毕业设计（论文）-第三代移动通信技术发展探讨及平滑过渡.doc

1 目录 第一章 绪论 1 1 1 引言 1 1 2 研究背景 1 1 3 第三代移动通信的现状和发展趋势 2 1 4 本文主要研究内容 3 第二章 第二代及 2 5 代移动通信的相关技术 4 2 1GSM 系统 4 2 1 1 GSM 的基本概念 4 2 1 2 GSM 蜂窝移动通信网组成部分 4 2 2 CDMA 系统 6 2 2 1 CDMA 的基本概念 6 2 2 2 CDMA 蜂窝移动通信网的特点 7 2 3 2 5 代移动通信技术 7 2 3 1 2 5 代移动通信技术 8 2 3 2 GPRS 技术 9 2 4 当前移动通信在发展中遇到的问题 9 第三章 第三代移动通信技术 11 3 1 第三代移动通信的基本要求 11 3 2 第三代移动通信的关键技术 12 3 3 第三代移动通信系统的三种主流标准 14 3 3 1 WCDMA 标准 14 3 3 2 CDMA2000 标准 15 3 3 3 TD SCDMA 标准 16 3 4 第三代移动通信技术三种主流技术标准的比较 16 3 4 1 标准稳定性 16 3 4 2 系统性能 17 3 4 3 业务提供能力 18 3 4 4 设备成熟度 18 3 4 5 漫游能力 19 3 4 6 知识产权的影响 19 3 5 第三代移动通信系统中面临的主要问题 20 第四章 第三代移动通信的平滑过渡 21 4 1 第三代移动通信的主要过渡方案 21 4 2 国外第三代移动通信的过渡情况及使用现状 22 4 3 国内第三代移动通信的研究现状 23 4 4 我国第三代移动通信的演进策略 24 4 4 1 GSM 系统的 3G 演进 24 4 4 2 CDMA 系统的 3G 演进 28 4 4 3 固定电话网的 3G 建设 30 2 结论 32 谢辞 33 参考文献 34 附录 缩写表 35 第三代移动通信技术发展探讨及平滑过渡 1 第一章 绪论 1 1 引言 随着通信业务的迅猛发展和通信量的激增 未来的移动通信系统不仅要有大的系统 容量 而且还要能支持话音 数据 图像 多媒体等多种业务的有效传输 第三代移动 通信系统将高速移动接入和基于互连网协议的服务结合起来 在提高无线频率的同时 为用户提供更经济 内容更丰富的无线通信服务 第三代移动通信系统在国际上统称为 IMT 2000 International Mobile Telocommunicat ions 是国际电信联盟 ITU 在 1985 年提出的工作在 2000MHz 频段的系统 全球移动 通信 从第一代模拟技术到第二代 GSM Global System for Mobile communications 和 CDMA Code Division Multiple Access 再到今日被各国广为关注的 3G 一直牵动着世 界电信业的神经 3G 从概念的提出 到今天逐渐步入实用化 期间走过了漫长曲折的道 路 第三代移动通信的主流技术标准主要有三种 WCDMA Wideband Code Division Multiple Access 它可以在一个宽达 5MHz 的频带内直接对信号进行扩频 CDMA2000 这是美国提出的技术 它是由 1 个或多个 1 25MHz 的窄带直接扩频系统 组成的一个宽带系统 TD SCDMA Time Division Synchronization Code Division Multiple Access 是由中国提出的 是 CDMA TDD 标准的一员 1 1 2 研究背景 目前 第三代移动通信系统正在全力投入开发 在错综复杂的环境下 我国政府在 3G 的发展上采取了十分稳健的政策 保持了我国通信产业高速稳定的增长 并首次提出 了具有自主产权的 TD SCDMA 技术 具有重要的示范作用 从移动通信技术发展趋势和 可实现业务功能分析 基于 CDMA 制式的 3 种标准被普遍看好 分别对应 CDMA2000 WCDMA 和 TD SCDMA 三种技术 它们被认为是 3G 的三大主流应用技术 标准 在 3G 即将进入商用化的阶段 对技术标准的应用取舍也成为移动运营商要仔细考虑 的问题 因此有必要对这三种主流技术标准进行比较分析 以期为 3G 标准的选择提供有 益的参考 三种主流的 3G 技术标准在技术上各有千秋 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 最终谁能在 3G 时代占据更大的市场份额 关键是看哪个技术标准更符合市场需求和竞争的需要了 同时如何由第二代移动通信平 滑过渡到第三代移动通信也是各国运营商所关心的问题 各运营商应综合考虑 3G 的投资 资金 3G 建设的风险以及它的市场需求 结合各种因素 应该让 3 种标准应互相融合 互相补充 从而得到完善和发展 不断走向成熟 从而实现 3G 的顺利过渡 真正实现 2 任何人 任何时间 任何地点和任何人 都能便利地通信 1 3 第三代移动通信的现状和发展趋势 97 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热点 按照 ITU R 的原有时间表 1999 年 3 月完成第三代移动通信标准 IMT 2000 RTT 关键参数的选 定 2000 年完成包括上层协议在内的完整标准制定工作 由于移动通信在未来的信息产 业中占有举足轻重的作用 发达国家的政府部门 电信运营及制造商均不遗余力 积极 参与有关第三代移动通信标准制定及其科研开发工作 以期在未来的竞争中占据有利地 位 所谓第三代移动通信是指任何人在任何时间和任何地点实现与任何人进行任何种类 的信息交换 也是我们所说的个人通信 实现个人通信的通信网络叫个人通信网 实现 个人通信的业务服务叫个人通信服务 个人通信服务不仅提供终端的移动性 而且提供 个人的移动性 将传统的 通信至终端 转变为 通信至个人 每个用户有一个属于自 己的唯一号码 即全球一人一号 网络能按用户意愿提供多种服务 包括各类宽带业务 可见个人通信的实现将使人类彻底摆脱现有通信网的束缚 达到无约束自由通信的最高 境界 无线接入是实现个人通信的必要条件 也是技术难点 无线个人通信系统是一个立 体的通信网络 天上有卫星通信系统的覆盖 地上有各种大小的蜂窝系统覆盖 它主要 包括 陆地蜂窝移动通信系统 卫星移动通信系统 寻呼系统 集群移动通信系统 无绳 通信系统等 在这些系统中 陆地蜂窝移动通信系统因其与人们日常生活关系最为密切 而无疑是最为重要的一类系统 八十年代初开始商用的以模拟技术为主要特征的移动通信系统被称为第一代移动通 信系统 九十年代人们普遍使用的以 GSM 和 IS 95 为代表的数字移动通信系统被称为第二 代移动通信系统 而被命名为 IMT 2000 的以智能移动通信技术为主要特征的新一代移动通 信系统被称为第三代移动通信系统 来自移动通信业务快速发展和移动通信高新技术不 断涌现的影响正在强有力地影响和改变着传统通信业务的经营和发展模式 与前两代系 统相比 3G 系统有更大的容量 更好的通信质量 更高的频带利用率 这些特点使得它 能为高速和低速移动用户提供话音 数据 会议电视及多媒体等多种业务 目前第三代 移动通信共有五种无线接入技术 即 IMT2000 CDMA DS IMT2000 CDMA MC IMT2000 CDMA TDD 等三种宽带 CDMA 技术和 IMT 2000 TDMA SC IMT2000 TDMA TDD 两种 TDMA 技术 下面将这五种无线技术进行简单比较 IMT 2000 CDMA DS 技术源于欧洲的 WCDMA IMT 2000 CDMA MC 技术琴于北美 第三代移动通信技术发展探讨及平滑过渡 3 的 CDMA2000 IMT 2000 CDMA TDD 技术包括欧洲的 TD CDMA 和我国的 TD SCDMA 这也是我国首次向 ITU 提交建议并获准通过 IMT2000 TDMA SC 即日前所说的 EDGE IMT2000 TDMA TDD DECT 无绳技术 其中 WCDMA CDMA2000 和 EDGE 技术 采用 FDD 工作方式 使用对称频率 适合于蜂窝组网 高速移动 而 UTRA TDD TD SCDMA 和 DECT 采用 TDD 工作方式 使用非配对频率 对于非对称的数据业务很有好 处 并且一般定位于室内覆盖 不适宜蜂窝组网 但我国自主开发的 TD SCDMA 却可以 进行蜂窝组网以及低速移动 2 1 4 本文主要研究内容 本次毕业设计主要是对当前移动通信情况和第三代移动通信的原理及其相关技术的学 习 并研究探讨第三代移动通信的平滑过渡 关于此次毕业论文的撰写 主要分为三个 部分 首先在第二章中 主要介绍第二代移动通信的原理和相关技术 以及对现在正在 发展的 2 5 代移动通信的 GPRS 等技术的介绍 并分析当前移动通信中所存在的问题 在 第三章中 主要介绍第三代移动通信的技术 详细介绍 3G 的三种主流标准 并对这三种 标准技术进行比较分析 在第四章则重点分析第三代移动通信平滑过渡的方案策略 结 合当前世界各国的 3G 发展经验 分别对我国的三个主要系统的 3G 过渡进行分析 分别 介绍我国的 GSM 系统 CDMA 系统和固定电话网在发展第三代移动通信时如何实现平滑 过渡 结合我国的移动通信发展情况 制定出最适合我国发展的 3G 过渡方案 4 第二章 第二代及 2 5 代移动通信的相关技术 随着移动通信系统应用范围的扩大 移动通信系统的类型也越来越多 常用的第二 代移动通信系统主要有 GSM 和 CDMA 两种类型 下面就分别对他们的原理进行介绍 2 1GSM 系统 2 1 1 GSM 的基本概念 GSM 的历史可以追溯到 1982 年 当时 北欧四国向 CEPT Conference Europe of Post and Telecommunications 提交了一份建议书 要求制定 900MHZ 频段的欧洲公共电信 业务规范 以建立全欧统一的蜂窝系统 同年 成立了移动通信特别小组 GSM Group Special Mobile 在 1982 年 1985 年期间 讨论焦点是制定模拟蜂窝网标准还是制定数 字蜂窝网 标准问题 直到 1986 年决定为制定数字蜂窝网标准 1986 年 在巴黎对不同 公司 不同方案的系统 8 个 进行了比较 包括现场试验 1987 年 5 月选定窄带 TDMA 方案 与此同时 18 个国家签署了谅解备忘录 相互达成履行规范的协议 1988 年颁布了 GSM 标准 也称泛欧数字蜂窝通信标准 在现阶段 GSM 包括两个并行的系 统 GSM900 和 DCS1800 这两个系统功能相同 主要是频率不同 在 GSM 建议中 未 对硬件作出规定 只对功能和接口制定了详细规定 这样便于不同产品可以互通 2 1 2 GSM 蜂窝移动通信网组成部分 GSM 数字蜂窝通信系统的主要组成部分可分为移动台 基站子系统和网络子系统 基站子系统 简称基站 BS 由基站收发台 BTS 和基站控制器 BSC 组成 网络子 系统由移动交换中心 MSC 和操作维护中心 OMC 以及原地位置寄存器 HLR 访 问位置寄存器 VLR 鉴权中心 AUC 和设备标志寄存器 EIR 等组成 1 移动台 MS 即便携台 手机 或车载台 也可以配有终端设备 TE 或终 端适配器 TA 移动台是物理设备 它还必须包含用户识别模块 SIM SIM 卡和硬 件设备一起组 成移动台 没有 SIM 卡 MS 是不能接入 GSM 网络的 紧急业务除外 2 基站收发台 BTS 包括无线传输所需要的各种硬件和软件 如发射机 接收 机 支持各种上小区结构 如全向 扇形 星状和链状 所需要的天线 连接基站控制 器的接口电路以及收发台本身所需要的检测和控制装置等 3 基站控制器 BSC 是基站收发台和移动交换中心之间的连接点 也为基站收 发台和操作维修中心之间交换信息提供接口 一个基站控制器通常控制几个基站收发台 其主要功能是进行无线信道管理 实施呼叫和通信链路的建立和拆除 并为本控制区内 移动台的过区切换进行控制等 4 移动交换中心 MSC 是蜂窝通信网络的核心 其主要功能是对位于本 MSC 第三代移动通信技术发展探讨及平滑过渡 5 控制区域内的移动用户进行通信控制和管理 例如 信道的管理和分配 呼叫的处理和控制 过区切换和漫游的控制 用户位置信息的登记与管理 用户号码和移动设备号码的登记和管理 服务类型的控制 对用户实施鉴权 为系统中连接别的 MSC 及为其它公用通信网络 如公用交换电信网 PSTN 综合业务数字网 ISDN 和公用数据网 PDN 提供链路接口 保证用户在转移或漫游 的过程中实现无间隙的服务 5 原地位置寄存器 HLR 是一种用来存储本地用户位置信息的数据库 在蜂窝 通信网中 通常设置若干个 HLR 每个用户都必须在某个 HLR 相当于该用户的原籍 中登记 登记的内容分为两类 一种是永久性的参数 如用户号码 移动设备号码 接 入的优先等级 预定的业务类型以及保密参数等 另一种是暂时性的需要随时更新的参 数 即用户当前所处位置的有关参数 即使用户漫游到 HLR 所服务的区域外 HLR 也要 登记由该区传送来的位置信息 这样做的目的是保证当呼叫任一个不知处于哪一个地区 的移动用户时 均可由该移动用户的原地位置寄存器获知它当时处于哪一个地区 进而 建立起通信链路 6 访问位置寄存 VLR 是一种用于存储来访用户位置信息的数据库 一个 VLR 通常为一个 MSC 控制区服务 也可为几个相邻 MSC 控制区服务 当移动用户漫游到新 的 MSC 控制区时 它必须向该地区的 VLR 申请登记 VLR 要从该用户的 HLR 查询有关 的参数 要给该用户分配一个新的漫游号码 MSRN 并通知其 HLR 修改该用户的位置 信息 准备为其它用户呼叫此移动用户时提供路由信息 如果移动用户由一个 VLR 服务 区移动到另一个 VLR 服务区时 HLR 在修改该用户的位置信息后 还要通知原来的 VLR 删除此移动用户的位置信息 7 鉴权中心 AUC 的作用是可靠地识别用户的身份 只允许有权用户接入网络 并 获得服务 8 设备标志寄存器 EIR 是存储移动台设备参数的数据库 用于对移动设备的 鉴别和监视 并拒绝非移动台入网 9 操作和维护中心 OMC 的任务是对全网进行监控和操作 例如系统的自检 报警与备用设备的激活 系统的故障诊断与处理 话务量的统计和计费数据的记录与传 递 以及各种资料的收集 分析与显示等 3 6 2 2 CDMA 系统 2 2 1 CDMA 的基本概念 CDMA 给每一用户分配一个唯一的码序列 扩频码 并用它对承载信息的信号进行 编码 知道该码序列用户的接收机对收到的信号进行解码 并恢复出原始数据 这是因 为该用户码序列与其它用户冯序列的互相关是很小的 由于码序列的带宽远大于所承载 信息的信号的带宽 编码过程扩展了信号的频谱 所以也称为扩频调制 其所产生的信 号也称为扩频信号 CDMA 通常也用扩频多址 SSMA 来表征 对所传信号频谱的展给 予 CDMA 以多址能力 因此 对扩频信号的产生及其性能的了解就十分重要 扩频调制 技术必须满足两条基本要求 1 所传信号的带宽必须远大于信息的带宽 2 所产生的射频信号的带宽与所传信息无关 所传信号的带宽 Bt 与信息带宽 Bi 之比称为扩频系统的处理增益 Gp Gp Bt Bi 接收 机采用相同的扩频码与收到的信号进行相关运算恢复出所携带的原始信息 由于扩频信 号扩展了信号的频谱 所以它具有一系列不同于窄带信号的性能 1 多址能力 2 抗多径干扰的能力 3 具有隐私性能 4 抗人为干扰的能力 5 具有低载获概率的性能 6 具有抗窄带干扰的能力 CDMA 按照其采用的扩频调制方式的不同 可以分为直接序列扩频 DS 跳频扩频 FH 跳时扩频 TH 和复合式扩频 如图 2 1 所示 图 2 1 CDMA 扩频调制方式示意图 第三代移动通信技术发展探讨及平滑过渡 7 直接序列扩频 DS SS 发射机和接收机的构成如图 2 2 所示 图 2 2 直接序列扩频 DS SS 发射机和接收机的构成 2 2 2 CDMA 蜂窝移动通信网的特点 与 FDMA 和 TDMA 相比 CDMA 具有许多独特的优点 其中一部分是扩频通信系 统所固有的 另一部分则是由软切换和功率控制等技术所带来的 CDMA 移动通信网是 由扩频 多址接入 蜂窝组网和频率再用等几种技术结合而成 含有频域 时域和码域 三维信号处理的一种协作 因此它具有抗干扰性好 抗多径衰落 保密安全性高 同频 率可在多个小区内重复使用 所要求的载干比 C I 小于 1 容量和质量之间可做权衡取 舍等属性 这些属性使 CDMA 比其它系统有非常重要的优势 1 系统容量大理论上 CDMA 移动网比模拟网大 20 倍 实际要比模拟网大 10 倍 比 GSM 要大 4 5 倍 2 系统容量的灵活配置 这与 CDMA 的机理有关 CDMA 是一个自扰系统 所 有移动用户都占用相同带宽和频率 我们打个比方 我们将带宽想象成一个大房子 所 有的人将进入唯一的大房子 如果他们使用完全不同的语言 他们就可以清楚地听到同伴的 声音而只受到一些来自别人谈话的干扰 在这里 屋里的空气可以被想象成宽带的载波 而不 同的语言即被当作编码 我们可以不断地增加用户直到整个背景噪音限制住了我们 如果能 控制住用户的信号强度 在保持高质量通话的同时 我们就可以容纳更多的用户 3 通话质量好 CDMA 系统话音质量很高 声码器可以动态地调整数据传输速率 并根据适当的门限值选择不同的电平级发射 同时门限值根据背景噪声的改变而改变 这样即使在背景噪声较大的情况下 也可以得到较好的通话质量 另外 CDMA 系统采用 软切换技术 先连接再断开 这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点 4 频率规划简单用户按不同的序列码区分 所以不相同 CDMA 载波可在相邻的 小区内使用 网络规划灵活 扩展简单 延长手机电池寿命采用功率控制和可变速率声 码器 手机电池使用寿命延长 降低建网成本 4 2 3 2 5 代移动通信技术 目前已经进行商业应用的 2 5G 移动通信技术是从 2G 迈向 3G 的衔接性技术 由于 8 3G 是个相当浩大的工程 所牵扯的层面多且复杂 要从目前的 2G 迈向 3G 不可能一下就 衔接得上 因此出现了介于 2G 和 3G 之间的 2 5G 2 3 1 2 5 代移动通信技术 对于 2 5 代移动通信 HSCSD WAP EDGE 蓝牙 Bluetooth EPOC 等技术都是 2 5G 技术 1 HSCSD 高速电路交换数据服务 这是 GSM 网络的升级版本 HSCSD High Speed Circuit Switched Data 能够透过多重 时分同时进行传输 而不是只有单一时分而已 因此能够将传输速度大幅提升到平常的 二至三倍 目前新加坡 M1 与新加坡电讯的移动电话都采用 HSCSD 系统 其传输速度能 够达到 57 6kbps 2 GPRS 整合封包无线服务 GPRS General Packet Radio System 是封包交换数据的标准技术 由于具备立即联机 的特性 对于使用者而言 可说是随时都在上线的状态 GPRS 技术也让服务业者能够依 据数据传输量来收费 而不是单纯的以联机时间计费 这项技术系与 GSM 网络配合 传 输速度可以达到 115kbps 3 EDGE 全球增强型数据提升率 完全以目前的 GSM 标准为架构 EDGE Enhanced Datarates for Global Evolution 不但 能够将 GPRS 的功能发挥到极限 还可以透过目前的无线网络提供宽频多媒体的服务 EDGE 的传输速度可以达到 384kbps 可以应用在诸如无线多媒体 电子邮件 网络信息 娱乐以及电视会议上 4 WAP 无线应用通讯协议 WAP Wireless Application Protocol 是移动通信与互联网结合的第一阶段性产物 这 项技术让使用者可以用手机之类的无线装置上网 透过小型屏幕遨游在各个网站之间 而这些网站也必须以 WML 无线标记语言 编写 相当于国际互联网上的 HTML 超文件标 记语言 5 Bluetooth 蓝牙 蓝牙是一种短距的无线通讯技术 电子装置彼此可以透过蓝牙而连接起来 传统的电 线在这里就毫无用武之地了 透过芯片上的无线接收器 配有蓝牙技术的电子产品能够 在十公尺的距离内彼此相通 传输速度可以达到每秒钟 1 兆字节 以往红外线接口的传 输技术需要电子装置在视线之内的距离 而现在有了蓝牙技术 这样的麻烦也可以免除 了 6 EPOC 由 Symbian 所开发的 EPOC 是一种能够让移动电话摇身一变成为无线信息装置 例如 智能电话 的操作系统 满足使用者对于数据的需求 它支持信息传送 网页浏览 办公 第三代移动通信技术发展探讨及平滑过渡 9 室作业 公用事业以及个人信息管理 PIM 的应用 也有软件可以和个人计算机与服务器 作同步的沟通 2 3 2 GPRS 技术 其中 GPRS 是现在应用最广泛的一种技术 它可以给移动用户提供无线分组数据接 入股务 GPRS 主要是在移动用户和远端的数据网络 如支持 TCP IP X 25 等网络 之 间提供一种连接 从而给移动用户提供高速无线 IP 和无线 X 25 业务 GPRS 网络是基于现有的 GSM 网络来实现的 在现有的 GSM 网络中需要增加一些 节点 如 GGSN Gateway GPRS Supporting Node 网关 GPRS 支持节点 和 SGSN Serving GSN 服务 GPRS 支持节点 GPRS 网络参考模型如图 2 3 所示 GSN 是 GPRS 网络中最重要的网络节点 GSN 具有移动路由管理功能 它可以连接各种类型的数据网络 并可以连到 GPRS 寄存器 GSN 可以完成移动台和各种数据网络之间的数据传送和格式转换 GSN 可以是一种类似 于路由器的独立设备 也可以与 GSM 中的 MSC 集成在一起 图 2 3 GPRS 网络结构 GSN 有两种类型 一种为 SGSN Serving GSN 服务 GSN 另一种为 GGSN Gateway GSN 网关 GSN SGSN 的主要作用是记录移动台的当前位置信息 并且在移动台和 GGSN 之间完成移动分组数据的发送和接收 GGSN 主要是起网关作用 它可以和多种不同的数据网络连接 如 ISDN PSPDN 和 LAN 等 有的文献中 把 GGSN 称为 GPRS 路由器 GGSN 可以把 GSM 网中的 GPRS 分组数据包进行协议转换 从而可以把这些分组数据包传送到远端的 TCP IP 或 X 25 网络 5 2 4 当前移动通信在发展中遇到的问题 GSM 网继续高速发展 面临的第一个问题是频率资源问题 例如我们广东的大多数 10 城市人口密集 因此频率资源是制约移动通信高速发展的重要因素之一 可以用 900M 1800M 双频组网的方式来解决频率资源不足的问题 但 1800M 频率的衰减比 900M 差 因此 在城区 1800M GSM 的覆盖半径很小 不能完全与 900M GSM 基站同址建设 建设成本将增加 随着部分城区用户对高速移动数据业务需求的增长 单一用户所占频 带宽度增加 中国加入 WTO 后 势必增加新的电信服务运营者 要将有限的频率资源分 配给更多的运营者 这些都将进一步加剧移动通信频率资源紧张的矛盾 GSM 网高速发展面临的另一个问题是数据业务传输速率的问题 随着因特网的高速 发展 手机上网也越来越成为一种时尚需求 而现在 GSM 网的用户数据传输速率只有 9 6kb s 将成为手机上网业务发展的瓶颈 拓宽 GSM 网的数据业务传输速率的迫切性已 成为急待解决的现实问题 除此之外 进一步提高用户的数据传输速率 仍是需要等待 解决的问题 第三代移动通信技术发展探讨及平滑过渡 11 第三章 第三代移动通信技术 3 1 第三代移动通信的基本要求 第三代移动通信不仅要提供更多更丰富的业务 在它的通信质量 通信容量等方面 也要有一定的提高 要实现第三代移动通信就必须先实现以下的基本要求 1 适用于多种无线运营环境 第三代移动通信系统的运营环境较复杂 受客观条件约束较大 主要包括自然环境 和 自然环境 小区结构 主要包括通信容量极高的室内微微蜂窝小区 城市中心人口密集地带的微蜂窝小区 以及农村和边远地区的宏蜂窝小区 以后还能直接与卫星连接 实现全球覆盖的更大范 围通信 移动环境 移动通信的移动环境是指通信终端处于静止 步行和在汽车 火车 飞机等移动载体上 的通信 ITU 规定第三代移动通信系统通信终端的移动速度不超过 500km h FDD 双工方 式 或 120km h TDD 方式 时 应保证正常的通信质量要求 对于一个适应性良好的 移动通信系统 要求在所有无线和移动通信可能存在的环境中 都能保持比较高的频谱 利用率 网络效率 通信质量和业务容量 2 支持多种业务 第三代移动通信系统应能支持多种业务 除一般的语言 数据和文本等窄带业务外 还要能够提供第二代移动通信系统不能提供的图像 高速数据 不对称的 IP 以及速率达 2Mbit s 的宽带多媒体等业务 随着信息时代的发展 不对称 IP 多媒体业务的比例将迅 速增加 因此要求系统具有自动调整宽带和变速率 VBR 的性能 在上 下行方向得到 业务实时所需的带宽 时延和传输质量 3 提高频谱利用率 降低网络投资 频谱利用率是指在单位频带内传输的语音和信息容量 移动通信的频率资源非常宝 贵 当前频率资源紧张已成为制约移动通信发展的瓶颈 因此要求 3G 系统必须具有较高 的频谱利用率和网络效率 以支持今后用户量增加和提供各种业务 同时 应尽可能降 低设备成本 减少网络投资费用 4 拥有较高的通信服务质量 业务质量由系统的性能指标决定 误码率 误帧率和传输时延是移动通信的重要质量 指标 随着移动通信的发展 3G 系统的传输误码率和时延指标应符合相应的带宽和数据 速率要求 传输误码率 BER 方面 移动语音和视频图像业务要求 BER 10 3 数据业务要求无线接入系统的 BER 10 6 12 无线传输系统的误码率性能比固定通信网络差一些 因此要求移动通信的语音编码器和 数据适配器应能适应高误码率 以保证必需的服务质量 传输时延方面 第二代移动通信系统的单向总时延约为 90ms 其中无线接入部分约为 50ms 对于语 音业务 该时延是可以容忍的 但如果加上其他时延 如长途电话和卫星电路 就可能 出现问题 因为多媒体数据业务要求时延的变化范围比较大 并有可能存在一定程度的 信道不对称 所以移动通信运营者可根据系统发展和服务质量要求 在必要时考虑采用 具有自适应和软件下载功能的 IMT 2000 终端 以增加这方面的适应能力 5 具有较高的灵活性 第三代移动通信系统必须具有支持多种高速业务的能力 能提供不同速率数据信号 的接入 并能与不同网络互连互通 以实现全球漫游的目标 所有这些 都要求 3G 系统 在多方面具有高度的灵活性 如具有多种功能 支持多种业务 适应复杂环境 提供多 频带接入 拥有多模式操作及通信终端等 6 从 2G 系统平滑演进到 3G 系统 第二代移动通信系统在全世界都已具有相当大的规模 现在仍以较快的速度发展 即使在第三代移动通信建设的初始阶段 约 2010 年以前 移动通信还是以语音业务为 主 因此 无论从技术方面还是从经济方面来看 移动通信运营商 不可能抛弃现有的 2G 系统去孤立地建设 3G 系统 而是要求在较长的一段时间内 2G 系统必须能与新建的 3G 系统同时存在 互连互通 随着高速数字 IP 和多媒体业务需求的增加 再逐步从第二 代移动通信系统平滑演进到第三代移动通信系统 7 具有较强的抗干扰能力 如上所述 3G 系统网络所处的环境比较复杂 它与现存的第二代移动通信系统 无 线寻呼系统 无线接入系统 微波通信系统和卫星通信系统之间会有一定的干扰 同时 高速率信号的多径干扰将更为复杂 因此 在指定第三代移动通信系统标准和进行系统 设计时 一定要将抗干扰能力放在重要的位置 6 3 2 第三代移动通信的关键技术 为了解决 3G 系统所必须面对的主要问题 各国学者进行了广泛而深入的研究 发展 并创新了许多关键技术 这些技术有的己被 3G 系统采用 有的还在进一步研究之中 1 多址技术 这里所指的多址技术包括两方面的含义 一是指 CDMA 系统中地址码的研究 二是指 各种多址协议的进一步研究 因为 3G 系统采用码分多址技术 所以扩频码的选择至关重 要 IS 95 系统中采用了 64 位 Walsh 函数作为扩频码 前向信道的性能可以得到保证 但反向信道性能还不尽如人意 目前 学者们对正交变扩频因子码 OVSF 进行了广泛研 究 希望彻底解决其生成方法 可用数目和复用等问题 使其尽早投入使用 另外 人 第三代移动通信技术发展探讨及平滑过渡 13 们对 CDMA PRMA 多址协议也给予了极大关注 它可以看作是传统分组预约多址 PRMA 协议的扩展 PRMA 是基于时分多址的帧结构 每个用户在真正有信息输出时 才按照一定允许概率竞争空闲时隙 研究结果表明 CDMA PRMA 协议与随机接入的 CDMA 相比 在蜂窝环境和仅有话音的情况下 系统容量可提高 68 84 2 信道编码 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 目前 研究较 多的有分组编码 卷积码和格码调制等 在三种编码技术中 无线频率 RF 调制结合网格 纠错编码方案能提供较大的带宽效率 但根据目前纠错编码技术发展趋势来看 结合分 组码和卷积码技术的级联码将更具吸引力 3 功率控制 功率控制技术是解决远近效应的有效方法 在上行链路 为了克服宽带 CDMA 系统 的远近效应 需要动态范围达 80dB 的功率控制 上行链路功率控制方式分开环和闭环两 种 闭环功率控制包括内环功控和外环功控 开环功率控制主要用来克服距离衰减 闭 环功率控制用于克服多普勒频率产生的衰落 以此保证基站接收到的所有移动台信号具 有相同的功率 在下行链路中 为了实现快速和自适应的功控算法 也插入功控子信道 实现前向的闭环功控 4 智能天线 智能天线也叫自适应阵列天线 它由天线阵 波束形成网络 波束形成算法三部分 组成 智能天线和固定天线的最大区别是 不同的权值通常对应不同的方向图 我们可以 通过改变权值来选择合适的方向图 它通过满足某种准则的算法去调节各阵元信号的加 权幅度和相位 从而调节天线阵列的方向图形状 达到增强所需信号 抑制干扰信号的 目的 智能天线也可以用空分复用 SDMA 的概念加以解释 就是利用信号入射方向上的 差别 将同频率 同时隙的信号区分开来 从而达到成倍地扩展通信系统容量的目的 美国 日本和欧洲的一些国家非常重视未来移动通信中智能天线的作用 己经开展了大 量的理论分析和研究 我国也早已将研究智能天线技术列入国家 863 317 通信技术主题研 究中的个人通信技术分项 许多专家及大学正在进行相关的研究 5 多用户检测 通信系统中的传统检测器都是单用户检测器 它将所需用户的信号当作有用信号 而将其它用户的信号都作为干扰信号对待 但从信息论的角度看 CDMA 系统是一种多 输入 多输出的信道 因此单用户检测器不能充分利用信道容量 多用户检测的基本思 想就是把所有用户的信号都当作有用信号 而不是干扰信号来处理 这样就可以充分利 14 用各用户信号的用户码 幅度 定时和延迟等信息 从而大幅度地降低多径多址干扰 目前 主要有两种基本的方法来实现多用户检测 一是线性检测法 它的基本想法是通 过线性变换来消除不同用户间的相关性 使得送入每个用户的检测器的信号只与自己的 信号相关 二是相减式干扰对消器 它在送入匹配滤波器输入端的信号中减去本地估计出 的来自其它用户的多址干扰 从而消除多址干扰 6 切换技术 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 换使通信容易中断 3G 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 但软切换具体的实现方法和步骤还有 待研究 另外 不同载波的小区间的切换仍需要用硬切换 所以切换技术中还有许多问 题需要解决 7 信道结构及上层协议信令 3G 系统的用户巨大 且要实现全球范围的漫游 那么各种资源的管理控制必然十分 复杂和庞大 这就要求信道结构合理 各种协议信令丰富完善 3G 系统的无线空中接口 将采用分层结构及协议 这些协议包括用户平面 控制平面和控制平面传递信令 比如 呼叫控制 移动性管理 无线载波控制 无线资源控制等 8 软件无线电 软件无线电是对无线传输系统的革命 它被称为 无线电世界的个人计算机 软件 无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的地方使用 A D 和 D A 转换器 在通用的硬件平 台上 尽可能通过软件来定义无线电的功能 这样利用一个统一的平台 通过软件生成 GSM IS 95 IS 665 IMT 2000 等不同体制的终端 并且可以适应未来技术的发展 它与宽 带综合业务网的基础传输模式异步转移模式一样能适应未来业务的发展 并与智能天线 波束贩型的 UV LMS 和 TRLS 算法软件定义的电信信息网络的发展相一致 软件化是无 线传输系统从模拟到数字的飞跃后的另一次飞跃 在民用方面 Aircom 公司己推出 GSM 体制的基站系统 在军用方面 美国己推出了 易通话 的演示系统 该系统在第一阶 段能产生 13 种波形 第二阶段能产生 27 种波形 工作在 30 种网络 具有 13 种加密体 制 我国 863 317 主题也开展了这方面的研究 也许只有软件无线电的全面实现 人类才 能实现个人通信的美好愿望 3 3 第三代移动通信系统的三种主流标准 3 3 1 WCDMA 标准 第三代移动通信技术发展探讨及平滑过渡 15 WCDMA 主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动 GSM 的巨大成功对第 三代系统在欧洲的标准化产生重大影响 欧洲于 1988 年开展 RACE 欧洲先进通信技 术的研究 程序 并一直延续到 1992 年 6 月 它代表了第三代无线研究活动的开始 1992 1995 年之间欧洲开始了 RACE 程序 ACTS 先进通信技术和业务 建立于 1995 年底 为 UMTS 通用移动通信系统 建议了 FRAMES 未来无线宽带多址接入系统 方案 在这些早期研究中 对各种不同的接入技术包括 TDMA CDMA OFDM 等进行 了实验和评估 为 WCDMA 奠定了技术基础 日本于 1993 年在 ARIB 中建立了研究委员会来进行日本 3G 的研究和开发 并通过 评估将 CDMA 技术作为 3G 的主要选择 日本运营商 NTT DoCoMo 在 1996 年推出了一 套 WCDMA 的实验系统方案 并得到了当时世界上主要的移动设备制造商的支持 由此 产生了 WCDMA 的发展动力 1998 年 12 月成立的 3GPP 第三代伙伴项目 极大地推动了 WCDMA 技术的发展 加快了 WCDMA 的标准化进程 并最终使 WCDMA 技术成为 ITU 批准的国际通信标准 第三代的主要技术体制 其中 WCDMA FDD TDD 现称高码片速率 TDD 和 TD SCDMA 融和后现称低码片速率 TDD 都是由 3GPP 开发和维护的规范 这些技术都是 以 CDMA 技术为核心的 目前看来 将要采用的第三代标准中选取 WCDMA FDD 模式 的国家是最多的 比如欧洲 日本 韩国都决定 WCDMA FDD 模式为自己的主流制式 去年底 美国的 AT但是另一方面 也意味着 3G 网络从零开始建设 需要大量投资 也 需要对各种 3G 技术标准的关心 其次 业务重点不同 业务重点是语音而不是数据 在中国一方面移动电话普及率较 低 语音业务仍在继续快速地发展 另一方面目前对数据业务需求不大 潜在需求较大 因而中国现有的移动运营商可以利用已有 2G 和 2 5G 网络承受语音业务和数据业务 满 足用户的需求 一旦需要 3G 网络他们可以由 2 5G 网络向 3G 网络升级的方式 不需巨 额投资 在时间上也比较快 作为新的移动运营商 他们没有移动网络承载语音业务 3G 是自己唯一的移动网络 在现阶段移动话音业务的市场是现实的 巨大的 因此他们 必须全力进入这一领域 由于 3G 的这些不同 可以说他们对 3G 的关注和重视要超过国内其他的移动运营商 而由于自己的 3G 需求的与众不同 也就不得不面临许多特殊的困难和问题 比如 对各 种技术都要进行深入的研究 对技术的评估有与众不同的内容和要求 对建设 规划 第三代移动通信技术发展探讨及平滑过渡 31 运营策划 合作等方面 都要进行特殊的研究 所有这些 都加大了研究 评估和决策 的难度 其过渡策略可按如下方案进行 1 3G 网络必须是全面覆盖而不是局部覆盖对于国内外的其他移动运营商 既然 3G 网络主要承载数据业务 那么根据数据业务市场发展的特点 可以根据几何学的原理 先建点 由点构成线 再由线构成面 也就是先在大城市和繁华地区建设 3G 网络 然后 逐渐扩大覆盖范围向中小城市推广 最后在条件成熟的时刻再推广到全国 但是它们没 有 2G 网络 业务重点又是语音业务 所以可以先建设覆盖全国的 提供基本话音业务的 网络 然后再根据增值的业务发展情况 逐步加大网络的容量 调整网络的布局和结构 优化网络的性能 使网络性能和业务能力始终能够满足市场和业务发展的要求 2 合作建网 3G 时代的中国移动通信市场上 有四家移动运营商 中国移动和中国联通各有一张 覆盖全国的网络 如果中国电信和中国网通各自再建设一张网络 那么中国将有 4 张全 国性的 3G 网络 这是一种重复投资 一种浪费 对于尚处于发展阶段的中国来讲 应将 有限的资金投入到国民经济发展的瓶颈行业中 因此他们可以成立一家合资公司 专门 负责 3G 网络的建设和运营维护 而两家公司各自开拓 3G 市场 发展用户 这样 一方 面减少重复建设 节约社会资源 另一方面 降低运营商的运营成本 减少负债比例 从而降低用户的入网费用和价格 使用户获益 32 结论 在本次毕业设计中 不仅巩固了移动通信原理及相关技术的学习 同时学习了第三 代移动通信的技术标准 进而对第三代移动通信的平滑过渡进行研究 通过这次的毕业 设计 我总结出 1 虽然现在全球都在向第三代移动通信发展 但是 GSM 网和 CDMA 网还有一定 的发展空间 不能一味的只重视 3G 的发展 2 第三代移动通信是在第二代移动通信技术的基础上进行的改进 它采用了智能 天线 软切换 多用户检测 软件无线电等新技术 3 在发展第二代移动通信的同时积极探索和制定演进策略 早日向第三代移动通 信过渡才是最佳选择 4 在制定第三代移动通信过渡方案时 应该充分考虑到我国的国情 并结合其他 国家的通信技术和过渡方案 制定出最适合我国发展 能够平滑过渡到第三代移动通信 的方案 5 对于现有通信的 GSM CDMA 和固定电话网 它们的过渡方案不尽相同 应 该根据现有的技术基础选择第三代技术标准 6 简单的技术经济分析表明 早日向第三代移动通信系统演进 所支付的设备费 用比简单地对第二代移动通信网扩容还低 而且 在 5 10 年后 不会背上更大的第二代 系统的包袱 保证了系统的先进性 通过此次毕业设计 虽然学习了不少第三代移动通信的理论知识和技术标准等 但 是在这么短的时间内 还是无法对第三代移动通信的平滑过渡进行全面深入的研究 对 它的认识也不够全面 对其平滑过渡所提出的方案也是不完善的 还需要不断的修改 我应该在以后的时间更深入学习 制定更完善的方案 也为自己将来从事该方面的工作 打好坚实的基础 第三代移动通信技术发展探讨及平滑过渡 33 参考文献 1 胡捍英 第三代移动通信系统 北京 人民邮电出版社 2001 2 罗凌 第三代移动通信技术与业务 北京 人民邮电出版社 2005 3 啜钢 王文博 移动通信原理与应用 北京 北京邮电大学出版社 2002 4 郭梯云 邬国扬 李建东 移动通信 修订版 西安 西安电子科技大学出版 2004 5 摩托罗拉工程学院 GPRS 网络技术 北京 电子工业出版社 2005 6 孙友伟 现代通信新技术 新业务 北京 北京邮电大学出版社 2004 7 张平 WCDMA 移动通信系统 北京 人民邮电出版社 2004 8 摩托罗拉工程学院 CDMA2000 1x 网络技术 北京 电子工业出版社 2005 9 李世鹤 TD SCDMA 第三代移动通信系统标准 北京 人民邮电出版社 2003 10 彭木根 TD SCDMA 移动通信系统 北京 机械工业出版社 2005 11 杨大成 CDMA2000 1x 移动通信系统设计 北京 机械工业出版社 2003 12 谢显中 TD SCDMA 第三代移动通信系统技术与实现 北京 电子工业出版社 2004 13 徐澄圻 21 世纪通信发展趋势 北京 人民邮电出版社 2002 14 李建东 杨家玮 个人通信 北京 人民邮电出版社 1998 15 常永宇 CDMA 2000 1x 网络技术 北京 电子工业出版社 2005 16 王学龙 WCDMA 移动通信技术 北京 清华大学出版社 2004 17 Korhonen Juha Introduction to 3G mobile communications Artech House 2001 18 Ojpanper Tero WCDMA Artech House 2001 19 Garo Vijay K IS 95 CDMA and CDMA2000 Pulishing House of Electronics Indu