（通信与信息系统专业论文）umb系统物理层技术演进及性能研究.pdf

北京邮电大学硕士学位论文 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特另 j j j n 以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论 本人签名： 处，本人承担一切相关责任。 日期：型2 ：主：f l 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位 本人签名： 导师签名： 适用本授 日期： 日期： 北京邮电大学硕士学位论文 摘要 u m b 系统物理层技术演进及性能研究 摘要 u m b ，即超移动宽带系统，是3 g p p 2 支持的准四代无线技术，以 o f d m a 技术为基础、专门针对无线移动环境和实时应用优化。它继 承了e v - d o 系统的自适应编码调制、b a r q 以及q o s 控制机制，结 合了c d m a 、t d m 、q o f d m a ( 准o f d m a ) 、l d p c 等其他先进技 术，引入了基于m i m o 、s d m a 和b e a m f o r m i n g 等多天线技术。 u m b 物理层关键技术方面，去冗余比特反转交织，具有良好的改 造信道条件的性能，对抵抗衰落的传播环境有很好的效果；t a i l b i t i n g 编码方案与l d p c 编码，可极大地避免码流传送中误码的发生，增强 信号在传播过程中抵抗噪声干扰的能力，提高系统的可靠性；分层调 制技术能够使运营商以较小的基站覆盖更大的面积，实现低成本高效 率高质量的业务服务；还有闭环m i m o 等多天线技术的使用，使得 u m b 系统的系统容量有了极大的提升。 通过使用m a t l a b 搭建仿真平台，评估u m b 系统物理层的性能。 在a w g n 信道下，使用卷积编码和t u r b o 码，都能快速的将误包率 降至1 0 。3 以下；在衰落信道下，u m b 系统f d d 的性能要略好于t d d 。 而在版本方面，u m b 第一版协议性能最次，第二版与第三版性能相 当。对于2 0 0 8 年1 2 月的t d d 版本，其物理层性能和第二版f d d 的 性能相当。和w i m a x 对比，无论在a w g n 信道下还是衰落信道下， u m b 较w i m a x 都有着明显的性能优势。 一 u m b 系统不仅对比现有的3 g 技术有着巨大的改进，即使和同代 系统相比较也绝不落下风。作为3 g p p 2 为后3 g 时代准备的移动通信 标准，u m b 中的关键技术是未来移动通信技术的发展方向。在我国 自主研发新一代移动通信系统的过程中，u m b 中的先进技术值得借 鉴和参考。 关键词：u m b ，物理层，技术演进，性能仿真 北京邮电大学硕士学位论文 t e c h n o l o g ye v o l u t i o na n dp e r f o r m c e r e s e a r c ho fu m bs y s t e m s p h ：y s i c a ll a y e r a b s t r a c t u l t r am o b i l eb r o a d b a n ds y s t e m ，s u p p o s e db y3 g p p 2 ，i sak i n do f q u a s if o u r t h g e n e r a t i o nw i r e l e s st e c h n o l o g y u m bs y s t e mi sb a s e do n o 阳队t e c h n o l o g y , w h i c h i s s p e c i f i c a l l y f o rw i r e l e s sm o b i l e e n v i r o n m e n t sa n do p t i m i z e dr e a l t i m e a p p l i c a t i o n s i t i n h e r i t st h e a d a p t i v ec o d e dm o d u l a t i o n ，h a r q ，a sw e l la sq o sc o n t r o lm e c h a n i s m f r o mt h e 阱d o s y s t e m ，a n di sc o m b i n e do fc d m a , t d m ，q o f d m a , l d p ca n do t h e ra d v a n c e dt e c h n o l o g i e s m u l t i a n t e n n at e c h n o l o g i e s b a s e do nm i m o ，s d m aa n db e a m f o r m i n ge t c ，a r ea l s oi n t r o d u c e di n t o u m b o nt h ea s p e c t so ft h ek e yt e c h n o l o g i e so fu m b p h y s i c a ll a y e r , t h e p b r i ，w i t hg o o dp e r f o r m a n c eo fc h a n g i n gc h a n n e lc o n d i t i o n s ，h a sag o o d e f f e c to nt h er e s i s t a n c et of a d i n go ft h et r a n s m i s s i o ne n v i r o n m e n t ； ，】r a i l - b i t i n ge n c o d i n ga n dl d p c c a ng r e a t l ya v o i dt h eo c c u r r e n c eo ft h e e r r o rc o d ei nt h et r a n s m i s s i o nd a t a ，e n h a n c et h ec a p a c i t yo ft h es i g n a lo n r e s i s t a n c et ot h en o i s ei n t e r f e r e n c ei nt h et r a n s m i s s i o np r o c e s sa n d i m p r o v es y s t e mr e l i a b i l i t y ；h i e r a r c h i c a lm o d u l a t i o nt e c h n o l o g ye n a b l e s t h eo p e r a t o r st oc o v e rl a r g e ra r e a sw i t ht h es m a l lb a s es t a t i o n s ，a n d p r o v i d ec o s t - e f f e c t i v eh i g h q u a l i t ys e r v i c e s ；a n dt h ec a p a c i t yo ft h eu m b s y s t e m s h a sb e e n g r e a t l yi m p r o v e d b yu s i n gt h em u l t i p l e a n t e n n a t e c h n o l o g y , l i k et h ec l o s e d 1 0 0 pm i m o t h es i m u l a t i o np l a t f o r mi sb u i l tb yu s i n gm 觚。a bt oa s s e s st h e p e r f o r m a n c eo ft h eu m bs y s t e m s p h y s i c a ll a y e r i nt e r m so fa w g n c h a n n e l ，t h ep e rw i l lb eq u i c k l yr e d u c e db e l o w1 0 。jb yu s i n g c o n v o l u t i o n a lc o d e sa n dt u r b oc o d e s i nf a d i n gc h a n n e l ，t h eu m b s y s t e m s p e r f o r m a n c eo ff d di ss l i g h t l y b e t t e rt h a nt h et d d c o n s i d e r i n ga b o u t t h ed i f f e r e n tv e r s i o n so fu m bp r o t o c o l ，t h e i u p e r l e r l t l a n v 2o ft h ef i r s te d i t i o ni st h ew o r s t a n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h e s e c o n de d i t i o ni se q u a lt ot h et h i r de d i t i o n f o rt h e 田d dv e r s i o no n d e c e m b e r2 0 0 8 ，t h ep h y s i c a ll a y e rp e r f o r m a n c ei s a l m o s te q u a lt ot h e p e r f o r m a n c eo fr d d i nt h es e c o n de d i t i o n c o m p a r e dw i t hw i m a x , b o t h i na w g nc h a n n e la n df a d i n gc h a n n e l ，u m bs y s t e m sh a v es i g n i f i c a n t p e r f o r m a n c ea d v a n t a g e s c o m p a r e dw i t ht h ee x i s t i n g3 gt e c h n o l o g i e s ，u m bs y s t e m sh a v e e n o r m o u si m p r o v e m e n t ，e v e ni nt h es y s t e m so nt h es a m eg e n e r a t i o n ，t h e y a l s oh a v ea d v a n t a g e s a sab e y o n d 一3 gm o b i l ec o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d w h i c hi s s u p p o r t e db y3 g p p 2 ，t h ek e yt e c h n o l o g i e si n u m ba r et h e d e v e l o p m e n tt r e n d so ft h ef u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g i e s i n t h ep r o c e s so fd e v e l o p i n gt h en e x tg e n e r a t i o nm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s y s t e m sb yo u rc o u n t r yi n d e p e n d e n t l y , t h ea d v a n c e dt e c h n o l o g i e sm u m ba r ew o r t hl e a r n i n ga n dr e f e r e n c e k e yw o r d s ：u m b ，p h y s i c a ll a y e r , t e c h n o l o g y e v o l u t i o n ， p e r f o r m a n c es i m u l a t i o n i v 北京邮电大学硕士学位论文目录 目录 摘要i a 】b s t 】5 l a c t i i i 第一章绪论1 1 1 移动通信发展概述【3 】2 1 1 1 第一代蜂窝移动通信系统3 1 1 2 第二代蜂窝移动通信系统3 i i 3 第三代蜂窝移动通信系统4 1 23 g 技术演进1 3 j 6 1 2 1w c d m 帅s c d m a 系列“6 1 2 2w i m a x 系列1 0 1 2 3c d m a 2 0 0 0 系列1 2 1 3u m b 系统介绍1 3 4 j ”1 5 1 4 论文内容安排”1 7 第二章u m b 系统物理层技术分析与演进”1 9 2 1 编码及算法方面1 9 2 1 11 3 码率卷积编码【9 】”1 9 2 1 2t a i l b i t i n g 编码方案1 9 2 1 3l d p c 编码2 1 2 1 4 去冗余比特反转交织算法2 1 2 2 分层调制技术2 3 2 3 时域过程2 5 2 4m i m o 技术2 6 2 5c d m a 资源映射3 1 2 6u m b 协议规范t d d 版本【1 4 】“3 3 第三章u m b 系统物理层性能仿真3 6 3 1a w g n 信道下的仿真3 6 3 2 衰落信道下的仿真4 1 第四章总结分析4 5 4 1u m b 物理层性能分析4 5 4 2 综合研究总结4 8 4 3 结论5 2 参考文献”5 4 致谢5 6 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录5 7 v 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 移动通信是近几年通信各领域中发展最快的领域之一。它是当今信息社会中 最具个性化特征的通信手段。它的发展与普及改变了社会，也改变了人类的生活 方式，让人们领悟到现代化与信息化的气息i 。 顾名思义，移动通信是指通信双方至少有一方在移动中( 或者临时停留在某 一非预定的位置上) 进行信息传输和交换，这包括移动体和移动体之间的通信， 移动体和固定点之间的通信1 2 j 。 移动通信的主要特点有以下几个1 2 j ： l 、移动通信是通过无线电波进行信息传播的；这种传播媒介允许通信中的 用户可以在一定的范围内移动，但是无线传播环境一般都很差。首先，移动通信 的运行环境十分复杂，电波不仅会随着传播距离的增加而损耗，并且会受到地形、 地物的遮蔽而发生“阴影效应，而且信号经过多点反射，会从多条路径到达接 收点，这种多径信号的幅度、相位和到达时间都不一样，它们相互叠加会产生电 平衰落和时延扩展。其次，移动通信常常在快速移动中进行，这不仅会引起多普 勒频移，产生随机调频，而且会使得电波传播特性发生快速随机波动，严重影响 通信质量。因此，移动通信系统的设计必须以移动信道的特征为依据。 2 、移动通信是在复杂的干扰环境中运行的；除去一些常见的外部干扰，系 统本身和不同系统之间，也会有这样或那样的干扰。因为在移动通信系统中，常 常有多部用户终端在同一地区工作，基站还会有多部收发信机在同一地区工作， 这些终端之间以及这些收发信机之间都会存在干扰。随着移动通信网所采用的制 式不同，所产生的干扰也会有所不同。归纳起来说，这些干扰有邻道干扰、互调 干扰、共道干扰、多址干扰，以及近地无用强信号压制远地有用弱信号的现象( 远 近效应) 等等。因此，在移动通信系统中，如何对抗和减少这些有害干扰的影响 是至关重要的。 3 、移动通信可以利用的频谱资源非常有限，而移动通信业务量的需求却与 日俱增；如何提高通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的焦点。为了解 决这一矛盾，一方面要开辟和启用新的频段；另一方面要研究各种新技术和新措 施，以压缩信号所占的频带宽度和提高频谱利用率。可以说，移动通信无论是从 模拟向数字过渡，还是再向新一代发展，都离不开这些新技术和新措施的支撑。 此外，有限频谱的合理分配和严格管理是有效利用频谱资源的前提，这是国际上 和各国频谱管理机构和组织的重要职责。 4 、移动通信系统的网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效；根据通 第一章绪论 北京邮电大学硕士学位论文 信地区的不同需要，移动通信网络可以组成带状( 铁路公路沿线) 、面状( 覆盖 某一城区) 或立体状( 如通信卫星的结合系统) 等，可以单一网运行，也可以多 个网并行，并实现互联互通。为此，移动通信网络必须具备很强的管理和控制功 能，诸如用户的登记和定位，通信链路的建立和拆除，信道的分配和管理，通信 的计费、鉴权、安全和保密管理以及用户过境切换和漫游的控制等等。 5 、移动通信设备必须适于在移动环境中使用；对手机主要的要求是体积小、 重量轻、省电、操作简单和携带方便。车载台和机载台除要求操作简单和维修方 便外，还应保证在震动、冲击、高低温变化等恶劣环境中正常工作。 1 1 移动通信发展概述【3 l 移动通信起源于电磁波的产生。早在1 9 世纪6 0 年代，麦克斯韦就在理论上 证明了电磁波的存在，随后赫兹进行了实验证实，到了2 0 世纪初马可尼等人利 用电磁波进行远距离无线通信获得了成功，从此世界进入了以电磁波为媒介的无 线通信新时代。 到2 0 世纪2 0 年代，美国普渡大学学生发明了世界上第一个可以有效工作的 移动通信系统超外差式无线电接收机，标志着真正意义上的移动通信时代的 到来：2 0 世纪3 0 年代初，出现了第一部调幅制式的双向移动通信系统；2 0 世纪 3 0 年代后期又出现了调频制式的移动通信系统。由于调频制式的移动通信系统 在性能上明显优于调幅制式，因此当时的调频制式移动通信系统逐渐占据主流地 位，这个时期主要完成了通信实验和电磁波传输的实验工作，在短波波段上实现 了小容量专用移动通信系统。这种移动通信系统存在着工作频率较低、话音质量 差、自动化程度低，难以和公共网络互通等诸多缺点。 第二次世界大战期间，军事上的需求使得移动通信技术得到了迅速发展。战 后，原先用于军事移动通信的技术成果逐渐转为民用。到2 0 世纪5 0 年代，美国 和欧洲部分国家相继成功研发了公用移动电话系统，在技术上实现了移动电话系 统与公共电话网络的互通，且得到了广泛的使用，但此时的公用移动电话系统的 容量较小始终是它的一个缺陷。 2 0 世纪6 0 年代中期至7 0 年代中期，美国推出了使用1 5 0 m h z 和4 5 0 m i - i z 频段的改进型移动电话系统，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择 及自动接入公用电话网等功能。但这种大区制结构所能提供的容量很快饱和，满 足不了民用移动通信用户数快速增长的需求，因此必须探索新通信体制。在一定 的频谱资源下，根据电磁波在传播过程中能量逐步衰减而可以有效地在不同空间 上重复利用频率资源的原理，2 0 世纪7 0 年代美国贝尔实验室提出了小区制、蜂 窝组网的概念，真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛 2 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 盾，奠定了蜂窝移动通信系统的基础，成为移动通信发展史上的里程碑。 1 1 1 第一代蜂窝移动通信系统 第一代蜂窝移动通信系统采用了蜂窝组网和频率复用等关键技术解决了之 前的移动通信系统所面临的频谱利用率低、容量小及业务质量差等方面的问题， 在商业上取得了巨大的成功。不过，第一代蜂窝移动通信系统也存在诸多局限： l 、各系统间没有公共接口，无法实现全球漫游； 2 、无法适应固定网络迅速向数字化推进的趋势，数字承载业务难以开展； 3 、频谱利用率不高，无法适应大容量的需求。从理论上说，蜂窝可以进行 无限分割，频率复用距离也可以做到越来越小，但是随着蜂窝变小后，来自多方 面的干扰将变得难以排除，因此实际上限制了蜂窝无限缩小对系统容量的改善作 用； 4 、安全性低，易于被窃听，易做“假机一。 这些致命的弱点妨碍了第一代蜂窝移动通信系统的进一步发展，因此模拟蜂 窝移动通信逐步被数字蜂窝移动通信所替代。然而，模拟系统中的组网技术一直 在数字系统中得以沿用。 1 9 7 8 年年底，美国贝尔实验室成功研制了先进移动电话系统( a m p s ) ，建 成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量；1 9 8 3 年，a m p s 首次在芝加哥 投入商用。a m p s 是第一个真正意义上的具有随时随地通信能力的大容量蜂窝移 动通信系统。它通过把整个覆盖区域分成若干个蜂窝小区，相邻蜂窝小区避免使 用相同频率资源的方法来实现频率复用，并且同时保证移动终端在覆盖区内能够 自动接入公用电话网，解决了公用移动通信系统所面临的大容量要求与频谱资源 限制的矛盾。2 0 世纪8 0 年代初，a m p s 系统在美国得到迅速发展，并且促进了 在全球范围内对蜂窝移动通信技术的研究。到2 0 世纪8 0 年代中期，欧洲的一些 国家和日本也纷纷建立了各自的蜂窝移动通信网络，主要有英国的e t a c s 系统、 北欧的n m t - 4 5 0 系统、日本的删j t a c s n 郴系统等。这些系统都是模拟 制式的频分双工系统，也被称为第一代蜂窝移动通信系统。 第一代从技术特色上看，它以解决两个动态性中最基本的用户这一重动态性 为核心并适当考虑到第二重信道动态性【1 1 。主要实现措施是采用频分多址f d m a 方式实现对用户的动态寻址功能，并以蜂窝式网络结构和频率规划实现载频再用 方式，达到扩大覆盖服务范围和满足用户数量增长的需求。在信道动态特性匹配 上，适当采用了性能优良的模拟调频方式，并利用基站二重空间分集方式抵抗空 间选择性衰落l l i 。 1 1 2 第二代蜂窝移动通信系统 为了解决上面所提到的第一代蜂窝移动通信系统中所存在的问题，从2 0 世 3 第一章绪论北京邮电大学硕士学位论文 纪9 0 年代开始逐渐发展了采用数字调制技术的第二代蜂窝移动通信系统，即2 g 系统。全球第一个数字蜂窝移动通信网络是1 9 9 2 年欧洲建设的g s m ( g l o b a l s y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 网络，其优良的性能使得g s m 系统在全球范 围内得到了迅速发展，g s m 用户数一度超过全球蜂窝系统用户总数的7 0 。随 后，美国的d a m p s 和日本的j d c 等2 g 系统也相继投入使用。这些系统的空中 接口都采用了时分多址( t d m a ) 接入方式。1 9 9 3 年，美国推出了基于码分多 址( c d m a ) 接入技术的i s 9 5 系统。 采用数字调制技术以传送语音和低速数据业务为目的的2 g 系统与采用模拟 调制方式的1 g 系统相比具有很多优点，如频谱效率高、系统容量大、保密性能 好等。 比较典型的2 g 系统是g s m 和i s 9 5 系统。g s m 可以工作在9 0 0 m h z 或 1 8 0 0 m h z 频段，采用f d d 方式和t d m a 方式，使用2 0 0 1 f f l z 载波带宽提供语音 和低速数据业务。为了弥补g s m 提供分组数据业务能力的不足，基于g s m 开 发了g p r s 系统，它能够提供具有较高速率的分组数据业务。l s 9 5 系统可以工 作在8 0 0 m h z 或1 9 0 0 m h z 频段，采用f d d 方式和c d m a 方式，利用1 2 5 m i - i z 载波带宽提供语音和低速数据业务。l s 9 5 系统中采用了扩频、r a k e 接收及功 率控制等关键技术，具有良好的抗干扰特性，极大地提高了系统容量。c d m a 系统在提高系统容量和抗干扰及无线衰落等方面的明显优势，使得c d m a 技术 成为第三代移动通信的核心技术。 2 g 系统主要采用t d m a 或c d m a 方式，具有频谱利用率高、保密性好和 话音质量好的特点，既可以支持话音业务，也可以支持低速数据业务。无论是采 用t d m a 技术的g s m ，还是采用c d m a 技术的i s 9 5 ，其体制标准都比较完善， 技术也相对成熟。不过，随着数据业务，尤其是多媒体业务需求的不断增长，2 g 系统在系统容量、频谱效率等方面的局限性越来越满足不了人们的需求。 1 1 3 第三代蜂窝移动通信系统 为了实现蜂窝移动通信系统的统一标准，并且能够实现全球漫游功能，早在 1 9 8 5 年，国际电信联盟( u ) 提出了未来公共陆地移动通信系统( f p l m t s ) 的概念。f p l m t s 的目标是实现任何人在任何时间、任何地点，能向任何人传送 任何信息，它是第三代蜂窝移动通信系统的前身。1 9 9 4 年，删- r 和r r u t 开 始合作研究f p l m t s ，其中删r 负责无线接入技术的标准化，n u t 负责网络 的标准化。为了解决2 g 系统在系统容量、频谱效率等方面所面临的问题，同时 满足移动用户对分组数据传输的更高需求，1 9 9 5 年n u 将f p l m t s 更名为国际 移动通信2 0 0 0 ( i m t - 2 0 0 0 ) ，即第三代移动通信系统或3 g 系统。 与1 g 和2 g 系统相比，3 g 系统具有下面几个特点： 4 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 1 、全球普及和全球无缝漫游的能力：3 g 系统将在覆盖、分配频段和标准方 面都实现全球统一。 2 、不仅支持语音和低速数据业务，同时还能够提供多媒体和高速数据业务， 根据需要提供带宽，但要求无线接口能满足：在快速移动环境下数据速率达到， 1 4 4 k b i t s ，室外到室内或步行环境中数据速率达到3 8 4 k b i t s ，室内环境中数据速 率将达到2 m b i t s 。 3 、具有良好的设计一致性、前后向兼容性及与固网的兼容性：不同厂家产 品的设计具有良好的一致性和设备互通性；具有从现有蜂窝系统进行平滑演进和 进一步发展的能力；可以融合现有的公共电话交换网、综合业务数字网、无绳电 话系统、地面移动通信系统和卫星通信系统等，实现无缝覆盖的能力。 4 、能够提供充足的带宽、较高的频谱效率及较好的服务质量( o o s ) - 满足 用户对数据带宽及服务体验方面越来越高的要求，尤其是新型多媒体业务的需 求。3 g 系统将针对目标业务，在保证业务质量的前提下，实现更高的频谱效率 和系统容量。 5 、提供良好的系统安全机制：移动通信系统的安全性不仅仅牵涉到用户的 。 个人隐私，而且还与国家的政治、经济、金融等领域的安全性密切相关，与人们 的社会生活息息相关，因此3 g 系统应该满足安全性方面的要求。 欧洲与日本提出的w c d m a 和北美提出的c d m a 2 0 0 0 最为瞩目。w c d m a 是欧洲e t s i 提出的宽带c d m a 技术，它与日本a r i b 提出的宽带c d m a 技术 基本一致，两者融合后形成了第三代移动通信无线传输技术w c d m a 。w c d m a 系统是一种异步系统，码片速率为3 8 4 m c h i p s 。w c d m a 系统采用了快速功率 控制技术，支持多种切换方式，可以适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务。 而c d m a 2 0 0 0 是由美国t i a 提出的宽带c d m a 技术，采用直接序列扩频或多 载波方式，码片速率可以是1 2 2 8 8 m c h i p s 的1 倍或3 倍( 最高可达9 倍或1 1 倍) ，分别对应于c d m a 2 0 0 0l x 或c d m a 2 0 0 03 x 系统。c d m a 2 0 0 0 系统与i s 9 5 系统后向兼容，采用g p s 授时同步，并在i s 9 5 系统软切换、功率控制及r a k e 接收分集技术的基础上，增加了快速寻呼、反向信道相干解调、前向快速功率控 制、t u r b o 码及较高速率的分组数据传送等功能。t d s c d m a 是由中国c w t s 提出的宽带c d m a 技术，采用直接序列扩频，码片速率1 2 8 m c h i p s 。t d s c d m a 系统基于t d d 方式，前反向信道工作在相同的频段上，在不同的时隙进行传送。 t d s c d m a 系统采用了智能天线、联合检测、接力切换等关键技术。c d m a 2 0 0 0 和w c d m a 均采用了f d d 方式，而t d s c d m a 则采用t d d 方式。与f d d 系 统相比，t d d 系统采用多时隙非连续传送方式，其抗快衰落和多普勒效应能力 比连续传送的f d d 方式差；t d d 系统的峰平比随着时隙数的增加而降低，考虑 5 第一章绪论北京邮电大学硕士学位论文 到耗能和成本因素，终端的发射功率不可能很大，故通信距离较小，而f d d 系 统的小区半径则相对较大。 2 0 0 7 年1 0 月1 9 日，国际电信联盟( 删) 正式批准无线宽带技术w i m a x 成为3 g 标准。这标志着w i m a x 正式成为i m t - 2 0 0 0 家族的一名成员，与 w c d m a 、c d m a 2 0 0 0 和t d s c d m a3 者并列，成为全球第4 种3 g 标准。 1 23 g 技术演进【3 1 在w i m a x 正式成为3 g 标准的成员之前，3 g 技术的标准化工作由3 g p p 和 3 g p p 2 来推动和实施。目前3 g 技术的标准化工作还包括由i e e e8 0 2 1 6 和 w i m a x 论坛来推动的w i m a x 。3 g p p 主要采用w c d m a 和t d s c d m a 技术 构建新的无线接入网，核心网与无线接入网作为一个整体向前发展。3 g p p 2 主要 采用c d m a 2 0 0 0 技术构建新的无线接入网，核心网与无线接入网分别独立向前 发展。两种技术体制的核心网在现有的第二代移动通信网的核心网基础上平滑演 进，以提供更加多样化的业务。w i m a x 以o f d m a 技术为基础来构建无线接入 网络，根据可用带宽选择所用子载波数，起点较高，相当于3 g p p 的l t e 和3 g p p 2 的u m b 阶段的技术。 从3 g 及3 g 演进标准所采用的技术上看，3 g 主要是c d m a 技术，如 w c d 籼s d p a 、c d m a 2 0 0 0l xe v - d o ，而在3 g 演进的后期则是以o f d m 与 m i m o 结合的技术为主，例如l t e 、u m b 和w i m a x 。这些技术的变化也反映 了人们对于业务需求的变化趋势。未来的移动通信系统将具有提供高速、宽带、 多媒体等各种业务的能力。 1 2 1w c d m a 佃s c d m a 系列 3 g p p 成立于1 9 9 8 年，负责w c d m a 系列的标准化工作。w c d m a 在网络 结构、信道规划等方面与g s m g p r s 向下兼容，可以看作g s m g p r s 的演进技 术，但与g s m g p r s 有着根本性的技术差异。 根据3 g p p 的发展和目前的计划，w c d m a 的发展将经历几个阶段，可以用 3 g p p 的版本号来加以区别，如图1 - 1 所示。 6 北京邮电大学硕士学位论文第一章绪论 4 g l 揣h 斟 _ - l 恐 2 m b i “墨，3 8 4 1 0 a i c s ( 5 m 带竟) 2 o 年3 月2 0 0 1 年3 月2 0 0 2 年6 月2 0 0 4 年1 2 月 标准完成时问 图1 - 1w c d m a 技术演进路线嘲 r 9 9 阶段是3 g 的第一个阶段。这一版本的主要内容包括新型的空中接口标 准，即w c d m a 无线接入技术，采用了3 g 标志性技术c d m a ，使分组域空口 速率达到2 m b i t s ，电路域空口速率达到3 8 4 k b i t s 。在这个版本中，保持了2 g 陀5 g 阶段的g s m g p r s 核心网络结构，具有c s 和p s 两个逻辑域分别处理话音和数 据业务，接入网内网元之间的接口基于a t m 。业务方面，r 9 9 阶段对g s m 中的 业务进行了进一步的扩展，除了支持基本的电信业务和承载业务外，还支持l b s 业务、号码携带业务、6 4 k b i t s 电路数据承载、电路域多媒体业务等。， 与r 9 9 相比，r 4 阶段在无线技术方面主要是将t d s c d m a 纳入到3 g p p 体 系中，作为t d d l c r 的空中接口，而未进行其他根本性的改变。 在核心网的c s 域，将原m s c 实体分解成m s cs e r v e r 和m g w ，实现了c s 。 域的控制和承载分离，即移动软交换，并采用i p 承载方式，开始了电路域向m 承载过渡的第一步；相应地，采用了新的b i c c s i g t r a n 信令承载协议，p s 域 的网络结构保持不变。核心网电路域的变化，使网络的层次化更加清晰，组网更 加灵活，c s 域和p s 域都采用基于口的协议，提高了核心网传输资源的利用率。 此外，在r 4 阶段，特别对业务进行了比较全面的定义，这些业务包括宽带 a m r 语音、g t r 业务、增强的l c s 业务、增强的m e x e 功能、视频媒体流业 务等。 为了更好地支持数据业务，特别是多媒体业务，r 5 阶段对空中接口和核心 网都作了改进。该版本在2 0 0 2 年6 月完成。空中接口部分，引入1 6 个高速下行 共享信道h s d s c h ；采用1 6 洲高阶调制和自适应调制编码，根据信道条件 选择调制编码方式，提高吞吐量；将1 1 1 缩短至2 m s ，实现快速调度：将无线资 源调度下放到n o d eb 实现，更接近空口，通过信道质量反馈信息可以快速跟踪 信道衰落状况并缩短信令延迟；在n o d eb 进行弛姝q 重传控制，不再需要通过 r n c 迂回控制，消除l u b 口的重传延时。通过一系列方法使下行空口速率达到 7 第一章绪论北京邮电大学硕士学位论文 1 4 4 m b i t s ，平均吞吐量达到1 m b i t s ，在使用二天线接收分集技术时容量达到 r 9 9 系统的5 倍。这一阶段的系统也称为h s d p a 。 核心网侧增加了承载于p s 域之上的i m s 控制子系统，实现对多媒体业务的 支持。i m s 概念在3 g p p 中首次提出，为移动运营商提供端到端业务建立了统一 的控制平台。i m s 采用s i p 作为业务控制协议；s i p 简单、易于扩展，可以支持 多种接入技术下的并发，利于新业务的快速引入。i m s 子系统影响了3 g p p 以后 的核心网演进路线，也影响到整个电信核心网的发展。建设统一的口核心网、 提供端到端的业务是电信网络的发展方向，而核心网的架构将很可能采用i m s 建立统一的控制平台。3 g p p 2 中定义了与i m s 具有一定对应关系的m m d 系统， t i s p a n 也在从固定网角度研究如何构建基于i m s 控制系统的网络。此外，r 5 阶段继承了前一阶段的业务，并进一步增强了i m s 下的新业务如p o c 、p r e s e n c e 等。 r 6 阶段致力于功能增强。在无线接入网侧主要增强上行信道能力，因此也 把这一阶段的系统称为h s u p a ；核心网侧的规范进入i m s 的第二个阶段，完善 i m s 系统与其他系统互操作的能力，加强对应用与业务的研究和规范化定义。 为了提高上行信道能力，在上行采用与r 5 阶段下行相类似的机制，引入了 上行专用信道e d c h 和相应的确认信道e d c h m 堰q ；在h a r q 中引入软合并 机制提高增益，同时通过减小1 n 等方式提高h a r q 重传效率。另外，在n o d e b 中增加功能控制实体m a c e 以支持快速无线资源调度、无缝软切换和h a r q 的重传控制。通过优化，上行峰值速率达到5 7 6 m b i t s ，同时吞吐量增加5 0 ， 系统容量增加了8 5 左右，延时降低一半。此外扩展了空中接口应用频段，包括 8 0 0 m h z 、8 5 0 m h z 、1 7 g h z 和2 1 g h z 。继续增强业务能力，对信道、信令、核 心网实体进行修改或增加，以便能高效率支持点到多点的单向广播多播业务 ( m b m s ) ；将伽利略卫星系统与定位业务相结合；i m s 业务方面，对p r e s e n c e 、 c o n f e r e n c i n g 、p u s h 、p o c 等业务及应用进行了定义和完善。 r 7 阶段主要是继续r 6 未完成的标准和业务内容，以及h s p a 的进一步演进 和增强( 又称h s p a + ) ，完善无线接入网络、核心网、空中接口和业务。在无线 接口和无线接入网络侧，增加了对2 6 g h z 、9 0 0 m h z 、1 7 g h _ z 等新频段的支持， 特别对t d d 复用方式子集进行增强，包括t d d 下采用新的码片速率和对上行 信道的增强。采用m i m o 多天线技术提高无线链路增益，增加了系统容量，并 对h s d p a 小s u p a 支持游戏业务进行了定义。开放天线塔放与基站之间的接口， 研究了分组数据用户永久在线问题。另外，通过优化信令、减小包头等方式缩短 c s 和p s 呼叫建立时延和传输时延。h s p a + 是2 0 0 6 年启动的仅针对f d d 系统 的一个新研究项目。h s p a + 技术的宗旨是要保持和r 6 版本的后向兼容性，同时 8 北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 在5 m h z 带宽下要达到和l t e 相仿的性能。h s p a + 仍然采用c d m a 技术实现无 线接入网络的平滑演进。h s p a + 的内容包括：高阶调制、r 7m i m o 、连续分组 数据连接、增强f d d 小区f a c h 和接入网架构优化等。h s p a + 系统的峰值速率 可以达到2 5 m b i t s ，部分厂商还可以将系统峰值速率提高到4 2 m b i t s 左右。 3 g p p 在对之前版本的完善过程中，迫于w i m a x 的竞争压力，制定了3 g 无 线接入网络的长期演进( u m ) 计划，对未来蜂窝网络频谱利用效率、容量、覆 盖、延迟等提出了新的要求，相应地要求全新的无线传输技术和接入网架构，同 时也在研究核心网演进架构s a e 。经过3 年多的研究，l t e 很快会全部结束， 这也就意味着l t e 规范即将成熟，预计于2 0 0 8 年下半年发布，最早将于 2 0 0 9 - 2 0 1 0 年实现商用。 在l t e 核心技术中，下行采用o f d m 技术，上行采用s c f d m a ；采用短帧 结构以减小延迟；采用m i m o 技术和空时编码技术提高增益，采用t u r b o 编码 和l d p c 编码。