现代通信技术（第二版）课件 第七章移动通信系统

第七章移动通信系统学习目的与要求：通过本章学习，掌握移动通信的概念、原理、及实现方式。了解移动通信发展历程及趋势，第三代、第四代、第五代及第六代移动通信的原理及应用。重点与难点内容：移动通信系统的分类及特点移动通信系统的技术原理及不同制式通信系统的区别3G、4G、5G移动通信系统的特点、网络架构6G移动通信的关键技术与发展爱国情奋斗者

王志勤，我国移动通信领域知名专家和学科带头人。1970年2月出生于山东烟台市，1992年毕业于北京邮电大学无线通信专业，在通信领域辛勤耕耘了三十余年，长期从事标准研究和制定工作，参与了中国从2G到5G的全部建设过程，为通信事业做出了巨大贡献。先后担任中国信息通信研究院技术与标准研究所所长、中国信息通信研究院副院长、IMT-2020（5G）推进组组长、IMT-2030（6G）推进组组长、国际标准化组织3GPP高层管理会议PCG主席、中国通信标准化协会无线委员会主席、中国通信学会无线移动专委会主任委员等国内国际重要职位。

移动通信系统概述移动通信系统的主要特点移动通信必须利用无线电波进行信息传输移动通信是在复杂的干扰环境中运行的移动通信业务量的需求与日俱增网络结构多种多样，网络管理和控制必须有效移动通信设备必须适于在移动环境中使用1.无线寻呼系统单向、大区制典型移动通信系统2.无绳电话系统主机和副机典型移动通信系统3.集群通信系统广播方式典型移动通信系统4.蜂窝移动通信系统小区覆盖典型移动通信系统5.移动卫星通信系统全球覆盖典型移动通信系统移动通信的发展趋势工作频段由短波、超短波、微波到毫米波、红外和超长波频道间隔由100kHz、50kHz、25kHz、12.5kHz和宽带扩频信道调制方式由振幅压扩单边带、模拟调频到数字调制多址方式由FDMA、TDMA、CDMA到混合多址和随机多址的结合网络覆盖由宏蜂窝到微蜂窝、微微蜂窝，毫微微蜂窝和混合蜂窝服务范围由局部地区、大中城市到全国、全世界，并由陆地、水上、空中发展到陆海空一体化业务类型由通话为主到传输数据、传真、图像、视频等综合业务移动通信的发展趋势编码与解码技术调制与解调技术多址技术抗干扰技术组网技术编码与解码技术1.信源编解码技术速率较低，纯编码速率应低于16kbit/s在一定编码速率下的音质应尽可能高编码时延要短，要控制在几十毫秒之内编码算法应具有较好的抗误码性能，计算量小，性能稳定编码器应便于大规模集成2.信道编解码技术为了保证通信的可靠性，必须采用信道编码：标准信道编码方式GSM卷积码、循环码、奇偶码IS-95卷积码、Turbo码WCDMA卷积码、Turbo码CDMA2000卷积码、Turbo码LTETurbo码、LDPC码IMT-2020（NR）LDPC、Polar编码与解码技术标准调制方式GSMGMSKIS-95BPSK(上行)、QPSK(下行)WCDMABPSK(上行)、QPSK(下行)CDMA2000OQPSK(上行)、QPSK(下行)LTEQPSK，16QAM，64QAMIMT-2020（NR）π/2-BPSK，QPSK，16QAM，64QAM，256QAM调制与解调技术目的是把信号转换提高频谱利用率抗干扰抗衰落能力模拟信号/数字信号变换成适合信号标准多址方式GSMFDMA、TDMAIS-95CDMAWCDMACDMACDMA2000CDMALTEOFDMAIMT-2020（NR）NOMA多址技术目的是区分用户频分多址（FDMA)时分多址（TDMA)码分多址(CDMA)空分多址（SDMA）抗干扰技术保证网络通信质量多径衰落：分集技术、自适应均衡技术、调制技术差错控制：信道编码进行检错和纠错综合抗干扰：扩频和跳频技术共道干扰：扇区天线、多波束天线、自适应天线阵列、智能天线多址干扰：干扰抵消、多用户信号检测1.网络结构(GSM系统为例）组网技术2.网络接口(GSM系统为例）组网技术3.网络控制与管理网络系统必须为功能实体规定明确的操作程序、控制规程和信令格式组网技术呼叫接续移动性管理无线资源管理TD-SCDMA网络架构：第三代移动通信系统核心网CN接入网UTRAN用户终端UELTE（LongTermEvolution）

按照制式分为：TDD-LTE&FDD-LTE高速、高效、低时延简单、灵活和统一的网络更低的成本第四代移动通信系统网络组成（扁平化架构）核心网EPC基站ENODEB用户UE4G网络架构网络接口协议水平：无线网络层和传输网络层

垂直：控制平面和用户平面4G网络架构VoLTE4G语音业务（VoiceoverLTE）接通更快，大概在4秒内接通，2G/3G为5-8秒音质更清晰，声音的立体感更强视频通话清晰度更高，更省电40%左右打电话与上网可以同时进行4G高清语音volte核心网EPC基站eNodeB射频RRU4G网络硬件设备LTE的多址方式：

下行：OFDMA上行：SC-FDMA先进的天线解决方案：发射分集MIMO波束赋形BEAMForming灵活的带宽配置（6种可用带宽）可选的双工方式（TDD/FDD）其他关键技术高阶调制：（64QAM）HARQ(混合自动重传)：链路自适应(自适应调制编码AMC)

快速MAC调度技术ICIC（小区间干扰协调）SON(自组织网络)CA(载波聚合)4G关键技术OFDM正交频分复用技术（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）频谱利用率很高，频谱效率比串行系统高近一倍抗衰落能力强适合高速数据传输抗码间干扰能力强OFDMA多址技术4G关键技术相互遮挡镜头，俗称杂散干扰各摆各的造型，你不挡到我我不挡到你，这就类似于我们的传统子载波,每个波有头有手也有脚，各摆各的造型，顶多手搭在一起，如果挡到了就会有干扰，俗称杂散干扰。4G关键技术--OFDM手和脚都不看，只要你把脸露出来，OFDM就是通过IFFT(反傅里叶变换)把手和脚都中和掉，剩余的有效波用来传数据的技术，把手和脚中和掉，通过有效波来传数据就是我们所说的OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技术。4G关键技术--OFDM4G关键技术--OFDM4G关键技术--OFDM无循环前缀（CP）4G关键技术--OFDMCDMA-空白（CP）4G关键技术--OFDMOFDM-保护间隔（CP）4G关键技术--OFDMOFDM图示4G关键技术--OFDMOFDM的优势-CDMA4G关键技术--OFDMOFDMA与SCFDMA的对比4G关键技术--OFDM4G关键技术--OFDM4G关键技术--OFDMOFDM发射流程4G关键技术--OFDM高阶调制的优点：采用64QAM比16QAM速率提升50％高阶调制的缺点：越是高性能的调制方式，其对信号质量的要求也越高4G关键技术-高阶调制eNodeB基于信道环境选择调制方式，数据块的大小和数据速率信道质量的信息反馈，即ChannelQualityIndicator（CQI）UE测量信道质量，并报告（每1ms或者是更长的周期）给eNodeB4G关键技术-自适应调制和编码自适应调制与编码AMC:4G关键技术-自适应调制和编码CQI上报方式4G关键技术-自适应调制和编码调度与调度算法:基于时间或流量4G关键技术-调度和算法4G关键技术-调度和算法传统的ARQ接收端接收数据块，并解编码根据CRC解校验，得到误块率如果数据块误块率高丢弃错误的数据块接收端要求发送端重发完整的错误的数据块混合HARQ接收端接收数据块，并解编码根据CRC解校验，得到误块率如果误块率较高暂时保存错误的数据块接收端要求发送端重发接收端将暂存的数据块和重发的数据混合后再解编码HARQwithSoftCombiningeNodeBUEPacket1?NPacket1Packet1Packet1Packet1?+APacket2TransmitterReceiver4G关键技术-HARQHARQ的模型传统ARQ和HARQ区别？HARQ=FEC+ARQHARQ技术主要是系统端对编码数据比特的选择重传以及终端对物理层重传数据合并。通过RV参数来选择虚拟缓存中不同编码比特的传送。CC(ChaseCombining)IR(IncrementalRedundancy)4G关键技术-HARQChaseCombining(CC)重传方式举例4G关键技术-HARQIncrementalRedundancy(IR)重传方式举例4G关键技术-HARQ小区间干扰协调技术:4G关键技术-ICIC4G关键技术-ICIC同站不同小区的ICIC时域协调4G关键技术-ICICSON（Self-organizedNetwork）：自组织网络，网络能够自我主动进行规划、配置、优化和维护，即自规划、自配置、自优化、自维护。SON驱动力：网络日益复杂，运维难度和成本不断提高，为减少运营成本，提高操作效率，提高网络性能和稳定性，增强网络竞争力，在4GLTE中引入了SON技术。发展情况：3GPP在LTE的R8中引入初始功能，R9中提供基本功能，R10加入了增强功能。效果分析：据阿朗和爱立信的测算，通过引入SON技术，CAPEX（网络建设成本）降低20%；OPEX（网络运维成本）节省50%。SON架构：SON的采用的架构主要有集中式、分布式、混合式三种。4G关键技术-SON4G关键技术-CA载波聚合载波聚合（CarrierAggregation，CA）是将2个或更多的载波单元（ComponentCarrier，CC）聚合在一起以支持更大的传输带宽（最大为100MHz）。上行和下行链路以完全独立地配置，唯一的限制是上行载波的数量不可超过下行载波的数量。每一聚合的载波称为分量载波(CC)。分量载波的带宽可以是1.4、3、5、10、15或20MHz。最多五个分量载波时，最大聚合带宽为100MHz。连续聚合的CC的中心频率间的间隔是300kHz的倍数（与之相比Release8/9中是100kHz频率间隔），以正交方式保留了15kHz间隔的子载波。4G关键技术-CA载波聚合4G关键技术-CA载波聚合CC2CC1CC2CC1双载波应用场景载波聚合应用场景CC1andCC2之间存在测量差距

只有R8/R9的终端才能应用

终端只能接收一个载波

两个载波之间没有信息交互

用户感知较差CC1andCC2之间没有测量差距

支持载波聚合的终端可以使用

终端可以接收使用聚合的2个载波

两个CC1和CC2之间存在信息交互

更容易实现负载均衡

能够提升用户峰值速率，明显提升用户体验控制信息承载数据控制信息承载数据控制信息承载数据承载数据频谱A+B载波聚合相对于

双载波的优势:MIMO多天线传输技术(Multiple-InputMultiple-Output)多根天线，并行处理信道容量可成倍提升4G关键技术-MIMO4G关键技术-MIMO4G关键技术-MIMOMIMO的工作模式复用模式不同天线发射不同的数据，可以直接增加容量：2×2MIMO方式容量提高1倍分集模式不同天线发射相同的数据，在弱信号条件下提高用户的速率UEABCDEFGHIJKLMNOPABCDEFGHA’B’C’D’E’F’G’H’ABCDEFGHUE4G关键技术-MIMO5G-第五代移动通信技术5Gⁿ无穷无尽、无限可能、指数生长、你所能想象的一切2022年，华为、北京联通携手发布了全球最大规模5G200MHz大带宽城市网络，基站规模超过3000个，实际路测结果显示，5G用户下行峰值速率达到1.8Gbps，下行平均速率达到885.7Mbps，上行平均速率达到260.4Mbps，5G网络CA（载波聚合）生效比达到85%。2023年2月，中国电信、中国移动、中国联通相继披露最新运营数据。数据显示，截至1月末，三大运营商5G套餐用户总数累计超过11亿户。5G-第五代移动通信技术ITU对IMT2020愿景的描述Source:ITUR.M.[IMT.VISION]10Gbit/s1百万连接每平方公里1mseMBB（增强型MBB）uRLLC（超高可靠性与超低时延业务）mMTC（海量连接的物联网业务）IMT-2020vs.IMT-Advanced在关键性能指标上的对比3x1ms1Mdevices/km210Gbit/s100X峰值速率(Gbit/s)用户体验速率(100Mbit/s)频谱效率移动性(500km/h)时延连接数密度(设备/平方公里)区域流量能力(10Mbps/m2)网络功耗效率IMT-AdvancedIMT-20205G-第五代移动通信—愿景及关键性能5G-第五代移动通信—网络架构5G核心网LTEHSSMMEPCRFPGWSGWNEFUDMPCFNRFIDMgnSMSFAUSFSMFAMFCore-CPNRLTECore-UP3rdFunctionsEncryptAF2…大规模网络，网元间耦合功能新功能标准化时间长减少接口，极简网络功能解耦，开放架构独立服务，快速创新4G核心网S1-MMES1-UN3N2N4ServiceManagementFramework5G-第五代移动通信—组网场景NSA

(Non-Standalone，非独立组网)SA

(Standalone，

独立组网)支持eMBB/uRLLC/mMTC及网络切片需要新建5GCore对5G的连续覆盖有较高要求S1EPCLTE5GNR5GCORENG-CNG-U控制面用户面支持eMBBLTE为锚点，复用4G核心网，快速引入5GNR5G叠加于4G网络上，无需提供连续覆盖LTES1EPC控制面用户面5GNR5G-第五代移动通信—SA组网5G网络组成包括无线网络：NR(NewRAN)核心网：NGC（NextGenerationCore)5G无线网络接口包括：XnNG-C（控制面板）NG-U（用户面）Uu（无线空口）新空口可以灵活适配众多业务，支撑更高的速率，更高的频谱效率更灵活的帧结构F-OFDMPolar/LDPC编码大带宽MassiveMIMO移动互联网物联网新空口上下行解耦高阶调整5G-第五代移动通信—新空口主要技术5G-第五代移动通信—大带宽5G-第五代移动通信—网络切片切片5G网络智能水表等自动驾驶等语音、上网业务/设备业务/工业移动宽带--20Gbps低时延高可靠--<1msNB-IoT100万连接/km25G网络语音、上网自动驾驶等智能水表等5G网络：语音/上网、物联网、低时延高

可靠等智能水表等自动驾驶等语音、上网业务/设备业务/工业移动宽带--20Gbps低时延高可靠--<1msNB-IoT

100万连接/km24G网络4G网络4G网络：语音、文本和上网4G网络在3GPP协议中，5G的总体频谱资源可以分为以下两个频谱范围FR（FrequencyRange）FR1：Sub6G频段，也就是我们说的低频频段，是5G的主用频段；其中3GHz以下的频率我们称之为sub3G，其余频段称为C-bandFR2:6G以上的毫米波，也就是我们说的高频频