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第三代移动通信技术原理


第三代移动通信技术原理
孙震强
2004.3.12

内容提要
? 第三代移动通信的现状与未来
? 第三代移动通信的空中接口

? WCDMA网络的结构与演进

第一部分
第三代移动通信的现状与未来
孙震强

第一部分
? ?



概述

国内外3G频段 ? 3G主流技术标准 ? 国内外3G研发现状 ? 3G主流技术的商用情况

1 概述
移动通信是一种沟通移动用户与固定用户之 间或移动用户之间的通信方式。它具有快速、 便捷、可靠、不受时空限制的特点。 ? 1897年,马可尼在固定站和一艘拖船之间进 行的无线通信实验,标志着移动通信的诞生。 1947年贝尔实验室提出了蜂窝通信的概念, 70年代试验,80年代开始使用。 ? 时至今日,蜂窝移动通信经过了两代成熟的 发展,并且进入了第三代移动通信的研制、 试验和建设阶段。
?

蜂窝移动通信的发展历程
第一代 模拟蜂窝移动通信系统 80年代 第二代 第三代 数字蜂窝移动通信系统 21世纪

数字蜂窝移动通信系统 90年代

AMPS

TACS
NMT C450 NAMTS

技术 模 驱动 拟 技 术

DAMPS

数 字 技 术

IS-95 GSM

业务 语 驱动 音 业 务 技术 驱动

多 媒 体 业 务

CDMA2000 WCDMA TD-SCDMA

PDC

?FDMA ?话音

?TDMA ?话言和低速数据

?CDMA

?宽带多媒体

IMT-2000的含义
3G最早由ITU在1985年提出,称为未来公众陆 地移动通信系统(FPLMTS)。 ? 1996年更名为国际移动通信2000即IMT2000。
?
最高速率 2000Kbit/s

工作频段 2000MHz

商用时间 2000年左右

第一部分
? ?

概述

国内外3G频段

3G主流技术标准 ? 国内外3G研发现状 ? 3G主流技术的商用情况
?

2 IMT-2000的核心频段
1850 1900 1950 2000
2010

2050

2100

2150

2200

2250

ITU

TDD
1885 1920

FDD
1980

MSS

TDD
2025 2110

FDD
2170

MSS

2010

欧洲
1880

DECT
1920

FDD
1980

MSS TDD 2025 2110

FDD
2170

MSS

1880

1920

1960 蜂窝 WLL 1980 2010

中国

蜂窝 1865

FDD TDD 保 留 WLL WLL
1900 1918 1945

FDD



留 2110

保 留

保 留

2170

日本

PHS
1895

FDD

MSS MSS 1980

TDD
2025 2110

FDD
2170

MSS

2165 MHz

PCS

美国

A

D

B

E F

C

TDD

A

D

B

E F

C

MSS

保留

MSS

1850

1900

1950

2000

2050

2100

2150

2200

2250

IMT-2000的扩展频谱

中国的3G频率规划
FDD补充 30 MHz 扩展 (下行) FDD补充 TDD FDD (上行) 卫星 TDD FDD (下行)

30 MHz 1805

40 MHz

60MHz

15 MHz

60MHz

1755

1850

1880 1900 1920
PHS

1980

2010 2025

2110

2170

TDD补充 100 MHz

ISM
ISM频段 (WLAN, oven, bluetooth…)

ITU IMT-2000 扩展频段

83,5 MHz
2400 2483,5 2500 2690

2300

现800/900/1800MHz 2G频段均为扩展工作频段

当前中国2G/3G移动通信的频谱分配
AMPS-A AMPS-B (Rx) (Rx) 825-835 835-845 AMPS-A (Tx) 870-880 联通 CDMA TACS-C (Rx)TACS-A TACS-B GSM AMPS-B (Rx) (Rx) (Rx) (Tx) 890-897.5897.5-905 905-915 880-890 TACS-C (Tx) 924-935 ETACS TACS-A TACS-B GSM (Tx) (Tx) (Tx) 935-942.5942.5-950 950-960 联通 GSM

835-839 Reserved Reserved

880-884 Reserved

联通 CDMA

CT2 (空)

ETACS

中移动GSM

联通 GSM

中移动GSM

885-890

890-903

903-909

909-915

929-935

935-948

948-954

825-835

839-845

870-880

PCS1900 Rx 1850 - 1910
DCS1800 Rx 1710 - 1785 CMCC 中移动 DCS1800 DCS1800 中移动 DCS1800 联通 DCS1800 DCS 1800 未发放 SCDM A DCS1800 Tx 1805 – 1880 Guard Band 联通 DCS1800 DCS 1800 未发放 CDMA PCS (空)
中国电 信 CDMA WLL

PCS1900 Tx 1930 - 1990 ITU IMT-2000 Rx 1920 - 1980 PHS CDM A PCS (空)
中国电 信 CDMA CDMA PCS WLL

ITU MSS 1980 - 2010 TDD TD-SCDMA

1840-1850

1850-1865

1865-1880

1880-1900

1910-1920

1900-1910

1990-2010

954-960

1755-1785

1785-1805

1805-1820

1710-1725

1745-1755

1945-1960

1960-1980

1980-1990

ITU标准

美国标准

信产部 尚未发放

中移动

联通

中国电信

TDD 频谱

Tx & Rx are from the base perspective

2010-2025

第一部分
概述 ? 国内外3G频段
?

?
?

3G主流技术标准

国内外3G研发现状 ? 3G主流技术的商用情况

3 IMT-2000无线接口标准

IMT-DS WCDMA

IMT-MC cdma2000

IMT-TC
TD-CDMA TD-SCDMA

IMT-SC UWC-136

IMT-FT DECT

CDMA FDD TDD

TDMA

IMT-2000无线接口标准
?

ITU制定5大标准的主要原因:
–第二代核心网的不同; –无线接口的兼容性问题; –频谱分配作用; –知识产权问题; –竞争也是一个主要因素。

?

通过融合,目前形成三种主流技术标准: WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA
– 3GPP发展WCDMA、CDMA TDD和EDGE – 3GPP2发展cdma2000的技术规范

3G的演进策略
?

总体上讲都是渐进的。
现有技术
IS-95 GSM GPRS AMPS GSM UWC-136 TD-SCDMA

技术趋势
CDMA2000 WCDMA

3G主流制式划分

WCDMA
核心网络:基于MAP和GPRS TD-SCDMA 无线传输技术: WCDMA-FDD/TDD

cdma2000
核心网络:基于ANSI 41和MIP 无线传输技术:cdma2000

EDGE

3GPP

3GPP2

第三代移动通信标准化进展
WCDMA 的进展
cdma2000 的进展 TD-SCDMA 的进展
?? 研 究 IMS 与 PLMN/PSTN/ISDN 的 电 ?? 最大速率 3.1Mbps 路交换的互操作
?? 同时支持数据和 ?? MBMS ?? 采用 WCDMA 核心网 话音业务 ?? 无线网采用 Iu 接口接入核 ?? 框架结构的研究 ?? 引入多媒体域 (IMS) ?? 最大速率 2.4Mbps 心网 ?? 采用 GSM/GPRS 核心网 ?? 单无线引入 独 载?? 波最大速率 支HSDPA 持数 1xEV-DV 2Mbps ?? 据业务 ?? 无线网采用 A 接口和 Gb R6 ?? 控制与承载分离 ?? 有待完善 ?? 最大速率 307Kbps 接口接入核心网 ?? 增加 TD-SCDMA ?? 语音和数据 LCR 1xEV-DO ?? 最大速率 384Kbps

?? 电路域 ANSI-41 ?? 分组域 mobile IP ?? 引入 Iu 接口 ?? 最大速率 153.6Kbps ?? 最大速率 ?? 商用版本2Mbps 2000 年底

?? 有待完善

1X Release A TSM

R5

?? 商用版本 2001.6+后续 CR

1X Release 0

R4

R99
标准完成时间

1999 年底

2001 年初

2001.10

2002.5
功能冻结时间点

2000.3

2001.3

2002.6

3G网络结构

CS域 UTRAN PS域 业务网

WCDMA网络-R99
A
BSS MSC/VLR GMSC
PSTN

Gb

HLR/AUC

Iub Node B RNC Iur

IuCS SGSN
IuPS Gn

GGSN

Internet

Iub Node B RNC

cdma2000 网络
无线部分 IS-95 BTS
A1、A2

核心网电路域 MSC/ SSP ANSI-41 VLR HLR/AC PSTN/ ISDN

BSC BTS
A3、A7

PCF

BTS

BSC
A8、A9

核心网分组域 MIP PDSN/FA
A10、A11

IP

PCF

HA AAA

TD-SCDMA网络
?

Phase1--TD-SCDMA接入到GSM核心网 –无线接口物理层采用TD-SCDMA,层二、层三与 GSM接近(主要无线资源控制不同) –以A、Gb接口接入到GSM/GPRS核心网络 Phase2--TD-SCDMA接入到R4核心网 –无线接口物理层采用TD-SCDMA,层二、层三与 WCDMA的结构类似(主要无线资源控制不同) –以Iu接口接入到R4核心网

?

第一部分
概述 ? 国内外3G频段 ? 3G主流技术标准
? ? ?

国内外3G研发现状
3G主流技术的商用情况

4国内外3G研发现状-WCDMA
WCDMA的设备供应商已能提供商用系统设备。软 件版本基于R99 2001年6月版本,并支持后续版本 中重要的CR(主要涉及GSM和WCDMA的切换)。 ? 各厂家均预测可在2003年到2004年初推出基于 3GPP R4版本的产品。 ? 各厂家系统之间已经进行了多次互操作性测试(IOT), 以及与终端间的IOT。 ? 参加MTNET下一阶段测试的厂家有12个,分别是: 华为、中兴、爱立信、诺基亚、西门子/NEC、北电、 阿尔卡特/富士通、朗讯、摩托罗拉、UT斯达康、 东信、广州LG。
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国内外3G研发现状-cdma2000
? ? ?

目前给联通CDMA1X供货的有朗讯、爱立信、摩 托罗拉、北电、上海贝尔、中兴、东信等厂家。 cdma2000的设备供应商都能提供cdma2000 1X 的非核心频段的产品。 2002年8月,CDG联合爱立信、LG、朗讯、摩托 罗拉、北电、高通、三星、中兴8家无线通信厂商 签署协议,根据市场需求提供2.1GHz的终端、基 础设施和相关技术。

国内外3G研发现状-TD-SCDMA
? ? ? ?

基于TD-SCDMA TSM标准的商用基站产品,大唐/西门 子预计2003年底提供,TSM商用终端2004年提供。 11月2日,拥有完全自主知识产权的我国第一台TD- SCDMA3G商用手机在重庆研制成功。 基于TD-SCDMA LCR标准的商用基站产品预计2004年 左右提供, LCR标准的商用终端预计2005年左右提供。 目前从事系统产品开发的厂家较少。大唐和西门子两 家研发NODE B,华为和北电准备参与RNC。参加TDSCDMA产业联盟的其它厂家还没有进行产品开发。

IMT-2000家族

业务平台统一!
终端多频多模!!

第一部分
概述 ? 国内外3G频段 ? 3G主流技术标准 ? 国内外3G研发现状
? ?

3G主流技术的商用情况

5国内外3G商用现状
目前全球WCDMA商用的网络有12个:NTT DoCoMo、 J-phone、MOBILKOM、Hutchison的6个H3G网络。 据统计,到2003年9月NTT DoCoMo商用用户数超过 100万。EMC报道,2003年10月日本商用用户数超过 116万,意大利43万,英国22万。全球超过200万。 2004年1月,全球超过300万。 目前有34种商用终端,FOMA提供15种终端,H3G初 期提供3种终端。

国内外3G商用现状
目前全球有63个商用的cdma2000 1X网络,8 个cdma2000 1xEV-DO的商用网络。 据统计,2003年10月,cdma2000用户达到 6450万左右;在亚洲,cdma2000用户超过 4000万左右。 2004年1月,cdma2000用户达 到8210万左右; 2004年1月,cdma2000 1xEVDO用户达到553万左右; 目前,cdma2000 1x有422种终端,cdma2000 1xEV-DO有40多种终端。

结论
第三代移动通信的发展已经起步。 ? cdma2000 1X已经大规模商用,近期WCDMA 也开始大规模商用。 ? 目前cdma2000 1X的商用用户数高于WCDMA。 但是从中长期比较,由于全球选择WCDMA的 运营商占98%,(在核心频段全球已发放117个 WCDMA执照,3个cdma2000执照), 所以说 WCDMA的潜在市场规模更大,商业前景更好。
?

第二部分
第三代移动通信的空中接口
孙震强

第二部分
? 无线传播特性
– – – – – – 概述 电波的各种传播方式 各个波段的传播特点 无线信道的复杂性 移动信道研究的基本方法 电波传播特性研究的结果

? 无线接口的主要技术

? 3G技术的特点和优势

1.1概述
传播特性直接关系到通信设备的能力、天线 高度的确定、通信距离的计算、以及为实现 优质可靠的通信所必须采用的技术措施等一 系列系统设计问题。 ? 移动通信系统的无线信道环境比固定无线通 信的信道环境更复杂,必须根据移动通信的 特点按照不同的传播环境和地理特征进行分 析和仿真。
?

1.2电波的各种传播方式
表面波传播 电波是紧靠着地面传播的,地面的性质, 地貌,地物等的情况都会影响电波的传播。 一方面使电波发生变化和引起电波的吸收。 另一方面由于地球表面是球型,使沿它传播 的电波发生绕射。 ? 外层空间传播 电磁波由地面发出,经低空大气层和电 离层而到达外层空间的传播,如卫星传播、 宇宙探测等均属于这种远距离传播。宇宙空 间近似于真空状态,传输特性比较稳定。
?

电波的各种传播方式
天波传播 籍此电离层的反射作用,电波在地面与 电离层之间来回反射传播至较远的地方。我 们把经过电离层反射到地面的电波叫作天波。 ? 散射传播 当天线辐射出去的电波,投射到那些不 均匀体的时候,类似于光的散射和反射现象, 电波发生散射或反射,一部分能量传播到接 收点,这种传播称为散射传播。
?

电波的各种传播方式
?

空间波传播—移动通信 电磁波直接从发射天线传播到接收天线, 另外还可以经地面反射而到达接收天线。所 以接收天线处的场强是直接波和反射波的合 成场强,直接波不受地面影响,地面反射波 要经过地面的反射,因此要受到反射点地质 地形的影响。 空间波在大气的底层传播,传播的距离 受到地球曲率和低空大气层的影响。收,发 天线之间的最大距离被限制在视线范围内, 要扩大通信距离,就必须增加天线高度。一 般地说,视线距离可以达到50km左右。

空间波传播环境

覆盖区大小与天线的高度和增益成比例。在 蜂窝系统中,基站天线高度从20m~100m不 等,其具体取值由环境确定,例如城市中天 线高度约为30m,郊区高度取50m,乡村取 80m。天线增益的取值同样依赖于环境

1.3各个波段的传播特点
长波传播(波长1000米以上) 以表面波或天波的形式传播。 对其他接受台干扰很强烈;天电干扰对长波 的接收的影响严重,特别是雷雨较多的夏季 中波传播(波长100-1000米) 以表面波或天波的形式传播 波长在2000-200米的中短波主要用于广播 短波传播(波长10-100米) 靠表面波和天波传播。

各个波段的传播特点
?

?

?

超短波和微波(波长为10米以下)的频率很高,表 面波衰减很大;电波穿入电离层很深,甚至不能反 射回来,所以超短波、微波一般不用表面波、天波 的传播方式,而只能用空间波、散射波和穿透外层 空间的传播方式。 超短波和微波的频带很宽。超短波广泛应用于电视, 调频广播,雷达等方面。利用微波可同时传送几千 路电话或几套电视节目。 超短波和微波的传播特点基本上相同,主要是在低 空大气层做视距传播。因此,为了增大通信距离, 一般把天线架高。

1.4传播性能的指标
传送的功率指的是发射机所发射的能量。拥有较高 的传输功率将有助于压制它的频带内其他的干扰信 号,但是拥有较高传输功率的设备也将可能耗电较 多,同时对别的信号的干扰也加强。 ? 灵敏性指的是在信道中可以被接收机接受的最弱信 号的测量。数值愈低的那台接收机的设备就愈好。 但是这要求所有的制造商和标准都用相同的参考值 (如包丢失率)来定义灵敏度。 ? 信道是对无线通信中发送端和接收端之间的通路的 一种形象比喻,信道有一定的带宽。
?

1.5移动信道的复杂性
模拟有线信道中典型的信噪比约为46dB。通过选 择合适的材料与精心加工,可以确保有一个相对稳 定的电气环境。信噪比的波动通常不超过l一2dB。 ? 陆地移动系统中,移动台处于城市建筑群之中或处 于地形复杂的区域,其天线将接收从多条路径传来 的信号,再加移动台本身的运动,使得移动台和基 站之间的无线信道多变且难以控制。衰落是经常发 生的,衰落深度可达30dB。 ? 无线信道包括了电波的多径传播,时延扩展,衰落 特性以及多普勒效应
?

多径快衰落
?

? ?

由于电波通过各个路径的距离不同,因而各个路径 来的反射波到达时间不同,相位也就不同。不同相 位的多个信号在接收端迭加,有时迭加而加强(方 向相同),有时迭加而减弱(方向相反)。这样, 接收信号的幅度将急剧变化,即产生了快衰落。 在城市环境中,一辆快速行驶车辆上的移动台的接 收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。 多径传播使接收端的信号近似于一种叫做Rayleigh分 布的数学分布,故多径快衰落又称为 Rayleigh衰落。

慢衰落
接收信号除瞬时值出现快衰落之外,场强平 均值也会出现缓慢变化。这种由阴影效应和 气象原因引起的信号变化称为慢衰落。慢衰 落接收信号近似服从一种叫做对数正态分布 的数学分布,变化幅度取决于障碍物状况、 工作频率、障碍物和移动台移动速度等。 ? 快衰落和慢衰落是由相互独立的原因产生, 随着移动台的移动,这二者构成移动通信接 收信号不稳定的因素。
?

时延扩展
由于电波通过各个路径的距离不同,因而各 个路径来的反射波到达时间不同,也就是各 信号的时延不同。当发送端发送一个极窄的 脉冲信号时,移动台接收的信号由许多不同 时延的脉冲组成,我们称为时延扩展。

多普勒频移
在移动通信中,当移动台移向基站时,频率变高, 远离基站时,频率变低,所以我们在移动通信中要充 分考虑“多普勒效应”,这也加大了移动通信的复杂性。 最大多普勒频移fm与载波频率fc及接收机最大移动 速度vm相关: fm= fc vm/C 其中c为无线电波传播速度。 发射机的载波频率为910MHz,
?

?

以步行速度1.33m/s移动由此引起的最大多普勒频移为±4Hz; 以60英里/小时的速度移动,则多普勒频移将增加到±120Hz。

1.5移动信道研究的基本方法
(1)理论分析,即用电磁场理论或统计理论分析电波 在移动环境个中的传播特性,并用各种数学模型来 描述移动信道。往往要提出一些假设条件使信道数 学模型简化,所以数学模型对信道的描述都是近似 的。 (2)现场电波传播实测,即在不同的传播环境中,做 电波传播实测试验。测试参数包括接收信号幅度、 延时以及其它反映信道特征的参数。对实测数据进 行统计分析,可以得出一些有用的结果。 (3)移动信道的计算机模拟,计算机具有很强的计算 能力,能灵活快速地模拟各种移动环境。

相辅相成,可用于研究进程的不同阶段

1.6电波传播特性研究的结果
1、对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。 理论分析和实测试验结果表明,在移动环境中接 收信号的幅度在大多数情况下符合瑞利(Rayleigh) 分布。在有些情况,则更符合其它分布: RICE信道、 RUMMER信道、 自定义多径信道等。 2、建立电波传播模型。 模型可包括图表、近似计算公式等。近年来,在 计算机上建模也越来越流行。应用电波传播模型可对 无线电波在传播过程中的各种干扰和损耗进行预测, 直接为系统工程设计服务。

第二部分
? 无线传播特性 ? 无线接口的主要技术
–双工技术 –码分多址技术 –信源编码技术 –信道编码技术 –功率控制技术 –软切换技术 –3G增强技术

? 3G技术的特点和优势

3G关键技术
–多址技术* –编码技术* –RAKE 接收机* –智能天线* –软件无线电* –功率控制技术* –软切换技术* –调制技术 。。。。。
?高速率传输以支持多媒

体业务传输
?速率能够按需分配 ?上下行链路能适应不对

称要求
?提供不同QoS要求的多

种业务
?高频谱利用率 ?高容量 ?高抗干扰能力

1 双工技术
?

FDD: 上下行频率配对
WCDMA的基本带宽为5MHz×2,如果运营者建设多层网,即用 宏蜂窝完成大面积覆盖,用微蜂窝覆盖热点地区,用微微蜂窝提 供高速接入,则至少需要3个频点,即15MHz×2的频率。

?

TDD:上下行频率相同
TD-SCDMA的单载波带宽为1.6MHz,而且不需要对称频段,在 考虑三级网络结构时,分配5MHz就可组建一个基本的全国网。 在TDD的工作模式中,上下行数据的传输通过控制上、下行的发 送时间长短来决定,这尤其适合今后的移动因特网、多媒体视频 点播等非对称业务的高效传输。

2 多址技术
SDMA: 智能天线 OFDM ? FDMA: EVDO ? TDMA: ? CDMA:3G
?

码分多址技术
?

?

?

3G技术方案已基本上统一到CDMA(码分多址)技术上。 在CDMA系统中,移动台与基站之间采用码分多址方式进行 连接, 这种多址方式完全区别于传统的信号调制方式,信号 在频率,时间和空间上互相重叠; 采用码分多址接入技术和扩频技术,加上丰富的码字资源, 使得3G系统具有极高的频率利用率,而且同一频率还可以 在相邻小区中复用,这使频率规划简单,容量大。在相同 的频段内提供的系统容量比模拟TDMA系统大10~20倍, 比TDMA数字系统大4~6倍。 3G用码字区分信道,码字长度不同,信道提供的速率就不 同,所需要的功率也不同,这为3G系统有效支持多种业务、 提供不同等级的服务质量奠定了基础。

CDMA 概念
类比: 国际性集会

-同一房间(频率)的多个交谈 -每一对话的音量要控制到最小(功率控制) -使用不同的语言(码分)
?小区呼吸 ?软容量

? GSM - FDMA/TDMA 混合方案 ? 窄带载频复用

Time Power

Power

CDMA 概念

Frequency

? WCDMA 使用CDMA直接扩频技术
Frequency

? 码分多址 - 多个用户同时使用一个载频 ? 单频复用

CDMA

宽带扩频技术
强度 强度 大衰落

窄带系统
发射信号

频率

接收到的衰落信号

频率

强度

强度

大衰落

宽带系统
发射信号

频率 接收到的衰落信号

频率

最大优点:抗衰落性能强

频率复用因子
GSM
2 3 7 8 10 11 4 1 9 10 12 5 6 2 3 1 2 3 7 8 10 12 5 4 1 9 5 6 2 3 7 8 1 4 5 6 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1

WCDMA

11

10 12

1
9

9
11

1
1

1
1

11

12

7
8

4

6

N=12 frequency reuse

N=1 frequency reuse

3 信源编码技术
信源编码—有效性
采用速率可变信源编码进一步提高编码效率
? ?

?

AMR(动态多码率编码):AMR编码允许系统根据无线 接口的资源动态调整话音编码速率 8K EVRC(Enhanced Variable Rate Vocoder), 8K QCELP,13KQCELP (Qualcomm Code-Excited Linear Predictive )

AMR控制
? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 120 100 80

? ?? ?§ ?

60 40 20 0 12.2 10.2 7.95 7.4 6.7 ? ? ? ? ? ? ? ? 5.9 5.15 4.75

?根据不同的区域/时效/用户,提供不同QoS服务 ?负载重的情况下,减轻负载,增加系统容量 ?负载轻的情况下,尽量提高QoS,增加满意度 ?采用4.75Kbps时相对12.2Kbps容量提高约40%

4、信道编码-可靠性
无纠错编码: BER<10-1 ~ 10-2 不能满足通信需要 满足语音、信令、 低速数据通信需要 满足数据通信需要

卷积编码: Turbo 码:

BER<10-3 BER<10-6

? WCDMA采用高性能的信道编码和二次交织,提高系统性能
– 编解码极大地降低了工作点的信噪比,是无线传输中的常用手段 – Turbo码能够使传输信号的信噪比接近Shannon极限

混合编码: HARQ
Sender CRC Encoder RCPC Encoder

Power Selector {p, mp }

Feedback

Rate Selecter {8/9, 4/5, 2/3, 1/2, 1/3}

Channel

Receiv er

CRC Decoder

RCPC Decoder

HARQ:FEC+ARQ

HSDPA

信源 编码

信道 编码

交织

扩频

扰码

WCDMA: 3.84Mchips/s cdma2000: 1.2288Mchips/s

数据速率

符号速率

码片速率

WCDMA:

数据速率=384Kbps, 符号速率=960Ksps, 码片速率=3.84Mcps

5、RAKE接收机
专为CDMA系统设计的分集相干扩频接收器 ? 可对多个携有相同信息且衰落特性相互独立 的单径信号进行相位校正并进行最大比合并 处理,从而达到克服多径衰落,提高接收信 号与干扰比的目的。 ? 实际的CDMA系统中的信道估计是根据发射 信号中携带的导频符号完成的。通过接收带 有确知信息的导频信号,可以对多径信号的 幅度和相位信息进行估计,从而使得多径分 集和相干接收成为可能。
?

RAKE接收机
单径接收电路 单径接收电路 接收机 单径接收电路 搜索器 计算信号强 度与时延 合并后 的信号 合 并

s(t)

s(t)

t

t

6.智能天线

干扰UE

全向小区

三扇区小区

智能天线小区

最大优点:能有效降低干扰,提供系统覆盖和容量
TD-SCDMA上下行链路工作于同一频率,对称的电 波传播特性使之便于使用智能天线等新技术

7.SDR技术
SDR Forum:能够实现充分可编程通信,对信 息进行有效控制,覆盖多个频段,支持大量波 形和应用软件的通信设备 ? 无线8F组 :政府关注 ? 软件无线电的核心思想是在尽可能靠近天线的 地方使用宽带A/D和D/A变换器,并尽可能多地 用软件来定义无线功能,各种信号处理功能都 尽可能用软件实现。 ? 由于第三代移动通信标准难以统一,软件无线 电作为个人全球漫游极有前景的解决手段,会 越来越多地应用到下一代多模多频终端中。
?

第二部分
? 无线传播特性

? 无线接口的主要技术
? 3G技术的特点和优势

68

3G技术的特点
特点 技术 扩频 / 编码
功率控制 软切换 / 更软切换 可变速编码器 为运营商 带来的好处
节省设备投资 提高频率利用 率 提高服务质量 争取用户 节省设备投资 减少工程设计 工作量,扩容 方便 提高网络的安 全性,为用户 提供安全保障 提高服务质量 争取用户 提高用户的方 便性和通话可 靠性 “绿色”手机

容量高

话音质量高 覆盖大 网络频率 规划简单 增强的私密 和安全性 减少掉话 延长手机电 池使用时间 减少对其它 电子系统的 干扰
)

BSS Package

2014-5-13

第三部分
WCDMA网络的结构与演进
孙震强

第三部分
? ?

3G技术标准选取

WCDMA标准版本选择 ? WCDMA无线接入网络 ? WCDMA核心网络

1、3G主流技术标准比较
标准分析 ? 网络性能 ? 终端分析 ? 漫游分析 ? 知识产权 ? 风险分析
?

标准分析
无线网: ? 核心网: ? 业务: ? QoS:
?
WCDMA:

WCDMA

cdma2000

R99 制定了网络业务能力提供、应用程序接口、业 带宽 5MHz 1.25MHz WCDMA cdma2000 务开发平台及业务开发工具一系列规范

码片速率 3.84Mcps 1.2288Mcps 在 R4版中,对业务开发平台、部分业务开发工具 信令协议 ITU No.7 北美No.7 WCDMA cdma2000 (包括LCS、MexE、USAT)作了修改,加强了其功 最高速率 2Mbps 153.6kbps(0) 能,还提出了文本电话( Text telephony )、多 网络结构 R99 中引入Iu 电路域 :IS-41E 演进 QoS 参数 四类 无 媒体信息业务(MMS)等业务规范。 R4中BICSCN 分组域: Mobile IP (R5)8~10Mbps 307.2kbps(A) R5版的规范还在制定当中,提出了IP多媒体业务 无线网 接入控制 无 (IMS)、Push Service 、 Streaming R5中IMS(SIP) ALL Service IP(SIP)等 2.4Mbps(DO) 业务。
QoS协商

智能网 CAMEL cdma2000 : 无线资源动态分配
业务与网络分离的思想 核心网 MPLS和DiffServ

WIN 3.1Mbps(DV)

DiffServ 在个别方面如定位(LCS)、增强信息业务(EMS) 上提出了一些规范

网络性能
?多个厂家提供的数据综合如下:

语音容量 ? 数据容量 ? 覆盖 ? 同步 ? 发射分集
?

cdma2000:35~45个8kbps_calls/1.25MHz/sector ?数据业务的容量与用户的业务模型、用户移动速率等 WCDMA:79~100个12.2kbps_calls/5MHz/sector 因素有关,总体上对于尽力而为( Best Effort)的数据 业务,两者容量相近 ?广州研发中心测试结果表明: ? 相同条件下,两种制式在覆盖上基本相同,比 ?在 多个厂家提供的数据综合如下: WCDMA 语 音 极 限 容 量 为 137 个 1800MHz GSM 稍好; 12.2kbps_calls/5MHz/sector cdma2000:300~570 kbps/1.25MHz /sector ?WCDMA采用异步方式,同步可选; ?多个厂家提供的数据综合如下: cdma2000 语 音 极 限 容 量 为 60 个 WCDMA : 1100~2688 kbps/5MHz/sector ?cdma2000采用同步方式; 城区,语音业务覆盖半径大约为 0.4~1km; 8kbps_calls/1.25MHz/sector ?都可以采用发射分集提高网络性能 ?广州研发中心测试结果表明: 郊区,语音业务覆盖半径大约为2~5km; 对 384kbps 业 务 , WCDMA 容 量 达 到 ? H3G在罗马支持Videocall 的典型数据是: 1536kbps/5MHz/sector; 对 144kbps 业 务 , 容 量 达 到 密集城区覆盖半径为 2066kbps 5MHz/sector; 350m,城区为600m,郊区为 1350m,农村为3500m; 对 144kbps 业 务 , cdma2000 1X 容 量 达 到 410kbps/1.25MHz/sector;比WCDMA低

终端分析
?

WCDMA和TD-SCDMA支持机卡分离 cdma2000有待改进 最高速率有所不同 都支持短信、多媒体短信、WAP

机卡分离 ? 功能 ? 业务生成环境
?

? ? ?

?
? ?

WCDMA支持电路域可视电话 WCDMA采用J2ME
cdma2000采用BREW

cdma2000 1X终端比WCDMA成熟性好,种类多,WCDMA 可支持电路域可视电话,电池使用时间已经接近2G终端。 从发展来看,两者硬件技术和业务能力相差不大,价格取决 于商用规模。

漫游分析
信令体系 ? 用户标识 ? 频率 ? 可漫游区域
?
?WCDMA的信令体系采用ITU的

No.7 信令标准 ?WCDMA使用ITU的IMSI号码来统一 全球移动用户号码,漫游功能实现 ? cdma2000的信令体系采用北美的 简便,规范完整。 No.7 信令标准 ? WCDMA 目前全部在2G Hz核心频段 上使用, GSM 在900MHz 、1800MHz 、 ? 国内、亚太两者都可 ? cdma2000 使用的是 ANSI-41 的MIN ? 在体现兼容性的高层信令方面, 1900MHz 上使用。 号码管理,目前其不具备全球漫游 WCDMA 的MAP优于cdma2000的 ?cdma2000美洲 的体系,因此需要使用其它一些补 ANSI-41 ? cdma2000/cdmaOne目前主要在 充方法来实现全球漫游 ?WCDMA欧洲 800MHz 、1800MHz、1900MHz上使用, 明确在2GHz上使用的只有KDDI、 LGT

WCDMA的国际漫游能力优于cdma2000。TDSCDMA必须采用多模终端才能实现国际漫游。

知识产权
专利拥有现状 –WCDMA专利分布比较分散 –cdma2000专利分布也较为分散,高通地位的变化 给专利费用的分配带来一定的影响,预计专利费不 会超过IS95的比例 –TD-SCDMA专利中,诺基亚、爱立信、西门子等国 外厂商持有大部分基本专利,大唐在物理层专利中 占有较大比重 进入WTO,厂商之间需要通过市场规则合理解决 知识产权问题,应尽早进行。 知识产权谈判进程 和结果,直接决定3G进程。

风险分析
?

产品商用化进程的风险 –设备 –终端 非核心频段cdma2000 1X风险较小,WCDMA、 cdma2000 1xEV-DO终端种类较少,有待进一步市场推 动,TD-SCDMA存在较大风险。 GPS的依赖风险

?

cdma20001x、TD-SCDMA对GPS有较强的依赖性, WCDMA就不存在该依赖性。

WCDMA的选取
优势:
–规模效应 –全球漫游能力 –信令组网方便 –核心网采用软交换的架构,有利于网络的演进 –业务拓展灵活 –可以和TD-SCDMA混合组网

劣势:
–目前终端种类相对较少,互操作性有待验证 –目前商用用户较少,市场有待进一步培育

CDMA2000的选取
优势:
– 产品成熟度较高,近期建网成本可能稍低 – 非核心频段的产品已经大规模商用,有成熟的组网经验 可以借鉴 – cdma2000 1X商用终端(非机卡分离、非核心频段)种 类较多

劣势:
– 全球漫游能力有一定的局限性 – 远期规模效益不如WCDMA – 核心频段产业链尚未成熟 – GPS同步问题,存在政策风险 – 芯片供货厂家单一

TD-SCDMA的选取
优势:
– TD-SCDMA无需对称频谱、适合非对称数据传输 – 中国掌握一定比例的知识产权 – 政府政策支持 (TSM/LCR)

劣势:
– 产业规模太小 – 产业化进程较慢 – 微蜂窝单独组网成本高,基站需求数量远远多于FDD 方式 – 目前世界上尚无一家运营商表示单独用TDD系统建网, 国际漫游受到限制 – 目前TD-SCDMA的产品基于TSM标准 ,无法支持平 滑升级至LCR

WCDMA+TD-SCDMA的选取
–优势:
? ? ? ? ? ? ? ? ? 可从WCDMA起步,待TD-SCDMA成熟后逐步引入TD-SCDMA 既利用了WCDMA的各种优点,又体现了对自主知识产权的支持 相对于TD-SCDMA单独组网,漫游能力有所加强 一定条件下,两种制式混合组网可以发挥各自技术优势 容易争取政策支持

–劣势:
两种制式混合组网的能力还需验证 网络规划运营复杂,尚无经验 同步建网难度较大 目前TD-SCDMA的产品侧重在TSM,但TSM不适合与WCDMA混 合组网 ? 对终端的要求较高, TD-SCDMA/WCDMA 双模终端开发计划尚 未提上日程

制式选择的建议
WCDMA 和cdma2000 1X两种制式在技术上并 无本质区别 ; ? WCDMA的产业规模效应 、良好的全球漫游能 力以及灵活的业务拓展能力得到了一致认可 ; ? cdma2000 1X产品的成熟性较高,TD-SCDMA 较差;
?

选择WCDMA 更有利于中国电信的长远可持续发展!

第三部分
? ? ?

3G技术标准选取

WCDMA标准版本选择

WCDMA无线接入网络 ? WCDMA核心网络

WCDMA标准化现状
?无线接入网采用WCDMA技术:RNC+Node ?Iur

B

、Iub 、Iu采用ATM标准

?
? ? ?

R99
R4 R5 R6

00
01 02 03

?OSA便于第三方参与各种新业务的开发

?CAMEL3
?无线接入网引入TD-SCDMA ?CS域承载与控制分离:MSC

Server+MGW

?新的信令:BICC、SIP-T、H.248 ?TrFO技术 ?无线接入网引入

HSDPA

?IMS

域:接入无关性

?CAMEL4
?WLAN与3G系统的结合 ?多媒体广播和多播业务(MBMS)

超3G(4G)

WCDMA的演进
R99
MMSC SCP GMLC HLR OMC Billing Server SCP GMLC HLR MMSC

R4
OMC Billing Server SCP GMLC MMSC

R5
OMC Billing Server HSS

MSC server
GMSC MSC SGSN GGSN

GMSC server

MSC server GMSC server

CSCF

MGCF

IMS
MGW MGW SGSN GGSN MGW MGW SGSN GGSN

CS

PS

CS

PS CS PS

BSS

RNS BSS

RNS BSS

RNS

核心网基于演进的 GSM和GPRS网络

电路域实现IP传输

核心网和无线接入 网均采用IP传输

WCDMA向全IP的演进符合下一代网络的发展趋势

WCDMA商用产品
?基于R99标准版 ?基于R99增强版:

“R99+分离结构” (准R4):
R99增强版: “R99+CS域分离结构” UTRAN、PS域—R99标准 CS域—R4标准
?基于R4标准版

中国电信:
? 没有2G/2.5G 网络; 2003/2004 年的版本选择: ?

有完整的TDM、IP、ATM固网资源; ? 可充分考虑技术的先进性和可发展性;

R99?R4?

版本论证
–技术分析
–现有资源利用程 度

–成熟度分析
–经济分析

–业务分析
–终端分析

1、技术分析
–无线接入 网 –PS域分析 –CS域分析 –QoS –网络安全 –演进路线 –其它

无线接入网
R4兼容R’99,结构还是由RNC和Node B组成,功能 基本与R’99相同,改进包括:
1)R4阶段引入TD-SCDMA: Node B同步 单模RNS、双模RNC、双模RNS R99阶段引入TD-SCDMA较困难
2) 支持新的定位方法(OTDOA、A-GPS),提高精度;

PS域分析-R4的改进
结构无任何变化,还是由SGSN和GGSN组成,

但R4对部分协议进行了更改以支持增强的业务能力: 1) PS域流媒体业务标准的统一(针对下行链路); 2)增加了对LCS的支持; 3)PS域所提供业务的OoS及安全性也得到进一步保证。

R4较R99有较少的改进!

CS域分析-R4的改进
R99
MSC Iu TDM GMSC TDM

?

承载与控制分离

R4
Iu MSC服务器 Nc Mc Iu MGW Nb Mc MGW TDM GMSC服务器

? ? ? ?

网络架构 信令 传输方案 互通性 TrFO

CS域网络架构

R99分层式网路结构可分为 ?二级网络结构 ?三级网络结构 ?二/三级网络混合结构

R4扁平式网路结构 ?承载在一个平面上交互,可以依 附到目前中国电信的分组网络上 ?相关信令通过MSC 服务器协商 完成,占用的宽带非常少

CS域的信令
Nc 接口:BICC (ITU-T Q.1901):支持ATM和IP用户面承载

Mc 接口
? H.248 ?IP传输

CAP
MSC Server

Nc

GMSC Server

MAP

Mc
MGW
Nb

Mc
MGW

CS域传输方案
可用TDM 、 IP 与 ATM承载
?

?

?

TDM:R99使用,R4较少使用 有成熟的QoS保证 PSTN现网需改造升级 IP:R4使用 经济,容易实现全IP的目标网络 QoS ?没有商业运行的先例 ATM:R4使用 成熟的QoS保证 需要对现网ATM改造

MSC Server
Mc MGW

Nc

GMSC Server
Mc MGW

Nb

CS域互通性
R99中通过GMSC与PSTN、ISDN互通; ? R4 中 通 过 GMSC 服 务 器 和 MGW 与
?

PSTN、ISDN互通;

承载与信令都有差异
? R99与传统PSTN互通容易 ? R4与固定软交换网络互通容易

CS域新功能-TrFO
实现WCDMA网络内的无需码型变换的语音通话 1、避免和减少了码型变换次数,有利于话音质量 的进一步提高和延时减少。编解码转换只需在 与PSTN的公网网关上使用。 2 、由于话音采用统计复用方式传递 ,相对于 TDM64K静态电路带宽分配而言,可提高传输 网的效率,实现网络带宽动态分配。例如AMR 12.2Kbps 在 IP 网中传输时只需增加一部分报头, 每个呼叫总共需要 20Kbps ,而传统的 TDM 传 输需要64Kbps。 节省70%

R4在CS域有较大改进
来自于软交换和分组技术的应用 –容量大,减少网络层次和优化网络 结构; –有利于集中维护,提高维护效率; –传输成本的节约; 但也存在QoS、安全方面的问题;

2、现有资源利用程度
1)R99充分利用TDM网络、ATM网络和IP网络 2)R4则主要利用ATM网络和IP网络
选择 R4 使得运营商在电路域和分组域的承载网上实现两网 合一成为可能,这样可以大大的减少运营商的网络建设和维 护成本。对于中国电信,可以充分利用现有强大分组网络作 为其承载网络,节省投资。 若要利用TDM网络,R4的许多优势就会失去,但可以在部 分地区利用TDM网络可以作为一个选项。

R99利旧能力强于R4!

3、成熟度分析
从标准的制定情况看,R99和R4都趋于成熟 ? 从设备的供货情况看,R99比R4成熟的多
?

–R99产品:完全采用R99标准; –R4产品:完全采用R4标准

从IOT情况看,R99比R4成熟的多 ? 从商用情况看,R99占绝大部分
?

承载与控制分离结构的R99增强性产品(准R4)有商用

R99成熟度远强于R4!

4、业务能力分析
业务升级通过MSC服务器进行,方便快捷; 2. R4新增12个OSA的API(应用协议接口)定义规范,以支 持不同的应用; 3. 改进了终端侧和网络侧的若干应用层业务开发工具包; 4. LCS精度提高; CELL—ID:大于300米 OTDOA:约100米 A-GPS:<10米 5. CS域中增加实时传真、增强紧急呼叫业务性能;
1. 6.

PS域增加ODB功能、统一PS域流媒体业务标准 ;

R4的业务能力较强!

5、经济分析-OPEX
与版本相关的成本占40.7%: ? 修理费占6.4%,准R4与R99持平; ? MSC服务器数量减少,人工费可以节省2%,这样OPEX能够节省 2%*17%=0.34% ? 各厂家均称R4的MSC 服务器和MGW的硬件集成度较高,相同容 量时,节省占地约2/3,节省电费约1/2。这样OPEX能够节省 50%*4%=2% ? 假设能够节省50%的长途传输电路,利用经济分析中的条件可以 计算出电路租费能够节省30%,这样OPEX能够节省 30%*13.3%=4%

准R4的OPEX会比R99略低,0.34%+2%+5%=6 .34 %

经济分析-CAPEX
?

准R4与R99相比,虽然MSC服务器可以大大减 少,但引入了许多MGW。

?

CS域核心网设备投资比例较小:小于15%
一般认为CAPEX变化不大

准R4比R99的经济性稍好!

比较总结:
比较因素 技术 业务能力 现有资源利用度 R99 弱 稍弱 稍强 R4 强 强 稍弱

成熟度 经济性

很强 稍弱

很弱 稍强

版本选择的建议
两种版本在业务提供上并无本质区别 ? R99产品的成熟性、稳定性得到了认同 ? R4的CS域技术先进性很有吸引力
?

迅速开展业务、占领市场和保证系统稳 定必须使用最成熟的产品!

? 2004年准R4(增强R99) ? 2005年后可以考虑R4

第三部分
3G技术标准选取 ? WCDMA标准版本选择
? ? ?

WCDMA无线接入网络
WCDMA核心网络

无线接入网
Uu
RNC Iub (ATM) Node B Iur Iu (CS & PS)

CS域

ATM Backbone Uu UE Iub (ATM) Node B RNC Iur Iu (CS & PS)

ATM Backbone

PS域

无线接入网

Node B(B节点)
进行空中接口L1层处理(信道编码和交织、速率匹配、 扩频等),也执行一些基本的无线资源管理操作,如内 环功率控制,逻辑上相当于GSM中的基站。 ?分为室内型基站、室外型基站、微蜂窝、软基站、多 模基站、多频基站等 ?可提供与ATM、SDH设备相连的标准接口,与已有传 输设备相连 ?通用公共无线接口(CPRI):分离射频和基带部分 ?发射功率、频率 ?接受灵敏度、范围

扩大无线网络覆盖
1. 分集接受 2. 发射分集

3. 塔顶放大器(TMA)
4. 直放站

5. 射频拉远(RRU)
6. 动态速率(AMRC)

7. 室内覆盖系统

扩大无线网络容量
1、微蜂窝---多层覆盖 2、多载频:3、6、12 3、HSDPA 4、射频拉远(RRU) 5、室内覆盖系统

终端
根据对不同业务的支持能力,可将终端分为4种类型:
?

?

?

?

基本型(A类) 面向普通话音业务和短信息业务 标准型(B类) 能支持高速数据业务、多媒体业务和Java应用 增强型(C类) 增加了对可视电话业务的支持 智能型(D类) 更强的数据处理能力,具备掌上电脑功能

多频终端
多频手机是指在同一个移动通信网络标准中能采用 不同频段进行传输的手机,如兼容900M和 1800M两个频段的手机。 由于用户数量的增加,单一的频率资源远远不能满 足用户通话的需求,要求移动通信商开辟新的频 段来扩大用户容量。而采用同一标准网络中在不 同的地区也会出现这一情况。
中国电信: 国内可能需要采用双频手机------多层覆盖\不同运营商 为了实现国际漫游,需要采用双频手机或三频手机。

多模终端
双模/三模 多模手机是指可以在不同技术标准的网络之间 使用的手机,它可以支持多种不同的无线电信 ?WCDMA —GSM: 中国电信--中国移动 号处理方式。 ?WCDMA—cdma2000: 中国电信--中国联通 多模手机针对的问题较多频手机更加复杂,由 ?WCDMA —PHS 中国电信-于针对的是完全不同的网络,他们使用不同的 频段,而且采用了不同的通信编码方式,这要 ?WCDMA —TD-SCDMA 中国电信— 求手机提供这多种模式的发射、接收和处理信 号系统,其开发难度比多频手机要大得多。

第三部分
3G技术标准选取 ? WCDMA标准版本选择 ? WCDMA无线接入网络
? ?

WCDMA核心网络

无线承载– 丰富多彩
Conversational Speech /CS
Streaming Video /CS Interactive/PS
Background /PS

UEs

NODE B

RNC

MSC/SGSN

4.1电路域-话路网
TMSC

CAMEL

HLR

Iu CS ATM Backbone MSC/VLR GMSC PSTN

? ? ? ?

MSC/VLR+GMSC+TMSC 采用传统的电路交换技术 网元之间采用MAP、CAP协议 基于电路的话音业务、电路型承载业务和补充业务: –总业务的70%以上

4.2分组网
MSC
Gr Iu PS ATM Backbone Gn Packet Backbone 3G GGSN BG Ga CG G p Other PLMN Gs Gi Packet Network Gi

HLR

3G SGSN

?SGSN:

服务GPRS支持节点,执行移动性管理、安全功能和接入控 制和路由选择等功能。 ?GGSN:网关GPRS支持节点,负责提供分组域与外部数据网的接口, 并提供必要的网间安全机制 ?BG: 边界网关,边界网关用于PLMN间GPRS骨干网的互连 . ?CG: 计费网关

4.3业务网络
? 智能业务 :VPN 、 PPS ? 基本电信业务 : 话音
–基于CAMEL3 ? 承载业务 :的移动智能网 VP、数据传输(话音增值平台)

? 数据增值业务 :SMS、MMS、流媒体 ? 补充业务
移动互联网、下载

–数据业务平台

总结
3G是从哪里来的(WHERE)? ? 3G是什么(WHAT)? ? 为什么要3G(WHY)? ? 如何选择3G(WHICH)?
?

如何建设3G(HOW)?


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