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20世纪90年代末，NTT DoCoMo为他们的3G系统开发了宽带CDMA技术，称为自由移动多媒体接入（Freedom of Mobile Multimedia Access，FOMA）。另一种多址技术，宽带码分多址（Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA）又称为通用地面无线接入（Universal Terrestrial Radio Access，UTRA），仅定义了空中接口部分，作为GSM的继承者选为UMTS的空中接口。FOMA、UMTS和J-Phone系统共享WCDMA空中接口，但各自具备不同的完备通信标准协议。国际电信联盟无线通信部门（International Telecommunication Union Radiocommunication Secto，ITU-R）批准3GPP提交的WCDMA作为IMT-2000系列标准的一部分。WCDMA采用直接序列码分多址技术，码片速率为3.84Mbit/s，支持频分双工（Frequency Division Duplex，FDD）和时分双工（Time Division Duplex，TDD）两种双工模式，使用5MHz信道实现高达5Mbit/s的峰值速率。2001年10月，NTT DoCoMo在日本推出了第一个商用FOMA网络，作为i-mode的继承者。在许多欧洲国家，运营商需支付巨额拍卖费用来获得3G频谱许可证。例如，英国的移动运营商在2000年4月的拍卖中花费了330亿美元，同年在德国的拍卖中花费了475亿美元。高昂的许可证成本给移动运营商带来了巨大的财务压力，导致欧洲3G网络的商用延迟。例如，英国的第一个商用3G网络直到2003年3月才由Hutchison Telecom部署。
Release 99和Release 4版本协议包含了满足IMT-2000需求的所有WCDMA无线空口技术特性，此后，无线空口技术标准持续演进。其中，高速分组接入（High Speed Packet Access，HSPA）作为WCDMA无线空口的第一个重要演进版本于2002年发布。
WCDMA的网络要素分为三部分：用户设备（User Equipment，UE）、处理无线接口的UMTS地面无线接入网（UMTS Terrestrial Radio Access Network，UTRAN）和负责处理语音呼叫和路由数据包的核心网（Core Network，CN）。在WCDMA部署初期，为了实现网络的平滑过渡，部分CN实体直接继承自GSM，传统GSM网络的无线空口部分被称为GSM边缘无线接入网（GSM EDGE Radio Access Network，GERAN）［Holma and Toskala，2004］。
用户设备是一个新的术语，不同于之前的移动电话，它可以是介于语音通话的移动电话和没有语音功能的计算机之间的任何设备，以支持更多的应用和功能（见图2.4）。用户设备由两部分组成：用于无线通信的移动终端和用于存储用户身份标识、鉴权加密密钥和订阅信息的UMTS用户标识模块（UMTS Subscriber Identity Module，USIM）。
图2.4 WCDMA系统架构（UTRAN是WCDMA的新空口，GERAN是传统GSM的无线接入）
UTRAN由一个或多个无线网络子系统（Radio Network Subsystems，RNS）组成，RNS由若干个基站（Node B）和对应的无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC）组成。Node B配备了无线收发器对空口进行处理，同时也具备一些无线资源的管理功能，其主要功能包括：无线信号发射与接收、调制与解调、扩频与解扩、信道编码与解码、频率同步与时间同步和闭环功率控制。
WCDMA是一种宽带直接序列码分多址（Wideband Direct-Sequence CDMA，WCDMA）系统，该系统内的用户信息通过乘以准随机扩频码扩展到5MHz的带宽上传输。WCDMA支持FDD和TDD两种双工模式，通过使用不同的扩频码支持可变的数据速率，用户速率可以在每帧10ms持续时间内灵活变化。表2-1列出了WCDMA空中接口的主要参数，并与IS-95和GSM进行了比较。
表2-1 WCDMA、IS-95及GSM主要无线参数对比
（续）
① 这些值是系统初始版本的速率，即未增强GPRS的WCDMA、IS-95A和GSM的Release 99。
来源：Mcps，每秒兆码片；N/A，不可应用。
RNC主要负责无线资源的控制和UTRAN系统内的移动性管理，通过与MSC连接进行语音通信，与SGSN连接进行分组数据传输。RNC的主要功能有：无线资源控制、接纳控制、信道分配、开环功率控制、移动性管理、加密和宏分集。
UMTS的核心网（Core Network，CN）分为电路交换（Circuit-Switched，CS）域和分组交换（Packet-Switched，PS）域。UMTS的核心网相当于GSM网络的NSS，负责提供交换、路由以及所有集中处理和管理功能，同时也作为与PSTN、ISDN、公共陆地移动网络（Public Land Mobile Network，PLMN）和互联网等外部网络之间的接口。HLR、VLR、AuC和EIR等数据库从GSM网络继承，在两个域共享。
● CS域：该域主要基于电路交换方式为语音传输提供优化，例如用于长期通话的语音信道，由GSM网络继承而来，具体包含MSC（与GSM中的MSC相同）和作为外部网络接口的网关移动交换中心（Gateway Mobile Switching Center，GMSC）。
● PS域：该域中主要针对分组数据传输进行了优化，由GPRS网络继承而来，具体包含SGSN和GGSN（如表2-2所示）。
表2-2 前几代通信系统中主要技术特征对比
（续）
从纯语音通信服务到语音和数据混合通信服务的转变给空中接口和核心网的设计带来了许多挑战。因此，WCDMA采用了可支持先进的多址接入、灵活的资源共享、高可变数据速率以及增强频谱效率的新技术。在众多3G技术中，CDMA、Rake接收机和Turbo编码被认为是最基本的使能技术，具体介绍如下。
在窄带系统中，相同小区内的用户通过正交的时频资源块（通过FDMA或TDMA）传输信号，相邻小区的用户根据小区布局分配不同的频率块。在CDMA系统中，每个用户使用直接序列扩频技术，通过复用名为扩频码的伪随机序列将其信号扩展到整个传输带宽上，其中，传输带宽远大于原始信号带宽，传输带宽和原始带宽的比率称为处理增益。来自不同用户的扩频信号同时共享同一带宽，并将其他用户信号视为随机噪声，在接收端应用相同的扩频码来检测期望信号。使用诸如Walsh-Hadamard码等正交扩频码，可以很好地分离来自不同用户的信号。使用非正交扩频码也可以有效区分多用户信号，但会增加信号间的相互干扰。这就是使用直接序列扩频实现码分多址的基本原理。扩频技术的应用除了允许多址接入，还可提供频率分集以抵抗多径衰落和窄带干扰。
与窄带信号传输相比，CDMA技术具有以下优势。
● 通用频率复用：指最大频率复用，即频率复用因子为1。在FDMA或TDMA系统中，为了避免多用户间的相互干扰，通常将正交时频资源分配给同一小区的用户，将不相交的频带分配给相邻小区，系统中每个用户的自由度较低。在CDMA系统中，无论是同一小区内的用户，还是不同小区（包括相邻小区）间的用户都共享相同的时频资源。通用频率复用除了增加每个用户的自由度，还简化了网络规划。从另一个角度来看，这些优势是以牺牲单个链路的信干噪比（Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio，SINR）为代价的。
● 软切换：窄带系统为相邻小区分配不同的频点，而终端一次只能接入一个载频。因此，终端必须在连接到新小区之前断开和源小区的连接。这种硬切换会导致语音通话中断，造成用户体验较差，这是第一代和第二代系统之间最主要问题之一。在CDMA系统中，相邻小区可以使用相同的频率，因此位于小区边缘的用户可以同时与多个基站进行通信，称之为软切换，有时也称为宏分集技术。在上行链路中，终端信号经由不同小区的扩频码进行调制，然后由多个基站接收。接收端在中央处理单元（例如RNC）对信号进行合并和检测。同样，在下行链路中，同一信号可以同时由一个以上的基站发送给终端。
● 软容量：在窄带系统中，时频资源被划分为固定数量的正交信道，一旦所有信道都被占用，则不再允许新用户接入网络。因此，窄带系统的硬容量是有限制的。使用非正交扩频码的CDMA系统对服务用户数没有硬限制，但是共享非正交码自由度的用户越多，多用户干扰程度越高。
● 干扰共享：已分配的信道在语音通话静音期间处于空闲状态，然而在FDMA或TDMA系统中，该信道不能与其他用户共享。CDMA系统对信道数量没有限制，但其系统容量会受到干扰的影响。当一个终端没有信号发送时，系统整体干扰水平会下降，其他终端的性能会提高。因此，CDMA系统可以从信源变化中获得增益。
CDMA的系统性能很大程度上取决于精准的功率控制，特别是在上行链路中，以补偿远近效应。如果两个终端以相同的功率发射，则基站附近终端的信号强度可能比小区边缘终端高几十分贝，导致远端目标终端很难从严重的多用户干扰中检测到自己想要的信号。因此，CDMA系统需要进行功率控制，使所有终端的接收信号强度大致相同。但频繁的传输功率控制信号会增加系统的信令开销。与CDMA系统不同，功率控制在窄带系统中是可选功能，主要用于降低功耗，而不是降低干扰。
多径衰落是限制无线传输性能的主要因素。在无线通信系统中，传输信号经历多次延迟在接收机处进行合并，这种合并大多情况下是具备破坏性的。由于每个多径分量都包含原始信息，因此理想情况是将所有分量进行相干叠加，以尽可能提高有用信号功率并降低深度衰落的概率。因此，Rake接收机得以应用。它包含多个分支，又称为手指，用于处理不同路径的信号。其中，每个手指都与信号路径同步，并配备了独立的相干器对接收到的信号进行解扩。Rake接收机支持不同的合并方法（例如选择性合并和最大比合并）对每个手指的输出信号进行合并，进而检测出传输信号。直接序列码分多址（Direct-sequence CDMA）非常适合于Rake接收的应用，因为大信号带宽允许以高分辨率来区分多条路径。它特别适用于信号带宽为5MHz的WCDMA收发机。Rake接收本质上是一种分集技术，由Price和Green（1958）提出。它被描述为历史上最重要的自适应接收机之一，可用于多径衰落信道。
根据信息论，随机选择一个分组长度足够长的编码可以接近香农容量。这种编码的最大似然译码复杂度随着分组长度的增加而呈指数增长，直至物理上不可实现。在20世纪90年代中期，Berrou、Glavieux和Thitimajshima发明了一种强大的编码方案，可以在高斯信道上以香农容量几分之一的码率传输数据（Berrou and Glavieux，1996）。该编码方案依赖软判决交换信息，并结合并行级联卷积码、大分组长度、交织和迭代译码方法。通常情况下，一个典型的编码器由两个并行卷积编码器和一个交织器组成，其中一个卷积编码器根据m生成X1，另一个卷积编码器根据交织信息生成X2。信息位m与两个奇偶校验位序列X1和X2连接，编码器将级联后的数据（m，X1，X2）发送到接收端。Turbo码的迭代译码由交织器和去交织器两个并行译码器实现，使用最大后验概率（Maximum a Posteriori，MAP）算法进行最大似然（Maximum-likelihood，ML）估计，从而产生可靠性信息（软决策）。具体来说，第一解码器根据码字（m，X1）生成每个信息比特的概率度量p（m1），该概率度量被传递到第二个解码器。随后，第二个解码器根据（m，X2）生成另一个概率度量p（m2），并将其传递给第一个编码器。此后不断迭代这个过程直到达到收敛条件，理想情况下，解码器最终会在概率度量上达成一致。Berrou和Glavieux的研究表明，在高斯信道上应用1/2码率的QPSK（quadrature phase shift keying），在误比特率为10 -5 时，所需的E b /N 0 比香农容量高0.5dB，这一差距后续被缩小到0.35dB。因此，Turbo编码迅速得到广泛认可，并引发了对其设计、实现、性能评估和在数字通信系统中应用的研究和开发浪潮。
CDMA2000系统采用1/5码率Turbo编码，由两个相同的1/3码率并行八状态递归系统卷积（Recursive Systematic Convolutional，RSC）编码器组成，该码率的收缩范围是1/4～1/2，交织器长度在378～12282之间。除了两个Turbo编码器使用不同的伪随机交织器，WCDMA中的Turbo编码与CDMA2000中的Turbo编码相似。