第七章 第三代移动通信系统(西南交大出版社)

第七章第三代移动通信系统提要本章讲述了第三代移动通信系统的特点和系统结构，介绍了3G的演进策略和关键技术。WCDMA的关键技术的实现，了解空中接口和无线接入网的结构，学习全IP网络与HSDPA技术的实现，无线资源管理等。CDMA2000系统结构和系统实现的关键技术。介绍TD-SCDMA技术的发展和特点以及系统实现的关键技术，干扰分析和消除，讲述了网络规划和优化。(TD-SCDMA已经修改)7.1第三代移动通信系统的概述第三代移动通信，即国际电信联盟（ITU）定义的IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）,简称3G，相对第一代模拟通信系统（1G）和第二代GSM、CDMA等通信系统（2G），3G一般地讲是指将无线通信与国际因特网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统。第三代移动通信系统能够提供更大的通信容量和覆盖范围，具有可变的高速数据率、同时能提供高速电路交换和分组交换业务、具有更高的频谱利用率等特点。另外，3G系统还能提供更为可靠的信道编码、灵活配置的传输信道和逻辑信道，支持多种语言编码方案，为用户提供更为灵活的接入服务；与此同时，3G系统还继承了窄带CDMA系统容易使用软件无线电实现、语音质量高、手机功耗小等优点。当前，3G存在三大主流标准：一是WCDMA标准，也称为“宽带码分多址接入”，支持者主要是以GSM系统为主的欧洲厂商；二是CDMA2000标准，也称为“多载波码分多址接入”，由美国高通北美公司为主导提出，韩国现在成为该标准的主导者；三是TD-SCDMA标准，中文含义为“时分同步码分多址接入”，是我国独自制定的3G标准，它在频谱利用率、对业务的支持、频率灵活性及成本等方面都具有独特的优势，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持TD-SCDMA标准。在中国这几年通信技术进入了空前的高速发展，并且在保证了2G通信系统的存在的同时，大力发展和实现3G的应用，在许多地方开通了3G的业务并且得到了很好的评价，相信在最近的几年里，3G会完全进入到我们的生活，给我们带来本质的通信变化和发展。7.1.1第三代移动通信系统的特点3G进入了我们生活，其与前两代移动通信系统相比，可以把3G系统的特点概括为以下几点：①全球普及和全球无缝漫游的通信系统：2G系统一般为区域或国家标准，而3G是一个可以实现全球范围内覆盖和使用的通信系统，它可以实现使用统一的标准，以便支持同一个移动终端在世界范围内的无缝通信。②具有支持多媒体业务的能力，特别是支持因特网业务：2G系统主要以提供语音业务为主，即使2G的增强技术一般也仅能提供100kbit/s~200kbit/s的传输速率，GSM系统演进到最高阶段的速率传输能力为384kbit/s。但是3G系统的业务能力将有明显的改进，它能支持从语音到分组数据再到多媒体业务，并能支持固定和可变速率的传输以及按需分配带宽等功能，国际电信联盟（ITU）规定的3G系统无线传输技术的最低要求中，必须满足四个速率要求：卫星移动环境中至少可提供9.6kbit/s的速率的多媒体业务；高速运动的汽车上可提供144kbit/s速率的多媒体业务；在低速运动的情况下（如步行时）可提供384kbit/s速率的多媒体业务；在室内固定情况下可提供2Mbit/s速率的多媒体业务。③便于过渡和演进：由于3G引入时，现在的2G已具相当的规模，所以3G网络一定要能在原来2G网络的基础上灵活的演进而成，并应与固定网络兼容。④高频谱效率：3G具有高于现在2G移动通信系统两倍的频谱效率。⑤高服务质量：3G移动通信系统的通信质量与固定网络的通信质量相当。⑥高保密性：尽管2G系统的CDMA也有相当的保密性，但是还是不及3G的保密性高。7.1.2第三代移动通信的系统的结构1.IMT-2000系统的组成IMT-2000（国际移动通信-2000）系统构成如图7-1，它主要有四个功能子系统构成，即核心网(CN)、无线接入网(RAN)、移动台(MT)和用户识别模块(UIM)组成。分别对应于GSM系统的交换子系统(NSS)、基站子系统(BSS)、移动台(MS)和SIM卡。图7-1IMT-2000功能模型及接口2.系统标准接口ITU定义了4个标准接口:（1）网络与网络接口(NNI)：由于ITU在网络部分采用了“家族概念”，因而此接口是指不同家族成员之间的标准接口，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）无线接口(UNI)。（4）用户识别模块和移动台之间的接口(UIM-MT)。3.第三代移动通信系统的分层结构第三代移动通信系统的结构分为三层：物理层、链路层和高层。各层的主要功能描述如下：物理层：它由一系列下行物理信道和上行物理信道组成。链路层：它由媒体接入控制（MAC）子层和链路接入控制（LAC）子层组成；MAC子层根据LAC子层不同业务实体的要求对物理层资源进行管理与控制，并负责提供LAC子层业务实体所需的QoS（服务质量）级别。LAC子层与物理层相对独立的链路管理与控制，并负责提供MAC子层所不能提供的更高级别的QoS控制，这种控制可以通过ARQ等方式来实现，以满足来自更高层业务实体的传输可靠性。高层：它集OSI模型中的网络层，传输层，会话层，表达层和应用层为一体。高层实体主要负责各种业务的呼叫信令处理，话音业务（包括电路类型和分组类型）和数据业务（包括IP业务，电路和分组数据，短消息等）的控制与处理等。7.1.33G网络的演进策略我国形成三大运营商竞争3G市场的新格局。1.GSM向WCDMA网络演进策略对于无线侧网络的演进，目前普遍认同的方案是在原GSM设备的基础上进行3G网络的叠加。对于核心网侧的演进，根据核心网侧电路域和分组域的演进方式不同，主要有3种解决方案。(1)核心网全升级过渡。在原有的GSM/GPRS核心网的基础上，通过硬件的更新和软件的升级来实现向WCDMA系统的演进。(2)叠加、升级组合建网。是将原有GSM/GPRS核心网的电路域进行叠加、分组域进行升级的一种组网方式。(3)完全叠加建网。对于电路域，本地网采用完全叠加的方案。因为长途网一般仅起到话务转接的作用，与GSM作用相同，则WCDMA和GSM可以共享长途网资源。对于分组域，WCDMA网络PS域骨干网与现有的GPRS骨干网共享，WCDMA网络PS域省网新建SGSN和GGSN，并且由于WCDMA的PS域与GPRS在流程以及核心网的协议方面都非常相似，省网的CG、DNS和路由器等设备与GPRS现网共用。而对于大多数现网的情况，GPRS网络无法只是通过软件升级过渡到3G的PS域，因此建议采用完全叠加网的方案。该方案避免了对现有2G业务的影响，易于网络规划和实施，充分保障了现有网络的稳定性，容量不受原有网络的限制；且通过核心网的叠加来引入宽带接入、补充新的频谱和核心网资源，可以分流语音和数据业务，从而刺激业务增长，促进3G系统的发展。采用叠加方式建设WCDMA网络，不仅有利于3G网络建设的逐步推进，而且为网络向全IP方向演进扫除了障碍。2.IS-95向CDMA2000的网络演进策略与GSM系统相比，窄带CDMA系统无线部分和网络部分向第三代移动通信过渡都采用演进的方式。其中，基于无线部分尽量和原有部分兼容，通过IS-95A(速率9.6/14.4kbit/s)、IS-95B(速率115.2kbit/s)、CDMA20001x(144kbit/s)的方式演进。CDMA20001x(CDMA2000的单载波方式)是CDMA2000的第一阶段。通过不同的无线配置(RC)来区分，它可和IS-95A和IS-95B共存于同一载波中。CDMA20001x增强型CDMA20001xEV可以提供更高的性能，目前CDMA20001xEV的演进方向包括两个方面，仅支持数据业务的CDMA20001xEV-DO(DataOnly)和同时支持数据和语音业务的分支CDMA20001xEV-DV(Data&Voice)。在CDMA20001x(EV-DO)方面目前已经确定采用Qualcomm公司提出的HDR，在我国各地已经有多个实验局，而在CDMA20001xEV-DV方面目前已有多家方案。网络部分则将引入分组交换方式，以支持移动IP业务。在CDMA20001x商用初期，网络部分在窄带CDMA网络基础上，保持电路交换、引入分组交换方式，分别支持话音和数据业务；CDMA2000的网络也将向全IP方向发展；CDMA20001x再往后发展，沿着CDMA20003x(CDMA2000三载波系统)及更多载波方式发展。3.GSM向TD-SCDMA的网络演进策略TD-SCDMA标准是由第三代合作项目组织（3GPP）制订，目前采用的是中国无线通信标准组织（CWTS）制订的TSM（TD-SCDMAoverGSM）标准，思想就是在GSM的核心网上使用TD-SCDMA的基站设备，只须对GSM的基站控制器进行升级，以后TD-SCDMA将融入3GPP的R4及以后的标准中4.中国3G演进之路对于中国3G网络的建设，首先应该从长期、全局的角度进行规划，进一步融合移动固定业务能力，便于向NGN(NextGenerationNetwork)演进。其次，第三代网络建设是逐步进行的，第二代网络还将在一定时期内扮演重要角色，所以建设第三代网络是要充分考虑到对现网设备资源的充分整合和有效的利用，3G核心网建设应该对现有网络的影响最小。第三，我国3G的潜在需求目前主要集中在长三角、珠三角和环渤海地区，因此短期的3G网络建设应该是“孤岛型”网络。此外，运营商在进行3G网络建设的时候，部分地区的小灵通和2G网络投资将会大大减少，因此3G网络前期投资的绝对增加额并不会太大。总体来说，针对现在拥有3G牌照的运营商（中国移动、中国联通和中国电信），一般会面临三种建网选择：新建、升级、叠加，当然实际情况往往会采用其中两种或三种组合策略。在2009年1月中国确认国内3G牌照发放给三家运营商，分别是中国移动，中国联通还有中国电信。下面简单介绍他们的演进方案：（1）中国移动中国移动获得TD-SCDMA牌照后，也在大力开展3G的演进讨论和技术开发，TD-SCDMA核心网基于GSM/GPRS网络的演进，保持与GSM/GPRS网络的兼容性，核心网也可以基于TDMATM和IP技术，并向全IP的网络演进。（2）中国联通中国联通获得WCDMA牌照，在电信重组，CDMA由电信公司运营后，中国联通在3G的演进过程中需要对GSM网络加以考虑。WCDMA是通用移动通信系统（UMTS）的空中接口技术。UMTS的核心网基于GSM-MAP，保持与GSM/GPRS网络的兼容性，同时通过网络扩展方式提供基于ANSI-41的核心网上运行的能力，并可以基于TDMATM和IP技术，并向全IP的网络演进。MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。（3）中国电信中国电信获得CDMA2000牌照，对2G向3G演进也作了较大的努力，他们在C网演进到3G的策略是IS-95CDMA(2G)→CDMA20001x→CDMA20003x(3G)。第一阶段建设一个完善的IS-95A+网络，以支持漫游、机卡分离及向CDMA20001x平滑过渡；第二阶段向CDMA20001x过渡，尽快将单一的话音业务和补充业务模式过渡为业务多元化模式；第三阶段向1xEV-DO或1x/EV-DV方向演进，其中1x代表其载波一倍于IS-95带宽，1xEV-DO和1xEV-DV技术在性能上已超过了3x系统，1xEV将是CDMA2000的演进方向。7.1.4实现3G的关键技术第三代移动通信系统关键技术包括以下几个方面，分别进行简单介绍：1.初始同步与Rake多径分集接收技术CDMA通信系统接收机的初始同步包括PN码同步，符号同步、帧同步和扰码同步等。CDMA2000系统采用与IS-95系统相类似的初始同步技术，即通过对导频信道的捕获建立PN码同步和符号同步，通过同步信道的接收建立帧同步和扰码同步。WCDMA系统的初始