第10章+第三代蜂窝移动通信技术综述.ppt

第10章第三代蜂窝移动通信技术综述 10 1第三代移动通信系统综述10 2第三代移动通信的新技术习题 10 1第三代移动通信系统综述 10 1 1第三代移动通信系统的主要特点第三代移动通信系统主要将各种业务结合起来 用一个单一的全功能网络来实现 与现有的第一代和第二代移动通信系统相比较 其主要特点可以概括为以下几点 1 全球普及和全球无缝漫游的系统 第二代移动通信系统 一般为区域或国家标准 而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统 2 具有支持多媒体业务的能力 特别是支持Internet业务 ITU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求必须满足以下三种传输速率要求 快速移动环境 最高速率达144kb s 室外到室内或步行环境 最高速率应达到384kb s 室内环境 最高速率应达到2Mb s 3 便于过渡 演进 由于第三代引入时 第二代网络已具有相当规模 所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐演进而成 并与固定网兼容 4 高频谱利用率 5 高服务质量 6 低成本 7 高保密性 10 1 2第三代移动通信的发展第三代移动通信系统IMT 2000是国际电信联盟 ITU 在1985年提出的 工作在2000MHz频段 在2002年投入商用系统 当时称之为未来共用陆地移动通信系统 即FPLMTS 1996年正式更名为IMT 2000 1992年世界无线电管理会议 WARC 为IMT 2000分配了230MHz的频段 10 1 3第三代移动通信标准之争IMT 2000主要采用宽带CDMA技术 这一点各国已达成共识 但北美 欧洲 日本这三大区域性集团均向ITU提出了各自的标准 我国也积极参与了第三代移动通信技术的研究和标准的制订 成立了无线通信标准研究组 CWTS 专门负责标准的研究和制订 并已向ITU提交了中国自己的标准TD SCDMA 已提出的第三代移动通信系统主要有以下一些方案 1 由国际电信联盟 ITU 提出的 未来公用陆地移动通信系统 FPLMTS 后改名为 国际移动通信2000 IMT 2000 2 由欧洲电信标准协会 ETSI 提出的 通用移动通信系统 UMTS 3 截至1998年12月 世界各国已向ITU提交的无线传输技术 RTT 建议有以下10种 以TDMA为基础的两种 DECT DigitalEuropeanCordlessTelecommunications 来自ETSI计划 EP DECT UWC 136 UniversalWirelessCommunications 来自美国TIATR45 3 以CDMA为基础的八种 WMMSW CDMA WirelessMultimediaandMessagingServiceWidebandCDMA 来自美国TR46 1 TD SCDMA Time DivisionSynchronousCDMA 来自中国电信技术研究院 CATT W CDMA WidebandCDMA 来自日本ARIB CDMA AsynchronousDS CDMA 来自韩国TTA UTRA UMTSTerrestrialRadioAccess 来自ESTISMG2 NA W CDMA NorthAmericanWidebandCDMA 来自美国TIPI ATIS cdma2000 WidebandCDMA IS 95 来自美国TIATR45 5 CDMAI MultibandSynchronousDS CDMA 来自韩国TTA 10 1 4第二代移动通信系统向第三代的过渡第二代移动通信系统指以现有的GSM移动通信系统和IS 95的窄带CDMA移动通信系统为代表的移动通信系统 GSM系统在向第三代系统演进的过程中 其无线接入网络一般公认将采用基于WCDMA标准的技术 与基于TDMA技术的GSM网络相比 是一个革命性的变化 10 1 5未来移动通信业务目前 通信技术和计算机技术日趋融合 语音业务和数据业务日趋融合 无线互联网 移动多媒体已初露端倪 在我国 移动电话和Internet用户都在飞速增长 现在越来越多的移动电话用户得到了Internet及多媒体业务服务 根据ITU的预测 从2001年至2007年 世界上的移动数据用户将超过移动语音用户 移动通信的应用领域也将从单纯的人与人之间的信息交互发展为人与机器之间的信息交互和机器与机器之间的信息交互 未来移动通信网络将向IP化的大方向演进 在此过程中 移动网络上的业务将逐步呈现分组化特征 而网络结构将逐步实现以IP方式为核心的模式 1 移动业务走向数据化和分组化在固定通信领域 语音业务正在受到数据业务的强有力挑战 据预计 在最近一两年中 全球数据通信量将超过语音通信量 与固定通信相比 移动通信目前的语音通信显然占绝对优势 但随着新技术的引入 移动数据业务已开始呈现蓬勃发展的景象 WAP在现有窄带移动网络上的实现 已经使移动通信能提供低速率的信息访问 2 未来移动通信网络将是全IP网络未来的移动通信网络将向IP化方向演进 未来的移动通信网络将是一个全IP的分组网络 对此 两个主要的第三代移动通信标准化组织3GPP和3GPP2都将第三代移动通信发展的目标设定为全IP网 3 未来移动通信系统的三大主体结构未来的移动通信系统的三大主体结构是 1 设备制造商负责制造向用户提供服务的移动通信系统设备和终端 2 服务运营商负责向用户提供移动通信业务服务 3 业务设计商负责向运营商提供用户喜闻乐见的业务形式和业务内容 10 2第三代移动通信的新技术 10 2 1三大系统无线接入技术简介建议的标准中具有代表性的是北美的宽带cdmaOne 现称cdma2000 日本宽带CDMA W CDMA 和欧洲提出的TD CDMA 现作如下简要介绍 1 北美的cdma2000北美4家大公司Lucent Motorola Notel Qualcomm提出了cdmaOne2000的建议 受到HNS Nokia Samsung HiTachi等公司的支持 2 日本的W CDMANTTDoCoMo提出的建议为相干多码率宽带CDMA W CDMA 多频带DS CDMA采用1 25 5 10 20MHz带宽 小区之间为异步运行 扩频码片速率为1 024 4 096 8 0192 16 384Mb s 多码率业务高达2Mb s 扩频码信道为长码 短码 短码采用树形结构正交多码率码 长码采用伪随机码 3 欧洲的TD CDMA欧洲西门子和阿尔卡特等公司提出了一种时分CDMA TD CDMA 该方案将FD MA TDMA CMDA组合在一起 其特点为信道间隔扩展为1 6MHz 但它的帧结构和时隙结构与GSM相同 扩展因子为16 可支持每时隙8个用户 同时采用跳频和跳时 支持的用户比特率为8 2048kb s 在最高比特率时用了全部8个时隙 而每个时隙可用8个用户地址码 移动台将采用双模手机 以便在网络 信令层与GSM兼容 10 2 2新型调制技术调制技术是决定通信系统频谱利用率的关键技术 近年来是人们关注的研究热点 除了一些常规的调制方式如FSK BPSK QPSK DQPSK OQPSK MSK GMSK 4 OPSK和QAM等已获得广泛的应用外 人们正在致力于研究一些更能适应复杂的通信环境和多变的业务需求的调制方式 如多载波调制和可变速率调制 1 多载波调制多载波调制的原理是把要传输的数据流分解成若干个子数据流 每个子数据流具有较低的码元速率 然后用这些子数据流去并行调制若干个载波 由于在多载波调制的子信道中 码元速率低 码元周期长 因而对传输信道中的时延扩展和选择性衰落不敏感 或者说在满足一定条件下 多载波调制具有抗多径扩展和选择性衰落的能力 当然 多载波调制所用的各个子载波必须满足一定精度和稳定度的要求 多载波调制的方法有 1 多载波正交振幅调制 MC QAM 把待传输的数据流分解成多路低速率的子数据流 每一路数据流被编码成多进制QAM码元 再插入同步 引导码元 分别去调制各个子信道的载波 这些子载波综合在一起就形成了MC QAM信号 MC 16QAM曾经用于Motorola公司开发的数字集群系统MIRS 2 正交频分复用和码分多址结合 OFDM CDMA 正交频分复用 OFDM 和传统频分复用 FDM 的不同之处是利用频率正交来区分不同子信道的载波 因而相邻子信道所占用的频段可以相互交叠 见图10 1 而不会相互干扰 因而可提高通信系统的频谱利用率 图10 1OFDM正交频分载波频率 2 可变速率调制实现可变速率调制的方法有以下几种 1 可变速率正交振幅调制 VR QAM QAM是一种振幅和相位联合键控技术 电平数越多 每码元携带的信息比特数就越多 2 可变扩频增益码分多址 VSG CDMA 这种技术靠动态改变扩频增益和发射功率以实现不同业务速率的传输 3 多码码分多址 MC CDMA 图10 2星型QAM的星座图 10 2 3智能天线智能天线是一种自适应阵列天线 自适应阵列天线已经经历了40年的发展历史 雷达中首先发展并应用了自适应波束形成技术 直到20世纪80年代后期 随着移动通信的迅猛发展和频谱资源的日益紧张 人们才开始重视把自适应天线技术应用到移动通信领域 以提高频谱利用率 实现自适应阵列天线的基本办法是通过调节各阵元信号幅度和相位的加权因子 统称复加权因子 使天线的方向图可以在任意方向上具有尖峰 波束 或者凹陷 图10 3是一种基于信号到达方向的 DOA 自适应波束形成示意图 其中天线阵由N个空间分布的天线阵元组成 阵元排列可以是直线型 环型或平面型 阵元之间的距离一般为信号波长 的一半 即 2 W是复加权因子 图10 3自适应波束形成示意图 基准信号的产生可以采用下列三种办法 1 利用发送同步信号的引导序列来产生参考信号 2 为各个用户发送专门的训练序列或引导序列 用来产生参考信号 3 在码分多址移动通信系统中 因为接收端知道发送端所用的扩频码 因而利用提取环路很容易获得所需的参考信号 图10 4是基于基准信号的阵列天线示意图 图10 4基于基准信号的阵列天线示意图 10 2 4多用户信号检测在DS CDMA移动通信系统中 多址干扰 MAI 是限制通信容量的关键因素 随着用户数目的增加 多址干扰增大 通信质量也下降 为了保证通信质量不低于预定的最低要求 必须限制用户的最大数目 即使用户数目不是太多 如果个别干扰信号的发射功率远远超过有用信号 有用信号也会受到它的压制 1 去相关多用户信号检测器在传统的DS CDMA系统中 用一组匹配滤波器分别对应多个用户的输入信号进行检测 由于各个扩频序列之间存在相关性 各匹配滤波器的输出除所需信号和信道噪声外 还包含由互相关性引起的其它用户信号的干扰 即多址干扰 以X x1x2 xk T表示输入信号矢量 以Y y1y2 yk T表示匹配滤波器的输出矢量 k为用户数 可得 Y RAB NB b1b2 bk T 式中 bk是第k个用户的信息数据 N为噪声 R是表征扩频序列之间相关性的k k阶相关矩阵 A是表示信号强度 幅度与相位系数 的对角线矩阵 可以看出 如果在上式进行去相关线性变换 即对相关矩阵R求逆 可得 YV R 1Y AB NV 2 干扰抵消式多用户信号检测器这种检测器的基本思路是把输入信号按功率的强弱进行从前到后排序 首先 对最强的信号进行解调 接着利用其判决结果产生此最强信号的估计值 并从总信号中减去此估计值 对其余信号而言 相当于消除了最强的多址干扰 其次 再对次强的信号进行解调 并按同样方法处理 依此类推 直至把最弱的信号解调出来 10 2 5无线ATM第一代和第二代移动通信系统的主要业务是语音通信 第三代移动通信系统的发展目标是提供多媒体综合业务 众所周知 异步传输模式 ATM 是宽带综合业务数字网 B ISDN 的目标模式 它把不同类型的业务数据组成固定长度的信元进行传输和交换 使同一通信网络可以极为灵活地处理多种业务 不论其速率高低 实时性要求和质量要求如何 都能提供满意的服务 并能按需分配信道资源 有效地利用网络资源 鉴于无线ATM的重要性 ATM论坛于1996年6月专门成立了无线ATM工作组 WATMWG 致力于研究和制订有关无线ATM的规范和标准 目前 世界各国有许多科研机构和高等院校正在这方面进行研究和实验 并获得了初步成果 当前人们研究的无线ATM系统大致由无线接入部分和移动ATM网络部分组成 见图10 5 前者的主要功能是无线传输 媒质接入控制和数据链路控制 后者是在ATM网络基础上增加移动控制功能 如越区切换 位置管理 路由选择 业务质量控制以及网络管理等 与常规的ATM类似 无线ATM信元的净荷可选为48字节 或24字节或16字节 图10 5无线ATM系统示意图 10 2 6多层网络结构第三代移动通信系统要在各种各样的通信环境中 满足形形色色的业务需求 其网络结构采用什么样的形式是一种重要的抉择 在移动通信的发展初期 网络结构的设计和规划主要由 区域覆盖 驱动 其基本出发点是保证在所需的地区内不出现通信死角 双层网络结构是人们比较熟悉的 图10 6是这种网络结构的例子 图10 6 a 是重叠小区 由底层和顶层组成 底层指配业务信道和信令信道 顶层只指配业务信道 图10 6 b 是由宏小区和微小区组成的 宏小区服务于高移动性用户 微小区服务于低移动性用户 图10 6双层小区示意图 10 2 7位置区和寻呼区的管理在移动通信系统中 用户可以在系统覆盖的所有区域内任意移动 为了把呼叫信息快速地传送到随机移动的用户 必须随时探测用户的位置信息 以跟踪用户位置的动态变化 为了使位置区域的划