CDMA及第三代移动通信系统四

1、第四讲  第三代移动通信系统1 第三代移动通信系统（3G）的发展历史         ITU TG8/1早在1985年就提出了第三代移动通信系统的概念，最初命名为FPLMTS（未来公共陆地移动通信系统），后在1996年更名为IMT-2000（International Mobile Telecommunications 2000）。第三代移动通信系统的目标是：世界范围内设计上的高度一致性；与固定网络各种业务的相互兼容；高服务质量；全球范围内使用的小终端；具有全球漫游能力；支持多媒体功能及广泛业务

2、的终端。为了实现上述目标，对第三代无线传输技术（RTT）提出了支持高速多媒体业务（高速移动环境：144Kbps，室外步行环境：384Kbps，室内环境：2Mbps）、比现有系统有更高的频谱效率等基本要求。 第三代移动通信标准发展大事记  1985年，未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）概念被提出。    1991年，国际电联正式成立TG8/1任务组，负责FPLMTS标准制订工作。    1992年，国际电联召开世界无线通信系统会议（WARC），对FPLMTS的频率进行了划分，这次会议成为第三

3、代移动通信标准制订进程中的重要里程碑。    1994年，ITU-T与ITU-R正式携手研究FPLMTS。    1997年初，ITU发出通函，要求各国在1998年6月前，提交候选的IMT-2000无线接口技术方案。    1998年6月，ITU共收到了15个有关第三代移动通信无线接口的候选技术方案。    1999年3月，ITU-R TG8/1第16次会议在巴西召开，此次会议确定了第三代移动通信技术的大格局。IMT-2000地面无线接

4、口被分为两大组，即CDMA与TDMA。ITU-R TG8/1巴西会议结束不久，爱立信与高通达成了专利相互许可使用协议。    1999年5月，国际运营者组织多伦多会议上30多家世界主要无线运营商以及十多家设备厂商针对CDMA FDD技术达成了融合协议。    1999年6月，ITU-R TG8/1第17次会议在北京召开，这次会议不仅全面确定了第三代移动通信无线接口最终规范的详细框架，而且在进一步推进CDMA技术融合方面取得了重大成果。    1999年10月，ITU-R TG

5、8/1最后一次会议将最终完成第三代移动通信无线接口标准的制订工作。    2000年，ITU将完成第三代移动通信网络部分标准的制订。 4.2  第三代移动通信系统的无线接口标准    10月25日到11月5日在芬兰赫尔辛基召开的ITU TG8/1第18次会议最终通过了IMT-2000无线接口技术规范建议(IMT.RSPC)。最终确立了IMT-2000所包含的无线接口技术标准。      这次会议的最主要的结论是，通过了IMT-2000无线接口技术规范建议(

6、IMT.RSPC)。将无线接口的标准明确为以下5个标准：  CDMA技术：IMT-2000 CDMA DS 对应WCDMAIMT-2000 CDMA MC 对应 cdma2000IMT-2000 CDMA TDD 对应 TD-SCDMA和UTRA TDDTDMA技术：IMT-2000 TDMA SC 对应UWC-136IMT-2000 FDMA/TDMA 对应 DECT上述5个名称，ITU又进一步简化为IMT-DS、IMT-MC、IMT-TD、IMT-SC和IMT-FT。见下图，可以说IMT-2000的地面无线接口标准有5个标准构成。图1 IMT-2000地面无线接口标准 

7、   下面对三个CDMA技术做简要说明：IMT-2000 CDMA DS (IMT-DS):    IMT-2000 CDMA DS，是3GPP的WCDMA技术与3GPP2的cdma2000技术的直接扩频部分(DS)融合后的技术，仍称为WCDMA。此标准将同时支持GSM MAP和ANSI-41两个核心网络。    IMT-2000 CDMA MC (IMT-MC):    IMT-2000 CDMA MC，即cdma2000。在融合后，只含多载波方式。即1X、3X、6X、9X等。此标准

8、也将同时支持ANSI-41和GSM MAP两大核心网。    IMT-2000 CDMA TDD (IMT-TD):    IMT-2000 CDMA TDD目前实际上包括了低码片速率TD-SCDMA和高码片速率UTRA TDD(TD-CDMA)两个技术。目前两个技术的物理层完全分开，分别采用我国CWTS和3GPP的两套技术规范。2层和3层基本相同。目前这两个技术虽然已经进行了部分关键内容的融合，包括：    (1)码片速率3.84Mcps和1.28Mcps(3.84Mcps的1/3)； 

9、60;  (2)层2、层3基本一致，采用3GPP的技术规范，定义了部分兼容互可(hooks)，以便制定兼容TD-SCDMA的相应扩展协议(extension)    应该说，目前的两个CDMA TDD技术既没有融合为一个标准，也不是两个完全不同的标准。已经具备了进一步融合的基础，需经过技术上的协调之后，使二者最大程度地融合之后，才可称为融合的CDMA TDD标准。所以说CDMA TDD的融合工作正进入关键时期，估计在2000年全部完成。4.3 无线接口与核心网的关系    目前虽然无线接口的标准基本确定，但核心网的大部分标准

10、需要在2000年完成。从核心网的角度看，主要采用了在第二代两大核心网GSM MAP和ANSI-41的基础上演进的路线。一般来讲，有两大发展和演进路线：     GSM MAP+WCDMA/CDMA TDD    3GPP制定标准。无线接口99年完成，网络部分2000年完成。    一般来讲GSM运营者和日本NTT DoCoMo会沿着此路线发展。图2 IMT-2000CDMA无线接口技术与核心网的关系    ANSI-41+cdma2000   

11、由3GPP2制定标准。无线接口99年底完成，网络部分2000年完成。cdmaOne的运营商，特别是采用与cdmaOne相同频段提供cdma2000业务的运营者，对此路线比较感兴趣。    为了使第三代的运营者不受第二代网络的制约，第三代移动通信的标准还可使无线接口和核心网络能够相互独立，即不同的核心网络以标准的接口可灵活接入不同的无线接口。即增加了另外两条发展路线：    ANSI-41+WCDMA/CDMA TDD和    主要是在WCDMA无线接入网部分增加兼容ANSI-41核心网的相关内容。目前这部

12、分由3GPP2配合3GPP来制定。99年完成兼容互可(hooks)部分，2000年1季度完成整个扩展协议(extension)部分。    目前韩国的运营商对此路线很感兴趣。    GSM MAP+cdma2000    主要是在cdma2000无线接入网部分增加兼容GSM MAP核心网的相关内容。由3GPP配合3GPP2来制定。计划2000年初完成兼容互可(hooks)部分，2000年6月完成整个扩展协议(extension)部分。    上述四条发展路线如图2所示。4.4

13、   第三代移动通信网络标准化现状及发展趋势  .  IMT-2000的系统结构图3 IMT-2000功能子系统和接口    图3为ITU定义的IMT-2000的功能子系统和接口。从图中可以看到，IMT-2000系统由终端(UIM+MT)、无线接入网(RAN)和核心网(CN)三部分构成。除了无线接口外，无线接入网和核心网两部分的标准化工作对IMT-2000整个系统和网络来将，是非常重要的，本文主要针对这两部分进行介绍。    根据ITU在1997年定义的"

14、家族概念"，这两部分的标准化主要由"家族成员"内部进行标准化。目前的家族成员主要有两个，一个是基于GSM MAP网络，另一个基于ANSI-41的核心网，分别由3GPP和3GPP2进行标准化。而两个“家族成员”网络之间的互连互通将通过网络-网络接口(NNI)来完成，ITU正在制订该接口的技术要求，详细的技术规范可望在今年年底完成。.  IMT-2000第一阶段无线接入网络与核心网的标准化情况图4 IMT-2000 CDMA技术无线接口技术与核心网的关系    如前所述，IMT-2000的无线接入网络与核心网的标准化主

15、要由基于GSM MAP网络和基于ANSI-41两类。此两大网络与IMT-2000的三个主流CDMA无线接口技术的对应关系见图4。从图中可以看出，虽然一般来讲WCDMA和CDMA TDD对应GSM MAP核心网，cdma2000对应ANSI-41核心网。但目前的标准可以允许任意无线接口同时兼容两个核心网络，也就是通过在无线接口定义相应的兼容协议，通过各系统标准的RAN-CN接口，接入不同的核心网。在第三代移动通信的标准化活动中，国际电联一直起著领导和引导的作用，并且为标准的融合起了重要的作用。目前在ITU-R的WP8F和ITU-T的WP3/11分别进行无线和核心网的研究工作。目前还在探讨由ITU

16、-T和ITU-R联合成立一个IMT-2000研究组，以加强IMT-2000的研究工作。除了ITU之外，两个跨区域标准化组织联合体，即两个第三代伙伴项目3GPP(由欧洲ETSI、日本ARIB/TTC、美国T1、韩国TTA和中国CWTS构成)和3GPP2(由美国TIA、日本ARIB/TTC、韩国TTA和中国CWTS构成)则正在紧张地进行详细的标准化工作。1. 3GPP的标准化进展    3GPP主要制定基于GSM MAP核心网，WCDMA和CDMA TDD为无线接口的标准，称为UTRA。即图2的路线活GGSM MAP+WCDMA/CDMA TDD。同时也在无

17、线接口定义与ANSI-41核心网兼容的协议，实现路线愈GANSI-41+WCDMA/CDMA TDD图5 基于演进的GSM核心网的第三代系统    3GPP标准的制定目前分为99年版本和2000年版本。99年版本将在今年3月全部完成，它的核心网将完全在第二代MSC+GPRS的网络基础上演进，而无线接入网(RAN)则是全新的，见图5。    从图中可以看出，核心网基于GSM的电路交换网络(MSC)和分组交换网络(GPRS)平台，以实现第二代向第三代网络的平滑演进。通过无线接入网络新定义的Iu接口，与核心网连接。Iu接

18、口包括支持电路交换业务的Iu-CS和支持分组交换的Iu-PS两部分，分别实现电路和分组型业务。    无线接入网由RNC和节点B两个物理实体构成，分别对应第二代网络的BSC和BTS。除Iu接口外，还定义了Iub和Iur接口，见图6。Iur接口，见图6。图6 UTRA无线接入网络的构成    目前定义的Iu、Iub和Iur接口协议的传输网络层规定了ATM和IP两种方式，供运营者和厂家选择。2. 3GPP2的标准化情况    3GPP2主要制定基于ANSI-41核心网，cdma2

19、000为无线接口的标准，即图4的路线礁ANSI-41+cdma2000。同时也在无线接口定义与GSM MAP核心网兼容的协议，实现路线扬GSM MAP+cdma2000。    3GPP2的标准化也是分阶段进行的，而且第二代与第三代之间无论无线还是核心网部分都是平滑过渡的。99年3GPP2完成了cdma2000-1X(单载波)和cdma2000-3X(多载波)无线接口的标准。A接口在原来的基础新增加了支持移动IP的A10、A11协议，核心网部分则引入新的分组交换节点接入IP网络，以支持IP业务，同时电路型业务仍然由原来的MSC支持。见图7所示。图7 基于

20、ANSI-41网的cdma2000系统    新定义的A10、A11接口采用IP协议。.  IMT-2000核心网络发展的趋势    从IMT-2000第一阶段的标准化现状可以看出，他们采用了比较类似的方式，即完全是在第二代核心网的基础上，引入第三代移动通信无线接入网络，通过电路交换和分组交换并存的网络实现电路型话音业务和分组数据业务。充分体现了网络平滑演进的思想。    从无线接入网来看，3GPP的UTRA采用了全新的接口协议，在传输层采用了ATM方式，同时提出了

21、ATM和IP两种协议作为可选。也体现了ATM与IP技术在争论过程中的一种折中结果。从99年底，特别是今年年初开始，无论是3GPP还是3GPP2都提出和接受了"全IP网络"的概念。并且明确作为2000年标准化的指导思想。目前"全IP网络"的具体含义和要求正在紧张的讨论之中，它是完全摈弃现有的网络而带来革命性的改变，还是在99年已有的标准化基础上进一步IP化？目前都是未知数，但是移动通信公司与IP公司共同参与研究的架构已经形成。    由于第三代移动通信的标准化进展很快，变化也很快，所以很多人认为99年完成的版本不能作

22、为商用化的标准，只能是一个过渡标准，2000年才是第三代移动通信标准化进入稳定、成熟的关键一年。所以大多数运营者采取观望和慎重的态度，期望2000年标准尽快出台，并计划在2002和2003年左右尽快商用，既稳妥亦现实。    然而，日本NTT DoCoMo公司仍然按几年前确定的在2001年第一季度商用的计划在紧张地准备，尽管99年版本仍在制定中(3月完成)，尽管目前仍没有一个厂家生产出可以商用的设备，没有看到任何可以商用的终端，但他们仍一直充满信心。    所以2000年和2001年，将是第三代移动通信标准化和商用

23、化颇具挑战性的非常关键的两年，对未来第三代移动通信的走向和商用化的速度起著决定性的作用。4.5   第三代移动通信系统中的TD-SCDMA标准   作为我国对国际上第三代移动通信的贡献，我国提出的TD-SCDMA RTT建议，通过一年多的完善和融合，已经成为ITU IMT-RSPC(TG-8/1输出文件)的一个组成部分。下面介绍这一标准。 TDD双工方式在第三代移动通信中的重要性    在第三代移动通信标准制定过程中，国际上对TDD双工方式第一次给予了高度重视，在CDMA和TDMA系统中都制定了TDD的标准。很多国家的营运商

24、都表示了首先选用TDD系统的愿望。其主要原因为在同样满足IMT2000要求的前提下，TDD系统有如下特点：·         TDD能使用各种频率资源，不需要成对的频率；·         TDD适用于不对称的上下行数据传输速率，特别适用于IP型的数据业务；·         TDD上下行工作于同一频率，对称的电波传播特性使之便

25、于使用诸如智能天线等新技术，达到提高性能、降低成本的目的；·         TDD系统设备成本较低，将可能比FDD系统低20%-50%。TDD系统的主要问题是在终端的移动速度和覆盖距离等方面，如目前ITU要求TDD系统达到120km/h，而FDD系统则要求达到500km/h；FDD系统的小区半径可能达到数十公里而TDD系统只有几公里。    以上情况说明，移动通信一定是以FDD为主流的传统论点已受到挑战，TDD系统在第三代移动通信中的位置已不可动摇。目前，多数人预测第三代移

26、动通信网络的前景是一个共同的网络，卫星移动通信系统用来完成全球无缝覆盖，FDD系统用来建设全国和国际移动通信网，而TDD系统用来在城市人口集中地区提供高密度和高容量的话音、数据及多媒体业务，用双模甚至多模用户终端来实现全球漫游。图 8 空间接口示意图   在图8中，我们看到有两个CDMA TDD物理层标准：UTRA TDD和TD-SCDMA。这两个标准的主要指标和特性比较见表格1。表格 1 两种TDD标准物理层参数和特性比较项目UTRA TDD TD-SCDMA备注占用带宽5MHz1.6MHz每载波码片速率3.84Mcps1.28Mcps扩频方式DS，SF=1/2

27、/4/8/16DS，SF=1/2/4/8/16调制方式QPSKQPSK信道编码卷积码：R=1/2,1/3 Turbo卷积码：R=1/2,1/3 Turbo交织10/20/40/80ms10/20/40/80ms帧结构超帧720ms,无线帧 10ms超帧720ms,无线帧 10ms子帧无5ms突发结构MidambleMidamble时隙数157上行同步TA(8chip)1/2chip智能天线困难基于智能天线容量：每时隙话音信道数  816同时工作每载波提供的话音信道数 7x8=563x16=48对称业务频谱利用率10Erl./MHz(使用话音激活可能增加50%)25

28、Erl./MHz对称话音业务容量：每时隙总传输速率 220.8kbps281.6kbps数据业务每载波提供的总传输速率3.31Mbps1.971Mbps频谱利用率0.662Mbps/MHz1.232Mbps不对称数据业务其它功能如ODMA，DCA，ARQ，DTX等等 提供提供在表格1中，我们可以所看到的TD-SCDMA技术所提供的高性能主要表现在高的频谱利用率方面。此外，TD-SCDMA还是一种低成本的系统。达到高性能和低成本的主要原因是TD-SCDMA使用了如下主要技术：    1、智能天线，它可以极大的降低多址干扰、提高系统容量、提高接受灵

29、敏度、降低发射功率和降低无线基站成本。    2、上行同步，它可以简化基站硬件，降低无线基站成本。    3、软件无线电，实现智能天线和多用户检测等基带数字信号处理，是此系统可以灵活地使用新技术的关键，也可以降低产品开发周期和成本。  TD-SCDMA是由第二代向第三代演进的首选技术    根据国内外多数预测，在21世纪前十余年，第三代移动通信的市场发展可能至少分为如下三个阶段：·         初期，2

30、0012005年。其特点为：第二代移动通信继续发展和扩大，在第二代移动通信网络的基础上，在局部地区(城市等用户集中地区)提供第三代移动通信业务，数据业务速率限制在384kbps及以下，地区或国际漫游依赖于第二代移动通信系统；·         中期，20042010年。它是第三代移动通信系统的高速成长期，其特点为：第二代移动通信网络和系统停止发展，建设成功全国或全球覆盖的第三代移动通信网络，全面达到IMT2000的各项要求。·      

31、;   后期，2010年以后，全球25%以上人口使用第三代移动通信系统，第四代移动通信设备开始进入市场，提供更高速率的多媒体业务。    此市场发展预测也就是制定移动通信从第二代到第三代的演进策略的依据。而所谓的演进，就是考虑上述初期的情况和制定对策。    本文所建议的演进过程可以分为如下两个阶段：    第一阶段：在第二代网络中提供第三代移动通信业务。图9 在GSM网络中使用TD-SCDMA系统，提供3G业务示意图    如图9所示的现有GSM网络，在

32、它扩容时，使用扩展的BSC(BSC+)，同时在用户集中地区，在现有GSM基站的站址增加TD-SCDMA基站。    在图中，使用TD-SCDMA/GSM双频双模用户终端，这些初期的3G用户在TD-SCDMA基站覆盖区内，可以享受3G服务。在覆盖区域以外，则使用GSM工作。显然，此初期系统用户在享受3G服务时，只能在同一BSC+的TD-SCDMA基站之间实现越区切换，而GSM网络的功能将不受影响。    用此方式，可以用比简单地对GSM系统网络扩容更低的投入(平均每用户承担的BTS和BSC设备价格将比GSM系统低20%至30%)，不仅扩

33、大了容量，在用户密集的地区为用户提供了移动通信服务,解决了频谱资源不足造成的容量问题。而且，还为最急需的地区提供了第三代移动通信的业务。同时，也为以后向第三代过渡打下了基础。    到这一步，第三代移动通信的覆盖范围可能逐步达到城市一级，在大城市将有几十到上百个第三代的BTS，系统将支持不同BSC+之间的自动越区切换。当然，还没有达到全国和全球覆盖，自动漫游还依靠GSM系统。    必须说明的是，上述建议不仅可以使用于GSM系统，同样可以使用于IS-95标准的第二代CDMA系统。在使用于CDMA系统中时，其主要目的是在用户密集地区，解

34、决高密度用户的话音和数据业务需求；在提供数据业务方面，特别是对各种Internet接入业务，TD-SCDMA将是一种更经济和灵活的方式。这是目前北美运营商关心TD-SCDMA的原因。       第二阶段：过渡到第三代移动通信网络。图10  3G网络示意图到2004 -2005年，第三代移动通信将进入高速成长期，各国、各营运商均将开始建设如图4所示的，完整的第三代移动通信网络。比较图10和图9，可见唯一需要更换的设备就是将E-BSC更换为3G的RNC，再加上第三代的MSC，而网络中投资最大的部分：BTS已经在第一阶段建设了，

35、只有对其接口进行软件升级，不增加硬件的投入。此时，网中不仅有TDD的基站，也将有FDD的基站，此3G网将是一个全国覆盖、国际漫游的完整的网络。从第二代到第三代的演进或过渡的过程将在上述基本上不大量增加新投资的过程中完成了。4.6   第三代移动通信系统的应用 IMT-2000能提供至少144Kbps的高速大范围的覆盖（希望能达到384bps），同时也能对慢速小范围提供2Mbps。不同的应用产生不同的业务流，因而对系统设计和网络容量产生不同的影响。大量的不同种类的服务使3G系统的网络规划更具挑战性。视像或语声通信要求能保证服务质量（QoS）对于非实时信包数据，当有可

36、用带宽时便可加以接收。3G系统的应用推动了具有高速数据率的3G无线系统的发展。3G提供新的应用主要有如下一些领域：Internet，一种非对称和非实时的服务；可视电话则是一种对称和实时的服务；移动办公室能提供e-mail、WWW接入、fax和文件传递服务。3G系统提供不同的数据率将更有效地利用频谱。3G不仅能提供2G已经存在的服务，其新的服务的引入使其对用户有更大的吸引力。Internet的应用Internet的应用正以极高的速度在增涨，原因之一是World Wide Web（WWW）的出现，它能使个人计算机接入Web浏览器。Web提供的接入服务有网上购物、位置查询、银行业务、在线中介和电子新

37、闻等。Internet与移动通信的结合使用户无论在任何地方都可以接入Internet。WWW的业务流具有高度的非对称性，用户只向网络发送少量的指令和确认数据，就可从网络下载大量的文件数据。发送e-mail时也有类似的情况。掌握业务流的特性对设计一个好的系统是很重要的，同时在传输空闲时间是否保持无线连接也是一个应加以考虑的问题，应该在频率资源的有效利用和增加接入延迟之间折衷解决。无线视像无线视像的要领是IMT-2000计划中的一种应用。例如视像消息（照片、图画）、电视新闻等。谈话类的服务有电视会议和可视电话。这类服务对传输时延要求不超过200-300ms。时延直接影响对信号干扰比的要求，较长的时

38、延允许较长的较织及对于错误帧的重传，从而可要求较小的信干比，并得到较高的容量。对于可接受的视像质量，其信包差错率是10-310-4数量级，而比特差错率则在10-610-7数量级。可视电话要求的比特率依赖于视像编解码器及对图像质量的要求和帧速率，一般在20Kbps-40Kbps。如有更宽的可用频带，则可获得更高的质量。视像编解码器的瞬时比特率变化很大，它依赖于视像序列的复杂性，峰值速率与平均速率之比可能很高。缓存器可用来平滑视像编解码器输出比特率的变化，视像比特流的变化可以用来使无线资源利用更为有效。多余的容量可以用在不需要保证QoS的服务上。多媒体服务多媒体意味着同时传输几种类型的信息（例如语

39、声、视像、数据等）。这类服务的比特率和质量的要求变化可能很大。例如：传语声时BER 10-3，时延为40ms，传数据时BER 10-7，而时延没有限制。对于不同的服务采用多路复用是可以的。同时，在空中接口也可采用。3G网络中对不同类型的服务将提供不同的传输承载体。IMT-2000承载服务由于IMT-2000的应用现在还不十分清楚，也不能按目前的需要来确定，只能采取一种灵活的方式以适应今后的发展。这些应用的要求可按照承载服务一般性地确定如下：. 农村室外：终端速度250Kmph，至少144Kpbs，最好384Kbps。. 城市或郊区室外：终端速度150Kmph，至少384Kpbs，最好512Kpbs。.室内或小范围室外：终端速度10Km，至少2Mbps。实时因定时延时：BER10-310-7，时延2