚至2.75G,而不称为3G。中国联通将从800MHz升级的cdma20001X既不称为3G,也不称为2.5G,而巧妙地称为CDMA1X,避免了争论。北美cdmaOne的运营商,由于近期难以得到新的频段,所以将在原有频段上升级的cdma20001X称为3G,以表明他们率先采用了3G技术。

  由于除北美以外,多数国家和地区是在新的频段(核心频段)发放3G牌照,所以3G也就自然和频段联系在了一起。政府对在原有频段上升级的cdma20001X,没有再发放许可证。

  5.有关3G的名词术语

  关于3G的名词也很多,具体情况见表1。

  UMTS-UniversalMobileTelecommunicationSystem是欧洲的3G名称,概念提出较早。欧洲试图在3GPP采用这一名称,但由于其他国家的标准化组织没有同意,所以没有采用。但欧洲的国家和公司仍然采用此名称,含义是指3GPP定义的无线和网络标准的统称,而且多数情况下只是指WCDMA。

  UTRA-UniversalTelecommunicationRadioAccess:原来的“U”是指UMTS,由于UMTS没有在3GPP被接受,所以改为了Universal,指3GPP定义的两种无线接口。即UTRAFDD(WCDMA)和UTRATDD(含TD-SCDMA/LCRTDD和HCRTDD)。

  6.小结

  综上所述,与2G相比,3G在频段和标准统一上比2G/2.5G有了很大的发展和提高,在容量和数据业务的支持能力上,远远超过了当初的目标,而且随着时间的推移,无论是在频段,还是在技术上仍然在不断地趋向于融合和统一。

  

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