移动通信标准演进.ppt

移动通信标准演进 侯永宏 最早的无线通信1895年 马可尼 G M Marconi 成功地进行了约3公里的无线电通信 1901年 他在英格兰和纽芬兰之间进行了横跨大西洋的莫尔斯电报码发射和接收试验 通信距离超过3000公里 马可尼的贡献贯穿在无线电 电视 移动电话 卫星通信等广泛领域 1909年获得诺贝尔物理学奖 之前 通信靠吼 不受束缚地自由通话只是一个传说 梦想 神话通信技术的发展历史就是 一系列颠覆生活常识的创新过程 早期的点对点通信设备 1940年 加尔文制造公司工程师研发推出手提式调幅 AM 无线对讲机 SCR536 这款军用对讲机在二战时成为前沿阵地的标志 1943年 加尔文制造公司设计出全球首个背负式调频步话机SCR300 这款对讲机重35英镑 约16公斤 通话范围约10 20英里 16 32公里 供美国陆军通讯兵使用 大区制移动电话系统 大区制 在一个服务区域内只有一个或几个基站 BS 基站作用 负责移动通信的联络和控制 特点 天线架设得高 发射机输出功率大 200W 服务区内所有频道都不能重复 覆盖半径大约为30km至50km 优点 组成简单 投资少 见效快 缺点 服务区内的所有频道 一个频道包含收 发一对频率 的频率都不能重复 频率利用率和通信容量都受到了限制 移动台功耗 摩托罗拉的车载无线电话1946年10月2日 多用户接入需要解决的问题 用户间干扰 多用户接入方案频分多址 FDMA 技术 每个用户占用一个频率以频道区分用户地址 一个频道传输一路话音 超声波声音次声波 频谱可以表示一个讯号是由哪些频率的弦波所组成 也可以看出各频率弦波的大小及相位等信息 大区制的容量同时服务的用户数 可用频谱带宽 20MHz每个用户占用带宽25Khz可以同时服务的用户数 800缺点扩容非常困难 随着移动用户数量的急剧增加 这种覆盖方式显然无法满足实际需要 小区制蜂窝移动电话 1G 小区 把整个服务区域划分为若干个无线小区 cell 每个小区分别设置一个基站 半径2至20km 小的1至3km 500m 功率 5至20W 西德 C 450MHz 1984 加拿大 MTS 450MHz 瑞典等北欧四国 NMT 450 1980年 1978年底 美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统 AMPS 日本 HAMTS 800MHz 1979 英国 TACS 900MHz 1985 空分复用 频分复用 移动通信网络结构 需要解决的问题 无缝覆盖小区间干扰协调 第一代移动通信系统的特点 用户的接入方式采用频分多址 FDMA 当一个呼叫建立后 该用户在其呼叫结束以前一直占用一个频段调制方式 FM业务的种类单一 主要是话音业务系统的保密性较差频谱效率较低 有限频谱资源和无限用户容量之间的矛盾十分突出 第二代移动通信系统 特点 使用数字传输技术 可提供的业务包括话音和低速率的数据业务 更高的频谱效率 更好的数据业务以及更先进的漫游 采用时分多址接入 TDMA GSM PDC PersonalDigitalCellular IS 136 D AMPS 码分多址接入 CDMA IS 95 时分多址 TDMA 以频率复用为基础 多用户共享一个载波 以时隙区分用户 每个用户占用一个时隙每个时隙传输一路数字信号 软件对时隙动态配置系统要求严格的系统定时同步对功控的要求不严是时隙受限和干扰受限系统 其实 通信可以是不连续的 时分多址 TDMA TDMA帧 每个TDMA帧含8个时隙 整个帧时长约为4 615ms 每个时隙含156 25个码元 时隙时长为0 577ms 更灵活的资源分配可以采用跳频 GSM GlobalSystemforMobileCommunication 第一代标准可以说是移动标准的战国时代漫游带来很大的困难 是当前应用最为广泛的移动电话标准 欧洲国家联合研制泛欧洲的移动通信标准 1992年 第一个数字蜂窝移动通信系统 欧洲的GSM GlobalSystemforMobileCommunication 网络在欧洲开始铺设 1993年 中国的第一个全数字移动电话GSM系统建成开通 之后中国电信和中国联通都采用了GSM 之后的移动通信标准竞争中一直占主导 2019 12 21 3G 1 16 GSM的演进 通用分组无线服务 GPRS 将信包交换模式引入到GSM网络中 从而提高了资源利用率 GPRS可以使多个用户共享某些固定的信道资源 并将每个时隙的传输速率从9 6kb s提高到21 4kb s 使用8个时隙传送数据 在全速移动和大范围覆盖时的数据率可以达171 2kb s 并能支持Internet的IP协议及X 25协议 GPRS4种信道编码方案 调制方式不变 帧结构和信道编码方案有改进 CS1 传输速率为9 05Kbps 净数据与总信息的比例大约是1 2CS2 传输速率为13 4Kbps 净数据与总信息的比例大约是2 3CS3 传输速率为15 6Kbps 净数据与总信息的比例大约是3 4CS4 传输速率为21 4Kbps 净数据与总信息的比例大约是1 1 分组交换和电路交换 电路交换 在发送数据之前 首先需要通过一系列的信令过程 为特定的信息传输过程 如通话 分配信道 建立连接 数据传输过程结束以后再释放信道资源 优点 恒定带宽 时延小 稳定 缺点 占用大量的信道资源 分组交换 数据被分成一定长度的包 分组 每个包的前面有一个分组头 数据传送之前并不需要预先分配信道建立连接 而是在每一个数据包到达时 临时寻找一个可用的信道资源 优点 信道资源可以可以看作是由所有的用户共享使用 缺点 突发性的业务特点 不能保证传送数据的稳定性和完整性 EDGE EnhancedDataratesforGSMEvolution EDGE技术在不改变GSM200kHz带宽载波 TDMA框架结构及通道的情况下 其帧结构与GSM相同 采用8PSK调制 使每时隙可传48kb s甚至69 2kb s 如集中8个时隙 使数据率可达到384kb s 从而提供无线多媒体服务 GPRS EDGE协议及接口 计算公式 数据块 8 20mS 2019 12 21 3G 1 21 2G标准日本的PDC PDC PersonalDigitalCellular 90年代初产生于日本 且只在日本使用 和美国的IS 54有很多相似之处 PDC采用25kHz载波 3个时间格 pi 4 DQPSK编码及低速率11 2kbit s及5 6kbit s 半速率 话音编解码器 PDC最高峰时期曾有接近8000万使用者 2005年12月使用者数字为4585 6万 2007年3月底的使用者为2621万人 约占所有移动电话使用者的27 1 逐渐被3G技术如W CDMA或CDMA2000淘汰 2019 12 21 3G 1 22 2G标准 USTDMA D AMPS 1989年 TIA CTIA选择了兼容FDMA的TDMA技术 IS 54是带有一个模拟控制信道的US TDMA标准 IS 136是只有数字控制信道的US TDMA标准 现在 IS 136主要分布在北美 南美和亚洲的一些地方 它的市场占有率仅次于GSM系统 D AMPS向3G的演进 基于D AMP IS 136 的演进第一个阶段为IS 136 它利用新的频率调制技术 使数据传输速率达到64kbps 第二阶段为136HS HighSpeed 采用EDGE技术 使数据传输速率达到384kbps 在室内或低速运动时 提供2Mbps的传输速率 同时 在系统容量 覆盖范围及通信质量方面都有改善 2G标准 CDMA95A B C 历史回顾 1995年 美国的高通公司 Qualcomm 提出了一种采用码分多址 CDMA 方式的数字蜂窝系统技术解决方案 IS 95CDMA 目前已分别在中国香港 韩国 北美等国家和地区投入使用 用户反映良好 CDMA系统的主要特点 用户的接入方式采用码分多址 CDMA 软容量 软切换 系统容量大抗多径衰落可运用话音激活 分集接收等先进技术 码分多址 CDMA 技术 含义 每个用户使用一个码型 频率 时间共享用户识别 码型特点 每个基站只需一个射频系统每个码传输一路数字信号每个用户共享时间和频率是一个多址干扰受限系统需要严格的功率控制需要定时同步软容量 软切换 系统容量大抗衰落 抗多径能力强应用 IS 95CDMA系统 cdma2000系统 WCDMA系统 码分多址例子 用户1信息 x1 0 1 用户1特征码 s1 1 11 11 11 1用户2信息 x2 1 1 用户2特征码 s2 11 1 111 1 1信道波形r s1 x1 s2 x2 0 2200 220r1 sum s1 r 12 0判决为0r1 sum s1 r 12 0判决为1相关接收 CDMA的演进 2019 12 21 3G 1 27 2G向3G演进过程示意图 GSM PDC cdmaOne GPRS CDPD CDMA20001X TDMA IS 136 TD SCDMA WCDMA CDMA20003X EDGE FirstStepinto3G 2G 3G IMT 2000定义的3G标准 IMT InternationalMobileTelecommunications全球统一频段 统一标准 无缝覆盖 全球漫游 保证一定后向兼容性数据传输速率 高速移动 144Kbps 室外静止或步行 384Kbps 室内 2Mbps ITU批准的四个种3G标准 CDMA2000 WCDMA TD SCDMA WiMAX 3G的主要特点 支持移动多媒体业务高频谱效率FDMA TDMA CDMA从电路交换到分组交换从媒体 media 到多媒体 Multi media 高保密性全球范围无缝漫游系统微蜂窝结构 手机邮件 手机与邮箱帐号绑定 实时接收邮件 进行回复删除等管理 移动互联网 将Internet内容和数据服务带入移动电话终端 移动炒股移动支付 允许用户通过手机支付商品 进行远程购物 手机广告 针对目标人群 向特定地理区域提供直接的 个性化的广告 手机博客 实时将身边的照片视频等多媒体信息放到互联网 随时随地更新博客 手机视频点播 手机用户可以通过移动通信网络在线收看新闻 影视 体育等电视节目 标准化组织联合体 3GPP 第三代伙伴计划 WCDMAARIB Japan CWTS China ETSI Europe ATIS US TTA Korea TTC Japan 3GPP2CDMA2000ARIB Japan CCSA China TIA US TTA Korea TTC Japan 主要IMT 2000无线传输方案 2019 12 21 3G 1 32 TD SCDMATimeDivisionSynchronousCDMA 中国信息产业部电信科学研究院和以大唐移动通信设备有限公司为主提出的3G标准 TD SCDMA采用了许多先进和特色技术 包括TDD的非对称业务技术 智能天线技术 多用户联合检测技术 动态信道分配技术 上行同步技术 软件无线电技术 接力切换技术 高速分组数据传输技术 低码片速率接入技术等关键技术 TDDvsFDD TD SCDMA的优点 方便地支持非对称业务和语音 数据的混合业务 灵活的组网方式 规划灵活性强 系统性能稳定 系统收发信使用同一频段 上下行链路的无线环境一致性好 适合使用智能天线技术 双工的概念 IMT A对4G标准的要求 基于全IP包交换网络 高速移动环境下数据传输速率100Mbit s 静止环境下数据传输1Gbit s 5 20MHz 可变带宽 下行链路峰值频谱效率15bit s Hz 上行链路峰值频谱效率6 75bit s Hz 系统频谱效率3bit s Hz cell 下行链路 2 25bit s Hz cell室内环境 支持高服务质量的多媒体通信 全球漫游 可以在不同网络间切换 容量概念的转变更强调单用户时的峰值速率与频谱效率 3G标准的演进 关键技术 多载波调制OFDM 理解多径传播的影响 发送信号 接收 直达路径 反射路径 合成波形 Delays 并行传输的概念 信道脉冲响应 单信道传输 信道传输函数 Frequency Frequency Time 理解循环前缀的作用 41 OFDMvsFDM FDM 频分复用 相邻信道之间需要有保护带宽OFDM载波频率和带宽之间满足关系fk k DfwhereDf 1 TU TU symbolperiod 载波之间是正交的 关键技术 OFDM实现 关键技术 MIMO Multiple InputMultiple Output 实现多路数据流并行发送 获得空间复用增益 提高传输的有效性实现多个子信道信号的有效合并 获得空间分集增益 提高传输的可靠性 Almouti发射分集 候选标准之一3GPPLTE A 关注度最高的标准组织 目前的进展 支持多种带宽 中继 多址技术 OFDMA 时域循环前缀 抑制多径引起的ISI频域分成多个子载波 与信道编码结合对抗多径衰落子载波相互正交 提高频谱利用率时 频二维调度 提高系统性能可扩展带宽 充分利用不同带宽的频谱 含CP的OFDMA符号时域结构含CP的OFDMA符号频域子载波结构 载波聚合 协作多点传输CoMP 一些试验结果 WiMAXWorldwideInteroperabilityforMicrowaveAccess 是产业界为主导的非赢利经济组织 宗旨在于促进WiMAX在全