第7章 第三代蜂窝移动通信系统

第7章第三代移动通信系统,7.1概述7.2软件无线电技术7.3无线传输技术7.4我国第三代移动通信的发展,7.1概述,移动通信是一种沟通移动用户与固定用户之间或移动用户之间的通信方式。它具有快速、便捷、可靠、不受时空限制的特点。目标：5W1897年，马可尼在固定站和一艘拖船之间进行的无线通信实验，标志着移动通信的诞生。1947年贝尔实验室提出了蜂窝通信的概念，70年代试验，80年代开始使用。时至今日，蜂窝移动通信经过了两代成熟的发展，并且进入了第三代移动通信的研制、试验和建设阶段。,3G最早由ITU在1985年提出，称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS）。1996年更名为国际移动通信2000即IMT2000。,工作频段2000MHz,商用时间2000年左右,最高速率2000Kbit/s,IMT-2000的含义,IMT-2000主要特性（1）全球化。IMT-2000包括多种系统，在设计上具有高度的通用性，该系统中的业务以及它与固定网之间的业务可以兼容，能提供全球漫游。（2）多媒体化。提供高质量的多媒体业务，如话音、可变速率数据、视频和高清晰图像等多种业务。（3）综合化。能把现存的各类移动通信系统综合在统一的系统中，以提供多种服务。（4）智能化。主要表现在智能网的引入，移动终端和基站采用软件无线电技术。（5）个人化。用户可用唯一个人电信号码（PTN）在终端上获取所需要的电信业务，这就超越了传统的终端移动性，真正实现个人移动性。,图7-1IMT-2000系统的运营环境,IMT-2000的目标提供全球的多种业务的覆盖，即能提供多种业务、多种网络的综合，具体分五个方面：无线和无线的综合：第三代系统是在第二代基础上建立起来的，和GSM、DCS180O的兼容是必要的。第三代应能提供IMT-2000GSM的低价双模终端（或IMT-2000GSMDCS1800的低价三模终端），能实现多网之间的切换和漫游。固定网和移动网的融合：在技术上需要解决同一交换机能支持移动和固定用户接入；采用ATM技术；宽带无线接入网能和固定网、分组网、IP网连通；建立统一的用户数据库；建立统一的智能网平台。多功能用户数据库是存放所有用户业务特点的超集。,陆地网和卫星网的连接：卫星移动通信系统在人口密度较小地区补充陆地移动系统的覆盖，因而两种系统的综合是不可避免的。因此需要综合协调。多种终端集成：终端移动性和个人移动性是第三代无线通信系统的目标。第二代和第三代系统可能工作于不同频段或不同多址模式与不同的数据格式。因此需要采用软件无线电技术的多模多频手机。多种业务的综合-向无线宽带业务发展：第三代系统可支持的速率为：室内静止2Mb/s；步行移动384kb/s；车速移动144kb/s；卫星移动9.6kb/s。,ITU-RM.1036建议给出了IMT-2000频带使用原则，如表7-1所示。表7-1ITU-R建议的IMT-2000频带使用原则,IMT-2000要求能够实现频率资源动态分配，频率资源来源于一个动态频率库。在WARC-92会议，ITU会员一致同意IMT-2000的频段为2GHz，即1885MHz2025MHz和2110MHz2200MHz，其中1980MHz2010MHz和2170MHz2200MHz用于移动卫星业务（MSS）。,IMT-2000的核心频段,1850,1900,1950,2000,2050,2100,2150,2200,2250,ITU,欧洲,美国,MSS,PCS,A,D,B,TDD,B,C,D,C,E,F,A,F,E,MSS,保留,2165MHz,1850,1900,1950,2000,2050,2100,2150,2200,2250,1880,1980,TDD,FDD,DECT,MSS,1885,2025,2010,TDD,TDD,FDD,MSS,FDD,日本,MSS,FDD,MSS,FDD,PHS,2170,FDD,2110,2170,MSS,MSS,保留,保留,保留,FDDWLL,FDDWLL,中国,MSS,1920,1980,TDD,TDDWLL,1865,1880,1895,1900,1920,1945,1960,1980,1918,1980,2010,2025,1920,2010,2025,2110,2170,2170,2110,2110,蜂窝,蜂窝,保留,60MHz,60MHz,15MHz,FDD(上行),TDD,TDD,扩展(下行),100MHz,TDD补充,2400,2300,ISM,2483,5,ISM频段(WLAN,oven,bluetooth)83,5MHz,2500,ITUIMT-2000扩展频段,2690,190MHz,卫星,FDD(下行),中国的3G频率规划,1900,1920,1980,2010,2025,2110,2170,1880,1805,1755,30MHz,30MHz,1850,FDD补充,FDD补充,40MHz,现800/900/1800MHz2G频段均为扩展工作频段,PHS,当前中国2G/3G移动通信的频谱分配,CMCCDCS1800,GuardBand,TDDTD-SCDMA,DCS1800未发放,CDMAPCS,联通DCS1800,DCS1800未发放,联通DCS1800,中移动DCS1800,SCDMA,CDMAPCS(空),DCS1800Rx1710-1785,DCS1800Tx18051880,中国电信CDMAWLL,PCS1900Rx1850-1910,CDMAPCS(空),PCS1900Tx1930-1990,ITUIMT-2000Rx1920-1980,中移动DCS1800,ITUMSS1980-2010,PHS,中国电信CDMAWLL,7.2软件无线电技术,“软件无线电”能够提供远胜于传统无线电的灵活性和可编程性。在软件无线电中，过去许多由专门的硬件设备来完成的功能，如信道滤波、中频转换以及基带处理等，现在都可通过软件可编程的通用器件来实现。在IMT-2000中，随着标准和服务的进化和增加，应用软件无线电的基站或用户设备可以在不对主要器件进行改变或更换的情况下，迅速地通过软件来升级，以适应新的标准和提供新的业务。,在基站的应用中，软件无线电基站与传统的基站有许多不同的特点。其中一个主要特点是应用软件无线电的基站，其收发信机都需要一个宽带的RF/IF前端机，保证在整个用户有效带宽中进行数字化的处理工作。在用户终端中，目前由于受到价格、尺寸和功耗的限制，软件无线电技术还没完全应用到其中，现在大都是固定编程，可以有一种或两种操作模式。随着IMT-2000的发展，用户终端需要能够适应不同的业务、不同的标准，这也将推进用户终端向完全可编程的方向发展。当用户全球漫游时，进入不同网络或具有不同的业务需求，只要有与网络相匹配的无线传输技术（RTT），就可以从网络快速下载相应软件以支持终端的可操作性。,1998年6月30日为ITU规定的提交RTT建议的最后期限，共有10个组织向ITU提交了候选RTT方案，如表7-3所示。,表7-3正式向ITU提交的候选RTT方案,7.3无线传输技术（RTT）,区域性标准化组织于1998年向ITU-R提交了几份能满足第三代移动无线通信系统要求的IMT-2000/UMTS无线接口建议。由于这些建议由不同的标准化组织提出，所以与全球漫游要求有关的无线参数和协议栈的解决方案各不相同。为此，主要的国际网络运营商于1998年10月按ITU-R进程框架在运营商协调组（OHG）内开展了一次协调工作，以推进基于CDMA的IMT-2000无线接口的协调进程。基于TDMA的建议在OHG的工作中没有加以考虑。OHG与一些主要的国际制造商进行了合作。这些制造商于1999年5月底在多伦多召开的最后一次会议上就协调无线接口全球第三代（G3G）取得了一致的意见，这些意见提交了ITU-R并受到ITU的欢迎。,OHG开展这项标准化工作的主要目标是：（1）制订一项惟一一体化的基于CDMA的第三代规范，其基础是正由3GPP和3GPP2制订的WCDMA和CDMA2000建议；（2）建立一个由直接序列（DS）、多载波（MC）和TDD三种模式组成的G3G系统，它能满足不同地区的运营商对向后兼容有不同需求的需要；（3）确保话音和高速非话音业务的广泛有效性；（4）使用户能够随其业务跨地区、跨国家和跨系统漫游；（5）支持从现有的基础结构向平稳而协调一致的发展道路过渡；（6）扩大系统开发和应用的市场和经济规模。,IMT-2000无线接口标准,CDMATDMA,IMT-DSWCDMA,IMT-MCcdma2000,IMT-TCTD-CDMATD-SCDMA,IMT-SCUWC-136,IMT-FTDECT,FDD,TDD,IMT-2000无线接口标准,ITU制定5大标准的主要原因：第二代核心网的不同；无线接口的兼容性问题；频谱分配作用；知识产权问题；竞争也是一个主要因素。通过融合，目前形成三种主流技术标准：WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA3GPP发展WCDMA、CDMATDD和EDGE3GPP2发展cdma2000的技术规范,3G的演进策略,总体上讲都是渐进的。现有技术技术趋势IS-95GSMAMPSGSM,GPRS,CDMA2000,WCDMA,TD-SCDMA,UWC-136,3GPP2,3GPP,3G主流制式划分,WCDMA,核心网络：基于MAP和GPRS,无线传输技术：WCDMAFDD/TDD,cdma2000,核心网络：基于ANSI41和MIP,无线传输技术：cdma2000,EDGE,TD-SCDMA,PS域,CS域,UTRAN,业务网,3G网络结构,UTRAN(UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork)是一种全新的接入网，是UMTS最重要的一种接入方式，适用范围最广。定义UTRAN结构的基本原则：信令网和数据传输网在逻辑上分开早在90年代初期，欧洲电信标准协会(ETSI)就开始为3G标准征求技术方案。并雄心勃勃的把3G技术统称之为UMTS(UniversalMobileTelecommunicationsSystem),WCDMA网络-R99,Gb,RNC,RNC,NodeB,NodeB,Iub,Iub,Iur,IuPS,IuCS,BSS,MSC/VLR,GMSC,PSTN,HLR/AUC,A,SGSN,GGSN,Internet,Gn,核心网电路域,ANSI-41,核心网分组域,MIP,无线部分,PDSN/FA,BSC,PCF,HA,IP,AAA,VLR,MSC/,SSP,HLR/AC,PSTN/,ISDN,BTS,BSC,BTS,PCF,BTS,cdma2000网络,A10、A11,A8、A9,A1、A2,A3、A7,IS-95,TD-SCDMA网络,Phase1-TD-SCDMA接入到GSM核心网无线接口物理层采用TD-SCDMA，层二、层三与GSM接近（主要无线资源控制不同）以A、Gb接口接入到GSM/GPRS核心网络Phase2-TD-SCDMA接入到R4核心网无线接口物理层采用TD-SCDMA,层二、层三与WCDMA的结构类似（主要无线资源控制不同）以Iu接口接入到R4核心网,三种主流标准的方案性能比较（1）CDMA技术的利用程度。TD-CDMA在充分利用CDMA方面较差。原因是：一方面，TD-CDMA要和GSM兼容：另一方面，由于不能充分利用多径，降低了系统的效率，而且软切换和软容量能力实现起来相对较困难。但联合检测容易。,（2）同步方式、功率控制和支持高速能力：目前的IS-95采用64位的Walsh正交扩频码序列，反向链路采用非相关接收方式，成为限制容量的主要问题，所以在第三代系统中反向链路普遍采用相关接收方式。W-CDMA采用内插导频符号辅助相关接收技术，两者性能还难以比较。cdmaone需要GPS精确定时同步；而W-CDMA和TD-CDMA则不需要小区之间的同步。另外，TD-CDMA继承了GSM900DCS1800正反向信道同步的特点，从而克服了反向信道的容量瓶颈效应。而同步意味着帧反向信道均可使用正交码，从而克服了远近效应，降低了对功率控制的要求。TD-CDMA采用了消除对数正态衰落的功率控制，抗衰落的能力较强，能支持较快移动的通信，这在现代通信中是至关重要的。在多速率复用传输时，W-CDMA实现较为容易。而TD-SCDMA采用的是每个时隙内的多路传输和时分复用。为达到2Mbit/s的峰值速率须采用16进制的QAM调制方式，当动态的传输速率要求较高时需要较高的发射功率，又因为和GSM兼容，所以无法充分利用资源。,（3）在频谱利用率方面，TD-SCDMA具有明显的优势，被认为是目前频谱利用率最高的技术。其原因一方面是TDD方式能够更好地利用频率资源，另一方面在于，TD-SCDMA的设计目标是要做到设计的所有码道都能同时工作，而在这方面，目前W-CDMA系统256个扩频信道中只有60个可以同时工作。此外，不对称的移动因特网将是IMT-2000的主要业务。TD-SCDMA因为能很好地支持不对称业务，而成为最适合移动因特网业务的技术，也被认为是TD-SCDMA的一个重要优势，而FDD系统在支持不对称业务时，频谱利用率会降低，并且目前尚未找到更为理想的解决方案。,（4）TD-SCDMA技术在许多方面非常符合移动通信未来的发展方向。智能天线技术、软件无线电技术、下行高速包交换数据传输技术等将是未来移动通信系统中普遍采用的技术。显然，这些技术都已经不同程度地在TD-SCDMA系统中得到应用，而且TD-SCDMA也是目前唯一明确将智能天线和高速数字调制技术设计在标准中的3G系统。,（5）市场前景：目前，在已公布的3G合同中，W-CDMA占有绝大多数的市场份额。据英国著名的移动市场研究机构EMC公司预测，到2005年，全球80%的移动通信网络将由GSM+GPRS+W-CDMA构成。在三个主要3G标准中，参与W-CDMA标准的企业最多，包括了大多数世界著名的移动通信设备厂商，如Ericsson、Nokia、Semens、Alcatel、Motorola、Nortel以及Samsung、NTTDoCoMo、Fujitsu等。cdma2000的技术最为成熟，从商用的系统来看，cdma2000的势头比较好。TD-SCDMA在许多方面非常符合移动通信未来的发展方向，但成功与否最终体现在市场上。,W-CDMA、cdma2000和TD-SCDMA这三种第三代候选标准的比较见表7-4。表7-4三种第三代候选标准比较,续表7-4,7.4我国第三代移动通信的发展,7.4.1研究进展（1）ITU的研究进展IMT-2000是国际电联提出的第三代移动通信系统，其无线传输技术的标准化工作主要由ITU-R完成，而ITU-T负责网络部分。ITU-R于1997年7月发出征集无线传输技术的通函，通函中规定了候选RTT方案的一般要求和目标，要求各国与1998年6月底前提交候选RTT方案（到6月30日前，共有10个组织向ITU提交了十几个候选RTT方案）。1999年11月在芬兰召开的ITU第18次会议上正式确定了ITM-2000的三种主流标准：我国推出的、美国Lucent、Motorola和Qualcomm等公司提出的cdma2000、欧洲Ericsson等公司倡导的。这三种标准均采用CDMA技术。,（2）欧洲的研究进展欧洲受第二代移动通信系统GSM在全球成功应用的鼓舞，在1987年就提出了通用移动通信系统（UMTS）的概念。欧洲电信标准化协会（ETSI）的SMG2负责欧洲IMT-2000/UMTS的标准化进程。欧洲前后共提出以下5种UMTS/IMT-2000RTT方案：W-CDMA，OFDMA（正交频分多址接入），TDMA，TDMA和CDMA相结合的混合方案TD-CDMA，ODMA（时机驱动多址接入）其中比较有影响的有W-CDMA（FDD）和TD-CDMA（TDD）方案。前者主要由Ericsson公司提出，后者主要由Semens公司提出，受到Alcatel、Motorola等公司的支持。两个方案内部出现重大分歧，经多方协商和投票结果，各方达成妥协，形成了一种能同时兼顾W-CDMA和TD-CDMA两种技术的解决方案，称为UTRA。UTRA概念里具有FDD和TDD不同结构方案的目的是要分别提供适合于FDD和TDD的最佳方案。,（3）美国的研究进展美国负责IMT-2000研究的组织有两个，一个是美国国家标准化协会（ANSI）下的T1P1组，另一个是电信工业协会（TIA）和电子工业协会（EIA）。这两个组织都在研究自己的RTT方案，比较有影响的是W-CDMAOne（后更名为cdma2000），由Lucent、Motorola、Nortel和Qualcomm以及后来加入的韩国Samsung一起提出，并且TIA已将这种方案制定成窄带CDMAIS-95的补充标准。对于第三代移动通信系统何时正式商用,美国没有一个统一的目标。在第三代问题上,美国运营商和制造商的态度截然不同。美国的第三代频段大部分已被拍卖给PCS，PCS在网络和业务能力上已对目前900MHz频段上的蜂窝系统有了一定程度的提升，因此，运营商对向第三代系统过渡的需求并不急迫；而制造商们则不一样，为了保持技术领先地位，他们非常积极地参与到国外的第三代系统试验中。,（4）日本的研究进展日本的第三代无线传输技术标准化工作主要由ARIB负责，日本鉴于第一代模拟系统、第二代数字PDC系统只占领国内市场的教训，决心在第三代系统的标准制定、开发及研制上走在世界前列，并和其它国际组织合作，共同打开国际市场。另外，日本目前的移动通信频谱资源已无法应付其移动用户的迅猛增长，同时，也考虑到通过第三代系统提供的多媒体业务会刺激用户的需求，因此，日本对第三代移动通信系统的研制与标准化工作非常积极，曾先后制定出6种RTT方案，经过层层筛选和合并，形成了目前的以NTTDoCoMo公司为主提出的W-CDMA方案。,（5）韩国的研究进展在韩国，电信技术协会（TTA）采纳了一种“双轨”方式来开发第三代CDMA技术。他们开发的TTA1和TTA2空中接口建议（后来分别改名为全球CDMA1和全球CDMA2）分别基于同步和异步宽带CDMA技术。TTA1WCDMA类似于ETSI、ARIB和T1P1中的WCDMA技术；TTA2则类似于TR45.5中的CDMA2000。,（6）我国的研究进展上世纪90年代中期，我国电信技术科学研究院（CATT）就自主开发了达到国际领先水平的同步CDMA（S-CDMA）无线本地环接入技术，并在此技术的基础上发展TD-SCDMA。当时欧洲的Semens公司也在从事TDD方式的CDMA技术的研究，由于其与TD-SCDMA具有诸多共同点，后来两家提出合作并弥补了相互的技术不足，最终形成了现在的TD-SCDMA。该方案将当今国际领先技术智能天线、同步CDMA（S-CDMA）和软件无线电等技术融于其中，具有频谱利用率较高、成本较低、灵活性较大等特点，具有很大的竞争力。1999年11月在芬兰召开的ITU第18次会议上中国提出的TD-SCDMA技术正式作为IMT-2000的三种主流标准之一。这是我国移动通信发展史上一个重要的里程碑，标志着我国第一次提出了自己移动通信标准，并通过自己的努力和国际合作，成为IMT-2000标准的一员，在第三代通信领域中拥有了自己的知识产权。,我国发展3G的有利条件我国发展3G有以下5点有利条件：（1）大中城市频率资源逐渐短缺，要求3G来扩容。（2）对高速移动数据业务、多媒体业务的要求逐年增加。（3）对第二代GSM网络已积累了运营的管理经验。（4）通过引进国外技术、技术合作以及近十年的研究开发，已对移动通信各类关键技术有所认识、有所掌握、有所创新。交换机及移动台开发及生产能力有明显提高。（5）政府及企业界非常重视。,7.4.2我国3G的发展,2008年以前，中国仅有的两个移