第6章 第三代移动通信系统

《移动通信技术》电子教案第6章第三代移动通信系统3G是英文TheThirdGeneration的缩写，指第三代移动通信技术。相对第一代模拟技术（1G）和第二代GSM、TDMA等数字技术（2G），3G是指将移动通信与Internet等多媒体通信结合在一起的新一代移动通信系统，它能够处理图像、语音、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。6.1第三代移动通信系统概述6.1.1概述第三代移动通信系统早在1985年由国际电信联盟（ITU）提出，当时被称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS）。随着时间的推移，第三代移动通信的目标和要求愈加清晰，FPLMTS这个名称含义显得愈不准确，因而ITU在1996年将其正式命名为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication-2000）。名字的由来是因为ITU预计该系统会在2000年左右投入商用，而且该系统的一期主频段又位于2GHz频段附近。IMT-2000系统包括地面系统和卫星系统，其终端可连接到基于地面的网络，也可连接到卫星通信的网络。1．IMT-2000系统的目标现有第二代移动通信技术及其使用的频谱不能满足发展需求，IMT-2000系统应是具有更高频谱利用率、更大通信容量、更好通信质量的移动通信系统。第一代和第二代蜂窝移动电话以提供语音业务为主，只满足各国及部分区域性漫游；IMT-2000系统应能提供更广泛的业务，尤其是图、文、声、像的多媒体业务和接入高速Internet业务等，并能提供全球漫游。IMT-2000系统应是智能移动通信系统，电磁辐射小，提供2Mbit/s甚至更高的信息传输速率，具有更强的兼容和扩展能力。2．IMT-2000系统的特点（1）IMT-2000具有全球性漫游的特点。（2）IMT-2000能够提供多媒体业务。（3）IMT-2000系统包括卫星和地面两个网络，适用于多环境。（4）IMT-2000系统具有智能化。（5）IMT-2000系统具有较强的保密性。3．IMT-2000系统结构完整的IMT-2000系统由无线接入网和核心网两个子网再加上用户终端设备组成。系统结构如图6-1所示。（1）无线接入网无线接入网由以下两部分组成。①无线载体通用功能（RBCF）②无线载体特殊功能（RTSF）（2）核心网第二代移动通信系统的核心网络可以通过互通功能（IWF）单元与IMT-2000核心网相连；同时，IMT-2000的接入网也可以通过一定的适配功能（AF）模块接入第二代移动通信系统的核心网。（3）第三代移动通信终端①WCDMA终端②CDMA2000终端③TD-SCDMA终端6.1.2第三代移动通信的标准1．主要的标准及提案为了能够在未来移动通信全球化标准的竞赛中取得领先地位，全世界各个地区、国家、公司及标准化组织纷纷提出了自己的技术标准，截止到1998年6月30日，ITU共收到16项建议，针对地面移动通信的就有10多项，包括我国电信科学技术研究院代表中国提出的TD-SCDMA技术。表6-1列出了10项IMT-2000地面无线传输技术提案。其中FDD方式8项，TDD方式5项。2．三大主流标准的技术比较表6-2所示了WCDMA、TD-SCDMA和CDMA20003种主流标准化的主要技术性能比较。其中仅有TD-SCDMA使用了智能天线、联合检测和同步CDMA等先进技术，所以在系统容量、频谱利用率和抗干扰能力等方面具有突出的优势。6.1.3IMT-2000频谱情况ITU对第三代移动通信系统IMT-2000划分了230MHz频率：上行1

885～2

025MHz、下行2

110～2

200MHz。其中，移动卫星业务的频段是1

980～2

010MHz（地对空）和2

170～2

200MHz（空对地）。可使用双频FDD方式和单频TDD方式，上下行频带不对称。此规划在WRC92上得到通过，如图6-2所示。在2000年的WRC2000大会上，在WRC-92基础上又批准了新的附加频段：806～960MHz、1

710～1

885MHz、2

500～2

690MHz。WCDMA分为FDD模式和TDD模式：FDD模式使用频谱是上行1

920～1

980MHz，下行2

110～2

170MHz，在美洲地区，上行1

850～1

910MHz，下行1

930～1

990MHz；TDD模式使用频谱是上行1

900～1

920MHz，下行2

010～2

025MHz，在美洲地区，上行1

850～1

910MHz和1

930～1

990MHz，还有一个频段为上下行1

910～1

930MHz。CDMA2000中只有FDD模式，目前有7个频段。中国有关第三代移动业务的研究起步较晚。近年来，由于我国无线电移动通信发展迅猛，频谱需求量很大。为了保证未来IMT-2000的频谱需要，结合我国无线电频谱使用的实际情况，原信息产业部于2000年10月正式通过了我国IMT-2000频谱划分方案。（1）IMT2000系统的主要工作频段①频分双工方式：1

920～1

980MHz/2

110～2

170MHz。②时分双工方式：1

880～1

920MHz/2

010～2

025MHz。③补充工作频段：频分双工方式：1

755～1

785MHz/1

850～1

880MHz。时分双工方式：2

300～2

400MHz，与无线电定位业务共用，均为主要业务。（2）卫星移动通信系统工作频段：1

980～2

010MHz/2

170～2

200MHz。（3）目前已划给公众移动通信系统的825～835MHz/870～880MHz、885～915MHz/930～960MHz和1

710～1

755MHz/1

805～1

850MHz频段，同时规划为IMT2000系统FDD方式的扩展频段，上、下行频率使用方式不变。6.2WCDMA技术

通用移动通信系统（UniveersalMobileTelecommucationSystem，UMTS）是采用WCDMA空中接口技术的第三代移动通信系统，通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统。6.2.1WCDMA技术概述1．WCDMA技术的特点（1）核心网基于GSM/GPRS网络的演进，保持与GSM/GPRS网络的兼容性。（2）核心网络可以基于TDM、ATM和IP技术，并向全IP的网络结构演进。（3）核心网络在逻辑上分为电路域和分组域两部分，分别完成电路型业务和分组型业务。（4）UTRAN基于ATM技术，统一处理语音和分组业务，并向IP方向发展。（5）MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制移动性管理机制的核心。2．WCDMA空中接口特性（1）空中接口采用WCDMA。（2）信号带宽为5MHz。（3）码片速率为3.84Mchip/s。（4）语音编码采用AMR语音编码。（5）支持同步/异步基站运营模式。（6）上下行闭环加外环功率控制方式。（7）下行包括开环发射分集和闭环发射分集，提高UE的接收性能：开环发射分集有包括空时发射分集和时分发射分集；而闭环发射分集也包括两种模式。（8）采用导频份辅助的相干解调方式，提高解调性能。（9）采用卷积码和Turbo码的编码方式。（10）采用上行BPSK和下行QPSK解调方式。6.2.2WCDMA系统结构WCDMA系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构，包括两个部分：无线接入网络（RadioAccessNetwork，RAN），处理所有与无线有关的功能；核心网络（CoreNet，CN），处理系统内所有的语音呼叫和数据连接，并实现与外部网络的交换和路由功能。CN从逻辑上分为电路交换域和分组交换域。UTRAN、CN与用户终端设备一起构成了整个WCDMA系统，如图6-3所示。图6-3UMTS的系统结构1．用户终端设备（UE）UE是用户终端设备，主要包括射频处理单元、基带处理单元、协议栈模块、电源管理模块以及应用层软件模块等。UE包括两部分：移动终端（ME），提供应用和服务；UMTS用户识别码（UMTSSubscriberModule，USIM），提供用户身份识别。2．UMTS陆地无线接入网（UTRAN）分为基站（NodeB）和无线网络控制器（RNC）两部分。（1）NodeBNodeB是WCDMA系统的基站，包含无线收发信机和基带处理部件。（2）无线网络控制器（RNC）RNC主要完成连接建立和断开、切换、宏分集合并、无线资源管理控制等功能3．核心网络（CN）CN负责连接其他网络和对UE的通信和管理。其主要功能实体如下。（1）移动交换中心/访问位置寄存器（MSC/VLR）（2）关口移动交换中心（GMSC）（3）服务GPRS支持节点（SGSN）（4）关口GPRS支持节点（GGSN）（5）归属位置寄存器（HLR）4．操作维护中心（OMC）OMC功能实体包括设备管理系统和网络管理系统。（1）设备管理系统（2）网络管理系统5．外部网络（EN）外部网络可以分为两类。（1）电路交换网络（CSN）（2）分组交换网络（PSN）6.2.3系统接口如图6-4所示，WCDMA系统与GSM网络相比，CN部分的接口变化不大，UTRAN部分主要接口如下。图6-4UMTS网络单元构成示意图6.2.4WCDMA无线网络的小区结构1．区域种类区域种类分为位置区域、路由区域、UTRAN登记区域、Cell区域。2．小区结构WCDMA系统中小区结构与GSM类似，只是称谓不同。小区类似于GSM中的基站，扇区类似于GSM中的小区。在WCDMA系统小区中，有3

1、3

2、3

4、6

1、6

2、6

4的概念，第一位数是每小区支持的扇区数，第二位数是每扇区支持的载频数。如3

1表示基站支持3个扇区，每扇区支持1个载频；6

4表示基站支持6个扇区，每扇区支持4个载频。图6-5全向小区扇区图（1）全向小区图6-5全向小区扇区图（2）定向小区（3）分层小区6.2.5WCDMA系统信道结构在WCDMA中具有3层信道概念：逻辑信道、传输信道和物理信道。1．逻辑信道逻辑信道可以分为控制信道和业务信道：控制信道承载无连接消息，信道结构分为同步信道、随机接入信道、广播信道、寻呼信道、专用控制信道；业务信道承载各种各样的用户信息流量。2．传输信道传输信道分为公共传输信道和专用传输信道。（1）公共传输信道包括以下几种。①随机接入信道（RACH）②前向接入信道（FACH）③公共分组信道（CPCH）④下行共享信道（DSCH）⑤上行共享信道（USCH）⑥广播信道（BCH）⑦寻呼信道（PCH）⑧同步信道（SCH）（2）专用信道（DCH）：用于移动台的数据信息或随路控制信令。3．物理信道WCDMA物理信道有上下行之分。上行链路中有两个专用信道和一个公共信道；下行链路种有3个公共物理信道。（1）主同步信道（SCH）（2）辅SCH（3）主公共控制物理信道（CCPCH）（1）主同步信道（SCH）（2）辅SCH（3）主公共控制物理信道（CCPCH）（4）辅CCPCH（5）分组随机接入信道（PRACH）（6）上行链路专用物理数据信道（DPDCH）+专用物理控制信道（DPCCH）（7）上行链路专用物理信道（DPCH）（8）下行链路（DPCH）（9）物理公用分组信道（PCPCH）（10）寻呼指示信道（PICH）（11）捕获指示信道（AICH）（12）物理下行共享信道（PDSCH）（13）物理上行共享信道（PUSCH）4．信道影射WCDMA系统中逻辑信道映射到传输信道，传输信道功能再由帧结构、码的设计映射到物理信道，如图6-6所示。图6-6WCDMA信道映射图6.3TD-SCDMA技术

TD-SCDMA技术是原信息产业部电信科学技术研究院（现大唐电信集团）在国家主管部门的支持下，根据多年的研究而提出的具有一定特色的第三代移动通信技术标准。这是近百年来我国通信史上第一个具有完全自主知识产权的国际通信标准，它的出现在我国通信发展史上具有里程碑的意义，并将产生深远影响，是中国通信业的重大突破。6.3.1TD-SCDMA系统特点TD-SCDMA系统的主要技术特点为：TDD（时分双工）模式、低码片速率、上行同步、接力切换、采用智能天线、软件无线电技术等。正是由于这些技术特点才使得它成为第三代移动通信系统的主流标准。1．TDD模式TD-SCDMA采用TDD模式。在频分双工方式中，接收和传送是在分离的两个对称频率信道上，用保护频段来分离接收与传输信道。而在TDD时分双工方式中，接收和传送是在同一频率信道（载波）的不同时隙，用保护时间来分离接收与传输信道，其基本原理如图6-7所示。图6-7TDD和FDD原理2．低码片速率TD-SCDMA系统的码片速率为1.28Mchip/s，仅为高码片速率3.84Mchip/s的1/3。接收机接收信号采样后的数字信号处理量大大降低，这样就大大降低了系统设备成本，适合采用软件无线电技术，还可以在目前DSP的处理能力允许和成本可接受的条件下采用智能天线、MIMO、多用户检测等新技术来降低干扰、提高容量。另外，低码片速率也提高了频谱利用率，使频率使用更灵活。3．上行同步所谓上行同步就是上行链路各终端的信号在基站解调器上完全同步。TD-SCDMA采用软件和帧结构设计来实现严格的上行同步，是一个同步的CDMA系统。通过上行同步，可以使使用正交扩频码的各个码道在解扩时完全正交，相互间不会产生多址干扰，克服了异步CDMA多址技术中每个移动终端发射的码道信号因到达基站的时间不同而造成码道非正交带来的干扰，从而大大提高了CDMA系统容量和频谱利用率，还可以简化硬件，降低成本。4．接力切换由于TD-SCDMA系统采用智能天线，可以进行用户方位和距离的定位，所以系统可采用接力切换方式。两个小区的基站将接收来自同一个手机的信号，两个小区都将对此手机定位，并在可能切换区域时，将此定位结果向基站控制器报告，基站控制器根据用户的方位和距离信息，判断手机用户现在是否移动到应该切换给另一基站的临近区域，并告知手机其周围同频基站信息。如果进入切换区，便由基站控制器通知另一基站做好切换准备，通过一个信令交换过程，手机就由一个小区像接力棒一样切换到另一个小区。这个切换过程具有软切换不丢失信息的优点，同时又克服了软切换对临近基站信道资源和服务基站下行信道资源浪费的缺点，简化了用户终端的设计。接力切换还具有较高的准确度和较短的切换时间，从而提高了切换成功率。5．智能天线TD-SCDMA系统的TDD模式可以利用上、下行信道的互惠性，即基站对上行信道估计的信道参数可以用于智能天线的下行波束成型，这就使TD-SCDMA系统相对于FDD模式的系统更容易实现智能天线技术。TD-SCDMA系统是一个以智能天线为中心的第三代移动通信系统，在TD-SCDMA系统中TDD的间隔定为5ms。TD-SCDMA系统的智能天线是由8个天线单元的圆形阵列组成的。6．软件无线电技术由于TD-SCDMA系统的TDD模式和低码片速率的特点，因此使得数字信号处理量大大降低，适合采用软件无线电技术。6.3.2TD-SCDMA系统结构TD-SCDMA系统主要包括：用户终端设备（UE）、Node

B、RNC和核心网，各部分作用与WCDMA系统相同，其系统的功能模块结构如图6-8所示。6.3.3TD-SCDMA系统信道结构TD-SCDMA系统信道分为逻辑信道、传输信道和物理信道。图6-8TD-SCDMA系统的功能模块结构图1．逻辑信道逻辑信道通常划分为两类：用来传输控制平面信息的控制信道和用来传输用户平面信息的业务信道。（1）控制信道①广播控制信道（BCCH）②寻呼控制信道（PCCH）③公共控制信道（CCCH）④专用控制信道（DCCH）⑤共享控制信道（SHCCH）（2）业务信道①公共业务信道（CTCH）②专用业务信道（DTCH）2．传输信道（1）专用传输信道（DCH）（2）公共传输信道（CCH）①广播信道（BCH）②寻呼信道（PCH）③前向接入信道（FACH）④随机接入信道（RACH）⑤上行共享信道（USCH）⑥下行共享信道（DSCH）物理信道分为专用物理信道和公共物理信道两大类（1）专用物理信道（DPCH）（2）公共物理信道（CPCH）①基本公共控制物理信道（PCCPCH）②辅助公共控制物理信道（SCCPCH）③物理随机接入信道（PRACH）④快速物理接入信道（FPACH）⑤物理上行共享信道（PUSCH）⑥物理下行共享信道（PDSCH）⑦寻呼指示信道（PICH）6.4CDMA2000系统

如同WCDMA由GSM衍生而来一样，CDMA2000是从CDMAOne进化而来，属于目前比较流行的3G标准之一。CDMA2000系统共分为两个阶段进化：第一阶段将提供144kbit/s的数据传输率；第二阶段提供2Mbit/s的数据传输率。同WCDMA和TS-CDMA系统一样，CDMA2000系统也支持移动多媒体服务。6.4.1概述1．定义美国TIATR45.5向ITU提出的RTT方案被称为CDMA2000，其核心是由Lucent（朗讯）、Motorola（摩托罗拉）、Nortel（北电）和Qualcomm（高通）4家公司联合提出的WideBandCDMAOne技术。CDMA2000的一个重要特征是与现有的TIA/EIA-95-B标准向后兼容，并可在IS-95B系统的基础上平滑的过渡、发展，保护已有的投资。CDMA2000的核心网基于ANSI-41，同时通过网络扩展方式提供在基于GSM-MAP的核心网上运行的能力。CDMA2000采用多波载CDMA（MC-CDMA）多址方式，可支持语音、分组数据等业务，并且可实现QoS的协商。CDMA2000包括1x和3x两部分。对于射频带宽为N

1.23MHz的CDMA2000系统，采用多个载波来利用整个频带，图6-9给出了N=3时的情况。图6-9多载波与直扩方式2．CDMA系统特点（1）CDMA2000分成两个方案，即CDMA20001x和CDMA20003x两个阶段：CDMA20001x阶段，信号带宽为1.23MHz，码片速率1.2288Mchip/s；CDMA20003x阶段，采用多载波CDMA技术，前向信号由3个1.23MHz的载波组成，反向信号是信号带宽为5MHz的单载波，码片速率为3.6864Mchip/s。（2）兼容IS-95A/B。（3）前、反向同时采用导频辅助相干解调。（4）快速前向和反向功率控制。（5）前向发射分集：OTD、STS。（6）信道编码（7）可变帧长：5ms、10ms、20ms、40ms和80ms。（8）支持F-QPCH正向快速寻呼信道，延长手机待机时间。（9）核心网络基于ANSI-41网络的演进，并保持与ANSI-41网络的兼容性。（10）网络采用GPS同步，给组网带来一定的复杂性。（11）支持软切换和更软切换。6.4.2CDMA2000系统网络结构CDMA码分多址移动通信系统的结构由核心网电路域（交换子系统）、核心网分组域（分组子