移动通信(第7章)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,61,页,移动通信,朱仁祥,zhurx,电子与信息工程学院,第七章 第三代,移动通信系统及,增强技术,7.1,概述,7.2,IS-95,7.3,CDMA2000 1x,7.4,WCDMA,7.5,TD-SCDMA,7.6,CDMA2000 1x,EVDo,7.7,HSDPA,概述,对,3G,系统的总体要求,在服务质量方面,对话音质量的改进；无缝覆盖；降低费用；改进服务质量；增加效率和能力,在新业务和能力方面,灵活接入能力、业务能力，实现在,1G,和,2G,中不能实现的新话音和数据业务；低费用提供宽带业务；按需自适应分配带宽,在发展和演进能力方面,与,2G,共存、互通，实现,2G,到,3G,的平滑过渡,在灵活性方面,提供高级别的互通，包括多功能、多环境能力、多模式操作和多频带接入,3G,系统的特点,具有全球性漫游的特点,系统终端类型多种多样,提供高质量的话音和数据业务，宽范围的数据速率，不对称数据传输能力，更高级的鉴权和加密算法，提供更强的保密性,能与第二代系统的共存和互通,包括卫星和地面两个网络，适用于多环境，更高的频谱利用率，降低同速率业务的价格,可同时提供话音、分组数据和图像，并支持多媒体业务,3G,系统结构,系统组成,四个功能子系统：核心网,CN,、,无线接入网,RAN,、,移动终端,MT,和用户识别模块,UIM,系统标准接口,网络与网络接口,NNI,无线接入网与核心网之间的接口,RAN-CN,无线接口,UNI,用户识别模块和移动台之间的接口,UIM-MT,结构分层,物理层,由一系列下行物理信道和上行物理信道组成,链路层,由,MAC,子层和链路接入控制,LAC,子层组成,MAC,子层根据,LAC,子层的要求对物理层资源管理与控制，并提供,LAC,子层所需的,QoS,级别,LAC,子层采用与物理层相对独立的链路管理与控制，并通过,ARQ,等方式提供,MAC,子层所不能提供的更高级别的,QoS,控制，以满足高层业务实体的传输可靠性,高层,集,OSI,模型中的网络层、传输层、会话层、表示层和应用层为一体,主要负责各种业务的呼叫信令处理，话音业务和数据业务的控制与处理等,第三代移动通信的标准化概况,主要标准及提案,序号,提交技术,双工方式,应用环境,提交者,1,J：W-CDMA,FDD、TDD,所有环境,日本：,ARIB,2,ETSI-UTRA-UMTS,FDD、TDD,所有环境,欧洲：,ETSI,3,WIMS W-CDMA,FDD,所有环境,美国：,TIA,4,WCDMA/NA,FDD,所有环境,美国：,T1P1,5,Global CDMA ,FDD,所有环境,韩国：,TTA,6,TD-SCDMA,TDD,所有环境,中国：,CATT,7,cdma2000,FDD、TDD,所有环境,美国：,TIA,8,Global CDMA ,FDD,所有环境,韩国：,TTA,9,UWC-136,FDD,所有环境,美国：,TIA,10,EP-DECT,TDD,室内、室外到室内,欧：,ETSI DECT,计划,宽带,CDMA,为主流,WCDMA,基于,GSM,cdma2000,基于,IS-95CDMA,TD-SCDMA,WCDMA,与,cdma2000,的区别,三个区别,码片速率,cdma2000,：,1.2288Mc/s,或,3.6864Mc/s,WCDMA,：,3.84Mc/s,基站同步方式,cdma2000,：用,GPS,使基站间严格同步,WCDMA,：,同步,/,异步相结合的方式,导频信道方式,cdma2000:,公共导频方式,WCDMA,：,专用时分导频上引入公共连续导频,WCDMA,与,cdma2000,的区别,参数,WCDMA,cdma2000,最小带宽(,MHz),5,1.25/5,采用技术类型,直接序列扩频(,DS),多载波(,MC),码片速率(,Mchip/s,),3.84,1.2288/3.6864,基站间同步,异步/同步,同步,下行信道导频,专用信道采用导频符号与业务数据流时分复用(,TM)，,并采用公共连续导频,采用独立的连续导频业务码道共用(,CM),帧长(,ms),10,20,话音编码,固定速率,可变速率,功率控制速度(,Hz),1600,800,3G,网络的演进,GSM,网络向,WCDMA,的演进,3G,网络的演进,IS-95 CDMA,网络向,cdma2000,的演进,实现,3G,的关键技术,初始同步与,Rake,多径分集接收技术,初始同步：,PN,码同步、符号同步、帧同步和扰码同步,cdma2000,：,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,：“,三步捕获法”，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，通过对扰码穷举搜索，建立扰码同步,Rake,多径分集接收技术,相干,Rake,接收：发送未调导频信号，收端在确知已发数据条件下估计出多径信号的相位，并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；在,cdma2000,下行链路采用公用导频信号，上行信道采用用户专用的导频信道,Rake,多径分集技术的另一种体现形式是宏分集及越区切换技术,高效信道编译码技术,采用卷积编码、交织技术,Turbo,编码技术,采用两个并行相连的系统递归卷积编码器，并辅以一个交织器,卷积编码器的输出经并串变换及打孔操作后输出,相应的解码器由首尾相接、中间由交织器和解交织器隔离的两个迭代方式工作的软判输出卷积解码器构成,Turbo,编码技术实现困难,由于交织长度限制，无法用于速率较低、时延要求较高的数据传输,基于,MAP,的软输出解码算法所需计算量和存储量大,在衰落信道下性能有待研究,智能天线技术,目前仅适应在基站系统中应用,用于扩大基站覆盖范围、减少所需的基站数,两个重要的组成部分,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，抑制其他移动台的干扰，改善信号的传输质量，提高所需信号方向的接收灵敏度,二是对基站发送信号波束形成，使基站发送信号能沿,MS,电波的到达方向送回,MS,，,从而降低发射功率，减少对其他,MS,的干扰,实现关键,多波束形成技术,自适应干扰抑制技术,空时二维的,RAKE,接收技术,多通道的信道估计,均衡技术,困难,存在多径效应，每个天线均需一个,Rake,接收机，使基站处理单元复杂度提高。,WCDMA,和,cdma2000,中支持智能天线的关键技术,WCDMA,可在整个覆盖区域内实现多波束切换技术；标准中定义了专用导频，易实现自适应天线阵列技术,cdma2000,一般在局部热点区域内实现，由于未定义下行专用导频，实现相对困难,多用户检测,(MUD),技术,扩频码准正交造成多个用户间的相互干扰，限制了系统容量的提高,多用户检测称为联合检测和干扰对消，降低多址干扰，消除远近效应，提高系统的容量,通过测量各用户扩频码间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户间的相互干扰,实现关键是把多用户干扰抵销算法的复杂度降低到可接受的程度,功率控制技术,WCDMA,和,cdma2000,中，上行信道采用开环、闭环和外环功率控制技术，下行信道采用了闭环和外环功率控制技术,WCDMA,和,cdma2000,中闭环功率控制速度不同，前者为每秒,1600,次，后者为每秒,800,次,外环功控：通过对接收误帧率的计算，确定闭环功控所需的信干比门限,通常需采用变步长方法，以加快对信干比门限的调节速度,我国第三代移动通信系统的频率规划,频率范围（,MHz,）,工作模式,业务类型,备注,1920,1980,/2110,2170,FDD,（频分双工）,陆地移动业务,主要工作频段,1755,1785,/1850,1880,FDD,陆地移动业务,补充工作频段,1880,1920,/2010,2025,TDD,（时分双工）,陆地移动业务,主要工作频段,2300,2400,TDD,陆地移动业务,补充工作频段，无线电定位业务共用,825,835/870,880,885,915/930,960,1710,1755/1805,1850,FDD,陆地移动业务,之前规划给中国移动和中国联通的频段，上下行频率不变,1980,2010,/2170,2200,卫星移动业务,Is-95,7.2,IS-95,标准发展历程,is-95,标准发展历程,iS-95 B,IS-95 A,CDMA,技术的地位,cdmaOne,IS-95 A,产生过程,关键技术,1989,年,Qualcomm,公司提出了,CDMA,蜂窝移动通信系统的实现方案,1993,年 美国电信工业协会（,TIA,） 将,CDMA,系统确定为一个暂定标准,IS-95,标准,1995,年 形成了一个修订版本,IS-95A,，并投入商用,功率控制,软切换,多种形式的分集技术,需求,较高速率数据业务,新标准,标 准,制定时间,说 明,ANSI J-STD-008,1995,年,属于个人通信系统的,CDMA,标准,TSB-74,1995,年,用于描述,IS-95A,系统和,PCS,系统相互间的交互关系,IS-95B,1998,年,又称为,TIA/EIA-95,IS-95 B,的产生,IS-95 B,的特点,IS-96B,简介,内容,IS-95A,+,TSB-74,+,ANSI J-STD-008,核心思想,在,不改变,IS-95A,物理层的前提下，通过,自适,应信道捆绑技术,来提供高速数据业务,新算法,新的,软切换,算法增加了,动态门限,由于种种原因，,IS-95 B,未能大规模,商用,CDMA20001x,7.3,CDMA 2000,技术发展进程,图,10-2 CDMA2000,技术发展演进过程,IS-95A,CDMA,IS-95B,CDMA,CDMA2000 1x,CDMA2000 3x,CDMA2000,1x EV-DO,CDMA2000,1x EV-DV,CDMAOne,CDMA2000,2G,3G,话音业务,话音业务,数据业务,x,商用,cdma2000,技术,演进,采用码片速率为,1.2288Mc/s,的单载波直接序列扩频方式,方便地,与,IS-95,后向兼容，实现平滑过渡,注意,BTS,和,BSC,等无线设备的演进,BTS,：天线、射频滤波器和功率放大器等射频部分可相同，而基带信号处理部分必须更换,BSC,：必须具有分组交换功能,无线接口：,功能上有了很大的增强,在软切换方面将原来的固定门限变为相对门限，增加了灵活性,前向快速寻呼信道可实现寻呼或睡眠状态的选择,前向链路发射分集技术可减少发射功率，抗瑞利衰落，增大系统容量,反向相干解调提高了反向链路的性能，降低了移动台发射功率，提高了系统容量,连续的反向空中接口波形可降低对发射功率的要求、增加系统容量,仅在前向辅助信道和反向辅助信道中使用,Turbo,码,支持多种帧长，不同的信道中采用不同的帧长，较短的帧可减少时延，但解调性能较低；较长的帧可降低发射功率要求,前向基本信道、前向专用控制信道、反向基本信道、反向专用控制信道采用,5ms,或,20ms,帧,前向辅助信道、反向辅助信道采用,20ms,、,40ms,或,80ms,帧；话音信道采用,20ms,帧,增强的媒体接入控制功能控制多种业务接入物理层，保证多媒体的实现,采用了前向快速功控技术提高了前向信道的容量，减少了基站耗电,cdma2000 1X,比,IS-95 CDMA,系统性能提高,采用传输分集发射技术和前向快速功控后，前向信道的容量约为,IS-95 CDMA,系统的,2,倍,业务信道采用,Tubro,码而具有,2dB,的增益，容量提高到未采用,Tubro,码时的,1.6,倍,从网络系统的仿真结果来看,传送语音：,cdma2000 1X,系统容量是,IS-95 CDMA,的,2,倍,传送数据：,cdma2000 1X,系统容量是,IS-95 CDMA,的,3.2,倍,cdma2000 1X,中引入快速寻呼信道，减少了,MS,电源消耗，延长了,MS,待机时间，支持,cdma2000 1X,的,MS,待机时间是,IS-95 CDMA,的,15,倍或更多,cdma2000,新的接入方式，减少呼叫建立时间，减少,MS,在接入过程中对其他用户的干扰,WCDMA,7.4,WCDMA,的标准体系,版本,完成时间,RAN,CN,R99,1999,年,12,月,无线接口标准采用,UTRA,的,3.84Mchip/sFDD,和,TDD,模式，,I,u,系列接口采用,ATM,承载,基于演进的,GSM,、,MSC,和,GPRS,、,GSN,，开放的业务架构,R4,2001,年,3,月,TDD,无线接口采用,1.28Mchip/s,的,LCR,模式，即,TD-SCDMA,电路域的控制,与业务分离,R5,2002,年,3,月,基于,IP,的,RAN,结构，,HSDPA,支持,10Mbit/s,速率,全,IP,网络结构,WCDMA,的主要参数,多址接入方式,DC-CDMA,双工方式,FDD/TDD,基站同步,异步方式,码片速率,3.84Mchip/s,帧长,10ms,载波带宽,5MHz,多速率,可变的扩频因子和多码,检测,使用导频符号或公共导频进行相干检测,多用户检测、智能天线,标准支持，应用时可选,业务复用,具有不同服务质量要求的业务复用到同一个连接中,WCDMA,GSM,载波间隔,5MHz,200KHz,频率重用系数,1,118,功率控制频率,1500,Hz,2Hz,或更低,服务质量控制,QoS,无线资源管理算法,网络规划（频率规划）,频率分集,可采用,Rake,接收机进行多径分集,跳频,分组数据,基于负载的分组调度,GPRS,中基于时隙的调度,下行发分集,支持，以提高下行链路的容量,不支持，但可应用,基站同步方式：支持异步和同步的基站运行,信号带宽：,5MHz,码片速率：,3.84Mc/s,发射分集方式：,TSTD,、,STTD,、,FBTD,信道编码：卷积码、,Turbo,码,调制方式：,QPSK,功率控制：上下行闭环、开环功率控制,解调方式：导频辅助的相干解调方式,语音编码：,AMR,WCDMA,的语音演进,WCDMA,采用,AMR,语音编码,速率：,4.75,12.2Kbit/s,采用软切换和发射分集，提高容量,提供高保真的语音模式，并进行快速功率控制,WCDMA,的数据演进,WCDMA,支持最高,2Mbit/s,的数据业务，支持包交换,目前采用,ATM,平台,TD-SCDMA,7.5,SDMA,方式,通过空间的分割来区分不同的用户,基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的波束,扇形天线可被看作是,SDMA,的一个基本方式,SDMA,原理：,SDMA,基站由多个天线和收发信机组成,用与多个收发信机相连的,DSP,来处理接收到的多路信号，精确算出每个,MS,相应无线链路的空间传播特性，可得上下行波束赋形矩阵，利用该矩阵通过多个天线对发往,MS,的下行链路信号空间合成，使,MS,所处位置接收信号最强,SDMA,技术可以大致估算出每个用户的距离和方位,SDMA,方式与,CDMA,的性能互补,当几个用户靠得很近，,SDMA,技术无法精确分辨用户位置，每个用户都受到了邻近其他用户的强干扰而无法正常工作，采用,CDMA,的扩频技术可轻松降低其它用户的干扰,SDMA,只需起到部分降低干扰的作用,SCDMA,可采用最简化的波束赋形算法，加快运算速度，确保在,TDD,的上下行保护时间内完成所有信道估计和波束赋形计算,TD-SCDMA,中“,S”,表示空分多址,(SMQRT ANTENNA,智能天线,),、,SOFT RADIO(,软件无线电,),和,SYSCHRONUS(,同步,),TD-SCDMA,的主要技术与参数,参数,内容,多址接入技术和双工方式,多址方式：,TDMA/CDMA,双工方式：,TDD,码片速率,1.28,Mchip/s,帧长和结构,子帧长：5,ms,每帧7个主时隙，每时隙长675,s,占用带宽,小于1.6,MHz,相邻信道泄漏功率比,ACLR（,发射端）,UE：,(,功率等级：+21,dBm,),ACLR（1.6MHz）=33dB,ACLR（3.2MHz）=43dB,BS：ACLR（1.6MHz）=40dB,ACLR（3.2MHz）=50dB,TD-SCDMA,的主要技术与参数,参数,内容,相邻信道选择性,ACS,(,接收端),UE：,(,功率等级：+21,dBm,),ACS=33dB,BS：ACS=45dB,随机接入机制,在专用上行时隙的,RACH,突发,信道估计,训练序列,基站间的同步和非同步运行,同步,时隙帧结构,帧结构,以,10ms,为一个帧时间单位,每个帧分为了两个,5ms,的子帧,缩短每一次上下行周期的时间，在尽量短的时间内完成对用户的定位,子帧结构,：,子帧结构,分为,7,个普通时隙,(TS,0,TS,6,),、,一个下行导频时隙,(,DwPTS,),、,一个上行导频时隙,(,UpPTS,),和一个保护间隔,(GP),；,切换点是上下行时隙之间的分界点,通过该分界点的移动，可调整上下行时隙的数量比例，适应各种不对称分组业务,时隙上的箭头方向表示上行或下行,TS0,必须是下行时隙，,TS1,一般是上行时隙,UpPTS,和,DwPTS,：,专门用于上行同步和小区搜索,信息格式,每个时隙的信息只有一种脉冲类型,数据信息块,1,、数据信息块,2,、同步控制,SS,、,TPC,符号、,TFCI,符号、训练序列,Midamble,和保护间隔,GP,训练序列是用来区分相同小区、相同时隙内的不同用户的,TFCI,用于指示传输的格式,TPC,用于功率控制,SS,是,TD-SCDMA,特有的，用于实现上行同步,TD-SCDMA,技术标准,工作在,TDD,方式,下，在,CDMA,的基础上，引入了,TDMA,的性质，把一帧分成几个时隙，每个时隙可以用作上行或者下行，一个时隙内的用户用不同的码字来区分。,TDD,系统特别适用于上下行不对称，具有不同数据传输速率的业务；,此外其上下行链路由于工作于同一频率，使之便于使用诸如智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的,TD-SCDMA,技术标准,TD-SCDMA,系统有以下技术特点,时分双工,上下行链路共用一个频率,非常适合承载这类不对称业务。,发射机根据接收的信号，就能够知道无线信道的衰落情况。这在一定程度上降低了对功率控制的要求，,TD-SCDMA,系统上行链路上，可以只采用开环功率控制。,TD-SCDMA,系统的这个特点也给采用智能天线等关键技术带来了方便。,TD-SCDMA,技术标准,上行同步,上行链路各终端信号在基站解调器完全同步,消除了多址干扰，提高了系统容量，频谱利用率,同步,CDMA,的缺点是系统对同步的要求非常严格，上行的同步要求为,1/8,码片宽度，网络同步要求为,5s,。,系统同步要求在基站有,GPS,接收机或公共的分布式时钟，增加了系统成本。,TD-SCDMA,技术标准,采用智能天线,自适应地对用户进行跟踪定位，使信号在有限的方向区域发送和接收,充分利用了信号的发射功率，降低了传统天线带来的相互干扰，极大地改善无线系统的性能，增加,CDMA,系统容量，并改善小区覆盖。,采用联合检测技术,把所有用户的信号都当作有用信号处理，充分利用各用户信号的用户码、幅度、定时、延迟等信息,从而大幅度降低多径多址干扰 ，提高频谱效率显著提高,TD-SCDMA,技术标准,采用动态信道分配（,DCA,）,基站知道下行链路使用的时隙、码字和相应发射功率。如果移动台检测到干扰情况已完全不同于已有的，移动台可以请求启动一个快速小区内切换程序跳到干扰低的时隙。,上行链路是基于基站接收上行的干扰，分配最低干扰的时隙给移动台作发射信号用。,TD-SCDMA,技术标准,采用接力切换,实现,根据用户的方位和距离信息，判断手机用户现在是否移动到应该切换给另一基站的临近区域。如果进入切换区，便可通过基站控制器通知另一基站做好切换准备，达到接力切换的目的。,优点,接力切换可提高切换成功率，降低切换时对临近基站信道资源的占用。,要求,基站控制器（,BSC,）实时获得移动终端的位置信息，并告知移动终端周围同频基站信息，移动终端同时与两个基站建立联系，切换由,BSC,判定发起，使移动终端由一个小区切换至另一小区。,CDMA20001xEvDo,7.6,cdma2000 1xEV-DO,简介（,1,）,cdma2000 1x EV-DO,系统通过与话音业务不同的独立载波提供高速数据业务，其前向链路数据速率最高可达,2.4Mbps,，反向链路数据速率最高可达,153.6Kbps,。,cdma2000 1x EV-DO,的,射频特性和,IS-95,以及,cdma2000 1x,的射频特性一致，包括：码片速率相同，链路预算相兼容，网络设备和终端设备的射频设计等也相同。,1x EV-DO,在前向链路上采用了多项与,cdma 2000 1x,差别较大的技术。,cdma2000 1xEV-DO,简介（,2,）,1x EV-DO,系统前向链路的主要特点有：,采用时分多址方式,采用动态速率控制,采用快速自适应的调制编码,采用灵活的调度算法,采用快速小区交换,HSDPA,7.7,HSDPA,简介,为了满足上下行数据业务的不对称的需求，,提出了一种基于,WCDMA,的增强型技术，即高速下行分组接入（,HSDPA,）技术，以实现最高速率可达,10Mbps,的下行数据传输,。,HSDPA,新增加了用于承载下行链路的用户数据的物理信道：高速下行共享信道（,HS-DSCH,），以及相应的控制信道,。,采用以下几项关键技术：自适应调制和编码（,AMC,）、混合自动请求重传（,HARQ,）、快速小区选择（,FCS,）、多输入多输出天线技术（,MIMO,）等，来保证高速数据业务的可靠传输。,