第10章第三代蜂窩移動通信技術綜述

1、第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 第第10章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.1 第三代移動通信系統(tǒng)綜述第三代移動通信系統(tǒng)綜述 10.2 第三代移動通信的新技術第三代移動通信的新技術 習題習題 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.1 第三代移動通信系統(tǒng)綜述第三代移動通信系統(tǒng)綜述 10.1.1 第三代移動通信系統(tǒng)的主要特點 第三代移動通信系統(tǒng)主要將各種業(yè)務結合起來， 用一個單一的全功能網絡來實現(xiàn)， 與現(xiàn)有的第一代和第二代移動通信系統(tǒng)相比較， 其主要特點可以概括為以下幾點： 第第1010章

2、章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 (1) 全球普及和全球無縫漫游的系統(tǒng)。 第二代移動通信系統(tǒng)， 一般為區(qū)域或國家標準， 而第三代移動通信系統(tǒng)將是一個在全球范圍內覆蓋和使用的系統(tǒng)。 (2) 具有支持多媒體業(yè)務的能力， 特別是支持Internet 業(yè)務。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 ITU規(guī)定的第三代移動通信無線傳輸技術的最低要求必須滿足以下三種傳輸速率要求： 快速移動環(huán)境， 最高速率達144 kb/s； 室外到室內或步行環(huán)境， 最高速率應達到384 kb/s; 室內環(huán)境， 最高速率應達到2 Mb/s。 第第1010章章 第三代蜂

3、窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 (3) 便于過渡、 演進。 由于第三代引入時， 第二代網絡已具有相當規(guī)模， 所以第三代的網絡一定要能在第二代網絡的基礎上逐漸演進而成， 并與固定網兼容。 (4) 高頻譜利用率。 (5) 高服務質量。 (6) 低成本。 (7) 高保密性。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.1.2 第三代移動通信的發(fā)展 第三代移動通信系統(tǒng)IMT-2000是國際電信聯(lián)盟(ITU)在1985年提出的， 工作在2000 MHz頻段， 在2002年投入商用系統(tǒng)， 當時稱之為未來共用陸地移動通信系統(tǒng)， 即FPLMTS。 1996年正式

4、更名為IMT-2000。 1992年世界無線電管理會議(WARC)為IMT-2000分配了230 MHz的頻段。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.1.3 第三代移動通信標準之爭 IMT-2000主要采用寬帶CDMA技術， 這一點各國已達成共識； 但北美、 歐洲、 日本這三大區(qū)域性集團均向ITU提出了各自的標準。 我國也積極參與了第三代移動通信技術的研究和標準的制訂， 成立了無線通信標準研究組(CWTS)， 專門負責標準的研究和制訂， 并已向ITU提交了中國自己的標準TD-SCDMA。 已提出的第三代移動通信系統(tǒng)主要有以下一些方案。 第第1010章章

5、 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 (1) 由國際電信聯(lián)盟(ITU)提出的“未來公用陸地移動通信系統(tǒng)”(FPLMTS)， 后改名為“國際移動通信2000”(IMT-2000)。 (2) 由歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)提出的“通用移動通信系統(tǒng)”(UMTS)。 (3) 截至1998年12月， 世界各國已向ITU提交的無線傳輸技術(RTT)建議有以下10種。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 以TDMA為基礎的兩種： DECT(Digital European Cordless Telecommunications)(來自ETSI計劃(EP)

6、DECT)。 UWC-136(Universal Wireless Communications)(來自美國TIA TR453)。 以CDMA為基礎的八種： WMMSW-CDMA(Wireless Multimedia and Messaging Service Wideband CDMA)來自美國 TR46.1)。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 TD-SCDMA(Time-Division Synchronous CDMA)(來自中國電信技術研究院(CATT)。 W-CDMA(Wideband CDMA)(來自日本ARIB)。 CDMA (Async

7、hronous DS-CDMA)(來自韓國 TTA)。 UTRA(UMTS Terrestrial Radio Access)(來自ESTI SMG2)。 NA： W-CDMA(North American Wideband CDMA)(來自美國 TIPI-ATIS)。 cdma 2000(Wideband CDMA(IS-95)(來自美國 TIA TR45.5)。 CDMAI(Multiband Synchronous DS-CDMA)(來自韓國 TTA)。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.1.4 第二代移動通信系統(tǒng)向第三代的過渡 第二代移動通信

8、系統(tǒng)指以現(xiàn)有的GSM移動通信系統(tǒng)和IS-95的窄帶CDMA移動通信系統(tǒng)為代表的移動通信系統(tǒng)。 GSM系統(tǒng)在向第三代系統(tǒng)演進的過程中， 其無線接入網絡一般公認將采用基于WCDMA標準的技術， 與基于TDMA技術的GSM網絡相比， 是一個革命性的變化。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.1.5 未來移動通信業(yè)務 目前， 通信技術和計算機技術日趨融合， 語音業(yè)務和數據業(yè)務日趨融合， 無線互聯(lián)網、 移動多媒體已初露端倪。 在我國， 移動電話和Internet用戶都在飛速增長， 現(xiàn)在越來越多的移動電話用戶得到了Internet及多媒體業(yè)務服務。 第第1010章

9、章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 根據ITU的預測， 從2001年至2007年， 世界上的移動數據用戶將超過移動語音用戶。 移動通信的應用領域也將從單純的人與人之間的信息交互發(fā)展為人與機器之間的信息交互和機器與機器之間的信息交互。 未來移動通信網絡將向IP化的大方向演進。 在此過程中， 移動網絡上的業(yè)務將逐步呈現(xiàn)分組化特征， 而網絡結構將逐步實現(xiàn)以IP方式為核心的模式。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 1. 移動業(yè)務走向數據化和分組化 在固定通信領域， 語音業(yè)務正在受到數據業(yè)務的強有力挑戰(zhàn)。 據預計， 在最近一兩年中， 全球數據通

10、信量將超過語音通信量。 與固定通信相比， 移動通信目前的語音通信顯然占絕對優(yōu)勢， 但隨著新技術的引入， 移動數據業(yè)務已開始呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的景象， WAP在現(xiàn)有窄帶移動網絡上的實現(xiàn)， 已經使移動通信能提供低速率的信息訪問。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 2. 未來移動通信網絡將是全IP網絡 未來的移動通信網絡將向IP化方向演進， 未來的移動通信網絡將是一個全IP的分組網絡。 對此， 兩個主要的第三代移動通信標準化組織3GPP和3GPP2都將第三代移動通信發(fā)展的目標設定為全IP網。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 3.

11、 未來移動通信系統(tǒng)的三大主體結構 未來的移動通信系統(tǒng)的三大主體結構是： (1) 設備制造商負責制造向用戶提供服務的移動通信系統(tǒng)設備和終端。 (2) 服務運營商負責向用戶提供移動通信業(yè)務服務。 (3) 業(yè)務設計商負責向運營商提供用戶喜聞樂見的業(yè)務形式和業(yè)務內容。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.2 第三代移動通信的新技術第三代移動通信的新技術 10.2.1 三大系統(tǒng)無線接入技術簡介 建議的標準中具有代表性的是北美的寬帶cdmaOne， 現(xiàn)稱cdma 2000， 日本寬帶CDMA(W-CDMA)和歐洲提出的TD-CDMA。 現(xiàn)作如下簡要介紹。 第第10

12、10章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 1. 北美的cdma 2000 北美4家大公司Lucent、 Motorola、 Notel、 Qualcomm提出了cdmaOne 2000的建議， 受到HNS、 Nokia、 Samsung、 HiTachi等公司的支持。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 2. 日本的W-CDMA NTTDoCoMo提出的建議為相干多碼率寬帶CDMA(W-CDMA)。 多頻帶DS-CDMA采用 1.2551020 MHz帶寬。 小區(qū)之間為異步運行。 擴頻碼片速率為1.0244.0968.019216.38

13、4 Mb/s， 多碼率業(yè)務高達2 Mb/s。 擴頻碼信道為長碼短碼。 短碼采用樹形結構正交多碼率碼， 長碼采用偽隨機碼。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 3. 歐洲的TD-CDMA 歐洲西門子和阿爾卡特等公司提出了一種時分CDMA(TD-CDMA)。 該方案將FD-MA/TDMA/CMDA組合在一起。 其特點為信道間隔擴展為1.6 MHz， 但它的幀結構和時隙結構與GSM相同。 擴展因子為16， 可支持每時隙8個用戶。 同時采用跳頻和跳時。 支持的用戶比特率為82048 kbs。 在最高比特率時用了全部8個時隙， 而每個時隙可用8個用戶地址碼。 移動臺將

14、采用雙模手機， 以便在網絡、 信令層與GSM兼容。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.2.2 新型調制技術 調制技術是決定通信系統(tǒng)頻譜利用率的關鍵技術， 近年來是人們關注的研究熱點。 除了一些常規(guī)的調制方式如FSK、 BPSK、 QPSK、 DQPSK、 OQPSK、 MSK、 GMSK、 /4-OPSK和QAM等已獲得廣泛的應用外， 人們正在致力于研究一些更能適應復雜的通信環(huán)境和多變的業(yè)務需求的調制方式， 如多載波調制和可變速率調制。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 1. 多載波調制 多載波調制的原理是把要傳

15、輸的數據流分解成若干個子數據流， 每個子數據流具有較低的碼元速率， 然后用這些子數據流去并行調制若干個載波。 由于在多載波調制的子信道中， 碼元速率低， 碼元周期長， 因而對傳輸信道中的時延擴展和選擇性衰落不敏感， 或者說在滿足一定條件下， 多載波調制具有抗多徑擴展和選擇性衰落的能力。 當然， 多載波調制所用的各個子載波必須滿足一定精度和穩(wěn)定度的要求。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 多載波調制的方法有： (1) 多載波正交振幅調制(MC-QAM)。 把待傳輸的數據流分解成多路低速率的子數據流， 每一路數據流被編碼成多進制 QAM碼元， 再插入同步引導碼

16、元， 分別去調制各個子信道的載波， 這些子載波綜合在一起就形成了MC-QAM信號， MC-16QAM曾經用于Motorola公司開發(fā)的數字集群系統(tǒng)MIRS。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 (2) 正交頻分復用和碼分多址結合(OFDM-CDMA)。 正交頻分復用(OFDM)和傳統(tǒng)頻分復用(FDM)的不同之處是利用頻率正交來區(qū)分不同子信道的載波， 因而相鄰子信道所占用的頻段可以相互交疊(見圖10 - 1)， 而不會相互干擾， 因而可提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 圖 10 - 1 OFDM

17、正交頻分載波頻率 ff0f1f2f3fM1第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 2. 可變速率調制 實現(xiàn)可變速率調制的方法有以下幾種： (1) 可變速率正交振幅調制(VR-QAM)。 QAM是一種振幅和相位聯(lián)合鍵控技術。 電平數越多， 每碼元攜帶的信息比特數就越多。 (2) 可變擴頻增益碼分多址(VSG-CDMA)。 這種技術靠動態(tài)改變擴頻增益和發(fā)射功率以實現(xiàn)不同業(yè)務速率的傳輸。 (3) 多碼碼分多址(MC-CDMA)。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 圖 10 - 2 星型QAM的星座圖 星型8QAM星型16QAM星型

18、64QAM星型32QAM第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.2.3 智能天線 智能天線是一種自適應陣列天線。 自適應陣列天線已經經歷了40年的發(fā)展歷史， 雷達中首先發(fā)展并應用了自適應波束形成技術， 直到20世紀80年代后期， 隨著移動通信的迅猛發(fā)展和頻譜資源的日益緊張， 人們才開始重視把自適應天線技術應用到移動通信領域， 以提高頻譜利用率。 實現(xiàn)自適應陣列天線的基本辦法是通過調節(jié)各陣元信號幅度和相位的加權因子(統(tǒng)稱復加權因子)， 使天線的方向圖可以在任意方向上具有尖峰(波束)或者凹陷。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術

19、綜述 圖10 - 3是一種基于信號到達方向的(DOA)自適應波束形成示意圖， 其中天線陣由N個空間分布的天線陣元組成， 陣元排列可以是直線型、 環(huán)型或平面型， 陣元之間的距離一般為信號波長的一半， 即2； W是復加權因子。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 圖 10 - 3 自適應波束形成示意圖 aaa可變衰減可變相移Wd信號源波前第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 基準信號的產生可以采用下列三種辦法。 (1) 利用發(fā)送同步信號的引導序列來產生參考信號。 (2) 為各個用戶發(fā)送專門的訓練序列或引導序列， 用來產生參考信號

20、。 (3) 在碼分多址移動通信系統(tǒng)中， 因為接收端知道發(fā)送端所用的擴頻碼， 因而利用提取環(huán)路很容易獲得所需的參考信號。 圖10 - 4是基于基準信號的陣列天線示意圖。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 圖 10 - 4 基于基準信號的陣列天線示意圖 x1(t)x2(t)xN(t)反饋控制W1W2WNs(t)r(t)陣輸出基準信號誤差信號 (t)第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.2.4 多用戶信號檢測 在DS-CDMA移動通信系統(tǒng)中， 多址干擾(MAI)是限制通信容量的關鍵因素。 隨著用戶數目的增加， 多址干擾增大

21、， 通信質量也下降。 為了保證通信質量不低于預定的最低要求， 必須限制用戶的最大數目。 即使用戶數目不是太多， 如果個別干擾信號的發(fā)射功率遠遠超過有用信號， 有用信號也會受到它的壓制。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 1. 去相關多用戶信號檢測器 在傳統(tǒng)的DS-CDMA系統(tǒng)中， 用一組匹配濾波器分別對應多個用戶的輸入信號進行檢測。 由于各個擴頻序列之間存在相關性， 各匹配濾波器的輸出除所需信號和信道噪聲外， 還包含由互相關性引起的其它用戶信號的干擾， 即多址干擾。 以X=(x1 x2 xk)T表示輸入信號矢量， 以Y=(y1 y2 yk)T表示匹配濾波器

22、的輸出矢量(k為用戶數)， 可得 Y=RAB + N B =(b1 b2 bk)T第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 式中， bk是第k個用戶的信息數據， N為噪聲， R是表征擴頻序列之間相關性的kk階相關矩陣， A是表示信號強度(幅度與相位系數)的對角線矩陣。 可以看出， 如果在上式進行去相關線性變換， 即對相關矩陣R求逆，可得 YV = R-1Y = AB+NV第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 2. 干擾抵消式多用戶信號檢測器 這種檢測器的基本思路是把輸入信號按功率的強弱進行從前到后排序。 首先， 對最強的信號進行解

23、調， 接著利用其判決結果產生此最強信號的估計值， 并從總信號中減去此估計值(對其余信號而言， 相當于消除了最強的多址干擾)； 其次， 再對次強的信號進行解調， 并按同樣方法處理； 依此類推， 直至把最弱的信號解調出來。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.2.5 無線ATM 第一代和第二代移動通信系統(tǒng)的主要業(yè)務是語音通信， 第三代移動通信系統(tǒng)的發(fā)展目標是提供多媒體綜合業(yè)務。 眾所周知， 異步傳輸模式(ATM)是寬帶綜合業(yè)務數字網(B-ISDN)的目標模式， 它把不同類型的業(yè)務數據組成固定長度的信元進行傳輸和交換， 使同一通信網絡可以極為靈活地處理多種業(yè)

24、務， 不論其速率高低、 實時性要求和質量要求如何， 都能提供滿意的服務， 并能按需分配信道資源， 有效地利用網絡資源。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 鑒于無線ATM的重要性， ATM論壇于1996年6月專門成立了無線ATM工作組(WATM WG)， 致力于研究和制訂有關無線ATM的規(guī)范和標準。 目前， 世界各國有許多科研機構和高等院校正在這方面進行研究和實驗， 并獲得了初步成果。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 當前人們研究的無線ATM系統(tǒng)大致由無線接入部分和移動ATM網絡部分組成， 見圖10 - 5。 前者的主

25、要功能是無線傳輸、 媒質接入控制和數據鏈路控制； 后者是在ATM網絡基礎上增加移動控制功能， 如越區(qū)切換、 位置管理、 路由選擇、 業(yè)務質量控制以及網絡管理等。 與常規(guī)的ATM類似， 無線ATM信元的凈荷可選為48字節(jié)(或24字節(jié)或16字節(jié))。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 圖 10 - 5 無線ATM系統(tǒng)示意圖 無線ATM網絡接口單元移動終端無線ATM網絡接口單元基站ATM網絡接口單元支持移動性的ATM網絡RF無線接入部分移動ATM網絡部分用戶數據48字節(jié)或48/n字節(jié)，n=2或3信頭信尾PCN信元用戶數據48字節(jié)ATM信元ATM信元頭第第1010章

26、章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.2.6 多層網絡結構 第三代移動通信系統(tǒng)要在各種各樣的通信環(huán)境中， 滿足形形色色的業(yè)務需求， 其網絡結構采用什么樣的形式是一種重要的抉擇。 在移動通信的發(fā)展初期， 網絡結構的設計和規(guī)劃主要由“區(qū)域覆蓋”驅動， 其基本出發(fā)點是保證在所需的地區(qū)內不出現(xiàn)通信死角。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 雙層網絡結構是人們比較熟悉的， 圖10 - 6是這種網絡結構的例子， 圖10 - 6(a)是重疊小區(qū)， 由底層和頂層組成， 底層指配業(yè)務信道和信令信道， 頂層只指配業(yè)務信道； 圖10 - 6(b) 是由宏

27、小區(qū)和微小區(qū)組成的， 宏小區(qū)服務于高移動性用戶， 微小區(qū)服務于低移動性用戶。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 圖 10 - 6 雙層小區(qū)示意圖 底層頂層微小區(qū)宏小區(qū)(a)(b)第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 10.2.7 位置區(qū)和尋呼區(qū)的管理 在移動通信系統(tǒng)中， 用戶可以在系統(tǒng)覆蓋的所有區(qū)域內任意移動， 為了把呼叫信息快速地傳送到隨機移動的用戶， 必須隨時探測用戶的位置信息， 以跟蹤用戶位置的動態(tài)變化。 第第1010章章 第三代蜂窩移動通信技術綜述第三代蜂窩移動通信技術綜述 為了使位置區(qū)域的劃分達到最佳， 有人提出按以下代價函