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1、移动通信结课报告移动通信结课报告系系 别别: 电子信息工程学院电子信息工程学院 班班 级级: 1010 电子信息技术与应用电子信息技术与应用姓姓 名:名: 陈海祥陈海祥 学学 号:号: 101202060130 指导老师:指导老师: 赵金龙赵金龙 日日 期:期: 2012 年年 5 月月 19 日日 移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 1 / 31 目录目录第一章第一章 第第 2 代移动通信系统代移动通信系统.21.1 2G 移动通信简介及起源.21.2 GSM 移动通信系统结构.31.2.1、网络交换子系统(NSS)的组成及功能.31.2.2、基站子系统(BSS)的组成及功能.41.2.
2、3、GSM特点.41.3 窄带 CDMA 系统结构.51.3.1 CDMA系统的特点.5第二章第二章 第三代移动通信系统第三代移动通信系统 3G.62.1 3G 移动通信系统的简介及起源.62.2、3G 通信系统的组成 .72.2.1 系统各组成部分的作用.72.2.2 系统各部分的标准接口.82.3 3G 的频段划分.82.4 实现 3G 的关键技术.82.5、WCDMA 移动通信技术.92.5.1 WCDMA移动通信技术的特点.92.5.2 WCDMA系统空中接口.92.5.3 WCDMA系统无线接口Uu的协议结构.122.6 CDMA2000 移动通信系统.142.6.1 CDMA200
3、0系统结构.142.6.2. CDMA2000移动通信系统的关键技术.162.7 TD-SCDMA 移动通信系统.182.7.1 TD-SCDMA系统的结构.182.7.2 TD-SCDMA主要特点及关键技术.19第三章第三章 软件实现软件实现 M 序列序列 .213.1 M序列原理:.213.2 流程:.223.3 程序代码:.223.4 运行结果:.26第四章第四章 卷积编码器卷积编码器.264.1 线性离散卷积原理.264.2 流程图.274.3 程序代码:.274.4 运行结果:.29第五章第五章 总结总结 .29参考文献:.30移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 2 / 31第一
4、章第一章 第第 2 代移动通信系统代移动通信系统1.1 2G 移动通信简介及起源移动通信简介及起源第二代移动通信比较典型的有两种:一种 是 Global System for Mobile Communication“全球移动通信系统 ”简称 GSM。它是一种数字移动通信,较之以往的模拟移动通信,有较多的优点。 1991 年 GSM 系统正式在欧洲问世,1992 年 世界上第一个 GSM 网在芬兰投入使用。从此,移动通信跨入了第二代。而另一种是由美国高通公司提出的窄带CDMA 码分多址的数字蜂窝通信系统。码分多址采用扩频通信技术,大幅度的增加信道带宽,具有高容量、抗干扰、抗衰落、保密性好等优点
5、。 1993 年由电信工业协会将 IS-95定为 CDMA 数字蜂窝移动通信系统的技术标准, 1995 年进入商用市场,并迅速覆盖美、日、韩、欧洲以及南美洲等主要的技术市场。2002 年中国联通“新时空”CDMA 网络的开通首次开启了我国的 CDMA 市场。 图 1-1 GSM 移动通信系统组成移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 3 / 31 图 1-2 CDMA 移动通信系统组成1.2 GSM 移动通信系统结构移动通信系统结构GSM 系统(图 1-1)主要由网络交换子系统(Network Switching Subsystem NSS) ;基站子系统(Base Station Subsy
6、stem BSS) ;网络管理子系统(Network Management Subsystem NMS) ,网络管理子系统(NMS)又叫操作与维护中心(OMC-Operation & Maintenance Center)四部分组成。 网络子系统 NSS 是整个系统的核心。它对移动用户之间及移动用户与其它通信网用户之间通信起着交换连接与管理的功能。基站子系统 BSS 是系统中与无线蜂窝方面关系最直接的基本组成部分,它通过无线接口直接与移动台相连负责无线信息的发送接收,无线资源管理及功率控制等,同时它与 NSS 相连实现移动用户间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接,传送系统信息和用户
7、信息等。网络管理子系统 NMS 负责 NSS 和 BSS 系统的维护管理工作。1.2.1、网络交换子系统(、网络交换子系统(NSS)的组成及功能)的组成及功能TMSC TMSC 即 Transit MSC,是专门用于转接话务的移动交换中心。 GMSC GMSC 即 Gateway MSC,又称移动关口交换中心,主要用于和其它电信运营商设备的互联互通(包括移动运营商内部用于不同业务的互相连接) 。 移动交换中心 MSC MSC 是整个交换网络的核心,完成或参与网络子系统 NSS 的全部功能。对呼叫进行控制与接续,提供计费信息并协调与控制整个 GSM 网络中的各个功能移动通信技术 10 电信 陈海
8、祥CHX 4 / 31实体。 拜访位置寄存器 VLR VLR 是服务于其控制区域内移动用户的数据库。系统存储着进入其控制区域内已登记的移动用户相关信息,为已登记的移动用户提供建立呼叫接续的必要条件。当某用户进入 VLR 控制区后,此 VLR 将向该移动用户的归属位置寄存器 HLR 获取并存储必要数据,而一旦此用户离开后则取消 VLR 中此用户的数据。VLR 通常与 MSC 合设在一起。 归属位置寄存器 HLR HLR 是一个存储移动用户数据的静态数据库。包括用户识别号码,访问能力,用户类别和补充业务等数据。同时也存储移动用户所在 VLR 区域的有关动态数据。 鉴权中心 AUC AUC 存储着鉴
9、权信息和加密密钥,防止无权用户接入系统和防止无线接口数据被窃。设备识别寄存器 EIR EIR 存储着移动设备的国际移动设备识别码。IMEI 通过核查三种表格:白名单、灰名单、黑名单,使网络具有防止无权用户接入。监视故障设备的运行和保障网络运行安全的功能。1.2.2、基站子系统(、基站子系统(BSS)的组成及功能)的组成及功能基站控制器 BSC BSC 是基站子系统 BSS 的控制部分。主要完成接口管理,BTS-BSC 之间的地面信道管理,无线参数及无线资源管理测量和统计切换支持呼叫控制操作与维护等功能。 基站收发信台 BTS BTS 受控于基站控制器 BSC。属于基站子系统 BSS 的无线部分
10、,是服务于某小区的无线收发信台设备。实现 BTS 与移动台 MS 空中接口的功能,BTS 主要分为基带单元、载频单元、控制单元三部分。基带单元主要用于话音数据速率适配以及信道编解码等。载频单元主要用于调制/解调与发射机/接收机间的耦合。控制单元则用于 BTS 的操作与维护。1.2.3、GSM 特点特点特点之一,客户与设备分离(人机分开)。在 GSM 通信中,SIM 卡与移动设备之间已设置一个开放式的公共接口,这样,使用者与自己的设备之间没有互相依存的关系。在 SIM 卡中存储有持卡者的客户数据、保安数据、鉴权加密算法等,只要客户手持此卡就可以借用、租用不同厂家的移动台,得到卡内存储的各种业务的
11、服务,大大方便了客户,大大增强了 GSM 通信的移动性,也大大地增强了各生产厂家的设备的共享性。 特点之二,通信安全可靠。因为在 SIM 卡中有一个永久性的存储器,既有存储能力,又有进行计算的能力,所以它属于智能卡。当客户建立呼叫时,首先要客户输入个人身份号码(PIN),此码由 48 位数字组成,由移动台的键盘键移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 5 / 31入。若输入三次不正确的 PIN 码后,PIN 码被锁,通信终止,这是防范那些伪客户盗用通信的方法之一。若有权客户忘记了码或一时疏忽,输入三次错误,可利用 SIM 卡中存储的 09 位数字的个人解锁钥(PUK)来解锁 PIN 码,使之恢
12、复正常。但也要特别注意,若输入十次错误的 PUK,整个 SIM 卡就报废了,只有重新购置一个 SIM 卡才能再进行通信。在呼叫建立过程中 PIN 码正确时,网路开始对客户身份进行鉴权,利用存储在 SIM 卡中的 A3、A8 算法,移动台与网路把计算结果进行比较,相同鉴权成功,这又是防范盗用通信的第二道防线。鉴权成功之后,为了对客户信息保密,安全传送至被叫,则又采用了一套加解密的方法,即采用了 A5 的算法,防止了非法客户窃密。另外,在鉴权和加解密过程中的密钥(KC)和鉴权钥(K1)参数在空中接口上是不传输的,只有国际移动客户识别码(IMSI)传输一次,以后完全采用不断变化的临时移动客户识别码(
13、TMSI)来代替,因此 GSM 通信比模拟移动通信安全可靠。 特点之三,成本低。它比电话磁卡的成本低,并且质地结实耐用,易于推广。 1.3 窄带窄带 CDMA 系统结构系统结构 CDMA 数字蜂窝移动通信系统(图 1-2)的组成与 GSM 数字蜂窝移动通信系统类似,主要由网络交换子系统(Network Switching Subsystem NSS) ;基站子系统(Base Station Subsystem BSS) ;网络管理子系统(Network Management Subsystem NMS) ,网络管理子系统(NMS)又叫操作与维护中心(OMC-Operation & Ma
14、intenance Center)四部分组成。1.3.1 CDMA 系统的特点系统的特点(1)同一频率可以在所有小区重复使用,大大提高了频谱利用率。 CDMA 蜂窝通信系统的所有用户可共享一个无线信道,用户信号的区分只是所用的码型不同(2)抗干扰能力强,误码率低。 由于 CDMA 系统采用扩频技术,在空间传输时所占有的带宽相对较宽,而接收端通过解扩,使有用带宽信息信号恢复成窄带信号,而把非所需信号扩展成宽带信号,然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。(3)抗多径干扰性能好。 由于扩频后的信号是宽带的,它能起到频率分解分集的作用,它比窄带信号具有更强的扩频选择性衰落的特征。(4)具有保密性。 由于
15、码分多址的码是采用为随机码,这样就给信号带上了伪装,如果对方不知道所用的码,是很难破解的。即便知道码,窃听者也必须非常靠近移动台才能收到信号。因此,要破解密码或者窃听通话内容是非常困难的。(5)系统容量大,且具有软容量特性。 由于 CDMA 采用码分多址方式,在相同的频率资源下,CDMA 蜂窝移动网容量移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 6 / 31是 GSM 网容量的 45 倍,是 FDMA 系统的 20 倍。(6)具有软切换特性。 在其他蜂窝通信系统中,当用户越区切换而找不到空闲频道或时隙时,通信必然中断。CDMA 软容量特性使系统可以支持越区切换的用户。越区切换时,只需改变码型,用不
16、着切换频率,相对而言,切换的控制和操作比较简单。在切换中采用“先通后断”方式,即切换初期,移动太与新、老基站同时保持链路,只有当切换成功后才断开与老基站的链路。 (以上文字由海祥搜集排版)第二章第二章 第三代移动通信系统第三代移动通信系统 3G2.1 3G 移动通信系统的简介及起源移动通信系统的简介及起源第三代移动通信,即国际电信联盟(ITU)定义的 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000),简称 3G,相对第一代模拟通信系统(1G)和第二代 GSM、CDMA 等通信系统(2G),3G 一般地讲是指将无线通信与国际因特网等多媒体
17、通信结合的新一代移动通信系统。第三代移动通信系统能够提供更大的通信容量和覆盖范围,具有可变的高速数据率、同时能提供高速电路交换和分组交换业务、具有更高的频谱利用率等特点。另外,3G 系统还能提供更为可靠的信道编码、灵活配置的传输信道和逻辑信道,支持多种语言编码方案,为用户提供更为灵活的接入服务;与此同时,3G 系统还继承了窄带CDMA 系统容易使用软件无线电实现、语音质量高、手机功耗小等优点。 当前,3G 存在三大主流标准:一是 WCDMA 标准,也称为“宽带码分多址接入”,支持者主要是以 GSM 系统为主的欧洲厂商;二是 CDMA2000 标准,也称为“多载波码分多址接入”,由美国高通北美公
18、司为主导提出,韩国现在成为该标准的主导者;三是 TD-SCDMA 标准,中文含义为“时分同步码分多址接入”,是我国独自制定的 3G 标准,它在频谱利用率、对业务的支持、频率灵活性及成本等方面都具有独特的优势,全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持 TD-SCDMA 标准。在中国这几年通信技术进入了空前的高速发展,并且在保证了 2G 通信系统的存在的同时,大力发展和实现 3G 的应用,在许多地方开通了 3G 的业务并且得到了很好的评价,相信在最近的几年里,3G 会完全进入到我们的生活,给我们带来本质的通信变化和发展。移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 7 / 31种信息服务,同时也要考虑与已有
19、第二代系统的良好兼容性。图 2-1 3G 移动通信系统组成2.2、3G 通信系统的组成通信系统的组成IMT- 2000 系统的组成,I MT- 2000 系统构成如(图 2-1)所示 它主要由三个功能子系统构成。即核心网 CN 、无线接入网 RAN 、移动台 MS 组成。分别对应于 GSM 系统的交换子系统 NSS 、 基站子系统 BSS 移动台 MS 和 SI M 卡。无限接入网(RAN)提供灵活的无线接入功能,核心网(CN)提供一致的网络传输功能。2.2.1 系统各组成部分的作用系统各组成部分的作用(1)移动台移动台有包括移动终端(MT)与用户识别卡(UIM)分别对应 GSM 系统的移动中
20、端(ME)与 SIM 卡。(2)无线接入网(RAM)它相当于 GSM 系统的网络子系统(BBS),主要完成用户接入的全部功能,包括所有空中接口的功能。(3)核心网(CN) )它相当于 GSM 系统的网络子系统(NSS) ,由用来传输话音的电路交换子网络(CS)和用来传输数据的分组交换子网络(PS)两部分构成。移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 8 / 312.2.2 系统各部分的标准接口系统各部分的标准接口(1)网络与网络接口(NMI) ,指的是 IMT-2000 的核心网(CN)与其他 IMT-2000 的核心网(CN)之间的接口,是保证互通和漫游的关键接口。(2)无线接入网(RAN)与
21、核心网(CN)之间的接口(RAN-CN) ,对应于 GSM系统的 A 接口。(3)移动台与无线接入网之间的接口(UNI)(4)用户识别模块(UIM)和移动台(MT)之间的接口(UIM-MT) 。图 2-2 IMT-2000 功能模型及接口2.3 3G 的频段划分的频段划分 1992 年世界无线电行政大会(WARC)根据 ITU 对于 IMT-2000 的业务量和所需的频谱的估计,划分了 230MHz 带宽给 IMT-2000.18852025MHz 及21102200MHZ 频带为全球基础上可用于 IMT-2000 的业务;19802010MHz 和21702200MHz 为卫星移动业务频段。
22、共分 60MHz;其余 170MHz 为陆地移动业务频段,其中对频段是 2*60MHz,不对称的频段是 50MHz。2.4 实现实现 3G 的关键技术的关键技术1. 初始同步与 Rake 多径分集接收技术CDMA 通信系统接收机的初始同步包括 PN 码同步,符号同步、帧同步和扰码同步等。CDMA2000 系统采用与 IS-95 系统相类似的初始同步技术,即通过对导频信道的捕获建立 PN 码同步和符号同步,通过同步信道的接收建立帧同步和扰码同步。WCDMA 系统的初始同步则需要通过“三步捕获法”进行,即通过对基本同步信道的捕获建立 PN 码同步和符号同步,通过对辅助同步信道的不同扩频码的非相干接
23、收,确定扰码组号等,最后通过对可能的扰码进行穷举搜索,建立扰码同步。2. 高效信道编译码技术移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 9 / 31第三代移动通信的另外一项核心技术是信道编译码技术。在第三代移动通信系统主要提案中(包括 WCDMA 和 CDMA2000 等),除采用与 IS-95 CDMA系统相类似的卷积编码技术和交织技术之外,还建议采用 Turbo 编码技术及RS-卷积级联码技术。3. 智能天线技术从本质上来说,智能天线技术是雷达系统自适应天线阵在通信系统中的新应用。由于其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。4. 多用户检测技术在传统的 CDMA 接收机中,各
24、个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下,由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交,因而造成多个用户之间的相互干扰,并限制系统容量的提高。解决此问题的一个有效方法是使用多用户检测技术,通过测量各个用户扩频码之间的非正交性,用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。2.5、WCDMA 移动通信技术移动通信技术2.5.1 WCDMA 移动通信技术的特点移动通信技术的特点(1)调制方式:上行为 HPSK,下行为 QPSK;(2)解调方式:导频辅助的相干解调;(3)接入方式:DS-CDMA 方式;(4)三种编码方式:在话音信道采用卷积码(R=1/3,K=9)进行内部编码和 Viter
25、bi 译码;在数据信道上采用 ReedSolomon 编码;在控制信道采用卷积码(R=1/2,K=9)进行内部编码和 Viterbi 译码;(5)适应多种速率的传输,可灵活地提供多种业务,并根据不同的业务质量和业务速率分配不同的资源。同时对多速率、多媒体的业务,可通过改变扩频比(对于低速率的 32kbit/s,64 kbit/s,128 kbit/s 的业务)和多码并行传送(对于高于 128 kbit/s 的业务)的方式来实现;(6)上下行快速、高效的功率控制大大减少了系统的多址干扰,提高系统的容量,同时也降低了传输的功率;(7)核心网基于 GSM/GPRS 网络的演进,并保持与 GSM/GP
26、RS 网络的兼容性;(8)基站之间无需同步。因为基站可以收发异步的 PN 码,即基站可跟踪对方发出的 PN 码,同时移动终端也可额外的 PN 码进行捕获与跟踪,因此可获得同步,支持越区切换及宏分集,而在基站之间不必进行同步;(9)支持软切换和更软切换,切换方式包括三种,即:扇区间软切换、小区间软切换和载频间的硬切换。2.5.2 WCDMA 系统空中接口系统空中接口1. WCDMA 的主要参数移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 10 / 31WCDMA 是一个宽带直扩码分多址(DS-CDMA)系统,为了支持很高的比特速率(最高可达 2Mbit/s),采用可变扩频因子和多码连接。WCDMA 支
27、持各种可变的用户数据速率,既可以很好地支持带宽需要,WCDMA 主要参数表 2-1。表表 2-1 WCDMA 主要参数主要参数多址接入方式多址接入方式DS-CDMADS-CDMA 双工方式 FDD/TDD 基站同步 异步方式 码片速率 3.84Mchip/s 帧长 10ns 业务复用 有不同的服务质量要求的业务复用在一个连接 多速率 可变的扩频因子和多码 检测 使用导频符号或公共导频进行相关检测 接收机理念 标准支持多用户检测和智能天线,应用时可选2. WCDMA 的信道MAC 层通过逻辑信道给 RLC 层提供服务,逻辑信道用来描述传输的类型是什么。物理层通过传输信道向 MAC 层提供服务,传
28、输信道用来描述怎样的传输数据以及数据的特征是什么,物理层之间通过物理信道进行对等实体之间的通信。下面介绍逻辑信道、传输信道和物理信道的分类和功能。(1)逻辑信道(2)传输信道(3)物理信道3. 扩频与调制WCDMA 的扩频编码分为信道化编码和扰码两个过程,如图 2-3 所示。图 2-3 扩频与加扰(1)信道化编码信道化编码用于区分来自同一信源的传输,即区分一个扇区内的下行链路连接,以及来自某一终端的所有上行链路专用物理信道。WCDMA 在信道化编码过程中采用可变码速的正交扩频序列(OVSF)码进行序列扩频,OVSF 码的长度决定了信息的扩频增益,在传递码片的速率固定(对 WCDMA 为 3.8
29、4Mchip/s)移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 11 / 31的情况下,OVSF 码越短,传递信息的速率就越高,信道化编码过程与 CDMA2000系统的扩频编码过程相同。(2)扰码加扰的目的是为了将不同的终端或基站区分开来。加扰在扩频之后,它不会改变信号的带宽,而只是用来区分来自不同信源的信号,即使多个发射机使用相同码字扩频也不会出现问题。如图 2-4 所示,在扰码过程之前,经过信道化编码,需要传送的信息已经别被扩频,以需要的码片速率进行传送,所以在扰码过程中不再改变信号的带宽和扩频增益。图 2-4 信道化编码和加扰过程 WCDMA 有个非常重要的特征就是无需 GPS,其原因就是 W
30、CDMA 是通过正交的扰码来区分扇区和用户,不同于 CDMA2000 系统采用 PN 码的不同偏置相位区分扇区和用户,所以不需要基站之间的严格同步,WCDMA 基站也不需要 GPS,这使得基站的选址和安装更加方便,可以实现分层组网等更加灵活的组网方式,而且 WCDMA 不需要进行 PN 偏置规划,取而代之的是扰码规划。表表 2-2 信道化编码和扰码的功能与特征信道化编码和扰码的功能与特征 信道化编码信道化编码 扰码扰码用途上行链路:区分同一终端的物理数据信道和控制信道下行链路:区分同一小区中不同用户的下行链路连接上行链路:区分终端下行链路:区分扇区(小区)长度4 个码片-256 个码片(1.0
31、s-66.7s)下行链路还包括 512 个码片上行链路:(1)10ms=38400chip (2)66.7s=256 个码片下行链路:10ms=38400chip 码字数目一个扰码下的码字数=扩频因子上行链路:几百万下行链路:512移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 12 / 31码族正交可变扩频因子长码(10ms):Gold短码:扩展的 S(2)码族2.5.3 WCDMA 系统无线接口系统无线接口 Uu 的协议结构的协议结构1.系统结构概述UMTS 系统由三个部分构成,即 CN(核心网)、UTRAN(无线接入网)和UE(用户装置)组成,此外核心网还可以与外部通信,以提供更丰富的业务,如许
32、多基于 Internet 的业务。CN 与 UTRAN 的接口定义为 Iu 接口,UTRAN 与 UE的接口定义为 Uu 接口,如图 2-5 所示 图 2-5 UMTS 系统结构 (1)核心网(CN)核心网(Core Network ,CN)负责处理 WCDMA 系统内语音呼叫(call)、数据会话(session)以及与外部网络的交换和路由。(2)用户设备(UE)用户设备(User Equipment, UE)主要包括基带处理单元、射频单元、协议栈模块以及应用层软件模块,其物理实体包括移动设备(Mobile Equipment, ME)和 UMTS 用户识别模块(UMTS Subscribe
33、r Identity Module, USIM)两部分。移动设备(ME)是进行无线通信的无线终端,用户识别模块(USIM)是一张智能卡,记载用户标识、执行鉴权算法、存储鉴权、密钥及终端所需的一些预约信息。用户设备(UE)为用户提供电路域和分组域的各种业务功能,包括语音、短信、移动数据业务。WCDMA 终端和双模终端更可以提供宽带语音和高速的数据通信。(3)无线接入网(UTRAN)无线接入网连接到移动用户设备和核心网,实现无线接入和无线资源管理。由于采用了 UMTS 的陆地无线接入网络技术,所以又称为 UMTS 陆地无线接入网络(UMTS Terrestrial Radio Access Net
34、work, UTRAN)。UTRAN 包括许多通过 Iu 接口连接到 CN 的 RNS。一个 RES 包括一个 RNC和一个或多个 Node B。Node B 通过 Iub 接口连接到 RNC 上,它支持 FDD 模式与 TDD 模式或者双模式。Node B 包括一个或多个小区。移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 13 / 31在 UTRAN 结构中, Iu、Iur、Iub 接口分别为 CN 与 RNC、RNC 与RNC、RNC 与 Node B 之间的接口。UTRAN 结构如图 2-6 所示。图 2-6 UTRAN 结构2.WCDMA 的开放接口WCDMA 主要的开放接口包括:Cu 接口
35、、Uu 接口、Iu 接口、Iur 接口和 Iub接口。 (1)Cu 接口 Cu 接口是 USIM 智能卡和 ME 间的电气接口,它遵循智能卡的标准格式。 (2)Uu 接口 Uu(UE-UTRAN)接口被称为 WCDMA 的空中接口,是指用户设备(UE)和UMTS 地面无线接入网(UTRAN)之间的接口,通常也被称为无线接口。无线接口使用无线传输技术(RTT)将用户设备接入到系统固定网络部分。(3)Iu 接口Iu(UTRAN-CN)接口连接 UTRAN 和 CN,它是一个开放接口,将系统分成专用于无线通信的 UTRAN 和负责处理交换、寻找路由和业务控制的 CN 两部分。Iu可以有两种主要的不同
36、实体,它们分别是用于将 UTRAN 连接至电路交换(CS)CN 的 Iu CS(Iu Circuit Switched)和连接至分组交换(PS)CN 的 Iu PS(Iu Packet Switched)。还有一种 Iu 实体称为 Iu BC,连接 UTRAN 和核心网的广播域,用于支持小区广播业务。这样相应的传输网络控制平台也就不同。但设计指导的一个主要原则仍然是:用于 Iu CS 和 Iu PS 的控制平面应尽量相同,它们之间的差别应该很小。(4)Iur 接口尽管 Iur(RNC-RNC)接口最初设计是为了支持 RNC 之间的软切换,但随着标准的发展,更多的特性被加了进来,目前 Iur 接
37、口可以提供如下 4 种功能:支持基本的 RNC 之间的移动性;支持专用信道业务;支持公共信道业务;支持全局资源管理。一般来说,根据运营商的需要,在两个无线网络控制器之间可以只实现 4个 Iur 功能模块中的某些部分就可以了。(5)Iub 接口Iub(RNC-Node B)接口信令可以分成两个基本部分:公共 B 接点协议和专用 B 接点协议。公共 B 接点协议定义了经由公共信令链路的信令过程,而专用B 接点协议则应用于专用信令链路中。移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 14 / 312.6 CDMA2000 移动通信系统移动通信系统2.6.1 CDMA2000 系统结构系统结构CDMA200
38、0 系统将 IS-95 从一个话音、低速数据系统改进为一个无线多媒体系统,使之能够提供基本满足 ITM-2000 要求的容量和服务,同时优化了语音和数据业务,并能支持高速的电路和分组业务,提供平滑的后兼容(与 IS-95),其网络结构也与 IS-95 兼容。1. 概述CDMA2000 1x 的系统结构如图 2-7 所示。图中:MSC/VLR移动交换中心/拜访位置寄存器 HLR/AC归属位置寄存器/鉴权中心PDSN/FA分组数据服务节点/外地代理HA归属代理RADIUSAAA(鉴权、认证、记费)服务器BSC/PCF基站控制器/分组控制功能BTS基站收发信机OMC操作维护中心MS移动台(手机) 图
39、 2-7 CDMA2000 1x 数字移动通信系统结构CDMA2000 1x 数字移动通信系统是由若干个子系统或功能实体构成。其中基站子系统(BSS)在移动台(MS)和网络子系统(NSS)之间提供和管理传输通道,特别是包括了 MS 与 CDMA 系统的功能实体之间的无线接口管理。NSS 必须移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 15 / 31管理通信业务,保证 MS 与相关的公用通信网或与其它 MS 之间建立通信,也就是说 NSS 不直接与 MS 互通,BSS 也不直接与公用通信网互通。MS、BSS、NSS 和分组子系统组成 CDMA 系统的实体部分。操作系统(OSS)则提供运营部门一种手段
40、来控制和维护这些实体运行部分。与 IS-95 相比,核心网中的 PCF 和 PDSN 是两个新增加的模块,通过支持移动 IP 协议的 A10、A11 接口互联,可以支持分组数据业务传输。而以MSC/VLR 为核心的网络部分,支持话音和增强的电路交换型数据业务,与 IS-95一样,MSC/VLR 与 HLR/AC 之间的接口基于 ANSI-41 协议。新增节点 PCF(分组控制单元)是新增功能实体,用于转发无线子系统和PDSN 分组控制单元之间的消息。PDSN 节点为 CDMA2000 1x 接入 Internet 的接口模块。2. 基站子系统(BSS)基站子系统(BSS)是由基站收发信台(BT
41、S)和基站控制器(BSC)这两部分的功能实体构成。通过无线接口直接与移动台相接,负责无线发送接收和无线资源管理。另一方面,基站子系统(BSS)与网络子系统(NSS)中的移动业务交换中心(MSC)相连,实现移动用户之间或移动用户与固定网络用户之间的通信连接,传送系统信号和用户信息。当然,要对 BSS 部分进行操作维护管理,还要建立 BSS 与操作子系统(OSS)之间的通信连接。3. 网络子系统(NSS)网络子系统(NSS)主要包含有 CDMA 系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理、安全性管理所需的数据库功能,它对 CDMA 移动用户之间通信和CDMA 移动用户与其它通信网用户之间通信起到管理
42、作用.4. 操作子系统(OSS)操作子系统(OSS)需要完成许多任务,包括移动用户管理、移动设备管理以及网络操作和维护。移动用户管理可包括用户数据管理和呼叫计费。用户数据管理一般由 HLR来完成,HLR 是 NSS 功能实体之一。用户识别卡(UIM)的管理也认为是用户数据管理的一部分,但是,作为相对独立的用户识别卡的管理,还必须根据运营部门对 UIM 的管理要求和模式采用专门的 UIM 个人化设备来完成。呼叫计费可以由移动用户所访问的各个移动交换中心和 GMSC 分别处理,也可以采用通过HLR 或独立的计费设备来集中处理计费数据的方式。移动设备管理是由移动设备识别寄存器来完成,EIR 与 NS
43、S 的功能实体之间是通过 SS7 信令网络的接口互连,为此,EIR 也归入 NSS 的组成部分之一。网络操作与维护是完成对 CDMA 系统的 BSS 和 NSS 进行操作与维护管理任务的,完成网络操作与维护管理管理的设施称为操作与维护中心(OMC)。OMC 还应具备与高层次的电信管理网络进行通信的接口功能,以保证 CDMA 网络能与其它电信网络一起纳入先进、统一的电信管理网络中进行集中操作与维护管理。直接面向 CDMA 系统的 BSS 和 NSS 各个功能实体的操作与维护中心(OMC)归入NSS 部分。5. 主要接口CDMA 系统的主要接口是指 A 接口和 Um 接口。如图 2-8移动通信技术
44、 10 电信 陈海祥CHX 16 / 31图 2-8 CDMA 系统的主要接口A 接口定义为网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口。Um接口(空中接口)定义为移动台与基站收发信台(BTS)之间的通信接口。除了这两个接口外,其它接口如下:(1)Abis 接口用于 BTS 和 BSC 之间的连接;(2)A1 接口用于传输 MSC 和 BSC 之间的信令信息;(3)A2 接口用于传输 MSC 和 BSC 之间的话音信息;(4)A3 接口用于传输 BSC 和 SDU(交换数据单元模块)之间的用户话务(包括语音和数据)和信令;(5)A7 接口用于传输 BSC 之间的信令,支持 BSC
45、之间的软交换;(以上节点与接口与 IS-95 系统需求相同)(6)A8 接口:传输 BSC 和 PCF 之间的用户业务;(7)A9 接口:传输 BSC 和 PCF 之间的信令信息;(8)A10 接口:传输 PCF 和 PDSN 之间的用户业务;(9)A11 接口:传输 PCF 和 PDSN 之间的信令信息;(10)A10/ A11 接口是无线接入网和分组核心网之间的开放接口2.6.2. CDMA2000 移动通信系统的关键技术移动通信系统的关键技术1. 初始同步与 Rake 多径分集接收技术(1)初始同步技术CDMA2000 系统采用与 IS-95 系统类似的初始同步技术,即通过对导频信道的捕
46、获建立 PN 码同步和符号同步,通过同步信道的接收建立帧同步和扰码同步。(2)分集接收技术在 CDMA 系统中,由于信号带宽较宽,因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号,对分辨出来的多径信号分别进行加权调整,使合成之后的信号得到加强,从而可以在较大程度上降低多径衰落信道造成的负面影响。这种技术称为 Rake 多径分集接收技术。2. 高效的信道编译码技术(1)卷积和交织技术CDMA2000 上行链路和下行链路中均采用了比 IS-95 系统中码率更低的卷积编码,同时采用交织技术将突发错误分散成随机错误,两者配合使用,从而更加有效的对抗移动信道中的多径衰落。移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX
47、17 / 31(2)Turbo 编解码技术为了适应高速数据业务的需求,在第三代移动通信系统中还采用了 Turbo编码技术。Turbo 编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器,并辅之一个交织器。两个卷积编码器的输出经过并串转换以及凿孔操作后输出。3. 功率控制技术第三代移动通信系统中采用的功率控制技术可以分为三种类型:开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制。上行链路采用开环、闭环和外环功率控制相结合的技术,主要解决“远近效应”问题,保证所有的信号到达基站时都具有相同的功率;下行链路则采用闭环和外环功率控制相结合的技术,主要解决同频干扰的问题,可以使处于严重干扰区域的移动台保持较好的通信质量
48、,减少对其它移动台的干扰。4. 智能天线技术目前智能天线仅适应于基站系统中的应用,智能天线包括两个重要部分组成:一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计,并进行空间滤波,抑制其它移动台的干扰;二是对基站发送信号进行波束成形,使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台,从而降低发射功率,减少对其它移动台的干扰。智能天线技术用于 TDD 方式的 CDMA 系统是比较适合的,它能够起到较大程度上抑制多用户干扰,从而提高系统容量。应用智能天线技术的困难在于由于存在多径效应,每个天线需要一个 Rake 接收机,从而使基带处理单元复杂度明显提高。5. 多用户检测技术在传统的
49、CDMA 接收机中,各个用户的接收是相互独立进行的,在多径衰落环境下,由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交,因而造成多个用户之间的相互干扰,并限制系统容量的提高。解决该问题的一个有效的方法是使用多用户检测技术,通过测量各个用户扩频码之间的非正交性,用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。通过多用户检测技术理论上可以改善系统容量。6. CDMA2000 软切换软切换的过程中,移动台不断地搜索着激活类、候选类、临近类和剩余类各个导频的强度,并且根据强度维护各个类,当移动台靠近切换区时,移动台开始进行相关的操作。 首先,移动台在靠近切换区时,在 IS-95 中当移动台搜索到邻区导频
50、强度大于 T-ADD-s 时,立即把这个导频加入到候选类,同时向基站报告导频强度,准备接受基站的切换指示消息后开始宏分集。但是在 CDMA2000 中,当移动台搜索到邻区导频强度大于 T-ADD 时,移动台只是把这个导频加入到候选类,直到移动台认为其搜索到的强度足够大时,才开始向基站发导频报告,准备宏分集。其次,移动台准备离开切换区时,判断的门限也有很大的不同。在 IS-95 中,移动台直到原 BTS 导频的强度低于 T-DROP-s 时,才开始启动下降定时器,所以其判断的尺度比较单一。但是在 CDMA2000 中,移动台对参与宏分集的基站的导频不断地按照大小排队,然后判断最小的几个有没有达到
51、下降门限。移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 18 / 312.7 TD-SCDMA 移动通信系统移动通信系统2.7.1 TD-SCDMA 系统的结构系统的结构1. 概述一个 TD-SCDMA 帧的长度为 10ms,分成两个 5ms 子帧,每一个子帧有分成长度为 675s 的 7 个常规时隙和 3 个特殊时隙,即 DwPTS(下行导频时隙)、G(保护间隔)和 UpPTS(上行导频时隙)。TD-SCDMA 子帧结构如图 2-9 所示,每一个 5ms 的子帧由 7 个常规时隙组成。在这 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。上行链路的时隙和下行链路的时隙
52、之间由一个转换点分开,在 TD-SCDMA 系统中的每个 5ms 的子帧中,有两个转换点(UL 到 DL 和 DL 到 UL)。TD-SCDMA 所提出的帧结构考虑了对一些新技术的支持,如智能天线(波束成形)技术和上行同步技术。TD-SCDMA 子帧结构(a)DL/UL 对称分配(b)DL/UL 不对称分配图 2-9 TD-SCDMA 帧结构示意图2. 特殊时隙(1)下行导频时隙(DwPTS)每个子帧中的 DwPTS(SYNC-DL)是为下行导频和同步而设计的,由 Node B 以最大功率在全方向或在某一扇区上发射。这个时隙通常是由长为 64chip 的SYNC-DL 和 32chip 的保护
53、码间隔组成,其结构如图 2-10 所示。移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 19 / 31图 2-10 DwPTS 的突发结构SYNC-DL 是一组 PN 码集。为了方便小区测量,设计的 PN 码集用于区分相邻小区,该 PN 码集在蜂窝网络中可以重复使用。(2)上行导频时隙(UpPTS)每个子帧中的 UpPTS(SYNC-UL)是为上行导频和同步而设计的,当 UE 处于空中登记和随机接入状态时,它将首先发射 UpPTS,当得到网络应答后,发射RACH。这个时隙通常由长为 128chip 的 SYNC-UL 和 32chip 的保护周期间隔组成,其结构与图 2.7.2 所示的非常类似。SYN
54、C-UL 的内容是一组 PN 码集,设计该 PN 码是由于在接入过程中区分不同的 UE。(3)保护间隔周期(G)在 Node B 侧,由于 Tx 向 Rx 转换的保护间隔为 75s(96chip)。2.7.2 TD-SCDMA 主要特点及关键技术主要特点及关键技术TD-SCDMA 作为 TDD 模式技术,比 FDD 更适用于上下行不对称的业务环境,是多时隙 TDMA 与直扩 CDMA、同步 CDMA 技术合成的新技术。同时,作为当前世界最为先进的传输技术之一,TD-SCDMA 标准建议所采用的空中接口技术很容易同其他技术相融合,如智能天线技术、同步 CDMA 技术以及软件无线电技术。其中,智能
55、天线技术有效地利用了 TDD 上下行链路在同一频率上工作的优势,可大大增加系统容量,降低发射功率,更好地克服无线传播中遇到的多径衰落问题。良好的兼容性所带来的最大利益就是可以通过多种途径实现向 3G 的跨越,从而避免来自 FDD CDMA 技术领域内的众多专利问题。同时,TD-SCDMA 中还应用了联合检测、软件无线电、接力切换等技术,使系统的整体性能获得很大程度的提高,从而在硬件制造投资总成本控制上获得了更多优势。1. 系统码道TD-SCDMA 系统将工作于 ITU 规划的频段内,每一载波带宽为 1.6MHz,扩频后码片速率大约为 1.3542Mchip/s,预留 200KHz 作为频率合成
56、器的步长。每个射频码道包括 10 个时隙,去除保护时隙后的时隙平均长度为 478s,而每一时隙又包含了 16 个 Wa1sh 区分的码道,这些时隙和码道通过使用直接扩谱技术来共享同一射频信道。由每一时隙和码道确定的物理信道(Mux0d, Muxd, Mux0u, Muxu 和 Muxlu 等)可以作为资源单元,分配给任何一个用户。上、下行业务的保护时隙可保证手机和基站之间 20 公里的通信范围,在每一时隙单元之间,还有 8chip 的保护时隙,以防止不同时隙之间的重叠。码道经过动态分配,可以支持多达 2048kbit/s 的数据业务,但此时至少要有一个码道用于上行的接入。2. 同步码分多址技术
57、移动通信技术 10 电信 陈海祥CHX 20 / 31这是 TD-SCDMA 技术中非常重要的一种技术,采用这一技术意味着所有用户的伪随机码在到达机站是都是同步的。由于伪随机码之间的同步正交性,这一系统可以有效地消除码间干扰,扩大系统容量。就目前来看,TD-SCDMA 将来的同类系统容量至少会是其他两种 CDMA 标准的四倍。当 3G 移动终端(手机等)工作时,将接收来自基站的最强信号,进而获得接收同步,并且从公共控制物理信道中获得相关信息。接收同步建立之后,手机用户直接进行空中注册,基站通过接收注册信息、搜寻发射的功率冗余度和同步,并将功率控制和同步偏移信息放入下行公共控制物理信道进行发送。
58、在整个响应期间,手机将调整其发射功率和发射时间,以建立起初始同步。同步的维持将依靠在每一个上行时隙中的 Empty 或 Sync 2 序列(上行的接入帧除外),而只有当这一时隙某一码道分配的 Walsh 数和现行的帧号相匹配时,Sync 2 才会获得功率发射,而其他手机虽然处于同一时隙,但由于被分配了不同的 Walsh 码,它们的 Sync 2 将转入 Empty 状态,不进行任何功率发射。这一设计可以使基站以较少的干扰来接收 Sync 2 序列,以维持手机与基站的同步,而在下行帧中,同步偏移和功率控制信息被传送给手机,以进行闭环的功率控制和同步控制。3. 智能天线技术TD-SDCMA 智能天
59、线技术的测试早已完成,而在通信系统建议中也是采用这一无线技术。智能天线由一个环形的天线阵列和相应的发送接收单元组成,并由相应的算法来控制。与传统的全向天线只产生一个波束不同的是,智能天线系统可以给出多个波束赋形,而每一个波瓣对应于一个特别的手机用户,波束也可以动态地追踪用户。在接收方面,这一技术允许进行空间选择接收,这样不但增加了接收灵敏度,而且还可将来自不同位置的手机的共码道干扰降至最小,以增加网络的整体容量。智能天线采用双向波束赋形,在消除干扰的同时增大了系统的容量,并且降低了基站的发射功率要求,即便出现单个天线单元损坏的现象,系统工作也不会因此受到重大影响。4. 接力切换接力切换是基于同
60、步码分多址和智能天线结合的技术。TD-SDCMA 系统利用天线阵列和同步码分多址技术中码片周期的周密测定,可以得出用户位置,然后在手机辅助下,基站根据周围的空中传播条件和信号质量,将手机切换到信号更为优良的基站,通过这一方式,这一技术还可以对整个基站网络的容量进行动态优化分配,也可以实现不同系统之间的切换。5. 软件无线电在 TD-SDCMA 系统中,DSP(数字信号处理技术)将取代常规模式,完成众多原来通过 RF 基带模拟电路和 ASIC 实现的无线传输功能。这些功能主要包括智能 RF 波束赋形,板内 RF 校正、载波恢复以及定时调整等。6. 频谱利用率频谱利用率是 ITU 对 3G 系统的要求之一,在当前的 2
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