《G通讯发展概述》PPT课件.ppt

1 第三代移动通信的提出IMT 2000是第三代移动通信系统 3G 的统称第三代移动通信系统最早由国际电信联盟 ITU 1985年提出 考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场 工作的频段在2000MHz 且最高业务速率为2000Kbps 故于1996年正式更名为IMT 2000 InternationalMobileTelecommunication 2000 第三代移动通信系统是一种能提供多种类型 高质量的多媒体业务 能实现全球无缝覆盖 具有全球漫游能力 与固定网络相兼容 并以小型便携式终端在任何时候 任何地点进行任何种类通信的通信系统 3G发展概述 2 3G标准化组织 3 主要的CDMA3G提案 4 WCDMA发展历程 5 WCDMA标准发展 WCDMA标准规划清晰 制定严谨WCDMA支持HSDPA技术 顺应未来高速无线数据业务的需求WCDMA将分阶段引入IP 目标是实现全网的IP化 标准比较完善WCDMA2001 06及以后发布的协议能够保持前向兼容 3GPPRel99 3GPPRel4 3GPPRel5 功能冻结时间点 2000 03 2001 03 2002 03 GSM GPRS核心网WCDMAFDD 电路域IP话音承载电路域CS MGWTD SCDMAVoIPQoS是关键 IP实时多媒体HSDPA 6 3G频谱分配 7 中国3G频谱分配 2002年11月 ITU 1850 1900 1950 2000 2050 2100 2150 2200 2250 1880MHz 1980MHz 1885MHz 2025MHz 2010MHz IMT2000 2170MHz IMT2000 2110MHz 2170MHz MSS MSS China MSS MSS MSS FDD FDD 1920MHz TDD TDD 8 中国3G频谱分配 2002年11月 第三代公众移动通信系统的工作频段为 一 主要工作频段 频分双工 FDD 方式 1920 1980MHz 2110 2170MHz 时分双工 TDD 方式 1880 1920MHz 2010 2025MHz 二 补充工作频率 频分双工 FDD 方式 1755 1785MHz 1850 1880MHz 时分双工 TDD 方式 2300 2400MHz 与无线电定位业务共用 均为主要业务 共用标准另行制定 三 卫星移动通信系统工作频段 1980 2010MHz 2170 2200MHz 9 WCDMA系统结构 UMTS UniversalMobileTelecommunicationsSystem 通用移动通信系统 是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统 通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统 UMTS系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构 包括无线接入网络 RadioAccessNetwork RAN 和核心网络 CoreNetwork CN 无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能 核心网络处理UMTS系统内所有的话音呼叫和数据连接 并实现与外部网络的交换和路由功能 CN从逻辑上分为电路交换域 CircuitSwitchedDomain CS 和分组交换域 PacketSwitchedDomain PS UTRAN CN与用户设备 UserEquipment UE 一起构成了整个UMTS系统 其系统结构如下图所示 10 11 UMTS系统网络构成 12 UE UserEquipment UE是用户终端设备 它通过Uu接口与网络设备进行数据交互 为用户提供电路域和分组域内的各种业务功能 包括普通话音 数据通信 移动多媒体 Internet应用 如E mail WWW浏览 FTP等 UE包括两部分 ME TheMobileEquipment 提供应用和服务USIM TheUMTSSubscriberModule 提供用户身份识别 13 UTRAN UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork UTRAN 即陆地无线接入网 分为基站 NodeB 和无线网络控制器 RNC 两部分 NodeB 是WCDMA系统的基站 即无线收发信机 通过标准的Iub接口和RNC互连 主要完成Uu接口物理层协议的处理 它的主要功能是扩频 调制 信道编码及解扩 解调 信道解码 还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能 RNC RadioNetworkController 是无线网络控制器 主要完成连接建立和断开 切换 宏分集合并 无线资源管理控制等功能 具体如下 执行系统信息广播与系统接入控制功能 切换和RNC迁移等移动性管理功能 宏分集合并 功率控制 无线承载分配等无线资源管理和控制功能 14 UTRAN的基本结构 15 RNC RadioNetworkController RNC 即无线网络控制器 用于控制UTRAN的无线资源 它通过Iu接口与电路域 MSC 和分组域 SGSN 相连 它在逻辑上对应GSM网络中的基站控制器 BSC 16 ServingRNC与DriftRNC 在WCDMA系统中 由于Iur接口的引入而产生了SRNC DRNC的概念 SRNC和DRNC都是对于某一个具体的UE来说的 是逻辑上的一个概念 简单的说 对于某一个UE来说 其与CN之间的连接中 直接与CN相连 并对UE的所有资源进行控制的RNC叫该UE的SRNC UE与CN之间的连接中 与CN没有连接 仅为UE提供资源的RNC叫该UE的DRNC 处于连接状态的UE必须而且只能有一个SRNC 可以有0个或者多个DRNC 17 CRNC 控制RNC CRNC是对于某一个NodeB 或者Cell 来说的 直接和某NodeB相连接 对该NodeB资源的使用进行控制的RNC叫该NodeB的ControlRNC 一个NodeB有且只能有一个CRNC CRNC对其控制的所有NodeB的资源进行合理的分配和使用 18 NodeB NodeB是WCDMA系统的基站 即无线收发信机 通过标准的Iub接口和RNC互连 主要完成Uu接口物理层协议的处理 它的主要功能是扩频 调制 信道编码及解扩 解调 信道解码 还包括基带信号和射频信号的相互转换等功能 同时它还完成一些如内环功率控制等的无线资源管理功能 它在逻辑上对应于GSM网络中基站 BTS 19 CN CoreNetwork CN 即核心网络 负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理 在WCMDA系统中 不同协议版本的核心网设备有所区别 R99版本的核心网分为电路域和分组域两大块 R4版本的核心网也一样 只是把R99电路域中的MSC的功能改由两个独立的实体 MSCServer和MGW来实现 R5版本的核心网相对R4来说增加了一个IP多媒体域 其他的与R4基本一样 20 R99网络结构 GSM GPRSBSS BTS BSC NodeB RNC PCU UMTSUTRAN SS7 SCP SMS SCE PSTNISDN Internet Intranet MSC VLR GMSC HLR AUC SGSN CG BG GGSN RAN CN OtherPLMN A Gb Iu CS Iu PS Gi Gp C D Gs Gr Gs Gd Ge Gc 21 移动交换中心 MSC MSC为电路域特有的设备 用于连接无线系统 包括BSS RNS 和固定网 MSC完成电路型呼叫所有功能 如控制呼叫接续 管理MS在本网络内或与其他网络 如PSTN ISDN PSPDN 其他移动网等 的通信业务 并提供计费信息 22 拜访位置寄存器 VLR VLR为电路域特有的设备 存储着进入该控制区域内已登记用户的相关信息 为移动用户提供呼叫接续的必要数据 当MS漫游到一个新的VLR区域后 该VLR向HLR发起位置登记 并获取必要的用户数据 当MS漫游出控制范围后 需要删除该用户数据 因此VLR可看作为一个动态数据库 一个VLR可管理多个MSC 但在实现中通常都将MSC和VLR合为一体 23 归属位置寄存器 HLR HLR为CS域和PS域共用设备 是一个负责管理移动用户的数据库系统 PLMN可以包含一个或多个HLR 具体配置方式由用户数 系统容量 以及网络结构所决定 HLR存储着本归属区的所有移动用户数据 如识别标志 位置信息 签约业务等 当用户漫游时 HLR接收新位置信息 并要求前VLR删除用户所有数据 当用户被叫时 HLR提供路由信息 24 鉴权中心 AuC AuC为CS域和PS域共用设备 是存储用户鉴权算法和加密密钥的实体 AuC将鉴权和加密数据通过HLR发往VLR MSC以及SGSN 以保证通信的合法和安全 每个AuC和对应的HLR关联 只通过该HLR和外界通信 通常AuC和HLR结合在同一物理实体中 25 设备识别寄存器 EIR EIR为CS域和PS域共用设备 存储着系统中使用的移动设备的国际移动设备识别码 IMEI 其中 移动设备被划分 白 灰 黑 三个等级 并分别存储在相应的表格中 目前中国没有用到该设备 26 网关MSC GMSC GMSC是电路域特有的设备 GMSC作为系统与其它公用通信网之间的接口 同时还具有查询位置信息的功能 如MS被呼时 网络如不能查询该用户所属的HLR 则需要通过GMSC查询 然后将呼叫转接到MS目前登记的MSC中 具体由运营商决定那些MSC可作为GMSC 27 服务GPRS支持节点 SGSN SGSN为PS域特有的设备 SGSN提供核心网与无线接入系统BSS RNS的连接 在核心网内 SGSN与GGSN GMSC HLR EIR SCP等均有接口 SGSN完成分组型数据业务的移动性管理 会话管理等功能 管理MS在移动网络内的移动和通信业务 并提供计费信息 28 网关GPRS支持节点 GGSN GGSN也是分组域特有的设备 GGSN作为移动通信系统与其它公用数据网之间的接口 同时还具有查询位置信息的功能 如MS被呼时 数据先到GGSN 再由GGSN向HLR查询用户的当前位置信息 然后将呼叫转接到目前登记的SGSN中 GGSN也提供计费接口 29 R4网络结构 R4版本中PS域的功能实体SGSN和GGSN没有改变 与外界的接口也没有改变 为了支持全IP网发展需要 R4版本中CS域实体有所变化 如 MSC根据需要可分成两个不同的实体 MSC服务器 MSCServer 仅用于处理信令 和电路交换媒体网关 CS MGW 用于处理用户数据 MSCServer和CS MGW共同完成MSC功能 对应的GMSC也分成GMSCServer和CS MGW 30 R4网络结构 GSM GPRSBSS BTS BSC NodeB RNC PCU UMTSUTRAN SS7 SCP SMS SCE PSTNISDN Internet Intranet HLR AUC SGSN CG BG GGSN GPRS骨干网 UTRAN CN OtherPLMN MGW MGW VMSCServer GMSCServer IP ATMBackbone Nc Mc Nb 31 R5网络结构 32 无线接口协议结构 33 WCDMA无线接口物理层 物理层处于无线接口协议模型的最底层 它提供物理介质中比特流传输所需要的所有功能 物理层通过MAC子层的传输信道实现向上层提供数据传输服务 物理层的主要功能包括 信道编解码 扩频调制和解扩解调 闭环功率控制等等 34 物理层的数据处理 35 物理层技术实现 MAC层 层2 物理信道 扩频调制 传输信道 物理信道结构 OVSF 扰码操作调制 编码和复用映射到物理层 解复用解码映射到MAC层 解调解扩 36 物理层关键技术 信道结构及映射关系编码和复用技术扩频技术 37 传输信道 传输信道被描述 比物理层更抽象的高层 为可以映射到物理信道上 在物理层看来 映射是从一个编码组合传输信道 CCTrCH 到物理信道的数据部分 除了数据部分 还有信道控制部分和物理信令 一个物理控制信道和一个或多个物理数据信道形成一个编码组合传输信道 CCTrCH 在一个给定的连接中可以有多个CCTrCH 38 传输信道分类 BCH 广播信道FACH 前向接入信道PCH 寻呼信道RACH 反向 随机 接入信道CPCH 公共分组信道DSCH 下行共享信道 DCH 专用信道DCH信道可以为上行或下行信道 公共传输信道 专用传输信道 39 物理信道 物理信道可以由某一载波频率 码 信道码和扰码 相位确定 在采用扰码与扩频码的信道里 扰码或扩频码任何一种不同 都可以确定为不同的信道 多数信道是由无线帧和时隙组成 无线帧 无线帧是一个包括15个时隙的处理单元 一个无线帧的长度是38400chips 时隙 时隙是由包含一定比特的字段组成的一个单元 时隙的长度是2560chips 物理信道分为上行物理信道和下行物理信道 频率 码 相位 物理信道 40 常用术语 比特 Bit 符号 Symbol 码片 Chip 经过信源编码的含有信息的数据称为 比特 经过信道编码和交织后的数据称为 符号 经过最终扩频得到的数据称为 码片 处理增益最终扩频速率和比特速率的比在WCDMA系统中 根据提供业务的不同 处理增益是可变的 41 上行物理信道 上行公共物理信道物理随机接入信道 PRACH 物理共用分组信道 PCPCH 上行专用物理信道上行专用物理数据信道 uplinkDPDCH 上行专用物理控制信道 uplinkDPCCH 上行物理信道 42 上行专用物理信道 DPDCH和DPCCH在无线帧通过I Q复用DPDCH用来传输层2及更高层产生的专用数据DPCCH用来传输层1的控制信息帧长为10ms 分15个时隙 每时隙2560chipsDPDCH的扩频因子 SF 为4到256在相同的层1连接中 DPDCH与DPCCH的扩频因子是可以不同的每个DPCCH时隙由Pilot TFCI FBI TPC构成 43 上行DPDCH DPCCH帧结构 44 控制信息 DPCCH 包括支持信道估计以进行相干检测的已知导频比特 Pilot 发射功率控制指令 TPC 反馈信息 FBI 以及一个可选的传输格式组合指示 TFCI 每个无线链路中只有一个DPCCH 图中的参数k决定了每个上行DPDCH DPCCH时隙的比特数 它与物理信道的扩频因子SF有关 SF 256 2k DPDCH的扩频因子的变化范围为256到4 上行DPCCH的扩频因子一直等于256 即每个上行DPCCH时隙有10个比特 45 上行DPDCH DPCCH作用 DCH数据 DPDCH DPCCH 为DPDCH提供解调 功控等控制数据 实现物理层数据承载 46 专用下行物理信道 47 专用下行物理信道 DCH包括专用的数据及控制信息 专用数据用于传输层2或更高层产生的数据 控制信息用于传输层1的控制信号控制信息包括 导频 TPC 可选的TFCI DCH的扩频因子可以为512到4 并且在连接过程中可以改变DPDCH和DPCCH是时间复用的同一CCTrCH的多码传输使用相同的扩频因子 此时 只需传输第一个DPCH的控制信息就行 当有多个CCTrCH给同一用户时 每个CCTrCH可以使用不同的扩频因子 并且只需传输一个DPCCH信息 48 下行DPDCH DPCCH作用 实现物理层数据承载 49 下行多码传输的时隙结构 50 传输信道与物理信道的映射关系 51 物理层关键技术 信道结构及映射关系编码与复用技术扩频技术 52 编码与复用概述 目的 从MAC层或更高层来的数据流 TB TBS 经过信道编码与复用后提供给无线传输链路上传输 来自MAC的数据流 编码与复用 实现传输信道映射到物理信道 物理信道上的数据流 内容 信道编码策略是检错编码 纠错编码 速率匹配 交织和传输信道到物理信道的相互映射的组合 53 编码与复用步骤 CRC添加传输块级联与码块分段前向纠错编码速率匹配DTX插入交织无线帧分段传输信道 TrCH 复用物理信道分段物理信道映射 编码与复用步骤 54 编码与复用例子 55 下行链路12 2kb sAMR AdaptiveMulti Rate 语音编码 56 DCH控制数据编码 3 4kb s 57 AMR语音与控制数据复用 58 CRC以TB为单位CRC长度由上层信令告诉0 8 12 16 24可选每个TrCH是不会改变的 重配置除外 如果没有TB输入 不应该计算CRC 如果有TB输入 但输入TBSIZE 0 仍要添加CRC 只是CRC均为0 CRC位添加在数据末端 且要进行比特反转 TB的CRC 59 TB级联与码块分段 TB级联是指一个TTI内的所有TB加上CRC后的串行级联码块分段指编码码块的分段 与编码类型相关卷积码 如果TBSSIZE 504 分成等长的多段编码块Turbo码 如果TBSSIZE 5114 分成等长的多段编码块不编码 不用分段如果分段不能均分 在第一个码块的开始位置填充 0 比特如果Turbo编码的码块长度 40 则在开始位置填充 0 比特 使编码长度始终为40 60 前向纠错编码 编码类型及编码率卷积码 1 2 1 3 约束长度为9 加8个尾比特Turbo码 1 3 两个8状态的并行级联卷积码 PCCC 构成 加6个尾比特不编码编码使用BCH PCH和RACH 1 2卷积码CPCH DCH DSCH和FACH 1 2或1 3卷积码 1 3Turbo码 不编码Turbo码内部交织表编码码块级联 61 速率匹配 含义对TrCH上的比特进行重复或打孔目的平衡复用在同一个CCTrCH上的各TrCH的Eb I0匹配信道 上行 尽量避免多码传输类型动态匹配 除了信令参数RMi 由SF决定的速率匹配匹配信道 保证上行连续传输避免多码传输只存在于上行静态匹配 由上层信令参数RMi进行的匹配平衡各TrCH的Eb I0上下行都有 62 速率匹配 速率匹配原则保证重复 打孔位均匀分布在各无线帧内保证重复 打孔位均匀分布在交织前的数据流中 确保译码性能满足各TrCH的平衡条件下 尽量增加重复或减少打孔Turbo码的系统位不能打孔上行速率匹配尽量避免多码传输单码一定是重复 上行由扰码区分信道 下行由扩频码区分信道 即上行的扩频码资源可以重复利用以无线帧为单位 各无线帧的SF可变下行速率匹配以TTI为单位与TrCH位置属性有关 63 DTX插入 与TrCH位置属性有关如果TrCH位置固定 有1stDTX插入和2ndDTX插入 如果TrCH位置灵活 只有2ndDTX插入只有下行才有DTX插入 上行通过重复匹配信道上行信道由扰码区分 SF资源不是问题 所以可以通过重复来匹配信道 以提高性能 而下行由扩频码区分信道 资源很有限1stDTX插入对TrCH的一个TTI进行 2ndDTX插入对CCTrCH的无线帧进行DTX在空中接口的发送能量为0 64 交织 交织的作用 减小信道快衰落带来的影响 将较长的突发误码离散成随机误码有两次交织 1st交织和2nd交织1st交织的交织长度是TrCH的TTI 属于帧间交织2nd交织的交织长度是一个物理帧 属于帧内交织1st交织与TTI有关 TTI 10ms时没有1st交织1st交织是根据TTI把输入数据分成相应列数并按行写入 经过列间置换后按列读出1st交织的列间置换规则是 把列号进行比特反转2nd交织是将一个物理帧内的数据分30列按行写入 经过列间置换后按列读出 如果数据长度不是30的倍数 需要去除无效数据2nd交织的列间置换规则是 0 20 10 5 15 25 3 13 23 8 18 28 1 11 21 6 16 26 4 14 24 19 9 29 12 2 7 22 27 17 65 GSM交织编码器的输入码流是20ms的帧 每帧含456bit 每两帧 40ms 共912bit 按每行8位写入 共写入114行 即 114 912bit 输出按列 每次读出114bit 恰好对应GSM的一个TDMA时隙 交织过程 66 12345678 452453454 816 456 210 450 614 454 19 449 412 452 715 455 311 451 513 453 B1B2B3B4B5B6B7B8 A5 B1 A6 B2 A7 B3 A8 B4 B5 C1 B6 C2 B7 C3 B8 C4 一次交织 二次交织 A5A6A7A8 C1C2C3C4 67 空间选择性衰落在不同地点 空间 衰落特性不一样一般是由于物体反射形成时间选择性衰落在不同时间衰落特性不一样主要是快速移动用户引起的多普勒频移造成频率选择性衰落在不同频率衰落特性不一样主要由宽带信号的时间色散引起 快衰落的类型 68 空间选择性衰落空间分集 分集天线水平距离大于10倍波长极化分集 两接收天线极化方向正交发射分集 克服大尺度衰落 由于周围环境地段和地物的差别而导致的阴影区引起 时间选择性衰落时间分集 信道交织频率选择性衰落频率分集 跳频 扩频RAKE接收机 克服快衰落 和干扰 的手段 分集技术 69 无线帧分段 原因 复用是按无线帧进行的无线帧分段是针对TTI 10ms的TrCH上行无线帧分段前 由无线帧等长化保证了数据长度是TTI内无线帧数Fi的整数倍数下行无线帧分段前 由速率匹配算法保证了数据长度是TTI内无线帧数Fi的整数倍数 70 TrCH的复用 复用以无线帧 10ms 为单位复用的输入为TrCH数据 复用后形成CCTrCHCCTrCH的格式由TFCI指示复用前的各TrCH可以有不同的TTICCTrCH有两种类型 公共类型和专用类型公共类型CCTrCH只能由公共TrCH复用而得 专用类型CCTrCH只能由专用TrCH复用形成对一个用户而言 上行同时只能存在一个CCTrCH 下行可有多个同一个CCTrCH的不同无线帧由CFN来区分 71 物理信道分段与映射 当不止使用一个物理信道时 一个CCTrCH无线帧分成几个物理帧 多码传输多码传输的各个物理信道SF一定相同上行物理信道的DPCCH和DPDCH是码复用的下行物理信道的DPCCH和DPDCH是时分复用的上行物理信道一定是全填充的 除了压缩模式下行物理信道的DTX是不发送的上行只有一个DPCCH 因此上行的TPC流可能控制下行的多个DPDCH 这些DPDCH可能属于一个CCTrCH 也可能属于不同的CCTrCH 下行也只有一个DPCCH 尽管可能有多个CCTrCH 这时DPCCH在最小SF的CCTrCH的物理信道上传输 这样TPC流和TFCI字都只有一个 72 扩频前物理信道的形成流程 data Codeddata Ratematcheddata Databefore1stinterleaving Dataafter1stinterleaved CCTrCH DTX CCTrCH Ph 1 Ph 2 Ph P TPC TFCI pilot 73 扩频前物理信道的形成流程 每个传输信道上可传送不同业务数据 多个传输信道复用为一个码组合信道CCTrCH 所以WCDMA支持多个业务共用一个物理连接 CCTrCH的形成 业务数据加CRC校验码 信道纠错编码 根据业务类