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第七章 第三代移动通信系统及增强技术

第七章 第三代移动通信系统及增强技术. 7.1 概述. 7.2 IS-95. 7.3 CDMA2000 1x. 7.4 WCDMA. 7.5 TD-SCDMA. 7.6 CDMA2000 1x EVDo. 7.7 HSDPA. 概述. 7.1. IMT-2000 的主要目标和要求特点. IMT-2000– 意指工作在 2000MHz 频段并在 2000 年 左右投入商用的国际移动通信系统（ International Mobile Telecom System ），它既包括地面通信系统也包括卫星通信系统。

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第七章 第三代移动通信系统及增强技术

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  1. 第七章 第三代移动通信系统及增强技术 7.1概述 7.2IS-95 7.3 CDMA2000 1x 7.4 WCDMA 7.5 TD-SCDMA 7.6 CDMA2000 1x EVDo 7.7 HSDPA

  2. 概述 7.1

  3. IMT-2000的主要目标和要求特点 • IMT-2000– 意指工作在2000MHz频段并在2000年左右投入商用的国际移动通信系统（International Mobile Telecom System），它既包括地面通信系统也包括卫星通信系统。 • 基于IMT-2000的宽带移动通信系统称为第三代移动通信系统，简称为3G，它将支持速率高达2Mbps的业务，而且业务种类将涉及话音、数据、图像以及多媒体等业务。

  4. IMT-2000的目标 • 全球漫游 • 适应多种环境 • 能提供高质量的多媒体业务 • 足够的系统容量和强大的用户管理能力

  5. IMT-2000对传输技术提出的要求 • 全球性标准 • 多种环境下支持高速的分组数据传输速率 • 快速移动环境144kbps • 步行环境384kbps • 固定位置环境2Mbps • 便于系统的升级、演进，易于向下一代系统灵活发展 • 传输速率能够按需分配

  6. IMT-2000对传输技术提出的要求 • 上下行链路能适应不对称业务的需求 • 具有简单的小区结构和易于管理的信道结构 • 无线资源的管理、系统配置和服务设施要灵活方便 • 业务与其它固定网络业务兼容 • 频率利用率高 • 高保密性

  7. IMT-2000的发展历程 IMT-2000的发展大致经历了以下的历程： • 1991年，国际电联正式成立TG8/1工作组，负责FPLMTS标准的制定 • 1996年，FPLMTS正式更名为IMT-2000 • 1997年初，国际电联发出通函，向各国征集IMT-2000无线传输技术方案 • 1998年6月，ITU共收到10种地面无线传输方案， • 经过协调与融合，1999年11月，确定了IMT-2000的无线传输技术规范，将无线接口标准明确为五种方案，

  8. IMT-2000的发展历程(续)‏ • 2000年5月，国际电信联盟-无线标准部（ITU-R）最终通过IMT-2000无线接口规范（M.1457），包括：--美国电信工业协会（TIA）提交的cdma2000--欧洲电信标准化协会（ETSI）提交的WCDMA--中国电信科学技术研究院（CATT）提交的TD-SCDMA

  9. 序号 提案名称 双工方式 提交者 1 J:W-CDMA FDD、TDD 日本：ARIB 2 ETSI-UTRA-UMTS FDD、TDD 欧洲：ETSI 3 WIMS W-CDMA FDD 美国：TIA 4 WCDMA/NA FDD 美国：T1P1 5 Global CDMA II FDD 韩国：TTA 6 TD-SCDMA TDD 中国：CATT 7 cdma2000 FDD、TDD 美国：TIA 8 Global CDMA I FDD 韩国：TTA 9 UWC-136 FDD 美国：TIA 10 EP-DECT TDD 欧洲：ETSI DECT计划 IMT-2000地面无线传输技术提案

  10. 多址方式 标准名称 对应提案 CDMA IMT-2000 CDMA DS WCDMA IMT-2000 CDMA MC cdma2000 IMT-2000 CDMA TDD TD-SCDMA和UTRA-TDD TDMA IMT-2000 TDMA SC UWC-136 IMT-2000 TDMA MC DECT IMT-2000地面无线接口标准

  11. 3G系统承载的业务 • 3G—灵活的支持多种业务：话音、数据、图像及多媒体等；并能够灵活引进新业务 • ITU-R的建议M.816将3G支持的主要业务划分为交互性业务、分配性业务和移动性业务三大类。

  12. 3G系统承载的业务（续） （Ⅰ）交互性业务 会话业务、消息业务和检索与存储业务 （Ⅱ）分配性业务 例如广播业务 （Ⅲ）移动性业务 漫游业务和定位业务

  13. 3G系统的基本特征 系统频段 系统结构

  14. 系统频段（WCR-92）

  15. 系统频段 • ITU在2000年的WRC2000大会上在WRC-92基础上又批准了新的附加频段： • 806～960 MHz • 1710～1885 MHz • 2500～2690 MHz

  16. 频率范围（MHz） 工作模式 业务类型 备注 1920～1980 /2110～2170 FDD （频分双工） 陆地移动业务 主要工作频段 1755～1785 /1850～1880 FDD 陆地移动业务 补充工作频段 1880～1920 /2010～2025 TDD （时分双工） 陆地移动业务 主要工作频段 2300～2400 TDD 陆地移动业务 补充工作频段，无线电定位业务共用 825～835/870～880 885～915/930～960 1710～1755/1805～1850 FDD 陆地移动业务 之前规划给中国移动和中国联通的频段，上下行频率不变 1980～2010 /2170～2200 卫星移动业务 我国第三代移动通信系统的频率规划

  17. 3G系统中支持的新技术 • 高效的信道编码技术 • 智能天线技术 • 软件无线电技术 • 多用户检测与干扰消除 • 全IP核心网

  18. Is-95 7.2

  19. IS-95标准发展历程 CDMA技术的地位 is-95标准发展历程 cdmaOne IS-95 A iS-95 B

  20. IS-95 A 1989年 Qualcomm公司提出了CDMA蜂窝移动通信系统的实现方案 1993年 美国电信工业协会（TIA） 将CDMA系统确定为一个暂定标准——IS-95标准 1995年 形成了一个修订版本——IS-95A，并投入商用 产生过程 功率控制 软切换 多种形式的分集技术 关键技术

  21. 标 准 制定时间 说 明 ANSI J-STD-008 1995年 属于个人通信系统的CDMA标准 TSB-74 1995年 用于描述IS-95A系统和PCS系统相互间的交互关系 IS-95B 1998年 又称为TIA/EIA-95 IS-95 B的产生 需求 较高速率数据业务 新标准

  22. 内容 IS-95A + TSB-74 + ANSI J-STD-008 核心思想 在不改变IS-95A物理层的前提下，通过自适 应信道捆绑技术来提供高速数据业务 新算法 新的软切换算法增加了动态门限 由于种种原因，IS-95 B未能大规模商用 IS-95 B 的特点 • IS-96B简介

  23. IS-95前向链路 前向链路信道结构 前向链路基本操作 导频信道 同步信道 寻呼信道 前向业务信道 功率控制子信道 随路信道

  24. 前向链路信道结构 不同信号的区分 前向链路 （又称下行链路）指由 基站发往移动台 的无线通信链路。 物理信道 ～ 逻辑信道

  25. 逻辑信道 导频信道 （Pilot Channel） 发送导频信息，供移动台识别基站，并提取相干载波以进行相干解调。 同步信道 （Synchronizing Channel） 发送同步信息，供移动台建立与系统之间的同步。 寻呼信道 （Paging Channel） 供基站在呼叫建立阶段发送相关的控制信息。 前向业务信道 （Forward Traffic Channel） 发送用户业务数据，同时也传送信令信息。

  26. CDMA前向信道 （1.23MHz） 1个 1个 7个 55个 导频 同步 寻呼 寻呼 业务 业务 业务 业务 业务 … … … … 信道 信道 信道 信道 信道 信道 信道 信道 信道 1 7 1 N 24 25 55 W W W W W W W W 0 32 1 7 8 31 33 63 … 表示码信道编号 W i=0 63 （ ） i 移动台功率 业务数据 图8-3 IS-95前向链路信道结构 控制子信道 IS-95前向链路信道结构 特殊情况 当用户数过多，业务信道数目不够时，某几个寻呼信道可以临时用作业务信道； 极端情况下，7个寻呼信道和1个同步信道都可用作业务信道。

  27. IS-95前向链路信道处理过程 织；除导频信道外，其余信道均对输入的数据都进行信道编码（采用编码速率为1/2、约束长度为9的卷积编码）、块交 1 再用相应的Walsh码扩展频谱，图8-4 中A点之后即为经过Walsh码正交化后的信号； 3 2 流程 然后再经过QPSK正交调制后发送出去。

  28. Walsh函数0 1.2288Mcps 导频 信道 全0 A Walsh函数32 1.2288Mcps 编码 调制 调制 同步信道 比特 A 符号 符号 符号 符号 块交 卷积编码器 1.2kbps r=1/2， 重复 织器 K=9 2.4ksps 4.8ksps 4.8ksps Walsh函数p P=1∙∙∙7 1.2288Mcps 编码 调制 调制 寻呼信道 比特 A 符号 符号 符号 卷积编码器 符号 块交 9.6kbps r=1/2， K=9 重复 织器 19.2ksps 19.2ksps 19.2ksps 4.8kbps 9.6ksps 19.2ksps 寻呼信道 长码 分频器 长码掩码 发生器 1.2288Mcps 处理过程1 图8-4a IS-95 前向链路信道处理

  29. 用户m的 前向业务信道 信息比特 编码 调制 数据速率为9.6 和4.8kbps增加 帧质量指示位 符号 增加8位编 码尾比特 符号 符号 卷积编码器 重复 r=1/2， K=9 8.6kbps 19.2ksps 9.2kbps 9.6kbps 4.0kbps 4.4kbps 4.8kbps 9.6ksps (172、80、40 或16bit帧） 2.0kbps 2.0kbps 2.4kbps 4.8ksps 0.8kbps 0.8kbps 1.2kbps 2.4ksps 19.2ksps Walsh函数 n 1.2288Mcps 800bit/s 功率 控制比特 复 A 调制 用 符号 块交 织器 19.2ksps 19.2ksps 800Hz 用户m的 长码掩码 长码 分频器 分频器 发生器 1.2288Mcps 处理过程2 图8-4b IS-95 前向链路信道处理

  30. I支路导频PN序列 1.2288Mcps I 基带 I(t)‏ 滤波器 s(t)‏ A cos ω t Σ c Q 基带 Q(t)‏ 滤波器 sin ω t c Q支路导频PN序列 1.2288Mcps 处理过程3

  31. 前向链路基本操作 卷积编码 符号重复与块交织 扩频与调制 变速率声码器 变速率传输控制 长码产生 Description of the business Description of the products 基带滤波 数据加扰

  32. 原理 参数 结构 通过增加监督位， 进行检错和纠错 编码效率为1/2 约束长度为9 见下页 卷积编码

  33. IS-95前向链路的卷积编码器结构 c0 g0 信息比特 （输入） 码符号 （输出） g1 c1 图8-5 IS-95前向链路的卷积编码器结构（r=1/2、k=9） 该卷积编码器的生成函数为g0 = (111101011) g1= (101110001)‏ 初始状态为全0。 c0先输出，c1后输出。

  34. 符号重复和块交织 原因 在进行块交织之前，如果前向信道的数据速率低于额定数据传输速率，则还要对卷积编码器的输出符号进行重复，使得各种符号速率变成相同的调制符号速率，以便进行统一的交织操作。 重复次数 符号重复 作用 对付突发性干扰，将突发性差错分散开来，变为随机差错。 方法 “比特反转” 符号位置变换为二进制数据 反转比特顺序 变回十进制 注意：位置按从0开始编号 块交织 n = 额定速率/当前速率

  35. 扩频与调制 前向链路的每个信道都用一个码片速率固定为1.2288Mcps的Walsh函数扩展频谱，以此保证前向链路的各个信道之间具有正交性。 扩频 PN短码序列 QPSK调制 按照生成多项式产生的序列周期长度为215-1 当序列每个周期中出现14个连“0”时，再插入一个“0”，从而周期长度为215（32768），而且序列中“0”和“1”的个数各占一半，使码的平衡性更好 一个信道的数据分别与两个不同的PN短码进行模2加,经过基带滤波成型后的I路Q路信号使用同相载波和正交 载波进行调制，相加后发送出去。 将（0，1）映射至（+1，-1），

  36. I支路导频PN序列 I(t I(t )‏ )‏ 基带 基带 I(t I(t )‏ )‏ 基带 I 滤波器 滤波器 滤波器 s(t)‏ A A A A cos cos cos ω ω ω cos cos cos ω ω ω t t t t t t c c c Σ c c c Σ Σ Σ 基带 Q(t Q(t )‏ )‏ 基带 Q(t Q(t )‏ )‏ 基带 Q 滤波器 滤波器 滤波器 sin ω t sin sin ω ω t t sin sin sin ω ω ω t t t c c c c c c Q支路导频PN序列 Q信道 （1，0） （0，0） （I，Q） I信道 （1，1） （0，1） QPSK调制的实质 图8-4c IS-95 前向链路信道处理 图8-6 IS-95前向链路QPSK调制星座图及相位转移关系

  37. 基带滤波 频率响应 I和Q 支路数据脉冲被分别加至基带滤 波 器的输入端。 应满足 α和τ是使均方误差最小的常数。 常数Ts = 203.45 lns，刚好是一个PN码片时间的四分之一 基带滤波器频率响应限值 冲击响应

  38. 数据加扰 目的：数据安全 实现方法: 对交织器输出数据和PN长码的抽样值进行模2加 用于前向业务信道和寻呼信道 速率:与被扰的符号序列速率相同 19.2ksps 扰码来源:每64个码片的第一个码片

  39. 长码产生 • 周期 242-1 • 速率 1.2288Mcps • 作用 • 前向链路寻呼信道和业务信道的数据加扰 • 反向链路中区分用户 • 特征多项式 • 长码发生器的结构 • 长码掩码的格式

  40. 长码发生器的结构 最高 最高 有效位 有效位 模2加 加 长码输出 2 模 最低 最低 有效位 有效位 42比特长码掩码 长码发生器是由42级移位寄存器、相应的反馈支路以及模2相加器组成。 为了保密起见，42级移位寄存器的各级输出与长码掩码（一个42位的序列）相乘，然后进行模2加，得到长码输出。 图8-9 长码发生器

  41. 导频信道 设置 在每个载频上的每小区或扇区配置一个 发射功率 时间周期（2s)‏ 初始同步，并提取相位和载波信息 对导频信号电平进行检测，以比较相邻基站的信号强度，并决定是否进行切换 主要功能 信号构成 输入全0，由正交的PN短码对构成

  42. Walsh函数0 1.2288Mcps 导频 信道 全0 A 导频信道的处理过程 • 导频信道不携带任何用户信息，输入为全0 • 没有经过编码和交织 • 固定使用沃尔什函数0（ ）进行扩频 • 然后进行四相调制

  43. 同步信道 每载频上的每小区/扇区配置一个 设置 以高帧为基础帧长 帧长为26.66 ms（含32 bit）超帧长80 ms（含96 bit）高帧长2 s 为移动台提供同步信息 完全同步 改用为业务信道 主要功能 定时关系

  44. Walsh函数32 1.2288Mcps 编码 调制 调制 同步信道 比特 A 符号 符号 符号 符号 块交 卷积编码器 1.2kbps r=1/2， 重复 织器 K=9 2.4ksps 4.8ksps 4.8ksps 同步信道的处理过程 • 固定使用Walsh函数，数据速率为1.2 kbps • 卷积编码后的符号速率为2.4 ksps • 符号重复后的符号速率为4.8 ksps • 交织后的符号速率为4.8ksps，交织时延为26.66 ms • 与1.2288 Mcps 的Walsh码模2加 • 进行四相调制

  45. 寻呼信道 分为9.6kbps或4.8kbps两种 7个 传输速率 设置 帧长20 ms 半帧10ms 超帧80ms（ 4个寻呼信道帧） 时隙80ms 时隙模式 非时隙模式 时间划分 监听

  46. 消息类型 消息内容 备注 公共开销信息 系统的配置参数 如：系统参数消息、接入参数消息、邻区列表消息、CDMA信道列表消息等 移动台可以根据这些消息发起接入、扫描相邻基站、进行切换等 针对特定 移动台的消息 控制消息 如：时隙寻呼消息、寻呼消息、标准的指令消息、信道分配消息、数据子帧消息、鉴权查询消息、共享安全数据（SSD）更新消息、特性通知消息等 在业务信道尚未建立时，基站向移动台发送的专用消息。 寻呼信道的主要功能 向覆盖区域内的移动台广播系统配置参数 向尚未分配业务信道的移动台传送控制消息等

  47. Walsh函数p P=1∙∙∙7 1.2288Mcps 编码 调制 调制 寻呼信道 比特 符号 符号 符号 A 卷积编码器 符号 块交 9.6kbps r=1/2， K=9 重复 织器 19.2ksps 19.2ksps 19.2ksps 4.8kbps 9.6ksps 19.2ksps 寻呼信道 长码 分频器 发生器 长码掩码 1.2288Mcps 寻呼信道的处理过程 以4.8kbps的信息速率为例 • 卷积编码 码速提高一倍，符号速率为9.6 ksps • 符号重复 重复一次，符号速率为19.2 ksps • 交织器 交织矩阵为24×16（384个码元） 交织时延为一帧时间（20ms） • 数据加扰 保密起见 • 与相应Walsh码模2加 • 送入四相调制器

  48. 数据速率（kbps） 每个调制符号的能量 9.6 Es = Eb / 2 4.8 Es = Eb / 4 2.4 Es = Eb / 8 1.2 Es = Eb / 16 前向业务信道 • 功能 • 传输业务信息 • 传送随路信令信息 • 结构 • 用户的业务数据 • 功率控制子信道 • 各种数据速率的发射符号能量 前向业务信道的帧长为20ms，数据传输速率在 帧间是可变的，不同数据速率的发送能量不同 • 处理过程

  49. 前向业务信道的处理过程 Walsh函数p P=1∙∙∙7 1.2288Mcps 编码 调制 调制 寻呼信道 比特 A 符号 符号 符号 卷积编码器 符号 块交 9.6kbps r=1/2， K=9 重复 织器 19.2ksps 19.2kps 19.2ksps 4.8kbps 9.6ksps 19.2ksps 寻呼信道 长码 分频器 长码掩码 发生器 1.2288Mcps 卷积编码 符号重复 交织 数据加扰 Walsh码扩频 QPSK调制后送往射频发送

  50. 输入信息 添加帧质量指示位 添加尾比特（全0） 进入卷积编码器 速率(kbps)‏ Bit/帧 Bit/帧 Bit/帧 速率(kbps)‏ 8.6 172 +12 +8 9.6 全速率 4.0 80 +8 +8 4.8 半速率 2.0 40 —— +8 2.4 1/4 速率 0.8 16 —— +8 1.2 1/8 速率 卷积编码 添加“帧质量指示”是指加入循环冗余校验码（CRC），接收端根据它判断此帧是否错误，进而判断信道质量。 尾比特用于消除当前一帧对下一帧的影响。

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