移动通信标准演进

1、移动通信标准演进侯永宏 最早的无线通信最早的无线通信 1895年，马可尼年，马可尼(G. M. Marconi) 成功地进行了约成功地进行了约3公里的无公里的无线电通信；线电通信； 1901年，他在英格兰和纽芬兰之间进行了横跨年，他在英格兰和纽芬兰之间进行了横跨大西洋的莫尔斯电报码发射和接收试验，通信距离超过大西洋的莫尔斯电报码发射和接收试验，通信距离超过3000公里；马可尼的贡献贯穿在无线电、电视、移动电话、公里；马可尼的贡献贯穿在无线电、电视、移动电话、卫星通信等广泛领域。卫星通信等广泛领域。1909年获得诺贝尔物理学奖。年获得诺贝尔物理学奖。之前，通信靠吼。不受束缚地自由通话只是一个传说

2、、梦想、神话通信技术的发展历史就是：一系列颠覆生活常识的创新过程早期的点对点通信设备1940年，加尔文制造公司工程师研发推出手提式调幅(AM)无线对讲机“SCR536”，这款军用对讲机在二战时成为前沿阵地的标志。1943年，加尔文制造公司设计出全球首个背负式调频步话机SCR300，这款对讲机重35英镑(约16公斤)，通话范围约10-20英里(16-32公里)，供美国陆军通讯兵使用。大区制移动电话系统大区制：在一个服务区域内只有一个或几个基站(BS)。基站作用：负责移动通信的联络和控制特点：天线架设得高；发射机输出功率 大（200W)；服务区内所有频道都不能重复；覆盖半径大约为30km至50km

3、。优点：组成简单，投资少，见效快。缺点：服务区内的所有频道（一个频道包含收、发一对频率）的频率都不能重复，频率利用率和通信容量都受到了限制。移动台功耗摩托罗拉的车载无线电话 1946年10月2日，多用户接入需要解决的问题-用户间干扰每个用户占用一个频率以频道区分用户地址，一个频道传输一路话音PowerFrequencyTimeFDMA超声波声音次声波频谱可以表示一个讯号是由哪些频率的弦波所组成，也可以看出各频率弦波的大小及相位等信息。大区制的容量同时服务的用户数 可用频谱带宽：20MHz 每个用户占用带宽25Khz 可以同时服务的用户数：800 缺点扩容非常困难，随着移动用户数量的急剧增加，这

4、种覆盖方式显然无法满足实际需要。小区制蜂窝移动电话（1G）小区：把整个服务区域划分为若干个无线小区（cell)，每个小区分别设置一个基站。半径2至20km，小的1至3km、500m.功率：5至20W.西德：C-450MHz，1984。加拿大：MTS-450MHz。瑞典等北欧四国：NMT450，1980年，1978年底，美国贝尔试验室研制成功先进移动电话系统(AMPS)日本： HAMTS-800MHz， 1979英国：TACS，900MHz，1985空分复用+频分复用移动通信网络结构GSM /GPRS BSSBTSBSCNodeBRNCPCUUTRAN SCPSMSSCEPSTN/PLMNInt

5、ernet,IntranetHLR/AUC/HSSSGSNCGBGGGSNGPRSbackboneVMSC ServerGMSC ServerIP/ATM BackboneCS domainPS domainIu-CSIu-PSIP backboneIMS domainP-CSCFS-CSCFMGCFMRFCSS7需要解决的问题：无缝覆盖 小区间干扰协调第一代移动通信系统的特点 用户的接入方式采用频分多址（FDMA），当一个呼叫建立后，该用户在其呼叫结束以前一直占用一个频段 调制方式：FM 业务的种类单一，主要是话音业务 系统的保密性较差 频谱效率较低，有限频谱资源和无限用户 容量之间的矛盾十

6、分突出第二代移动通信系统第二代移动通信系统 特点： 使用数字传输技术，可提供的业务包括话音和低 速率的数据数据业务业务。 更高的频谱效率、更好的数据业务以及更先进的漫游。采用时分多址接入（TDMA）：GSM，PDC（Personal Digital Cellular）,IS-136(D-AMPS)码分多址接入 (CDMA)： IS-95时分多址（TDMA）以频率复用为基础，多用户共享一个载波，以时隙区分用户，每个用户占用一个时隙每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置系统要求严格的系统定时同步对功控的要求不严是时隙受限和干扰受限系统FrequencyPowerTimeFDMA/TDMA其实

7、、通信可以是不连续的时分多址（TDMA）TDMA帧每个TDMA帧含8个时隙，整个帧时长约为4.615ms，每个时隙含156.25个码元，时隙时长为0.577ms。 更灵活的资源分配 可以采用跳频GSM-Global System for Mobile Communication第一代标准可以说是移动标准的战国时代漫游带来很大的困难 是当前应用最为广泛的移动电话标准。 欧洲国家联合研制泛欧洲的移动通信标准。 1992年，第一个数字蜂窝移动通信系统欧洲的GSM（Global System for Mobile Communication）网络在欧洲开始铺设。 1993年，中国的第一个全数字移动电话

8、年，中国的第一个全数字移动电话GSM系统建系统建成开通，之后中国电信和中国联通都采用了成开通，之后中国电信和中国联通都采用了GSM。 之后的移动通信标准竞争中一直占主导GSMGSM的演进的演进10 10 k k100 100 k k64 64 k k1 1 M M2 2 M M1 1 k k9899000102时间时间速率速率bpsbps9.6SMS14.4EDGEEDGE电路型电路型分组型分组型话音GPRS2.52.5代代IMT-2000IMT-2000WCDMACDMA TDD3 3代代HSCSDHSCSD97032022-3-23163G-1通用分组无线服务(GPRS) 将信包交换模式引

9、入到GSM网络中，从而提高了资源利用率。 GPRS可以使多个用户共享某些固定的信道资源，并将每个时隙的传输速率从9.6kb/s提高到21.4kb/s，使用8个时隙传送数据，在全速移动和大范围覆盖时的数据率可以达171.2kb/s，并能支持Internet的IP协议及X，25协议。GPRS4GPRS4种信道编码方案种信道编码方案 （调制方式不变，帧结构和信道编码方案有改进）（调制方式不变，帧结构和信道编码方案有改进）CS1CS1，传输速率为，传输速率为9.05Kbps9.05Kbps，净数据与总信息的比例大约是，净数据与总信息的比例大约是1:2 1:2 CS2CS2，传输速率为，传输速率为13.

10、4Kbps13.4Kbps，净数据与总信息的比例大约是，净数据与总信息的比例大约是2:3 2:3 CS3CS3，传输速率为，传输速率为15.6Kbps15.6Kbps，净数据与总信息的比例大约是，净数据与总信息的比例大约是3:4 3:4 CS4CS4，传输速率为，传输速率为21.4Kbps21.4Kbps，净数据与总信息的比例大约是，净数据与总信息的比例大约是1:11:1分组交换和电路交换电路交换：在发送数据之前，首先需要通过一系列的信令过程，为特定的信息传输过程（如通话）分配信道，建立连接。数据传输过程结束以后再释放信道资源。优点：恒定带宽，时延小，稳定。缺点：占用大量的信道资源。分组交换

11、:数据被分成一定长度的包（分组），每个包的前面有一个分组头 ，数据传送之前并不需要预先分配信道建立连接，而是在每一个数据包到达时，临时寻找一个可用的信道资源。优点：信道资源可以可以看作是由所有的用户共享使用。缺点：突发性的业务特点，不能保证传送数据的稳定性和完整性。(A(BCDEDGE :Enhanced Data rates for GSM Evolution EDGE技术在不改变GSM 200kHz带宽载波、TDMA框架结构及通道的情况下，其帧结构与GSM相同，采用8PSK调制，使每时隙可传48kb/s甚至69.2kb/s，如集中8个时隙，使数据率可达到384kb/s，从而提供无线多媒体服

12、务。GPRS/EDGE协议及接口计算公式：数据块8/20mS。2G2G标准标准 日本的日本的 PDC PDC PDC-Personal Digital Cellular，90年代初产生于日本，且只在日本使用。和美国的IS-54有很多相似之处。PDC采用25 kHz载波、3个时间格、pi/4-DQPSK 编码及低速率11.2 kbit/s 及 5.6 kbit/s (半速率) 话音编解码器。 PDC最高峰时期曾有接近8000万使用者，2005年12月使用者数字为4585.6万，2007年3月底的使用者为2621万人(约占所有移动电话使用者的27.1%)。逐渐被3G技术如W-CDMA或 CDMA2

13、000淘汰。2022-3-23213G-12G2G标准：标准： USTDMAUSTDMA： D-AMPS D-AMPS 1989年，TIA/CTIA选择了兼容FDMA的TDMA技术。IS-54是带有一个模拟控制信道的US-TDMA标准；IS-136是只有数字控制信道的US-TDMA标准。现在，IS-136主要分布在北美、南美和亚洲的一些地方，它的市场占有率仅次于GSM系统。2022-3-23223G-1D-AMPS向3G的演进基于D-AMP（IS-136）的演进 第一个阶段为IS-136+，它利用新的频率调制技术，使数据传输速率达到64kbps。 第二阶段为136HS（High Speed），

14、采用EDGE技术。使数据传输速率达到384kbps，在室内或低速运动时，提供2Mbps的传输速率，同时，在系统容量、覆盖范围及通信质量方面都有改善。 2G标准-CDMA95A/B/C 历史回顾历史回顾：1995年，美国的高通公司（Qualcomm）提出了一种采用码分多址（CDMA)方式的数字蜂窝系统技术解决方案（IS-95 CDMA)，目前已分别在中国香港、韩国、北美等国家和地区投入使用，用户反映良好。 CDMACDMA系统的主要特点系统的主要特点： 用户的接入方式采用码分多址（CDMA） 软容量、软切换，系统容量大 抗多径衰落 可运用话音激活、分集接收等先进技术含义含义：每个用户使用一个码型

15、，频率/时间共享用户识别用户识别：码型特点特点：每个基站只需一个射频系统每个码传输一路数字信号每个用户共享时间和频率是一个多址干扰受限系统需要严格的功率控制需要定时同步软容量、软切换，系统容量大抗衰落、抗多径能力强应用：应用：IS-95 CDMA系统、cdma2000系统、WCDMA系统FrequencyCDMAPowerTime码分多址例子用户1信息：x1=0-”1”用户1特征码：s1=1 -1 1 -1 1 -1 1 -1用户2信息：x2=1-”-1” 用户2特征码：s2: 1 1 -1 -1 1 1 -1 -1信道波形 r=s1*x1+s2*x2=0 -2 2 0 0 -2 2 0 r1

16、=sum(s1*r)=120 判决为 0 r1=sum(s1*r)=-12 2 2 M M1 1 k k9899000102时间时间速率速率bpsbpsSMS话音9.614.4电路型电路型分组型分组型IS-95AIS-95A IS-95B IS-95B115.2/64308308/144/144cdma2000-1xcdma2000-1x2.4M/3.1M/1XEV1XEVWCDMAWCDMA? ?cdma2000-3Xcdma2000-3X? ?98032022-3-23273G-12G向3G演进过程示意图GSMPDCcdmaOneGPRSCDPDCDMA2000 1XTDMA(IS-136

17、)TD-SCDMAWCDMACDMA2000 3XEDGEFirst Step into 3G2G3GIMT-2000定义的3G标准IMT-International Mobile Telecommunications全球统一频段、统一标准、无缝覆盖、全球漫游全球统一频段、统一标准、无缝覆盖、全球漫游 保证一定后向兼容性保证一定后向兼容性数据传输速率数据传输速率：高速移动：高速移动：144Kbps144Kbps；室外静止或步行室外静止或步行：384Kbps384Kbps；室内室内：2Mbps2Mbps；ITUITU批准的批准的四四个个种种3G3G标准：标准：CDMA2000CDMA2000，W

18、CDMAWCDMA，TD-SCDMATD-SCDMA, ,WiMAXWiMAX。3G的主要特点 支持移动多媒体业务 高频谱效率 FDMA/TDMA/CDMA 从电路交换到分组交换 从媒体(media)到多媒体(Multi-media) 高保密性 全球范围无缝漫游系统 微蜂窝结构 手机邮件：手机邮件：手机与邮箱帐号绑定，实时接收邮件，进行回复删除等管理。移动互联网：移动互联网：将Internet内容和数据服务带入移动电话终端。移动炒股移动炒股移动支付：移动支付：允许用户通过手机支付商品，进行远程购物。手机广告：手机广告：针对目标人群，向特定地理区域提供直接的、个性化的广告。手机博客：手机博客：实

19、时将身边的照片视频等多媒体信息放到互联网，随时随地更新博客。手机视频点播：手机视频点播：手机用户可以通过移动通信网络在线收看新闻、影视、体育等电视节目。标准化组织联合体3GPP第三代伙伴计划-WCDMAARIB (Japan) CWTS (China)ETSI (Europe) ATIS（US）TTA (Korea) TTC (Japan)3GPP2 CDMA2000ARIB (Japan)CCSA (China)TIA (US)TTA (Korea)TTC (Japan)主要主要IMT-2000IMT-2000无线传输方案无线传输方案无线传输系统名称 无线传输 技术参数 WCDMA cdma

20、2000 TD-SCDMA 双工方式 FDD/TDD FDD TDD 信道带宽（MHz） 51020 1.2551020 1.2 码片速率（Mc/s） N3.84，N=1,2,4 N1.2288, N=1,3,6,9,12 1.1136 多址方式 DS-CDMA DS-CDMA 或 MC-CDMA TD-SCDMA 帧长（ms） 10 20 10 多速率 可变扩频和多码扩频 可变扩频和多码扩频 可变扩频因子多时隙 FEC 编码 卷积码 （码率 1/2,1/3；K=9） RS 码或 Turbo 码（数据） 卷 积码 （码率 1/2,1/3 ；K=9） Turbo 码 卷积码 （码率 1/41；

21、K=9） RS 码（数据） 交织 帧内交织（卷积码） 帧间交织（RS 码） 块交织（20ms） 帧内交织（卷积码） 帧间交织（RS 码） 扩频 前向：Walsh（信道化）Gold 序列 218（区分小区） 反向：Walsh（信道化）Gold 序列 241（区分用户） 前向：Walsh（信道化）M 序列 215（区分小区） 反向：Walsh（信道化）M 序列 241-1（区分用户） 前向：Walsh（信道化）PN 序列（区分小区） 反向：Walsh（信道化）PN 序列（区分用户） 调制 数据调制：QPSK/BPSK 扩频调制：QPSK 数据调制：QPSK/BPSK 扩频调制：OQPSK 前向信道

22、：DQPSK 反向信道：QPSK/16QAM 相干解调 前向： 专用导频信道 （TDM） 反向： 专用导频信道 （TDM） 前向：公共导频信道 反向：专用导频信道 前向：专用导频信道 反向：专用导频信道 功率控制 FDD ： 开 环 + 快 速 闭 环（1.6kHz） TDD: 开环+慢速闭环 开环快速闭环 （800kHz） 开环快速闭环 （200kHz） 基站间同步 异步同步（可选） 同步（GPS） 同步（GPS 或其他方式） 2022-3-23323G-1TD-SCDMA TimeDivisionSynchronousCDMA中国信息产业部电信科学研究院和以大唐移动通信设备有限公司为主提出

23、的3G标准。TD-SCDMA采用了许多先进和特色技术，包括TDD的非对称业务技术、智能天线技术、多用户联合检测技术、动态信道分配技术、上行同步技术、软件无线电技术、接力切换技术、高速分组数据传输技术、低码片速率接入技术等关键技术。TDD vs FDDTD-SCDMA的优点：方便地支持非对称业务和语音+数据的混合业务。灵活的组网方式，规划灵活性强。系统性能稳定。系统收发信使用同一频段，上下行链路的无线环境一致性好，适合使用智能天线技术；。 双工的概念IMT-A 对4G标准的要求基于全IP 包交换网络。高速移动环境下数据传输速率 100 Mbit/s 。静止环境下数据传输 1 Gbit/s 。52

24、0 MHz, 可变带宽。下行链路峰值频谱效率 15 bit/s/Hz ， 上行链路峰值频谱效率6.75 bit/s/Hz。 系统频谱效率3 bit/s/Hz/cell 下行链路。 2.25 bit/s/Hz/cell 室内环境。支持高服务质量的多媒体通信。全球漫游，可以在不同网络间切换。容量概念的转变容量概念的转变更强调单用户时的峰值更强调单用户时的峰值速率与频谱效率。速率与频谱效率。3G 标准的演进2001-2006年 2007年 TD-HSPA+ DL:25.2MbpsUL:19.2Mbps DL:100MbpsUL:50MbpsHSPA+DL40MBps; UL10Mbps 2010年

25、2008年 2009年 Mobile WiMAX Wave115MbpsEV-DO Rel. 0DL: 2.4MbpsUL:153.6kbpscdma2000 1x 153.6kbpsD0 Rel. ADL: 3.1MbpsUL: 1.8MbpsDo Rev B（ 多载波 DO）DL：46.5MbpsUL: 27MbpsUMB DL: 100MbpsUL: 50MbpsGREAN600kbpsMobile WiMAX Wave230MbpsTD-HSDPA2.88.4MbpsTD-HSUPA2.26.6MbpsWCDMA384KbpsHSDPA1.8/3.6MbpsHSDPA7.2MbpsHS

26、UPA1.45.8MbpsGPRS/EDGE 200kbpsLTE-TDDDL:100MbpsUL:50MbpsLTETDD+16m100Mbps1GbpsITUIMT-Advanced(4G)UMB 100Mbps-1Gbps100Mbps1GbpsLTE+B3GLTEFDD关键技术-多载波调制OFDM,00,11Diffracted and Scattered PathsReflected PathLOS Path,kk ns p() (PDP)理解多径传播的影响发送信号发送信号:接收接收:直达路径:反射路径:合成波形合成波形Delays并行传输的概念信道脉冲响应单信道传输信道传输函数随着

27、信道划分越来越细，每路信道都变为窄带信道”双信道并行传输FrequencyFrequency8 信道并行传输FrequencyFrequencyTime宽带信号理解循环前缀的作用Transmitter pulse prototype w(t) Channel impulse response Receiver filter (implemented by FFT) time time Prefix Postfix effective TX-time kT Twin Tguard TFFT TFFT excess delay time max T 41OFDM vsFDM FDM （频分复用）相

28、邻信道之间需要有保护带宽OFDM 载波频率和带宽之间满足关系 fk = kDf where Df = 1/TU(TU - symbol period) 载波之间是正交的关键技术-OFDM实现关键技术-MIMOMultiple-Input Multiple-Output 实现多路数据流并行发送，获得空间复用增益，提高传输的有效性 实现多个子信道信号的有效合并，获得空间分集增益，提高传输的可靠性利用信道空间特性21 ,211 ,11xhxhy22 ,212 ,12xhxhy21121yyHxx2121xxHyyAlmouti 发射分集*2*212221111shshrshshr候选标准之一3GPP

29、 LTE-A-关注度最高的标准组织目前的进展支持多种带宽、中继多址技术：OFDMA时域循环前缀，抑制多径引起的ISI频域分成多个子载波，与信道编码结合对抗多径衰落子载波相互正交，提高频谱利用率时-频二维调度，提高系统性能可扩展带宽，充分利用不同带宽的频谱 含CP的OFDMA符号时域结构 含CP的OFDMA符号频域子载波结构载波聚合协作多点传输CoMP一些试验结果WiMAXWiMAXW Worldwide I Interoperability for M Microwave A Access 是产业界为主导的非赢利经济组织，宗旨在于促进WiMAX在全球发展和产业化应用。 WiMAX论坛推动基于IEEE 802.16/ETSI HiperMan标准的宽带无线产品的认证、互通性和兼容性。 WiMAX论坛的目标是加速这些设备进入市场。 WiMAX Forum Certified 的产品之间是完全互连互通的，支持固定、便携和移动的宽带服务。802.16 802.16 系列标准系列标准扩展到扩展到2-11 GHz频段频段: 以支持以