数据通信第八章 3G 和未来通信系统

数据通信第八章3G和未来通信系统

第8章 3G和未来通信系统 8.1 概述 8.2 IMT-2000 8.3 主要技术标准 8.4 移动通信的发展趋势

8.1 概述 • 1. 含义 • 第三代移动通信系统简称3G，就是IMT-2000，它是国际电信联盟（ITU）在1985年提出未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS）的名称的更换，意思是在2000年左右可开始商用并工作在2000MHz频段上的国际移动通信系统（IMT-2000）。 • IMT-2000: International Mobile Telecom System-2000,国际移动电话系统-2000

8.1 概述 • 3G系统与现有的2G系统有着根本的不同: 本质上，3G系统采用CDMA和分组交换技术，而2G系统则通常采用的TDMA和电路交换技术。在电路交换的传输模式下，无论通话双方是否说话，线路在接通期间保持开通，并占用带宽，因此与现在的2G系统相比，3G系统将支持更多的用户，实现更高的传输速率。

8.1 概述 2. 三种主流3G技术标准 1997年4月，ITU向各成员国征集IMT-2000的无线接口候选传输技术。这引发了长达近四年的3G技术标准之争和技术融合的进程。最终在2001年确定了cdma2000、WCDMA、TD-SCDMA这三种主流3G技术标准。

3. 实现目标 第三代移动通信系统的目标包括以下几个主要方面:  (1) 与第二代移动通信系统及其他各种通信系统(固定电话系统、无绳电话系统等)相兼容。 (2) 全球无缝覆盖和漫游。 (3) 支持高速率(高速移动环境144 kb/s; 室外步行环境384 kb/s; 室内环境2 Mb/s)的多媒体(话音、数据、图像、音频、视频等)业务。

4. 频谱规划 • 1) 主要工作频段 • (1) 频分双工(FDD)方式: 1920~1980 MHz、 2110~2170 MHz。 • (2) 时分双工(TDD)方式: 1880~1920 MHz、 2010~2025 MHz。 • 2) 补充工作频段 • (1) 频分双工(FDD)方式: 1755~1785 MHz、 1850~1880 MHz。 • (2) 时分双工(TDD)方式: 2300~2400 MHz, 与无线电定位业务共用, 均为主要业务, 共用标准另行制定。 • 3) 卫星移动通信系统工作频段 • 1980~2010 MHz、 2170~2200 MHz。 

5. 应用 (1) Internet应用。 (2) 无线视频、图像的传输。 (3) 多媒体服务。 (4) 各种承载服务。 (5) ……

6. 存在问题 • 理论速率难以实际化 • 2) 终端的局限性 • 屏幕显小。 • (2) 缺乏键盘。 • (3) 多模终端。 • (4) 交互式操作困难。 • 3) 移动内容提供商还不成熟 • 4) 用户缺少无线上网的动机和时机 • 5) 对压缩技术提出了更高的要求 • 6) 计费模式将面临较大的挑战

7. 后3G（Beyond 3G）技术已显露端倪 • 人们希望能在移动环境中数据传输速率更高，即从2Mbit/s提高到100Mbit/s。 • 因此还需要研究更高传输速率的调制技术、软件无线电技术、智能天线技术和广带（Broad band）IP网络技术。 • 这就是4G移动通信技术研究。

8.2 IMT-2000 1. 含义 1996年, 3G由FLMTS更名为IMT-2000, 其含义是2000年左右投入商用, 核心工作频段为2000 MHz以及多媒体业务最高运行速率第一阶段为2000 kb/s。

2. 主要技术标准 由于无线接口部分是3G系统的核心组成部分，而其他组成部分都可以通过统一的技术加以实现，因此，无线接口技术标准即代表了3G的技术标准。  1999年10月, 在芬兰赫尔辛基召开的ITU TG8/1第18次会议通过了IMT-2000无线接口技术规范建议(IMT.RSPC)。 2000年5月, 国际电信联盟最终从10个候选方案中确立了IMT-2000所包含的以下5个无线接口技术标准: 

5个无线接口技术标准:  • IMT-2000 CDMA DS, 对应WCDMA, 简化为IMT-DS。 • IMT-2000 CDMA MC, 对应CDMA 2000,简化为IMT-MC。 • IMT-2000 CDMA TDD, 对应TD-SCDMA和UTRA TDD, 简化为IMT-TD。 • IMT-2000 TDMA SC, 对应UWC-136, 简化为IMT-SC。 • ·IMT-2000 FDMA/TDMA, 对应DECT, 简化为IMT-FT。

IMT-2000地面无线接口标准

3. 系统结构 • 三个组成部分包括:  • 用户终端。 • (2) 无线接入网(RAN， Radio Access Network)。 • (3) 核心网(CN， Core Network)。 IMT-2000系统结构图

四个接口包括:  (1) 网络与网络接口(NNI， Network and Network Interface), 指的是IMT-2000家族核心网之间的接口, 是保证互通和漫游的关键接口。 (2) 无线接入网与核心网之间的接口(RAN-CN), 对应于GSM系统的A接口。 (3) 移动台与无线接入网之间的无线接口(UNI)。 (4) 用户识别模块和移动台之间的接口(UIM-MT)。

5. 第一阶段的标准化情况 IMT-2000无线接口技术与核心网的关系

5. 第一阶段的标准化情况 1) 3GPP(3rd Generation Partnership Project, 第三代合作伙伴计划)的标准化情况 3GPP主要制定基于GSM MAP核心网、 WCDMA和CDMA TDD无线接口标准的演进策略, 称为UTRA, 由图中序号①标示的实线所示。同时也在无线接口定义与ANSI-41核心网兼容的协议, 由图中序号③标示的虚线所示。 ANSI-41：ANSI (American National Standards Institute, 美国国家标准局). CDMA2000的核心网是基于ANSI-41的.

5. 第一阶段的标准化情况 2) 3GPP2的标准化情况 3GPP2主要制定基于ANSI-41核心网、 CDMA 2000无线接口标准的演进策略, 由图中序号②标示的实线所示。同时也在无线接口定义与GSM MAP核心网兼容的协议, 由图中序号④标示的虚线所示。

3) IMT-2000网络发展趋势 • 从IMT-2000第一阶段的标准化现状可以看出, 它们采用了比较类似的方式: • 即完全是在第二代核心网的基础上, 引入第三代移动通信无线接入网络, 通过电路交换和分组交换并存的网络来实现电路型话音业务和分组数据业务, 充分体现了网络平滑演进的思想。 • 相信在后续发展阶段, IMT-2000核心网的演进会更加平滑, IMT-2000系统会更加成熟。

8.3 主要技术标准 标准比较：（1） WCDMA系统能够架设在现有的GSM网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。（2） CDMA2000（3x）是由窄带CDMA(CDMA IS95)技术发展而来的宽带CDMA技术，相对于2.5G的CDMA2000（1x）的主要区别在于应用了多路载波技术。（3） TD-SCDMA标准将智能天线、同步CDMA和软件无线电等当今国际领先技术融于其中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。该标准提出不经过2.5代的中间环节，直接向3G过渡，非常适用于GSM系统向3G升级。

8.3.1、WCDMA系统简介 • WCDMA的核心网采取的是由GSM的核心网逐步演进的思路, 即由最初的GSM的电路交换的一些实体, 然后加入GPRS的分组交换的实体, 再到最终演变成全IP的核心网。 • 这样可以保证业务的连续性和核心网络建设投资的节约化。 • 由于WCDMA的无线接入方式完全不同于GSM的TDMA的无线接入方式, 因此, WCDMA的无线接入网是全新的, 需要重新进行无线网络规划和布站。 • 为了体现业务的连续性, WCDMA的业务与GSM的业务是完全兼容的。

中兴WCDMA R4系统网络结构

1、系统组成 • (1) 无线接入网。 • WCDMA系统中包括两类接入网络技术: GSM/GPRS的BSS (Base Station Subsystem)和UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network, UMTS 无线接入网络) 。 • UTRAN与WCDMA终端和双模终端通信, 包括基于基站(Node B)和无线网络控制器(RNC)两部分。 • UTRAN比BSS系统更复杂, RNC之间可以直接相连, 并能提供CDMA特有的软切换。UTRAN系统基于ATM网络, 因此提供了更高的信令和数据速率, 它针对话音传输采用了AMR技术, 可以提高话音质量和系统容量。 • 同时, UTRAN比BSS系统更开放, 移动台同RNC之间的Iub接口及RNC之间的Iur接口都是3GPP所规定的公共接口。

(2) 移动台(MS) • MS是用户终端设备。 • 由于WCDMA系统支持两种接入网络技术,因此,系统中可能存在三种终端: GSM/GPRS终端、 WCDMA终端、同时支持GSM/GPRS和WCDMA接入的双模终端。 • GSM/GPRS终端通过Um接口接入BSS子系统, 其组成包括移动设备(ME)和SIM卡两部分; WCDMA终端通过Uu接口接入到UTRAN; 双模终端可以通过两个接入网与网络设备通信。 • WCDMA系统的MS能够为用户提供电路域和分组域的各种业务功能, 包括话音、短信息、移动数据业务等。其中, WCDMA终端和双模终端更可以提供宽带话音和高速的数据通信。

(3) 核心网 • 核心网负责与其他网络的连接和对MS的通信及管理。 • 核心网包括两个域: 电路域(CS)和分组域(PS)。 • 电路域基于电路交换网络, 链路需要建立和释放, 通信过程中链路独占的方式保证了电路域的通信质量。 • 分组域基于分组交换网络, 信令和数据都是以数据包形式在分组网中传输的, 更加有效地利用了网络资源, 因而可以提供更加高速的传输速率。 • 考虑到通信的可靠性, 在数据通信前, 需要建立端到端的隧道,从而保证了服务质量。

2、 UMTS体系 • 如前所述, WCDMA的无线接入网UTRAN是基于UMTS体系的。 • UMTS(Universal Mobile Telecommunication System,通用移动通信系统), 是由欧洲开发、以GSM系统为基础、采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统。 • UMTS又分为两个方案: WCDMA和TD-CDMA。因此, WCDMA包含在UMTS体系之中, 由UMTS发展而来。

3、 UTRAN结构组成 UTRAN结构

3、 UTRAN结构组成 UTRAN结构如图所示。由图, UTRAN包括许多通过Iu接口连接到CN的RNS。一个RNS包括一个RNC和一个或多个Node B。Node B通过Iub接口连接到RNC上, 支持FDD模式、 TDD模式或双模式。Node B包括一个或多个小区。

3、 UTRAN结构组成 在UTRAN内部, RNS中的RNC能通过Iur接口交互信息, Iu接口和Iur接口是逻辑接口。Iur接口可以是RNC之间物理的直接相连, 也可以通过适当的传输网络实现。Iu、Iur和Iub接口分别为CN与RNC、 RNC与RNC和RNC与Node B之间的接口。

4. 关键技术 从WCDMA技术的定义及标准的演进来看, 其关键技术主要涵盖了以下六个方面:  1) CDMA技术 CDMA技术的WCDMA系统采用宽带CDMA方式, 包含了软切换、更软切换、功率控制等技术。从话音业务角度来说, WCDMA系统仍可算是上行受限。从无线网络规划角度而言, WCDMA与GSM有本质的区别。同时, WCDMA具备软容量概念。

2) 电路交换 以WCDMA系统目前产品化较为成熟的、市场上正在大量部署的R99版本标准来看, CS域采用的仍是基于64 K电路交换的MSC架构, 所有从UTRAN当中传出的分组话音, 必须经适当的编解码转换, 变为电路方式通过核心网传送; 反之则进行相反的转换。 3) ATM技术及协议 在WCDMA系统标准, 尤其是R99和R4的UTRAN中, 大量采用了ATM及其相关协议作为二层传送机制和服务质量保证机制, 如AAL2话音封装、AAL5信令封装、 CAC连接接纳控制机制及PNNI网络信令等。 

4) IP承载及应用 IP作为目前数据业务事实上的底层承载标准, 在WCDMA系统标准中获得了广泛应用。从UTRAN中传出的数据包, 通过PS域, 可承载于IP, 通过SGSN传至GGSN公共数据网。R4及以后的版本, 分组话音也可承载于IP。  5) 分组话音技术 R4以后, 电路域的话音采用了分组而非TDM方式承载, 采用了标准的分组话音网关加服务器的分布式网络体系结构, 采用H.248作为网关控制协议, 同时, 相对于64 K电路静态交换方式而言, 网络规划的复杂程度加大, 服务质量保证能力要求提高。

6) 传统信令 WCDMA系统标准中由于考虑到对GSM核心网设备的向下兼容性, 大量保留了传统的信令和协议, 如MAP、 ISUP等, 这些信令对WCDMA系统网络与GSM网络的漫游切换及与PSTN系统的互联至关重要。 

5. 现状和前景 WCDMA是全球3G主导标准, 迄今为止, 全球已发放了112个WCDMA牌照, 占ITU 3G核心频段(2.1 GHz)上所有牌照的95%以上。WCDMA的商用服务已经在日本、欧洲等地展开。 WCDMA建网成本低, 服务质量高, 可提供音频、视频等丰富多彩的多媒体业务, 能够给运营商带来真正的收益，因此, WCDMA前景可观。

8.3.2 TD-SCDMA系统简介 • 1. 技术概述 • 目标是要建立一个具有高频谱效率和高经济效益的先进的移动通信系统。 • 其基本技术特性之一是在TDD模式下, 采用在周期性重复的时间帧里传输基本的TDMA突发脉冲的工作模式(和GSM相同), 通过周期性地转换传输方向, 在同一个载波上交替地进行上下行链路传输。 • 这个方案的优势在于上下行链路间的转换点的位置可以因业务的不同而任意调整。当进行对称业务传输时,可选用对称的转换点位置; 当进行非对称业务传输时, 可在非对称的转换点位置范围内选择。这样, 对于上述两种业务, TDD模式都可提供最佳频谱利用率和最佳业务容量。

1. 技术概述 • 此外, 针对不同性质的业务, TD-SCDMA既可以在每个突发脉冲基础上利用CDMA和多用户检测技术进行多用户传输从而提供速率为8~384 kb/s的话音和多媒体业务, 也可以不进行信号的扩频从而提供高速数据传输, 如移动因特网的高速数据业务。 • 在基站收发信台(BTS)和用户终端(UE)中的业务模式转换是通过数字信号处理软件(DSP-SW)实现的。这一方法为实现软件无线电奠定了基础。

1. 技术概述 • 总体来看, TD-SCDMA的无线传输方案是FDMA、TDMA和CDMA三种基本传输模式的灵活结合。 • 这种结合首先是通过多用户检测技术使得TD-SCDMA的传输容量显著增长, 而传输容量的进一步增长则是通过采用智能天线技术获得的。 • 智能天线的定向性降低了小区间干扰, 从而使更为密集的频谱复用成为可能。 • 另外, 为了减少运营商的投资, 无线传输模式的设计目标一是提高每个小区的数据吞吐量, 另一个是减少小型基站数量以获得高收发器效率。TD-SCDMA在实现这一目标方面也较为理想。 

TD-SCDMA系统结构

2. 系统结构 • TD-SCDMA系统的设计集FDMA、TDMA、CDMA和SDMA技术为一体, 并考虑到当前中国和世界上大多数国家广泛采用GSM第二代移动通信的客观实际, 它能够由GSM平滑过渡到3G系统。

2. 系统结构 • TD-SCDMA系统的功能模块主要包括: 用户终端设备(UE)、基站(BTS)、基站控制器(BSC)和核心网。 • 在建网初期, 该系统的IP业务通过GPRS网关支持节点(GGSN)接入到X.25分组交换机, 话音和ISDN业务仍使用原来GSM的移动交换机。 • 待基于IP的3G核心网建成后, 将过渡到完全的TD-SCDMA第三代移动通信系统。

3. 关键技术 • 1) 智能天线 • TD-SCDMA系统的智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的, 直径为25 cm。同全方向天线相比, 它可获得8 dB的增益。 • 采用智能天线后, 应用波束赋形技术显著提高了基站的接收灵敏度和发射功率, 大大降低了系统内部的干扰和相邻小区间的干扰, 从而使系统容量扩大1倍以上。 • 同时, 还可以使业务高密度市区和郊区所需基站数目减少。天线增益的提高也能降低高频放大器(HPA)的线性输出功率, 从而显著降低运营成本。

天线增益（antenna gain） • 天线增益是指：在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比。 • 它定量地描述一个天线把输入功率集中辐射的程度。 • 增益显然与天线方向图有密切的关系，方向图主瓣越窄，副瓣越小，增益越高。 • 天线增益是用来衡量天线朝一个特定方向收发信号的能力，它是选择基站天线最重要的参数之一。

2) 综合采用多种多址方式 • TD-SCDMA使用了第二代和第三代移动通信中的所有接入技术, 包括TDMA、CDMA 和SDMA, 其中最主要的创新部分是SDMA。 • SDMA可以在时域、频域之外用来增加容量和改善性能, SDMA的关键技术就是利用多天线对空间参数进行估计, 对下行链路的信号进行空间合成。 • 另外, 将CDMA与SDMA技术结合起来也起到了相互补充的作用, 尤其是当几个移动用户靠得很近并使得SDMA无法分出时, CDMA就可以很轻松地起到分离作用, 而SDMA本身又可以使相互干扰的CDMA用户降至最小。 • SDMA技术的另一个重要作用是可以大致估算出每个用户的距离和方位, 可应用于第三代移动通信用户的定位, 并能为越区切换提供参考信息。

TD-SCDMA同时采用时分和码分多址

3) 动态信道分配 TD-SCDMA系统采用RNC集中控制的动态信道分配(DCA)技术, 在一定区域内, 将几个小区的可用信道资源集中起来, 由RNC统一管理, 按小区呼叫阻塞率、候选信道使用频率、信道再用距离等诸多因素, 将信道动态分配给呼叫用户。这样可以提高系统容量、减少干扰、更有效地利用信道资源。

4) 多用户检测 多用户检测主要是指利用多个用户码元、时间、信号幅度以及相位等信息来联合检测单个用户的信号, 以达到较好的接收效果。

5) 同步CDMA 同步CDMA指在上行链路各终端发出的信号在基站解调器处完全同步, 相互间不会产生多址干扰, 提高了TD-SCDMA系统的容量和频谱利用率。

数据通信 第八章 3G 和未来通信系统