第5章 B3G-4G移动通信系统

1、第5章B3G/4G移动通信系统,5.1B3G/4G的现状与发展趋势,5.1.1B3G/4G的起源与概念3G系统确实存在频谱效率低、支持的传输速率不够高、成员之间体制不兼容、不能提供动态范围多速率业务等诸多问题，为满足用户更高的需求，也为了抢占技术的制高点，世界各电信发达国家也需要研究开发速率更高、性能更先进的新一代移动通信系统。这种新一代移动通信技术被称为B3G（超3G）技术，或称为4G（第四代移动通信）技术。,B3G/4G移动通信系统的基本特征,很高的传输速率和大范围覆盖丰富的业务和QoS保证开放而融合的平台高度智能化的网络高度可靠的鉴权及安全机制,表5-1B3G/4G与3G系统主要技术参数

2、,5.1.1B3G/4G的研究与标准化进展,1、总体趋势就标准而言，是两大组织三大标准之争，即ITU的协作组织3GPP提出的LTE、3GPP2提出的UMB（超移动宽带），以及IEEE-SA的协作组织WiMAX提出的移动WiMAX。前两者代表的是传统的电信产业，其中LTE的计划更周密、方案更完善，UMB更多地是出于应战的目标，处于劣势地位；移动WiMAX是基于无线接入技术的，网络可利用现有IP网络，其带宽更宽、成本更低廉，在用户中受欢迎的程度迅速增加。,B3G/4G的研究结构，主要是依靠欧洲的WWRF（无线世界研究论坛）论坛、中国的未来移动通信论坛（简称FuTURE论坛）、日本的mITF（移动I

3、T论坛）论坛、韩国的NGMC（下一代移动通信）论坛和北美的WiMAX论坛来进行技术交流和国际协作。,2、ITU的工作进展,早在2000年10月，ITU就在加拿大蒙特利尔市成立了“IMT2000andBeyond”工作组，其任务之一就是探索3G之后下一代移动通信系统的概念和方案。直到2005年10月18日结束的ITU-RWP8F第17次会议上，ITU将B3G技术正式定名为IMT-Advanced。按照ITU的定义，IMT-2000技术和IMT-Advanced技术拥有一个共同的前缀“IMT”，表示所有的国际移动通信；当前的WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA及其增强型技术统称为IMT-

4、2000技术；未来的新的空中接口技术，叫做IMT-Advanced技术。ITU之所以将下一代移动通信系统取名为B3G或者IMT-Advanced。,图5-1ITU关于B3G的研发时间表,图5-2ITU给出的B3G系统主要性能图示,图5-3ITU-RWP8F第三阶段工作计划,图5-4ITU给出的B3G系统网络结构,图5-5ITU给出的B3G垂直分层组网结构,3、IEEE-SA的工作进展,成立于2001年的WiMAX论坛的主要目标是促进802.16d和802.16e设备之间兼容性和互操作性能，它对设备性能要求和选项进行了明确的规范和选择，对不同的选项按照技术发展和市场要求定义为必选或可选。,近年来

5、WiMAX技术取得了长足的进度，其产品得到了市场的广泛认同，其中Sprint（美国第三大运营商）成为美国首家宣布将采用WiMax技术构建4G网络的主流手机运营商。可以认为支持移动终端的移动WiMAX标准是4G标准的雏形，但其毕竟存在技术缺陷（比如需满足终端的高速移动性等），且相当多的传统运营商不看好它。因此，WiMAX的下一步演进是迈向IMT-Advanced，与其他B3G技术相融合，成为IMT-Advanced家族成员之一。这一步演进就是通过制定IEEE802.16m新标准来实现的。,4、欧盟的工作进展,WINNER项目由于整合了欧盟科研资源，成员包括欧盟主要的企业、大学和研究机构，加上我国

6、原信息产业部电信研究院、韩国三星、日本NTTDoCoMo、美国摩托罗拉等亚洲和美洲企业、科研单位的加盟，在国际B3G研究领域有着重要的地位。WINNER项目成员在致力于开发和完善WINNER系统设计的同时广泛参与ITU、3GPP等国际标准化组织的工作，从而在B3G研究和相关的工作中发挥着积极的作用。,5、中国的工作进展,表5-2我国的FuTURE计划进度表,6、日韩的工作进展,日本的4G研究计划属于国家级发展计划e-Japan的一部分，其基础通信技术部分的研发由日本国家信息通信技术研究院负责；标准化工作由ARIB负责；2002年由产业界发起成立的mITF论坛负责技术交流和国际合作。特别要指出的

7、是，其他国家主要是设备制造商引导新技术的研制，但日本4G技术的开发的主力却是运营商。韩国的4G计划由信息与通信部（MIC）协同部署，由其国内有关运营商和电子通信研究院（ETRI）等研究结构参与研发，2003年成立的NGMC论坛负责国际合作。韩国已制定了远景计划，运营商也开始进行建立了试验网。,5.2B3G/4G的备选方案及其关键技术,在现阶段，ITU正在全球广泛征求B3G方案，以确定IMT-Advanced的标准，各国各地区的标准化组织也正在积极准备提交方案，但其真正的4G方案都未形成。目前，只有3个无限接近B3G（为此人们称其为3.75G或者3.9G）的备选方案，它们分别是3GPP的LTE、

8、3GPP2的UMB以及IEEE的移动WiMAX，这3种方案都需要演进才能达到B3G的要求。现在最被产业界看好的是LTE，其次是移动WiMAX，最后是UMB。,5.2.1LTE,1、LTE的起源与现状LTE是3GPP制定的长期演进计划的英文缩写，又称为E-UTRA/E-UTRAN，可以从WCDMA和TD-SCDMA两种途径演化而来（列于HSPA+之后），在3GPP的版本中对应于R8。它和3GPP3中的UMB合称E3G。,从2004年底开始的LTE标准化工作分为研究项目（SI）和工作项目（WI）两个阶段。其中，SI阶段于2006年9月结束，主要完成目标需求的定义，明确LTE的概念等，然后征集候选技

9、术提案，并对技术提案进行评估，确定其是否符合目标需求。3GPP在2005年6月完成了LTE需求的研究，形成了需求报告TR25.913，具体需求项见表5-3。LTE在技术提案征集上有6个选项，按照双工方式可分为FDD和TDD两种，而按照无线链路的调制方式或多址方式主要可分为CDMA及OFDMA两种。,表5-3LTE的需求顶列表,表5-4LTE主要技术提案,2、LTE物理层关键技术,、LTE的帧结构,图5-6LTE的基本帧结构,图5-7LTE的一类TDD帧结构,、LTE基本传输与多址技术,图5-8LTE的下行OFDMA发射机构,图5-9LTE的上行DFT-S-FDMA发射结构,、MIMO技术,LT

10、E支持的MIMO技术模式有基于码本和公共导频的线性预编码、基于SFBC（空频分组编码）的空间发射分集、基于非码本、公共和专用导频的单流波束赋形。若从用户数量区分，可分为单用户MIMO（SU-MIMO）和多用户MIMO（MU-MIMO），其中上行的MU-MIMO为特殊的MU-MIMO，即虚拟MIMO。,、调制与编码技术,LTE的下行采用QPSK、16QAM和64QAM；上行考虑采用带频域成形的QPSK和16QAM，以降低PAR。在用于数据传输的信道编码方法中，拟采用类似R6版本中的Turbo编码器（基本编码率R=1/3），采用无竞争交织器。,、信道映射关系,图5-10LTE的传输信道和物理信道之

11、间的映射关系,、小区间干扰控制技术,采用小区间干扰控制技术的目的为提高用户在小区边缘的信息传输速率。主要的多小区干扰补偿技术有：干扰随机化技术、干扰抵消技术和多小区干扰协调技术。LTE标准化的前期研究重点为下行FDD系统中的多小区干扰协调技术（软频率复用），多小区干扰协调技术对频谱资源和发射功率进行限制。中心用户可以使用全部资源块（频率复用系数为1），但只能以低功率使用部分资源块；边界用户以全功率使用部分资源块（频率复用系数为1/N），从而提高用户在小区边缘的信噪比，增加小区覆盖率。而FDD上行的多小区干扰控制主要通过功率控制技术实现，频率复用因子为1。,、单播业务和多播业务的融合,广播多播系

12、统既可以和单播系统复用在一起（TDM或FDM），也可以部署在单独载波上。分为单小区MBMS和多小区MBMS两种部署情况，后者通过基于多小区合并的单频网（SFN）实现。多小区合并需要小区间同步和公共参考信号，单小区MBMS需要小区专用参考信号。由于MBMS小区半径远大于普通小区，且需要多小区合并，因此需要加大CP（循环前缀）长度，将子载波宽度减小，以避免频谱效率降低。同时，由于MBMS主要用于低速移动，可以采用较小子载波间隔，所以MBMS子载波间隔降为7.5kHz，同时CP长度增大到33.33us。,3、LTE的网络结构,图5-11E-UTRAN网络结构,5.2.2UMB,1、UMB的起源与现状

13、同WCDMA和TD-SCDMA系列一样，CDMA2000也有自己的长期演进计划空中接口演进（AIE）。AIE的演进主要分为两个阶段。第一阶段，通过引入多载波以及其他关键技术使前反向峰值速率得以提升，分别达到46.5Mb/s和27Mb/s。与此有关的EV-DORel.B标准的制定工作已完成。第二阶段，通过使用更宽的系统带宽，引入OFDM、MIMO等关键技术，进一步增强峰值速率。这个版本的系统通常称为EV-DORel.C版本，其正式的名称是超移动宽带（UMB）。CDMA发展组织（CDG）和3GPP2在2007年4月发布了UMB标准的1.0版本，并于2007年8月公布了UMB标准的2.0版本。,2、

14、UMB网络结构与系统分层模型,UMB的网络结构同LTE一样采用了扁平式的结构，简化了无线接入网和核心网，取消了BSC，主要由AT（用户接入终端）、eBS（基站）、AGW（接入网关）和IP网组成。UMB系统信号传输实现多路由传递。,图5-12UMB系统分层模型及协议结构,3、UMB物理层,、信道结构在前向链路上，根据信道的功能及其传输位置，可以分为4大类，图5-13（a）绘出了信道分类及其中包含的具体信道名称。在反向链路上，每个物理帧可以分为CDMA分段和OFDMA分段两个部分，图5-13（b）给出了反向信道及其所属的分段。,图5-13UMB系统前/反向信道结构,图5-13UMB系统前/反向信道

15、结构,、帧结构,在前向链路和反向链路上，物理层的基本传输单元均为一个“超帧”。在前向链路上，一个超帧由前导符号和NFL个前向物理帧构成；在反向链路上，一个超帧仅由NRL个反向物理帧构成。此外，物理层协议中指明NFL和NRL的取值均为25，并且保持不变。图5-14给出了全双工模式下前/反向链路上超帧的结构，从图中可以看出，反向超帧的第一个物理帧的长度比其他物理帧的长度略长，其长度为前向前导和物理帧的长度之和。这是出于保持前反向链路的超帧在时间上是对齐的考虑而设计的。系统中每个超帧及其中的物理帧均有一个唯一的序号标识。,图5-14UMB物理层超帧结构,、系统同步方式,在CDMA20001xEV-D

16、O系统之前的版本中，整个系统均采取同步的方式，即系统的起始时间为1980年1月6日零点。这一时间与全球定位系统（GPS）的系统时间也是一致的，称为全球系统时间。而UMB系统除了支持同步模式之外，还可以支持异步模式。当某个扇区的传输时间基准是以一个本地系统时间作为参考的，而不是以全球系统时间为参考的，那么就认为该扇区使用的是异步模式。此时，该扇区需保持其时间基准的稳定性，包括时间漂移和时间校准频率。,、多天线技术,UMB系统支持多天线即MIMO技术。其中涉及到了两个主要的概念：逻辑天线和束天线。一个逻辑天线是多个物理天线的线性组合，并可以随时间和频率而不断变化。从而使接收端观察到的是一个线性的、

17、非时变信道。一个束天线同样由物理天线的组合构成。但是，每个束天线中所包含的物理天线保持不变。,、调制编码技术,在UMB系统中，引入了tail-biting（衔尾）卷积码。在普通的卷积码编码过程中，为了使接收端寄存器的终止状态与初始状态相同，需要在输入序列的末尾添加若干个零比特。而在tail-biting方案中，是通过在接收端将末尾的部分序列移到起始序列的前面，同时将起始的部分序列移到末尾序列之后，构成新的序列进行解码的，无需在发送序列的末尾添加零比特，因此可以进一步提高编码效率。,分层调制是将任意两种调制方案叠加构成的。在广播多播服务中，可以在基层的QPSK或16QAM调制上叠加一个高层的QP

18、SK来构成新的星座图。其中，高层的星座图具有一个逆时针的旋转角，其值通过广播协议中的信令确定。,5.2.3移动WiMAX,1、概述目前，IEEE802.16的两个主流标准是802.16d和802.16e，分别应用于固定和移动通信。802.16d是对802.16和802.16a标准的整合和修订，定义了支持多种业务类型的固定宽带无线接入系统的MAC层和相对应的多个物理层框架。802.16e在802.16d的基础上增加了部分新的功能，以支持用户的移动性。总的来说，作为一种以无线方式实现“最后一公里”宽带接入的技术解决方案，802.16系列标准规范了一个支持语音和视频等低时延应用的协议，可以为用户提供

19、固定、移动、便携形式的高速数据、语音和视频传输服务。与其他无线技术相比，WiMAX技术的主要特点有：传输速率高，覆盖范围大；完善的QoS机制；较高的数据安全性；基于全IP的网络架构；开销及投资风险小；部署灵活，配置伸缩性强，可平滑升级。,2、空中接口,、空中接口协议模型IEEE802.16标准定义的WiMAX空中接口由物理层和MAC层组成，如图5-15所示。MAC层独立于物理层，能支持多种不同的物理层规范，以适应各种应用环境。物理层由传输汇聚子层（TCL）和物理媒质依赖子层（PMD）组成，通常说的物理层主要是指其中的PMD。TCL将收到的MAC层数据分段，封装成TCL协议数据单元（PDU）。P

20、MD则具体执行信道编码、调制解调等一系列处理过程。MAC层采用分层结构，分为特定服务汇聚子层（CS）、公共部分子层（CPS）和安全子层。其中，CS子层负责和高层接口，汇聚上层不同业务；CPS子层实现主要的MAC功能，包括系统接入、带宽分配、连接建立和连接维护等；安全子层的主要功能是提供认证，密钥交换和加解密处理。,图5-15WiMAX空中接口协议模型,、物理层,802.16d/e的物理层可选用单载波（SC）、OFDM和OFDMA共3种技术。单载波这个选项主要是为了兼容1066GHz频段的视距传输（OFDM和OFDMA只用于11GHz频段）。虽然在802.16d/e协议中，单载波物理层也可以用于

21、211GHz频段，但通常认为802.16d的典型物理层技术是OFDM，802.16e的典型物理层技术是OFDMA。,表5-5固定WiMAX和移动WiMAX的物理层技术特征,、MAC层,802.16d/e的MAC层支持多种QoS等级以适应VoIP、可视电话、流媒体、在线游戏、浏览、下载等不同的业务类型，包括主动分配带宽（UGS）、实时轮询（RtPS）、非实时轮询（NrtPS）和尽力而为（BE），适应的QoS等级依次递减，其中最后一种为竞争接入的调度机制。MAC层的核心是CPS，其最大特点是面向连接。该子层实现的操作包括系统接入控制、调度服务、带宽的请求与分配、连接的建立与维护、网络接入与初始化、

22、初始测距与周期性测距等。为了支持移动性，802.16e在MAC层还引入了一些新的特性，例如切换支持、可节电的休眠模式和空闲模式（用户处于激活状态但晢时无数据交换）等。,切换支持是802.16e在MAC提供的重要的移动性管理措施。当移动用户站（MS）在运动中离开原BS的覆盖范围或者其他BS可以提供质量更好的服务时，需要执行切换流程。通过BS广播的网络拓扑消息，MS可以获得相邻小区的DCD（下行信道描述符）/UCD（上行信道描述符）信息。BS还能为MS分配扫描周期以对邻近的基站进行扫描和测距，评估其物理层信道质量，为可能进行的切换确定寻找潜在的目标BS。实际的切换流程可以由MS发起也可以由BS发起

23、，该切换属于硬切换。此外，802.16e定义了两种可选的切换模式：宏分集切换（MDHO）和快速BS切换（FBSS）。MDHO允许MS同时与多个BS通信，以获得分集增益，提高链路质量。在FBSS中，MS无需执行常规切换过程，就可以实现在一个BS集合中任意两个BS间的快速切换。,3、网络结构,802.16d/e标准支持全IP网络层协议，802.16d/e设备可以作为一个路由器接入现有的IP网络。但现有IP核心网缺乏有效的移动性管理能力。WiMAX网络架构标准由WiMAX论坛负责制定，标准主要制定WiMAX的网络参考模型以及与其他网络（2G和3G等）互联互通架构。WiMAX论坛已制定的标准是针对固定

24、接入环境的，对移动接入环境下的网络标准正在制定中。,图5-16支持漫游的WiMAX网络参考模型和参考点,5.3B3G/4G试验系统介绍,5.3.1全球B3G试验系统状况1、总体状况目前，各国及地区正在积极开展B3G/4G技术的研究和标准化讨论工作，为验证B3G技术和为B3G系统试商用作准备，也正在全力开发B3G试验系统，建设B3G试验网络。从公开报导的情况看，都已取得了不俗的成绩，基本具有B3G系统的技术特征，系统性能达到或超过了B3G的基本要求。需要说明的是，B3G试验系统不是真正的B3G系统，也不进行产品验证，所以它距B3G商用系统还有510年的时间。,2、欧洲WINNER系统,欧洲的WI

25、NNER项目在完成需求分析、技术论证之后，就进行了WINNER系统的设计和试验系统的建设。特别是在第二阶段，进行了大量的系统试验，并对系统进行了优化和升级。WINNER项目对B3G系统的总体网络结构的认识和ITU的观念是一致的，即接入网络是各种无线接入技术的综合，可灵活配置，而核心网是基于IPV6的网络。,图5-17WINNER系统逻辑节点结构,3、美国的情况,美国AT&T推出了4GAccess网络，它配合目前的EDGE技术进行上传，并利用宽带OFDM技术进行下载。北电网络（基于WiMAX技术）则努力使IP的4G网络传输达到ITU的B3G要求。还有一些其他公司和大学也在开发自己的B3G试验网络

26、，总体来说，试验网络很多，但规模不大，需要协调。,4、日本,日本的几家运营公司都建有B3G试验系统，其中最主要的是DoCoMo公司建立的4G试验网，分别就空中接口技术、系统性能进行了几次大的系统测试，取得很好的效果，最高数据峰值速率达到了5GBit/s，远远超过了ITU给B3G系统定义的基本要求。日本热衷于建立一个单一的B3G全球标准，这一点和欧洲的观点（认为B3G和3G一样有多个方案）不同。日本给出的B3G系统的参考模型如图5-18所示，考虑的试验场景有5种，如图5-19所示。,图5-18日本mITF论坛给出的B3G系统参考模式,图5-19日本B3G试验系统的考虑几种试验场景,图5-20DoCoMo的Supper3G试验系统示意图,5.3.2FuTURE试验系统,1、试验系统背景与前期工作第一阶段，FuTURE计划在2002年正式启动，完成了B3G系统的需求分析，积极开展了第4代无线通信核心技术前瞻性研究。第二阶段，并研制出了B3G分布式蜂窝移动通信无线网络试验系统。第三阶段，006年10月在上海市长宁区的B3G外场试验系统正式通过了专家组的测试验收，自此将FuTURE计划带入了第3阶段。,图5-21FuTURE项目中提出的B3G系统总体参考模型,2、试验系统组成及主要测试结果,图5-22FuTURE上海B3G综合试验系统示意图,表5-6B