移动通信原理电子课件教案-第7章 第三代(3G)数字蜂窝移动通信系统.ppt

,移动通信MobileCommunication,2,目录,第一章概述（4学时）第二章移动通信组网原理（8学时）第三章移动信道中的电波传播（8学时）第四章数字移动通信关键技术（8学时）第五章GSM/GPRS数字蜂窝移动通信系统（8学时）第六章窄带CDMA数字蜂窝移动通信系统（6学时）第七章第三代(3G)数字蜂窝移动通信系统（8学时）第八章移动数据传输（4学时）第九章未来移动通信展望（2学时）习题讲解与课堂练习（6学时）复习（2学时）,3,第七章第三代（3G）数字蜂窝移动通信系统,7.1概述7.1.13G主流标准7.1.23G系统结构、功能实体及接口7.1.33G工作频段及业务发展7.1.43G关键技术7.2WCDMA系统7.2.1WCDMA标准及发展7.2.2WCDMA无线传输技术,4,7.3cdma2000系统7.3.1cdma2000技术特点7.3.2cdma2000无线传输技术7.4TD-SCDMA系统7.4.1TD-SCDMA标准及发展7.4.2TD-SCDMA关键技术,5,7.1概述7.1.13G主流标准13G标准化进程1985年开始了第三代移动通信系统（3G）最初的研究92年，ITU在WARC上对FPLMTS的频率进行了划分96年，FPLMTS正式更名为IMT-20002000年5月，ITU-R最终通过IMT-2000无线接口规范，包括：,美国TIA提交的cdma2000,欧洲ETSI提交的WCDMA,中国电信科学技术研究院（CATT）提交的TD-SCDMA,6,2.3G标准化组织(1)3GPP3GPP:成立于1998年12月，它主要是制定以GSMMAP核心网为基础、以UTRA（FDD为WCDMA技术，TDD为TD-SCDMA技术）为无线接口的第三代技术规范，同时负责在无线接口上定义与ANSI-41核心网兼容的协议参与3GPP的地区性标准化组织包括：ETSI（欧洲）、ARIB（日本）、TTC（日本）、TTA（韩国）、T1P1（美国）和中国无线通信标准研究组CWTS（1999年后半年加入）等,7,(2)3GPP23GPP:成立于1999年1月，它由美国的TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起，主要是制订以ANSI-41核心网为基础、cdma2000为无线接口的第三代技术规范。,8,3.3G目标,全球无缝漫游，以低成本的多模手机来实现适应多种环境：快速、慢速、室内提供高质量的多媒体业务高频谱效率高保密性便于系统的升级、演进，易于向下一代系统灵活发展,9,4.3G主流标准比较,10,1、UMTS网络结构,7.1.23G系统结构、功能实体及接口,UMTS网络结构模型,11,用户设备域：由具有不同功能的各类设备组成，如双模GSM/UMTS用户终端、智能卡等。用户设备域进一步分为移动设备域-主要完成无线传输和应用用户业务识别单元-用来安全地鉴定用户的身份，这些功能一般存入智能卡中基本结构域：分为接入网域和核心网域接入网域-向用户提供接入到核心网域的机制核心网域-包括支持网络特征和通信业务的功能实体，又可分为服务网域、原籍网域和传输网域。,12,13,2.核心网功能实体及接口（1）PS和CS域的公共功能实体归属用户服务器（HSS），包括HLR（归属位置寄存器）和AuC（鉴权中心）访问位置寄存器（VLR）设备识别寄存器（EIR）短消息服务网关移动交换中心（SMS-GMSC）短消息服务互连网关移动交换中心（SMS-IWMSC）,14,（2）CS域的功能实体MSC服务器（MSCServer）：负责完成CS域的呼叫处理等功能电路交换媒体网关（CS-MGW）：是PSTN/PLMN的传输终接点，并且通过Iu接口连接核心网和UTRANGMSC服务器（GMSCServer）：主要由GMSC的呼叫控制和移动控制组成,15,（3）PS域的功能实体服务GPRS支持节点（SGSN）：主要完成分组的路由寻址和转发，负责跟踪记录终端的位置信息，执行安全性功能。网关GPRS支持节点（GGSN）：起网关的作用，主要完成移动性管理、网络接入控制、路由选择和转发、计费数据的收集和传送，以及网络管理等功能,16,（4）IP多媒体子系统（IMS）R5版本的网络结构中引入了IP多媒体子系统（IMS），IMS的实体主要包括以下部分：呼叫会话控制功能（CSCF）媒体网关控制功能（MGCF）IP多媒体媒体网关功能（IM-MGW）多媒体资源功能控制器（MRFC）多媒体资源功能处理器（MRFP）签约位置功能（SLF）突破网关控制功能（BGCF）,17,（5）主要接口CS域内的接口B接口：MSCServer和与其关联的VLR之间的接口C接口：HLR与MSCServer之间的接口D接口：HLR与VLR之间的接口E接口：MSCServer之间的接口F接口：MSCServer与EIR之间的接口G接口：VLR之间的接口Mc参考点：（G）MSCServer与CS-MGW之间的参考点Nc参考点：MSCServer与GMSCServer之间的参考点Nb参考点：CS-MGW之间的参考点,18,PS域内的接口Gr接口：SGSN与HLR之间的接口Gn和Gp接口：SGSN与GGSN之间的接口Gc接口：GGSN与HLR之间的信令通道Gf接口：SGSN与EIR之间的接口,CS和PS域之间的接口Gs接口：MSC/VLR和SGSN之间的接口H接口：HLR和AUC之间的接口,19,3UTRAN结构及接口协议（1）UTRAN基本结构,20,无线接入网分为两种不同类型：基站系统（BSS）及无线网络子系统（RNS）3GUTRAN由一组RNS组成,每一个RNS包括一个无线网络控制器（RNC）和一个或多个节点B（NodeB）。RNC是RNS的控制单元，用于控制一个或多个NodeBNodeB和RNC之间通过Iub接口进行通信，RNC之间通过Iur接口进行通信，RNC则通过Iu接口和核心网相连,21,（2）UTRAN无线接口协议用户设备和RNS之间通过无线接口（Uu接口）相连无线接口分三个协议层：物理层（L1）、数据链路层（L2）和网络层（L3）数据链路层又分为若干个子层：媒体接入控制(MAC)子层，无线链路控制(RLC)子层等L3层和RLC子层划分为控制(C-)平面和用户(U-)平面。在控制平面上，L3分为几个子层，其中的最低层为无线资源控制层(RRC),22,4.用户设备（UE）用户设备由PLMN用户所使用的物理设备组成，包括移动设备（ME）和用户身份模块（SIM）。在UMTS网络中将SIM称为UMTS用户身份模块（USIM）。,23,7.1.33G工作频段及业务发展1、3G工作频段,24,2、3G业务3G支持多种业务：话音、数据、图像及多媒体等，并能够灵活引进新业务截至2008年三季度，全球WCDMA用户数已经突破2.9亿，有91个国家部署了211张WCDMA商用网络，占3G网络总数的78%。,25,7.1.43G关键技术高效的信道编、译码技术智能天线技术软件无线电技术多用户检测技术向全IP网过渡,26,7.2WCDMA系统7.2.1WCDMA标准及发展,WCDMA标准主要由欧洲ETSI提出，核心网基于GSMMAPWCDMA标准由3GPP制定，目前有R99、R4、R5、R6四个版本完成定稿，正在进行7版本的制定工作R5于2002年6月功能冻结，其核心网引入了IMS；HSDPAR6中引入了HSUPA、Presence和Push业务、多媒体广播和多播业务、数字权限管理（DRM）、WLAN-UMTS互通2004年12月，R7标准工作开始启动，主要研究的技术包括：MIMO技术、7.68Mchip/s的TDD技术、3.84Mchip/s的TDD模式上行链路分组数据传输增强,27,7.2.2WCDMA无线传输技术WCDMA系统在无线接口上的信道类型有三种：逻辑信道、传输信道和物理信道。逻辑信道是MAC子层向上层（RLC子层）提供的服务，它描述的是承载什么类型的信息传输信道作为物理层向高层（MAC子层）提供的服务，它描述的是所承载信息的传送方式物理信道是物理层实际的传输通道，即在空中传输物理信道承载的信息,28,一.传输信道传输信道可分为两类：专用传输信道和公共传输信道。专用传输信道只有一种，即DCH，包括上行DCH和下行DCH公共传输信道分为6类：广播信道(BCH)、前向接入信道(FACH)、寻呼信道(PCH)、随机接入信道(RACH)、公共分组信道(CPCH)和下行共享信道(DSCH),29,二.物理信道一般的物理信道包括三层结构：超帧、帧和时隙超帧长度为720ms，包括72个帧；每帧长10ms，对应的码片数为38400chip；每帧由15个时隙组成，一个时隙的长度为2560chip。物理信道也分为专用物理信道和公共物理信道。,30,1.上行物理信道上行物理信道分为上行专用物理信道和上行公共物理信道（1）上行专用物理信道分为两类：上行专用物理数据信道（DPDCH）和上行专用物理控制信道（DPCCH）,31,（2）上行公共物理信道物理随机接入信道（PRACH），用于承载RACH，即用于移动台在发起呼叫等情况下发送接入请求信息PCPCH用于承载CPCH，即它是一条多用户接入信道，用于传送CPCH传输信道上的信息。在该信道上采用的多址接入协议是基于时隙的CSMA/CA,32,2.下行物理信道下行物理信道分为下行专用物理信道和下行公共物理信道（1）下行专用物理信道下行专用物理信道只有一种，即DPCH,33,（2）下行公共物理信道公共下行导频信道（CPICH）：为固定速率的物理信道，用于相位参考。CPICH分两种：主公共导频信道（PCPICH）和辅助公共导频信道（SCPICH）。每个小区仅有一个PCPICH，SCPICH每个小区可以没有，也可以有一个或数个；主公共控制物理信道（PCCPCH）：为固定速率的物理信道，用于携带BCH传输信道。,34,辅助公共控制物理信道（SCCPCH）：用于携带FACH和PCH传输信道，其扩频因子的取值范围是2564同步信道（SCH）：用于小区搜索。它包含两个子信道：主同步信道（PSCH）和辅助同步信道（SSCH）物理下行共享信道（PDSCH）：用于携带DSCH传输信道。在同一个无线帧内，有着相同扩频因子的多个并行的PDSCH可以分配给同一个UE。在不同的无线帧中，分配给同一个UE的PDSCH可以有不同的扩频因子。捕获指示信道（AICH）：为固定速率的物理信道，用于携带捕获指示(AI)。AI对应于PRACH信道的码型,35,CPCH接入前缀捕获指示信道（AP-AICH）：为固定速率的物理信道，用于携带CPCH的接入前缀捕获指示CPCH碰撞检测/信道分配指示信道（CD/CA-ICH）：为固定速率的物理信道，用于在信道分配（CA）未激活的情况下携带碰撞检测指示（CDI），或在CA激活的情况下携带CDI和CAI。寻呼指示信道（PICH）：为固定速率的物理信道，用于携带寻呼指示（PI）CPCH状态指示信道（CSICH）：为固定速率的物理信道，用于携带CPCH状态信息,36,3.信道编码与复用为了在无线传输链路上提供可靠的数据传输服务，物理层需要对来自MAC子层和高层的数据流（传输块）进行编码/复用后发送到达编码/复用单元的数据以传输块集的形式传递，每个传输时间间隔（TTI）内传递一次，TTI长度可以取10ms、20ms、40ms或80ms）,37,上行,下行,38,（1）CRC校验差错检测功能是通过给传输块加入循环冗余校验来实现的。CRC长度可以是24、16、12、8或0比特，每个传输信道（TrCH）使用的CRC长度由高层信令给出。（2）传输块级联/码块分割在一个TTI内传输的所有传输块都是串联在一起的。如果一个TTI的总比特数大于规定的码块最大尺寸，那么在传输块级联之后将进行码块分割。,39,（3）信道编码码块被送到信道编码模块，可根据以下信道编码方案进行编码：卷积编码：规定使用的编码速率通常为1/2和1/3；Turbo编码：Turbo编码器是一种并行级联卷积码编码器，可用于高速、高质量的业务中。（4）无线帧尺寸均衡对输入比特序列加以填充，以保证输出比特流可以被分成大小相同的数据段。无线帧尺寸均衡仅用于上行链路。,40,（5）第一次交织第一次交织又叫帧间交织，仅在时延预算允许10ms以上的延迟时使用，交织长度可以是20ms、40ms或80ms，交织周期为一个传输时间间隔TTI。（6）无线帧分割如果TTI长度大于10ms，那么输入比特序列将被分段，并映射到连续的无线帧当中。,41,（7）速率匹配对一个传输信道上的比特进行重复或打孔操作。以确保传输信道复用之后的总比特率与高层分配的专用物理信道的比特率相同。（8）传输信道复用每隔10ms，来自各TrCH的无线帧就被送到传输信道复用单元，该单元将把所有TrCH的比特顺序串联起来，形成一个编码组合传输信道（CCTrCH）,42,（9）物理信道分割当使用了多个物理信道时，就需要将输入比特流分段，放入到不同的物理信道中（10）第二次交织第二次交织是帧内交织，完成一个无线帧内部数据比特的位置变换操作（11）物理信道映射所有的比特都将被映射到物理信道上，通过空中接口传输。,43,4.扩频与调制物理信道成帧之后，需要进行扩频与调制。扩频分两步进行第一步称为信道化操作：在WCDMA系统中用OVSF码作为信道化码。以保持不同数据速率和不同扩频因子的信道之间的正交性。第二步是加扰操作：用一个伪随机序列与信道化后的已扩频符号相乘，进行加扰且扰码的码字速率与已扩频符号相同。上行链路的扰码用于区分用户，而下行链路的扰码用于区分小区和信道。WCDMA系统采用Gold码作为扰码。经过扩频之后的信号要进行QPSK调制，调制后的码片速率都是3.84Mchip/s,44,上行DPDCH/DPCCH的扩频与调制,45,除SCH外的下行物理信道的扩频与调制,46,5.功率控制WCDMA系统中采用了功率控制技术。开环功率控制只用于优化RACH和CPCH信道的初始传输上行链路的闭环功率控制包括两个功率控制环：内环和外环。WCDMA的内环功率控制过程和IS-95中的功控过程类似。WCDMA内环功控过程每帧15次，每秒1500次在WCDMA系统中，外环功率控制不仅在上行方向需要，而且在下行方向也需要。,47,6.发射分集下行链路发射分集是指基站方通过两根天线发射信号，每根天线被赋予不同的加权系数（包括幅度、相位等），从而使接收方增强接收效果，改进下行链路的性能。WCDMA系统可以使用两种类型的发射分集机制：开环发射分集和闭环发射分集。开环发射分集：基于空间/时间块编码（STTD）的分集。闭环发射分集也叫反馈模式的发射分集，只有DPCH采用闭环发射分集方式,48,DPCH的STTD编码过程,STTD编码过程,49,7.3cdma2000系统7.3.1cdma2000技术特点,两种扩展技术多载波（MC）和直接序列（DS）扩频反向链路连续发送反向链路相干解调增强的信道结构前向链路的辅助导频前向链路的发射分集前向链路的快速功率控制业务信道可以采用Turbo码，它比卷积码高2dB的增益,50,在前向信道中，为了减少和消除小区内的干扰，采用了Walsh码。在前向信道中，采用可变长度的Walsh码来实现不同的信息比特速率；在反向信道中，采用可变长度的Walsh码来实现正交信道。在反向信道中，通过将物理信道分配到I和Q支路，使用复数扩展使得输出信号具有较低的频谱旁瓣。在软切换方面，将原来的固定门限改变为相对门限，增加了灵活性为满足不同的服务质量支持可变帧长、可选的交织长度、改进的MAC方案以支持分组操作和多媒体业务,51,7.3.2cdma2000无线传输技术1物理信道类型cdma2000空中接口的物理信道分为前向/反向专用物理信道(F/R-DPHCH)和前向/反向公共物理信道（F/R-CPHCH）。前向/反向专用物理信道点对点的方式前向/反向公共物理信道是共享和点对多点的方式,52,cdma2000前向/反向专用物理信道,53,cdma2000前向/反向公共物理信道,54,2前向信道前向链路支持的码片速率为N1.2288Mc/s，N=1，3，6，9，12。,55,N=1且速率集为RS1系统的F-FCH,56,N=1单载波系统的扩频和调制过程,57,2前向信道,反向接入信道（R-ACH）和反向公共控制信道（R-CCCH）的结构,58,反向导频信道结构,59,N=1和N=3系统反向链路调制过程中的I和Q支路的信道映射,60,7.4TD-SCDMA系统7.4.1TD-SCDMA标准及发展,2000年5月5日，TD-SCDMA被正式接纳为IMT-2000标准，与欧洲、日本提出的WCDMA以及美国提出的cdma2000并列为三大主流3G标准之一2002年10月，我国信息产业部公布TD-SCDMA频谱规划，为TD-SCDMA标准划分了总计155MHz的非对称频段2006年1月20日，信息产业部正式颁布TD-SCDMA为我国通信行业标准。,61,频谱规划,TD-SCDMA可以充分利用不对称的频谱资源中国政府大力支持TD-SCDMA，并且为其分配155MHz的频带,PairedSpectrum,UnpairedSpectrum,62,7.4.2TD-SCDMA物理层1传输信道TD-SCDMA的传输信道与WCDMA的传输信道基本相同。不同之处在于：TD-SCDMA传输信道中增加了上行共享信道（USCH），不包括公共分组信道(CPCH),63,2物理信道TD-SCDMA的物理信道由四层结构组成，即系统帧、无线帧、子帧和时隙/码,TD-SCDMA的物理信道信号格式,64,（1）帧结构TD-SCDMA帧结构将10ms的无线帧分成两个5ms的子帧，每个子帧又分成长度为675s的7个常规时隙和3个特殊时隙。,TD-SCDMA系统的帧结构,65,在7个常规时隙中，TS0总是分配给下行链路，而TS1总是分配给上行链路。上行时隙和下行时隙之间由转换点分开，每个5ms的子帧有两个转换点下行导频时隙（DwPTS）：它是为下行导频和同步而设计的上行导频时隙（UpPTS）：它是为建立上行同步而设计的保护时隙（GP）：即在NodeB侧，由发射向接收转换的保护间隔，时长为75s（96chip）,66,下行导频时隙DwPTS&上行导频时隙UpPTS,保护时隙GP,67,（2）突发结构,TD-SCDMA系统只有一种突发结构突发的数据符号部分由信道码和扰码共同扩频。扩频因子可以取1、2、4、8和16,68,训练序列midamble,信道估计功率控制测量：TPCTransmittingPowerControl发送功率控制上行同步的保持：SSSynchronizationShift同步偏移,69,（3）物理信道类型及映射关系,70,3信道编码、复用、数据调制和扩频调制TD-SCDMA的信道编码、复用、传输信道到物理信道的映射过程与WCDMA系统类似在TD-SCDMA中，经过信道映射后的数据流还要进行数据调制和扩频调制。数据调制可以采用QPSK或者8PSK（针对2Mbit/s的业务）数据调制后的复数符号再进行扩频调制。扩频调制主要分为扩频和加扰两步，扩频后的码片速率为1.28Mchip/s。扩频后进行脉冲成形。,71,7.4.3TD-SCDMA关键技术TD-SCDMA标准采用了时分双工（TDD）、TDMA/CDMA多址方式工作，基于同步CDMA、联合检测、智能天线、软件无线电、动态信道分配（DCA）、接力切换等新技术,72,双向传输上行链路（uplink）下行链路（downlink）双工模式频分双工（FDD）时分双工（TDD）,1.时分双工TDD,73,提高系统的频谱利用率降低对功率控制的要求提高终端的接收性能适合采用智能天线技术更容易实现低功耗的多模小终端,限制了小区的覆盖范围干扰问题严重同步要求高移动速度目前难以与FDD模式相比,TDD模式优缺点分析,74,2.同步技术上行同步,TD-SCDMA同步技术TD-SCDMA同步技术包括网络同步、初始化同步、节点同步、传输信道同步、无线接口同步、Iu接口时间校准、上行同步等节点同步用来估计和补偿UTRAN节点（NodeB）之间的定时误差，降低小区间干扰初始化同步移动终端开机建立下行同步过程被称作初始化小区同步过程。其目的是读取小区的系统广播消息，获得进行业务传输的参数。,75,上行同步ULS要求来自不同位置、不同距离的不同用户终端的上行信号能够同步到达基站。带来的好处：提高系统容量、简化基站接收机的设计,76,上行同步的建立和保持,77,3.联合检测JointDetection,联合检测的含义联合检测是多用户检测的一种，它能充分利用MAI，一步之内将所有用户的信号都分离出来TD-SCDMA系统采用联合检测技术的原因联合检测技术在复杂度允许的情况下，可以同时对抗多址接入干扰MAI和码间干扰ISI,78,联合检测的基本思想,79,联合检测技术优缺点分析,检测效果优于传统RAKE接收机提高系统容量，增加用户数量降低UE的发射功率削弱“远近效应”的影响降低网络建设的成本,抗白噪声能力较差抗多址干扰干扰能力不强,80,4.智能天线SmartAntenna,智能天线的设计思想以阵列天线来形成窄波束以得到天线的高增益，并且窄波束又能减小干扰，从而提高了系统的信干比和灵敏度。（对比GSM、CDMA常规固定波束）,81,智能天线的技术优势提高信号干扰比，改善通信质量增加系统容量，提高同时通信的用户数量扩大通信覆盖区域，提高频谱利用率降低基站发射功率，减少电磁环境污染,82,5.软件无线电SDR,软件无线电的设计思想把硬件作为无线通信的基本平台，而把尽可能多的无线及个人通信功能用软件实现软件无线电的研究目标把多波段天线、射频变换、宽带数模变换、中频处理、基带处理和信号处理等组合在一起，灵活的进行软件处理，形成可编程的模块化的无线电系统。简言之，其目标：在全波段内根据环境灵活的设置参数，在多个频段上通信,83,软件无线电的关键模块、关键技术,84,RF转换技术：产生输出功率、接收信号的预放大、射频信号和中频信号的转换A/D、D/A模数转换技术数字中频处理：在发送数据时，中频处理完成上变频；在接收数据时，中频处理完成下变频、信道隔离基带和比特流数字信号处理：完成将多个信源比特复合，对比特流进行纠错处理；完成抗衰落、抗干扰的各种算法低功耗、小型化技术智能天线技术,85,软件无线电的技术优势系统结构通用，功能实现灵活提供不同系统互操作的可能性复用的优势软件的生存期决定了通信系统的生存期利用软件，可以方便的采用各种新的信号处理技术提高抗干扰能力,86,软件无线电在TD-SCDMA中的应用TD-SCDMA的优势在软件无线电中实现TDD模式国有的高峰均比适宜软件无线电的应用TD-SCDMA标准的后发因素决定软件无线电的应用,87,6.动态信道分配DCATD-SCDMA系统中的任何一条物理信道都是通过它的载频、时隙、扩频码的组合来标记的。,DCA的含义信道不是固定地分给某个小区，而是被集中在一起进行分配DCA的特点高效性自动适应网络中负载和干扰的变化，高效地利用有限的无线资源，提高系统容量灵活性适应第三代移动通信业务的需要，尤其是高速率的上、下行不对称的数据业务和多媒体业务复杂性DCA算法相对于固定信道分配来说较为复杂，在信道分配上占用的系统开销比较大,88,慢速DCA主要任务是把资源分配到小区，在每个小区内分配和调整上下行的链路资源（用于上下行业务不对称的情况），测量网络端和用户端的干扰，并根据本地干扰情况为信道分配优先级。快速DCA主要任务是把资源分配到业务，包括信道分配和信道调整两个过程。信道分配是根据其需要的资源单元的多少为承载业务分配一条或多条物理信道信道调整可以通过RNC对小区负荷情况、终端移动情况和信道质量的监测结果，动态地对资源单元进行调配和切换,89,7.接力切换BatonHandover,接力切换与其他切换方式的比较,Play,软切换示意图,90,91,接力切换的设计思想利用智能天线和上行同步等技术，在对UE的距离和方位进行定位的基础上，根据UE的方位和距离信息作为辅助信息来判断目前UE是否移动到了可进行切换的相邻基站的临近区域智能天线提供用户的到达角估计DOA上行同步过程提供用户到基站的距离,92,接力切换的过程,93,7.53G系