第四章 4G移动通信系统 v2

移动通信系统柴蓉通信与信息工程学院

第四代移动通信系统4G:宽带移动通信系统，可提供的最大带宽为100Mbps。4G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。4G基本特征：（1）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。（2）宽带化：高速数据传输。

（3）融合趋势明显加快，包括技术融合、网络融合、业务融合。（4）数据速率更高，频谱带宽更宽，频段越来越高，覆盖距离缩小。（5）终端智能化越来越高。（6）支持IP网的“无所不在，无所不能”的普遍特征，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。4G的关键技术（1）调制与信号传输技术MIMO，OFDM，RAKE扩频接收、跳频、高性能前向纠错FEC编码技术等。定位技术（2）基于移动终端的定位、基于移动网络定位和混合定位。4G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信的前提和保障。

（3）切换技术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。（4）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、多层次和多模式的无线通信。（5）智能天线技术智能天线具有抑制干扰、自动跟踪信号、智能化时空处理算法形成数字波束等功能。

多天线技术（MIMO）基本概念在发送端和接收端同时采用多根天线多输入所输出（MultipleInputMultipleOutput，MIMO）采用MIMO目的更好地利用空间资源，提高频谱效率，从而实现更高系统容量、更广覆盖和更高用户速率。单/多天线系统收发端单天线（SISO）系统容量单天线系统模型：假设发射端功率为，则接收端功率为，接收端信噪比：（香农公式）单位频谱信道容量：收发端数学模型：信道容量单/多天线系统收发端接收端合并技术等效比值合并（EqualRatioCombining,ERC）固定比值合并（FixedRatioCombining,FRC）信噪比合并（SignaltoNoiseRatioCombining,SNRC）等效比值合并（ERC）接收端将所接收的比值直接相加固定比值合并（FRC）接收端以一定比例对所接收的比值进行相加：链路1的权值：链路2的权值特例：选择比合并，即：

或。信噪比合并（SNRC）接收端根据链路信噪比进行合并：链路1的信噪比：链路2的信噪比单/多天线系统收发端系统容量MIMO系统，若N，M足够大，多天线（MIMO）系统系统模型系统容量vsSNR正交频分复用（OFDM）技术基本概念（What）

正交频分复用技术（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)是多载波调制技术的一种，采用正交子载波调制多路信号。为什么使用OFDM/FDM（Why）？

通常通信系统的信道所能提供的带宽通常比传送一路信号所需的带宽要宽得多。若一个信道仅传送一路信号导致信道资源严重浪费，为了能够充分利用信道的带宽，可采用频分复用的方法。OFDM如何实现多载波调制（How）？

将信道分成若干正交子信道，将高速数据信号转换成并行的低速子数据流，采用IFFT和FFT实现调制和解调。OFDM子载波正交性OFDM采用子载波：OFDM子载波实例FDM与OFDM频谱利用率对比OFDM实现OFDM实现1.串并转换：将输入的高速数据流分解为多个低速子数据流；2.调制（IFFT）：对各子数据流采用正交子载波进行调制；3.合并后的数据流经信道传输；4.解调（FFT）：采用各组正交载波解调合并后的数据流（相乘、积分）5.并串转换，恢复原高速数据流。OFDM的优缺点OFDM的优点

OFDM的缺点

协作通信技术问题提出源节点S向目的节点D发送消息，若信道增益，则消息无法正确接收。协作思想可能存在另一节点R，其与源节点S之间信道增益及R与目的节点D之间信道增益均优于，S可发送消息至R，由R转发至D。R称为中继节点。协作通信技术应用示例协作通信技术实现时隙1：源节点S向目的节点D发送消息，D接收消息。同时，中继R接收源节点S的消息时隙2：目的节点D接收R转发的消息。

实现协作通信技术协作通信技术分类（根据中继节点R处的操作）放大转发（AmplifyandForward，AF）解码转发（DecodeandForward，DF）协作通信技术放大转发（AF）中继节点R不对接收到的来自源端S的信号进行解调和解码，而是直接将收到的信号进行放大，之后转发至目的端。协作通信技术解码转发（DF）中继节点R对接收到的来自源端S的信号进行解调和解码，再通过编码和调制重构发射信号，从而降低噪声影响。接收端合并技术等效比值合并（EqualRatioCombining,ERC）固定比值合并（FixedRatioCombining,FRC）信噪比合并（SignaltoNoiseRatioCombining,SNRC）等效比值合并（ERC）接收端将所接收的比值直接相加固定比值合并（FRC）接收端以一定比例对所接收的比值进行相加：直传链路路径加权：中继链路路径加权信噪比合并（SNRC）接收端根据链路信噪比进行合并：直传链路信噪比：中继链路信噪比协作通信性能分析协作通信技术LTE概述LTE发展驱动语音收入降低网络成本增加LTE系统架构ARPU：AverageRevenuePerUser，每用户平均收入到2019年，全球移动宽带用户数将达到76亿，占移动用户总数的80%以上。智能手机用户数有望达到56亿。欧洲的智能手机用户数将达到大约7.65亿，超过其人口总数。智能手机用户每月消耗移动数据将是现在的4倍。在2013年至2019年期间，移动数据流量有望增加10倍。2015年，全球移动用户数将超过世界人口总数2016年，智能手机用户数将超过功能手机用户数。2014年第一季度，全球移动用户数同比去年增加了7%，净增1.2亿；销售的所有手机中65%为智能手机。爱立信《移动市场报告》2014.6.133GPP从1998年底开始制定3G的规范。R99版本原计划在1999年底完成，后于2000年3月完成。从R99后不再按年来命名版本，同时将R2000的功能分成两个阶段实施：R4和R5。原则上低版本的规范集是高版本规范集的一个子集，若在低版本中增加新的特征，则将其升级至高版本中。Release112012中继，CoMP，M2MRelease122014LTE-Hi，3D-MIMO，终端直通技术（D2D）等3GPP标准规范性能HSDPA（HighSpeedDownlinkPacketAccess)高速下行分组接入，是一种移动通信协议，亦称为3.5G。该协议在WCDMA下行链路中提供分组数据业务，在一个5MHz载波上的传输速率可达8-10Mbit/s（如采用MIMO技术，则可达20Mbit/s）。在具体实现中，采用了自适应调制和编码（AMC）、多输入多输出（MIMO）、混合自动重传请求（HARQ）、快速调度、快速小区选择等技术。HSDPA可以在不改变已经建设的WCDMA系统网络结构的基础上，提高网络容量和用户下行数据业务速率(理论最大值可达14.4Mbps)。HSDPA相关标准在3GPPR5协议中指定。HSDPA概述HSUPA(HighSpeedUplinkPacketAccess)高速上行链路分组接入。HSUPA通过在WCDMA网络中采用多码传输、混合自动重传请求（HARQ）、基于NodeB的快速调度等关键技术，可实现用户峰值速率1.4-5.8Mbps。与WCDMAR99相比，HSUPA的网络上行容量增加20%-50%，重传延迟小于50ms，覆盖范围增加0.5-1.0dB。HSUPA概述WCDMA/UMTS网络架构UTRAN：UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork，UMTS陆地无线接入网LTE网络架构HSS：HomeSubscriberServer，归属用户服务器。HSS的功能：IP多媒体功能、PS域、CS域的HLR功能。分组核心演进（EvolvedPacketCore，EPC）：即LTE的核心网。EPS网络架构一个eNodeB可以和多个MME/S-GW互连，一个MME/S-GW也可与多个eNodeB互连EPC=EvolvedPacketCore，是核心网E-UTRAN：演进UMTS陆地无线接入网络EPS：EvolvedPacketSystem，网络体系的全称。EPS=UE+E-UTRAN+

EPCLTE：LongTermEvolution，长期演进计划SAE：SystemArchitectureEvolution，系统架构演进SAE和LTE是3GPP2004年提出的两大研究计划的名称，分别侧重网络架构和无线接入技术。LTE与E-UTRAN；SAE与EPC存在一定的映射关系。

LTE与其他蜂窝网络融合架构3GPP与3GPP2第三代合作伙伴计划2（3rdGenerationPartnershipProject2，即3GPP2）成立于1999年1月。由美国TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA四个标准化组织发起。3GPP2致力于使ITU的IMT-2000计划中的（3G）移动电话系统规范在全球的发展3GPP2主要是从2G的CDMAOne或者IS-95发展而来的CDMA2000标准体系的标准化机构，受到拥有多项CDMA关键技术专利的高通公司的较多支持。3GPP与3GPP23GPP(3GPartnershipProject):于1998年12月成立由欧洲的ETSI、日本的ARIB、日本的TTC、韩国的TTA和美国的T1五个标准化组织发起。主要是制订以GSM核心网为基础，UTRA(FDD为W-CDMA技术，TDD为TD-CDMA技术)为无线接口的第三代技术规范。中国无线通信标准研究组(CWTS)于1999年6月在韩国正式签字同时加入3GPP和3GPP2。在此之前，我国是以观察员的身份参与这两个伙伴的标准化活动。中国通信标准化协会（CCSA）2002年成立后，CWTS在3GPP2的组织名称更名为CCSA。EPC的主要功能实体：移动性管理实体（MobilityManagementEntity，MME。服务网关（ServingGateway，S-GW）分组数据节点网关（PacketDataNetworkGateway，P-GW)策略及收费规则功能（PolicyandChargingRulesFunction，PCRF)负责空闲模式UE跟踪和寻呼控制，包括UE的注册与注销过程通过S6A接口与HSS进行信息交流，完成用户验证功能，并支持用户漫游。帮助UE选择不同S-GW，以完成LTE系统内核心网络节点之间的切换。通过S3端口提供LTE与2G/3G接入网络的控制面功能的移动性管理。负责生成和分配UE的临时身份为NAS信令提供加密/完整性保护，并且负责安全密钥管理。MME的功能LTE与其他蜂窝网络融合架构用户数据包的路由和转发管理和存储UE的上下文，例如IP承载服务的参数，网络内部的路由信息​​。在合法监听的情况下，完成用户传输信息的复制。UE在eNodeB之间移动时用户面数据交换UE在LTE与其他3GPP技术之间移动时用户面数据交换，通过S4接口与完成2G/3G系统之间的切换。服务网关（S-GW）功能PDN网关提供UE与外部分组数据网络连接点的接口传输。实现用户数据包过滤，计费支持，合法拦截与数据包筛选。作为数据交换的核心组件，承载3GPP和非3GPP网络之间的数据交换，如WiMAX和3GPP2（CDMA1X和EVDO）网络。PCRF：PolicyandChargingRulesFunction，策略及收费规则功能，支持数据流检测、策略执行和计费控制。PDN网关（P-GW）功能EPS网络架构一个eNodeB可以和多个MME/S-GW互连，一个MME/S-GW也可与多个eNodeB互连RRC（RadioResourceControl）：无线资源控制控制面：传输信令消息的平面信令消息：为了承载用户数据而传输的控制/命令消息PDCP(PacketDataConvergenceProtocol)分组数据汇聚协议NAS:Non-accessstratum,非接入层eNB，MME，S-GW的功能NAS：Non-AccessStratum，非接入层NAS支持核心网与UE之间的信令和数据传输。功能：认证，鉴权，安全控制，空闲模式移动性管理及发起寻呼。RRC：RadioResourceControl，无线资源控制功能：广播，寻呼，链路管理，无线承载控制，移动性，UE测量上报和控制。RLC：RadioLinkControl，无线链路控制层协议功能：RLC负责分段与连接、重传处理，以及对高层数据的顺序传送，具体包括PDU传输，ARQ，包的组合与拆分。MAC:媒体访问控制（MAC）层功能：HARQ重传与上下行调度，包括调度，HARQ，逻辑信道优先级处理，PDU包复用和解复用。PHY:物理层功能：编译码、调制解调、多天线映射以及其它电信物理层功能，包括无线接入，功率控制，MIMO。PDCP：PacketDataConvergenceProtocol，分组数据汇聚协议功能：处理用户平面上的IP数据包。（1）PDCP子层接收来自上层的IP数据分组后，可以对IP数据分组进行头压缩和加密，然后递交到RLC子层。（2）PDCP子层还向上层提供按序提交和重复分组检测功能。LTE的技术指标：峰值速率控制面延迟时间与控制面容量UE三种基本的运行模式：驻留态：手机选择小区处于空闲态，未附着；睡眠态：手机RRC已建立，尚未建立专用承载；激活态：手机已建立专用承载，处于业务状态。LTE中UE运行模式用户面延迟时间与用户面容量用户面延迟时间与用户面容量用户移动性多带宽支持与已有3GPP技术的融合其他性能指标CAPEX（CapitalExpenditure）：资本性支出，指用于基础建设、扩大再生产等方面的需要在多个会计年度分期摊销的资本性支出。

OPEX（OperatingExpense）：运营成本OPEX=维护费用+营销费用+人工成本（+折旧）。运营成本主要是指当期的付现成本。E-UTRAN物理层技术特征PDSCH:PhysicalDownlinkSharedChannel--物理下行共享信道,用于承载来自传输信道DSCH的数据。CRC:循环冗余校验码（CyclicRedundancyCheck）无线资源管理无线承载控制：RadioBearerControl，RBC动态资源分配：DynamicResourceAllocation无线接纳控制：RadioAccessControl(RAC)连接移动性控制：ConnectionMobilityControl，CMC小区间干扰协调：InterCellInterferenceCoordination，ICIC负载均衡：LoadBalancing无线资源管理：无线承载控制(RBC)无线承载控制：RadioBearerControl，RBC无线资源管理：动态资源分配无线资源管理：无线接纳控制无线接纳控制：RadioAccessControl(RAC)无线资源管理：连接移动性控制CMCCMC：ConnectionMobilityControl无线资源管理：小区间干扰协调ICICICIC：小区间干扰协调，InterCellInterferenceCoordination基本思想：通过管理无线资源使小区间干扰得到控制，考虑多个小区中资源使用和负载等情况而进行的多小区无线资源管理方案。ICIC以小区间协调的方式对各个小区中无线资源的使用进行限制，包括限制时频资源的使用或者在一定的时频资源上限制其发射功率等。

小区干扰控制LTE系统中，系统中各小区采用相同的频率进行发送和接收，导致小区间产生干扰，小区边缘干扰尤为严重。目前主要干扰控制方法：干扰协调：主动的干扰控制技术。对小区边缘可用的时频资源做一定的限制。这是一种比较常见的小区干扰抑制方法。干扰抑制：通过终端多个天线对空间干扰特性进行估计和抑制，可以分为空间维度和频率维度进行抑制。系统复杂度较大，可通过上下行的干扰抑制合并(InterferenceRejectionCombining，IRC)实现。

干扰随机化：被动的干扰控制方法。目的是使系统在时频域受到的干扰尽可能平均，可通过加扰，交织，跳频等方法实现。干扰对消：终端解调邻小区信息，对消邻小区信息后再解调本小区信息；或利用交织多址IDMA进行多小区信息联合解调。

小区干扰控制无线资源管理：负载均衡负载均衡：LoadBalancingRAN之间的无线资源管理物理层技术随机接入非同步随机接入同步随机接入调度链路自适应小区搜索非同步的随机接入，如初始接入

UE选择合适的小区进行驻留以后,可以发起初始的随机接入过程。LTE中,随机接入是一个基本的功能,UE只有通过随机接入过程,与系统的上行同步以后,才能够被系统调度来进行上行的传输。

同步随机接入，如切换时的接入随机接入RACH：RandomAccessChannelRACH：RandomAccessChannel调度和链路自适应LTE支持时间和频率两个维度的链路自适应根据时频域信道质量信息对不同的时频资源选择不同的调制编码方式。LTE功率控制主要用来降低对邻小区上行的干扰，补偿链路损耗，也是一种慢速的链路自适应机制。

TTI：TransmissionTimeIntervalCP：循环前缀，CyclicPrefix（类型1，FDD）（类型2，TD-LTE）DwPTS：下行导频时隙，DownlinkPilotTimeSlotGP：保护时隙，GuardPeriodTD-LTE帧结构

逻辑信道传输信道物理信道LTE中的信道

逻辑信道：按照消息的类别不同，将业务和信令消息进行分类，得到相应的信道称为逻辑信道。逻辑信道的定义只是逻辑上人为的定义。传输信道：对应的是空中接口上不同信号的基带处理方式，根据不同的处理方式来描述信道的特性参数，构成了传输信道的概念。根据信号的信道编码、选择的交织方式、CRC冗余校验的选择、块的分段等过程的不同，而定义了不同类别的传输信道。物理信道：空中接口的承载媒体，根据所承载的上层信息的不同定义了不同类型的物理信道。LTE中的信道逻辑信道逻辑信道由其承载的业务类型定义。控制信道：ControlChannel，CCH业务信道（流量信道）：TrafficChannel，TCH逻辑信道传输信道物理下行控制信道：PDCCH，PhysicalDownlinkControlChannel物理控制格式指示信道：PCFICH，PhysicalControlFormatIndicatorChannel物理HARQ指示信道：PHICH，PhysicalHybrid-