第五章 第三代移动通信系统

第五章第三代移动通信系统5-1概述5-2WCDMA系统的组成5-3cdma2000系统的组成5-4TD-SCDMA系统的组成5.1概述第三代（3G）移动通信系统（IMT-2000）是国际电信联盟（ITU）制订的一个能够提供移动综合电信业务的通信系统。3G将把移动无线接入技术以及蜂窝移动通信系统提供的业务功能提高到一个前所未有的水平。3G系统无论在技术还是业务应用上，对于运营商来说都是一个全新的课题，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。在当今Internet数据业务不断升温、固定宽带接入速率（HDSL、ADSL、VDSL）不断提升的背景下，第三代移动通信系统也从市场应用需求上得到了极大的催动，从而越来越被电信运营商、通信设备制造商和普通用户所关注。1.第三代移动通信系统的标准IMT-2000主要采用宽带CDMA技术，这一点各国已达成共识；但北美、欧洲、日本这三大区域性集团均向ITU提出了各自的标准，我国也积极参与了第三代移动通信技术的研究和标准的制订，成立了无线通信标准研究组（CWTS），专门负责标准的研究和制订，并向ITU提交了中国自己的标准TD-SCDMA。1999年10月ITU在赫尔辛基举行的ITU-RTG8/1会议上制订了第三代移动通信系统无线接口技术标准，主要组成部分分为CDMA和TDMA两类体制，包括以下5种方案：IMT-2000CDMADS，即欧洲和日本的UTRA/W-CDMA；IMT-2000CDMAMC，即美国的cdma2000MC；IMT-2000CDMATDD，即欧洲的UTRATDD和中国的TD-SCDMA；IMT-2000TDMASC，即美国的UWC-136和DECT；IMT-2000TDMAMC，即DECT。目前应用的方案是WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA。2.第三代移动通信系统的特点1）．全球普及和全球无缝漫游的系统。第二代移动通信系统，一般为区域或国家标准；第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。它将使用共同的频段，全球统一标准。2．具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务。现有移动通信系统主要以提供语音业务为主，随着发展也仅提供100--200kbit/s的数据业务，GSM到最高阶段的速率为384kbit/s。而第三代移动通信系统的业务能力将比第二代有明显的改进，它能支持从语音到分组数据、到多媒体业务，能根据需要提供带宽。3．3G将标准化业务能力，而不是业务本身，这样使得网络结构不再受制于电信业务。统一网络提供了一个多业务实现平台，可以方便承载各种电信业务，3G对一些基本电信业务（如话音、短消息等）标准化，也考虑到网络用户与异种网络（如GSM网络）用户之间的互通性与业务的继承性。3.第三代移动通信系统的目标与要求第三代移动通信系统的理论研究、技术开发和标准的制订工作早在上个世纪80年代中期就已经开始。3G的目标就是把多媒体业务及时地传送给移动域内的用户。也就是说，3G与现有的第二代移动通信系统相比，为任何地方的任何用户都能够提供更高的数据传输速率，能够更灵活地按照不同的服务质量提供多种业务。这个目标可以概括为实现通信全球化、综合化、智能化和个人化。3G的目标有以下5个方面：（1）全球漫游，以低成本的多模手机来实现。全球具有公有频段，用户不再限制于一个地区和一个网络，能与固定网络兼容、和现有移动通信网互连互通。在设计上具有高度的通用性，拥有足够的系统容量和强大的多种用户管理能力，能够提供全球漫游，是一个覆盖全球的、具有高度智能和个人服务特色的移动通信系统。（2）适应多种环境，包括城市和乡村、丘陵和山地、空中和海上以及室内场所。采用多层小区结构，即微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝，将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起，与不同的网络互通，提供无缝漫游和业务的一致性、网络终端的多样性，并与第二代移动通信系统共存和互通。系统结构开放，易于引进新技术。（3）能够提供高质量的多媒体业务，包括高质量的语音、可变速率的数据（从几kbit/s到2Mbit/s）、高分辨率的图像视频等多种业务。能支持面向电路和面向分组业务。（4）足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量。用户可以用惟一的个人电信号码（PTN）在任何时间、任何地点、任何终端上获取所需要的电信服务，这就超越了传统的终端移动性，真正实现了个人移动性。（5）网络结构可配置成不同形式，以适应各种服务需要，如公用、专用、商用和家用；具有高级的移动性管理，能保证大量用户数据的存储、更新、交换和实时处理等。ITU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求必须满足以下要求：（1）快速移动环境，最高速率达144bit/s；（2）室外到室内或步行环境，最高速率应达到384kbit/s；（3）室内环境，最高速率应达到2Mbit/s。（4）便于过渡、演进。第三代的网络引入时，要能在已具有相当规模的第二代网络基础上逐渐演进而成，并与固定网兼容。（5）上下行链路能够适应不对称业务的需求。（6）具有易于管理的信道结构。（7）灵活的无线资源管理和系统配置，支持频谱间的无缝切换，从而支持多层次的小区结构。（8）高频谱利用率。（9）高服务质量。（10）低成本。（11）高保密性。同时，还要将综合宽带网的业务量延伸到移动环境中，能够传送高达2Mbit/s的高质量图像，真正实现“任何人在任何地点、任何时间与任何人”都能便利地通信。第三代移动通信系统的发展趋势：早期的移动通信只具备用户之间的传统通话能力，而随着移动通信网络技术的发展，以及移动智能网的建立，移动通信业务正向话音通信业务和信息通信业务共存的多品种、多层次的方向发展。在市场和技术的双重推动下，移动通信走向多媒体化、智能化、分组化、个性化已经是一个必然的趋势。（1）3G业务的多媒体化是指3G的信息由话音、图像、数据等多种媒体构成，信息的表达能力和信息传递的深度都比2G有了很大的提高，基本上可以实现多媒体业务在无线、有线网之间的无缝传输。例如，可视电话在人们进行话音交流的同时，还可以看到对方的相貌和表情。而多媒体特性的另一个表现是话音识别和话音文本的双向转换，人们可以从电话中收听E-mail，也可以将会议的录音直接转换为文本进行存储。（2）3G业务的智能化主要体现为网络业务提供的灵活性、终端的智能化，例如，除输入密码外还可以通过话音、指纹来识别用户身份。（3）3G业务的分组化是指承载网络提供分组交换的能力，提供适合未来3G业务发展的交换机制，逐步实现从传统的电路交换技术转向以IP为基础的技术。（4）3G业务的个性化是指用户可以在终端、网络能力的范围内，设计自己的业务。运营商可以为用户提供虚拟归属环境（VHE），使得用户可以实现个人业务环境（PSE）的可携带化，用户在拜访网络可以享受到与归属网络一致的业务，保证个性化业务的全网一致性。4.第三代移动通信系统提供的业务3G移动通信网络将通过一条或多条无线链路提供接入固定通信网络（PSTN/ISDN）所支持的各种业务，并为移动用户提供专门的业务。ITU-T建议将3G所支持的主要业务，从用户的观点划分为交互性业务、分配性业务和移动性业务三大类。1)．交互性业务会话业务：将为用户与用户或用户与主机之间（如数据处理）实时的各类端到端信息（语音、音频、文字、图像、视频、信令）传送提供双向对话通信的手段，如会议电话、短消息会话。消息业务：将通过存储单元的存储转发、信箱和/或信息处理（信息编辑、处理和交换）等功能在各个用户之间提供用户到用户的通信，如语音信箱、传真信箱、电子邮件和视频邮件。检索与存储业务：能在信息中心检索和/或存储文字、数据、图像等信息，共享音频库和视频库。2)．分配性业务分配性业务是从一个中心源向网上数量不限的授权接收机分配一种连续的信息流。它包括广播业务，用户能够控制信息的呈现，信息可以传给所有接收机或寻址传给一部或多部特定接收机。3)．移动性业务移动性业务是直接与用户移动性相关的业务，包括终端移动性和个人移动性，如漫游业务，定位业务等。3G的业务将在数据速率和带宽等方面提出更多的要求。满足高流量等级和不断变化的需求，惟一的办法就是过渡到全IP网络，它将真正实现语音与数据的业务融合。移动IP的目标是将无线语音和无线数据综合到一个技术平台上传输，这一平台就是IP协议。未来的3G网络将实现全分组交换，语音和数据都将被封装在IP包内。全IP网络可以节约成本，提高可扩展性、灵活性和网络运作效率。IP技术在3G中的引入，使运营商能够为用户快速、高效、方便地部署丰富的应用服务，将改变移动通信的业务模式和服务方式。短消息业务（SMS）：短消息主要用来传递有限长度的简单文本信息，同时也可以将照片附加在短消息上。当网络演化到3G时，短消息所提供的各种多媒体信息服务、电子商务及娱乐服务仍将在无线数据业务中占据重要的位置，而且那时的传送速度也将大大提高。多媒体消息业务（MMS）：多媒体消息业务是在短消息业务基础上发展起来的一种新型消息业务。多媒体消息的内容包含文本、图形、图像、音频、视频等多种媒体类型，用户可以像使用短消息一样收发多媒体消息。消息发送时，不同的媒体如文本、图片、照片、音频、视频等组合成一个消息进行发送。定位业务（LCS）：可以通过基站对手机位置的测量，知道手机的位置区，达到定位的需要，未来定位业务将在物流、车辆管理、交通、人员群体位置服务等方面得到极大的应用。流媒体业务：通过流媒体业务可以实现视频点播、直播、视频监控等。WAP网关：WAP（WirelessApplicationProtocol)为无线应用协议，是一项全球性的网络通信协议。WAP目标是将Internet的丰富信息及先进的业务引入到移动电话等无线终端之中。WAP可以与电子商务相结合，实现移动电子商务（M-Business）。Java下载：支持Java应用的手机用户可以使用手机方便地享受移动运营商提供的Java下载服务。5.第三代移动通信系统的关键技术1）新型调制技术多载波调制：原理是把要传输的数据流分解成若干个子数据流，每个子数据流具有较低的码元速率，然后用这些子数据流去并行调制若干个载波。由于在多载波调制的子信道中，码元速率低，码元周期长，因而对传输信道中的时延扩展和选择性衰落不敏感，或者说在满足一条件下，多载波调制具有抗多径扩展和选择性衰落的能力。当然，多载波调制所用的各个子载波必须满足一定精度和稳定度的要求。多载波正交振幅调制（MC-QAM）：把待传输的数据流分解成多路低速率的子数据流，每一路数据流被编码成多进制QAM码元，再插入同步/引导码元，分别去调制各个子信道的载波，这些子载波综合在一起就形成了MC-QAM信号。正交频分复用和码分多址结合（OFDM-CDMA）：正交频分复用（OFDM）和传统频分复用（FDM）的不同之处是利用频率正交来区分不同子信道的载波，因而相邻子信道所占用的频段可以相互交叠，而不会相互干扰，因而可提高通信系统的频谱利用率。OFDM-CDMA调制技术综合利用了OFDM和DS-CDMA二者的优点，是高速数字移动通信系统中的一种优选调制方案。可变速率调制：未来移动通信系统不仅要传输不同速率和不同质量要求的多种业务，而且因为移动信道的传播性能经常会随时间和传播地点而随机变化，所以移动通信系统必须具有自适应改变其传输速率的能力，以便能灵活地为多种业务提供合适的传输速率，而且能在保证传输质量的前提下，根据传播条件实时地调整其传输速率（信道条件好，提高速率；信道条件差，降低速率），以充分发挥所用频谱的效率。如：可变速率正交振幅调制（VR-QAM）；可变扩频增益码分多址（VSG-CDMA）；多码码分多址（