第七章第三代(3G)数字蜂窝移动通信系统-ch7

移动通信MobileCommunication 2 目录 第一章概述 4学时 第二章移动通信组网原理 8学时 第三章移动信道中的电波传播 8学时 第四章数字移动通信关键技术 8学时 第五章GSM GPRS数字蜂窝移动通信系统 8学时 第六章窄带CDMA数字蜂窝移动通信系统 6学时 第七章第三代 3G 数字蜂窝移动通信系统 8学时 第八章移动数据传输 4学时 第九章未来移动通信展望 2学时 习题讲解与课堂练习 6学时 复习 2学时 3 第七章第三代 3G 数字蜂窝移动通信系统 7 1概述7 1 13G主流标准7 1 23G系统结构 功能实体及接口7 1 33G工作频段及业务发展7 1 43G关键技术7 2WCDMA系统7 2 1WCDMA标准及发展7 2 2WCDMA无线传输技术 4 7 3cdma2000系统7 3 1cdma2000技术特点7 3 2cdma2000无线传输技术7 4TD SCDMA系统7 4 1TD SCDMA标准及发展7 4 2TD SCDMA关键技术 5 7 1概述7 1 13G主流标准1 3G标准化进程1985年开始了第三代移动通信系统 3G 最初的研究92年 ITU在WARC上对FPLMTS的频率进行了划分96年 FPLMTS正式更名为IMT 20002000年5月 ITU R最终通过IMT 2000无线接口规范 包括 美国TIA提交的cdma2000 欧洲ETSI提交的WCDMA 中国电信科学技术研究院 CATT 提交的TD SCDMA 6 2 3G标准化组织 1 3GPP3GPP 成立于1998年12月 它主要是制定以GSMMAP核心网为基础 以UTRA FDD为WCDMA技术 TDD为TD SCDMA技术 为无线接口的第三代技术规范 同时负责在无线接口上定义与ANSI 41核心网兼容的协议参与3GPP的地区性标准化组织包括 ETSI 欧洲 ARIB 日本 TTC 日本 TTA 韩国 T1P1 美国 和中国无线通信标准研究组CWTS 1999年后半年加入 等 7 2 3GPP23GPP 成立于1999年1月 它由美国的TIA 日本的ARIB 日本的TTC 韩国的TTA四个标准化组织发起 主要是制订以ANSI 41核心网为基础 cdma2000为无线接口的第三代技术规范 8 3 3G目标 全球无缝漫游 以低成本的多模手机来实现适应多种环境 快速 慢速 室内提供高质量的多媒体业务高频谱效率高保密性便于系统的升级 演进 易于向下一代系统灵活发展 9 4 3G主流标准比较 10 1 UMTS网络结构 7 1 23G系统结构 功能实体及接口 UMTS网络结构模型 11 用户设备域 由具有不同功能的各类设备组成 如双模GSM UMTS用户终端 智能卡等 用户设备域进一步分为移动设备域 主要完成无线传输和应用用户业务识别单元 用来安全地鉴定用户的身份 这些功能一般存入智能卡中基本结构域 分为接入网域和核心网域接入网域 向用户提供接入到核心网域的机制核心网域 包括支持网络特征和通信业务的功能实体 又可分为服务网域 原籍网域和传输网域 12 13 2 核心网功能实体及接口 1 PS和CS域的公共功能实体归属用户服务器 HSS 包括HLR 归属位置寄存器 和AuC 鉴权中心 访问位置寄存器 VLR 设备识别寄存器 EIR 短消息服务网关移动交换中心 SMS GMSC 短消息服务互连网关移动交换中心 SMS IWMSC 14 2 CS域的功能实体MSC服务器 MSCServer 负责完成CS域的呼叫处理等功能电路交换媒体网关 CS MGW 是PSTN PLMN的传输终接点 并且通过Iu接口连接核心网和UTRANGMSC服务器 GMSCServer 主要由GMSC的呼叫控制和移动控制组成 15 3 PS域的功能实体服务GPRS支持节点 SGSN 主要完成分组的路由寻址和转发 负责跟踪记录终端的位置信息 执行安全性功能 网关GPRS支持节点 GGSN 起网关的作用 主要完成移动性管理 网络接入控制 路由选择和转发 计费数据的收集和传送 以及网络管理等功能 16 4 IP多媒体子系统 IMS R5版本的网络结构中引入了IP多媒体子系统 IMS IMS的实体主要包括以下部分 呼叫会话控制功能 CSCF 媒体网关控制功能 MGCF IP多媒体 媒体网关功能 IM MGW 多媒体资源功能控制器 MRFC 多媒体资源功能处理器 MRFP 签约位置功能 SLF 突破网关控制功能 BGCF 17 5 主要接口CS域内的接口B接口 MSCServer和与其关联的VLR之间的接口C接口 HLR与MSCServer之间的接口D接口 HLR与VLR之间的接口E接口 MSCServer之间的接口F接口 MSCServer与EIR之间的接口G接口 VLR之间的接口Mc参考点 G MSCServer与CS MGW之间的参考点Nc参考点 MSCServer与GMSCServer之间的参考点Nb参考点 CS MGW之间的参考点 18 PS域内的接口Gr接口 SGSN与HLR之间的接口Gn和Gp接口 SGSN与GGSN之间的接口Gc接口 GGSN与HLR之间的信令通道Gf接口 SGSN与EIR之间的接口 CS和PS域之间的接口Gs接口 MSC VLR和SGSN之间的接口H接口 HLR和AUC之间的接口 19 3 UTRAN结构及接口协议 1 UTRAN基本结构 20 无线接入网分为两种不同类型 基站系统 BSS 及无线网络子系统 RNS 3GUTRAN由一组RNS组成 每一个RNS包括一个无线网络控制器 RNC 和一个或多个节点B NodeB RNC是RNS的控制单元 用于控制一个或多个NodeBNodeB和RNC之间通过Iub接口进行通信 RNC之间通过Iur接口进行通信 RNC则通过Iu接口和核心网相连 21 2 UTRAN无线接口协议用户设备和RNS之间通过无线接口 Uu接口 相连无线接口分三个协议层 物理层 L1 数据链路层 L2 和网络层 L3 数据链路层又分为若干个子层 媒体接入控制 MAC 子层 无线链路控制 RLC 子层等L3层和RLC子层划分为控制 C 平面和用户 U 平面 在控制平面上 L3分为几个子层 其中的最低层为无线资源控制层 RRC 22 4 用户设备 UE 用户设备由PLMN用户所使用的物理设备组成 包括移动设备 ME 和用户身份模块 SIM 在UMTS网络中将SIM称为UMTS用户身份模块 USIM 23 7 1 33G工作频段及业务发展1 3G工作频段 24 2 3G业务3G支持多种业务 话音 数据 图像及多媒体等 并能够灵活引进新业务截至2008年三季度 全球WCDMA用户数已经突破2 9亿 有91个国家部署了211张WCDMA商用网络 占3G网络总数的78 25 7 1 43G关键技术高效的信道编 译码技术智能天线技术软件无线电技术多用户检测技术向全IP网过渡 26 7 2WCDMA系统7 2 1WCDMA标准及发展 WCDMA标准主要由欧洲ETSI提出 核心网基于GSMMAPWCDMA标准由3GPP制定 目前有R99 R4 R5 R6四个版本完成定稿 正在进行7版本的制定工作R5于2002年6月功能冻结 其核心网引入了IMS HSDPAR6中引入了HSUPA Presence和Push业务 多媒体广播和多播业务 数字权限管理 DRM WLAN UMTS互通2004年12月 R7标准工作开始启动 主要研究的技术包括 MIMO技术 7 68Mchip s的TDD技术 3 84Mchip s的TDD模式上行链路分组数据传输增强 27 7 2 2WCDMA无线传输技术WCDMA系统在无线接口上的信道类型有三种 逻辑信道 传输信道和物理信道 逻辑信道是MAC子层向上层 RLC子层 提供的服务 它描述的是承载什么类型的信息传输信道作为物理层向高层 MAC子层 提供的服务 它描述的是所承载信息的传送方式物理信道是物理层实际的传输通道 即在空中传输物理信道承载的信息 28 一 传输信道传输信道可分为两类 专用传输信道和公共传输信道 专用传输信道只有一种 即DCH 包括上行DCH和下行DCH公共传输信道分为6类 广播信道 BCH 前向接入信道 FACH 寻呼信道 PCH 随机接入信道 RACH 公共分组信道 CPCH 和下行共享信道 DSCH 29 二 物理信道一般的物理信道包括三层结构 超帧 帧和时隙超帧长度为720ms 包括72个帧 每帧长10ms 对应的码片数为38400chip 每帧由15个时隙组成 一个时隙的长度为2560chip 物理信道也分为专用物理信道和公共物理信道 30 1 上行物理信道上行物理信道分为上行专用物理信道和上行公共物理信道 1 上行专用物理信道分为两类 上行专用物理数据信道 DPDCH 和上行专用物理控制信道 DPCCH 31 2 上行公共物理信道物理随机接入信道 PRACH 用于承载RACH 即用于移动台在发起呼叫等情况下发送接入请求信息PCPCH用于承载CPCH 即它是一条多用户接入信道 用于传送CPCH传输信道上的信息 在该信道上采用的多址接入协议是基于时隙的CSMA CA 32 2 下行物理信道下行物理信道分为下行专用物理信道和下行公共物理信道 1 下行专用物理信道下行专用物理信道只有一种 即DPCH 33 2 下行公共物理信道公共下行导频信道 CPICH 为固定速率的物理信道 用于相位参考 CPICH分两种 主公共导频信道 PCPICH 和辅助公共导频信道 SCPICH 每个小区仅有一个PCPICH SCPICH每个小区可以没有 也可以有一个或数个 主公共控制物理信道 PCCPCH 为固定速率的物理信道 用于携带BCH传输信道 34 辅助公共控制物理信道 SCCPCH 用于携带FACH和PCH传输信道 其扩频因子的取值范围是256 4同步信道 SCH 用于小区搜索 它包含两个子信道 主同步信道 PSCH 和辅助同步信道 SSCH 物理下行共享信道 PDSCH 用于携带DSCH传输信道 在同一个无线帧内 有着相同扩频因子的多个并行的PDSCH可以分配给同一个UE 在不同的无线帧中 分配给同一个UE的PDSCH可以有不同的扩频因子 捕获指示信道 AICH 为固定速率的物理信道 用于携带捕获指示 AI AI对应于PRACH信道的码型 35 CPCH接入前缀捕获指示信道 AP AICH 为固定速率的物理信道 用于携带CPCH的接入前缀捕获指示CPCH碰撞检测 信道分配指示信道 CD CA ICH 为固定速率的物理信道 用于在信道分配 CA 未激活的情况下携带碰撞检测指示 CDI 或在CA激活的情况下携带CDI和CAI 寻呼指示信道 PICH 为固定速率的物理信道 用于携带寻呼指示 PI CPCH状态指示信道 CSICH 为固定速率的物理信道 用于携带CPCH状态信息 36 3 信道编码与复用为了在无线传输链路上提供可靠的数据传输服务 物理层需要对来自MAC子层和高层的数据流 传输块 进行编码 复用后发送到达编码 复用单元的数据以传输块集的形式传递 每个传输时间间隔 TTI 内传递一次 TTI长度可以取10ms 20ms 40ms或80ms 37 上行 下行 38 1 CRC校验差错检测功能是通过给传输块加入循环冗余校验来实现的 CRC长度可以是24 16 12 8或0比特 每个传输信道 TrCH 使用的CRC长度由高层信令给出 2 传输块级联 码块分割在一个TTI内传输的所有传输块都是串联在一起的 如果一个TTI的总比特数大于规定的码块最大尺寸 那么在传输块级联之后将进行码块分割 39 3 信道编码码块被送到信道编码模块 可根据以下信道编码方案进行编码 卷积编码 规定使用的编码速率通常为1 2和1 3 Turbo编码 Turbo编码器是一种并行级联卷积码编码器 可用于高速 高质量的业务中 4 无线帧尺寸均衡对输入比特序列加以填充 以保证输出比特流可以被分成大小相同的数据段 无线帧尺寸均衡仅用于上行链路 40 5 第一次交织第一次交织又叫帧间交织 仅在时延预算允许10ms以上的延迟时使用 交织长度可以是20ms 40ms或80ms 交织周期为一个传输时间间隔TTI 6 无线帧分割如果TTI长度大于10ms 那么输入比特序列将被分段 并映射到连续的无线帧当中 41 7 速率匹配对一个传输信道上的比特进行重复或打孔操作 以确保传输信道复用之后的总比特率与高层分配的专用物理信道的比特率相同 8 传输信道复用每隔10ms 来自各TrCH的无线帧就被送到传输信道复用单元 该单元将把所有TrCH的比特顺序串联起来 形成一个编码组合传输信道 CCTrCH 42 9 物理信道分割当使用了多个物理信道时 就需要将输入比特流分段 放入到不同的物理信道中 10 第二次交织第二次交织是帧内交织 完成一个无线帧内部数据比特的位置变换操作 11 物理信道映射所有的比特都将被映射到物理信道上 通过空中接口传输 43 4 扩频与调制物理信道成帧之后 需要进行扩频与调制 扩频分两步进行第一步称为信道化操作 在WCDMA系统中用OVSF码作为信道化码 以保持不同数据速率和不同扩频因子的信道之间的正交性 第二步是加扰操作 用一个伪随机序列与信道化后的已扩频符号相乘 进行加扰且扰码的码字速率与已扩频符号相同 上行链路的扰码用于区分用户 而下行链路的扰码用于区分小区和信道 WCDMA系统采用Gold码作为扰码 经过扩频之后的信号要进行QPSK调制 调制后的码片速率都是3 84Mchip s 44 上行DPDCH DPCCH的扩频与调制 45 除SCH外的下行物理信道的扩频与调制 46 5 功率控制WCDMA系统中采用了功率控制技术 开环功率控制只用于优化RACH和CPCH信道的初始传输上行链路的闭环功率控制包括两个功率控制环 内环和外环 WCDMA的内环功率控制过程和IS 95中的功控过程类似 WCDMA内环功控过程每帧15次 每秒1500次在WCDMA系统中 外环功率控制不仅在上行方向需要 而且在下行方向也需要 47 6 发射分集下行链路发射分集是指基站方通过两根天线发射信号 每根天线被赋予不同的加权系数 包括幅度 相位等 从而使接收方增强接收效果 改进下行链路的性能 WCDMA系统可以使用两种类型的发射分集机制 开环发射分集和闭环发射分集 开环发射分集 基于空间 时间块编码 STTD 的分集 闭环发射分集也叫反馈模式的发射分集 只有DPCH采用闭环发射分集方式 48 DPCH的STTD编码过程 STTD编码过程 49 7 3cdma2000系统7 3 1cdma2000技术特点 两种扩展技术 多载波 MC 和直接序列 DS 扩频反向链路连续发送反向链路相干解调增强的信道结构前向链路的辅助导频前向链路的发射分集前向链路的快速功率控制业务信道可以采用Turbo码 它比卷积码高2dB的增益 50 在前向信道中 为了减少和消除小区内的干扰 采用了Walsh码 在前向信道中 采用可变长度的Walsh码来实现不同的信息比特速率 在反向信道中 采用可变长度的Walsh码来实现正交信道 在反向信道中 通过将物理信道分配到I和Q支路 使用复数扩展使得输出信号具有较低的频谱旁瓣 在软切换方面 将原来的固定门限改变为相对门限 增加了灵活性为满足不同的服务质量 支持可变帧长 可选的交织长度 改进的MAC方案以支持分组操作和多媒体业务 51 7 3 2cdma2000无线传输技术1 物理信道类型cdma2000空中接口的物理信道分为前向 反向专用物理信道 F R DPHCH 和前向 反向公共物理信道 F R CPHCH 前向 反向专用物理信道 点对点的方式前向 反向公共物理信道是 共享和点对多点的方式 52 cdma2000前向 反向专用物理信道 53 cdma2000前向 反向公共物理信道 54 2 前向信道前向链路支持的码片速率为N 1 2288Mc s N 1 3 6 9 12 55 N 1且速率集为RS1系统的F FCH 56 N 1单载波系统的扩频和调制过程 57 2 前向信道 反向接入信道 R ACH 和反向公共控制信道 R CCCH 的结构 58 反向导频信道结构 59 N 1和N 3系统反向链路调制过程中的I和Q支路的信道映射 60 7 4TD SCDMA系统7 4 1TD SCDMA标准及发展 2000年5月5日 TD SCDMA被正式接纳为IMT 2000标准 与欧洲 日本提出的WCDMA以及美国提出的cdma2000并列为三大主流3G标准之一2002年10月 我国信息产业部公布TD SCDMA频谱规划 为TD SCDMA标准划分了总计155MHz的非对称频段2006年1月20日 信息产业部正式颁布TD SCDMA为我国通信行业标准 61 频谱规划 TD SCDMA可以充分利用不对称的频谱资源中国政府大力支持TD SCDMA 并且为其分配155MHz的频带 PairedSpectrum UnpairedSpectrum 62 7 4 2TD SCDMA物理层1 传输信道TD SCDMA的传输信道与WCDMA的传输信道基本相同 不同之处在于 TD SCDMA传输信道中增加了上行共享信道 USCH 不包括公共分组信道 CPCH 63 2 物理信道TD SCDMA的物理信道由四层结构组成 即系统帧 无线帧 子帧和时隙 码 TD SCDMA的物理信道信号格式 64 1 帧结构TD SCDMA帧结构将10ms的无线帧分成两个5ms的子帧 每个子帧又分成长度为675 s的7个常规时隙和3个特殊时隙 TD SCDMA系统的帧结构 65 在7个常规时隙中 TS0总是分配给下行链路 而TS1总是分配给上行链路 上行时隙和下行时隙之间由转换点分开 每个5ms的子帧有两个转换点下行导频时隙 DwPTS 它是为下行导频和同步而设计的上行导频时隙 UpPTS 它是为建立上行同步而设计的保护时隙 GP 即在NodeB侧 由发射向接收转换的保护间隔 时长为75 s 96chip 66 下行导频时隙DwPTS 上行导频时隙UpPTS 保护时隙GP 67 2 突发结构 TD SCDMA系统只有一种突发结构突发的数据符号部分由信道码和扰码共同扩频 扩频因子可以取1 2 4 8和16 68 训练序列midamble 信道估计功率控制测量 TPC TransmittingPowerControl发送功率控制上行同步的保持 SS SynchronizationShift同步偏移 69 3 物理信道类型及映射关系 70 3 信道编码 复用 数据调制和扩频调制TD SCDMA的信道编码 复用 传输信道到物理信道的映射过程与WCDMA系统类似在TD SCDMA中 经过信道映射后的数据流还要进行数据调制和扩频调制 数据调制可以采用QPSK或者8PSK 针对2Mbit s的业务 数据调制后的复数符号再进行扩频调制 扩频调制主要分为扩频和加扰两步 扩频后的码片速率为1 28Mchip s 扩频后进行脉冲成形 71 7 4 3TD SCDMA关键技术TD SCDMA标准采用了时分双工 TDD TDMA CDMA多址方式工作 基于同步CDMA 联合检测 智能天线 软件无线电 动态信道分配 DCA 接力切换等新技术 72 双向传输 上行链路 uplink 下行链路 downlink 双工模式 频分双工 FDD 时分双工 TDD 1 时分双工TDD 73 提高系统的频谱利用率降低对功率控制的要求提高终端的接收性能适合采用智能天线技术更容易实现低功耗的多模小终端 限制了小区的覆盖范围干扰问题严重同步要求高移动速度目前难以与FDD模式相比 TDD模式优缺点分析 74 2 同步技术 上行同步 TD SCDMA同步技术 TD SCDMA同步技术包括网络同步 初始化同步 节点同步 传输信道同步 无线接口同步 Iu接口时间校准 上行同步等节点同步 用来估计和补偿UTRAN节点 NodeB 之间的定时误差 降低小区间干扰初始化同步 移动终端开机建立下行同步过程被称作初始化小区同步过程 其目的是读取小区的系统广播消息 获得进行业务传输的参数 75 上行同步ULS 要求来自不同位置 不同距离的不同用户终端的上行信号能够同步到达基站 带来的好处 提高系统容量 简化基站接收机的设计 76 上行同步的建立和保持 77 3 联合检测JointDetection 联合检测的含义 联合检测是多用户检测的一种 它能充分利用MAI 一步之内将所有用户的信号都分离出来TD SCDMA系统采用联合检测技术的原因 联合检测技术在复杂度允许的情况下 可以同时对抗多址接入干扰MAI和码间干扰ISI 78 联合检测的基本思想 79 联合检测技术优缺点分析 检测效果优于传统RAKE接收机提高系统容量 增加用户数量降低UE的发射功率削弱 远近效应 的影响降低网络建设的成本 抗白噪声能力较差抗多址干扰干扰能力不强 80 4 智能天线SmartAntenna 智能天线的设计思想 以阵列天线来形成窄波束以得到天线的高增益 并且窄波束又能减小干扰 从而提高了系统的信干比和灵敏度 对比GSM CDMA常规固定波束 81 智能天线的技术优势 提高信号干扰比 改善通信质量 增加系统容量 提高同时通信的用户数量 扩大通信覆盖区域 提高频谱利用率 降低基站发射功率 减少电磁环境污染 82 5 软件无线电SDR 软件无线电的设计思想 把硬件作为无线通信的基本平台 而把尽可能多的无线及个人通信功能用软件实现软件无线电的研究目标 把多波段天线 射频变换 宽带数模变换 中频处理 基带处理和信号处理等组合在一起 灵活的进行软件处理 形成可编程的模块化的无线电系统 简言之 其目标 在全波段内根据环境灵活的设置参数 在多个频段上通信 83 软件无线电的关键模块 关键技术 84 RF转换技术 产生输出功率 接收信号的预放大 射频信号和中频信号的转换 A D D A模数转换技术 数字中频处理 在发送数据时 中频处理完成上变频 在接收数据时 中频处理完成下变频 信道隔离 基带和比特流数字信号处理 完成将多个信源比特复合 对比特流进行纠错处理 完成抗衰落 抗干扰的各种算法 低功耗 小型化技术 智能天线技术 85 软件无线电的技术优势 系统结构通用 功能实现灵活 提供不同系统互操作的可能性 复用的优势 软件的生存期决定了通信系统的生存期 利用软件 可以方便的采用各种新的信号处理技术提高抗干扰能力 86 软件无线电在TD SCDMA中的应用 TD SCDMA的优势在软件无线电中实现 TDD模式国有的高峰均比适宜软件无线电的应用 TD SCDMA标准的后发因素决定软件无线电的应用 87 6 动态信道分配DCATD SCDMA系统中的任何一条物理信道都是通过它的载频 时隙 扩频码的组合来标记的 DCA的含义 信道不是固定地分给某个小区 而是被集中在一起进行分配DCA的特点 高效性 自动适应网络中负载和干扰的变化 高效地利用有限的无线资源 提高系统容量 灵活性 适应第三代移动通信业务的需要 尤其是高速率的上 下行不对称的数据业务和多媒体业务 复杂性 DCA算法相对于固定信道分配来说较为复杂 在信道分配上占用的系统开销比较大 88 慢速DCA 主要任务是把资源分配到小区 在每个小区内分配和调整上下行的链路资源 用于上下行业务不对称的情况 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 主要任务是把资源分配到业务 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的资源单元的多少为承载业务分配一条或多条物理信道 信道调整可以通过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 89 7 接力切换BatonHandover 接力切换与其他切换方式的比较 Play 软切换示意图 90 91 接力切换的设计思想 利用智能天线和上行同步等技术 在对UE的距离和方位进行定位的基础上 根据UE的方位和距离信息作为辅助信息来判断目前UE是否移动到了可进行切换的相邻基站的临近区域 智能天线提供用户的到达角估计DOA 上行同步过程提供用户到基站的距离 92 接力切换的过程 93 7 5