第三代移动通信技术——3G.ppt

第三代移动通信技术 3G 什么是3G 3G是英文3rdGeneration的缩写 指第三代移动通信技术 相对第一代模拟制式手机 1G 和第二代GSM TDMA等数字手机 2G 第三代手机一般地讲 是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统 它能够处理图像 音乐 视频流等多种媒体形式 提供包括网页浏览 电话会议 电子商务等多种信息服务 为了提供这种服务 无线网络必须能够支持不同的数据传输速度 也就是说在室内 室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps 兆字节 每秒 384kbps 千字节 每秒 以及144kbps的传输速度 第三代移动通信系统发展历程 1985年末 国际电信联盟 ITUInternationalTelecommunicationUnion 在讨论移动通信的CCIRSG 8会议上提出了未来公共陆地移动通信系统 FPLMTS 的概念 从而拉开了第三代移动通信技术发展的序幕 1997年以来 国内外有关第三代移动通信的研究逐渐成为移动通信领域的研究热点 按照ITU的既定时间表 1999年3月完成第三代移动通信标准IMT 2000RTT关键参数的选定 1999年底完成包括上层协议在内的完整的无线接口标准制定工作 2000年底完成核心网全部标准的制定工作 我国第三代移动通信系统发展历程 1997年6月国家八六三通信技术主题在安徽黄山发起了首次规模较大的有关宽带移动通信系统技术研讨会 来自国内外的著名厂商均派代表参加了本次会议 1997年7月中国第三代移动通信评估协调组 ChEG 成立 1998年国家八六三通信技术主题又与邮电部第三代移动通信评估协调组 ChEG 联合在香山召开了规模更为庞大的第三代移动通信研讨会 1998年6月邮电部电信技术研究院向ITU提交了自己的第三代移动通信建议标准TD SCDMA 1998年9月ChEG完成了对其它国家有关提案的评估 重点针对欧洲WCDMA和北美cdma2000 报告 并提交ITU 1998年11月 国家第三代移动通信系统研究开发重大项目启动 该项目的主要目标是在2000年12月之前 通过自主科研开发拥有一批核心专利技术 建立具有第三代移动通信基本特征的实验系统 为制定我国的第三代移动通信体制标准提出建议 第三代移动通信的特点和基本特征 第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统 其主要特点概括为 全球普及和全球无缝漫游的系统 第二代移动通信系统一般为区域或国家标准 而第三代移动通信系统是一个在全球范围内覆盖和使用的系统 它将使用共同的频段及全球统一标准 1992年世界无线电大会在2GHz频段上给FPLMTS陆地和卫星业务分配了230MHz频率 即1885 2025MHz和2110 2200MHz 其中卫星部分为1980 2010MHz和2170 2200MHz 为了统一标准 1994年国际电联将FPLMTS正式改名为国际移动通信系统2000 InternationalMobileTelecommunication2000 简称IMT2000 它取意于工作在2000MHz频段 在2000年左右商用的全球移动通信系统 IMT2000的目标是全球统一频段 统一标准 全球无缝覆盖 实现高服务质量 高保密性能 高频谱效率 提供多媒体业务 实现车速环境144kbit s速率 步行环境384kbit s速率 室内环境2Mbit s速率的无线多媒体通信 具有支持多媒体业务的能力 特别是支持Internet业务的能力 现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主 随着发展一般也仅能提供100kb s 200kb s的数据业务 GSM演进到最高阶段的速率能力为384kb s 而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进 它应能支持话音分组数据及多媒体业务 应能根据需要 提供所需带宽 ITU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中 必须满足以下三种环境的要求 即 快速移动环境 最高速率达144kb s 室外到室内或步行环境 最高速率达384kb s 室内环境 最高速率达2Mb s 第三代移动通信的特点和基本特征 便于过渡 演进 由于第三代移动通信引入时 第二代网络已具有相当规模 所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成 并应与固定网兼容 高频谱效率 高服务质量 低成本 高保密性 第三代移动通信的特点和基本特征 第三代移动通信的系统组成 IMT 2000系统构成见下图 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 SSS 基站子系统 BSS 移动台 MS 和SIM卡 另外ITU定义了4个标准接口 即 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 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 无线接口 UNI 用户识别模块和移动台之间的接口 UIM MT 第三代移动通信的系统组成 第三代移动通信系统的分层结构 第三代移动通信的系统组成 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 它由媒体接收控制 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级别 LAC子层负责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 第三代移动通信的系统组成 第三代移动通信系统的标准化活动 1 提交ITU的十种备选方案及其特点 上述10种提案按其技术特性可以分为以下几类 1 W CDMA 序号 欧洲ETSIUTRAFDD 日本ARIBW CDMA 韩国TTACDMA 美国T1WCDMA NA和TIATR46的WIMSW CDMA这五种提案可以归为一类 这类提案的多址方式均采用W CDMA 同步方式 码片速率 帧结构等方面也基本一致 其中美国T1提交的WCDMA NA和美国TIATR46提交的WIMSW CDMA后来已融合为一个标准 称为WP CDMA 即宽带分组CDMA技术 第三代移动通信系统的标准化活动 2 2000 序号7 8 美国TIA的cdma2000 韩国TTA的CDMA 可以归为一类 均是基于IS 95技术发展来的 3 136 序号 UWC 136是在北美IS 136TDMA D AMPS 技术的基础上提交的 由于IS 136TDMA是北美第二代系统的主要技术之一 其用户规模与IS 95相当 IS 136的运营者继续采用UWC 136也在情理之中 第三代移动通信系统的标准化活动 4 我国的TD SCDMA 序号6 该方案与欧洲UTRATDD 序号2 即TD CDMA 技术比较相似 相互间融合的可能性最大 但在帧结构 码片速率 切换方式和一些新技术 如智能天线 多用户检测 的应用上差别很大 技术融合也不是一件简单的事情 5 EP2DECT 序号10 欧洲数字无绳通信系统DECT 从候选提案的技术特点来看 CDMA技术占据了绝大多数 宽带CDMA技术无疑是第三代移动通信系统无线接入技术的主流 而其典型代表是U TRANFDD和CDMA2000 第三代移动通信系统的标准化活动 目前国际电联接受的3G标准 目前国际电联接受的3G标准主要有以下三种 WCDMA CDMA2000与TD SCDMA CDMA是CodeDivisionMultipleAccess 码分多址 的缩写 是第三代移动通信系统的技术基础 第一代移动通信系统采用频分多址 FDMA 的模拟调制方式 这种系统的主要缺点是频谱利用率低 信令干扰话音业务 第二代移动通信系统主要采用时分多址 TDMA 的数字调制方式 提高了系统容量 并采用独立信道传送信令 使系统性能大为改善 但TDMA的系统容量仍然有限 越区切换性能仍不完善 CDMA系统以其频率规划简单 系统容量大 频率复用系数高 抗多径能力强 通信质量好 软容量 软切换等特点显示出巨大的发展潜力 1 W CDMA全称为WidebandCDMA 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 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 目前中国移动正在采用这一方案向3G过渡 并已将原有的GSM网络升级为GPRS网络 目前国际电联接受的3G标准 2 CDMA2000CDMA2000是由窄带CDMA CDMAIS95 技术发展而来的宽带CDMA技术 由美国主推 该标准提出了从CDMAIS95 2G CDMA20001x CDMA20003x 3G 的演进策略 CDMA20001x被称为2 5代移动通信技术 CDMA20003x与CDMA20001x的主要区别在于应用了多路载波技术 通过采用三载波使带宽提高 目前中国联通正在采用这一方案向3G过渡 并已建成了CDMAIS95网络 目前国际电联接受的3G标准 3 TD SCDMA全称为TimeDivision SynchronousCDMA 时分同步CDMA 是由我国大唐电信公司提出的3G标准 该标准提出不经过2 5代的中间环节 直接向3G过渡 非常适用于GSM系统向3G升级 但目前大唐电信公司还没有基于这一标准的可供商用的产品推出 目前国际电联接受的3G标准 三个技术标准的比较 WCDMA CDMA2000与TD SCDMA都属于宽带CDMA技术 宽带CDMA进一步拓展了标准的CDMA概念 在一个相对更宽的频带上扩展信号 从而减少由多径和衰减带来的传播问题 具有更大的容量 可以根据不同的需要使用不同的带宽 具有较强的抗衰落能力与抗干扰能力 支持多路同步通话或数据传输 且兼容现有设备 WCDMA CDMA2000与TD SCDMA都能在静止状态下提供2Mbit s的数据传输速率 但三者的一些关键技术仍存在着较大的差别 性能上也有所不同 1 双工模式WCDMA与CDMA2000都是采用FDD 频分数字双工 模式 TD SCDMA采用TDD 时分数字双工 模式 FDD是将上行 发送 和下行 接收 的传输使用分离的两个对称频带的双工模式 需要成对的频率 通过频率来区分上 下行 对于对称业务 如语音 能充分利用上下行的频谱 但对于非对称的分组交换数据业务 如互联网 时 由于上行负载低 频谱利用率则大大降低 TDD是将上行和下行的传输使用同一频带的双工模式 根据时间来区分上 下行并进行切换 物理层的时隙被分为上 下行两部分 不需要成对的频率 上下行链路业务共享同一信道 可以不平均分配 特别适用于非对称的分组交换数据业务 如互联网 TDD的频谱利用率高 而且成本低廉 但由于采用多时隙的不连续传输方式 基站发射峰值功率与平均功率的比值较高 造成基站功耗较大 基站覆盖半径较小 同时也造成抗衰落和抗多普勒频移的性能较差 当手机处于高速移动的状态下时通信能力较差 WCDMA与CDMA2000能够支持移动终端在时速500公里左右时的正常通信 而TD SCDMA只能支持移动终端在时速120公里左右时的正常通信 TD SCDMA在高速公路及铁路等高速移动的环境中处于劣势 三个技术标准的比较 2 码片速率与载波带宽WCDMA FDD DS 采用直接序列扩频方式 其码片速率为3 84Mchip s CDMA20001x与CDMA20003x的区别在于载波数量不同 CDMA20001x为单载波 码片速率为1 2288Mchip s CDMA20003x为三载波 其码片速率为1 2288 3 3 6864Mchip s TD SCDMA的码片速率为1 28Mchip s 码片速率高能有效地利用频率选择性分集以及空间的接收和发射分集 可以有效地解决多径问题和衰落问题 WCDMA在这方面最具优势 载波带宽方面 WCDMA采用了直接序列扩谱技术 具有5MHz的载波带宽 CDMA20001x采用了1 25MHz的载波带宽 CDMA20003x利用三个1 25MHz载波的合并形成3 75MHz的载波带宽 TD SCDMA采用三载波设计 每载波具有1 6M的带宽 载波带宽越高 支持的用户数就越多 在通信时发生网塞的可能性就越小 在这方面WCDMA具有比较明显的优势 TD SCDMA系统仅采用1 28Mchip s的码片速率 采用TDD双工模式 因此只需占用单一的1 6M带宽 就可传送2Mbit s的数据业务 而WCDMA与CDMA2000要传送2Mbit s的数据业务 均需要两个对称的带宽 分别作为上 下行频段 因而TD SCDMA对频率资源的利用率是最高的 三个技术标准的比较 3 智能天线技术智能天线技术是TD SCDMA采用的关键技术 已由大唐电信申请了专利 目前WCDMA与CDMA2000都还没有采用这项技术 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 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 智能天线还可以减少小区间及小区内的干扰 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 三个技术标准的比较 4 越区切换技术WCDMA与CDMA2000都采用了越区 软切换 技术 即当手机发生移动或是目前与手机通信的基站话务繁忙使手机需要与一个新的基站通信时 并不先中断与原基站的联系 而是先与新的基站连接后 再中断与原基站的联系 这是经典的CDMA技术 软切换 是相对于 硬切换 而言的 FDMA和TDMA系统都采用 硬切换 技术 先中断与原基站的联系 再与新的基站进行连接 因而容易产生掉话 由于软切换在瞬间同时连接两个基站 对信道资源占用较大 而TD SCDMA则是采用了越区 接力切换 技术 智能天线可大致定位用户的方位和距离 基站和基站控制器可根据用户的方位和距离信息 判断用户是否移动到应切换给另一基站的临近区域 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 达到接力切换目的 接力切换是一种改进的硬切换技术 可提高切换成功率 与软切换相比可以减少切换时对邻近基站信道资源的占用时间 在切换的过程中 需要两个基站间的协调操作 WCDMA无需基站间的同步 通过两个基站间的定时差别报告来完成软切换 CDMA2000与TD SCDMA都需要基站间的严格同步 因而必须借助GPS GlobalPositioningSystem 全球定位系统 等设备来确定手机的位置并计算出到达两个基站的距离 由于GPS依赖于卫星 CDMA2000与TD SCDMA的网络布署将会受到一些限制 而WCDMA的网络在许多环境下更易于部署 即使在地铁等GPS信号无法到达的地方也能安装基站 实现真正的无缝覆盖 而且GPS是美国的系统 若将移动通信系统建立在GPS可靠工作的基础上 将会受制于美国的GPS政策 有一定的风险 三个技术标准的比较 5 与第二代系统的兼容性WCDMA由GSM网络过渡而来 虽然可以保留GSM核心网络 但必须重新建立WCDMA的接入网 并且不可能重用GSM基站 CDMA20003x从CDMAIS95 CDMA20001x过渡而来 可以保留原有的CDMAIS95设备 TD SCDMA系统的的建设只需在已有的GSM网络上增加TD SCDMA设备即可 三种技术标准中 WCDMA在升级的过程中耗资最大 三个技术标准的比较 第三代移动通信关键技术 1 初始同步与Rake多径分集接收技术2 高效信道编译码技术3 智能天线技术4 多用户检测技术5 功率控制技术 移动通信技术发展的趋势和特点 1 宽带化是通信信息技术发展的重要方向之一 随着光纤传输技术以及高通透量网络节点的进一步发展 有线网络的宽带化正在世界范围内全面展开 而移动通信技术也正在朝着无线接入宽带化的方向演进 无线传输速率将从二代系统的9 6kbit s向第三代移动通信系统的最高速率2Mbit s发展 2 随着网络中数据业务量主导地位的形成 从传统的电路交换技术逐步转向以分组特别是以IP为基础的网络是发展的必然 IP协议将成为电信网的主导通信协议 随着移动通信通用分组无线业务 GPRS 的引入 用户将在端到端分组传输模式下发送和接收数据 打破传统的数据接入模式 GPRS骨干核心网也将广泛采用路由器技术 以IP为基础组网 开始了移动骨干网IP应用的实践 3 核心网络综合化 接入网络多样化 未来信息网