第5章 B3G-4G移动通信系统

清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统5.1B3G/4G的现状与发展趋势5.1.1B3G/4G的起源与概念3G系统确实存在频谱效率低、支持的传输速率不够高、成员之间体制不兼容、不能提供动态范围多速率业务等诸多问题，为满足用户更高的需求，也为了抢占技术的制高点，世界各电信发达国家也需要研究开发速率更高、性能更先进的新一代移动通信系统。这种新一代移动通信技术被称为B3G（超3G）技术，或称为4G（第四代移动通信）技术。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统B3G/4G移动通信系统的基本特征很高的传输速率和大范围覆盖丰富的业务和QoS保证开放而融合的平台高度智能化的网络高度可靠的鉴权及安全机制清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统技术参数3GB3G/4G业务特性优先考虑语音、数据业务融合数据和VoIP网络结构蜂窝小区混合结构频率范围1.6～2.5GHz2～8GHz，800MHz低频带宽5～20MHz100+MHz速率384kbit/s～2Mbit/s20～100Mbit/s接入方式WCDMA/CDMA2000/TD-SCDMAMC-CDMA或OFDM交换方式电路交换/包交换包交换移动性能200kmph250kmphIP性能多版本全IP（IPV6）表5-1B3G/4G与3G系统主要技术参数清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统5.1.1B3G/4G的研究与标准化进展1、总体趋势就标准而言，是两大组织三大标准之争，即ITU的协作组织3GPP提出的LTE、3GPP2提出的UMB（超移动宽带），以及IEEE-SA的协作组织WiMAX提出的移动WiMAX。前两者代表的是传统的电信产业，其中LTE的计划更周密、方案更完善，UMB更多地是出于应战的目标，处于劣势地位；移动WiMAX是基于无线接入技术的，网络可利用现有IP网络，其带宽更宽、成本更低廉，在用户中受欢迎的程度迅速增加。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统B3G/4G的研究结构，主要是依靠欧洲的WWRF（无线世界研究论坛）论坛、中国的未来移动通信论坛（简称FuTURE论坛）、日本的mITF（移动IT论坛）论坛、韩国的NGMC（下一代移动通信）论坛和北美的WiMAX论坛来进行技术交流和国际协作。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统2、ITU的工作进展早在2000年10月，ITU就在加拿大蒙特利尔市成立了“IMT2000andBeyond”工作组，其任务之一就是探索3G之后下一代移动通信系统的概念和方案。直到2005年10月18日结束的ITU-RWP8F第17次会议上，ITU将B3G技术正式定名为IMT-Advanced。按照ITU的定义，IMT-2000技术和IMT-Advanced技术拥有一个共同的前缀“IMT”，表示所有的国际移动通信；当前的WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA及其增强型技术统称为IMT-2000技术；未来的新的空中接口技术，叫做IMT-Advanced技术。ITU之所以将下一代移动通信系统取名为B3G或者IMT-Advanced。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统图5-1ITU关于B3G的研发时间表清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统图5-2ITU给出的B3G系统主要性能图示清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统#20#21#22#23#24#25#26#27#28#29200720082009业务建议（IMT.SERV）IMT-Advanced通函起草技术系统性能需求（IMT.Tech）评估准则和方法（IMT.EVAL）IMT.RadioIMT-AdvancedWORKSHOP提案提交提案评估一致性构建图5-3ITU-RWP8F第三阶段工作计划清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统图5-4ITU给出的B3G系统网络结构清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统图5-5ITU给出的B3G垂直分层组网结构清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统3、IEEE-SA的工作进展成立于2001年的WiMAX论坛的主要目标是促进802.16d和802.16e设备之间兼容性和互操作性能，它对设备性能要求和选项进行了明确的规范和选择，对不同的选项按照技术发展和市场要求定义为必选或可选。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统近年来WiMAX技术取得了长足的进度，其产品得到了市场的广泛认同，其中Sprint（美国第三大运营商）成为美国首家宣布将采用WiMax技术构建4G网络的主流手机运营商。可以认为支持移动终端的移动WiMAX标准是4G标准的雏形，但其毕竟存在技术缺陷（比如需满足终端的高速移动性等），且相当多的传统运营商不看好它。因此，WiMAX的下一步演进是迈向IMT-Advanced，与其他B3G技术相融合，成为IMT-Advanced家族成员之一。这一步演进就是通过制定IEEE802.16m新标准来实现的。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统4、欧盟的工作进展WINNER项目由于整合了欧盟科研资源，成员包括欧盟主要的企业、大学和研究机构，加上我国原信息产业部电信研究院、韩国三星、日本NTTDoCoMo、美国摩托罗拉等亚洲和美洲企业、科研单位的加盟，在国际B3G研究领域有着重要的地位。WINNER项目成员在致力于开发和完善WINNER系统设计的同时广泛参与ITU、3GPP等国际标准化组织的工作，从而在B3G研究和相关的工作中发挥着积极的作用。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统5、中国的工作进展表5-2我国的FuTURE计划进度表阶段时间研究目标FuTURE2001年10月至2003年12月开展通用无线环境关键技术研究，完成B3G/4G无线传输系统的核心硬、软件研制工作，开展相关传输试验，向ITU提交有关标准建议；完成区位无线通信环境所需的硬、软件研制工作，进行相应的业务演示；完成空间通信试验平台方案的制定以及关键硬、软件的研制工作。FuTURE+2004年01月至2005年12月完成通信无线环境的建设、网间互联互通、演示业务的开发，使区位性无线通信技术及其应用达到实用水平，并使B3G/4G通信技术及空间通信技术达到相对成熟的水平。FuTUREⅡ2006年01月至2010年12月设立有关重大专项，完成通用无线环境的体制标准研究及其系统实用化研究，开展较大规模的现场试验。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统6、日韩的工作进展日本的4G研究计划属于国家级发展计划e-Japan的一部分，其基础通信技术部分的研发由日本国家信息通信技术研究院负责；标准化工作由ARIB负责；2002年由产业界发起成立的mITF论坛负责技术交流和国际合作。特别要指出的是，其他国家主要是设备制造商引导新技术的研制，但日本4G技术的开发的主力却是运营商。韩国的4G计划由信息与通信部（MIC）协同部署，由其国内有关运营商和电子通信研究院（ETRI）等研究结构参与研发，2003年成立的NGMC论坛负责国际合作。韩国已制定了远景计划，运营商也开始进行建立了试验网。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统5.2B3G/4G的备选方案及其关键技术在现阶段，ITU正在全球广泛征求B3G方案，以确定IMT-Advanced的标准，各国各地区的标准化组织也正在积极准备提交方案，但其真正的4G方案都未形成。目前，只有3个无限接近B3G（为此人们称其为3.75G或者3.9G）的备选方案，它们分别是3GPP的LTE、3GPP2的UMB以及IEEE的移动WiMAX，这3种方案都需要演进才能达到B3G的要求。现在最被产业界看好的是LTE，其次是移动WiMAX，最后是UMB。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统5.2.1LTE1、LTE的起源与现状LTE是3GPP制定的长期演进计划的英文缩写，又称为E-UTRA/E-UTRAN，可以从WCDMA和TD-SCDMA两种途径演化而来（列于HSPA+之后），在3GPP的版本中对应于R8。它和3GPP3中的UMB合称E3G。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统从2004年底开始的LTE标准化工作分为研究项目（SI）和工作项目（WI）两个阶段。其中，SI阶段于2006年9月结束，主要完成目标需求的定义，明确LTE的概念等，然后征集候选技术提案，并对技术提案进行评估，确定其是否符合目标需求。3GPP在2005年6月完成了LTE需求的研究，形成了需求报告TR25.913，具体需求项见表5-3。LTE在技术提案征集上有6个选项，按照双工方式可分为FDD和TDD两种，而按照无线链路的调制方式或多址方式主要可分为CDMA及OFDMA两种。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统表5-3LTE的需求顶列表LTE需求项支持1.25MHz（包括1.6MHz）-20MHz带宽；峰值数据率：上行50Mbps，下行100Mbps；频谱效率达到3GPPRelease6的2～4倍；提高小区边缘的比特率；用户平面延迟（单向）小于5ms，控制平面延迟小于100ms；支持与现有3GPP和非3GPP系统的互操作；支持增强型的广播多播业务。在单独的下行载波部署移动电视（MobileTV）系统；降低建网成本，实现从Release6的低成本演进；实现合理的终端复杂度、成本和耗电；支持增强的IMS和核心网；追求后向兼容,但应该仔细考虑性能改进和向后兼容之间的平衡；取消CS域，CS域业务在PS域实现，如采用VoIP；对低速移动优化系统，同时支持高速移动；以尽可能相似的技术同时支持成对和非成对频段；尽可能支持简单的临频共存。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统表5-4LTE主要技术提案编号双工方式多址址接入方式技术建议1FDDUL采用SC-FDMA（单载波频分多址），DL采用OFDMAR1-0506792FDDUL/DL均采用OFDMAR1-0506723FDDUL/DL均采用MC-WCDMA（多载波WCDMA）R1-0506744TDDUL/DL均采用MC-TD-SCDMA（多载波TD-SCDMA）R1-0506755TDDUL/DL均采用OFDMAR1-0506786TDDUL采用SC-FDMA，DL采用OFDMAR1-050678清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统2、LTE物理层关键技术⑴、LTE的帧结构图5-6LTE的基本帧结构清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统图5-7LTE的一类TDD帧结构清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统⑵、LTE基本传输与多址技术扰码调制映射器扰码调制映射器OFDM映射器OFDM信号产生OFDMA映射器OFDM信号产生层映射器预编码………………码字层天线部分图5-8LTE的下行OFDMA发射机构清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统图5-9LTE的上行DFT-S-FDMA发射结构清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统⑶、MIMO技术LTE支持的MIMO技术模式有①基于码本和公共导频的线性预编码、②基于SFBC（空频分组编码）的空间发射分集、③基于非码本、公共和专用导频的单流波束赋形。若从用户数量区分，可分为单用户MIMO（SU-MIMO）和多用户MIMO（MU-MIMO），其中上行的MU-MIMO为特殊的MU-MIMO，即虚拟MIMO。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统⑷、调制与编码技术LTE的下行采用QPSK、16QAM和64QAM；上行考虑采用带频域成形的QPSK和16QAM，以降低PAR。在用于数据传输的信道编码方法中，拟采用类似R6版本中的Turbo编码器（基本编码率R=1/3），采用无竞争交织器。清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统⑸、信道映射关系下行传输信道下行物理信道上行物理信道上行传输信道图5-10LTE的传输信道和物理信道之间的映射关系清华大学出版社第5章B3G/4G移动通信系统⑹、小区间干扰控制