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1、2020/7/22,3G5,1,第三代移动通信系统,第四讲 3G的无线传输技术,2020/7/22,3G5,2,4. 导论,2020/7/22,3G5,3,4.1 3G系统的基本特征及演进策略,但在美国，部分频段已用于PCS。目前的230MHz频段只是IMT-2000计划频谱的一部分,1992年世界无线电行政大会(WARC)根据ITU-R对于IMT-2000的业务量和所需频谱估计，划分了230MHz带宽给IMT-2000。其中，1885-2025MHz及2110-2200MHz频带为全球基础上可用于IMT-2000的业务；1980-2010MHz和2170-2200MHz为卫星移动业务频段共6
2、0MHz，其余170MHz为陆地移动业务频段，其中对称频段是260MHz，不对称的频段是50MHz,第三代移动通信系统最早是由国际电联(ITU)于1985年提出，名称为未来公众陆地移动通信系统(FPLMTS)，后改为IMT-2000,2020/7/22,3G5,4,第三代移动通信的系统组成,2020/7/22,3G5,6,ITU 定义了 4个 标准接口,2020/7/22,3G5,7,IMT-2000功能模型及接口,2020/7/22,3G5,8,3G 系统的分层结构,高层集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，话音业务和数据业务（
3、包括IP业务，电路和分组数据，短消息等）的控制与处理等,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级别 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,物理层由一系列下行物理信道和上行物理信道组成,2020/7/22,3G5,9,3G系统分层结构,2020/7/22,3G5,10,IMT-2000的高层协议及网络接口,基于第二代核心网络GSM/MAP和IS41的过渡方法将在IMT2000核心网络的发展过程中占主导地位,Q.1
4、711工作组的目标是确定IMT-2000网络及终端的功能，给出IMT-2000的一般性功能模型，把一般性功能模型映射成网络参考模型，确定全球漫游所需的网络互联需求，给出开发UIM-MT接口，无线接口，RAN-CN接口及CN-CN接口的高层信令需求等,Q.1701工作组的目标是明确IMT-2000的家族概念，确定关于IMT-2000的业务及网络能力、实现途径、接口关系等方面的框架结构,目前，ITU-T的两个工作组Q.1701和Q.1711正致力于IMT-2000的高层协议及网络接口方面的制定工作,2020/7/22,3G5,11,核心网的演进,为了支持第三代移动通信所需的越区软切换，基站控制器之
5、间还需增加GSM系统所不具备的RAN-RAN接口。对于HLR/AC功能则可借用第二代系统已有设备,对于IMT-2000所需的基本话音业务及速率较高的电路型数据业务，由传统的GSM MSC/VLR支撑；对于分组型数据业务则由GPRS网关支持节点(GGSN)所支撑,GSM/WCDMA网络演进形态建立在已有的GSM/MAP和GSM通用分组无线业务(GPRS)网的基础上,而cdma2000核心网的演进则是基于IS-41及正在完善的IS-634 RAN-CN接口标准,WCDMA、TD-SCDMA技术初期采用基于GSM/MAP的核心网，最终过渡到第三代的核心网；,2020/7/22,3G5,12,GSM/
6、WCDMA网络演进形态,2020/7/22,3G5,13,IS-95/cdma2000网络演进形态,由于北美在制定与IS-41相关的核心网络标准IS-634A、IS-707时，已考虑到分组数据的应用，因而可通过对现有核心网络的改造，完善对第三代移动通信所需的并发多业务的支撑,建立在已有IS-41核心网及完善中的IS-634A RAN-CN接口标准上,2020/7/22,3G5,14,TD-SCDMA第三代过渡方案,第3步：建设基于全IP概念的第三代移动通信核心网，从RNC或Node B直接接入IP网络，平滑过渡到完全的第三代TD-SCDMA系统,第2步：GSM网络与3G网络并存时期。建设3代U
7、MSC核心网，并且将新建的TD-SCDMA基站子系统通过Iu接口连接到UMSC，提供3G业务,第1步：以GSM/MAP网络为基础，扩容时只建立TD-SCDMA基站，以A接口接入GSM系统MSC，进行话音通信；以G b接口接入SGSN，提供高达384Kbps速率的数据。这时对GSM核心网不做任何修改。在TD-SCDMA基站覆盖区域获得3G业务,采用TD-SCDMA技术向第三代过渡方案将分三步实现：,2020/7/22,3G5,15,采用TD-SCDMA的演进步骤,2020/7/22,3G5,16,4.2 3G系统关键技术,4.2.1 初始同步与Rake多径分集接收技术 4.2.2 高效信道编译码
8、技术 4.2.3 智能天线技术 4.2.4 多用户检测技术 4.2.5 功率控制技术 4.2.6 软件无线电技术,2020/7/22,3G5,17,接收机的初始同步,WCDMA系统初始同步则需要通过“三步捕获法”进行： 1. 通过对基本同步信道的捕获建立PN码同步和符号同步 2. 通过对辅助同步信道的不同扩频码的非相干接收，确 定扰码组号等 3. 最后通过对可能的扰码进行穷举搜索，建立扰码同步,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(Sync)信道的接收建立帧同步和扰码同步,CDMA通信系统接收机的初始同步包括PN
9、码同步，符号同步、帧同步和扰码同步等,2020/7/22,3G5,18,Rake多径分集接收,Rake多径分集技术的另外一种极为重要的体现形式是宏分集及越区软切换技术。当移动台处于越区切换状态时，移动台把来自不同基站的多径信号进行分集合并。WCDMA系统也支持宏分集和越区软切换功能,为实现相干形式的Rake接收，需发送未经调制的导频(Pilot)信号，以使接收端能在确知已发数据的条件下估计出多径信号相位，以实现相干方式最大信噪比合并。WCDMA系统采用用户专用的导频信号，下行链路仅作为备选方案用于使用智能天线的系统,在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而可以分辨出在时间上比较细微的多
10、径信号。对分辨出的多径信号分别进行加权调整，合成后可以增强信号,2020/7/22,3G5,19,高效信道编译码技术,目前从计算机仿真结果来看，在交织器长度大于1000、软判输出卷积解码采用标准的最大后验概率(MAP)算法的条件下，其性能比约束长度为9的卷积码提高1至2.5dB,Turbo编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器，并辅之以一个交织器。两个卷积编码器的输出经并串转换以及凿孔(Puncture)操作后输出。Turbo解码器由首尾相接、中间由交织器和解交织器隔离的两个以迭代方式工作的软判输出卷积解码器构成,在第三代移动通信系统主要提案中，除采用与IS-95 系统相类似的卷积编码技术
11、和交织技术之外，还建议采用Turbo编码技术及RS-卷积级联码技术,2020/7/22,3G5,20,智能天线技术,其特点在于以较低的代价换得无线覆盖范围、系统容量、业务质量、抗阻塞和掉话等性能的显著提高,智能天线阵(Intelligent Antenna Arrays)技术，是基于自适应天线阵列(AAA-Adaptive Antenna Arrays)原理，利用天线阵列的波束合成和指向，产生多个独立的波束，自适应地调整其方向图以跟踪信号变化；对干扰方向调零以减少甚至抵消干扰信号，提高接收信号的载干比（C/I），以增加系统的容量和频谱效率,无线覆盖范围、系统容量、业务质量、阻塞和掉话等问题一直
12、困扰着蜂窝移动通信系统。采用智能天线阵技术可以提高第三代移动通信系统的容量及服务质量,2020/7/22,3G5,21,智能天线的实现,N单元天线阵是收发射频信号的辐射单元；A/D转换器完成模数转换以便进行数字域处理；波束形成器由自适应控制处理器和波束形成网络组成， 把一定规律的激励信号转换成与各波束相对应的幅度相位分别提供给各辐射单元，以确定波束形成网络的各部分方向图（波束）的增益、计算各支路之间的耦合以及耦合与各部分方向图的交叉电平的关系，以消除各支路之间的耦合；波束方向估计及跟踪器是估计并跟踪接收信号的到达方向（DOA）， 以控制波束形成器改变波束方向来跟踪发送信号源,智能天线阵由N单元
13、天线阵、A/D转换器、波束形成器(Beam-former)、波束方向估计及跟踪器等部分组成,智能天线阵在干扰和噪声环境下，通过其自身的反馈控制系统改变辐射单元的辐射方向图、频率响应以及其它参数，使接收机输出端有最大的信噪比,2020/7/22,3G5,22,TDSCDMA智能天线,智能天线通过其方向性，从而减小了小区间 的干扰 (8元阵列时约减少8 dB) ，并在因干扰而使高业务量受限的人口密集的城市中允许更密集的频率复用,在TDSCDMA系统的基本结构中，智能天线是由8个天线单元的同心阵列组成的。此阵列的直径为25cm。同全方向天线相比，它可获得8dB的增益,由于TD-SCDMA采用了TDD
14、模式，上/下行链路使用相同载波，使智能天线能产生最大C/I增益，因此TDD模式是通过智能天线得到最佳的载干比CI增益的先决条件,集智能天线和联合检测相结合的TDSCDMA的系统设计正向由DSP控制的系统最优化迈进。这两个技术为移动通信系统的软件最优化设计奠定了基础。并且TDSCDMA的智能天线的应用对所有的3G业务都有效,2020/7/22,3G5,23,TD-SCDMA的智能天线,采用智能天线后，可用多只低功率的放大器（如8只线性输出0.5W的放大器）代替大功率放大器（等效于20W的放大器）,其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方
15、向图，使用DSP方法使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射功率等目的,2020/7/22,3G5,24,智能天线技术的优缺点,但是，因智能天线体积及计算复杂性的限制，目前仅适应于在基站系统中的应用,智能天线技术用于TDD方式的CDMA系统是比较合适的，能够起到在较大程度上抑制多用户干扰，从而提高系统容量的作用。其困难在于由于存在多径效应，从而使基带处理单元复杂度明显提高,CDMA技术的特性是大多数用户信号可在相同的时间和相同的载波上传送。考虑到移动无线多点到点的用户中，每个用户在小区内的位置都是不同的。这一方面要求天线具有多向性，另一方面则要求在移动环境下，每一独立的
16、方向系统都必须可以跟踪个别的用户由于网络运营商利用此技术可获得更高的频谱利用率，并且所需安装的基站数目就可减少,2020/7/22,3G5,25,多用户检测技术,使用多用户检测技术能极大程度上改善系统容量。但困难的问题是对于基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户数乘以基站端可观测到的多径数。这意味着在实际系统中等效干扰用户数将多达数百个，这样即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户抵销算法仍使得其硬件实现显得过于复杂。如何把多用户干扰抵销算法的复杂度降低到可接受的程度是多用户检测技术能否实用的关键,解决此问题的一个有效方法是使用多用户检测技术，通过测量各个用户扩频码之间的非正交性，用矩阵求逆方法或迭代方法消除多用户之间的相互干扰。,在传统的CDMA接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户间相互干扰,2020/7/22,3G5,26,功率控制技术,在WCDMA和cdma2000系统中，上行信道采用了开环、闭环和外环功率控制技术，下行信道则采用了闭环和外环功率技术。但两者的闭环功率控制速度有所不
