1.1 WCDMA技术与发展

1.1.1 WCDMA与3G

本书是关于WCDMA无线网络的专业书，众所周知，WCDMA技术一直是3G技术的主流，因此我们的内容就从什么是3G开始。

3G是第三代移动通信技术的意思。移动通信技术从1G模拟通信技术起步，经过2G数字通信技术的发展壮大，现在正处于3G阶段，并正在向4G技术发展与演进。

国际电信联盟ITU早在20世纪80年代就提出了3G的概念，到1996年更具体定义3G的主要目标是实现用户之间的移动多媒体业务，从而超越2G提供的用户之间的语音业务。移动多媒体业务主要由分组数据业务来承载，为了保证3G多媒体业务的效果，ITU在IMT—2000中对3G分组数据业务的传输速率提出了一定的要求，比如静止状态下速率不低于2 Mbps。这样，在2G阶段处于低速的分组数据业务速率能得以大幅度的提升，用户的移动多媒体业务感知度将得到极大的满足。采用3G以后，还将引入丰富多采的移动多媒体业务，包括视频电话、在线音乐、手机电视和视频游戏等业务。

从广大3G用户的感觉来看，3G业务的最大特点似乎是无线上网，这与ITU对3G的定义相比较有不小的落差。当然，随着Internet的快速发展，这些年来3G逐步转向为移动数据业务服务了。另外，2G技术也在发展，不少移动多媒体业务也下移到2G网络中，如在线音乐、手机电视甚至视频电话等。

与第二代移动通信系统类似，3G也分为WCDMA、cdma20001x和TD-SCDMA三大制式，值得一提的是，其中TD-SCDMA是由中国提出的技术方案。

3G不仅仅是一个简单的技术名词，3G也是移动通信业界的一个热门标签。从运营商、终端厂商到用户，都体验到了3G的魔力：自从3G概念诞生以来，3G给大众传递的信息就是3G比2G更好，明天会更好，从而牢牢地吸引了通信业界和大众的关注，成为过去10年间通信技术发展的热点和主轴。

2000年，当世界进入新千年的时候，3G商用正式开始，进入了3G元年。3G移动通信网络的部署从日本开始，在欧洲和美洲发展，已经在全球各地全面开花。当然3G的部署过程跌宕起伏，并不是一帆风顺的。

随着2009年中国发放3G牌照，国内三大移动运营商都在建设和运营着3G网络，3G业务已经在中国广泛开展。其中，中国联通运营的就是基于WCDMA技术的3G网络，中国电信采用了cdma2000 1x技术，而中国移动采用了TD-SCDMA技术。

随着3G的广泛应用，数据业务已经超过语音业务，成为移动通信的主流业务。据爱立信公司的分析，在2009 年年底，全球移动数据业务量已经超过了移动语音业务量，实现了历史性的跨越。而中国联通自2010 年起，在不少本地网中也实现了移动数据业务量超过移动语音业务量的历史性跨越。

1.1.2 WCDMA的技术特点

从字面上看，WCDMA就是宽带CDMA的意思。所谓宽带，指的是WCDMA的频点带宽为5 MHz，有别于源于北美的窄带CDMA技术，例如，cdma2000 1x，其频点带宽1.25 MHz。当然，后来宽带又演绎为用户可以获得类似于固定宽带（如ADSL）般的业务体验，也就是WCDMA技术可以用来承载移动宽带业务。

从WCDMA的含义可以看出，WCDMA是一种空中接口技术，应用于移动通信系统的无线网络以及终端用户。与其他3G的空中接口技术相比，尤其是与cdma2000 1x空中接口相比，WCDMA技术在无线方面具有以下两个鲜明的特点。

（1）频点更宽

WCDMA采用了5 MHz的频点带宽，是cdma2000频点带宽的4倍，因此可以采用高达3.84 Mcps的码率，是cdma2000码率1.228 8 Mcps的3倍以上。这样WCDMA就可以提供数倍于cdma2000的上、下行业务速率，这对提高数据业务的用户体验非常有帮助。

（2）复用更充分

复用更充分来源于以下两个方面的要求：

其一WCDMA是3G技术，因此需要支持多媒体业务，业务种类自然很多。例如，常用的业务就有语音业务（CS12.2）、视频电话业务（CS64）、分组数据业务（PS64/PS128）和高速分组数据业务（HSPA）等。另外，每个用户还可以同时进行多项业务，例如，语音业务与数据业务的组合，需要支持并发的业务。

其二是由“频点更宽”带来的。由于WCDMA频点带宽很大，充分利用这些带宽就很关键，需要尽量减少浪费。

因此，WCDMA采用了各种复用技术，例如，将语音和数据等混合在一起进行信道编码，同时在一个物理信道上传递；又如采用功率复用技术，实现R99业务与HSPA业务混合在同一载频上传送。

WCDMA技术提高了复用的效率，当然也带来系统更复杂的问题，对学习和掌握WCDMA技术提出了更高的要求。

1.1.3 WCDMA的技术发展

WCDMA技术的发展与UMTS技术体系紧密联系。因此提到WCDMA总免不了需要先介绍UMTS技术体系。

所谓UMTS（Universal Mobile Telecommunications System，通用移动通信系统），指的是欧洲电信标准协会ETSI提出的3G技术体系。作为一个完整的3G移动通信技术体系，UMTS技术体系中最重要的组成部分是空中接口，但是并不仅限于空中接口，UMTS的主体还包括无线接入网络和分组化的核心网络，UMTS形成了一个庞大而内部又相对独立的技术体系。

UMTS技术体系中定义了三种空中接口：基于FDD工作方式的WCDMA、基于TDD工作方式的TD-CDMA及TD-SCDMA。其中，WCDMA是UMTS技术体系中最主要的空中接口。

由于空中接口技术决定了移动通信系统的特性，因此我们通常把采用WCDMA技术的UMTS系统简称为WCDMA系统，不光包括无线网络，还包括核心网络，下文中也使用这样的简便称呼。

UMTS技术体系由3GPP（3rd Generation Partnership Project，3G伙伴项目）组织负责进行标准化工作。3GPP是一个全球范围的标准化组织，主要担负GSM演进为WCDMA过程中标准的研究工作。3GPP为UMTS技术体系制定了一系列的规范，这些规范按时间划定了不同的版本，每个版本都包含相应的功能。UMTS技术体系到2010年已经划定了8个版本，按时间顺序分别定名为R99，R4，R5，R6，R7，R8，R9和R10。表1.1列出了UMTS各个版本的简要特点。

R99是WCDMA技术的第一个版本，最大贡献是确定了空中接口的主体结构，引入了CDMA技术，并实现了从信源编码、信道编码、扩频加扰到调制的整个过程。R99也暴露出WCDMA的许多问题，在诸多问题中，最急需解决的问题是速率偏低，无法与EV-DO竞争。

R5是WCDMA技术的一大转折点，在这个版本中，引入了HSDPA（高速下行分组接入）技术，TDMA技术又被召回WCDMA技术中，这样就充分发挥了WCDMA频点宽的优势，可以实现最高14 Mbps的下行速率。自R5以后，WCDMA系统在数据业务中的优势基本确定，取得了3G技术中的领军位置。

R6可以看成R5的进一步完善，借鉴下行的成功经验，引入了HSUPA（高速上行分组接入）技术，能将上行最高速率提高到5.76 Mbps。HSDPA与HSUPA技术合称为HSPA技术，目前中国联通的WCDMA网络就是基于HSPA技术的网络。

目前，HSPA技术在全球已经基本普及，而且大量的终端都已支持HSPA技术。

为了提高数据业务性能，HSPA技术还在继续发展，其后续技术称为HSPA+技术，HSPA+又称为HSPA Evolution，类似于ASDL升级为ADSL+。

HSPA+技术可以理解为更快更好的HSPA技术。除了致力于提升数据业务的速率以外，HSPA+还考虑了向IP技术的过渡，全面支持VoIP技术，并且作为移动多媒体的重要应用，HSPA+技术强化了多媒体广播业务。

HSPA+技术包含R7，R8，R9和R10四个版本，基本上处于试商用及研发阶段，2010年在全球只有少数运营商部署，终端的种类也不丰富。

HSPA+的第一个版本是R7。在R7中，HSPA+技术通过采用64QAM高阶调制方式，将下行最高速率从14 Mbps提高到了21 Mbps。R7中还可以采用MIMO（Multi Input Multi Output，多入多出），将下行最高速率从14 Mbps提高到28 Mbps。上行方向上，HSPA+技术采用16QAM调制方式，将最高上行速率提升到11 Mbps。

R8技术的最大特点是采用了二重载波技术，也就是终端同时使用两个频点与基站连接，简称DC-HSPA（Dual Cell HSPA）。利用双倍的带宽及64QAM高阶调制方式，DC-HSPA的下行最高速率可以达到42 Mbps。

R9技术的最大特点是采用了多重载波技术，简称MC-HSPA（Multi-carrier HSPA）。MC-HSPA技术综合了双倍的带宽、64QAM以及MIMO技术，并支持双频段，MC-HSPA的下行最高速率可以达到84 Mbps。MC-HSPA的上行也可以采用双倍带宽和16QAM技术，上行最高速率可以达到23 Mbps。

R10技术的最大特点是扩展了多重载波技术，一个终端最多可以同时捆绑4个频点，从而获得最高168 Mbps的下行速率。

总之，随着版本的不断升级，HSPA+技术可支持的数据业务的最高速率也在不断提升。

1.1.4 UMTS技术体系的长期发展

除了在WCDMA技术上持续发展外，为了应对诸如WiMAX（Worldwide Interoperability for Microwave Access，全球互操作式微波接入）等竞争技术的挑战以及面向未来的4G技术，3GPP还制定了UMTS技术体系的长远发展计划。

2004年3GPP启动了三项长期的研究计划，以保持UMTS技术体系在未来10年的技术领先实力。这三项长期的研究计划就是AIPN（All IP Network，全IP网络）、LTE（Long Term Evolution，长期演进标准）和SAE（System Architecture Evolution，系统架构演进）。

OTS（One Tunnel Solution，单一隧道方案）是SAE的第一阶段，将在RNC和GGSN之间建立直接的业务连接，这对提升处理宽带多媒体数据的效率，提高数据业务的吞吐率大有好处。

当然其中最值得关注的是与无线网络相关的LTE。LTE最显著的特点是采用OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分调制）技术，并使用最大达20 MHz的带宽，同时结合HSPA+中已经采用的MIMO、高阶调制以及干扰抵消技术，以期达到下行100 Mbps和上行50 Mbps的目标，UMTS技术体系中无线技术部分的发展规划如图1.1所示，图中还一并展示了HSPA和HSPA+技术的发展历程。

此外，从网络结构上看，LTE无线网络取消了无线网络的中间节点，各个基站直接与核心网络连接，网络结构扁平化。因此虽然从名称上看LTE还是声称为演进，但是从网络架构上看其实LTE是对WCDMA技术的一种颠覆。

观察UMTS技术体系中无线技术的发展方向后，我们可以明显地体会到3GPP稳健发展的一面，也就是新技术往往都是在比较成熟甚至已经商用的情况下引入的。比如，CDMA技术引入UMTS是在IS—95已经商用的情况下，HSDPA技术的引入是在1xEV-DO已经商用的背景下进行的，而OFDM技术是WiMAX已经商用的情况下引入的。当然，3GPP也对各项技术做了针对性的调整和改进。

另外，我们也可以看到，为了实现共同的传输高速数据的目标，各种技术方案和技术体系从实现方案上都逐渐趋同，殊途同归了。

目前，LTE的标准化过程正在进行中，3GPP从UMTS的R8开始（也就是2008年），就已经纳入了LTE的相关规范，并也有R9和R10等后续版本。

2010年是LTE的商用元年，北欧等地已经有LTE的商用网络，美国Verizon也于该年底实现了LTE的商用，2011年3月，第一款支持LTE的手机也正式面市，LTE的发展也就此正式起步。

1.1.5 LTE与4G

3G技术之后就是4G技术，随着3G技术的广泛应用，4G技术也逐渐浮出水面。移动通信从3G技术发展到4G技术，需要先经过后3G这个阶段。

后3G移动通信技术种类也有不少，除LTE外，还有WiMAX（IEEE 802.16e）等。近年来，随着各大运营商对后3G移动通信技术的选择日益明朗，其他技术或停止发展，或向LTE技术靠拢，以LTE为代表的技术逐步取得了后3G技术的主流地位，一统江湖。例如，cdma2000 1x技术体系原计划从1x EV-DO发展到UMB（Ultra Mobile Broadband，超级移动宽带），但是目前已经放弃该计划，转而直接采用LTE作为后续技术。各种3G制式演进到LTE的过程如图1.2所示，其中LTE又分为TDD与FDD两种双工方式。

前面说过，LTE是为了实现4G技术而产生的，所谓4G技术，如同3G技术一样，也是由ITU主导的。ITU在发布IMT—2000后，提出了后续的IMT-advanced，也就是4G的技术要求，要求满足低速移动下速率超过1 Gbps，高速移动下速率在100 Mbps以上。从LTE的指标看，离4G的技术要求还有一段距离，因此LTE也往往被称为3.9G技术。

为了满足IMT-advanced的需要，LTE将继续发展为LTE-advanced，对应LTE的R10版本。LTE-advanced引入频点捆绑（载波聚合）技术，终端的最高带宽可达100 MHz，加上MIMO技术的配合，最高下行速率可以突破1 Gbps，这样LTE-advanced将成为货真价实的4G技术。与LTE-advanced竞争4G技术的目前只剩下WiMAX的后续技术IEEE 802.16m了。

不过，在2010年年底，ITU修改了一贯的说法，表示什么是4G技术并没有明确的定义，所有的后3G技术都可以理解为采用了4G技术，这样就大大拓宽了4G技术的范畴，从LTE，WiMAX到HSPA+，都可以纳入到4G的范围。

这种做法明显受到运营商以及终端厂商的欢迎。2011年，尽管严格意义上的4G网络还在研发过程中，市场上冠以4G名号的终端以及网络已经是百花齐放了。