3G技术及其演进.ppt

3G技术及其演进 2 内容提纲 3G标准 2 1 3G技术演进 3 全球3G发展现状 4 3大标准对比分析 一 3G技术 4 早在1985年 国际电信联盟 ITU 就提出了第三代移动通信的概念 当时称为未来公用陆地移动通信系统 1996年改为IMT 2000之所以3G又叫IMT 2000是因为3G频段在2000MHZ附近 最大传输速率在2M 并计划在2000年商用3G的高频谱利用率和高传输速率使移动通信世界朝着多媒体 行业合并的方向迈进 互联网 IP技术和移动通信将融为一体 5 6 3G标准组织主要由3GPP 3GPP2组成 以CDMA码分多址技术为核心 7 3G移动通信技术标准中 国际上目前最具代表性的3G移动通信技术标准有三种 它们分别是CDMA2000 WCDMA和TD SCDMA 8 CDMA2000和WCDMA属于FDD方式 其工作模式是 系统的上 下行工作于不同频率 而TD SCDMA属于TDD方式 其工作模式是 系统的上 下行工作于同一频率 9 10 WCDMA技术特点 WCDMA 全称为宽带码分多址 也称为直接扩频宽带码分多址 最初提出者是欧洲电信标准组织ETSI 后来与日本的W CDMA技术融合 成为ITU制定的3G五种技术中的三大主流技术之一 即IMT 2000CDMA DS WCDMA是UMTS UniversalMobileTelecommunicationsSystem 通用移动通信系统 的底层标准核心网基于GSM MAP 同时通过网络扩展方式提供在基于ANSI 41核心网上运行的能力 11 UMTS系统结构 12 无线接口协议结构 无线接口是指UE和UTRAN之间的Uu接口无线接口分成三层 物理层 数据链路层 媒质接入控制子层 MAC 无线链路控制子层 RLC 分组数据控制子层 PDCP 广播 多播控制子层 BMC 网络层 无线资源控制子层 RRC 移动性管理 呼叫控制 会话管理 补充业务 13 物理层的功能 宏分集的分解 合成和软切换传输信道上的错误检测和到高层的指示传输信道的FEC编码 解码传输信道的复用和码组合传输信道 CCTrCH 的解复用传输信道到物理道上的速率匹配码组合传输信道到物理信道的映射 14 物理屋的功能 续 功率的加权和物理信道的组合物理信道的调制和扩频 解调和解扩频率和时间同步 码片 比特 时隙 帧 无线特性的测量 包括FER SIR 干扰功率和到高层的指示内环功率控制RF的处理 15 16 WCDMA的物理信道帧结构 17 CDMA2000系列系统特点 CDMA2000标准是一个体系结构 含有一系列子标准 由3GPP2制订 正式标准于2000年3月通过 采用多载波方式时 射频带宽可为N 1 25MHz 其中N 1 3 5 9或12 目前技术仅支持前两种 18 多种信道带宽 前向链路上支持多载波和直扩两种方式 反向链路仅支持直扩方式 当采用多载波方式时 能支持多种射频带宽 核心网协议可使用ANSI 41 GSM MAP以及IP骨干网标准宽松的性能范围 从语音到低速数据 到高速的分组和电路数据业务 并提供多种复合业务 在同步方式上 沿用CDMAIS 95方式采用GPS使基站间严格同步 以取得较高的组网和频谱利用率采用了Turbo编码 前向发射分集 前向和反向空中接口的快速功率控制 前向和后向同时采用导频辅助的相干解调等新技术采用短PN码 通过不同的相位偏置区分不同的小区 用Walsh码区分不同信道 用长PN码区分不同用户支持软切换和更软切换 可选择较长的交织器支持多种空中接口信令 CDMA2000系列系统特点 19 增强的MAC功能以支持高效率的高速分组数据业务 相应物理层进行了以下优化 采用了专用控制信道 设计了两种业务信道 基本信道用于传送语音 信令和低速数据 是可变速率信道补充信道用以传送高速率数据 在分组数据上采用了ALOHA技术 改善传输性能采用增强的寻呼和接入信道支持快速分组数据业务灵活帧长 可变帧长的分组数据数据信道操作 5ms和20ms CDMA2000系列系统特点 20 TD SCDMA TD SCDMA 时分双工的同步码分多址 TimeDivision SynchronizationCodeDivisionMultipleAccessITU正式发布的第三代移动通信空间接口技术规范之一 得到CWTS及3GPP的全面支持 中国第一个完整的通信技术标准 是UTRA FDD可替代的方案 集CDMA TDMA FDMA技术优势于一体 系统容量大 频谱利用率高 抗干扰能力强 21 TD SCDMA关键技术与特点 核心网络基于GSM GPRS网络的演进 并保持与它们的兼容性 与WCDMA接口Iu Iub Iur等多种接口相同 可单独组网或作为接入网与WCDMA混合组网 采用了同步CDMA 智能天线 联合检测 接力切换 DCA 动态信道分配 等技术 TD SCDMA在高速移动的情况下 性能受到一定的局限 对定时系统要求高 TD SCDMA在用户密度大 移动性不高和用户非对称业务需求大的地区占有优势 22 23 时分双工优势 24 频率分配灵活 25 联合检测优势 26 联合检测优势 27 考虑到复杂度和与智能天线相结合 TD SCDMA中选用迫零线性均衡器 ZF BLE 算法 要求已知其它用户的扩频码 信道冲激响应特性 信道估计 Steiner估计器是一种低代价的信道估计方法 他通过一个基本midamble码按一定规律构造出每个用户的midamble码 从而使得在接收端的midambl码信道矩阵具有循环相关性 从而得到信道估计的快速算法 TD SCDMA中的联合检测 28 接力切换优势 29 DCA优势 30 动态信道分配 DCA具有频带利用率高 无需信道预规划 可自动适应网络中负载和干扰的变化等优点 其缺点在于 DCA算法相对于FCA 固定信道分配 来说较为复杂 系统开销也比较大 目前3GPP中阐述的是一种基于本地干扰测量的信道分配算法 信道分配算法在网络侧由RNC完成 根据UE和NodeB对本地信号及干扰强度的测量来分配信道 动态信道分配技术一般包括两个方面 把资源分配到小区 也叫做慢速DCA把资源分配给承载业务 也叫做快速DCA 31 慢速DCA主要任务是进行各个小区间的资源分配 在每个小区内分配和调整上下行链路的资源 测量网络端和用户端的干扰 并根据本地干扰情况为信道分配优先级 快速DCA快速DCA包括信道分配和信道调整两个过程信道分配是根据其需要资源单元 RUs 的多少为承载业务分配一条或多条物理信道信道调整是通过RNC对小区负荷情况 终端移动情况和信道质量的监测结果 动态地对资源单元进行调配和切换快速DCA算法的效率和复杂度主要取决于移动终端的多时隙 Multislot 和多码道 Multicode 控制能力 32 6 3TD SCDMA物理层 多址接入方式 TDMA DS CDMA双工方式 TDD码片速率 1 28Mbps WCDMA的1 3 载频宽度 1 6MHz扩频技术 OVSF调制方式 QPSK 8PSK编码方式 1 2 1 3的卷积编码 Turbo编码 33 TD SCDMA的多址方式 FDMA TDMA和CDMA的最优结合 1 6MHz 最多可达16个码道 每个用户通过临时分配到的CDMA码来被识别 时隙 下行 下行 下行 上行 time code frequency 34 TD SCDMA的双工方式 TDD的优点易于使用非对称频段时隙配置灵活 频谱效率高上行和下行使用同个载频 有利于智能天线技术的实现无需射频双工器 成本降低TDD的缺点移动速度与覆盖基站间的同步同步造成的干扰 硬件易 软件难 性能中 35 低码片速率 1 6MHz带宽可实现2Mbps的数据业务低码片速率频谱利用率高频率使用灵活系统设备成本低 5MHz WCDMA TD SCDMA 1 6MHz TD SCDMA与WCDMA带宽对比 36 帧结构 一个超帧长720ms 由72个无线帧组成 每个无线帧长10ms 每个无线帧分为两个相同的子帧 每个子帧有两个上 下行转换点 TS0为下行广播时隙 TS1为上行时隙 三个特殊时隙G DwPTS UpPTS 其余时隙可根据用户需要进行灵活UL DL配置 SP 37 下行导频时隙 DwPTS 每个子帧中的DwPTS是作为下行导频和同步而设计的 该时隙是由长为64chips的SYNC DL序列和32chips的保护间隔组成 38 上行导频时隙 UpPTS 每个子帧中的UpPTS是为建立上行同步而设计的 当UE处于空中登记和随机接入状态时 它将首先发射UpPTS 当得到网络的应答后 发送RACH 这个时隙由长为128chips的SYNC UL序列和32chips的保护间隔组成 39 保护时隙 GP 保护时隙 GP 是在NodeB侧 由发射向接收转换的保护间隔 时长为75us 96chips 可用于确定基本的小区覆盖半径为11公里 较大的保护时隙 可以防止上下行信号互相之间干扰 还可以允许终端在发出上行同步信号时进行一些时间提前 40 业务时隙TS0 TS6结构 每时隙业务信息由704Chips组成 时长675us 业务和信令数据由两块组成 每个数据块分别由352Chips组成 训练序列 Midamble 由144Chips组成 16Chips为保护 41 业务时隙训练序列Midamble码 Midamble码的作用 上 下行信道估计 功率测量 上行同步保持 Midamble码组成 长144Chips 112 5us 由长度为128Chips的基本Midamble码生成 对Midamble码不进行扩频 加扰等操作 42 3G三种主流制式的技术特征对比分析 43 44 45 46 47 小结 3G制式分类CDMA2000 EV DO 3 1Mbps 1 23MHz WCDMA HSPA 7 2Mbps 5MHz TD SCDMA TD HSPA 2 8Mbps 1 6MHz 3G关键技术3G技术都是基于CDMA的复杂的功率控制是CDMA技术所必须的多用户检测 智能天线是可选技术 可以提升CDMA网络性能3G技术演进更高的带宽 更高的速率 二 3G技术演进 49 移动通信正在从2G向3G B3G 4G演进 移动通信网络将会从以语音为主导的网络向以高速数据为主导的网络转型 移动通信系统的发展历程 50 WCDMA技术发展路标 GSMGPRS EDGE WCDMAR99 R4 HSDPAR5 3GHSPA HSPA R6 R7 GSM GPRS EDGE 3G EnhancedUMTS OptimizedUMTS NGMN FDDLTER7 R8 2002 2003 2003 2004 2005 2007 2008 2009 After2009 年 下行吞吐率 64 144kbps 64 384kbps 384kbps 3 6Mbps 3 6bps 14 4Mbps 50 100Mbps 演进目标 不断提高空口数据业务的传输能力 降低每比特的传输成本 51 TD SCDMA标准发展与演进 TDDLTE将成为TD SCDMA技术演进的主导标准 TD SCDMA技术可以明确分成四个版本 TD基本版本 R4 TD近期演进版本 HSPA MBMS HSPA TD中期演进版本 LTE 和TD长期演进版本 IMT Adv 4G 四个版本同时区分成两个阶段 CDMA技术标准阶段和OFDMA技术阶段 52 CDMA2000无线标准化 53 宽带化 成为移动通信技术的发展趋势 IP技术是宽带互联网发展的基础互联网促进移动多媒体业务发展移动IP业务应用越来越广泛 全IP移动通信网络 移动多媒体业务对带宽要求越来越高 54 移动网络正在向全IP时代迈进 基于IP的承载 更灵活 更方便的扩容 节省CAPEX OPEX Presence MSC GSN HLR CSCF O M IPNetwork PoC IM Conference Gaming UMTS HSPA GPRS EDGE CDMA WiMAX 基于开放架构的IP业务引擎 提供丰富的业务类型 带来全新的竞争优势 TD SCDMA 基于IP的控制和O M简化控制和管理 降低运维成本 基于IP架构的多制式无线接入网络 更多选择 更高带宽 灵活组网 无缝覆盖 基于IP的融合智能终端 支持更丰富的多媒体应用 带来更好的用户体验 3GPP 3GPP2 IEEE等标准组织纷纷提出ALLIP演进趋势ALLIP时代正在到来 基于IP的业务 基于IP的核心网 基于IP的承载网 55 移动软交换成为当前核心网的主流架构 R99 R4 R5 向全IP演进符合下一代网络的发展趋势 56 IMS成为核心网未来融合演进的目标 IMS将成为未来移动网络和固定网络融合的下一代网络的理想技术 57 HSDPA全面提升下行链路接入能力 HSDPA HSUPA 3GR99 4G LTE HSDPA是高速下行分组接入技术 其目标是为WCDMA提供一种高性价比 高下行带宽 低延迟的面向分组的无线宽带接入业务 HSDPA始于2000年3月提出概念 2003年6月完成HSDPA在R5版本中的内容 对R99 R4结构作了较小的修改 完全兼容3GPPR99 R4 R6 R7等版本 可工作在WCDMAFDD TDD HLR TDD LCR模式下 HSDPA高性价比单小区下行峰值速率 14 4Mbps单小区多用户共享 理论230个用户低成本 对R99结构的微小修改 58 HSUPA标准化进展进一步提升上行链路接入能力 2002 6 2004 6 2005 10 12 标准冻结 最新版本 2004 12 2008 最新版本 标准冻结 2006 3 2007 HSDPA 14 4Mbps HSUPA 5 76Mbps HSPA 28M 12M LTE100M 50M HSPA充分体现了3GPP良好的技术继承性和演进性 59 HSPA向HSPA 演进 HSPA 是为了满足一些移动运营商希望在目前的HSPA基础上平滑演进的要求 在兼容原有的HSDPA和HSUPA 即HSPA 网络的前提下 通过引入一些新技术使得HSPA进一步增强的3GPP网络演进方向 HSPA 并没有改变HSPA无线接入技术的本质 能够实现从HSPA的平滑演进 载波和带宽 扩频和多址方式 向后兼容性 向前兼容性 协议版本 与HSDPA和HSUPA完全一致 单载波 5MHz带宽 与HSDPA和HSUPA完全一致 DS CDMA 码片速率为3 84Mcps 完全兼容3GPPR99 R5 R6终端 基站 基站控制器和核心网 目前 在接入网上与LTE不兼容 CN可以做到兼容 3GPPR7及后续版本将描述HSPA HSPA 能够提供下行28Mbps 上行10Mbps的峰值吞吐率 进一步提升了空口容量 极大拓展了HSPA在宽带无线接入领域的应用空间 60 HSPA后向演进 HSPA LTE HSDPA已经广泛部署 HSUPA已有相当规模的应用 为进一步增强HSPA的性能 保护运营商的投资 HSPA向HSPA 演进是必然趋势 LTE是移动通信技术发展和演进的创新成果 代表了未来通信技术的发展方向 61 MSCS MGW RNC RNC GGSN SGSN HLR NodeB NodeB eNodeB eNodeB IPBackbone MME WCDMA HSPA LTE扁平化架构 LTE扁平化网络架构催生更少的网元数量 有效降低网络TCO 同时对相关系统设备也提出了更高的性能要求 LTE的演进目标满足了运营商的需求 代表了无线通信技术的发展方向 也对移动通信系统设备提出了更高的要求 LTE开创B3G全新时代 S GW EPC LTE下行 每Mhz的平均用户吞吐量是HSDPA下行吞吐量的3到4倍LTE上行 每Mhz的平均用户吞吐量是HSUPA上行吞吐量的2到3倍 62 无线技术上的趋同式发展导致了最终占据宽带无线接入市场的标准不是由技术体制本身决定的 而是由技术成熟度和市场规模决定的 无线技术的引入要有步骤有节奏的进行 满足网络平滑演进的需要 移动通信系统的空口带宽正有节奏的向 宽带 迈进 语音低速数据 可视电话移动流媒体 多媒体交互移动宽带互联网 无缝的 端到端的移动宽带业务体验 三 全球3G发展现状 64 全球移动通信业务高速发展 截至2008年12月 全球移动用户已经超过35亿 移动渗透率已经超过53 移动用户保持高速发展 而固网用户开始出现下滑 截至2008年12月 中国的移动用户已经超过6 2亿 不包括小灵通 移动渗透率达到46 65 去年同期41 6 固网用户规模下滑 全球移动固网用户发展对比 中国移动固网用户发展对比 亿 亿 65 3G全球用户发展状况 截至2008年10月 全球3G用户数为3 676亿用户 WCDMA用户占71 3 2007同期为65 8 为2 621亿 GSM WCDMA用户数为33 81亿 占全球用户数的88 5 66 3G各制式全球网络商用统计 全球3G商用热点正从日本 欧洲向亚太 东南亚转移 67 消费类电子产品移动化 内置HSPA的浪潮正在兴起 目前越来越多的笔记本电脑开始内嵌HSPA模块2011 50 发售的笔记本电脑将内置HSPA模块 其它的设备将会跟随这一趋势 移动互联网设备 MID 导航系统 车载娱乐设备 游戏设备 视频设备 2008年英特尔信息技术年会上展示的内嵌HSPA模块的移动互联网设备现场演示 68 3G各制式商用终端发布数量统计 截至2008年10月 累计全球共有1464款CDMA20001X终端 629款CDMA20001XEV DO终端 1334款WCDMA终端 741款HSDPA终端 69 中国3G产业现状 70 中国3G商用时间表 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 四 3大标准对比分析 88 GSM WCDMA发展迅速 主导移动市场格局 截至2007年底 GSM WCDMA用户数达到28 44亿 占全球总移动用户数86 6 截至2007年底 全球有213个国家建设了718张GSM商用网 是CDMA的近2 5倍 GSM WCDMA市场占有率 WCDMA用户增长统计 GSM WCDMA全球用户数占据绝对统治地位 2008年 随着俄罗斯 巴西 中国 印度 金砖四国 逐步铺开3G网络建设 将掀起3G网络建设新的浪潮预计2011年 WCDMA用户将比2007增长448 同时GSM用户在2009年达到峰值用户后开始下降 CDMA用户也将小幅下降 2008年开始全球将掀起3G建设发展的浪潮 89 截止2008年6月初 全球已经部署了220个WCDMA商用网络 其中包括198个HSDPA商用网络 36个HSUPA商用网络 全球WCDMA用户数已达2 06亿 2007年1Q全球HSPA用户已达725万 2007年底突破2000万 截止2008年底用户将达到5680万 WCDMA HSPA全球商用规模不断扩大 90 CDMA2000和EV DO网络全球部署 CDMA拥有技术先进性 需要象中国电信这样的运营商推动中国电信运营CDMA将有力增强CDMA阵营 推动产业链进一步发展 91 CDMA2000全球发展稳步增长 Source Informa Q42007 Source CDG Nov2007 Source CDG 3Q2007CDMASubscribersReport 全球已经有272个运营商选择了CDMA2000 在过去的3年里 有超过100个运营商在2G 3G多种技术选择中选择了CDMA2000 其中有49个GSM运营商通过部署CDMA2000提供3G增值业务 92 TD SCDMA两大组织推动产业不断发展 TDIA成立于2002年10月30日得到国家3部委的强力支持目前有25名成员 大唐电信 中兴 普天 中电集团 联想 海信 华立 凯明 天碁 展讯 海天 重邮信科 贝尔阿尔卡特 UT斯达康 英华达 中山通宇 众友科技 迪比特 中创信测 http www tdscdma alliance org 成立于2000年12月12日目前拥有包括国内 国际运营商 制造商 科研机构 媒体在内的400多个成员单位 TD SCDMA产业联盟 TD SCDMA论坛 http www tdscdma forum org 两组织于05年同时成为3GPP正式成员 93 TD SCDMA率先服务北京奥运 湖南 广州 深圳 厦门 北京 沈阳 天津 青岛 上海 广州 深圳 厦门 秦皇岛 上海 保定 秦皇岛 天津 沈阳 青岛 北京 厦门 保定 2008年4月1日 中国移动TD网络率先在北京 上海 天津 沈阳 广州 深圳 厦门和秦皇岛8个城市正式启动了社会化业务和商用测试放号 94 随着TD SCDMA在中国的发展 TD SCDMA最终可能被各国TDD运营商接受 成为可以国际漫游的中国移动通信标准 TD SCDMA具备国际发展的潜力 95 CDMA产业链 核心网 RNC 基站 终端 芯片 测试工具 CDMA 中兴华为Motorola阿尔卡特朗讯北电 中兴华为Motorola阿尔卡特朗讯北电 中兴华为Motorola阿尔卡特朗讯北电 中兴华为三星MotorolaLGHTC 高通华力 Tektronix芝测安捷伦ZCTT威尔泰克R S 有高通在整个CDMA产业链中 处于决定强势地位 控制着CDMA的关键专利和技术演进发展方向 掌握关键芯片 造成在芯片这个关键环节中形成垄断 整体产业链效率低 96 TD SCDMA与WCDMA产业链各个环节对比 核心网 RNC 基站 终端 芯片 测试工具 中兴华为爱立信诺基亚阿尔卡特上海贝尔 中兴大唐电信TDTech爱立信诺基亚爱立信 中兴大唐电信TDTech普天爱立信 中兴三星LG诺基亚海信联想大唐电信华为HTC等 T3G展讯联发科技大唐重邮 Tektronix芝测安捷伦ZCTT威尔泰克R S 华为中兴爱立信诺基亚西门子阿尔卡特上海贝尔 WCDMA TD SCDMA 爱立信华为中兴诺基亚西门子阿尔卡特上海贝尔 中兴华为爱立信诺基亚西门子阿尔卡特上海贝尔 全球所有终端厂商 TI高通NXP联发科 Tektronix芝测安捷伦ZCTT威尔泰克R S TD SCDMA和WCDMA产业链丰富程度上的差距主要是集中在芯片厂商和终端厂商两个环节 97 TD SCDMA与WCDMA产业链成熟度对比 20082003 20092005 20102007 20122010 设备 终端 芯片 HSDPA芯片 下半年HSDPA终端 支持HSDPA 设备 终端 芯片 HSUPA芯片 支持HSUPA HSUPA终端 支持LTE LTE芯片 LTE终端 HSDPA芯片 HSDPA终端 WCDMA试商用 WCDMA规模发展HSDPA商用 HSDPA规模发展HSUPA商用 支持LTE LTE芯片 TD SCDMAWCDMA LTE终端 产业链成熟度TD目前落后WCDMA3年以上 到2010年 LTE阶段 落后约2年左右 98 主要无线技术对比 CDMA技术领先 产业走弱 3 9G已经转向到主流LTEWCDMA技术跟踪 产业强势 LTE提前采用OFDMA和MIMO等4G技术TD SCDMA技术创新 产业弱小 中国主导产业标准802 11g技术成熟 产业规模大 终端丰富 802 11n标准未终结 带宽高 覆盖远 已经有Draft2 0认证设备应用 WIFI 802 16m 无线宽带接入技术 使用高速低成本接入LTE 高带宽 高性能 但规模商用时间不乐观 99 WCDMA的技术优势 TD GSM EDGETD下行HSDPA上行N频点的理论承载能力 下行2 8Mbps 128kbps 每1 6MHz 下 上行时隙比是5 1 频谱效率为1 75 0 08bit Hz 下行2 24Mbps 256kbps 每1 6MHz 下 上行时隙比是4 2 频谱效率为1 4 0 16bit Hz EDGE每载波理论最大速率为475 2kbps DoRevA 1xEV DORevA的理论承载能力 下行3 1Mbps 上行1 8Mbps 每1 25MHz 2 频谱效率为1 24 0 72bit Hz 1x每载波理论最大速率为153 6kbps GSM EDGE GSM GPRS EV DORevA CDMA20001x WCDMA HSPA GSM GPRSHSPA理论最大能力 下行14 4Mbps 上行5 76Mbps 每5MHz 2 频谱效率1 44 0 576bit Hz W HSDPA为下行14 4Mbps 上行2Mbps 每5MHz 2 频谱效率1 44 0 4bit Hz W HSDPA HSUPA W HSDPA GSM GPRS TDN频点 单载波HSDPA 100 WCDMA优势分析 技术标准发展路线明确 GSM WCDMAR99 R4 GPRS EDGE HSDPAR5 HSUPAR6 HSPA R7 LTER8 WCDMA技术演进线路明确 目前正处于HSPA快速商用时期 101 WCDMA优势分析 产业链成熟 终端丰富 WCDMA手机外型 重量得到很大改进 终端类型不断丰富 已有手机 PDA 数据卡 便携电脑等 截至2008年10月 全球有超过1334款WCDMA终端 超过11