3G综述讲座.ppt

1、,W C D M A 原 理 概 述 2003 年 11 月,1. UMTS介绍 2. WCDMA基本原理概述,目 录 内 容,1. UMTS介绍,1.1 移动通信的演进过程第一代模拟移动通信系统,第一代：模拟移动通信系统 1979: 芝加哥 AMPS(Advance Mobile Phone Service) 1981: 北 欧 NMT(Nordic Mobile Telephone) 1985: 英 国 TACS(Total Access Communication System) 业 务 语音 缺 点 频谱利用率低 终端笨重且昂贵 漫游范围小 安全性低,1.1 移动通信的演进过程第二代数

2、字移动通信系统,第二代：数字移动通信系统 1992: 欧 洲 GSM (Global System for Mobile communication) 1995: 美 国 IS95 即 CDMA (Code Division Multiple Access) 美 国 IS-136 即 D-AMPS(Digital- Advance Mobile Phone Service) 日 本 PDC (Personal Digital Cellular) 业 务 语音和低速率数据业务 缺 点 容量不大 提高系统容量 多种制式不兼容 全球标准 数据传输速率低 多媒体应用,GPRS (General Pac

3、ket Radio Service) 原理: 分组交换技术,无线资源利用率高 速率: 160kbit/s 部分运营商已开始商用 EDGE (Enhancement Data rates for GSM evolution) 原理: 分组交换技术, 新的调制技术: 8PSK 速率: 384kbit/s 部分运营商已准备应用此技术,1.1 移动通信的演进过程GSM 2.5G演进方案,1.1 移动通信的演进过程数据应用比较,下载MP3音乐文件 (2.4 MBytes),GSM 34 mn GPRS 7 mn EDGE 128 s UMTS 10 s,音频和视频流,流式媒体应用, 除GSM以外的技术,

4、下载地图 (50 KBytes),GSM42 s GPRS 8 s EDGE 3 s UMTS 0.2 s,下载Word文档(500 KBytes),GSM7 mn GPRS 82 s EDGE 27 s UMTS 2 s,数据传输速率,承载技术,1.1 移动通信的演进过程GSM系统,第三代移动通信系统 - IMT2000 (3G统称-代名词) 1985年ITU(国际电联)提出FPLMTS(未来公众陆地移动通信系统) 1996年正式更名为IMT2000 IMT2000 International Mobile Telecommunications-2000 工作频段: 2000 MHz左右 业

5、务速率: 2000 Kbit/s 商用市场: 2000 年左右 定义：第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、高质量多媒体业务，能实现全球无缝 覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并以小型便携式终端在任何时候、 任何地点进行任何种类通信的通信系统,1.2 3G标准IMT2000: 定义,IMT2000 框架包含了一系列的无线技术及标准规范 IMT2000主要需求: 高度一致的全球设计规划,统一“空中接口” IMT-2000 及固定网之间的业务兼容 高质量服务 全世界漫游 多媒体应用，广泛的业务及终端设备 IMT2000 移动环境: 车速环境 144Kbps 步行环境 384Kbps 室内

6、环境 2Mbps,1.2 3G标准IMT2000: 定义,1.2 3G标准IMT2000: 主要参与者,欧洲: ETSI 日本: ARIB 美国: TIA, T1 韩国: TTA 中国: CWTS ITU:国际电联 International Telecommunication Union,2001 Market Share:GSM48 % CDMA28 % TDMA15 % PDC9 %,Western Europe:,Japan:,Rest of the World :,US & Canada :,GSM(100%),GSM(87%),CDMA(13%),PDC(64%),CDMA(36%

7、),GSM(12%),CDMA(49%),TDMA(39%),GSM(41%),CDMA(35%),TDMA(24%),China :,1.2 3G标准第二代移动通信系统分布,1999 Market Share:GSM48 % CDMA28 % TDMA15 % PDC9 %,UMTS,CDMA2000,EDGE,IMT2000,Western Europe:,Japan:,Rest of the World :,US & Canada :,GSM(100%),GSM(87%),CDMA(13%),PDC(64%),CDMA(36%),GSM(12%),CDMA(49%),TDMA(39%),

8、GSM(41%),CDMA(35%),TDMA(24%),CDMA2000,UMTS,UMTS,UMTS,UMTS,EDGE,EDGE,CDMA2000,CDMA2000,UMTS,UMTS,CDMA2000,EDGE,China :,1.2 3G标准向第三代网络的演进,IMT-TC (Time Code) TD-CDMA UMTS TDD,IMT-DS (Direct Spread) WCDMA UMTS FDD,IMT-MC (Multi Carrier) CDMA2000,IMT-SC (Single Carrier) TDMA Single Carrier UWC-136 EDGE/E

9、RAN,IMT-FT (Frequency Time) TDMA Multi-Carrier DECT,Evolved IS-41 Core Network,Evolved GSM Core Network,1.2 3G标准无线空中接口,UMTS：两种模式 IMT-DS, 又称UMTS FDD ：W-CDMA(Direct Sequence) 直序扩频 IMT-TC, 又称为 UMTS TDD (宽带-CDMA+TDMA) 两种变化: 高码片速率 (3.84 Mcps)/低码片速率 (1.28 Mcps) TD-SCDMA IMT-MC, 又称为 CDMA2000 FDD-MC：W-CDMA接

10、入（Multi-Carrier）多载波 两步：1xRTT （ 1XEV-DO/1XEV-DV ）和 3xRTT IMT-SC (UWC-136 TDMA), EDGE D-AMPS EDGE：3G接入 GSM EDGE：2.5G接入,UMTS,FDD-DS,CDMA2000,EDGE,UMTS,FDD-MC,TDD,UWC-136,1.2 3G标准 3G主要无线标准,ITU IMT-2000,3GPP2,3GPP,UWCC,EP DECT,技术规范组织,标准发展组织,UTRA FDD/TDD,cdma2000,IMT-SC,DECT,IMT-2000无线技术,IMT-2000规范架构,Euro

11、pe,PRChina,Japan,Korea,USA,1.2 3G标准IMT-2000 规范架构,“UMTS will be a mobile communication system that offer significant user benefits including high-quality wireless multimedia services to a convergent network of fixed, cellular and satellite components.” It will deliver information directly to users an

12、d provide them with access to new and innovative services and applications. It will offer mobile personalised communications to the mass market regardless of location, network and terminal used.” UMTS Forum 1997,1.3 UMTS基本结构 UMTS 定义,UMTS Universal Mobile Telecommunications System 通用移动通信系统 欧洲电信标准化协会(

13、ETSI)所积极推进的第三代移动通信系统 W-CDMA将用于广域范围内的移动通信 TD-CDMA将主要用于低移动性室内通信,Iu,RAN,UE,Uu,CN,Core Network,RAN,Radio Access Network,UE,User Equipment,CN,CS networks (PSTN, ISDN.),PS networks (Internet),1.3 UMTS基本结构 UMTS网络总的结构,CN 核心网: 提供网络功能和电信业务 连接至CS电路域或PS分组域 RAN 无线接入网: 由多种无线接入技术构成: UTRAN (UMTS Terrestrial RAN) MS

14、S (Mobile Satellite component) BRAN (Broadband RAN) UE 用户终端: 移动手机,1.3 UMTS基本结构 UMTS支持的承载速率,不同的无线环境所承载的最大数据传输速率 144Kbit/s 户外乡村环境 384Kbit/s 城市或郊区户外环境 2Mbit/s 市区室内或低速环境 其他因素影响数据传输速率 用户移动速度 网络拥塞情况（小区呼吸效应）,GSM 用户是以频率(FDMA)和 时间 (TDMA)分割的,UMTS 用户是以地址码(CDMA)分割的,1.3 UMTS基本结构 UMTS小区系统,UMTS也是由分层小区构成的 UMTS采用的是码

15、分多址技术,FDD: Frequency Division Duplex TDD: Time Division Duplex MSS: Mobile Satellite System,初始 “IMT2000 核心波段” 在 2 GHz 分为平衡与非平衡模式 FDD 频分双工 (W-CDMA) 用于平衡模式 TDD 时分双工(TD-CDMA) 可用平衡或是非平衡模式 上行: 1920-1980 MHz 下行: 2110-2170 MHz,1.3 UMTS基本结构 UMTS无线频谱,Downlink,Uplink,5 MHz channel,FDD mode,Fq. 1,Fq. 2,Uplink

16、and Downlink,5 MHz channel,. . .,. . .,TDD mode,工作频率：2GHz 信道带宽：5MHz 码片速率：3.84Mcps 编码方式：QPSK 帧长：10 ms,1.3 UMTS基本结构 UMTS FDD/TDD,电信业务 语音 短消息 Email 因特网接入 移动电子商务 视频名信片 信息和位置业务 新业务应用 UMTS 承载业务 各种业务的承载包,常规业务,基本业务,增强业务,服务商提供的新业务(第三方),1.4 UMTS业务应用电信和承载业务,客户,运营商,客户,运营商,业务提供商,?,1.4 UMTS业务应用第三方:服务提供商,电信业务将不再被标

17、准化 UMTS将为内容和业务提供商提供更多新机会,1.4 UMTS业务应用业务分类举例,始终在线应用 移动办公：文件传输，收发E-mail，数据库访问 纵向应用：交通管理，安全和监测 (家庭)，健康 媒体应用 消息：目录服务(黄页),新闻服务(财经, 体育),位置服务(餐饮, 泊车) 娱乐：音乐(下载音乐,视频剪辑),游戏(下载游戏,在线游戏) 电子商务应用 在线购物, 预订服务 在线银行, 票务, 航班,四种类型业务定义 会话/对话级 语音业务,可视电话, 电话会议 数据流 音频流,视频流(新闻, 体育) 交互式 网页浏览,LCS,在线游戏, 交互式会谈 后台式 收发e-mail, 短消息,

18、 资料库下载 .,时延 敏感性,+,-,数据 完整性,-,+,1.4 UMTS业务应用业务QoS分类,Qos,位置信息服务取决于运营商和内容提供商的策略 位置服务可以帮助用户检索适当的位置信息 信息：本地交通流量，天气，航班等 位置：搜寻宾馆，餐饮, 影视剧院, 泊车点等 UMTS定位信息精确到50米左右 位置服务可能涉及他人隐私,1.4 UMTS业务应用位置服务,选择你的要求: - 餐馆类型: 中餐 - 付款方式: 信用卡 .,该业务实现的方法: 呼叫建立,鉴权,位置信息,数据库查寻,龙餐厅: Nr.588, Road. .,1.4 UMTS业务应用例:搜寻最近的餐馆,1.4 UMTS业务应

19、用承载业务特性,承载业务可以被高层应用(如:电信业务)灵活使用 一部手机可以同时传送几种承载业务(如多媒体) 每一种承载业务都有相应的要求: 传送模式: 面向连接或非面向连接 话务类型: 恒定速率或可变速率 话务特性: 单向,双向,或是广播 服务质量 QoS（Quality of Service): 时延，误码率，吞吐速率，可靠性,1.4 UMTS业务应用 QoS承载要求,协商：按需求在会话建立过程中提供QoS 动态变化：QoS允许在业务激活阶段再协商 提供多种QoS服务质量级别 支持上行和下行非平衡模式 提供承载业务的同时，合理占用空中接口和网络接口资源,用户终端分类范围 应用分类：语音，视

20、频，游戏，双频等 模式分类：UMTS/GSM，UMTS/CDMA2000，UMTS/DECT,1.4 UMTS业务应用 UMTS用户终端,集成式： 一部手机终端集成所有功能,分布式： 手机包含语音和WAP功能，并含有相应接口可端接其他设备.,1.5 UMTS网络结构 UMTS网络结构,UMTS 网络由两部分组成 无线部分：UTRAN (Node B + RNC) 有线部分：CN 核心网 两种无线模式 UTRA-FDD (W-CDMA) 用于大范围覆盖 UTRA-TDD (TD-CDMA) 用于高容量下行业务,UTRAN,Iu,Core Network,Internet,PSTN,1.5 UMT

21、S网络结构 UMTS逻辑结构,RNS,RNC,RNS,RNC,Core Network,Node B,Iu,-CS,Iu,-PS,Iur,Iub,Iub,Iub,Iub,CS-Service,Domain,PS-Service,Domain,Iu,-reference,point,Iu,-PS,Iu,-CS,Node_B,Node B,Node B,Node B,Uu,CN,Iu,UTRAN,UE,Uu,-reference,point,1.5 UMTS网络结构 UMTS逻辑结构,CN 核心网 Circuit Switched (CS) 电路域 Packet Switched (PS) 分组域

22、 UTRAN UMTS地面无线接入网 新的无线接口: CDMA 新的传输技术: ATM CN 核心网与RAN无线接入网是独立分开的 无线接入网对核心网应是透明无关的,即无线接入对于核心网是不可见的 手机终端UE无线移动性管理是由UTRAN控制的,并由它连接至核心网 与GSM系统的对照: 网络单元: 接口: CN NSS Uu Um UTRAN BSS Iub A-bis RNC BSC Iur no equivalent Node-B BTS Iu-CS A UE MS Iu-PS Gb,1.5 UMTS网络结构 UMTS逻辑结构,1.5 UMTS网络结构 核心网逻辑结构,PLMN PSTN

23、/ ISDN,External IP Network,2G/3G SGSN,HLR,VHE,BSC,Iu (PS),Iu (CS),2G/3G MSC/VLR,RNC,IP Backbone,2G/3G GGSN,A,Gb,UTRAN,2G/3G GMSC,EIR,AuC,UMTS核心网 Release99 版本结构,Node B,BTS,1.5 UMTS网络结构 R99 版本,R99版本 (R3) 版本冻结时间 1999年12月 网络结构 继承了GSM/GPRS核心网络结构 R99基于TDM结构, 更容易利用现有资源，互联互通更容易 主要功能 WCDMA无线接口技术 AMR,快速功控,软切换

24、 使用ATM传输技术 开放Iur和Iub接口 可视电话, 并发业务CS+PS 开放业务VHE/OSA(Virtual Home Environment / Open Service Architecture）,3GPP R4 版本结构,A, Iu CS,Gb, Iu PS,SGSN,GGSN,HLR,UTRAN BSS_GSM,CS-MGW,CS-MGW,MSC Server & VLR,GMSC Server,IP, ATM,IP Network,1.5 UMTS网络结构 核心网逻辑结构,1.5 UMTS网络结构 R4 版本,R4 版本 版本冻结时间 2001年3月 网络结构 R4电路域,呼

25、叫控制与承载层相分离，话音、信令分组化 电路域由MSC Server、GMSC Server、MGW等实体组成 采用NGN的相关协议 主要功能 各实体之间提供标准化的接口；信令可使用IP承载；语音分组化实现了网络带宽动态分配，并且对带宽要求有所下降。 TD-SCDMA无线空中接口技术 GERAN,1.5 UMTS网络结构 核心网逻辑结构,A, Iu CS,Gb, Iu PS,SGSN,GGSN,HSS,UTRAN GERAN,CS-MGW,CS-MGW,MSC Server & VLR,GMSC Server,IP, ATM,IP Network,3GPP R5 版本结构,1.5 UMTS网络

26、结构 R5 版本,R5 版本 版本冻结时间 2002年3月 网络结构 R5引入IP多媒体子系统（简称IMS），叠加在分组域网络之上，由CSCF（呼叫状态控制功能）、MGCF（媒体网关控制功能）、MRF（媒体资源功能）和HSS（归属签约用户服务器）等功能实体组成。 主要功能 IMS:Multimedia service based on IP 使用SIP/SDP信令 UE定位增强功能 接入网部分通过引入IP技术实现端到端的全IP化 CAMEL 4,Core Network (CS-Domain & PS-Domain),1.5 UMTS网络结构 UTRAN逻辑结构,RNS: Radio Netw

27、ork Subsystem RNS由一个RNC和至少一个Node组成 RNC: Radio Network Controller 控制 Node B 无线资源管理 软切换处理 连接核心网 Node-B: 无线传输 无线信号处理,1.5 UMTS网络结构 UTRAN逻辑结构,开放接口为厂商提供了兼容性环境 Cu,Uu,Iub,Iur,Iu_CS,Iu_PS接口 标准兼容性接口 GSM中Abis为专用接口,1.5 UMTS网络结构 逻辑接口,2. WCDMA基本原理概述,2.1 码分多址,扩频技术 2.2 切换和Rake接收机 2.3 功率控制 2.4 压缩模式 2.5 发射分集 2.6 无线资源

28、管理 2.7 WCDMA的覆盖、容量,目 录 内 容,2.1 码分多址 无线接口,70年代早期 CDMA被运用在军事领域(高质量,隐蔽性强) 1996年 CDMA在美国和香港开始商用 此系统被称作IS95或cdmaOne系统 2000年 被IMT2000接受的无线标准,主要采用CDMA无线技术 W-CDMA (UTRA FDD) TD-CDMA (UTRA TDD) CDMA2000,CDMA的优点: 比2G更高效的频谱利用率 适合各种业务(电路,分组)及多媒体业务 安全性更高(隐蔽性好,抗干扰能力强) 不足之处: 系统较复杂,不容易规划,管理 网络拥塞时会造成系统不稳定,2.1 码分多址 为

29、什么采用CDMA?,2.1 码分多址 多址技术,FDMA Frequency Division Multiple Access 频分多址,TDMA Time Division Multiple Access 时分多址,CDMA Code Division Multiple Access 码分多址,UMTS:用户是以地址码来区分的,2.1 码分多址WCDMA多址接入,CDMA是由多个码分信道共享载频的多址接入技术 UMTS 采用W-CDMA宽带码分多址技术 扩频码分多址的特点 抗干扰能力强 隐蔽性好 Gp 扩频增益表征扩频通信抗干扰的能力，扩频增益与W/R成正比 W为扩频信号带宽，R为信息带宽

30、例: UMTS中：W=3.84Mchip/s、 Rvoice=12kbit/s Gp=10log(3.84M/12k)=25dB 抗衰落、抗多径干扰 频谱利用率高 频率复用: 小区复用系数=1,2.1 码分多址码分多址接入,CDMA码分多址比喻: 颜色 语言(同时说）,FDMA,TDMA,CDMA,2.1 码分多址码分多址接入,A,A,发信机2,A,A,Code 1,Code 1,B,B,B,Code 2,接收机1,无线信道,发信机1,2.1 码分多址码分多址接入,此接收机1只能处理发信机1发送的信号,它们有相同的地址码,发信机2,A,A,Code 1,B,B,Code 2,无线信道,发信机1

31、,2.1 码分多址码分多址接入,此接收机1不能处理发信机2发送的信号,它没有对应的地址码,A,?,Code 1,B,接收机1,无线信道,Receiver,A,A,Transmitter,扩频,解扩,Noise,A,A,2.1 扩频技术宽带扩展,宽带扩展 扩频即用户信号乘上一个高速序列码(片),大大提高了原信号的速率，增加了信号带宽，从而降低了能量谱密度(隐蔽性,低辐射) 宽带扩频，即扩频信号带宽远远大于原始信号带宽 W=3.84Mchip/s、 Rvoice=12kbit/s,扩频,解扩,C1xC2=0, C1,C2,有正交性,2.1 扩频技术 直序扩频技术,f,P,W,Processing

32、Gain,Rb,Despreading,2.1 扩频技术扩频增益,扩频增益 Pg=W/R (W=3.84Mchips/s) 收发信设备在扩频/解扩处理后得到的增益 使发射信号能量可以远远低于干扰和噪声 原始信号R带宽越窄,扩频增益Pg越大,即增加的冗余比特越多,越安全,空中接口扩频信号和解扩后的信号,Pg 扩频增益 Pg = chip rate / bit rate of service S (解扩后信号)= S (解扩前信号) + Pg( 扩频增益) Safterdespreading/N Eb/Notarget (保证不同业务Qos的能噪比),2.1 扩频技术直序扩频技术,Pg=W/R,1

33、/T bit,Power,T bit,f,bits,窄带数据信号,ChannelizationCode 扩频码,ScramblingCode 扰码,扩频后宽带 数据信号,chips,1,2,3,1,2,3,扩频过程,2.1 扩频技术 直序扩频技术,2.1 扩频技术扩频和加扰,A,A,B,C,B,C,A,B,C,空中接口,调制,展宽分两步： 扩频：扩频码 与业务速率有关，展宽到3.84Mchips/s 加扰：扰码 不影响信号带宽，下行用于标识小区，上行用于识别终端,SF = 1,C,ch,1,0,= (1),C,ch,2,0,= (1,1),C,ch,2,1,= (1,-1),C,ch,4,0,

34、=(1,1,1,1),C,ch,4,1,= (1,1,-1,-1),C,ch,4,2,= (1,-1,1,-1),C,ch,4,3,= (1,-1,-1,1),SF = 4,SF = 2,SF = 8,码树被手机用户共用 通常每个小区有一个码树,2.1 扩频技术扩频码,Walsh Codes 沃尔什码 正交沃尔什码(扩频码) 码的长度 IS-95: 64 码的长度 W-CDMA: 4 到 256 码的长度= SF Spreading Factor = Pg Processing gain 第一个码 (“C0”) 用于pilot导频,下行,2.1 扩频技术扩频码/扰码,上行,2.1 扩频技术扩频

35、码/扰码,硬切换 不同频率间的切换 先断后通，如GSM网络 软切换 在相同频率之间进行的切换 保持多条无线链路的连接 Marco Diversity宏分集增益 先通后断，减少掉话 需要更多的网络资源 分配不同的扩频码,2.2 切换和Rake接收机 软切换,软切换分类 Soft HO 软切换 连接至不同Node B Softer HO 更软切换 连接至同一Node下的不同扇区 硬切换分类 FDD 不同频点间 FDD TDD 2G 3G,RNC,Node B,Node B,RNC,Node B,2.2 切换和Rake接收机 软切换（1）,Soft HO 软切换,Softer HO 更软切换,Nod

36、e B,2.2 切换和Rake接收机 软切换（2）,软切换- Soft HO 不同Node B的连接 更软切换 - Softer HO 同一Node下的不同扇区的连接 上行软切换在RNC中进行多径合并； 上行更软切换在NodeB中进行多径合并； 下行的软切换都在UE中合并,2.2 切换和Rake接收机 软切换（3）,软切换/更软切换过程举例,delta T,delta T,delta T,Pilot cell 1,Pilot cell 2,Pilot cell 3,Cell 1 connected,Event 1A Add cell 2,Event 1C Replace cell 1 with

37、 cell 3,Event 1B Remove cell 3,Reporting_Range - Hysteresis_event 1A,Hysteresis_event1C,Reporting_Range + Hysteresis_event 1B,2.2 切换和Rake接收机 软切换（4）,2.2 切换和Rake接收机 多径接收机原理,传统情况 多径信号被视为干扰 多径接收机 多径接受机能同时处理多路信号 有效地克服多径干扰 合并多路信号,提高接收性能 多径接收机作用于： 多径分集 多业务（一个手机几个业务同时进行） 软切换,原始信号 接收信号 修正信号 合并信号,Finger 1 Fin

38、ger 2 Finger 3,at each time delayphase shifting by adding,多径接收机的原理 多径信号被最大化合并,2.2 切换和Rake接收机多径接收机原理,多径接收机的原理 有效利用了信道相干时间形成的时间分集效应 多径信号经过相关处理被合并 多径时延须大于1个码片的时延, 0.26us=78m 通常环境：1us (300m) 市区 20us(6000m) 山区,2.2 切换和Rake接收机多径接收机-多径分集（1）,A,?,接受机,A,A,发信机,编码,解码,A,直达信号,反射信号,A,A,A,A,A,色散 一个码片时长 多径接收机不能提供多径分集

39、,2.2 切换和Rake接收机多径接受机-多径分集（2）,直达信号,反射信号,编码,解码,发信机,接受机,色散 一个码片时长 多径接收机能提供多径分集,提高信号增益,S,S,多媒体接受机,S,S,发信机,Code 1,D,D,D,Code 2,D,Code 1,Code 2,空中信道,2.2 切换和Rake接收机多径接收机-多业务,一个手机多种业务 通常一种业务一个地址码,A,A,基站2,A,A,Code 1,Code 1&2,A,A,A,Code 2,手机,基站1,2.2 切换和Rake接收机多径接收机-软切换,软切换 同一频率 每一条路径有一个地址码 手机同时处理不同路径的信号,空中信道,Node B,MS2,MS1,2