《现代通信技术基础》-2.4.3第三代和第四代移动通信系统（3G和4G）课件

现代通信技术基础2

2.4.3第三代和第四代移动通信系统第三代移动通信系统1第四代移动通信系统2第三代移动通信的提出:IMT-2000是第三代移动通信系统（3G）的统称，在欧洲，基于GSM演进的第三代移动通信系统被称为UMTS。第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）1985年提出，最初称为FPLMTS，考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场，工作的频段在2000MHz左右，且最高业务速率为2000Kbps左右，故于1996年正式更名为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）（1）第三代移动通信概述1、第三代移动通信系统（3G）IMT-2000的目标:全球统一频段、统一标准，全球无缝覆盖高效的频谱效率高服务质量、高保密性能易于2G系统演进过渡提供多媒体业务车速环境：64kbps~144kbps步行环境：384kbps室内环境：2Mbps……1、第三代移动通信系统（3G）主流方案：WCDMA由欧洲标准化组织3GPP所制定Cdma2000体制是基于IS-95的标准基础上提出的3G标准，其标准化工作由3GPP2来完成TD-SCDMA标准由中国无线通信标准组织CWTS提出1、第三代移动通信系统（3G）制式WCDMAcdma20001xTD-SCDMA采用国家欧洲、日本美国、韩国中国继承基础GSM窄带CDMAGSM双工方式FDDFDDTDD多址方式CDMA+TDMA+FDMACDMA+TDMA+FDMACDMA+TDMA+FDMA调制方式QPSK、16QAMBPSK、QPSK、16QAMQPSK、16QAM同步方式异步/同步GPS同步GPS同步码片速率3.84McpsN×1.2288Mcps1.28Mcps载波间隔5MHzN×1.25MHz1.6MHz功率控制频率上、下行：1500次/秒上、下行：800次/秒上、下行：200次/秒多径分集采用RAKE接收机，由于码片速率高，分集效果更好采用RAKE接收机采用联合检测方式，消除多址干扰和符号间干扰空间分集采用分集接收和发射，可选智能天线但不如TDD方式容易实现采用分集接收和发射，可选智能天线但不如TDD方式容易实现采用智能天线及时空联合检测方式，支持发射分集及分集接收切换方式软切换软切换接力切换3G移动通信系统主流方案比较1、第三代移动通信系统（3G）系统容量大保密性好软切换软容量频率规划简单第三代移动通信系统（CDMA系统）特点1、第三代移动通信系统（3G）码分多址技术多用户检测技术Rake接收技术功率控制技术（2）第三代移动通信关键技术1、第三代移动通信系统（3G）码分多址技术CDMA是码分多址的缩写，也就是利用不同的地址码来区分同一基站的无线资源、不同基站、不同终端。地址码需要有一定的区分度（正交性）。要求用自身的地址码经过处理以后可以还原出信号，而其他地址码就不可以还原出信号。1、第三代移动通信系统（3G）扩频与解扩（DS-CDMA）过程扩频解扩码片符号数据扩频码扩频信号=数据×码字扩频码数据=扩频信号×码字1-11-11-11-11-11、第三代移动通信系统（3G）多址干扰(MAI)多径干扰(ISI)扩频信号功率MAI有用信号acb+=多用户检测技术1、第三代移动通信系统（3G）每个用户的信号“分别”进行扩频码匹配处理只有在理想正交的情况下，才能完全消除多址干扰的影响能量频率MAIISI热噪声传统接收机解调能量频率MAIISI热噪声CDMA信号在空中传输1、第三代移动通信系统（3G）联合检测的设计思想对多个用户的信号的多径分量进行“联合”处理，充分利用用户信号的扩频码、幅度、定时、延迟等信息，大幅度降低多径和多址干扰能量频率MAIISI热噪声CDMA信号在空中传输使用联合检测能量热噪声1、第三代移动通信系统（3G）由于无线信号传播中存在多径效应，即基站发出的信号经不同路径到达移动台处的信号的时间是不同的，如果两个信号到达移动台处的时间差超过一个信号码元的宽度，RAKE接收机就可将其分别成功解调，移动台将各个RAKE接收机收到的信号进行矢量相加（即对不同时间到达移动台的信号进行不同的时间延迟到达同相），每个接收机可单独接收一路多径信号，这样移动台就可以处理几个多径分量，达到抗多径衰落的目的，提高移动台的接收性能。RAKE接收机技术1、第三代移动通信系统（3G）克服远近效应克服阴影衰落和快衰落降低网络干扰，提高业务质量提高系统容量功率控制技术目的：1、第三代移动通信系统（3G）功率控制的类型开环功率控制：用于初始接入过程闭环功率控制：用于业务进行过程上行、下行内环功率控制上行、下行外环功率控制1、第三代移动通信系统（3G）没有开环功控，造成初始干扰大，而且闭环功控收敛慢timepowertimepower开环功率控制使用开环功控后，初始干扰变小，而且闭环功控收敛很快1、第三代移动通信系统（3G）（3）第三代移动通信网络1、第三代移动通信系统（3G）

3G网络的核心网经历了不同的版本升级，R99版本的核心网分为电路域和分组域两大块。R4版本的核心网把R99版电路域中的MSC功能改由两个独立的实体：MSCServer和MGW来实现。CS电路域，用于处理语音业务

MSCServer

语音业务的呼叫控制，移动性管理等，主要是处理信令。

MGW（MediaGateway），用来对用户的语音信息进行处理，转发。

PS分组域，用于处理数据业务

SGSNGGSN1、第三代移动通信系统（3G）2005年3月，3GPP正式启动了空口技术的长期演进（LTE，LongTermEvolution长期演进）项目。2012年1月ITU会议上，LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced（802.16m）正式被确立为IMT-Advanced（俗称“4G”）国际标准。2、第四代移动通信系统（4G）（1）4G概述FDD/TDD相同的设计:高层信令相同，如NAS和RRC2层用户平面相同:如MAC，RLC和PDCP物理层70%相同eNodeBU-planeC-planeNASRRCPDCPRLCMACPHYFDD/TDD的主要区别在于帧结构、时分设计、同步、多天线等TD-LTE和LTEFDD2、第四代移动通信系统（4G）LTE频率分配2、第四代移动通信系统（4G）2、第四代移动通信系统（4G）系统容量需求网络架构及迁移需求系统部署需求系统性能需求复杂性需求无线资源管理需求LTE需求成本需求业务需求LTE需求2、第四代移动通信系统（4G）名称需求峰值数据率20MHz系统带宽下，下行瞬间峰值速率100Mbps（频谱效率5bit/Hz），上行瞬间峰值速率50Mbps（频谱效率2.5bit/Hz）。控制面延迟从驻留状态转换到激活状态的时延小于100ms。从睡眠状态转换到激活状态的时延小于50ms。用户面延迟零负载（单用户、单数据流）、小IP分组条件下时延小于5ms。控制面容量每个小区在5MHz带宽下最少支持200个用户。用户吞吐量下行每兆赫兹平均用户吞吐量为R6HSDPA的3~4倍；上行每兆赫兹平均用户吞吐量为R6HSUPA的2~3倍。频谱效率在真实负载的网络中，下行频谱效率为R6HSDPA的3~4倍；上行频谱效率为R6HSUPA的2~3倍。移动性0~15km/h低速移动优化，15~120km/h高速移动下实现高性能，在120~350km/h（在某些频段甚至应支持500km/h）下能保持蜂窝网络的移动性。覆盖吞吐率、频谱效率和移动性指标在半径5km以下的小区中应全面满足，在半径30km的小区中性能可有小幅下降，不应排除半径达到100km的小区。增强MBMS为了降低终端复杂度，应和单播操作采用相同的调制、编码和多址方法；可向用户同时提供MBMS和专用话音业务；可用于成对和非成对频谱。2、第四代移动通信系统（4G）名称需求频谱灵活性支持不同大小的频带尺寸，从1.4~20MHz；支持成对和非成对频谱中的部署；支持基于资源整合（ResourceAggregation）的内容提供，包括一个频段内部、不同频段之间、上下行之间、相邻和不相邻频段之间的整合。与3GPP无线接入技术的共存和互操作和GERAN/UTRAN系统可以邻频共站址共存；支持UTRAN、GERAN操作的E-UTRAN终端应支持对UTRAN/GERAN的测量，以及E-UTRAN和UTRAN/GERAN之间的切换。实时业务在E-UTRAN和UTRAN/GERAN之间的切换中断时间小于300ms。系统架构和迁移单一基于分组的E-UTRAN系统架构，通过分组架构支持实时业务和会话业务；最大限度的避免单点失败（SinglePointofFailure）；支持端到端QoS；优化回转（Backhaul）通信协议。无线资源管理增强的端到端QoS；有效支持高层传输；支持不同的无线接入技术之间的负载均衡和政策管理。复杂性尽可能减少选项，避免多余的必选特性。降低多模（如支持GERAN、UTRAN和E-UTRAN系统）UE的复杂度。262、第四代移动通信系统（4G）扇区3扇区4扇区6扇区7扇区2扇区5扇区1OFDM干扰协调技术ICICMIMO技术扁平网络（2）LTE关键技术2、第四代移动通信系统（4G）OFDM的本质就是一个频分系统，而频分是无线通信最朴素的实现方式。与传统的多载波调制相比，OFDM调制的各个子载波间可相互重叠，并且能够保持各个子载波之间的正交性传统FDM频谱OFDM频谱OFDM技术OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing正交频分复用2、第四代移动通信系统（4G）一个时隙的时频资源结构横轴表示时间纵轴是频率调度的基本单位是资源块RB，一个资源块在时域占用1个Slot（里面含7个符号），在频域占用180kHz（包含12个子载波）1个子载波频带宽度15KHz时域：对应OFDM符号频域：对应OFDM子载波2、第四代移动通信系统（4G）LTE系统带宽是可变的，可以是1.4MHz、3MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz系统带宽1.4MHz3MHz5MHz10MHz15MHz20MHzRB资源块的数量615255075100这里指的是一个调度周期（也就是一个时隙）中可用的RB资源块的数量2、第四代移动通信系统（4G）OFDMA（正交频分多址接入）：将传输带宽划分成相互正交的子载波集，通过将不同的子载波集分配给不同的用户，可用资源被灵活的在不同移动终端之间共享。这可以看成是一种OFDM+TDM技术相结合的多址接入方式。2、第四代移动通信系统（4G）（2）MIMOMIMO(MultipleInputMultipleoutput：多输入多输出)系统，其基本思想是在收发两端采用多根天线，分别同时发射与接收无线信号。2、第四代移动通信系统（4G）从发射端发送的数据流个数分：分集模式（TransmitDiversity）MIMO多个天线发射或接收一个数据流，避免单个信道衰落对整个链路的影响。在弱信道条件下提高用户的质量。复用模式（SpatialMultiplexing）MIMO不同天线向一个终端/基站并行发射多个数据流，以提高链路容量（峰值速率）。MIMO工作模式2、第四代移动通信系统（4G）MIMO天线收发分集：提高通信质量发射分集技术提高系统下行链路性能开环模式中的STTD分集2、第四代移动通信系统（4G）MIMO天线空间复用：提高系统容量两个天线同时发送不同的数据流，可以提高发送的速率，从而提高系统容量。2、第四代移动通信系统（4G）干扰随机化加扰交织跳频传输干扰消除发射端

波束赋形IRC干扰协调频率资源协调功率资源协调时域等

资源协调小区间干扰抑制技术有：干扰随机化技术干扰消除技术干扰协调技术（ICIC）

对于LTE系统而言，其采用的独特的OFDMA的接入方式，使得本小区内的用户之间互不干扰，但是由于采用同频组网，对于小区边缘的用户则收到来自于其他小区的比较强的干扰。（3）ICIC2、第四代移动通信系统（4G）小区间干扰协调ICIC的实现方式很多，分类丰富：从资源调度的方式区分：部分频率复用、软频率复用和全频率复用从资源调度的周期区分：静态分配、半静态分配、动态分配和协调调度ICIC部分频率复用软频率复用全频率复用

按资源调度方式分类ICIC静态分配半静态分配动态分配协调调度

按资源调度周期分类2、第四代移动通信系统（4G）在某些子频带上的频率复用因子为1，而在另外一些子频带上的