3G技术及应用

3G概述 2G向 3G的过度 3G容量计算 3G接收机灵敏度计算 3链路预算 Comba3G产品 3G技术及应用 高速运动： 144kb/s 步行速度： 384kb/s 室内环境： 2Mb/s 能提供以下三种最高传输速率的叫 3G。 什么叫 3G 3G有两个伙伴项目计划 3GPP (3G Partnership Project) 由欧洲的 ETSI、日本 ARIB、 TTC、韩国 TTA、美国的 T1和中国CWTS六个标准化组织组成。宗旨是制定以 GSM为核心网，WCDMA和 CDMA TDD(TD-SCDMA和 UTRA TDD融合技术 )为无线接口的标准。 3GPP2 由美国的 ANSI（ TIA）、日本 ARIB、 TTC、韩国 TTA和中国CWTS五个标准化组织组成。宗旨是制定以 ANSI/IS-41为核心网，cdma2000为无线接口的标准。 3GPP标准化情况 3GPP组织完成标准化工作，支持 3个版本 R99 每 3个月更新一次 ; 2002年 3月形成稳定的商用版本 R4 支持 LCD TDD（ TD SCDMA） R5 全 IP网络， HSDPA支持 10Mbps传输速率 3GPP的发展 3GPP2标准化情况 3GPP2组织完成标准化工作，支持 3个版本 cdma2000 1x 由 IS-95演进，支持 307kbps 1x EV/DO 采用 HDR，已经完成标准，支持 2.4Mbps 1x EV/DV 正在选择方案，支持高于 5Mbps速率 3GPP2的发展 在广泛论证的基础上，根据未来中国市场的需 求分析，确定了 C3G主攻的研究方向： 3GPP WCDMA：未来 GSM的主要演进技术； 3GPP TD-SCDMA： 非对称 TDD频段的利用，特别 适合于高速数据业务 3GPP2 cdma2000：窄带 CDMA的主要演进技术 项目的主攻体制标准 中国第三代移动通信（ C3G）计划 RTT技术 WCDMA cdma2000-1x TD-SCDMA 信道间隔 5MHz 1.25MHz 1.6 MHz 多址方式 单载波直接序列扩频 CDMA多址 单载波直接序列扩频 CDMA多址 单载波直接序列扩频 时分多址同步 CDMA多址 双工方式 FDD FDD TDD 码片速率 3.84Mcps 1.2288Mcps 1.28Mcps 基站同步 异步（无 GPS）可选同步 同步（需 GPS） 同步（主从同步，需 GPS） 帧长 10ms 20ms 10ms 越区切换 软切换，频间切换 与 GSM间的切换 软切换，频间切换 与 IS-95B间的切换 接力切换，频间切换，与 GSM间的切换 语音编码 自适应多速率 可变速率 可变速率 功率控制 内环、外环 控制速率 1500Hz 开环、闭环 控制速率 800Hz 内环、外环 支持可变数据速率 最高为 2.048Mbps 1X最高 307kbps， 1XEV支持 2.4Mbps 最高为 2.048Mbps 业务特性 适合于对称业务。 适合于对称业务。 支持对称业务，支持不对称 业务具有突出的表现。 三种标准制式的技术比较 3G有三种制式 国际 ITU对 3G频段划分 核心频段： 18852025MHz和 21102200MHz 3G频段划分 其中 FDD：下行： 21102170MHz 上行： 19201980MHz MSS：卫星移动 空对地： 21702200MHz 地对空： 19802010MHz TDD： 18851920， 20102025共 50MHz 我国 3G频段划分 1、核心频段 频分双工 （ FDD） 方式： 19201980MHz/21102170MHz共 2 60MHz 时分双工 （ TDD） 方式： 18801920MHz/20102025MHz共 55MHz 2、补充工作频段 频分双工 （ FDD） 方式： 17551785MHz/18501880MHz共 2 30MHz 时分双工 （ TDD） 方式： 23002400MHz共 100MHz新频段 3、卫星移动工作频段 19802010MHz/21702200MHz 4、扩展频段 825835MHz/870880MHz； 885915MHz/930960MHz； 17101755MHz/18051850MHz 3G频段划分（续 1） 1710 1725 1745 1755 1755 1785 1805 1820 1840 1850 1880 1920 1980 2010 2025 2110 2200 CM上 UN上 FDD上 CM下 UN下 FDD下 TDD FDD上 卫星上 TDD FDD下 卫星下 FDD下 2300 2400 TDD 2170 MHz GSM1800 3G核心频段及补充频段 3G频段划分（续 2） 我国 3G频段划分（续） 第二代 第二代 + 第二代 + 第三代 IMT2000 北美 欧洲 CDMA IS-95A CDMA IS-95B CDMA 2000-1x CDMA2000 GSM TDMA GSM+ GPRS,HSCSD GSM+ EDGE WCDMA 普通分组数据业务 高速电路交换数据 GSM增强数据率 2G向 3G的过渡 、网络结构过渡 第一阶段（从 2G2.5G） GSM GPRS过渡 GSM向 GPRS过渡时： 核心网部分要增加分组交换 无线子系统要在 BSC增加 PCU机架， BTS和 Abis均不改动 传输网： BSC至分组网要增加 E1电路 GSM网络向 3G的过渡 网络拓朴图 BSC BTS Abis BSS MSC/VLR GMSC 电路域 SGSN GGSN Gn HLR PSTN PLMN Internet Gi Gp Gb A 分组域 PCU GSM网络向 3G的过渡 第二阶段（从 2.5G3G） GPRS WCDMA GPRS向 3G过渡时： 核心网：增加 Iu接口，扩大分组容量。 无线子系统： 在 BSC增加 3G网络控制器（ RNC） 在 BTS需增加 3G无线基架（ NodeB）以及相应的天 馈系统 在 BSC至 BTS之间需增加 E1电路 传输网： BSC至核心网之间也要增加 E1电路 GSM网络向 3G的过渡 BSC BTS MSC/VLR GMSC 电路域 SGSN GGSN Gn HLR PSTN PLMN Internet Gi Gp Gb A 分组域 RNC Nodeb RNS PCU BSS RNC IU IU 网络拓朴图 GSM网络向 3G的过渡 UMTS/GSM 接入网选择方案 GSM网络向 3G的过渡 第三代移动通信（ IMT2000） = 核心网络 + 无线接入网络 无线接入网络 移动台 移动台 移动台 基台 基台 基台 无线网络 控制器 无线网络 控制器 核心网络 宽带 （移动） 综合业务 交换中心 和 VLR 归属位置 寄存器 (HLR) 其它网络： PSTN ， ISDN ， B-ISDN ， IP-Net . I U I UR 3G通信网 3G容量计算 3G下行容量计算 假定： Cell load=50% GP=处理增益 =W/R W：带宽 R：速率 （ 小区干扰 ） =0.625 下行正交因子为 0.6 =-3dB s：需要信号 n：系统内热噪声和其他信号总和 三扇区效率 85% NP（ 极限容量 ） =1+（ ） Na= NP Cell load 0.85 s n Eb/No GP s n 1+ 1 步行 3km/h,Ber=10-6 业务速率(kbit/s) GP（ W/R） Eb/No（ dB) Eb/No （ Lin) Np （ pole容量 ) Na（ User) 12.2 314.75 6.8 4.79 64 27 64 60 1.9 1.55 38 16 144 26.7 1.6 1.45 28 8 384 10 1.1 1.29 8 3 3G容量计算 3G下行容量计算 车速 120km/h,Ber=10-6 业务速率(kbit/s) GP （ W/R） Eb/No（ dB) Eb/No （ Lin) Np （ pole容量 ) Na（ User) 12.2 314.75 6.4 4.37 70 30 64 60 3.7 2.34 26 11 144 26.7 3.5 2.24 12 5 384 10 3.2 2.1 5 2 3G容量计算 3G下行容量计算 CDMA2000-1X CDMA IS-95（ 8kbps） CDMA 2000-1X（ 8kbps） 呼损 2% 2% 信道带宽 1.25MHz 1.25MHz 频率利用系数 1 1 话音呼叫 /每扇区 /每载频 20CH 35CH Erl/每扇区 /每载频 13.2 26.4 3G容量计算 WCDMA/每扇区 /每载频 5MHz 上行链路 （ CH） 下行链路 （ CH） 话音 12.2kb/s 71.1 58.7 CS 64kb/s 16.1 7.1 PS 64kb/S 15.5 8.2 PS 128kb/S 4.9 PS 384kb/s 1.3 流量 57.6kb/s 20.3 10.2 市区极限信道数 3G容量计算 注： 1个 TRX（ 0.2MHz带宽）提供 7个 9.6kbit/s话音 2G（ GSM）与 3G（ WCDMA）容量比较 BTS 天线 Ts0： Ts17 ： BCCH+SDCCH TCH 1（ a） GSM下行信道 2G与 3G容量比较 1. 2G（ GSM）与 3G（ WCDMA）信道容量比较 3G容量计算 注： 1个 TRX（ 5MHz带宽）提供 64个速率为 12.2kbit/s的业务信道 Node B 天线 导频信道 1（ b） WCDMA下行信道 同频信道 寻呼信道 前向业务信道 64个（业务速率 12.2kbit/s) 2G与 3G容量比较 3G容量计算 2G（ GSM）与 3G（ WCDMA）小区复用模式 GSM小区 4 3复用模式 A3 A1 A2 B3 B1 B2 D3 D1 D2 C3 C1 C2 2G与 3G容量比较 3G容量计算 GSM小区 4 3复用模式表格 GSM最大站型为 9/8/8，可提供 67+59+59=185话音信道 假定 GSM有 20MHz带宽 A1 B1 C1 D1 A2 B2 C2 D2 A3 B3 C3 D3 1 1 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 10 2G与 3G容量比较 3G容量计算 WCDMA小区 1 3复用模式 WCDMA与 GSM有同样带宽 20MHz， 因此为 WCDMA提供 4个频点， WCDMA最大型站为 4/4/4，可提供极限信道 64 4 3=768个信道，取用户负荷 50%，扇区效率85%时，共有 768 50% 85%=324个话音信道（12.2kbit/s)比较 GSM和 WCDMA最大基站容量，可得出 WCDMA比GSM容量大 2倍左右。 f1 f1 f1 假定： 2G与 3G容量比较 3G容量计算 CDMA2000-1X： 基站每载频发射功率 20W， 手机 200MW； WCDMA： 基站每载频发射功率 20W， 手机语音 125MW；数据 250MW； TD-SCDMA： 基站每载频发射功率 8*0.5W， 手机 200MW。 3G发射功率 3G接收机灵敏度 概 述 灵敏度是衡量接收机在一定条件下能够接收小信号的能力，它和诸多因素有关。例如，在不同的误码率、信纳比、信噪比等条件及不同的接收环境（静态、多径信道模型）情况下灵敏度概念和数值可能各不相同。 静态参考灵敏度 是指接收机在静态理想传播环境（相当于有用信号直接输入接收机，没有任何外界干扰）下，错误比特率小于某一规定值时接收机可以接收最小有用信号的能力。它是各种传播条件中最高的灵敏度，也就是说在任何情况下的接收机灵敏度数值都不可能超过静态参考灵敏度。 通常所讲的基站灵敏度一般是指它的静态参考灵敏度。 3G接收机灵敏度 接收机系统原理 基站接收机系统可以分为射频滤波 、 LNA、 混频 、中频滤波 、 放大 、 A/D变换 、 DSP处理 、 解调等几部分组成 。 混频 LO Pnoise Pmin Eb/Nt Nf 解码 射频滤波器 LNA VGA A/D变换、 DSP处理 3G接收机灵敏度 WCDMA接收机灵敏度的计算 进入接收机输入端的信号有两种 ， 有用信号 Pmin 和 热噪声信号Pnoise， 由于接收机通道中电路本身也会产生噪声 Nf， 因而在解调处有用信号和噪声信号的比例为： Eb/Nt=Pmin-Pnoise-Nf (1) Eb/Nt：有用信号平均比特能量与噪声和干扰功率谱密度的比值 ，又称为解调门限 ， 相当于模拟 FM调制的 C/I（ 载干比 ） ， 是衡量数字调制和编码方式品质因素的标准 。 Eb/Nt 的值取决于该系统的调制方式和解调算法 。 Pnoise：接收机输入口处的热噪声信号 ， 又称本底噪声 ， 其数值为Pnoise=10Log(KT0BW)， 其中 K是波尔兹曼常数 ， K=1.3810-23J/K；T0为标准噪声温度 ， T0=290K。 则： Pnoise=10Log(KT0)+10Log(BW)=-174dBm+10Log(BW) (2) BW：系统信道带宽 3G接收机灵敏度 WCDMA接收机灵敏度的计算 对于 WCDMA系统而言 ， BW=3.84MHz， 由式 （ 1） 、（ 2） 可以推出 WCDMA基站接收机理论上静态参考灵敏度Pmin为： Pmin = -174dBm+10Log(BW)+ Nf+ Eb/Nt = -108.15+ Nf+ Eb/Nt (3) 静态参考灵敏度是在静态传播情况下测得的数值，是衡量接收机性能好坏的一个重要指标。 在实际工作中，由于接收机所处的环境非常复杂， 移动通信信道不可能是一个静态信道 ，有用信号不可能无衰减、无干扰地通过空间介质到达接收机。 事实上， 它是一个多径衰落信道 ，发射的信号要经过直射、发射、散射等多条传播路径才能到达接收端，而且随着移动台的移动，各条传播路径上的信号幅度、时延及相位随时随地地发生变化，因而接收信号的电平是起伏和不稳定的，这些多径信号相互叠加形成衰落。 3G接收机灵敏度 除有用信号能进入接收机外，干扰信号（如同频、邻频干扰信号）也会进入接收机，造成对有用信号的干扰。所有这些不利因素都会降低接收机的接收效果。 为了改善接收机在多径、频率干扰传播环境的接收能力，使它能达到静态信道下的接收效果，在移动通信系统中采取了许多措施，例如分集接收、基带跳频、射频跳频、均衡算法等，这一系列措施都是为了保证基站接收机在复杂的多径、频率干扰环境里灵敏度仍能接近或达到静态参考灵敏度的数值。 3G接收机灵敏度 WCDMA系统基于直接序列扩频通信技术，具有扩频增益，它的解调门限（ Eb/Nt）较低，可以为负值，这样有利于提高接收机的灵敏度，同时也降低了对射频前端本身的噪声要求。 WCDMA系统中，基站和移动台之间的信息交换是以幀为基本单位的。每幀包含业务信道（语音或数据）、寻呼信道、导频信道和同步信道的信息。因此，对于 WCDMA基站性能的评价都是建立在一定的幀误码率（ FER）的基础上。 3G接收机灵敏度 WCDMA接收机整机静态噪声系数的计算 根据 WCDMA规范 ， 在采用 BPSK数据调制及 12.2Kbps全速率语音编码和静态高斯噪声信道传输条件下 ， 满足输入信号为 Pmin=-121dBm时 FER=0.01要求的最低 Eb/N0为 5.1dB， 在此基础上增加2 dB的设计余量 ， 则要求 Eb/N07.1dB。 由扩频系统方程 ， Eb/N0= Eb/Nt+Gp （ dB） (4) 其中 ， Gp为系统扩频增益 Gp = 10Log(BW/RINFO) = 10Log(3.84Mcps/12.2Kbps) = 25dB (5) 则解调门限为 Eb/Nt=-17.9dB 3G接收机灵敏度 WCDMA接收机整机静态噪声系数的计算 由此 ， 为了得到在满足 FER=0.01条件下接收机输入灵敏度为 -121dBm， 接收机射频模拟前端的最大噪声系数为： Nf= Pmin-(-108.15)-Eb/Nt = -121+108.15+17.9 = 5.05 dB 也就是说 ， 按照 3GPP规范要求 ， 我们所设计的接收机射频模拟前端的静态噪声系数必须满足 Nf 5.05 dB 3G接收机灵敏度 WCDMA接收机整机静态噪声系数的计算 建议 以上计算静态参考灵敏度是在静态传播情况下测得的数值 ， 对我们设计射频前端接收机电路有一定的指导意义 。 但如前所述 ， 移动通信信道是一个多径衰落信道 ， 此时接收机的解调门限要高于静态传输条件下的值 。 因此 ， 在多径衰落条件和满足同样误码率和接收灵敏度的情况下 ， 对接收机模拟前端噪声系数的要求要高 ， 即噪声系数要低 。 3G接收机灵敏度 灵敏度 灵敏度 （ 50%负载） （静态） 1、 WCDMA： -118.5dBm（话音） -121.5dBm ； 2、 CDMA2000： -118.5dBm （话音） -121.5dBm ； 3、 TD-SCDMA： -105dBm （话音） -108dBm 。 3G接收机灵敏度 接收机灵敏度 = 热噪声 + 接收机噪声系数 + 接收机干扰余量 + 信息速率 + 所需 Eb/Nb 3G（ WCDMA）接收机灵敏度的计算 上行、步行 3km/h,Ber=10-6 业务速率 12Kbit/s话音 64Kbit/s数据 144Kbit/s数据 384Kbit/s数据 接收机噪声指数(dB) 4.0 4.0 4.0 4.0 热噪声密度 (dBm/Hz) -174.0 -174.0 -174.0 -174.0 信息速率 (dBHz) 40.9 48.1 51.6 55.8 目标 Eb/No(dB) 4.8 2.4 1.6 1.3 接收机灵敏度 (dBm) -124.3 -119.5 -116.8 -112.9 3G接收机灵敏度 上行、车速 120km/h,Ber=10-6 业务速率 12Kbit/s话音 64Kbit/s数据 144Kbit/s数据 384Kbit/s数据 接收机噪声指数(dB) 4.0 4.0 4.0 4.0 热噪声密度 (dBm/Hz) -174.0 -174.0 -174.0 -174.0 信息速率 (dBHz) 40.9 48.1 51.6 55.8 目标 Eb/No(dB) 6.8 3.8 3.1 2.9 接收机灵敏度 (dBm) -122.3 -118.3 -115.3 -111.3 3G接收机灵敏度 下行、步行 3km/h,Ber=10-6 业务速率 12Kbit/s话音 64Kbit/s数据 144Kbit/s数据 384Kbit/s数据 接收机噪声指数(dB) 7.0 7.0 7.0 7.0 热噪声密度 (dBm/Hz) -174.0 -174.0 -174.0 -174.0 信息速率 (dBHz) 40.9 48.1 51.6 55.8 目标 Eb/No(dB) 6.8 1.9 1.6 1.1 接收机灵敏度 (dBm) -119.4 -117 -113.8 -110.1 3G接收机灵敏度 下行、车速 120km/h,Ber=10-6 业务速率 12Kbit/s话音 64Kbit/s数据 144Kbit/s数据 384Kbit/s数据 接收机噪声指数(dB) 7.0 7.0 7.0 7.0 热噪声密度 (dBm/Hz) -174.0 -174.0 -174.0 -174.0 信息速率 (dBHz) 40.9 48.1 51.6 55.8 目标 Eb/No(dB) 7.9 3.7 3.5 3.2 接收机灵敏度 (dBm) -118.2 -115.2 -111.9 -108 3G接收机灵敏度 3G链路预算 上行各系统路径链路预算（室外） 允许最大路径损耗 = 手机发射功率 - 基站接收灵敏度 -干扰储备 - 快衰落储备 - 人体损耗 +基站天线增益 +软切换增益 - 馈线损耗 +手机天线增益 + 归一化增益 室外步行 3km/h,Ber=10-6 系统 项目 GSM900话音 GSM1800话音 WCDMA 12Kbit/s 64Kbit/s 144Kbit/s 384Kbit/s 手机发射功率（ dBm） 33 30 21 21 21 21 基站接收机灵敏度（ dBm） -106.7 -106.7 -124.3 -119.5 -116.8 -112.9 50%负荷干扰储备（ dB） 0 0 3.0 3.0 3.0 3.0 90%覆盖快衰落储备（ dB） 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 人体损耗（ dB） 2 2 2 0 0 0 基站天线增益（ dBi） 16 18 18 18 18 18 软切换或分集增益（ dB） 3 3 5 5 5 5 基站馈线损耗（ dB） 3 3 3 3 3 3 手机天线增益（ dBi） 0 0 0 0 0 0 归一化到 3G频段增益（ dB） 6.9 0.9 0 0 0 0 允许路径损耗（ dB） 155.0 151 154.7 151.9 149.2 145.3 3G链路预算 室外车速 120km/h,Ber=10-6 系统 项目 GSM900话音 GSM1800话音 WCDMA 12Kbit/s 64Kbit/s 144Kbit/s 384Kbit/s 手机发射功率（ dBm） 33 30 21 21 21 21 基站接收机灵敏度（ dBm） -106.7 -106.7 -122.3 -118.3 -115.3 -111.3 50%负荷干扰储备（ dB） 0 0 3.0 3.0 3.0 3.0 90%覆盖快衰落储备（ dB） 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 人体损耗（ dB） 2 2 2 0 0 0 基站天线增益（ dBi） 16 18 18 18 18 18 软切换或分集增益（ dB） 3 3 5 5 5 5 手机天线增益（ dBi） 0 0 0 0 0 0 归一化到 3G频段增益（ dB） 6.9 0.9 0 0 0 0 允许路径损耗（ dB） 155.0 151 152.7 150.7 147.7 143.7 3G链路预算 室外步行 3km/h,Ber=10-6 下行各系统路径链路预算 注： WCDMA下行每信道发射功率为：（ P总 -P信令 ） /极限容量 =（ 20W-4W） /极限容量 系统 项目 GSM900话音 GSM1800话音 WCDMA 12Kbit/s 64Kbit/s 144Kbit/s 384Kbit/s 基站每信道发射功率（ dBm） 43 43 24 26.2 29 32 基站接收机灵敏度（ dBm） -103.7 -103.7 -119.4 -117 -113.8 -110.1 50%负荷干扰储备（ dB） 0 0 3.0 3.0 3.0 3.0 90%覆盖快衰落储备（ dB） 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 人体损耗（ dB） 2 2 2 0 0 0 基站天线增益（ dBi） 16 18 18 18 18 18 软切换或分集增益（ dB） 3 3 5 5 5 5 基站馈线损耗（ dB） 3 3 3 3 3 3 手机天线增益（ dBi） 0 0 0 0 0 0 归一化到 3G频段增益（ dB） 6.9 0.9 0 0 0 0 允许路径损耗（ dB） 162 158 152.8 154.6 154.2 153.5 3G链路预算 室外车速 120km/h,Ber=10-6 系统 项目 GSM900话音 GSM1800话音 WCDMA 12Kbit/s 64Kbit/s 144Kbit/s 384Kbit/s 基站每信道发射功率（ dBm） 43 43 23.7 27.9 30.5 33 基站接收机灵敏度（ dBm） -103.7 -103.7 -118.2 -115.2 -112.9 -109.3 50%负荷干扰储备（ dB） 0 0 3.0 3.0 3.0 3.0 90%覆盖快衰落储备（ dB） 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 5.6 人体损耗（ dB） 2 2 2 0 0 0 基站天线增益（ dBi） 16 18 18 18 18 18 软切换或分集增益（ dB） 3 3 5 5 5 5 基站馈线损耗（ dB） 3 3 3 3 3 3 手机天线增益（ dBi） 0 0 0 0 0 0 归一化到 3G频段增益（ dB） 6.9 0.9 0 0 0 0 允许路径损耗（ dB） 162 158 151.3 154.5 154.8 153.7 3G链路预算 种类系列： 1、无线直放站 有 34个功率级别： 0.20.5W、 2W、 10W、 20W。 2、光纤直放站（含室内分布） 有 34个功率级别： 10W、 20W 室外直放站 0.2 0.5W、 2W 室