3G网络系统技术与应用

1、第三代移动通信网络系统第三代移动通信网络系统技术与应用基础教程技术与应用基础教程主 要 内 容移动通信概述通信技术基础CDMA移动通信基础WCDMACDMA2000TD-SCDMA一、移动通信概述v1.1 常见的移动通信系统v1.2 移动通信发展简史v1.3 3G概述v1.4 后3G技术第一章 移动通信概述1.1 常见的移动通信系统v公共陆地移动通信网络（PLMN）v无线市话系统（WUTS）v集群移动无线系统（TMRS）v卫星移动通信系统（SMCS）v无线局域局（WLAN）v无线个人域网（WPAN）第一章 移动通信概述常见的移动通信系统移动通信网络示意图移动通信网络示意图第一章 移动通信概述常

2、见的移动通信系统第四代移动通信系统（4G4G）基于OFDM？早期模拟移动通信系统（1G1G）AMPS、TACS第三代移动通信系统（3G3G）WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA数字蜂窝移动通信系统（2G2G）GSM、CDMA95A 制式由模拟到数字制式由模拟到数字 数码率由低到高数码率由低到高 漫游范围由小到大漫游范围由小到大第一章 移动通信概述移动通信发展简史1.2 移动通信发展简史v第一代第一代: 模拟技术 NMT-450: Nordic Mobile Telephone, 450MHzNMT-900: Nordic Mobile Telephone, 900MHzTACS: T

3、otal Access Communications System, 900MHzAMPS: Mobile Phone Service, 800MHz移动通信发展简史第一章 移动通信概述移动通信发展简史模拟移动通信系统（模拟移动通信系统（1G） 模拟和频分多址（FDMA） 网络覆盖范围小 漫游功能差 只能实现话音业务 保密性差 体积大、重量重 中国移动2001年12月31日 关闭模拟移动电话网电电 话话 榔榔 头头第一章 移动通信概述移动通信发展简史v第二代: 数字技术GSM: Global System for Mobile Communication, GSM-900MHz （ by fa

4、r the most successful and widely used 2G system） GSM1800或称DCS-1800 GSM-1900或称PCS-1900（北美和智利）D-AMPS: Digital AMPSCDMA(IS-95): Code-Division Multiple Access第一章 移动通信概述移动通信发展简史GSM移动通信系统（移动通信系统（2G）155M/2M 数据链路数据链路第一章 移动通信概述移动通信发展简史v2.5代代: 表示在第二代网络基础上的各种先进的升级技术HSCSD: high-speed circuit-switched data, A go

5、od choice for real-time applicationGPRS: General Packet Radio Services Especially suitable for non-real-time applicationsEDGE: Enhanced Data Rates for Global Evolution A new modulation scheme called eight-phase shift keying (8PSK)第一章 移动通信概述移动通信发展简史v3G : the Universal Mobile Telecommunications System

6、 (UMTS)WCDMA 欧洲与日本标准技术的融合，由3GPP组织制订，目前已经有四个版本，即R99、R4、R5和R6CDMA2000 美国提出，由3GPP2组织制订，版本包括Release0、ReleaseA、EV-DO和EV-DV TD-SCDMA 由大唐代表中国提出，为TDD方式的CDMA系统 1.3 3G概述第一章 移动通信概述3G概述3G3G移动通信系统移动通信系统接入网功能有所改变接入网功能有所改变能够提供更多业务能够提供更多业务第一章 移动通信概述3G概述3G3G业务丰富多彩业务丰富多彩第一章 移动通信概述3G概述v1985年 ITU TG8/1提出了3G概念FPLMTS (未来

7、公共陆地移动通信系统)v1992年 对FPLMTS的频率进行了划分v1996年 正式确认使用IMT-2000这个名称v1997年 确定了基本要求和征求RTT建议v1998年6月30日 提交无线标准建议v1998年秋 建议评估v1999年10月25日11月5日 ITU TG8/1通过了IMT-2000无线接口技术规范建议,确立了5个无线接口技术标准。v2000年10月6日 在加拿大成立IMT2000 and Beyond(4G)工作组3G3G技术发展史技术发展史第一章 移动通信概述3G概述国际3G标准化组织国际3G标准化组织vITU ITU （国际电联）（国际电联）ITU-R WP8F:ITU-

8、R WP8F:无线频谱、技术、业务等无线频谱、技术、业务等 超3G(System Beyond IMT-2000)远景及后续业务、频谱和技术等相关研究； WRC-00确认频谱的规划； 3G技术规范建议M.1457(RSPC)更新，2002年5月完成第一更新版本，主要增加了3G增强性技术；ITU-T SSGITU-T SSG核心网核心网 超3G核心网远景 IP核心网融合第一章 移动通信概述3G概述3G标准组织主要由3GPP、3GPP2组成，以CDMA码分多址技术为核心。 3 G P P ： 制 定 基 于GSM/GPRS核心网、全IP核心网，无线技术为WCDMA,CDMA TDD和EDGE的技术

9、规范3GPP2：制定基于ANSI-41核心网、全IP核心网，无线技术为cdma2000的技术规范第一章 移动通信概述3G概述 3GPP协议版本分为R99/R4/R5/R6等多个阶段，其中R99协议于2000年3月冻结功能，R4协议于2001年3月冻结功能。R99、R4目前已经成熟商用，R5、R6协议还在进一步完善过程中。3GPP R993GPP R4 3GPP R5 3GPP R6功功能能冻冻结结时时间间点点2000/032001/032002/03核心网继承GSM/GPRS的网络体系，采用TDM组网。电路域承载与控制相分离;支持TDM/ATM/IP组网。增加IMS域，支持VoIP。WLAN等

10、3GPP3GPP协议版本演进示意图协议版本演进示意图第一章 移动通信概述3G概述IMT-2000的目标与特点具有全球无缝覆盖和漫游能力高服务质量，高速传输，提供窄带和宽带多媒体业务与固定网络各种业务的相互兼容无缝业务传递支持系统平滑升级和现有系统的演进适应多种运行环境支持多媒体功能及广泛业务的终端2 Mbps-固定网/室内环境384 kbps-步行/城市环境144 kbps-移动环境多种环境下的多样的数据速率第一章 移动通信概述3G概述WRC1992对IMT2000频谱分配WRC2000对IMT2000新增频谱频分双工（频分双工（FDDFDD）：）：192019201980MHz1980MHz

11、211021102170MHz2170MHz时分双工（时分双工（TDDTDD）：）：188018801920MHz1920MHz、201020102025MHz2025MHz卫星移动通信（卫星移动通信（MSSMSS）：）：198019802010MHz2010MHz217021702200MHz2200MHz中国IMT-2000频谱分配下行下行上行上行第一章 移动通信概述3G概述ITU 3G ITU 3G 候选技术候选技术IMT-DSW-CDMAIMT-TDTD-CDMAIMT-SCUWC-136IMT-MCcdma-2000IMT-FTDECTANSI 41（北美（北美 ） GSM MAP

12、（欧洲（欧洲 ） Network to Network interfaceRadioInterfacesCoreNetworksDigital Enhanced Cordless TelecommunicationsUniversal Wireless Communications 第一章 移动通信概述3G概述3G三大主流无线接口标准三大主流无线接口标准美国高通摩托罗拉朗讯韩国三星J-Phone爱立信阿尔卡特诺基亚朗讯北电NTT富士通夏普大唐西门子中兴华为普天CDMA2000MC-FDDWCDMADS-FDDTD-SCDMATDD (LCR低码片速率低码片速率)全球有代表性的全球有代表性的3G

13、协议协议 第一章 移动通信概述3G概述3G的三大主流技术标准比较的三大主流技术标准比较第一章 移动通信概述3G概述3G的三大主流技术标准比较（续）的三大主流技术标准比较（续）第一章 移动通信概述3G概述3G的三大主流技术标准比较（续）的三大主流技术标准比较（续）第一章 移动通信概述3G概述2G向3G的演进 2G 2.5G 2.75G 3G10Mbps+2Mbps7-14.4 kbps57-115 kbps144-384 kbpscdmaOneIS-95-AcdmaOneIS-95-BGSM新运营商DCMA2000IxDCMA2000IxEV-DO/DVEDGEGPRSCDMA20003xW-C

14、DMATD-CDMAHSDPA1995 1999 2000 2001/2/3 2002/3/4 2005/6Voice14.4kbpsCSD&PDVoice64kbps PacketVoice9.6kbps CSDHigh Capacity Voice153kbps PacketRel.A.307kbps2.4 Mbps Packet384kbps Packet114kbps PacketHigh Capacity Voice2 Mbps Packet?第一章 移动通信概述3G概述核心网电路域2G向3G技术演进 （宽带化、全（宽带化、全IPIP）GSM/GPRS7号信令网：STP基于T

15、DM链路组织 支持GSM/GPRS TDM 传输 分级网结构子系统子系统3GPP R99 新的用户签约数据和多种业务增强沿用GSM网络结构，无重大改进IP信令网：SIGTRAN承载与控制相分离软交换网络结构可采用IP承载 FDD TDMA30K-56Kbps数据 FDD WCDMA 384K-2Mbps数据 TD-SCDMA无线接入网核心网分组域HLR业务信令传输 IP 传输 SGSN/GGSN基于GTP协议组网3GPP R43GPP R5/R6以SIP为主：基于IP传输 HSS-CS、PS、IMS沿用 GPRS网络结构，无重大改进无重大改进 HSDPA 10Mbps下行 IP-UTRAN话音

16、/窄带数据话音/流媒体/宽带数据业务IMS业务 在3G分组域上叠加基于SIP协议的IMS网络进展运营经验丰富协议成熟有运营实例01年冻结,协议基本成熟但运营实例较少 R5于02年冻结,R6尚未冻结，协议还不成熟第一章 移动通信概述3G概述国内外运营商对3G版本的发展战略先行者(韩国日本)跟随者(中国移动)观望者 (非洲)移动业务发展情况移动业务发展情况移动业务发展情况 用户总量稳定/饱和 2G 扩容基本停止 3G-新业务-ARPU 仍以发展GSM/GPRS为主 移动普及率还相当低 GSM 业务还不太发达 3G发展模式3G 进行情况 3G R99 新建网络 20022003年陆续提供 3G 服务

17、 培育 3G 业务市场, 3G 技术试验 2G 扩容考虑今后的平滑升级新进者(中国电信) 了解市场发展动态 跟踪 3G 技术进展未来规划问题 重视演进到3G R5/R6的IMS网络 可能跳过R4阶段 重点在R99 不排除R4,引入时机? 观望 固网基础完善，但没有移动通信网 没有运营移动业务 直接以3G作为移动切入点 开展3G技术试验和市场研究 着手3G网络建设规划 希望3G网络与现有固网资源更好地融合 非常重视基于IP的R4移动软交换第一章 移动通信概述3G概述1.4 后3G技术v后3G通信系统要求：统一的无线接入，全球无缝覆盖、全球漫游；更高速的数据接入；高速、高效的空中接口和接入网结构；

18、动态支持各种传输类型、终端类型、无线环境、QoS类型和移动模式；基于路由的全IP网络，更多的多媒体应用业务；极大的系统容量，更高的频谱利用率；第一章 移动通信概述后3G技术应解决的技术问题可能采用的各种关键技术解决大容量问题新的同步传输；大范围的正交同步码设计；功率控制；多用户检测；智能天线；小区结构的优化；多人多出（MIMO）解决高速数据传输的问题正交频分复用（OFDM）新调制技术高阶调制（8PSK、16QAM、64QAM）；MIMO；多载波CDMA解决更高的频谱利用率问题OFDM；MIMO；高阶调制（8PSK、16QAM、64QAM等）；新调制技术满足各种QoS要求新信道编码和信源编码方案

19、；重点差错控制混合自动重传查询HARQ与智能分组重传随时随地接入的问题软件无线电（Software Defined Radio，SDR）第一章 移动通信概述后3G技术v2.1 通信系统基本框图v2.2 移动信道特点v2.3 ISO分层协议v2.4 信源编码技术v2.5 信道编码技术v2.6 数字调制技术v2.7 扩频通信技术二、通信技术基础第二章 通信技术基础2.1 通信系统基本框图第二章 通信技术基础通信系统基本框图v信源编码：去掉信息的冗余度，压缩信源的数码率，提高信道的传输效率。v信道编码：增加信息在信道传输中的冗余度，使其具有检错活纠错能力，提高信道传输质量。v调制：按基带信号的变化规

20、律去改变载波某些参数的过程，或者说将调制信号转换成适合于信道传输或便于信道多路复用的已调信号。v频率扩展：扩频通信中使用。第二章 通信技术基础通信系统基本框图2.2 移动信道特点v电波传输 表面波自由空间波或直达波散射波电离层波v小尺度衰落或多径衰落v大尺度衰落或阴影衰落第二章 通信技术基础移动信道特点小尺度衰落或多径衰落v经过短距或短时传播后信号强度的急速变化；v在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移引起的随机频率调制；v多径传播时延引起的扩展(回音)。第二章 通信技术基础移动信道特点阴影衰落或大尺度衰落v随着发射与接收机(T-R)之间距离的不断增加而引起电磁波强度的衰减， 称为阴影衰落或

21、大尺度衰落。v阴影衰落是平均信号功率的一种衰减，很容易由发射端和接收端之间突出的地表状态（山脉、建筑物等）而引发，可以认为是这些物体遮挡住了接收机 。v阴影衰落可以从两个方面描述：路径损耗和平均值的统计变化。第二章 通信技术基础移动信道特点2.3 ISO分层协议物理层数据链路层网络层传输层表示层会话层应用层硬件通信原理信号处理算法计算机网络通信网络计算机ISO（Internet Standard Organization，国际标准组织）对OSI（Open System Interconnect，开放系统互连）定义了七层通信体系结构参考模型 。第二章 通信技术基础ISO分层协议2.4 信源编码技

22、术v信源编码要完成两大任务：将信源输出的模拟信号转换成数字信号；实现数据压缩；v三大类信源编码技术：波形编码、参数编码和混合编码。v语音质量： 广播质量：64kbit/s的数码率 长途电话质量：64-10kbit/s 通信质量：4.8kbit/s 合成质量：4.8kbit/s以下。第二章 通信技术基础信源编码技术u针对语音波形进行编码，尽量保持输入波形不变。具有适应能力强，语音质量好，所需编码速率高，在对信号带宽要求不太严格的通信中应用。u时域 ：PCM， APCM，ADPCM, PC， APC，DM，ADM。 u频域：SBC，ATC波形编码第二章 通信技术基础信源编码技术脉冲编码调制（PCM

23、）vPCM系统原理图第二章 通信技术基础信源编码技术具体步骤v抽样抽样定理（奈奎斯特Nyquist定理或准则）v量化标量量化（包括均匀量化和非均匀量化）矢量量化v非均匀量化：非均匀量化 压扩量化（先用压缩器如律曲线，A律曲线对输入信号进行压缩，然后采用均匀量化）v编码，用二进制代码表示各样值的量化等级电平值。vPCM常用码型：自然二进制码，折叠二进制码，反射二进制码第二章 通信技术基础信源编码技术13折线近似A律压缩特性第二章 通信技术基础信源编码技术第二章 通信技术基础信源编码技术参数编码技术v根据发音数学模型，从输出语音信号分析出表征声门振动的激励参数和表征声道特性的声道参数，对模型参数进

24、行编码。v声码器：基于参数编码技术的编码系统，适用于窄带信道上提供低速率语音通信和一些对时延要求较宽的场合。v通道声码器，共振峰声码器，LPC（线性预测编码器）v混合编码：在4-16kbit/s的速率上能够得到高质量的合成语音。 MPC（多脉冲激励线性预测编码）， CELPC（码激励线性预测编码， RPELPC（规则脉冲激励线性预测编码）第二章 通信技术基础信源编码技术码激励线性预测CELPvCELP：以LPAS（LP技术的分析-合成编码算法）为基础，用矢量量化技术对激励信号进行量化的编码算法。第二章 通信技术基础信源编码技术语音评价等级v客观评价:用客观测量的手段来评价语音编码质量，常用方法

25、有信噪比、加权信噪比、平均分段信噪比等，都是建立在度量均方误差的基础上，计算简单，但不能完全反映人对主意质量的感觉，主要适用于速率较高的波形编码类型。v主观评价：主观评定等级或平均主观打分（MOS）第二章 通信技术基础信源编码技术主观评价等级信源编码技术第二章 通信技术基础v错码：突发错码、随机错码v差错控制技术：检错重发法、前向纠错法、反馈校验法v差错控制编码（纠错编码）：在信息码元中加入监督码码。不同的编码方法，有不同的检错或纠错能力。有的编码只能检错，不能纠错。v纠错编码：奇偶监督码、线性分组码、循环码、卷积码、Turbo码。2.5 信道编码技术第二章 通信技术基础信道编码技术信道编码v

26、目的：加入最少的冗余码位而获得最好的纠错能力。v任务：为了克服数字信号在存储/传输通道中产生的失真或错误，包括码间干扰产生的错误和外界干扰产生的突发性错误v广泛应用的编码技术：卷积码和Turbo码第二章 通信技术基础信道编码技术数字基带传输v基带传输系统：不使用调制、解调装置，直接传送基带信号的系统。主要是指在有线数字信道上传输信号的系统。v要将基带信号转换成适合有线数学信道传输的码型（线路码）。第二章 通信技术基础信道编码技术线路传输码型v要求：无直流和很小的低频分量；便于提取定时信息；具有内在的检错能力；尽可能提高传输效率; 编译码过程应与信源的统计特性无关。v常用码型单极性非归零码（NR

27、Z）)双极性非归零码单极性归零码（Manchester码）双极性非归零码差分码交替极性码第二章 通信技术基础信道编码技术第二章 通信技术基础信道编码技术卷积码v一个由N段组成的输入移位寄存器，每段有k级，共Nk位寄存器，一组n个模2和相加器；一个由n级组成的输出移位寄存器。v对应于每段k个比特的输入序列，输出n个比特。信道编码技术vn个输出比特不仅与当前的k个输入比特有关，而且以前的(N-1)k个输入信息比特有关。v整个编码过程可以看成是输入信息序列与由移位寄存器和模2和连接方式所决定的另一个序列的卷积，卷积码即由此得名。N或N-1称为约束长度。卷积码卷积码卷积码 (n,k,N-1)信息位信息

28、位k k 码字码字n n校验位校验位n-kn-k约束长度约束长度N N1 1码率码率R=k/n信道编码技术（2，1，3）卷积编码器信道编码技术v卷积码 (n,k,N-1)中的k和n通常很小，特别适宜于以串行形式传输信息，延时小。v卷积码的纠错能力随着N的增加而增大，而差错率随着N的增加而指数下降。在编码复杂度相同的情况下，性能优于分组码。v卷积码至今未找到严密的数学手段把纠错性能与码的构成十分有规律地联系起来，大都采用计算机来搜索好码。v译码方法：维特比译码、序列译码和门限译码。信道编码技术Turbo码v1993年首次提出。Turbo码将相对简单的卷积码和随机交积器结合在一起，实现了随机编码的

29、思想，同时Turbo码用软输出来逼近最大似然译码，就能得到接近香农极限的纠错性能。vTurbo码纠错能力优于卷积码，但解码复杂度高、译码延时大，适合用于时延要求不高和误码率低的业务。第二章 通信技术基础信道编码技术交织交织v交织技术是为了抵抗无线信道的噪声以及衰落的影响而采取的时间分集技术，将衰落信道的突发错误随机化，使得信道无记忆；v在实际通信系统中，交织技术与纠错技术联合使用，以提高系统性能。信道编码技术对角交织对角交织v交织算法：交织算法：对角交织的端到端时延为3倍的码块长度(短时延)仅仅能够把突发错误分散到两个连续的码块中，具有局限性信道编码技术块交织块交织v块交织将块交织将n n个码

30、字比特，逐行写入个码字比特，逐行写入D DW W的矩阵，在的矩阵，在逐列读出逐列读出v将错误长度将错误长度bDbD地突发错误分散到各个码字中，地突发错误分散到各个码字中，每个码字最多包含每个码字最多包含1 1个单发错误个单发错误 v块交织地端到端时延为块交织地端到端时延为2 2个比特存储器的容量个比特存储器的容量（2 2W WD D）v缺点：缺点：信道编码技术块间交织块间交织v把一个输入块的NB个比特分散输出到B个码块中，每个输出码块包含N个比特v一个输入块中的连续符号映射到B个连续的输出块，但是它们再这些块中的偏移量是不规则的，从而使得周期性的噪声随机化v缺点：确保输入与输出的符号一一对应，

31、必须保证B和N之间没有公约数由于它的分散性质，端到端的交织时延为B2N个符号信道编码技术2.6 数字调制技术v概念： 用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带数字信号的过程称为数字调制v功能和要求：频谱搬移抗干扰，即功率有效性提高系统有效性，即频谱有效性v基本原理：)()(sin)()(ttttAtS第二章 通信技术基础数字调制技术数字调制的分类第二章 通信技术基础数字调制技术多进制移相键控kcktftS2cos)(), 3 , 2 , 1(2nMnk有M个不同值，其中：uM取2、4和8对应BPSK，QPSK和8PSK，M值越大，频谱利用率越高，但误码率随之增加。u频谱利用率：BPSK为0.5bit/s/Hz,QPSK为1bit/s/Hz，8PSK为1.5bit/s/Hzu误码率：QPSK误码率为BPSK的2倍。第二章 通信技术基础数字调制技术QPSKkkkkckckkckYXtfYtfXtftSsin,cos2sin2cos2cos)(k有4个不同值,有/4和/2系统可选第二章 通信技术基础数字调制技术QPSK的I、Q通道合成信号的4种情况QPSK调制原理图第二