移动通信网络及其关键技术PPT课件.ppt

现代通信原理 李波云南大学信息学院 1 ITU给出的B3G系统网络结构 2 ITU给出的B3G垂直分层组网结构 3 移动通信网络及其关键技术 4 主要内容 移动通信的定义移动通信的发展历史移动通信的特点及分类移动通信组网技术如何共享资源 多址技术如何覆盖服务区 区域覆盖技术如何互连互通 网络结构如何保证 移动中通信 越区缺换 移动性管理技术如何对通信过程进行控制 信令系统 5 移动通信的概念 移动通信的含义 通信双方至少有一方在移动中 或可移动 的通信 也即移动通信是解决因为人的移动而产生的 动中通 的问题 通信的理想目标是5个W 任何人 WHOEVER 在任何时间 WHENEVER 任何地点 WHEREEVER 与任何他人 WHOMEVER 进行任何类型的 WHATEVER 的信息交换 则至少通信网的最后一段必须经过是移动通信系统 6 第一阶段 从二十世纪20年代至40年代 为早期的发展阶段 第二阶段 从40年代中期至60年代初期 在此期间 公用移动通信业务问世 移动通信所使用的频率开始向更高的频段发展 第三阶段 从60年代中期至70年代中期 第四阶段 从70年代中期至80年代中期 这是移动通信蓬勃发展的时期 第五阶段 从20世纪80年代中期至20世纪末 这是数字移动通信系统发展和成熟时期 第六阶段 从21世纪开始 移动通信向宽带多媒体方向发展 移动通信的发展历史 7 8 9 CDMA 1992年 美国的一个名不见经传的Qualcomm 高通 公司向CTIA CellularTelecomIndustryAssociation 提出了CDMA码分多址的数字蜂窝通信系统的建议和标准 IS 95是兼容AMPS模拟制式的双模标准 因为当时在美国第一代模拟系统AMPS的网络非常发达 市场占有率很高 1993年 该建议被CTIA和TIA TelecomIndustryAssociation 批准为IS 95标准 10 高通公司 Qualcomm 凭借其CDMA 码分多址 数字技术 开发和提供独具创新性的数字无线通信产品和服务 高通公司拥有所有CDMA无线通信标准的主要专利 这些标准已经被全球制定标准机构普遍采纳或建议采纳 高通已经向全球125家以上电信设备制造商发放了CDMA专利许可 财富500强 FORTUNE500 公司之一 纳斯达克上市公司 11 2004年高通公司董事长兼CEO雅各布被授予行业大奖 IEEE通信学会会长CurtisA Siller表示 雅各布博士是个典范 他在帮助完成IEEE通信学会的使命 始终致力于促进通信及相关领域的科学 技术和应用的发展 雅各布博士在领导美国高通公司期间 促进了信息与通信行业的发展与创新 IEEE通信学会非常高兴授予雅各布博士行业领导者奖 以表彰他所做出的贡献 这次获奖的业界领袖除艾文 雅各布博士外 还有NTTDoCoMo公司总裁立川敬二博士 思科系统公司总裁兼首席执行官约翰 钱伯斯 以及诺基亚公司总裁兼首席执行官约马 奥利拉 12 高通方程式 技术 知识产权策略 商业策略 讲述了一个来自圣迭戈的小公司如何翻新了无线通信业并带给市场一种全新的体验 这不是一本技术指南 而是一部传奇 读过它 不论是对通信业了解甚多还是对这个行业没有什么认识的人都会得出结论 高通的成功得益于它的坚持不懈和创新 13 高通公司参考资料 高通中国 14 15 16 17 18 19 20 21 22 移动通信的特点及分类 移动通信的特点移动通信的分类 23 与固定电话通信相比 移动电话通信主要有以下几个特点 1 无线传输信道移动电话通信的传输信道必然是无线信道或部分使用无线信道 在移动电话通信中 至少有一方处于运动状态 双方只能通过无线电波进行联络 2 电波传输环境复杂移动台常常运动于建筑群或其它障碍物中 接收的电波场强受地形 地物的影响而随时发生变化 24 25 26 27 28 29 3 系统的干扰大移动电话通信系统存在多种噪声和干扰 4 组网方式灵活但控制过程复杂在移动电话通信中 移动台之间 移动台与基地台 基地台与移动交换中心之间要传递一整套控制操作指令 才能有序 高效地完成收发两端相互间的接续 实现信息的自动传递 另外 由于蜂窝网的特殊结构 还应该有网络搜索 位置登记 越区切换和自动漫游等功能 30 5 设备的要求高由于移动电话通信设备都是手持机或车载台 要求移动台要体积小 重量轻 省电 而且要求操作简单 维修方便 保证在振动 碰撞 高温等恶劣环境下能正常工作 6 用户量大但频率有限有限的频率资源决定了有限的信道数目 它和日益增长的用户量是一对矛盾 31 移动通信的分类 按使用环境来分 陆地 水上和航空移动通信按服务对象来分 军事 专业和公众移动通信按工作方式可分为 单工 半双工和全双工工作方式按交通工具来分 汽车 坦克 火车 船舶 飞机和航天飞行器等的移动通信 还有个人便携移动通信等等 32 移动通信中的信号传输处理技术 33 34 语音编码技术 35 36 37 38 39 40 移动通信的多址技术 多址 MultipleAddress 技术 实现不同地点 不同用户接入网络的技术 多址方式的基本类型有三种 频分多址 FDMA 频道划分 频带独享 时间共享时分多址 TDMA 时隙划分 时隙独享 频率共享码分多址 CDMA 码型划分 时隙 频率共享空分多址 SDMA 空间角度划分 频率 时隙 码共享 41 MultipleAccessMethods MobileStation BaseStation MobileStation MobileStation MobileStation Forwardlink Reverselink 42 43 FDMAOverview 44 FDMA通信系统的工作示意图 45 在模拟移动通信系统中 信道带宽通常等于传输一路模拟话音所需的带宽 如25kHz或30kHz 在单纯的FDMA系统 通常采用频分双工 FDD 的方式来实现双工通信 即接收频率f和发送频率F是不同的 为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰 收发频率间隔 f F 必须大于一定的数值 例如 在800MHz频段 收发频率间隔通常为45MHz 46 图2 2FDMA的频道划分方法 47 48 时分多址 TDMA 通信系统的工作示意图 49 码分多址CDMA 设计思想每个用户 收发信机 具有特定的地址码 利用公共频道传输信息的通信技术成为码分多址 代表各信源信息的发射信号在结构上各不相同 并且与其它地址码之间相互正交 以区别地址 而在频率 时间和空间上可能重叠 50 51 扩展频谱通信的定义 扩频通信技术是一种信息传输方式 其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽 频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成 用编码及调制的方法来实现的 与所传信息数据无关 在接收端则用同样的码进行相关同步接收 解扩及恢复所传信息数据 52 扩频调制技术有两条基本要求 53 WhatisCDMA Sender Receiver spreadspectrum 54 Howtospreadspectrum DirectSequence DS Modulation primarymodulation userdata Spreading secondarymodulation Tx datarate DemodulatingDSSignals 1 2 Ifyouknowthecorrectspreadingsequence code receivedsignal DemodulatingDSSignals 2 2 Ifyoudon tknowthecorrectspreadingsequence code receivedsignal 01010101 01010101 01010101 FeatureofSS Privacy Security PowerdensityofSS signalscouldbelowerthanthenoisedensity transmittedSS signal Noise receivedsignal de modulator Theycannotperceivetheexistenceofcommunication becauseofsignalbehindthenoise CDMA直序列扩频示意图 59 跳频扩谱 FHSS 跳频扩频 FHSS 发射技术通过将频谱划分为多个信道 并以接收机和发射机都认可的伪随机序列 或称为 跳频码 在这些信道之间进行切换 在时域中将能量扩展开来 60 FHSS系统的种类 快跳频 在1跳内 仅包含1比特或不到1比特慢跳频 在1跳内 包含若干比特原理方框图调制通常采用非相干调制 例如FSK或DPSK 61 空分多址SDMA 设计思想通过空间的分割来区分不同的用户 实现空间分割的基本技术是采用自适应阵列天线 在不同的用户方向上形成不同的波束 62 63 SummaryofMultipleAccess FDMA TDMA CDMA time time time power power power frequency frequency frequency 64 多径无线信道和Rake接收机 陆地移动信道中 无线电波传播的特点是多点反射 衍射和信号能量的衰减 由于空间中的建筑物 山丘等的阻挡 会产生多径传播的结果 65 多径时延 信号能量可能在一些明显可分辨的时刻到达接收机 形成多径传播时延分布 例 在码片速率为3 84MHz s时 每个码片的持续时间为1 3 84M 0 26us 如果路径长度差超过78m 即光速 0 26us 则可以把这些路径上的信号区分开来 对分辨出的多径信号分别进行加权调整 合成后可以增强信号 取得多径分集接收的效果 66 Rake接收机设计 67 功率控制 问题提出 1 移动台MS2比MS1离基站更近 在基站处MS2的功率很容易超过MS1的 进而对MS1的信号造成很大的干扰 这称为 远近效应 2 如果一个移动台不能随着离基站的距离和传输质量的变化而调整发射功率 那么很难找出一个合适的发射功率来 68 功率控制方法 常见的CDMA功率控制技术可分为开环功率控制 闭环功率控制和外环功率控制三种类型 开环功率控制 发送下行链路信标信号 移动台根据信标信号的功率对路径损耗作粗略估计 从而决定移动台的发射功率 此方法用于确定用户的初始发射功率 或用户接收功率发生突变时的发射功率调节 闭环功率控制 在上行链路功率控制中 通过对接收功率的测量值及与信干比门限值的对比 命令移动台提高或者较低发射功率 此 测量 指示 响应 过程周期循环 每秒钟1500次 在下行链路中 基站可以提高那些远离基站的移动台的发射功率 外环功率控制技术则是通过对接收误帧率的计算 确定闭环功率控制所需的信干比门限 从而获得恒定的传输质量 69 闭环功率控制对衰落信道的补偿作用 70 外环功率控制示意图 移动台的速度和多径分布会对传输质量产生影响 随着移动速度和传播环境的变化 动态的设定目标信干比 使移动台据此调整发射功率 从而使传输质量在各种条件下都是稳定的 71 软切换和更软切换 在软切换时 移动台处于不同基站的覆盖重复区域 下行信道方向 移动台同时通过两条不同的空中接口信道进行通信 移动台采用Rake接收机通过最大比率合并来接收两个信道的信号 上行信道方向 两个基站接收移动台的相同码分信号 接收到的数据被送到RNC进行合并 以便RNC可以根据外环功率控制的传输质量要求从两帧数据中选择比较好的一个 72 软切换 softhandover 示意图 73 更软切换 softerhandover 移动台位于一个基站的两个相邻扇区的重叠区域 移动台和基站同时通过两条空中接口信道通信 每个扇区一条 下行链路 两个扇区各使用一个扩频码 移动台通过Rake接收机接收这些信号 上行链路 两个扇区收到的移动台发来的信号之后送入基站的Rake接收机进行最大比率合并 74 75 智能天线技术 无线覆盖范围 系统容量 业务质量 阻塞和掉话等问题一直困扰着蜂窝移动通信系统 采用智能天线阵技术可以提高第三代移动通信系统的容量及服务质量智能天线阵 IntelligentAntennaArrays 技术 是基于自适应天线阵列 AAA AdaptiveAntennaArrays 原理 利用天线阵列的波束合成和指向 产生多个独立的波束 自适应地调整其方向图以跟踪信号变化 对干扰方向调零以减少甚至抵消干扰信号 提高接收信号的载干比 C I 以增加系统的容量和频谱效率其特点在于以较低的代价换得无线覆盖范围 系统容量 业务质量 抗阻塞和掉话等性能的显著提高 76 TD SCDMA智能天线 智能天线通过其方向性 从而减小了小区间的干扰 8元阵列时约减少8dB 并在因干扰而使高业务量受限的人口密集的城市中允许更密集的频率复用 在TD SCDMA系统的基本结构中 智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的 此阵列的直径为25cm 同全方向天线相比 它可获得8dB的增益 由于TD SCDMA采用了TDD模式 上 下行链路使用相同载波 使智能天线能产生最大C I增益 因此TDD模式是通过智能天线得到最佳的载干比C I增益的先决条件 集智能天线和联合检测相结合的TD SCDMA的系统设计正向由DSP控制的系统最优化迈进 这两个技术为移动通信系统的软件最优化设计奠定了基础 并且TD SCDMA的智能天线的应用对所有的3G业务都有效 77 TD SCDMA的智能天线 采用智能天线后 可用多只低功率的放大器 如8只线性输出0 5W的放大器 代替大功率放大器 等效于20W的放大器 其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励 利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图 使用DSP方法使主瓣自适应地指向移动台方向 就可达到提高信号的载干比 降低发射功率等目的 78 智能天线技术的优缺点 CDMA技术的特性是大多数用户信号可在相同的时间和相同的载波上传送 考虑到移动无线多为点到点的用户中 每个用户在小区内的位置都是不同的 这一方面要求天线具有多向性 另一方面则要求在移动环境下 每一独立的方向系统都必须可以跟踪个别的用户 由于网络运营商利用此技术可获得更高的频谱利用率 并且所需安装的基站数目就可减少 智能天线技术用于TDD方式的CDMA系统是比较合适的 能够起到在较大程度上抑制多用户干扰 从而提高系统容量的作用 其困难在于由于存在多径效应 从而使基带处理单元复杂度明显提高 但是 因智能天线体积及计算复杂性的限制 目前仅适应于在基站系统中的应用 79 问题提出由于传播损耗的存在 基站和移动台之间的通信距离总是有限的 为了使用户在每个服务区内的任意点都能接入网络 需要在该服务区内设置多少基站 对于给定的频率资源 如何在这些基站之间进行分配以满足用户容量的要求 解决方案大区制小区制 通信区域覆盖技术 80 大区制移动通信网 在一个服务区 如一个城市 内只设置一个基地站 由它负责移动通信的联络和控制 81 大区制移动通信系统特点 网络结构简单 成本低 基站频道数有限 系统容量不大 几十至几百 大区制基站的覆盖区半径在25 40km左右 尽可能增大基站的覆盖范围 解决大区域的移动通信业务 82 小区制移动通信系统 将整个服务区划分成若干个无线小区 每个小区分别设置一个基地站 由它负责本区移动通信的联络和控制 83 小区制移动通信系统的特点 提高频率利用率 同一频率可以在不同的小区重复使用 用户终端尺寸较小 电池使用时间较长 辐射功率较低 组网灵活 可以通过增加基站来增加覆盖范围 可以将每个小区继续划小 能够有效地解决频道数量有限而用户数量增加的矛盾 网络构成复杂 需要越区切换 漫游等功能 84 1 带状服务区带状服务区是由于服务区的形状形似带状而形成的 2 面状服务区面状服务区是因为服务区构成的形状是一个面状的 陆地移动电话通信的大部分服务区是宽广的面状区域 根据用户数的不同可分为以下几种 小区制移动通信系统覆盖方式 85 用户的分布呈带状 如公路 铁路 海岸等 带状网可进行频率再利用 若采用不同信道的两个小区组成一个区群 在一个区群内各小区使用不同的频率 不同的区群可使用相同的频率 称为双频制 从造价和频率资源的利用而言 双频制最好 但从抗同频道干扰而言 双频制最差 应考虑多频制 如三频制 带状覆盖区域 86 面状服务区域 组成面状服务区的形状 服务区内用户的分布呈现为一个宽广的平面 87 全向天线的覆盖区是圆形 为不留空隙地覆盖整个服务区 各覆盖区之间一定要交叠 考虑交叠后 实际上每个覆盖区的有效覆盖区是一个多边形 小区相间120 有效覆盖区为正三角形 小区相间90 有效覆盖区为正方形 小区相间60 有效覆盖区为正六边形 小区形状 88 三种形状小区的比较 89 90 91 相邻小区显然不能用相同的信道 这些不同信道的小区组成一个区群 只有不同区群的小区才能进行信道再用 区群组成应满足两个条件 区群之间可以邻接 且无空隙无重叠地进行覆盖 邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等 满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的 可以证明 区群内的小区数应满足下式 式中 i j为整数 区群的组成 92 区群的组成 93 蜂窝小区的激励方式 中心激励方式 基地站在小区的中心 由全向天线覆盖无线小区 顶点激励方式 在每个正六边形的顶点上设置基地站 并采用定向天线形成覆盖区 94 常见的顶点激励方式 定向天线采用120 小区形状采用正六边形的三叶草形结构 每个基地站3个无线小区 定向天线采用120 小区形状采用扇形的结构 每个基地站3个无线小区 定向天线采用60 小区形状采用三角形的结构 每个基地站6个无线小区 95 移动通信的基本网络结构 基站通过传输线路和交换机相连 交换机再与电话网相连 96 移动本地通信网的结构 移动电话本地网即一个移动交换区的范围 九百MHz蜂窝式移动电话本地网的结构示意图 97 多服务区联网的网络结构 在某几个关系比较密切的移动电话局之间 建立信号和通话专线 形成一个 区域 而区域内的通信仍要通过原来的本地网 98 九百MHz蜂窝式移动电话网区域联网的结构示意图 联网的网络结构 99 移动通信网进入市话网的方式 用户线接入方式市话中继线接入方式移动电话汇接中心方式 100 用户线接入方式的构成框图 101 移动通信网组成 102 移动交换中心MSC功能 路由选择管理 计费和费率管理 业务量管理 向原籍位置登记器 HLR 发送有关业务量信息和计费信息 模拟系统中 移动性管理和用户鉴权及认证都在MSC中 数字系统中 将移动性管理 用户鉴权及认证从MSC中分离出来 设置原籍位置寄存器 HLR 和访问位置寄存器 VLR 来进行移动性管理 认证中心AUC 进行用户鉴权和认证 是认证移动用户身份及产生相应认证参数的功能实体 103 原籍位置登记器HLR存储的用户信息 用户的参数信息 用户类别 向用户提供的服务 用户的各种号码 识别码 保密参数等 用户当前位置信息 移动台漫游号码 VLR地址等 原籍位置登记器HLR主要功能 对在HLR中登记的MS的所有用户参数的管理和修改等 计费管理 VLR的更新 访问位置登记器VLR主要责任 移动台漫游号管理 临时移动台标识管理 访问的移动台用户管理 HLR的更新 管理MSC区 位置区和基站区 管理无线信道 如信道分配表 动态信息分配管理 信道阻塞状态 104 定义 指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程 该过程也称自动链路转移ALT AutomaticLinkTransfer 越区缺换 105 越区切换通常发生在移动台从一个基站覆盖的小区进入另一基站覆盖小区的情况下 为保持通信的连续性 将移动台与当前基站之间的链路转移到移动台与新基站之间的链路 106 越区切换包括三方面的问题 越区切换的准则 什么时候进行切换 越区切换如何控制 如何进行切换 越区切换时信道分配 如何分配信道 107 越区切换分类硬切换在新的连接建立以前 先中断旧的连接 软切换既维持旧的连接 又同时建立新的连接 并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量 当与新基站建立可靠连接之后再中断旧链路 CDMA可实现BTS之间 BSC之间和MSC之间的软切换 108 越区切换的准则相对信号强度准则 选择信号最强的基站 具有门限规定的相对信号强度准则 当前基站信号低于某个门限 新基站的信号更强 具有滞后余量的相对信号强度准则 新基站的信号比当前基站信号强很多 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则 当前基站信号低于规定门限 新基站的信号强度高于当前基站一个给定值 109 移动台控制的越区切换 移动台连续监测基站信号并自行决定切换时间和选择新基站 网络控制的越区切换 网络监测基站受到的移动台信号 切换时间和选择新基站 移动台辅助的越区切换 移动台连续监测基站信号 网络根据此信号决定切换时间和选择新基站 越区切换的控制过程 110 主要移动通信系统介绍 蜂窝移动通信系统组成 111 二 移动通信的发展 60年代末美国贝尔实验室提出蜂窝系统的概念80年代初出现了商用蜂窝移动通信系统1992年数字蜂窝移动通信 GSM 正式商用1998年7月世界移动通信用户超过1亿2001年IMT2000投入商用 112 移动通信的发展过程 113 第一代移动通信系统 114 第二代移动通信系统 115 GSM系统概述 GSM的英文全名为 GlobalSystemforMobileCommunications 中文译为全球移动通信系统 俗称 全球通 是一种起源于欧洲的数字移动通信系统标准 早在1982年 欧洲已有几大模拟蜂窝移动系统在运营 例如北欧多国的NMT 北欧移动电话 和英国的TACS 全接入通信系统 西欧其它各国也提供移动业务 但由于各国之间的移动通信系统的体制和标准不统一 移动通信很难实现国家间的漫游 为了方便全欧洲统一使用移动电话 北欧国家向CEPT 欧洲邮电行政大会 建议制定一种公共的数字移动通信系统标准 统一规范欧洲电信业务 因此成立了一个在ETSI技术委员会下的 移动特别小组 GroupSpecialMobile 简称 GSM 来制定有关的标准和建议书 116 GSM系统的结构 图2 23GSM系统的网络结构 117 1 网络各部分的主要功能 MS 移动台 它包括ME 移动设备 和SIM 用户识别模块 卡 移动台可分为车载台 便携台和手机3类 其主要作用是通过无线接口接入网络系统 也提供人机接口 SIM卡是识别卡 用来识别用户 它基本上是一张符合ISO标准的 智慧 磁卡 其中包含与用户有关的无线接口的信息 也包括鉴权和加密的信息 除紧急呼叫外 移动台都需要插入SIM卡才能得到通信服务 118 BSS主要的功能是负责无线发射和管理无线资源 BSS由BTS 基站收发台 和BSC 基站控制器 组成 BSS中的BTS是用户终端的接口设备 BSC可以控制一个或多个BTS 可以控制信道分配 通过BTS对信号强度的检测来控制移动台和BTS的发射功率 也可作出执行切换的决定 NSS 网络子系统 由MSC 移动交换中心 和OMC 操作维护中心 以及HLR 归属位置寄存器 VLR 访问位置寄存器 AUC 鉴权中心 和EIR 设备标志寄存 等组成 NSS主要负责完成GSM系统内移动台的交换功能和移动性管理 安全性管理等 119 MSC是GSM网络的核心部分 也是GSM系统与其他公用通信系统之间的接口 主要是对位于它所管辖区域中的移动台进行控制 交换 OMC主要对GSM网络系统进行管理和监控 VLR是一个动态的数据库 用于存储进入其控制区用户的数据信息 例如用户的号码 所处位置区的识别 向用户提供的服务等参数 一旦用户离开了该VLR的控制区 用户的有关数据将被删除 120 HLR是一个静态数据库 每个移动用户都应在其HLR登记注册 HLR主要用来存储有关用户的参数和有关用户目前所处位置的信息 EIR用来存储有关移动台设备参数的数据库 对移动设备进行识别 监视和闭锁等 AUC专用于GSM系统的安全性管理 进行用户鉴权及对无线接口上的语音 数据 信令信号进行加密 以防止无权用户的接入和保证移动用户的通信安全 121 SMSC 短消息业务中心 与NSS连接可实现点对点短消息业务 与BSS连接完成小区广播短消息业务 在实际的GSM网络中 可根据不同的运营环境和网络需求进行网络配置 具体的网络单元可用多个物理实体来承担 也可以将几个网络单元合并为一个物理实体 比如将MSC和VLR合并在一起 也可以把HLR EIR和AUC合并为一个物理实体 122 第三代移动通信系统 123 IMT2000系统工作频率和传输速率 核心频段1885 2025MHz2110 2200MHz最高传输速率高速运动 144kb s步行速度 384kb s室内环境 2Mb s 124 IMT 2000无线接口标准 CDMATDMAFDMA IMT DSDirectSpread IMT MCMultiCarrier IMT TDTime Code IMT SCSingleCarrier IMT FTFrequencyTime 125 第三代移动通信示意图 核心网 无线接口 IS 41核心网 CDMA网络 cdma2000 NNI GSM核心网 W CDMA TD CDMA TD SCDMA UWC 136 DECT 126 二 移动通信向IMT2000系统过渡 北美 欧洲 第二代第二代 第二代 第三代IMT2000 IS 95A IS 95B IS 95C cdma2000 GSMTDMA 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 127 第三代移动通信 IMT2000 核心网络 无线接入网络 128 三 IMT2000技术介绍 二种核心网络技术欧洲提出GSM核心网络北美提出IS 41三种代表性的RTT技术方案欧洲和日本的WCDMA方案北美的cdma2000方案中国CATT提出的TD SCDMA方案 129 IMT2000网络技术 无线接口协议 接入网 A接口 分组数据移动控制 移动性管理 北美欧洲 数据协议 IS 707HSCSD GPRSIS 41GSMMAPCDMA移动IPGPRSIS 634GSMA接口ATMAAL2ATMAAL2L1 L2 L3基于DSS2的CC 高速电路交换数据 普通分组数据业务 GSM移动应用部分 数字用户信令系统2 130 RTT技术介绍 cdma20001x 以IS 95为基础相同的码片速率 软切换技术 功率控制技术技术改进反向信道连续导频和相干解调多载波方式提高传输速率基本参数码片速率 1 2288Mc s 波道间隔 N 1 25 5MHz功率控制速率 800b s编码方式 卷积码R 1 4 1 3 1 2 k 9和TurboCode 131 cdma2000多载波方案 132 RTT技术介绍 WCDMA 特点强调宽带技术 最小带宽5MHzBTS间不需要同步和GPS正反向信道相干解调基本参数码片速率 3 84Mc s 波道间隔 5MHz功率控制速率 1600b s编码方式 卷积码R 1 3 1 2 k 9和TurboCode 133 RTT技术介绍 TD SCDMA 特殊的物理层协议规范TD 时分多址 时分双工SCDMA 软件化 智能天线 同步CDMA技术层2以上兼容3GPP标准加入针对TDD技术的无线资源管理 134 B3G 4G的现状与发展趋势 B3G 4G的起源与概念3G系统确实存在频谱效率低 支持的传输速率不够高 成员之间体制不兼容 不能提供动态范围多速率业务等诸多问题 为满足用户更高的需求 也为了抢占技术的制高点 世界各电信发达国家也需要研究开发速率更高 性能更先进的新一代移动通信系统 这种新一代移动通信技术被称为B3G 超3G 技术 或称为4G 第四代移动通信 技术 135 B3G 4G移动通信系统的基本特征 很高的传输速率和大范围覆盖丰富的业务和QoS保证开放而融合的平台高度智能化的网络高度可靠的鉴权及安全机制 136 表5 1B3G 4G与3G系统主要技术参数 137 B3G 4G的研究与标准化进展 1 总体趋势就标准而言 是两大组织三大标准之争 即ITU的协作组织3GPP提出的LTE 3GPP2提出的UMB 超移动宽带 以及IEEE SA的协作组织WiMAX提出的移动WiMAX 前两者代表的是传统的电信产业 其中LTE的计划更周密 方案更完善 UMB更多地是出于应战的目标 处于劣势地位 移动WiMAX是基于无线接入技术的 网络可利用现有IP网络 其带宽更宽 成本更低廉 在用户中受欢迎的程度迅速增加 138 B3G 4G的研究结构 主要是依靠欧洲的WWRF 无线世界研究论坛 论坛 中国的未来移动通信论坛 简称FuTURE论坛 日本的mITF 移动IT论坛 论坛 韩国的NGMC 下一代移动通信 论坛和北美的WiMAX论坛来进行技术交流和国际协作 139 ITU的工作进展 早在2000年10月 ITU就在加拿大蒙特利尔市成立了 IMT2000andBeyond 工作组 其任务之一就是探索3G之后下一代移动通信系统的概念和方案 直到2005年10月18日结束的ITU RWP8F第17次会议上 ITU将B3G技术正式定名为IMT Advanced 按照ITU的定义 IMT 2000技术和IMT Advanced技术拥有一个共同的前缀 IMT 表示所有的国际移动通信 当前的WCDMA CDMA2000 TD SCDMA及其增强型技术统称为IMT 2000技术 未来的新的空中接口技术 叫做IMT Advanced技术 ITU之所以将下一代移动通信系统取名为B3G或者IMT Advanced 140 ITU关于B3G的研发时间表 141 ITU给出的B3G系统主要性能图示 142 ITU给出的B3G系统网络结构 143 IEEE SA的工作进展 成立于2001年的WiMAX论坛的主要目标是促进802 16d和802 16e设备之间兼容性和互操作性能 它对设备性能要求和选项进行了明确的规范和选择 对不同的选项按照技术发展和市场要求定义为必选或可选 144 欧盟的工作进展 WINNER项目由于整合了欧盟科研资源 成员包括欧盟主要的企业 大学和研究机构 加上我国原信息产业部电信研究院 韩国三星 日本NTTDoCoMo 美国摩托罗拉等亚洲和美洲企业 科研单位的加盟 在国际B3G研究领域有着重要的地位 WINNER项目成员在致力于开发和完善WINNER系统设计的同时广泛参与ITU 3GPP等国际标准化组织的工作 从而在B3G研究和相关的工作中发挥着积极的作用 145 中国的工作进展 我国的FuTURE计划进度表 146 B3G 4G的备选方案及其关键技术 在现阶段 ITU正在全球广泛征求B3G方案 以确定IMT Advanced的标准 各国各地区的标准化组织也正在积极准备提交方案 但其真正的4G方案都未形成 目前 只有3个无限接近B3G 为此人们称其为3 75G或者3 9G 的备选方案 它们分别是3GPP的LTE 3GPP2的UMB以及IEEE的移动WiMAX 这3种方案都需要演进才能达到B3G的要求 现在最被产业界看好的是LTE 其次是移动WiMAX 最后是UMB 147 LTE 1 LTE的起源与现状LTE是3GPP制定的长期演进计划的英文缩写 又称为E UTRA E UTRAN 可以从WCDMA和TD SCDMA两种途径演化而来 列于HSPA 之后 在3GPP的版本中对应于R8 它和3GPP3中的UMB合称E3G 148 从2004年底开始的LTE标准化工作分为研究项目 SI 和工作项目 WI 两个阶段 其中 SI阶段于2006年9月结束 主要完成目标需求的定义 明确LTE的概念等 然后征集候选技术提案 并对技术提案进行评估 确定其是否符合目标需求 3GPP在2005年6月完成了LTE需求的研究 形成了需求报告TR25 913 具体需求项见表5 3 LTE在技术提案征集上有6个选项 按照双工方式可分为FDD和TDD两种 而按照无线链路的调制方式或多址方式主要可分为CDMA及OFDMA两种 149 LTE的需求顶列表 150 LTE主要技术提案 151 LTE基本传输与多址技术 图5 8LTE的下行OFDMA发射机构 152 LTE的上行DFT S FDMA发射结构 153 MIMO技术 LTE支持的MIMO技术模式有 基于码本和公共导频的线性预编码 基于SFBC 空频分组编码 的空间发射分集 基于非码本 公共和专用导频的单流波束赋形 若从用户数量区分 可分为单用户MIMO SU MIMO 和多用户MIMO MU MIMO 其中上行的MU MIMO为特殊的MU MIMO 即虚拟MIMO 154 调制与编码技术 LTE的下行采用QPSK 16QAM和64QAM 上行考虑采用带频域成形的QPSK和16QAM 以降低PAR 在用于数据传输的信道编码方法中 拟采用类似R6版本中的Turbo编码器 基本编码率R 1 3 采用无竞争交织器 155 移动WiMAX 1 概述目前 IEEE802 16的两个主流标准是802 16d和802 16e 分别应用于固定和移动通信 802 16d是对802 16和802 16a标准的整合和修订 定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层框架 802 16e在802 16d的基础上增加了部分新的功能 以支持用户的移动性 总的来说 作为一种以无线方式实现 最后一公里 宽带接入的技术解决方案 802 16系列标准规范了一个支持语音和视频等低时延应用的协议 可以为用户提供固定 移动 便携形式的高速数据 语音和视频传输服务 与其他无线技术相比 WiMAX技术的主要特点有 传输速率高 覆盖范围大 完善的QoS机制 较高的数据安全性 基于全IP的网络架构 开销及投资风险小 部署灵活 配置伸缩性强 可平滑升级 156 2 空中接口 空中接口协议模型IEEE802 16标准定义的WiMAX空中接口由物理层和MAC层组成 如图5 15所示 MAC层独立于物理层 能支持多种不同的物理层规范 以适应各种应用环境 物理层由传输汇聚子层 TCL 和物理媒质依赖子层 PMD 组成 通常说的物理层主要是指其中的PMD TCL将收到的MAC层数据分段 封装成TCL协议数据单元 PDU PMD则具体执行信道编码 调制解调等一系列处理过程 MAC层采用分层结构 分为特定服务汇聚子层 CS 公共部分子层 CPS 和安全子层 其中 CS子层负责和高层接口 汇聚上层不同业务 CPS子层实现主要的MAC功能 包括系统接入 带宽分配 连接建立和连接维护等 安全子层的主要功能是提供认证 密钥交换和加解密处理 157 WiMAX空中接口协议模型 158 物理层 802 16d e的物理层可选用单载波 SC OFDM和OFDMA共3种技术 单载波这个选项主要是为了兼容10 66GHz频段的视距传输 OFDM和OFDMA只用于 11GHz频段 虽然在802 16d e协议中 单载波物理层也可以用于2 11GHz频段 但通常认为802 16d的典型物理层技术是OFDM 802 16e的典型物理层技术是OFDMA 159 表5 5固定WiMAX和移动WiMAX的物理层技术特征 160 MAC层 802 16d e的MAC层支持多种QoS等级以适应VoIP 可视电话 流媒体 在线游戏 浏览 下载等不同的业务类型 包括主动分配带宽 UGS 实时轮询 RtPS 非实时轮询 NrtPS 和尽力而为 BE 适应的QoS等级依次递减 其中最后一种为竞争接入的调度机制 MAC层的核心是CPS 其最大特点是面向连接 该子层实现的操作包括系统接入控制 调度服务 带宽的请求与分配 连接的建立与维护 网络接入与初始化 初始测距与周期性测距等 为了支持移动性 802 16e在MAC层还引入了一些新的特性 例如切换支持 可节电的休眠模式和空闲模式 用户处于激活状态但晢时无数据交换 等 161 切换支持是802 16e在MAC提供的重要的移动性管理措施 当移动用户站 MS 在运动中离开原BS的覆盖范围或者其他BS可以提供质量更好的服务时 需要执行切换流程 通过BS广播的网络拓扑消息 MS可以获得相邻小区的DCD 下行信道描述符 UCD 上行信道描述符 信息 BS还能为MS分配扫描周期以对邻近的基站进行扫描和测距 评估其物理层信道质量 为可能进行的切换确定寻找潜在的目标BS 实际的切换流程可以由MS发起也可以由BS发起 该切换属于硬切换 此外 802 16e定义了两种可选的切换模式 宏分集切换 MDHO 和快速BS切换 FBSS MDHO允许MS同时与多个BS通信 以获得分集增益 提高链路质量 在FBSS中 MS无需执行常规切换过程 就可以实现在一个BS集合中任意两个BS间的快速切换 162 3 网络结构 802 16d e标准支持全IP网络层协议 802 16d e设备可以作为一个路由器接入现有的IP网络 但现有IP核心网缺乏有效的移动性管理能力 WiMAX网络架构标准由WiMAX论坛负责制定 标准主要制定WiMAX的网络参考模型以及与其他网络 2G和3G等 互联互通架构 WiMAX论坛已制定的标准是针对固定接入环境的 对移动接入环境下的网络标准正在制定中 163 图5 16支持漫游的WiMAX网络参考模型和参考点 164 B3G 4G试验系统介绍 5 3 1全球B3G试验系统状况1 总体状况目前 各国及地区正在积极开展B3G 4G技术的研究和标准化讨论工作 为验证B3G技术和为B3G系统试商用作准备 也正在全力开发B3G试验系统 建设B3G试验网络 从公开报导的情况看 都已取得了不俗的成绩 基本具有B3G系统的技术特征 系统性能达到或超过了B3G的基本要求 需要说明的是 B3G试验系统不是真正的B3G系统 也不进行产品验证 所以它距B3G商用系统还有5 10年的时间 165