第三代移动通信(3G)及其防雷设计策略初探

第三代移动通信（3G）及其防雷设计策略初探【摘要】本文介绍了第三代移动通信（3G）国际标准的三种主要技术体制及在三种制式下的移动通信网络的组成，根据3G的技术特点和网络构建方式结合电磁兼容理论和现代防雷理论来探讨3G网络防雷设计(策略)，并以一个高山移动基站防雷为例说明之。【关键词】第三代移动通信（3G）现代防雷理论防雷设计移动通信基站引言3G是英文3rdGeneration的缩写，是指第三代移动通信技术。它是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，能够处理图像、音乐、视频等多种媒体形式，提供网页浏览、电话会议、电子商务、信息服务。3G网络必须能够支持不同的数据传输速率，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbit/s、384kbit/s以及144kbit/s的传输速率。笔者在从事防雷工作当中也为移动通信系统做过防雷工程方案，对移动通信有一定的了解，近期认真学习了3G的有关知识，想从一个防雷工作者的视角来与同行探讨一下第三代移动通信（3G）防雷设计(策略)。13G的由来及发展（移动通信的发展）移动通信可以说从无线电发明之日就产生了。1897年，马可尼所完成的无线通信实验就是在固定站与一艘拖船之间进行的。而蜂窝移动通信的发展是二十世纪七十年代中期以后的事。移动通信综合利用了有线、无线的传输方式，为人们提供了一种快速便捷的通讯手段。由于电子技术，尤其是半导体、集成电路及计算机技术的发展，以及市场的推动，使物美价廉、轻便可靠、性能优越的移动通信设备成为可能。现代的移动通信发展至今，主要走过了两代，而第三代技术已趋于成熟，在欧洲已有商用，我国的3G正蓄势待发。第一代移动通信系统是模拟制式的蜂窝移动通信系统，时间是二十世纪七十年代中期至八十年代中期。1978年，美国贝尔实验室研制成功先进移动电话系统（AMPS），建成了蜂窝式移动通信系统，其它工业化国家也相继开发出蜂窝式移动通信网，这一阶段相对于以前的移动通信系统，最重要的突破是贝尔实验室在七十年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。第一代移动通信系统的典型代表是美国的AMPS系统（先进移动电话系统）和后来的改进型系统TACS（总接入通信系统）等。AMPS使用800MHz频带，在北美、南美和部分环太平洋国家广泛使用；TACS使用900MHz频带，分ETACS（欧洲）和NTACS（日本）两种版本。英国、日本和部分亚洲国家广泛使用此标准。第一代移动通信系统的主要特点是采用频分复用（FDMA）模拟制式，语音信号为模拟调制，每隔30kHz/25kHz一个模拟用户信道。第一代系统在商业上取得了巨大的成功但是其弊端也日渐显露出来：频谱利用率低；业务种类有限；无高速数据业务；保密性差，易被窃听和盗号；设备成本高；体积大，重量大。为了解决模拟系统中存在的这些根本性技术缺陷，数字移动通信技术应运而生，这就是以GSM和IS-95为代表的第二代移动通信系统，时间是从二十世纪八十年代中期开始。模拟蜂窝网虽然取得了很大的成功，但其频谱利用率低，业务种类受限，通话易被窃听，难以满足移动通信系统的发展。到了二十世纪八十年代中期，欧洲首先推出了泛欧数字移动通信网（GSM）的体系。随后美国和日本也制订了各自的数字移动通信体制。数字移动通信网相对于模拟移动通信网，提高了频谱利用率，支持多种业务服务并与ISDN等兼容。第二代移动通信系统以传输话音和低速数据业务为目的，因此又称为窄带数字通信系统。第二代数字蜂窝移动通信系统的典型代表是美国的DAMPS系统、IS-95和欧洲的GSM系统。GSM全球移动通信系统发源于欧洲，它是作为全球数字蜂窝通信的TDMA标准而设计的，支持64kbit/s的数据传输速率，可与ISDN互连。GSM使用900MHz频带，使用1800MHz频带的称为DCS1800。GSM采用FDD双工方式和TDMA多址方式，每载频支持8个信道信号带200kHz。GSM标准体制较为完善，技术相对成熟，不足之处是相对于模拟系统其容量增加不多，仅仅为模拟系统的两倍左右，无法和模拟系统兼容。DAMPS（先进的数字移动电话系统）也称IS-54（北美数字蜂窝），使用800MHz频带，是两种北美数字蜂窝标准中推出较早的一种，使用TDMA多址方式。IS-95是北美的另一种数字蜂窝标准，使用800MHz或1900MHz频带，使用CDMA多址方式，已成为美国PCS（个人通信系统）网的首选技术。由于第二代移动通信以传输话音和低速数据业务为目的，从1996年开始，为了解决中速数据传输问题又出现了2.5代的移动通信系统如GPRS和IS-95B。CDMA系统容量大，相当于模拟系统的10～20倍，与模拟系统的兼容性好。美国、韩国、香港等地已经开通了窄带CDMA系统，对用户提供服务。由于窄带CDMA技术比GSM成熟晚等原因，使得其在世界范围内的应用远不及GSM，国内有北京、上海、广州、西安四地的窄带CDMA系统在运行，但从发展前景看，由于自有的技术优势，CDMA技术已经成为第三代移动通信的核心技术。移动通信现在主要提供的服务仍然是语音服务以及低速率数据服务。由于网络的发展，数据和多媒体通信有了迅猛的发展势头，所以第三代移动通信应运而生，它的目标就是宽带多媒体通信。第三代移动通信系统（3G）是一种能提供多种类型、高质量的多媒体业务，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的通信系统。由于其诸多优点，全世界各个运营商、生产厂家与广大用户对此产生浓厚的兴趣。第三代移动通信系统的目标可以概括为：(1)能实现全球漫游，用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同速率、不同运动状态下获得有质量保证的服务。(2)能提供多种业务：提供话音、可变速率的数据、活动视频会话等业务，特别是多媒体业务。(3)能适应多种环境：可以综合现有的公众电话交换网、PSTN、综合业务数字网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统来提供无缝隙的覆盖。(4)足够的系统容量：强大的多种用户管理能力，高保密性能和高质量的服务。为实现上述目标，对其无线传输技术（RTT：RadioTransmissionTechnology）提出以下要求：1)高速传输以支持多媒体业务：室内环境至少2Mbit/s；室内外步行环境至少384kbit/s；室外车辆运动中至少144kbit/s；卫星移动环境至少9.6kbit/s。2)传输速率能够按需分配。3)上下行链路能适应不对称需求。第三代移动通信系统最早由国际电信联盟（ITU）于1985年提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS，FuturePublicLandMobileTelecommunicationSystem），1996年更名为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000，国际移动通信-2000），意即该系统工作在2000MHz频段最高业务速率可达2000kbit/s，预期在2000年左右得到商用。目前，IMT-2000标准中主要有WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三种技术体制，下面对于3G标准中三种技术体制特点作个简要介绍。23G标准三种主要技术体制特点2.1WCDMA技术体制特点WCDMA技术体制的核心网基于GSM/GPRS网络的演进，保持与GSM/GPRS网络的兼容性。核心网络可以基于TDM、ATM和IP技术，并向全IP的网络结构演进。核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。UTRAN基于ATM技术，统一处理语音和分组业务，并向IP方向发展。MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。空中接口特性如下：（1）空中接口：采用WCDMA；（2）信号带宽：5MHz；（3）码片速率：3.84Mcps；（4）语音编码：AMR语音编码；（5）同步方式：支持同步/异步基站运营模式；（6）功率控制：上下行闭环加外环功率控制方式；（7）发射分集方式：下行包括开环发射分集和闭环发射分集,提高UE的接收性能；开环发射分集又包括空时发射分集STTD（SpaceTimeTransmitDiversity）和时分发射分集TSTD（TimeSwitchedTransmitDiversity）；而闭环发射分集也包括两种模式；发射分集是可选项；（8）解调方式：导频辅助的相干解调方式，提高解调性能；（9）编码方式：卷积码和Turbo码的编码方式；（10）调制方式：上行BPSK和下行QPSK调制方式。2.2CDMA2000技术体制特点CDMA2000体制是基于IS-95的标准基础上提出的3G标准，目前其标准化工作由3GPP2来完成。电路域继承2GIS-95CDMA网络，引入以WIN为基本架构的业务平台。分组域是基于MobileIP技术的分组网络。无线接入网以ATM交换机为平台，提供丰富的适配层接口。空中接口特性如下：（1）空中接口：采用CDMA2000，兼容IS-95；（2）信号带宽：N×1.25MHz（N=1,3,6,9,12）；（3）码片速率：N×1.2288Mcps；（4）语音编码：8k/13kQCELP或8kEVRC语音编码；（5）同步方式:基站需要GPS/GLONASS同步方式运行；（6）功率控制:上下行闭环加外环功率控制方式；（7）发射分集方式：下行可以采用正交发射分集OTD（OrthogonalTransmitDiversity）和空时扩展分集STS（SpaceTimeSpreading），提高信道的抗衰落能力，改善了下行信道的信号质量；（8）解调方式：上行采用导频辅助的相干解调方式，提高了解调性能；（9）编码方式:采用卷积码和Turbo码的编码方式；（10）调制方式:上行BPSK和下行QPSK调制方式。2.3TD-SCDMA技术体制特点TD-SCDMA标准由中国无线通信标准组织CWTS提出,目前已经融合到了3GPP关于WCDMA-TDD的相关规范。核心网基于GSM/GPRS网络的演进保持与GSM/GPRS网络的兼容性。核心网络可以基于TDM、ATM和IP技术、并向全IP的网络结构演进。核心网络逻辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。UTRAN基于ATM技术，统一处理语音和分组业务，并向IP方向发展。MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。空中接口采用TD-SCDMA，TD-SCDMA具有“3S”特点：即智能天线(SmartAntenna)同步CDMA(SynchronousCDMA)和软件无线电(SoftwareRadio)。TD-SCDMA采用的关键技术有：智能天线﹢联合检测、多时隙CDMA﹢DS-CDMA、同步CDMA、信道编译码和交织(与3GPP相同)、接力切换等。要发展3G事业，首先要建设3G网络，针对三种不同的技术体制，都有其不同的建网特点。下面介绍3G的网络建设的特点。33G的网络建设特点（2G/2.5G向3G的演进）人们对高速数据业务和多媒体业务的需求以及第二代移动通信系统在这方面所固有的局限性，使第三代移动通信系统的出现成为必然。目前我国运营的移动通信网络主要为GSM（2G）/GPRS(2.5G),CDMA(2.5G)两大网络，对于3G网络的建设，主要原则是最大程度的利用现有的覆盖完善的网络资源的巨大优势，处理和解决好2G、2.5G、3G之间的网络融合，降低建设成本，而且保证最良好的通信效果，即“经济灵活建网”原则。在3G网络的具体建设中，应考虑如下内容：（1）漫游问题在2G/2.5G/3G同时覆盖时，我们倾向于3G用户优先接入3G网络，并保持在3G网络中。（2）切换问题由于2G/2.5G网络的广覆盖，在3G网络建设和运营初期对于语音业务的连接状态，双模终端从3G系统向2G/2.5G系统切换功能，其重要性要大于从2G/2.5G系统向3G系统的切换功能。（3）基础设施共用（共站址、共享室内分布系统、共机房、共天馈