第三代移动通信3G网络建设技术探讨毕业设计论文

I 中文摘要 信息化是当今世界发展的重要主题，进入 20 世纪 90 年代以来，全球的信息化建设已经拉开了序幕，只有拥有信息资源开发和网络应用优势，才能掌握信息化建设的主动权。信息化，尤其是信息基础设施的建设，已成为各国综合国力的象征。作为信息业的主产业移动通信的发展自然成为重中之重。 第三代移动通信是当前全球信息通信产业领域的热点，也是各方面关注的焦点。数字化和网络化已成为不可逆转的趋势 ,3G 网络 将为用户提供表现力更加丰富的音频、视频等多媒体内容的业务。 第三代移动通信（ 3G）的发展经历了体制标准之争，已逐步演进到 标准的完善和设备开发之争以及未来的产业发展之争。面对激烈的竞争形势，快速提供业务、减少带宽资费、提高通信服务质量成为移动运营商在市场竞争中获胜的关键因素，这些关键因素之争的焦点又集中在基础网络建设，传输网是电信网的基础网络，因此， 3G 传输网的建设在整个3G 网络发展中扮演重要角色。 全文以第三代移动通信（ 3G）网络建设为主题，进行分析和讨论。介绍了， 3G 发展状况和其所处的国内及国外的良好而深具挑战性的发展环境。较为系统地对 3G 网络建设所用到的主要技术进行了全面的叙述和分析。 关键词： CDMA， WCDMA， TD-CDMA， 接力切换 II The Third Generation Mobile Telecommunication (3G) Network Technology Abstract The information-based is the important topic that world develop nowadays, which enters since 90s in 20 centuries. The information-based construction of the world has already drawn back the prologue, only owning the information resources development and networks to apply the advantage, then can control active power of the information-based construction. information-based， has been the standard every countries The development nature that is the main industry of the information industry to move the correspondence becomes heavy to win of heavy. The development of the third generation mobile communication experienced the competition of the system, it have already gradually evolved the standard of perfection, the development of the equipments and the competition of the future industry development. Facing the vigorous competition situation, it becomes a triumphant key factor in the market that is quickly providing the business, reducing the cost of bandwidth and exaltating the service quantity of communication. The focus of the key factor is the construction of the basal network. Transport network is the foundation network, so the construction of the 3G transport network play an important role in the whole network. How to go to the relation between the traditional service and the burgeoning data service, the relation between the existing network and the Large-scale 3G network, comprehensive technique cost and customer need, which to choose the technique and the project, all of them is the problem which we must consider. This article take the third generation mobile telecommunication (3G) as the topic, carrying on the analysis and discussing. First， it introduced the development of 3G and the good and challenging environment。 Go deep into the technique foundation of analyze its most and the key technique The full text compares to carried on the overall description and analysis to the background that the 3G network construction and the main technique use systematically. Key words: CDMA， WCDMA， TD-CDMA， Connect the dint cut over 1 目录 中文摘要 . I Abstract. II 第 1 章 绪论 . 1 1.1 背景介绍 . 1 1.2 国外的发展状况 . 2 1.3 国内的发展状况 . 2 1.4 全文概述 . 3 第 2 章 CDMA 技术分析 . 4 2.1 RAKE 接收机 . 4 2.2 多用户检测 . 4 2.3 功率控制 . 5 2.4 软切换 . 6 2.4.1 软切换的实现 . 6 2.5 TURBO编码 . 7 2.6 分集技术 . 7 第 3 章 第三代移动通信（ 3G）协议标准及技术分析 . 9 3.1 CDMA2000 . 9 3.1.1 前向快速功率控制技术 . 9 3.1.2 前向快速寻呼信道技术 . 9 3.1.3 前向链路发射分集技术 . 9 3.1.4 反向相干解调 . 10 3.1.5 连续的反向空中接口波形 . 10 3.1.6 Turbo 码使用 . 10 3.1.7 灵活的帧长 . 10 3.1.8 增强的媒体接入控制功能 . 10 3.2 WCDMA .11 3.2.1 RAKE 接收 .11 3.2.2 功率控制 .11 3.2.3 切换 .11 3.2.4 多用户检测 . 12 3.3 TD-SCDMA . 12 3.3.1 TDD 模式 . 12 3.3.2 低码片速率 . 13 3.3.3 上行同步 . 13 3.3.4 接力切换 . 13 3.3.5 智能天线 . 14 3.3.6 软件无线电技术 . 14 3.4 三种技术的比较 . 14 3.4.1 三大标准的技术层面比较 . 14 3.4.2 性能比较 . 15 2 3.4.2 三大标准的技术优劣势分析 . 17 第 4 章 无线接入网络体系结构 . 19 4.1 无线接入网络体系结构图 . 19 4.2 无线接口介绍 . 19 4.2.1 空中接口 . 19 4.2.2 MAC . 20 4.3 IU接口 . 22 4.3.1 Iu CS 协议 . 22 4.3.2 Iu PS 协议 . 23 4.3.3 Iur 接口 . 23 4.3.4 Iur 接口 . 24 第 5 章 HSDPA . 27 5.1 HSDPA 技术概述 . 27 5.2 快速 L1 H-ARQ 技术 . 28 5.3 自适应调制 和编码 . 28 5.4 快速分组调度、时序安排和调度从 RNC 转移到 NODE B . 28 5.5 短帧长度 (TTI=2MS) . 29 第 6 章 智能天 线技术的接力切换控制 . 32 6.1 接力切换执行分析 . 32 6.2 接力切换信令分析 . 34 6.2.1 接力切换过程（采用的是移动台辅助切 换方式）成功进行的信令流程： . 34 6.2.2 分析比较接力切换与硬切换 . 35 总结 . 37 致谢 . 38 参考文献 . 39 第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 1 第一章 绪论 信息化是当今世界发展的重要主题，进入 20 世纪 90 年代以来，全球的信息化建设已经拉开了序幕，只有拥有信息资源开发和网络应用优势，才能掌握信息化建设的主动权。信息化，尤其是信息基础设施的建设，已成为各国综合国力的象征。作为信息业的主产业移动通信的发展自然成为重中之重。 进入 21 世纪后，移动通信在全球范围内迅猛发展，数字化和网络化已经 成为不可逆转的趋势。截止到 2005 年底，我国移动电话用户已经达到 3.9 亿，每年新增用户在 5000万左右，预计到 2010 年，我国移动用户将达到 7 亿左右。伴随着 GSM 在中国的发展和完善，目前，它已经进入产品生命周期的成熟阶段，并开始暴露出其固有的局限性。 900MHZ网络系统容量日趋紧张，有些地区 GSM900MHz 频率资源已基本用完 1。而且， 2G 只能提供话音和低速率数据业务，而在当前信息时代，图像、话音和数据相结合的多媒体业务和高速率数据业务的业务量大大增加。为了寻找频率利用率更高，通信容量更大，能在全球范围 内更好地实现无缝漫游以及为用户提供多媒体业务的移动通信系统，第三代移动通信系统（ 3G）应运而生，并迅速成为全球信息界的热点话题。 为推动 3G 的有利发展，我国也正在加紧步伐。信息产业部提出了“积极跟进、先行试验、培育市场、支持发展”的指导原则，并组织了大规模的网络技术试验，包括系统和设备功能及其互连互通、兼容性、可操作性等内容。由中国的发展改革委员会支持，从去年开始已经启用了相当大量的发展基金。而为了在 2008 年的北京奥运会时能用上 3G 服务，中国有望于今年发放 3G 牌照，且近日国家发改委高新技术斯透露信息表示， 政府已经开始着手 3G 手机核准的相关制度安排。 据业内人士预测， 3G 网络的建设很有可能于今年开始启动，随着我国移动通信的发展，第三代移动通信炙手可热， 3G 时代即将来临，随着 3G 牌照的发放， 3G 系统的建设将大力发展。而作为一项规模大，技术新的工程，网络建设在第三代移动通信系统的建设中占据着主导的地位。对其网络建设进行研究是信息健康发展的需求，也是信息时代发展的必然过程。 1.1 背景介绍 移动通信是近年来通信行业中发展最为迅速的技术和业务之一。 第二代移动通信系统，促使语音业务走向了无线传输方式。在无线通信市场最 为发达的一些国家，移动电话的数量已经超过了固定电话的数量，并且移动电话的普及率超过了 80%。在我国，移动通信经历了从无到有，从第一代模拟移动通信到第二代的 GSM 和 CDMA 移动通信的发展过程，经历了有小变大的奋斗历程。在短短十几年的时间里，中国移动市场已经发展成为世界上最大的市场之一。然而，随着移动用户的急剧增加，第二代移动通信（ GSM）已不能福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 2 满足人们的需求，第三代移动通信（ 3G）系统则应市场需求，进入我国信息市场。 第三代移动通信技术是按照国际电信联盟提出的 IMT-2000 标准而设计的新一代移动通信系统。与 第一代 模拟移动通信技术 和第二代蜂窝移动通信系统相比较，第三代移动通信系统采用了 CDMA 技术，基于全 IP 网络， 频谱利用率高，业务承载能力强， 具有支持更多的用户数量、系统容量，支持多媒体等高速数据业务等特点。第三代移动通信技术的发展，日新月异，正在向着 提供世界范围的覆盖和在多网络之间进行无缝漫游 的基本目标迈进 。第三代移动通信是一种既有地面系统，又有卫星系统的全球覆盖的综合系统，业务包括语音、宽带数据、图像和多媒体业务等，具有高智能度的、能支持个人通信的全球化的先进通信系统。 它的技术主要包括 CDMA-2000、 WCDMA、 TD-SCDMA 三种标准。 1.2 国外的发展状况 国外 3G 业务的发展经历了标准制定、许可证颁发、基础设施网络建设等阶段后，陆续有一些国家的运营商逐渐进入商用发展阶段。目前提供了 3G 业务的公司主要有欧美，日韩等地区，而且多采用 CDMA2000 和 WCDMA 技术。 其中， 2000 年 10 月，韩国使用 CDMA20001X 推出商用 CDMA20001X-DO 业务的国家。 2001 年 10 月 1 日，日本的 NTT Do Co Mo 推出基于 WCDMA 的技术的商用 3G 业务服务。 随着 3G 的主要技术 CDMA 的逐渐成熟，早 在 1999 年芬兰就在全球率先颁发了 3G 许可证，从此掀起了全球 3G 许可证的发放浪潮， 2000 年和 2001 年是 3G 许可证发放最集中的年份。到目前为止，绝大多数发达国家和部分发展中国家都颁发了 3G 许可证。 至 2004年一月，全球共颁发了 125张 3G许可证。在所有的许可证的持有者中， WCDMA的有 117 家，选择 CDMA2000 的 3 家 2。 1.3 国内的发展状况 3G 的发展已经成为我国移动通信领域的焦点所在。 2002 年到 2004 年， 3G 上升为关系国家大局的一件大事，首先 ， 国家成立了 3G 联合领导小组，由信息产业部 、科技部、发改委等单位的副司长以上人员组成，共同商讨 3G 发展中的新问题。而信息产业部的工作也更加具体，除了继续承担标准制定等工作之外，同时，在这三年里，也组织了一轮又一轮大规模的测试。 截至目前为止，已经完成了室内和室外的两次测试。 第一阶段的室内测试，开始于 2002 年，根据信息产业部的要求，首先是对单系统的功能、业务进行测试，除了测试单机之外，还做了设备之间的 互操性 、 2G 和 3G 的之间的漫游等功能的测试，这个测试是在一个测试平台上测试的，也是在信息产业部 MGNET平台上面测试的。第一年的测试中，信息产业部清 醒地看到， 3G 距离中国还有一段距离，但是到 2003 年 9 月，当室内测试正式结束时，情况发生了相当大的变化，科技司司长闻库曾代表信产部表示，对 “这个测试结果还是比较满意的 ”。 第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 3 而在紧接着进行的第二阶段外场测试：试验地点选在技术力量比较强的三个城市北京、上海、广州，可以看出信产部对于外场测试寄予了厚望 。主要包括了 网络技术试验阶段（网络和业务），包括终端、互操作、网络性能、业务应用、网管 /计费进行测试，还有无线干扰，包括 WCDMA、 CDMA2000 和 TDSCDMA 之间及与 GSM 和 PHS 之间的测试。 主要是 为 3G 网络 运营 的 开展积累经验。外场试验 ， 三种技术基本上都参与 其中 ，TDSCDMA 在北京和上海进行试验， WCDMA 在北京、上海、广州三个城市进行了试验，CDMA2000 也在北京、上海、广州进行试验。国内六大运营商都参与了试验，整体试验在三个城市进行的。这阶段的测试的目的是为运营商对网络规划、设计和业务提供积累经验，同时为无线电频谱规划提供一些技术依据，对信息产业部已经制定的 3G 技术文件，即将成为中国第三代移动技术标准的文件进行一次最后的验证。 2005 年，全球 3G 市场迅速发展。截至 9 月，全球 3G 用户跨越 2 亿大关。受全球 3G 高速发展以及中国将在 2008 年奥运会上提供 3G 业务承诺的驱动，中国 3G 市场各方紧锣密鼓，加快步伐。虽然 3G 还未如预期那样进入大规模商用阶段， 但是， 技术开始成熟，市场已经初具规模，相关发展策略进入了探讨阶段。总体来看， 3G 启动的时机基本上已经成熟 。 1.4 全文概述 本文以第三代移动通信（ 3G）网络建设为主题，进行分析和讨论。首先介绍了， 3G发展状况和其所处的国内及国外的良好而深具挑战性的发展环境。深入分析其最主要的技术基础， CDMA 的主要原理和 CDMA 所应用到的关键技术。对其 CDMA 的关键技术 RAKE接 收机、多用户检测、功率控制、软切换、 Turbo 编码、分集接收分别进行介绍。 文中对 3G 网络建设所涉及到的三种主要的协议标准 CDMA2000、 WCDMA、TD-SCDMA 进行介绍，分析了各个协议标准的关键技术，并在技术层面上对其进行重点比较。网络接口和传输问题是 3G 网络建设技术的主要部分。在网络接口中，空中接口 Uu接口和 Iu 接口是两个最关键接口。在传输上，介绍了高速下行链路分组接入 HSDPA 技术。HSDPA 是一种基于分组的数据服务，它增强了移动数据传输的下行部分 。 全面详细地分析了接力切换的整个过程，并通过 流程图对其信令进行讲解了，使我们能够更好的理解其原理及工作过程。 全文较为系统地对 3G 网络建设的背景和所用的主要技术进行了全面的叙述和分析。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 4 第二章 CDMA技术分析 移动通信系统按多址连接方式分，可分为频分多址 (FDMA)、时分多址 (TDMA)和码分多址 (CDMA)。 码分多址是第三代移动通信发展的基础主题。 CDMA 是码分多址 Code Division Multiple Access 的英文缩写，它是在数字技术的分支 扩频通信技术上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术 3。 CDMA 技术的原理是以扩频 技术为基础， 即将需传送的具有一定信号带宽信息数据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信息通信 。 码分多址利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式，不像 FDMA、 TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，而是在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混 合后不会丢失原来的信息。有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，从而使接收机从所有其他信号的背景中恢复成原来的信息码（这个过程称为解扩）。 CDMA 的关键技术包括： RAKE 接收机、多用户检测、功率控制、软切换、 Turbo 编码、分集接收。 2.1 RAKE接收机 RAKE 接收机也称为多径接收机， 利用多个相关器分别检测多径信号中最强的 L 个支路信号，然后对每个相关器的输出进行加权，并把加 权后的多路输出信号相加，合并成一个信号，然后在此基础上进行解调和判决。 由于无线信号传播中存在多径效应， 衰落问题尤为突出 ，而多径接收机，正是利用基站发出的信号经过不同的路径到达移动台处时间的不同，当两个信号到达移动台处的时间差超过一个信号码元的宽度，则 RAKE 接收机就可将其分别成功解调，移动台将各个 RAKE 接收机收到的信号进行矢量相加（即对不同时间到达移动台的信号进行不同的时间延迟到达同相）。她可以 克服衰落、改进 CDMA 接收的分集形式。 2.2 多用户检测 基于 RAKE 接收机原理的 CDMA 接收机将其它用户 的信号视为干扰信号，但是优化后接收机可以将检测所有信号或从指定的信号中减去其它信号的干扰。 当新的用户或干扰源进入网络时，其它用户的服务质量会下降，网络抗干扰能力越强，可服务的用户就越第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 5 多。干扰一个基站或移动台的多路接入干扰是小区内和小区间干扰的总和。 多用户检测（ MUD）也称为联合检测和干扰消除，它提供了降低多路接入干扰的影响，因而增加系统容量。同时 MUD 显著降低了 CDMA 系统的远近效应。 MUD 可以缓解系统对功率控制的需求。 2.3 功率控制 由于 CDMA 系统不同用户同一时间采用相同的频率，所以 CDMA 系统为自干扰系统，如果系统采用的扩频码不是完全正交的（实际系统中使用的地址码是近似正交的），因而造成相互之间的干扰。在一个 CDMA 系统中，每一码分信道都会受到来自其它码分信道的干扰，这种干扰是一种固有的内在干扰。由于各个用户距离基站距离不同而使得基站接收到各个用户的信号强弱不同，由于信号间存在干扰，尤其是强信号会对弱信号造成很大的干扰，甚至造成系统的崩溃，因此必须采用某种方式来控制各个用户的发射功率，使得各个用户到达基站的信号强度基本一致。 CDMA 系统的容量主要受限于系统内部移动台的相互干扰，所以每个移 动台的信号达到基站时都达到最小所需的信噪比，系统容量将会达到最大值。 CDMA 功率控制分为：前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又分为开环和闭环功率控制。 (1)前向功率控制 基站周期性地降低发射到移动台的发射功率，移动台测量误帧率，当误帧率超过预定义值时，移动台要求基站对它的发射功率增加 1，每 15 20ms 进行一次调整。下行链路低速控制调整的动态范围是 6dB。 移动台的报告分为定期报告和门限报告 4。 (2)反向开环功率控制 反向开环功率控制是移动台根据在小区中所接收功率的变化，迅速调节移 动台发射功率。其目的是试图使所有移动台发出的信号在到达基站时都有相同的标称功率。开环功率控制是为了补偿平均路径衰落的变化和阴影、拐弯等效应，它必须有一个很大的动态范围。IS95 空中接口规定开环功率控制动态范围是 32dB 32dB。 1）刚进入接入信道时（闭环校正尚未激活）： 平均输出功率（ dB） = -平均输入功率（ dB） -73+NOM_PWR（ dB） + INIT_PWR（ dB） 其中：平均功率是相对于 1.23 MHz 标称 CDMA 信道带宽而言； INIT_PWR 是对第一个接入信道序列所需作的 调整； NOM_PWR 是为了补偿由于前向 CDMA 信道和反向 CDMA 信道之间不相关造成的路径损耗 3。 2）其后的试探序列不断增加发射功率（步长为 PWR_STEP），直到收到一个效应或序列结束。输出的功率电平为： 平均输出功率（ dB） = - 平均输入功率（ dB） -73+NOM_PWR（ dB） + INIT_PWR（ dB）福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 6 PWR_STEP 之和（ dB） 3）在反向业务信道开始发送之后一旦收到一个功率控制比特，移动台的平均输出功率变为： 平均输出功率（ dB） = -平均输入功率（ dB） -73+NOM_PWR（ dB） +INIT_PWR （ dB） +PWR_STEP 之和（ dB） +所有闭环功率校正之和（ dB） 其中： NOM_PWR 的范围为 8 7 dB，标称值为 0dB INIT_PWR 的范围为 16 15 dB，标称值为 0dB5 PWR_STEP 的范围为 0 7 dB （ 3）反向闭环功率控制 闭环功率控制的目的是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。功率控制比特是连续发送的，速率为每比特 1.25ms（即 800bit/s）。“ 0”比特指示移动台增加平均输 出功率，“ 1”比特指示移动台减少平均输出功率，步长为 1dB/比特。一个功率控制比特的长度正好等于前向业务信道两个调制符号的长度（即104.66us）。每个功率控制比特将替代两个连续的前向业务信道调制符号，这个技术就是通常所说的符号抽取技术。 2.4 软切换 由于移动通信系统采用蜂窝结构，所以，移动台在跨越空间划分的小区时，必然要进行越区切换，即完成移动台到基站的空中接口的转移，以及基站到网入口和网入口到交换中心的相应的转移。在第一和第二代移动通信系统中都采用越区硬切换方式，硬切换容易使通信中断。第三代移动 系统将在使用相同载波频率的小区间实现软切换，即移动用户在越区时可以与两个小区的基站同时接通，只相应改变扩频码，即可做到 “先接通再断开 ”的交换功能，从而大大改善了切换时的通话质量。 软切换是指在切换过程中，在中断与旧的小区的联系之前，先用相同频率建立与新的小区的联系。手机在两个或多个基站的覆盖边缘区域进行切换时，手机同时接收多个基站（大多数情况下是两个）的信号，几个基站也同时接收该手机的信号，直到满足一定的条件后手机才切断同原来基站的联系。如果两个基站之间采用的是不同频率，则这时发生的切换是硬切换。软切换包 括以下四种情况： （ 1）同一基站的两个扇区之间；（这种切换也称为更软切换（ Softer Handoff）。 （ 2）不同基站的两个小区之间； （ 3）不同基站的小区和扇区之间的三方切换； （ 4）不同基站控制器之间。 2.4.1 软切换的实现 能够实现软切换的原因在于： CDMA 系统可以实现相邻小区的同频复用 ； 手机和基站对于每个信道都采用多个 RAKE 接收机，可以同时接收多路信号，在软切换过程中各个第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 7 基站的信号对于手机来讲相当于是多径信号，手机接收到这些信号相当于是一种空间分集。 导频 ：指导频信道 导频集 合：指所有具有相同频率但不同 PN 码相位的导频集。 有效导频集：与正在联系的基站相对应的导频集合。 候选导频集：当前不在有效导频集里，但是已有足够的强度表明与该导频相对应的基站的前向业务信道可以被成功解调的导频集合。 相邻导频集：当前不在有效导频集或候选导频集里但又根据某种算法被认为很快就可以进入候选导频集里的导频集合。 剩余导频集：不被包括在相邻导频集。候选导频集和有效导频集里的所有其它导频的导频集合 6。软切换过程 及步骤 ： （ 1） 当导频强度达到 T_ADD，移动台发送一个导频强度测量消息，并将 该导频转到候选导频集合； （ 2） 基站发送一个切换指示消息； （ 3） 移动台将此导频转到有效导频集并发送一个切换完成消息； （ 4） 当导频强度掉到 T_DROP 以下时，移动台启动切换去掉定时器； （ 5） 切换去掉定时器到期，移动台发送一个导频强度测量消息； （ 6） 基站发送一个切换指示消息； （ 7） 移动台把导频从有效导频集移到相邻导频集并发送切换完成消息。 2.5 Turbo 编 码 虽然扩频技术有利于克服多径衰落以提供高质量的传输信道，但扩频系统存在潜在的频谱效率非常低的缺点。所以，系统中必须采用信道编 码技术以进一步改善通信质量。 目前，主要采用前向信道纠错编码和交织技术以进一步克服衰落效应。编码和交织都极大地依赖于信道的特征和业务的需求。不仅对于业务信道和控制信道采用不同的编码和交织技术，而且对于同一信道的不同业务也采用不同的编码和交织技术。 Turbo 编码是建立在卷积码基础上的信道编码方法，是目前发现的解码性能最好的编码方法。因此在第三代无线通信中，被推荐为对较高性能要求的编码方法。 Turbo 码在当前是纠错性能最好的编码。一般它比卷积码的输出信噪比提高 3dB 左右。但是它是以计算的复杂性为代价的。迭 代次数越多，计算越复杂。如果能将 Turbo 编码、QAM 调制和 Trellis 结构联合应用，编码效率和信息速率都将提高，译码错误概率也将可能减小。 2.6 分集技术 分集技术是指系统同时接收衰落互不相关的两个或更多个输入信号后，系统分别解调福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 8 这些信号然后将他们相加，这样系统可以接收到更多有用信号，克服衰落。 移动通信信道是一种多径衰落信道，发射的信号要经过直射、反射、散射等多条传播途径才能达到接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随地发生变化，所以接收到的信号的电平是起伏 、不稳定的，这些多径信号相互叠加就会形成衰落。叠加后的信号幅度变化符合瑞利分布，又称瑞利衰落。瑞利衰落随时间急剧变化时，称为 “快衰落 ”。快衰落严重衰落深度达到 2030dB。瑞利衰落的中值场强只产生比较平缓的变化，称为 “慢衰落 ”，且服从对数正态分布。分集技术是克服叠加衰落的一个有效分发。由于具有频率、时间、空间的选择性，因此分集技术包括频率分集、时间分集、空间分集。 第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 9 第三章 第三代移动通信（ 3G）协议标准及技术分析 3G 的技术主要包括 CDMA2000、 WCDMA、 TD-SCDMA 三种标准， CDMA2000 是由IS-95B 演变而来， WCDMA 和 TD-SCDMA 标准是属于 3GPP 框架，也统称 UMTS 技术。我们将就这三种标准的关键技术及优缺点进行分析比较。 3G 的技术主要包括 CDMA2000、WCDMA、 TD-SCDMA 三种标准， CDMA2000 是由 IS-95B 演变而来， WCDMA 和TD-SCDMA 标准是属于 3GPP 框架，也统称 UMTS 技术。 3.1 CDMA2000 CDMA2000 的技术特点是，具有多种信道带宽。前向链路支持多载波（ MC）和直扩（ DS）两种方式；反向链路仅支持直扩方式。当采用多载波方式时，能支持 多种射频带宽，即射频带宽可为 N 1.25MHz（ N=1、 3、 5、 9 或 12）。目前技术仅支持前两种，即 1.25MHz（ CDMA2000-1x）和 3.75MHz（ CDMA2000-3x）。其他的技术特点还包括：可以更加有效地使用无线资源；可实现 CDMAone向 CDMA2000系统平滑过渡；核心网协议可使用 IS-41、GSM-MAP 以及 IP 骨干网标准；前向发送分集；快速前向功率控制；使用 Turbo 码；辅助导频信道；灵活帧长；反向链路相干解调。 3.1.1 前向快速功率控制技术 CDMA2000 采用快速功率控制方 法。方法是移动台测量收到业务信道的 Eb/Nt，并与门限值比较，根据比较结果，向基站发出调整基站发射功率的指令，功率控制速率可以达到 800b/s。 由于使用快速功率控制，可以达到减少基站发射功率、减少总干扰电平，从而降低移动台信噪比要求，最终可以增大系统容量。 3.1.2 前向快速寻呼信道技术 此技术有两个用途： (1) 寻呼或睡眠状态的选择 因基站使用快速寻呼信道向移动台发出指令，决定移动台是处于监听寻呼信道还是处于低功耗状态的睡眠状态，这样移动台便不必长时间连续监听前向寻呼信道，可减少激活移动台激活时间和 节省移动台功耗。 (2) 配置改变 通过前向快速寻呼信道，基地台向移动台发出最近几分钟内的系统参数消息，使移动台根据此新消息作相应设置处理。 3.1.3 前向链路发射分集技术 CDMA2000-1X 采用直接扩频发射分集技术，它有两种方式： 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 10 (1) 一种是正交发射分集方式 方法是先分离数据流再用不同的正交 Walsh 码对两个数据流进行扩频，并通过高两个发射天线发射 3。 (2) 另一种是空时扩展分集方式 使用空间两根分离天线发射已交织的数据，使用相同原始 Walsh 码信道。 使用前向链路发射分集技术可以减少 发射功率，抗瑞利衰落，增大系统容量。 3.1.4 反向相干解调 基站利用反向导频信道发出扩频信号捕获移动台的发射，再用梳状 (Rake)接收机实现相干解调，与 IS-95 采用非相干解调相比，提高了反向链路性能，降低了移动台发射功率，提高了系统容量。 3.1.5 连续的反向空中接口波形 在反向链路中，数据采用连续导频，使信道上数据波形连续，此措施可减少外界电磁干扰，改善搜索性能，支持前向功率快速控制以及反向功率控制连续监控。 3.1.6 Turbo码使用 Turbo 码具有优异的纠错性能，适于高速率对译码时延要求 不高的数据传输业务，并可降低对发射功率的要求、增加系统容量，在 CDMA2000-1X 中 Turbo 码仅用于前向补充信道和反向补充信道中。 Turbo 编码器由两个 RSC 编码器 (卷积码的一种 )、交织器和删除器组成。每个 RSC 有两路交验位输出，两个输出经删除复用后形成 Turbo 码。 Turbo 译码器由两个软输入、软输出的译码器、交织器、去交织器构成，经对输入信号交替译码、软输出多轮译码、过零判决后得到译码输出。 3.1.7 灵活的帧长 与 IS-95 不同， CDMA2000-1X 支持 5ms、 10ms、 20ms、 40ms、 80ms 和 160ms 多种帧长，不同类型信道分别支持不同帧长。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，前向补充信道、反向补充信道采用 20ms、 40ms或 80ms 帧，话音信道采用 20ms 帧 8。 较短帧可以减少时延，但解调性能较低；较长帧可降低对发射功率要求。 3.1.8 增强的媒体接入控制功能 媒体接入控制子层控制多种业务接入物理层，保证多媒体的实现。它实现话音、分组数据和电路数据业务、同时处理、提供发送、复用和 Qos 控制、提供接入程序。与 IS-95相 比，可以满足更宽带和更多 第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 11 3.2 WCDMA WCDMA 是一个宽带直扩码分多址（ DS-CDMA）系统。 业务灵活性频谱效率 ， 容量和覆盖范围 ， 每个连接可提供多种业务 ， 网络规模的经济性 ， 卓越的话音能力 ， 无缝的GSM/UMTS 接入 ， 快速业务接入 ， 终端的经济性和简单性 的特点。其码片速率可以到达3.84Mc/s，大约需要 5MHz 的载波带宽。带宽约为 DS-CDMA 系统， WCDMA 所固有的较宽的载波带宽使其能支持高的用户数据速率，并且也具有某些性能方面的优势如增强的多径分集能力。 WCDMA 还可以支持各种可变的用户数据速率、 支持异步基站运行、在上行链路和下行链路中采用基于导频符号或公共导频的相干检测。 主要技术包括 RAKE 接收，功率控制，切换， 软件无线电 和多用户检测。 3.2.1 RAKE接收 在陆地移动信道中无线电波传播的特点是衰落相当明显。使用多个 RAKE 指峰（相关接收机）把那些延迟的、分集的能量集中起来，每个指峰分别指向那些有显著能量到达的时延位置上。同时利用快速功率控制和 RAKE接收机内在的分集接收缓解信号功率的衰落。 3.2.2 功率控制 在 WCDMA 中，采用了快速功率控制和外环功率控制。快速功率控制不仅可以对路径损 耗和阴影效应进行理想补偿，而且对快衰落提供补偿。外环功率控制是通过为快速功速率控制设定目标值，使通信链路的质量满足需要。其目的在于提供所需的通信质量：不要太差，也不要太好。使其容量更加合理的运用。 上行链路采用开环功控和闭环功控两种方式。当上行链路没有建立时，开环功控用来调节物理随机接入信道的发射功率。链路建立之后，使用闭环功控。闭环功控包括内环功控和外环功控。外环功控以误码率或者误帧率作为控制目标，下行链路只有闭环功控。 3.2.3 多用户检测 多用户检测考虑到其它用户的信息如用户之间的相关特性是已知的，充 分利用 CDMA用户特征码的内在结构信息改善接收系统的性能。比较典型的多用户检测算法有线性解相关算法和干扰抵消算法，线性解相关算法通过估计用户之间的相关矩阵同时检测多个用户的信息，干扰抵消算法则先将干扰信号扣除掉，然后再进行信号检测。多用户检测可以提高系统的容量，克服远近效应的影响。目前适用于 WCDMA 的多用户检测算法较少。今后多用户检测努力的方向是降低复杂度和针对 WCDMA 系统进行设计。智能天线可分为两类即外挂式和内嵌式。前者如 Metawave 的方法，后者如 Arraycom 的方法，在开发全新的WCDMA 基础 设施时，需要采用内嵌式的方法，以便充分利用智能天线带来的全部优越性，包括：增大通信距离，提供更大范围的覆盖，可以实现特殊需求的覆盖；增加系统通信容福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 12 量；与其它技术结合，提供无线电定位，提供新的电信业务；改善通信质量，降低误码率 。 在不同工作频率、不同调制方式、不同多址方式等多种标准共存的第三代移动通信系统中，软件无线电技术是一种最有希望解决这些问题的技术之一。软件无线电技术可将模拟信号的数字化过程尽可能地接近天线，即将 AD 转换器尽量靠近 RF 射频前端，利用 DSP的强大处理能力和软件的灵活性实现信道分离、调制解调 、信道编码译码等工作，从而可为第二代移动通信系统向第三代移动通信系统的平滑过渡提供一个良好的无缝解决方案。 3.2.4 切换 表中显示了 WCDMA 系统支持的切换类型。最典型的是同频切换，它是利用用户移动而触发，有效解决了用户在移动接收信息的问题。如表 3-1 所示： 表 3-1 切换 切换类型 切换测试 典型的 UE到 RNC切换测试报告 切换原因 WCDMA 同频 由匹配滤波器进行全时段测试 时间触发报告 正常移动 WCDMA 到 GSM系统间 需要时才测试，使用压缩模式 在压缩模式期间周期性报告 覆盖、符合、业 务 WCDMA 异频 需要时才测试，使用压缩模式 在压缩模式期间周期性报告 覆盖、符合、业务 3.3 TD-SCDMA TD-SCDMA 表示时分同步码分多址接入，由中国自行研制，并已正式成为全球 3G 标准之一。 TD-SCDMA 是世界上第一个采用时分双工（ TDD）方式和智能天线技术的公众陆地移动通信系统，也是唯一采用同步 CDMA（ SCDMA）技术和低码片速率的第三代移动通信系统。它的主要技术特点为： TDD 模式、低码片速率、上行同步、接力切换、智能天线、软件无线电技术等。正是由于这些技术特点才使得他成为 3G 系统的主流。下面将具体分析这些特点及其作用。 3.3.1 TDD模式 TD-SCDMA 系统采用 TDD 模式，与 FDD 方式中的接收机和传送时在分离的两个对称频率信道上，同保证频段来分离接收与传输信道 5。在 TDD 时分双工方式中，接收和传送时在同一频率信道即载波的不用时隙，用保证时间来分离接收与传输信道。其基本原理如图 3-1。 第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 13 图 3-1 TDD 和 FDD 原理 TDD 模式具有频谱灵活性、更高的频谱利用率、支持不对称数据业务、有利于采用新技术、成本低的优势。 3.3.2 低码片速率 TD-SCDMA 系统的码片 速率为 1.28Mc/s，仅为高码片速率 3.84 Mc/s 的 1/3。接收机接收信号采样后的数字信号处理量大大降低，从而降低了系统设备成本，适合采用软件无线电技术，还可以在目前 DSP 的处理能力允许和成本可接受的条件下用智能天线、多用户检测、 MIMO 等新技术来降低干扰、提高容量。另外，低码片速率也提高了频谱利用率、使频率使用更灵活。 3.3.3 上行同步 所谓上行同步就是上行链路与终端的信号在基站解调器完全同步。在 TD-SCDMA 中用软件和帧结构设计来实现严格的上行同步，使一个同步的 CDMA 系统，通过上行同步，可 以让使用正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克服了异步 CDMA 多址技术由于每个移动终端发射的码道信号到达基站的时间不同而造成码道非正交所带来的干扰，从而大大提高了 CDMA 系统容量和频谱利用率，还可以简化硬件，减低成本。 3.3.4 接力切换 由于 TD-SCDMA 系统采用智能天线，可以定位用户的方向和距离，所以系统可采用接力切换方式。两个小区的基站将接收来自同一个手机的信号，两个小区都将对此手机定位，并在可能切换区域时，将此定位结果向基站控制器报告，基站控制器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邻近区域，并告诉接收机其周围同频基站信息。如果进入切换区，便由基站控制器通知另一基站做好切换准备，福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 14 通过一个信令交换过程，手机就由一个小区像交接力棒一样切换到另一个小区。这个切换过程具有软切换的部分优点，又克服了软切换对邻近基站信道资源和服务基站下行信道资源浪费的缺点，简化了用户终端的设计。接力切换还具有较高的准确度和较短的切换时间，从而提高了切换成功率。 3.3.5 智能天线 智能天线是一种安装在基站现场的双向天线，通过一组带有可编程电子相位关系的固定天线单元 获取方向性。并可以同时获取基站和移动台之间各个链路的方向特性。以 TDD模式运行的 TD SCDMA 智能天线的高效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性（无线环境和传输条件相同）而获得的。智能天线可减少小区间干扰也可减少小区内干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。 在 TD SCDMA 系统的基本结构中，智能天线是由 8 个天线单元的同心阵列组成的。此阵列的直径为 25cm。同全方向天线相比，它可获得 8dB 的增益 5。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理 可以产生强方向性的辐射方向图，使用 DSP 方法使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射功率等目的。智能天线的上述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率得以显著地提高。 3.3.6 软件无线电技术 由于 TD-SCDMA 系统的 TDD 模式和低码片速率的特点，是的数字信号处理量大大降低，适合采用软件无线电技术。所谓软件无线电技术，就是在通用芯片上用软件实现专用芯片的功能。它具有克服微电子技术不足，灵活完成硬件 /专用 ASIC 的功能。同时系统也可以通过软件的升级来增加功能，对环境的适应性好，不会老 化。可替代昂贵的硬件电路，实现复杂的功能，减少用户设备费用。 3.4 三种技术的比较 3.4.1 三大标准的技术层面比较 CDMA2000、 WCDMA 和 TD-SCDMA 同属 3G 的主流技术标准 ， WCDMA 和CDMA2000 都满足 IMT-2000 提出的全部技术要求，包括支持高比特率多媒体业务、分组数据和 IP 接入等。这两种系统的无线传输技术均基于 DS-CDMA 作为多用户接入技术，单就技术来说， WCDMA 和 CDMA2000 在技术先进性和发展成熟度上各具优势 。 在三种技术中， WCDMA 和 CDMA 2000 采用频分双工 （ FDD）方式，需要成对的频率规划。 WCDMA 即宽带 CDMA 技术，其扩频码速率为 3.84Mc/s，载波带宽为 5MHz，而 CDMA 2000 的扩频码速率为 1.2288Mc/s，载波带宽为 1.25MHz4；另外， WCDMA 的第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 15 基站间同步是可选的，而 CDMA 2000 的基站间同步是必需的，因此需要全球定位系统（ GPS），以上两点是 WCDMA 和 CDMA 2000 最主要的区别。除此以外，在其它关键技术方面，例如功率控制、软切换、扩频码以及所采用分集技术等都是基本相同的，只有很小的差别。 TD SCDMA 采用时分双 工（ TDD）、 TDMA/CDMA 多址方式工作，扩频码速率为1.28Mc/s，载波带宽为 1.6MHz，其基站间必须同步，与其他两种技术相比采用了智能天线、联合检测、上行同步及动态信道分配、接力切换等技术，具有频谱使用灵活、频谱利用率高 ，并 能够为网络运营商提供从第二代网络向通过现有的传输链接提供第三代业务的网络的渐进、无缝的转换等特点，适合非对称数据业务 。 TDD 和 FDD 比较： 由于 CDMA2000 和 WCDMA 采用的是 FDD， TD SCDMA 采用 的是 TDD，使得它们在频谱的利用上有很大区别。 FDD 系统却需要成对 的频带，而 TDD 系统能够在非成对频带中使用，使 TDD 的频谱利用率成倍上升。而且由于在 TDD 系统中，上行链路和下行链路使用的是同一个频带，所以上行链路中的快衰落和下行链路中的快衰落是一样的。根据接收到的信号， TDD 发射机可以对影响传输的快衰落进行估计。但是，由于 TDD 同用一个频带，上下两个传输方向就有可能互相干扰，必须采用帧同步。 3.4.2 性能比较 （ 1） 标准稳定性 WCDMA 标准由 3GPP 组织制订，主要特点是无线接入网采用 WCDMA 技术，核心网分为电路域和分组域，分别支持话音业务和数据业务，并提出了开放 业务接入（ OSA）的概念 和 提出了高速下行分组接入（ HSDPA）的方案，可以使最高下行速率达到 10Mb/s，已经基本稳定。 CDMA2000 标准由 3GPP2 组织制订，在无线接入网和核心网增加支持分组业务的网络实体，此版本已经稳定。在一个 1.25MHz 的标准载波中，同时提供语音和高速分组数据业务，最高速率可达 3.1Mb/s。 TD SCDMA 标准也由 3GPP 组织制订，目前采用的是中国无线通信标准组织（ China Wireless Tele communication Standard， CWTS）制订的 TSM（ TD SCDMA over GSM）标准，基于 TSM 标准的系统其实就是在 GSM 网络支持下的 TD SCDMA 系统 6。 TSM 系统的核心思想就是在 GSM 的核心网上使用 TD SCDMA 的基站设备，其 A 接口和 Gb 接口与 GSM 完全相同，只需对 GSM 的基站控制器进行升级。一方面利用 3G 的频谱来解决GSM 系统容量不足，特别是在高密度用户区容量不足的问题，另一方面可以为用户提供初期最高达 384kb/s 的各种速率的数据业务，所以基于 TSM 标准的 TD SCDMA 系统对已有 GSM 网的运营商是一种很好的选择。以后 TD SCDMA 将 融入 3GPP 的 R4 及后续标准中。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 16 在标准的完整性方面，三种技术在无线接入技术方面都有完整的定义和提高速率的方案，在核心网技术方面，都有向分组化演进的路线，但 3GPP 在标准规范方面的思路更清晰。在业务、网管、计费相关规范方面， 3GPP 的定义更严谨、更完善。 （ 2） 系统性能 系统性能主要表现为系统容量和覆盖，从蜂窝组网的情况来考察，一般系统容量可以通过系统仿真和实测来获得，下面主要对这两个方面进行比较。 1） 首先是容量。 在讨论无线系统的容量时，不能脱离具体的业务和无线环境，因此在采用 CDMA 技术的系统中， 空中接口的容量与业务的 Eb/Io（比特能量与干扰功率密度之比）、增益处理、其它小区的干扰、基站发射功率和信道码的数量均有关系，下面分别说明对于话音业务和高速分组数据业务，三种技术的容量差别。 对于话音业务，由于三种系统载波带宽不同，一般比较单位带宽内的平均容量。虽然仿真设定的条件不完全相同，但是 WCDMA 和 CDMA2000 的结果相近， TD SCDMA 也没有大的差别。对于数据业务容量，一般用系统的单位带宽内的数据吞吐量来表示， 3G引入了多种速率的数据业务，即使是对同一系统，不同的业务组合也会产生不同的数据吞吐 量。一般对数据吞吐量的比较都针对同一小区内用户均使用相同速率的数据业务，从仿真的结果看，对于中低速数据， WCDMA 和 CDMA2000 是基本相当的，但是 WCDMA 在高速数据业务上具有优势。 TD SCDMA 由于其技术特点，在理论上具有较高的频谱效率，适合提供数据业务，但还需要得到更多试验的验证。 2） 其次是覆盖。 基站的覆盖范围主要由上下行链路的最大允许损耗和无线传播环境决定。在工程上一般通过上下行链路预算，来估算基站的覆盖范围，在相同的频带内， WCDMA 和 CDMA2000的覆盖基本相同。由于 TD SCDMA 采用 TDD 方式，在覆盖上要逊于采用 FDD 方式的其它两种技术。 总之， WCDMA 和 CDMA2000 同为 FDD 的 CDMA 技术，技术上没有本质差别，许多仿真和现场试验结果反映系统性能基本相当。 TD SCDMA 与其它两种技术有较大差别，要做更多的仿真和试验验证其性能。 （ 3） 业务提供能力 目前业务的竞争已经成为现有运营商的竞争焦点，只有能够提供全方位的大众业务和特色业务，才能更多地争取用户，提高竞争力。 3GPP 和 3GPP2 都对业务分类和业务生成机制进行了规范，在业务种类方面二者基本相同，包括基本话音业务、补充业 务以及多种数据业务。 但是， 在业务生成机制方面， 3GPP中定义了多种业务生成机制，例如基于网络的 OSA 和用户化应用移动网络增强辑（ Customised Application for Mobile Network Enhanced Logic， CAMEL）、移动执行环境（ Mobile Execution Environment， MEXE）和 USAT（ USIM Application Tool kit， USIM 应第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 17 用工具箱，其中 USIM 是 Universal Subscriber Identity Module 通用 用户识别模块）等。这些机制都着眼于能使运营商方便快速地提供业务，并本着业务的提供和基础网络相分离的原则，使得业务可以由运营商以外的第三方提供，在业务和网络之间采用开放的标准接口，业务的开发主要由 IT 开发人员来完成，运营商负责网络的运营和对众多的业务提供商的组织和管理 7。 3GPP2 也提出了相应的业务理念，在智能网方面有 WIN 规范，在开放业务体系方面，目前并无相关规范，打算采用 3GPP 的 OSA 概念。所以 3GPP2 在开放业务体系方面起步较晚，没有 3GPP 完善。 从总体上看 ， 3GPP 组织在业务规范上更完善，目前 除了基于 CAMEL 的智能网业务以外，其他业务方式还未得到广泛应用，但它们为将来的业务开发奠定良好的基础。目前，高通公司推出的 BREW（ Binary Runtime Environment for Wireless）业务是一种非标准化的业务，它为无线业务提供了端到端的解决方案，包括向应用开发者提供 BREW 软件开发工具包，向设备制造商提供 BREW 应用平台，向运营商提供控制和管理 BREW 的分发系统，向最终用户提供应用下载能力， BREW 目前主要应用于 CDMA2000 系统。 （ 4） 漫游能力 良好的全球漫游能力有利于 与其他运营商的合作和吸引高端用户，影响漫游能力的主要因素包括运营商的采用情况、使用频段以及信令的互通性。从运营商的选择看，虽然CDMA2000 的商用早于 WCD MA 和 TD SCDMA，而且应用范围也较广，但是从全球主要运营商的选择来看， 80的运营商选择 WCDMA 技术，这就为 WCDMA 的漫游能力提供了良好的发展机会。 从使用的频段看， CDMA2000 多采用带内演进的方式实现，即多数运营商使用CDMAone 的 800MHz 频段， WCDMA 多采用 ITU 规定的 2GHz 频段。在我国，信息产业部已经公布了 3G 的频率规划 ，可以看出，对于 FDD 和 TDD 方式都是首先启用 2GHz 频段。 从信令互通性看，在核心网方面， WCDMA 基于 GSM 的移动应用协议（ MAP），用户识别使用和 GSM 系统相同的 IMSI（国际移动用户识别），实践证明具有良好的互通性。CDMA2000 采用基于 CDMAone 的 ANSI 41 协议，用户识别使用基于 MIN 的 IMSI，虽然在技术上实现互通不成问题，但要对系统进行升级，实践证明这些都影响了漫游能力。TD SCDMA 目前还没有商用网络，其漫游将有赖于多模终端的出现。 3.4.3 三大标准的技术优劣势分析 （ 1） CDMA2000 主要优劣势分析 CDMA2000 的优点主要是产品成熟度较高，近期建网成本可能稍低 ；其次非核心频段的产品已大规模商用，有成熟的组网经验，网 络规划 网 络 优 化 也比较容易 ； 还有CDMA20001X 商用终端种类较多，已经超过 300 种。当然 CDMA2000 也有缺点，这主要包括 :第一，将来的规模效应较小 ；第二，全球漫游能力有一定的局限性，尤其在欧洲 ；第三，福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 18 核心频段上的产品尚未成熟 ；第四，必须采用 GPS 同步，所以存在一定的风险。 （ 2） WCDMA 主要优劣势分析 WCDMA 的优势首先是规模效应大，全球漫游能力 强，因为 GSM 网络用户占移动用户的 70%以上，获得 3G 牌照的运营商中的绝大多数选择了 WCDMA；第二， WCDMA 已有核心网基于 R4 软交换构架的商用产品，向全 IP 网络演进的路线明确 ；第三， WCDMA 可以采用异步和同步方式，风险小。 WCDMA 劣势主要表现在 :第一，标准和产品成熟度较低，版本更新频繁 ；第二，目前商用终端种类 10 种左右，相对较少，并且互操作性有待验证 ；第三，目前商用用户较少，市场有待进一步培育。 （ 3） TD-SCDMA 主要优劣势分析 与 WCDMA 和 CDMA2000 共享的频分双工 FDD 模式不同的是， TD-SCDMA 所用的时分双工 TDD 技术是国际电联选用的 3 种 3G 标准中惟一的 TDD 技术， TD-SCDMA 组网可以采用 TSM 和 LCR 两种方式。这使 TD-SCDMA 在某种程度上具有不可替代的优越性，它不是其他制式的补充。 TD-SCDMA 无线接入网可部署在现有的 GSM 核心网基础上，这种方式已由 CWTS 制订为 TSM 标准。 TSM 可以采用混合组网和独立组网两种方式。 TSM混合组网时，其核心网设备使用现有的 GSM 核心网设备，无线子系统以 A/Gb 接口接入核心网设备， TSM 独立组网时，则需要新建 TSM 核心网设备，一般是 GSM 核 心网设备。 当然，与前两种标准相比，尤其是与 WCDMA 比起来， TD-SCDMA 也有 “尚显稚嫩 ”的地方。比如，在对 CDMA 技术的利用方面， TD-SCDMA 因要与 GSM 的小区兼容，小区复用系数为 3，降低了频谱利用率。又因为 TD-SCDMA 频带宽度窄，不能充分利用多径，降低了系统效率，实现软切换和软容量能力较困难。另外， TD-SCDMA 系统要精确定时，小区间保持同步，对定时系统要求高。 从总体上讲，虽然 WCDMA 现在的市场占有率相对较高，但是 WCDMA、 CDMA2000和 TD-SCDMA 这 3 种技术标准都没有达到成 熟，都需要开展全面而深入的研究和试验以及测试，任何一种标准都是在某一方面、某一领域内有其优越性和特殊性，因此， 3 种标准会互相融合、互相补充，从而得到完善和发展，不断走向成熟。 第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 19 第四章 无线接入网络体系结构 4.1 无线接入网络体系结构图 图 4-1 无线网络体系结构 4.2 无线接口介绍 在网络结构中，空中接口（ Uu）接口和 Iu 接口是两个最关键接口。 Uu 口是无线接口，通过它把 UE 接入到系统固定部分。而 Iu 口则是无线接入网域和核心网域的接口，它类似于 GSM 中相应的接口 A 接口和 Gb 接口。 4.2.1 空中接口 Uu 接口是移动设备域与无线接入网域的接口，其间通过无线方式通信，因此也成为空中接口。由于 WCDMA 和 TD-SCDMA 具有代表性，网络结构基本相同，相应接口定义也基本一致，所以，我们在这里作重点介绍。 空中接口的示意图如图 4-2： 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 20 图 4-2 空中接口结构图 空中接口上协议栈按其功能和任务，被分为物理层（ L1），数据链路层（ L2），网络层（ L3）等 3 层。 L2 又分为控制平面（ C-平面）和用户平面（ U-平面）。在控制平面包括媒体接 入控制 MAC 和无线链路控制 RLC 两个子层。 L3 也分为控制平面（ C-平面）和用户平面（ U-平面）。在 C-平面上， L3 的最底层为无线资源控制（ RRC），它属于接入层（ AS），终止于 RAN。 4.2.2 MAC MAC 在空中接口的 L2 层，它承接从物理层传输上来的的服务，并通过逻辑信道给RLC 层提供服务。 （ 1）在 WCDMA 中，结构如下图 4-3 所示： MAC 结构 图 4-3 MAC 结构图 从图中可以看出， MAC 层逻辑结构，包括三个逻辑实体： MAC-b 负责处理广播信道（ BCH）。在每个 UE 中有一个 MAC-b 实 体，在 UTRAN 中（位于 Node B）为每个小区设一个 MAC-b 实体。 第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 21 MAC-c/sh 负责处理公共信道和共享信道 寻呼信道 (PCH)、前向接入信道 (FACH)、随机接入信道（ RACH）、上行链路公共分组信道（ CPCH）、下行链路共享信道（ DSCH）。在每个正在使用共享信道的 UE 中有一个 MAC-c/sh 实体，在 UTRAN 中（位于 CRNC 中）为每个小区设有一个 MAC-c/sh 实体。需要注意的是， BCCH 逻辑信道可以映射到 BCH 或者 FACH 两种传输信道。由于 BCCH 的 MAC 层包头格式取决于所使用的传输信道。对 于PCCH，由于没有 MAC 层包头， MAC 层的唯一功能只是按照 RRC 曾确定时刻将从 PCCH接收到的数据转发到 PCH 中。 MAC-d 负责处理连接模式下分配给 UE 的专用信道（ DCH）。在每个 UE 中有一个MAC-d，在 UTRAN 中（位于提供服务的 RNC 中），为每个 UE 设有一个 MAC-d 实体。 MAC 的功能： 1）逻辑信道和传输信道间的映射。 2）根据瞬时源速率为每个传输信道选择合适的传输格式。 3）一个 UE 的数据流之间的优先级处理。通过为不同的数据流选择“高比特速率 ”和“低比特速率”传输格式实现优先级处理。 4） 通过动态调度完成的 UE 间的优先级处理。动态调度功能可以应用到公共和共享下行链路传输信道 FACH 和 DSCH。 5）在公共传输信道上 UE 的标识。当一个公共传输信道（ RACH、 FACH 或者 CPCH）承载来自专业类型逻辑信道（ DCCH、 DTCH）的数据时， UE 的标识（小区无线网络临时标识（ C-RNTI）或者 UTRAN 无线网络临时标识（ U-RNTI）包含于 MAC 包头中。 6)在公共传输信道上将高层 PDU 复用为传输快，然后发送给物理层；同时将物理层接收来的传输块分接成高层 PDU。 MAC 层为公共传输信道（ RACH、 FACH、 CPCH）处理业务复用。这是必要的，因为这不能在物理层完成。 7）在专用传输信道上将高层 PDU 复用为传输快，然后发送到物理层；同时将物理层接收来的传输块分接成高层 PDU。 MAC 层同样也允许专用传输信道的业务复用，尽管物理层复用时 MAC 层复用任何类型业务成为可能，但是 MAC 层复用只能提供给具有相同QoS 参数的业务。 8）业务量监测。 MAC 层将在接受 RLC 层 PDU 的同时还接收 RLC 传送缓冲区中数据量的状态信息。 MAC 层将传输信道对应的数据量与 RRC 设置的门限相比较，如果数据量太高或太低， MAC 层就发送一个 关于业务量状态的测量报告给 RRC 层。 RRC 层也可以要求 MAC 层定期发送这些测量结果，并利用这些报告来触发对无线承载和传输信道参数的重新配置。 9）动态传输信道类型转换。根据来自 RRC 发出的命令， MAC 层执行公共传输信道和专业传输信道之间的切换。 10）加密。 如果无线承载使用透明 RLC 模式，加密就要在 MAC 层的子层（ MAC-d实体）进行。加密时一个异或操作，数据和一个由某种加密算法产生的加密掩码相异或。福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 22 在 MAC 层加密时，加密算法的时变输入参数在每一个传输时间间隔都加 1，也就是算说，每 10ms、 20ms、 40ms 或者 80ms 根据传输信道配置都加 1。每个无线承载都单独加密。 11） RACH 发送的接入服务器级别（ ASC）选择。 PRACH 资源可以在不同的接入服务级别之间分配，从而对于 RACH 的使用提供不同的优先级。 ASC 的最大数目是 8。 MAC层向物理层指明与 PDU 相关的 ASC。 4.3 Iu 接口 Iu 接口链接无线接入网和核心网两大部分。在总体的功能上 WCDMA 和 TD-SCDMA是基本相同的。但是在具体的组成和功能上还是有很大的区别。 在 WCDMA 中， Iu 接口连接 UTRAN 和 CN，是一个开放接口，将系统分成专用于无线通 信的 UTRAN 和负责处理交换、寻找路由和业务控制的 CN 两部分。 Iu 可以有两种主要的不同实体，他们分别是用于将 UTRAN 连接至电路交换（ CS） CN 的 Iu CS 和连接至分组交换（ PS） CN 的 Iu PS 。还有一种 Iu 实体称为 Iu BC，连接 UTRAN 和核心网的广播域，用于支持小区广播业务。标准化设计当初只想发展一种 Iu 接口，但是随后发现只有分别使用不用的传输技术，才能使用户平面传输的 CS 和 PS 业务最优化。为了支持不同制造商的 RNC 间的软切换，引入了 Iur 接口，它是 Iu 接口的有利补充。 4.3.1 Iu CS协 议 图 4-4 说明了 Iu CS 总体协议结构。 Iu 接口中的三个平面共享公共的异步传输方式（ ATM），并都采用了 ATM 传输。物理层指的是到物理介质（光纤，无线链路，铜线电缆）的接口，其实现可以从各种可行的标准传输技术中选择。 图 4-4 Iu CS 协议结构 第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 23 4.3.2 Iu PS 协议 图中描述了 Iu PS 协议结构。同样的，用户平面和控制平面采用共同的 ATM 传输，且物理层与 Iu CS 中规定的相同。 图 4-5 Iu PS 协议结构 4.3.3 Iur接口 Iur 接口是 WCDMA 系统无线子网络重要 的开放接口之一，在逻辑上它位于两个 RNC(无线网络控制器 )之间，是 RNC 用于完成和其他 RNC 互联的接口，是无线网络子系统 (RNS)之间互联的纽带，通过 Iur 接口，不同的 RNS 可以连在一起，通过专用的协议 RANSAP(无线网络子系统应用部分 )完成与 UTRAN 有连接的 UE 跨 RNS 的移动性管理，包括 RNS 间的切换、无线资源处理和同步等功能。图 4-6 给出了 Iur 接口的位置。 图 4-6 Iu 接口位置 当一个移动用户建立了到 UTRAN 的连接，并在 Iur 接口产生了软切换，就会用到多福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 24 于一个 RNS 的资源，不 同的 RNC 此时充当着不同的角色： （ 1） 服务 RNC(SRNC)。保持该移动用户与核心网的 Iu 连接的 RNC 是 SRNC，负责核心网和用户之间的数据传送和 Iu 接口 RANAP 信令的转送和接收，负责进行无线资源控制 (RRC)，负责对空中接口的数据进行 L2(MAC 与 RLC)层的处理，并执行基本无线资源管理操作，如切换判决、外环功率控制和 RAB(无线接入承载 )的参数向空口传输信道参数的转化等。 （ 2） 漂移 RNC(DRNC)。 DNRC 是 SRNC 以外的其他 RNC。它们控制该移动用户使用的小区，如果需要， DRNC 可以进行宏 分集合并。除非该用户使用公共传输信道， DRNC不会进行用户面数据的 L2 层处理，而只是将 Iub 接口数据透明的通过 Iur 接口的路由传递给 SNRC。一个用户的 DRNC 可以不 只 一个。 2 代 GSM/GPRS 系统的基站控制器 (BSC)之间没有类似的接口，之所以要在 WCDMA系统中引入 Iur 接口，最初的考虑就是要发挥 CDMA 系统软切换的优势，使得 UE 在跨无线网络子系统移动时，也能获得软切换带来的增益，提高网络服务质量。但后来，随着标准化工作的步步深入， Iur 接口被赋予了越来越多的功能。 4.3.4 Iur接口 目前 Iur 接口主要的功能，有以下 3 种： RNC 之间基本移动性的管理、支持公共信道的业务流程、支持专用信道的业务流程。其中支持专用信道的业务流程是移动用户处于专用信道状态下进行的业务流程，通俗讲，就是进行各种不同业务跨 Iur 接口的软切换和更软切换 (包括切入、切出 )，并完成相关的无线资源管理；而另外两项功能都是在移动用户发起分组域业务，处于非专用信道状态下 (CELL_FACH/CELL_PCH/URA_PCH)，活动性较低，用户和网络之间交互的数据量较少甚至没有。我们通常习惯于把这两种情况归为一类进行分析，称为非专用信 道过程。 在第三代移动通信的网络实施和运行维护中，不同厂家的 RNC 设备进行互联构建 Iur接口的可能性很大，而相互之间的兼容性 (或称互操作性 )，对网络的质量和运维的难度带来较大的影响，需从建网一开始起就加以重视并进行相关的分析。 在 TD-SCDMA 中 Iu 接口是连接 RAN 和 CN 的接口，它将系统分成无线通信处理的RAN 和用于处理交换、路由、业务控制的 CN 两部分。为了更好的兼容第二代系统和优化电路交换与分组交换业务， Iu 接口被分成 Iu-CS、 Iu-PS、 Iu-BC 等 3 个域。如图 4-7 所示： 第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 25 图 4-7 Iu 接口结构图 但将来随着 IP 技术的不断完善，将使话音等实时业务的 Qos 得到很好的保证，逐渐形成一个标准基于 IP 技术的接口。区分 Iu-CS、 Iu-PS、 Iu-BC 这 3 个子接口意味着对于电路交换、到分组交换和广播 /多播控制有不同的信令和用户数据连接 4。通过图形对三种接口进行具体说明。 图 4-8 Iu CS 协议接口 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 26 图 4-9 Iu-PS 协议接口 图 4-10 Iu-BC 协议 接口 图 4-11 Iu 接口协议参考标准 第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 27 第五章 HSDPA 今后的移动因特网、多媒体视频点播等非对称业务的高效传输。由于因特网业务中查询业务的比例较大，而查询业务中，从终端到基站的上行数据量很少，只需传输网址的代码，但从基站到终端的数据量却很大，收发信息量严重不对称。上行速度较小，极易达到，为了满足，高速下行要求引入了 HSDPA 技术。 HSDPA 主是通过引入高速下行分组共享信道增强空中接口，并在 Node B 增加相应的功能实体。 HSDPA 在 WCDMA 技术的应用较为广泛，所以我们这里主要讨论 WCDMA 中的 HSDPA 技术。 为改善系统性能， HSDPA 在无线接口上作出了大量变化，这主要影响到物理层和传输层： 缩短了无线电帧；新的高速下行信道；除 QPSK 调制外，还使用了 16QAM 调制；码分复用和时分复用相结合；新的上行控制信道；采用自适应调制和编码 (AMC)实现快速链路适配；使用混合自动重复请求 HARQ)。介质访问控制 (MAC)调度功能转移到 Node-B 上。 5.1 HSDPA 技术概述 HSDPA 无线帧 (在 WCDMA 结构中实际是子帧 )长 2ms，相当于目前定义的三个WCDMA 时隙。一个 10msWCDMA 帧中有五个 HSDPA 子帧。用户数据传输可以在更短的时长内分配给一条或多条物理信道。从而允许网络在时域及在码域中重新调节其资源配置。 在 UMTS R99 的空中接口体系中，绝大部分功能都由位于 Node B 以上的 RNC 来进行，例如重传、资源调度等， Node B 仅仅起到一个根据 RNC 的指令完成物理层编码、传输的功能，其本身基本不具有对物理资源的控制和调度能力。而在 HSDPA 中，为了在空中接口上实现更大的吞吐能力，对 Node B 的功能进行了增强，在 Node B 的层面引入了物理层重传和快速资源调度的概念。通过在更靠近空中接口的 Node B 上引入这些原本只有 RNC才具有的功能，加快了重传以及对空中资源调度的效率。在这样的网络机制下，结合AMC(Adaptive Modulation and Coding)、 HARQ(Hybrid Automatic Repeat re Quest)等新技术，同时使用了更短的 TTI(Transmit Time Interval)长度 (2ms)、固定的发射功率、固定扩频因子的多码道传输，这样，通过整体的有效结合，在下行方向上实现了大大高于 R99 的高速的分组数据传输能力，在信道情况好的条件下，其理论峰值速 率可以达到 14.4Mb/s。 图 5-1 描述了 HSDPA 的基本工作原理以及实现相应功能的物理信道。 Node B 通过用户从上行专用控制信道 HS-DPCCH 中反馈的信息得到用户的下行信道情况，然后 Node B根据所收集的所有用户的信道情况，通过一定的调度策略，为它所服务的所有用户分配HSDPA 的下行数据传输的物理资源 (HS-DSCH、 HS-SCCH)，同时选择相应的最合适的 AMC方案，以此来实现系统吞吐量最大化、用户吞吐量最大化、用户 QoS 保证等资源调度目标。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 28 图 5-1 HSDPA 的基本原理以及相应的信道 5.2 快速 L1 H-ARQ 技术 在 R99 中，所有的数据传输过程都由位于 RNC 的 RLC 层协议实体来进行控制。 HSDPA中在 Node B 上增加了用于控制 HSDPA 数据传输的 MAC 层协议实体 MACsh，通过该实体， Node B 可以直接控制物理层的数据重传，这样就形成快速的物理层重传，其效率高于R99 中在 RNC 和移动终端之间的 RLC 层重传。 同时，在 L1 重传中引入了 H-ARQ 技术，通过使用 Incremental Redundancy、 Soft Combining 等合并机制，使得每一次发送的数据都将用于帮 助接收端进行正确的译码，这样进一步提高了重传的效率。 5.3 自适应调制和编码 HSDPA 中引入了自适应编码调制 (AMC)的技术，由于 Node B 中增加了 MAC 层协议实体的控制功能，同时利用 Node B 最靠近空中接口，对无线信道情况变化反应快的特点，引入 AMC 的机制，使得 Node B 可以根据用户无线信道的情况，自适应的为用户选择最合适的编码调制方式，例如在信道情况好的时候，使用高阶调制 (16QAM)结合大码率的信道编码，这样可以有效的利用信道，实现信息传输速率的最大化。 目前 HSDPA 中定义的编码方式 为 Turbo 码，根据信道情况，可选择的编码速率为 1/4、2/4、 3/4 和 4/4；同时定义了两种调制方式 4QAM 和 16QAM 以供选择， 5.4 快速分组调度 、 时序安排和调度从 RNC转移到 Node B 在 HSDPA 中，同一 Node B 下的多个用户可以通过时间以及码字对下行的 HSDPA 资源进行复用，如图 2 所示。这时候， HSDPA 中 Node B 能力增强带来的另一项功能：快速的用户间分组调度就将发挥作用。 第三代移动通信（ 3G）网络建设技术探讨 29 图 5-2 时间、码字复用 (两用户 ) 除了根据用户的信道情况，对于该用户通信的 MC 方案进行自适应 的 调整以外，当多个用户在同一 Node B 下进行 HSDPA 通信时， Node B 还可以根据用户反馈的信息 (包括信道质量、终端能力、 Qos 的需求等 )，结合系统情况 (包括可获得的功率和码资源、 Node B缓冲区的状态等 )，对系统的 HSDPA 资源 (时隙、码字 )在各个用户之间的分配进行动 态的调整，从而在系统的角度实现性能的最优化。 5.5 短帧长度 (TTI=2ms) 在 R99 中，数据传输的最小 TTI 长度为 10ms。在 HSDPA 中，为了使自适应调度能够跟上无线信道的快速变化，同时减小重传的时延，将下行信道的 TTI 长度 设置为 2ms。 （ 1） 主要新增功能的设备 功能的增强必然带来系统设备的更新换代， HSDPA 在设备上的功能更新主要集中在Node B 和终端上。 如图 5-3 所示，在 Node B 上增加的功能主要有以下几个方面： 图 5-3 Node B 以及终端的新增功能 1） 调度程序：实现终端间资源的调度，以及编码调制方式的自适应选择 (AMC) 2） H-ARQ 重传：在 Node B 上增加了支持 H-ARQ 操作的发送模块。 3） 上行反馈解码：使用该模块在 Node B 上进行 “ARQ 确认 ” 、 “ 信道状态 ” 等反馈信息的译码，以支 持 Node B 上的各项调度操作。 4） 面对 SRNC 的流量控制：由于在 Node B 和终端之间引入了物理层重传的机制，因此需要在 Node B 中引入面对 RNC 的流量控制功能，以避免 Node B 中发生缓存溢出的情况。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 30 与 Node B 所增强的功能相对应的，在支持 HSDPA 的终端上也增加了相应的功能： 1） ARQ 译码：终端中需要增加缓存区和相应的合并译码功能模块来支持新增的 H-ARQ功能。 2） 快速上行反馈和编码：终端需要将信道状态等信息快速的反馈给 Node B，以支持Node B 的调度功能。 （ 2） 性能情况 相比 R99， HSDPA 接入网的机制更适合于分组数据包突发的特性，在能力上有明显的提高。这些提高主要来自于，首先通过以 2ms 为周期在用户之间进行快速的分组调度，在用户数较多的情况下，可以获得显著的多用户增益；其次通过与用户信道状态相适应的AMC 机制，在信道好的情况下，可以利用高阶调制结合大码率信道编码，这样可以大大提高用户的数据吞吐量，同时带来整个系统的吞吐量的改变。另外， HSDPA 在物理层重传中使用的 H-ARQ 相比 R99 中的 ARQ 机制，也可以带来一定的性能提高；最后，通过一定的调度策略以及 AMC 方案的结 合，还可以在达到小区吞吐量目标的同时，为用户提供一定的 Qos 保证。 图 5-4 通过仿真给出了 HSDPA 与 R99 在小区吞吐量上的比较，从图中可以看出，与R99 相比， HSDPA 在小区平均吞吐量上有明显的提高，尤其是在微蜂窝的环境下，由于这时候在很多情况下信道条件都比较好，有利于 HSDPA 利用高速率的编码调制方案来提高小区的平均吞吐量。 图 5-4 HSDPA 与 Release 99 的性能比较 图 5-5 描述了当 HSDPA 使用 5 个 HS-PDSCH、 7W 的总发射功率时 (大约 1/3 的小区资源 )，得到的用户数据吞吐 量的累积分布函数。从图中可以看出，随着用户数的增加，由于有更多的用户共享 HSDPA 信道资源，所以用户