第三章3G移动通信系统

1、移动通信系统移动通信系统 柴柴 蓉蓉通信与信息工程学院通信与信息工程学院 国际电信联盟国际电信联盟ITU在在1985年提出的未来公用陆地移年提出的未来公用陆地移动通信系统动通信系统FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication System)。 1996年更名为年更名为IMT-2000，意为工作在，意为工作在2000MHz频频段、在段、在2000年前后投入商用的全球移动通信系统。年前后投入商用的全球移动通信系统。 欧洲商用时间：欧洲商用时间：2003年年 中国中国3G商用时间：商用时间：2009年年 第三章第三章 第三代移动通信系统第三代

2、移动通信系统l提供提供全球无缝覆盖和自动漫游。全球无缝覆盖和自动漫游。l提供提供固定终端固定终端2Mbit/s2Mbit/s、步行、步行384Kb/s384Kb/s、车辆行、车辆行进进144Kb/s144Kb/s的多媒体通信。的多媒体通信。l适应适应多种业务环境，如蜂窝、卫星移动、多种业务环境，如蜂窝、卫星移动、PSTNPSTN、因特网等。因特网等。l具有全球唯一具有全球唯一的用户号码。的用户号码。l频谱频谱利用率高、容量大。利用率高、容量大。l与与第二代移动通信系统第二代移动通信系统兼容兼容 3G3G移动通信系统特点移动通信系统特点3G标准：标准：WCDMA（欧洲）（欧洲）CDMA2000（

3、北美）（北美）TD-SCDMA（中国）（中国）三种标准均采用码分多址（三种标准均采用码分多址（CDMA）技术。）技术。 3G共同特点：采用共同特点：采用CDMA技术技术扩频技术：使用比信息频带宽得多的带宽传输扩频技术：使用比信息频带宽得多的带宽传输信息的技术。信息的技术。 ：系统占用带宽：系统占用带宽 ：信息带宽：信息带宽 =12，称为窄带通信，称为窄带通信 50, 称为宽带通信称为宽带通信 100, 称为扩频通信。称为扩频通信。WB/W B/W B/W B香农公式：香农公式：若若W足够大，即使在很低的足够大，即使在很低的 情况下，也可情况下，也可达到特定容量达到特定容量 。扩频通信：扩频通信

4、：W扩展扩展100倍以上，从而提高通信倍以上，从而提高通信的抗干扰能力。的抗干扰能力。log(1/)CWS NC/S N3G支持的业务：支持的业务： （1）基本电信业务，包括语音业务、紧急呼叫业）基本电信业务，包括语音业务、紧急呼叫业务、短消息业务。务、短消息业务。 （2）补充业务，包括多方会话、呼叫转移、呼叫）补充业务，包括多方会话、呼叫转移、呼叫限制、主叫号码显示等。限制、主叫号码显示等。 （3）智能业务，继承了）智能业务，继承了GSM网络的智能网业务，网络的智能网业务，如如号码携带业务号码携带业务，被叫集中付费业务被叫集中付费业务，亲密号码业务亲密号码业务，预付费业务预付费业务等。等。

5、（4）承载业务。）承载业务。 提供高带宽面向数据服务的承载业务，支持提供高带宽面向数据服务的承载业务，支持QoS的的保障。保障。 （5）位置业务。与位置信息相关的业务，如分区计）位置业务。与位置信息相关的业务，如分区计费、紧急定位以及其他很多基于位置的应用等。与物费、紧急定位以及其他很多基于位置的应用等。与物联网应用结合，具有广阔前景。联网应用结合，具有广阔前景。 （6）多媒体业务。）多媒体业务。 包括以可视电话为代表的实时多媒体业务包括以可视电话为代表的实时多媒体业务 以在线新闻、在线体育转播等应用为代表的基于流以在线新闻、在线体育转播等应用为代表的基于流媒体的宽带分组型实时多媒体业务。媒体

6、的宽带分组型实时多媒体业务。 支持多媒体文件下载播放或转发的非实时存储转发支持多媒体文件下载播放或转发的非实时存储转发型多媒体消息业务等。型多媒体消息业务等。lWCDMA系统发展历程系统发展历程 从从GSM移动通信系统经移动通信系统经GPRS平滑过渡而成的平滑过渡而成的。WCDMA移动通信系统移动通信系统lUMTSUMTS(Universal Mobile Telecommunications System)，通用，通用移动通信系统移动通信系统。UMTS是采用是采用WCDMA技术的技术的3G移动通信系统移动通信系统 GSM网络结构网络结构 BSS由由BTS和和BSC组成。组成。BTS 的功能的

7、功能 实现实现BSS与与MS之间通过空中接口的无线传输。之间通过空中接口的无线传输。BSC的功能的功能 对对BTS进行控制、管理，包括无线信道的分配、进行控制、管理，包括无线信道的分配、释放和越区切换管理，提供释放和越区切换管理，提供MS与网络子系统与网络子系统（NSS）之间的接口管理。）之间的接口管理。GSM基站子系统（基站子系统（BSS）lWCDMA系统由无线网络子系统和核心网组成。系统由无线网络子系统和核心网组成。l无线网络子系统无线网络子系统（Radio Network Subsystem，RNS）UMTS中，中，RNS为为UTRAN；NodeB：逻辑上对应于：逻辑上对应于GSM系统中

8、的基站系统中的基站BTS；无线无线网络控制器（网络控制器（Radio Network Controller，RNC），逻辑），逻辑上对应于上对应于GSM系统中的系统中的BSC。 l核心网核心网（Core Network，CN）电路域电路域分组域分组域WCDMA系统结构系统结构WCDMA/UMTS网络架构网络架构UTRAN：UMTS Terrestrial Radio Access Network，UMTS 陆地无线接入网陆地无线接入网l主要主要功能：功能： 扩扩频、调制和频、调制和信道编码；信道编码； 解扩解扩、解调和信道、解调和信道解码；解码； 射频信号接收、发送；射频信号接收、发送； 接收

9、接收RNC传输来的信号并加以处理。传输来的信号并加以处理。 Node Bl主要功能：主要功能： 提供提供寻呼、系统信息广播、功率控制等基本业务寻呼、系统信息广播、功率控制等基本业务功能；功能； 移动台移动台接入控制、切换、软容量等控制接入控制、切换、软容量等控制管理；管理；信道资源的管理，如动态信道分配信道资源的管理，如动态信道分配等；等；电路电路域数据业务和分组域数据业务的域数据业务和分组域数据业务的承载；承载； 终端操作终端操作维护维护管理：配置管理：配置、维护、告警和性能统计、维护、告警和性能统计等。等。 无线网络控制器无线网络控制器RNCWCDMA网络架构网络架构GMSC Gatewa

10、y Mobile Switching Center 网网关移动交换中心关移动交换中心 WCDMA的核心网部分由电路域部分和分组域部分组成。的核心网部分由电路域部分和分组域部分组成。l电路电路域域移动交换中心移动交换中心MSC，移动台归属位置寄存器，移动台归属位置寄存器HLR和拜访位和拜访位置寄存器置寄存器VLR。为实现业务控制和承载的分离，为实现业务控制和承载的分离，MSC分离分离成成MSC Server和和MGW两个部分两个部分l分组分组域设备：域设备： GPRS业务支持节点业务支持节点SGSN和和GPRS网关支持节点网关支持节点GGSN。WCDMA的核心网的核心网WCDMA核心网核心网CS

11、域域lGMSCGMSC：Gateway Mobile Switching Center，网关移动交，网关移动交换换中心中心GMSC从从HLR查询得到被叫查询得到被叫MS目前的位置信息，并根据目前的位置信息，并根据此信息选择路由此信息选择路由。GMSC 可以是任意的可以是任意的MSC ，也可以单独设置（与也可以单独设置（与PSTN相相连）。单独设置时，不处理连）。单独设置时，不处理 MS的呼叫，因此不需设的呼叫，因此不需设VLR ，不与，不与BSC 相连。相连。lMGW：MGW：Media GateWay，媒体网关，媒体网关提供承载控制和传输资源提供承载控制和传输资源媒体处理设备媒体处理设备(如

12、码型变换器、回升消除器、会议桥如码型变换器、回升消除器、会议桥等等)，执行媒体转换和帧协议转换。，执行媒体转换和帧协议转换。WCDMA核心网核心网CS域域l信号带宽：信号带宽：5MHz；码片速率：；码片速率：3.84Mcpsl信道编码：卷积码和信道编码：卷积码和Turbo码，支持码，支持2M速率的数据业务速率的数据业务l调制方式：上行：调制方式：上行：BPSK；下行：；下行：QPSKl功率控制：上下行闭环功率控制，外环功率控制功率控制：上下行闭环功率控制，外环功率控制l解调方式：导频辅助的相干解调解调方式：导频辅助的相干解调lMAP技术和技术和GPRS隧道技术是隧道技术是WCDMA体制的移动性

13、管理体制的移动性管理机制的核心，保持与机制的核心，保持与GPRS网络的兼容性网络的兼容性l支持软切换和更软切换支持软切换和更软切换WCDMA技术特征技术特征 WCDMA移动通信系统框图移动通信系统框图 l智能天线智能天线l多用户检测技术多用户检测技术l高效信道编码：纠错编码高效信道编码：纠错编码/译码（包括速率适配），译码（包括速率适配），交织交织/解交织，传输信道映射至解交织，传输信道映射至/分离出物理信道。分离出物理信道。l软件无线电：用软件来操纵、控制传统的软件无线电：用软件来操纵、控制传统的“纯硬件纯硬件电路电路”的无线通信，如的无线通信，如WCDMA与与GSM之间切换。之间切换。WC

14、DMA系统的关键技术系统的关键技术l原理：原理：可变天线阵列、多天线，可以判定信号的空间信息，可变天线阵列、多天线，可以判定信号的空间信息，采用可跟踪、定位信号源的智能算法，并且可以根采用可跟踪、定位信号源的智能算法，并且可以根据此信息，进行空域滤波的天线阵列。据此信息，进行空域滤波的天线阵列。实现实现空分复用空分复用(SDMA)，利用在信号传播方向上的差，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。别，将同频率、同时隙的信号区分开来。基站基站为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功限的方向

15、区域发送和接收，充分利用了信号发射功率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干率，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰扰。 智能天线技术智能天线技术 智能天线技术智能天线技术 智能天线技术智能天线技术智能天线性能智能天线性能提升提升：l扩大系统的覆盖区域；扩大系统的覆盖区域；l增加系统容量；增加系统容量；l提高频谱利用效率；提高频谱利用效率；l降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干扰与电磁环境污染。扰与电磁环境污染。智能天线技术智能天线技术l原理原理联合联合检测所有信号，将其他信号的干扰从期望信号中检测所有信号，将其他信号的干扰从期望信

16、号中消消除，（除，（信号相干特性已知，干扰确定）信号相干特性已知，干扰确定）联合检测和干扰对消，降低了多址干扰，从而提高系统联合检测和干扰对消，降低了多址干扰，从而提高系统的的容量。容量。多用户检测技术多用户检测技术Rake接收机接收机TD-SCDMA移动通信技术移动通信技术采用技术：采用技术： （1）采用时分双工）采用时分双工TDD模式，能在不同的时隙模式，能在不同的时隙中发送上行业务或下行业务，可以根据上下行业务量中发送上行业务或下行业务，可以根据上下行业务量的多少分配不同数量的时隙。可在上下行非对称业务的多少分配不同数量的时隙。可在上下行非对称业务时实现最佳的频谱利用率。时实现最佳的频谱

17、利用率。 （2）TD-SCDMA同时采用了频分多址同时采用了频分多址 FDMA、码分多址码分多址CDMA和时分多址和时分多址TDMA三种多址技术。三种多址技术。 （3）采用了智能天线技术。把不同方向性的波束）采用了智能天线技术。把不同方向性的波束分配给不同的用户，可以有效减弱用户间的干扰，扩分配给不同的用户，可以有效减弱用户间的干扰，扩大小区的覆盖范围，提高系统的容量。大小区的覆盖范围，提高系统的容量。TD-SCDMA移动通信技术移动通信技术（4）采用了多用户联合检测技术，把同时存在的多）采用了多用户联合检测技术，把同时存在的多个用户信号及多径信号联合处理，精确地解调出用户个用户信号及多径信号

18、联合处理，精确地解调出用户信号，因而它可以降低对功率控制的要求。信号，因而它可以降低对功率控制的要求。（5）采用了软件无线电技术。）采用了软件无线电技术。 TD-SCDMA的缺点：的缺点：（1）支持移动终端的速度较）支持移动终端的速度较FDD模式移模式移动终端低得多。动终端低得多。TDD模式的速度为模式的速度为120km/h，FDD模式的速度为模式的速度为500km/h。 (2) 覆盖半径小，覆盖半径小，TDD模式不超过模式不超过10km，而而FDD模式可达几十公里。模式可达几十公里。二、第四代移动通信的发展趋势二、第四代移动通信的发展趋势4G:宽带移动通信系统，可提供的最大带宽带移动通信系统

19、，可提供的最大带宽为宽为100Mbps。4G系统定位于宽带多媒体业务，使用更系统定位于宽带多媒体业务，使用更高的频带，提供更高传输容量。高的频带，提供更高传输容量。4G基本特征：基本特征： （1）网络覆盖的无缝化，即用户在任何时间、任）网络覆盖的无缝化，即用户在任何时间、任何地点都能实现网络的接入。何地点都能实现网络的接入。 （2）宽带化：高速数据传输。）宽带化：高速数据传输。 （3）融合趋势明显加快，包括技术融合、网络融）融合趋势明显加快，包括技术融合、网络融合、业务融合。合、业务融合。 （4）数据速率更高，频谱带宽更宽，频段越来越）数据速率更高，频谱带宽更宽，频段越来越高，覆盖距离缩小。高

20、，覆盖距离缩小。 （5）终端智能化越来越高。）终端智能化越来越高。 （6）支持）支持IP网的网的“无所不在，无所不能无所不在，无所不能”的普遍的普遍特征，支持任何时间，任何地点、任何人采用任何终特征，支持任何时间，任何地点、任何人采用任何终端可实现任何业务传输。端可实现任何业务传输。 4G的关键技术：的关键技术： （1）调制与信号传输技术）调制与信号传输技术 MIMO，OFDM，RAKE扩频接收、跳频、扩频接收、跳频、高性能前向纠错高性能前向纠错FEC编码技术等。编码技术等。定位技术定位技术 （2）基于移动终端的定位、基于移动网络定）基于移动终端的定位、基于移动网络定位和混合定位。位和混合定位

21、。 4G支持移动终端在不同系统间进行通信，支持移动终端在不同系统间进行通信，对其定位和跟踪是实现高速率和高质量移动通对其定位和跟踪是实现高速率和高质量移动通信的前提和保障。信的前提和保障。 （3）切换技术）切换技术 包括同一网络内的切换（水平切换），不同网络之包括同一网络内的切换（水平切换），不同网络之间的切换（垂直切换），实现硬切换和软切换相结合。间的切换（垂直切换），实现硬切换和软切换相结合。（4）软件无线电技术）软件无线电技术 建立一个无线电通信平台，通过平台实现多通路、建立一个无线电通信平台，通过平台实现多通路、多层次和多模式的无线通信。多层次和多模式的无线通信。 （5）智能天线技术）

22、智能天线技术 智能天线具有抑制干扰、自动跟踪信号、智能化智能天线具有抑制干扰、自动跟踪信号、智能化时空处理算法形成数字波束等功能。时空处理算法形成数字波束等功能。 6.4 无线局域网无线局域网6.4.1 基本概念基本概念 无线局域网（无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）是利用无线电波或红外线（）是利用无线电波或红外线（Infrared，IR）等）等无线传输媒体构成的局部区域网络无线传输媒体构成的局部区域网络。 在开放环境中，在开放环境中，WLAN的覆盖范围约为的覆盖范围约为250300米；而在有间隔的半开放性空间，米；而在有间隔的半开放性空间，WLAN

23、的覆盖范围仅为的覆盖范围仅为3550米。米。 2、WLAN的发展的发展 WLAN是是20世纪世纪90年代计算机网络与无线通信技年代计算机网络与无线通信技术相结合的产物。术相结合的产物。 1990年年11月，月，IEEE成立委员会，着手制定成立委员会，着手制定WLAN标准。标准。1997年年6月制定出全球第月制定出全球第1个个WLAN标准标准IEEE 802.11。 IEEE小组又相继推出了新的高速标准小组又相继推出了新的高速标准IEEE 802.11b，IEEE802.11a，IEEE 802.11g，IEEE 802.11n。 欧洲电信标准化协会（欧洲电信标准化协会（ETSI）的宽带无线接入

24、网）的宽带无线接入网络 （络 （ B R A N ） 小 组 着 手 制 定 了） 小 组 着 手 制 定 了 H i p e r（HighPerformance Radio）接入标准，已相继推出）接入标准，已相继推出Hiper AN/1和和Hiper LAN/2标准。标准。 6.4.2 无线局域网的工作模式无线局域网的工作模式1. 自组织无线局域网（自组织无线局域网（Ad-hoc Network）：多：多个个WLAN站无线连接组成自组织网络。站无线连接组成自组织网络。 图图6-33 自组织网络自组织网络网络结构：无中心分布式对等结构。网络结构：无中心分布式对等结构。 任意两站可以互相直接通信

25、，无须设中心转任意两站可以互相直接通信，无须设中心转接站。接站。 媒体访问控制（媒体访问控制（MAC）功能由各站分布式管）功能由各站分布式管理。理。 MAC协议采用协议采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，带碰撞避，带碰撞避免的载波倾听多址）协议。免的载波倾听多址）协议。 2. 基础设施结构的无线局域网（集中式无基础设施结构的无线局域网（集中式无线局域网）：线局域网）： 若干若干WLAN站通过接入点站通过接入点AP（Access Point）与有线网络互连。）与有线网络互连。Internet图图6-34 集中式无

26、线局域网组成示意图集中式无线局域网组成示意图 图图6-34中，每一小区称为一个基本服中，每一小区称为一个基本服务区（务区（Basic Service Area，BSA）。）。 BSA通常的范围在通常的范围在100米以内。米以内。 扩展服务区（扩展服务区（Extended Service Area，ESA）：由若干个通过有线骨干网桥接）：由若干个通过有线骨干网桥接的基本服务区（的基本服务区（BSA）构成。）构成。 典型的典型的ESA覆盖范围在几公里以内。覆盖范围在几公里以内。有中心的集中控制方式有中心的集中控制方式 BSA中有一个中心控制站，主要完成中有一个中心控制站，主要完成MAC控制及控制及

27、信道分配等功能。信道分配等功能。 网中的其他站在该中心站的协调下互相通信。由于网中的其他站在该中心站的协调下互相通信。由于对信道资源分配和对信道资源分配和MAC控制采用集中控制的方式，控制采用集中控制的方式，中心站可根据网内业务量的具体情况改变控制策略及中心站可根据网内业务量的具体情况改变控制策略及参数，使网络性能（吞吐量、延迟等）趋于最佳，信参数，使网络性能（吞吐量、延迟等）趋于最佳，信道利用率大大提高。道利用率大大提高。 引入中心站也使得引入中心站也使得BSA结构复杂，且中心站需要进结构复杂，且中心站需要进行信道资源分配和站点管理等较复杂的处理。行信道资源分配和站点管理等较复杂的处理。 混合组网方式混合组网方式:分布式对等方式与集分布式对等方式与集中控制方式的结合方式。中控制方式的结合方式。 BSA中的任意两站均可直接通信，而中的任意两站均可直接通信，而中心控制站执行部