第七章第三代移动通信系统西南交大出版社.docx
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第七章第三代移动通信系统西南交大出版社
第七章第三代移动通信系统
提要本章讲述了第三代移动通信系统的特点和系统结构,介绍了3G的演进策略和关键技术。
WCDMA的关键技术的实现,了解空中接口和无线接入网的结构,学习全IP网络与HSDPA技术的实现,无线资源管理等。
CDMA2000系统结构和系统实现的关键技术。
介绍TD-SCDMA技术的发展和特点以及系统实现的关键技术,干扰分析和消除,讲述了网络规划和优化。
(TD-SCDMA已经修改)
7.1第三代移动通信系统的概述
第三代移动通信,即国际电信联盟(ITU)定义的IMT-2000(InternationalMobileTelecommunication-2000),简称3G,相对第一代模拟通信系统(1G)和第二代GSM、CDMA等通信系统(2G),3G一般地讲是指将无线通信与国际因特网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。
第三代移动通信系统能够提供更大的通信容量和覆盖范围,具有可变的高速数据率、同时能提供高速电路交换和分组交换业务、具有更高的频谱利用率等特点。
另外,3G系统还能提供更为可靠的信道编码、灵活配置的传输信道和逻辑信道,支持多种语言编码方案,为用户提供更为灵活的接入服务;与此同时,3G系统还继承了窄带CDMA系统容易使用软件无线电实现、语音质量高、手机功耗小等优点。
当前,3G存在三大主流标准:
一是WCDMA标准,也称为“宽带码分多址接入”,支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商;二是CDMA2000标准,也称为“多载波码分多址接入”,由美国高通北美公司为主导提出,韩国现在成为该标准的主导者;三是TD-SCDMA标准,中文含义为“时分同步码分多址接入”,是我国独自制定的3G标准,它在频谱利用率、对业务的支持、频率灵活性及成本等方面都具有独特的优势,全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。
在中国这几年通信技术进入了空前的高速发展,并且在保证了2G通信系统的存在的同时,大力发展和实现3G的应用,在许多地方开通了3G的业务并且得到了很好的评价,相信在最近的几年里,3G会完全进入到我们的生活,给我们带来本质的通信变化和发展。
7.1.1第三代移动通信系统的特点
3G进入了我们生活,其与前两代移动通信系统相比,可以把3G系统的特点概括为以下几点:
全球普及和全球无缝漫游的通信系统:
2G系统一般为区域或国家标准,而3G是一个可以实现全球范围内覆盖和使用的通信系统,它可以实现使用统一的标准,以便支持同一个移动终端在世界范围内的无缝通信。
具有支持多媒体业务的能力,特别是支持因特网业务:
2G系统主要以提供语音业务为主,即使2G的增强技术一般也仅能提供100kbit/s~200kbit/s的传输速率,GSM系统演进到最高阶段的速率传输能力为384kbit/s。
但是3G系统的业务能力将有明显的改进,它能支持从语音到分组数据再到多媒体业务,并能支持固定和可变速率的传输以及按需分配带宽等功能,国际电信联盟(ITU)规定的3G系统无线传输技术的最低要求中,必须满足四个速率要求:
卫星移动环境中至少可提供9.6kbit/s的速率的多媒体业务;高速运动的汽车上可提供144kbit/s速率的多媒体业务;在低速运动的情况下(如步行时)可提供384kbit/s速率的多媒体业务;在室内固定情况下可提供2Mbit/s速率的多媒体业务。
便于过渡和演进:
由于3G引入时,现在的2G已具相当的规模,所以3G网络一定要能在原来2G网络的基础上灵活的演进而成,并应与固定网络兼容。
高频谱效率:
3G具有高于现在2G移动通信系统两倍的频谱效率。
高服务质量:
3G移动通信系统的通信质量与固定网络的通信质量相当。
高保密性:
尽管2G系统的CDMA也有相当的保密性,但是还是不及3G的保密性高。
7.1.2第三代移动通信的系统的结构
1.IMT-2000系统的组成
IMT-2000(国际移动通信-2000)系统构成如图7-1,它主要有四个功能子系统构成,即核心网(CN)、无线接入网(RAN)、移动台(MT)和用户识别模块(UIM)组成。
分别对应于GSM系统的交换子系统(NSS)、基站子系统(BSS)、移动台(MS)和SIM卡。
图7-1IMT-2000功能模型及接口
2.系统标准接口
ITU定义了4个标准接口:
(1)网络与网络接口(NNI):
由于ITU在网络部分采用了“家族概念”,因而此接口是指不同家族成员之间的标准接口,是保证互通和漫游的关键接口。
(2)无线接入网与核心网之间的接口(RAN-CN),对应于GSM系统的A接口。
(3)无线接口(UNI)。
(4)用户识别模块和移动台之间的接口(UIM-MT)。
3.第三代移动通信系统的分层结构
第三代移动通信系统的结构分为三层:
物理层、链路层和高层。
各层的主要功能描述如下:
物理层:
它由一系列下行物理信道和上行物理信道组成。
链路层:
它由媒体接入控制(MAC)子层和链路接入控制(LAC)子层组成;MAC子层根据LAC子层不同业务实体的要求对物理层资源进行管理与控制,并负责提供LAC子层业务实体所需的QoS(服务质量)级别。
LAC子层与物理层相对独立的链路管理与控制,并负责提供MAC子层所不能提供的更高级别的QoS控制,这种控制可以通过ARQ等方式来实现,以满足来自更高层业务实体的传输可靠性。
高层:
它集OSI模型中的网络层,传输层,会话层,表达层和应用层为一体。
高层实体主要负责各种业务的呼叫信令处理,话音业务(包括电路类型和分组类型)和数据业务(包括IP业务,电路和分组数据,短消息等)的控制与处理等。
7.1.33G网络的演进策略
我国形成三大运营商竞争3G市场的新格局。
1.GSM向WCDMA网络演进策略
对于无线侧网络的演进,目前普遍认同的方案是在原GSM设备的基础上进行3G网络的叠加。
对于核心网侧的演进,根据核心网侧电路域和分组域的演进方式不同,主要有3种解决方案。
(1)核心网全升级过渡。
在原有的GSM/GPRS核心网的基础上,通过硬件的更新和软件的升级来实现向WCDMA系统的演进。
(2)叠加、升级组合建网。
是将原有GSM/GPRS核心网的电路域进行叠加、分组域进行升级的一种组网方式。
(3)完全叠加建网。
对于电路域,本地网采用完全叠加的方案。
因为长途网一般仅起到话务转接的作用,与GSM作用相同,则WCDMA和GSM可以共享长途网资源。
对于分组域,WCDMA网络PS域骨干网与现有的GPRS骨干网共享,WCDMA网络PS域省网新建SGSN和GGSN,并且由于WCDMA的PS域与GPRS在流程以及核心网的协议方面都非常相似,省网的CG、DNS和路由器等设备与GPRS现网共用。
而对于大多数现网的情况,GPRS网络无法只是通过软件升级过渡到3G的PS域,因此建议采用完全叠加网的方案。
该方案避免了对现有2G业务的影响,易于网络规划和实施,充分保障了现有网络的稳定性,容量不受原有网络的限制;且通过核心网的叠加来引入宽带接入、补充新的频谱和核心网资源,可以分流语音和数据业务,从而刺激业务增长,促进3G系统的发展。
采用叠加方式建设WCDMA网络,不仅有利于3G网络建设的逐步推进,而且为网络向全IP方向演进扫除了障碍。
2.IS-95向CDMA2000的网络演进策略
与GSM系统相比,窄带CDMA系统无线部分和网络部分向第三代移动通信过渡都采用演进的方式。
其中,基于无线部分尽量和原有部分兼容,通过IS-95A(速率9.6/14.4kbit/s)、IS-95B(速率115.2kbit/s)、CDMA20001x(144kbit/s)的方式演进。
CDMA20001x(CDMA2000的单载波方式)是CDMA2000的第一阶段。
通过不同的无线配置(RC)来区分,它可和IS-95A和IS-95B共存于同一载波中。
CDMA20001x增强型CDMA20001xEV可以提供更高的性能,目前CDMA20001xEV的演进方向包括两个方面,仅支持数据业务的CDMA20001xEV-DO(DataOnly)和同时支持数据和语音业务的分支CDMA20001xEV-DV(Data&Voice)。
在CDMA20001x(EV-DO)方面目前已经确定采用Qualcomm公司提出的HDR,在我国各地已经有多个实验局,而在CDMA20001xEV-DV方面目前已有多家方案。
网络部分则将引入分组交换方式,以支持移动IP业务。
在CDMA20001x商用初期,网络部分在窄带CDMA网络基础上,保持电路交换、引入分组交换方式,分别支持话音和数据业务;CDMA2000的网络也将向全IP方向发展;CDMA20001x再往后发展,沿着CDMA20003x(CDMA2000三载波系统)及更多载波方式发展。
3.GSM向TD-SCDMA的网络演进策略
TD-SCDMA标准是由第三代合作项目组织(3GPP)制订,目前采用的是中国无线通信标准组织(CWTS)制订的TSM(TD-SCDMAoverGSM)标准,思想就是在GSM的核心网上使用TD-SCDMA的基站设备,只须对GSM的基站控制器进行升级,以后TD-SCDMA将融入3GPP的R4及以后的标准中
4.中国3G演进之路
对于中国3G网络的建设,首先应该从长期、全局的角度进行规划,进一步融合移动固定业务能力,便于向NGN(NextGenerationNetwork)演进。
其次,第三代网络建设是逐步进行的,第二代网络还将在一定时期内扮演重要角色,所以建设第三代网络是要充分考虑到对现网设备资源的充分整合和有效的利用,3G核心网建设应该对现有网络的影响最小。
第三,我国3G的潜在需求目前主要集中在长三角、珠三角和环渤海地区,因此短期的3G网络建设应该是“孤岛型”网络。
此外,运营商在进行3G网络建设的时候,部分地区的小灵通和2G网络投资将会大大减少,因此3G网络前期投资的绝对增加额并不会太大。
总体来说,针对现在拥有3G牌照的运营商(中国移动、中国联通和中国电信),一般会面临三种建网选择:
新建、升级、叠加,当然实际情况往往会采用其中两种或三种组合策略。
在2009年1月中国确认国内3G牌照发放给三家运营商,分别是中国移动,中国联通还有中国电信。
下面简单介绍他们的演进方案:
(1)中国移动
中国移动获得TD-SCDMA牌照后,也在大力开展3G的演进讨论和技术开发,TD-SCDMA核心网基于GSM/GPRS网络的演进,保持与GSM/GPRS网络的兼容性,核心网也可以基于TDMATM和IP技术,并向全IP的网络演进。
(2)中国联通
中国联通获得WCDMA牌照,在电信重组,CDMA由电信公司运营后,中国联通在3G的演进过程中需要对GSM网络加以考虑。
WCDMA是通用移动通信系统(UMTS)的空中接口技术。
UMTS的核心网基于GSM-MAP,保持与GSM/GPRS网络的兼容性,同时通过网络扩展方式提供基于ANSI-41的核心网上运行的能力,并可以基于TDMATM和IP技术,并向全IP的网络演进。
MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。
(3)中国电信
中国电信获得CDMA2000牌照,对2G向3G演进也作了较大的努力,他们在C网演进到3G的策略是IS-95CDMA(2G)→CDMA20001x→CDMA20003x(3G)。
第一阶段建设一个完善的IS-95A+网络,以支持漫游、机卡分离及向CDMA20001x平滑过渡;第二阶段向CDMA20001x过渡,尽快将单一的话音业务和补充业务模式过渡为业务多元化模式;第三阶段向1xEV-DO或1x/EV-DV方向演进,其中1x代表其载波一倍于IS-95带宽,1xEV-DO和1xEV-DV技术在性能上已超过了3x系统,1xEV将是CDMA2000的演进方向。
7.1.4实现3G的关键技术
第三代移动通信系统关键技术包括以下几个方面,分别进行简单介绍:
1.初始同步与Rake多径分集接收技术
CDMA通信系统接收机的初始同步包括PN码同步,符号同步、帧同步和扰码同步等。
CDMA2000系统采用与IS-95系统相类似的初始同步技术,即通过对导频信道的捕获建立PN码同步和符号同步,通过同步信道的接收建立帧同步和扰码同步。
WCDMA系统的初始同步则需要通过“三步捕获法”进行,即通过对基本同步信道的捕获建立PN码同步和符号同步,通过对辅助同步信道的不同扩频码的非相干接收,确定扰码组号等,最后通过对可能的扰码进行穷举搜索,建立扰码同步。
由于移动通信是在复杂的电波环境下进行的,如何克服电波传播所造成的多径衰落现象是移动通信的另一基本问题。
在CDMA移动通信系统中,由于信号带宽较宽,因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号。
对分辨出的多径信号分别进行加权调整,使合成之后的信号得以增强,从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响。
这种技术称为Rake多径分集接收技术。
为实现相干形式的Rake接收,需发送未经调制的导频(Pilot)信号,以使接收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号的相位,并在此基础上实现相干方式的最大信噪比合并。
WCDMA系统采用用户专用的导频信号,而CDMA2000下行链路采用公用导频信号,用户专用的导频信号仅作为备选方案用于使用智能天线的系统,上行信道则采用用户专用的导频信道。
Rake多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技术。
当移动台处于越区切换状态时,参与越区切换的基站向该移动台发送相同的信息,移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并,从而改善移动台处于越区切换时的接收信号质量,并保持越区切换时的数据不丢失,这种技术称为宏分集和越区软切换。
WCDMA系统和CDMA2000系统均支持宏分集和越区软切换功能。
2.高效信道编译码技术
第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技术。
在第三代移动通信系统主要提案中(包括WCDMA和CDMA2000等),除采用与IS-95CDMA系统相类似的卷积编码技术和交织技术之外,还建议采用Turbo编码技术及RS-卷积级联码技术。
Turbo编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器,并辅之以一个交织器。
两个卷积编码器的输出经并串转换以及凿孔(Puncture)操作后输出。
相应地,Turbo解码器由首尾相接、中间由交织器和解交织器隔离的两个以迭代方式工作的软判输出卷积解码器构成。
虽然目前尚未得到严格的Turbo编码理论性能分析结果,但从计算机仿真结果看,在交织器长度大于1000、软判输出卷积解码采用标准的最大后验概率(MAP)算法的条件下,其性能比约束长度为9的卷积码提高1至2.5dB。
目前Turbo码用于第三代移动通信系统的主要困难体现在以下几个方面:
(1)由于交织长度的限制,无法用于速率较低、时延要求较高的数据(包括语音)传输;
(2)基于MAP的软输出解码算法所需计算量和存储量较大,而基于软输出Viterbi的算法所需迭代次数往往难以保证;(3)Turbo编码在衰落信道下的性能还有待于进一步研究,目前还不够成熟。
3.智能天线技术
从本质上来说,智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。
由于其体积及计算复杂性的限制,目前仅适应于在基站系统中的应用。
智能天线包括两个重要组成部分,一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计,并进行空间滤波,抑制其它移动台的干扰。
二是对基站发送信号进行波束形成,使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台,从而降低发射功率,减少对其它移动台的干扰。
智能天线技术用于TDD方式的CDMA系统是比较合适的,能够起到在较大程度上抑制多用户干扰,从而提高系统容量的作用。
其困难在于由于存在多径效应,每个天线均需一个Rake接收机,从而使基带处理单元复杂度明显提高。
4.多用户检测技术
在传统的CDMA接收机中,各个用户的接收是相互独立进行的。
在多径衰落环境下,由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交,因而造成多个用户之间的相互干扰,并限制系统容量的提高。
解决此问题的一个有效方法是使用多用户检测技术,通过测量各个用户扩频码之间的非正交性,用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。
从理论上讲,使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量。
但一个较为困难的问题是对于基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户数乘以基站端可观测到的多径数。
这意味着在实际系统中等效干扰用户数将多达数百个,这样即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户抵消算法仍使得其硬件实现显得过于复杂。
如何把多用户干扰抵消算法的复杂度降低到可接受的程度是多用户检测技术能否实用的关键。
5.功率控制技术
在CDMA系统中,由于用户共用相同的频带,且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性,用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量,从而使得功率控制技术成为CDMA系统中的最为重要的核心技术之一。
常见的CDMA功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制三种类型。
开环功率控制的基本原理是根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原则,先行测量接收功率的大小,并由此确定发射功率的大小。
开环功率控制用于确定用户的初始发射功率,或用户接收功率发生突变时的发射功率调节。
开环功率控制未考虑到上、下行信道电波功率的不对称性,因而其精确性难以得到保证。
闭环功率控制可以较好地解决此问题,通过对接收功率的测量值及与信干比门限值的对比,确定功率控制比特信息,然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端,并据此调节发射功率的大小。
外环功率控制技术则是通过对接收误帧率的计算,确定闭环功率控制所需的信干比门限。
外环功率控制通过对接收误帧率的计算,调整闭环功率控制所需的信干比门限通常需要采用变步长方法,以加快上述信干比门限的调节速度。
在WCDMA和CDMA2000系统中,上行信道采用了开环、闭环和外环功率控制技术,下行信道则采用了闭环和外环功率技术。
但两者的闭环功率控制速度有所不同,WCDMA为每秒1600次,CDMA2000系统为每秒800次。
6.软件无线电技术(下面字母字体已经修改)
软件无线电是近几年发展起来的技术,它基于现代信号处理理论,尽可能在靠近天线的部位(中频,甚至射频),进行宽带A/D和D/A变换。
无线通信部分把硬件作为基本平台,把尽可能多的无线通信功能用软件来实现。
软件无线电为3G手机与基站的无线通信系统提供了一个开放的、模块化的系统结构,具有很好的通用性、灵活性,使系统互连和升级变得非常方便。
其硬件主要包括天线、射频部分、基带的A/D和D/A转换设备以及数字信号处理单元。
在软件无线电设备中所有的信号处理(包括放大、变频、滤波、调制解调、信道编译码、信源编译码、信号流变换,信道、接口的协议/信令处理、加/解密、抗干扰处理、网络监控管理等)都以数字信号的形式进行。
由于软件处理的灵活性,使其在设计、测试和修改方面非常方便,而且也容易实现不同系统之间的兼容。
3G所要实现的主要目标是提供不同环境下的多媒体业务、实现全球无缝覆盖;适应多种业务环境;与第二代移动通信系统兼容,并可从第二代平滑升级。
因而3G要求实现无线网与无线网的综合、移动网与固定网的综合、陆地网与卫星网的综合。
由于3G标准的统一是非常困难的,IMT-2000放弃了在空中接口、网络技术方面等一致性的努力,而致力于制定网络接口的标准和互通方案。
对于移动基站和终端而言,它面对的是多种网络的综合系统,因而需要实现多频、多模式、多业务的基站和终端。
软件无线电基于统一的硬件平台,利用不同的软件来实现不同的功能,因而是解决基站和终端问题的利器。
具体而言,软件无线电解决了以下问题。
(1)为3G基站与终端提供了一个开放的、模块化的系统结构。
开放的、模块化的系统结构为3G系统提供了通用的系统结构,功能实现灵活,系统改进与升级方便。
模块具有通用性,在不同的系统及升级时容易复用。
(2)智能天线结构的实现、用户信号到来方向的检测、射频通道加权参数的计算、天线方向图的赋形。
(3)各种信号处理软件的实现,包括各类无线信令处理软件,信号流变换软件,同步检测、建立和保持软件,调制解调算法软件,载波恢复、频率校准和跟踪软件,功率控制软件,信源编码算法软件以及信道纠错算法编码软件等。
7.快速无线IP技术(下面字母字体已经修改)
快速无线IP(WirelessIP,无线互联网)技术将是未来移动通信发展的重点,宽频带多媒体业务是最终用户的基本要求。
根据ITM-2000的基本要求,第三代移动通信系统可以提供较高的传输速度(本地区2Mb/s,移动144Kb/s)。
现代的移动设备越来越多了(手机、笔记本电脑、PDA等),剩下的好像就是网络是否可以移动,无线IP技术与第三代移动通信技术结合将会实现这个愿望。
由于无线IP主机在通信期间需要在网络上移动,其IP地址就有可能经常变化,传统的有线IP技术将导致通信中断,但第三代移动通信技术因为利用了蜂窝移动电话呼叫原理,完全可以使移动节点采用并保持固定不变的IP地址,一次登录即可实现在任意位置上或在移动中保持与IP主机的单一链路层连接,完成移动中的数据通信。
8.多载波技术(下面字母字体已经修改)
多载波MC-CDMA是第三代移动通信系统中使用的一种新技术。
多载波CDMA技术早在1993年的PIMRC会议上就被提出来了。
目前,多载波CDMA作为一种有着良好应用前景的技术,已吸引了许多公司对此进行深入研究。
多载波CDMA技术的研究内容大致有两类:
一是用给定扩频码来扩展原始数据,再用每个码片来调制不同的载波。
另一种是用扩频码来扩展已经进行了串并变换后的数据流,再用每个数据流来调制不同的载波。
7.2WCDMA技术
7.2.1WCDMA概述
WCDMA是通用移动通信系统(UMTS)的空中接口技术。
全称为WidebandCDMA,也称为CDMADirectSpread,意为宽频分码多重存取,这是基于GSM网发展出来的3G技术规范,是欧洲提出的宽带CDMA技术,它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同,目前正在进一步融合。
其支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商,日本公司也或多或少参与其中,包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电,以及日本的NTT、富士通、夏普等厂商。
这套系统能够架设在现有的GSM网络上,对于系统提供商而言可以较轻易地过渡,而GSM系统相当普及的亚洲对这套新技术的接受度预料会相当高。
因此WCDMA具有先天的市场优势。
该标准提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。
GPRS是GeneralPacketRadioService(通用分组无线业务)的简称,EDGE是EnhancedDatarateforGSMEvolution(增强数据速率的GSM演进)的简称,这两种技术被称为2.5代移动通信技术。
WCDMA具有以下特点:
(13行7列已经调整上前一字符)
(1)调制方式:
上行为HPSK,下行为QPSK;
(2)解调方式:
导频辅助的相干解调;
(3)接入方式:
DS-CDMA方式;
(4)三种编码方式:
在话音信道采用卷积码(R=1/3,K=9)进行内部编码和Viterbi译码;在数据信道上采用ReedSolomon编码;在控制信道采用卷积码(R=1/2,K=9)进行内部编码和Viterbi译码;
(5)适应多种速率的传输,可灵活地提供多种业务,并根据不同的业务质量和业务速率分配不同的资源。
同时对多速率、多媒体的业务,可通过改变扩频比(对于低速率的32kbit/s,64kbit/s,128kbit/s的业务)和多码并行传送(对于高于128
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