移动通信3G及未来通信系统

第九章3G及未来通信系统9.1第三代移动通信系统（3G）的发展历史9.1第三代移动通信系统（3G）的发展历史ITUTG8/1早在1985年就提出了第三代移动通信系统的概念，最初命名为FPLMTS（未来公共陆地移动通信系统），后在1996年更名为IMT-2000（InternationalMobileTelecommunications2000）。第三代移动通信系统的目标是：世界范围内设计上的高度一致性；与固定网络各种业务的相互兼容；高服务质量；全球范围内使用的小终端；具有全球漫游能力；支持多媒体功能及广泛业务的终端。为了实现上述目标，对第三代无线传输技术（RTT）提出了支持高速多媒体业务（高速移动环境：144Kbps，室外步行环境：384Kbps，室内环境：2Mbps）、比现有系统有更高的频谱效率等基本要求9.2第三代移动通信系统的无线接口标准10月25日到11月5日在芬兰赫尔辛基召开的ITUTG8/1第18次会议最终通过了IMT-2000无线接口技术规范建议，将无线接口的标准明确为以下5个标准：CDMA技术：IMT-2000CDMADS对应WCDMAIMT-2000CDMAMC对应cdma2000IMT-2000CDMATDD对应TD-SCDMA和UTRATDDTDMA技术：IMT-2000TDMASC对应UWC-136IMT-2000FDMA/TDMA对应DECT9.2第三代移动通信系统的无线接口标准上述5个名称，ITU又进一步简化为IMT-DS、IMT-MC、IMT-TD、IMT-SC和IMT-FT。见下图，可以说IMT-2000的地面无线接口标准有5个标准构成。9.2第三代移动通信系统的无线接口标准9.3IMT-2000的系统结构9.3IMT-2000的系统结构9.4第三代移动通信的特点和基本特征第三代移动通信区别于现有的第一代和第二代移动通信系统，其主要特点概括为：全球普及和全球无缝漫游的系统：第二代移动通信系统一般为区域或国家标准，而第三代移动通信系统将是一个在全球范围内覆盖和使用的系统。它将使用共同的频段（尽管WRC分配给IMT-2000使用的1885-2025MHz,2110-2200MHz，但在美国部分频段已用于PCS。目前的230MHz频段只是IMT-2000计划频谱的一部分，ITU即将完成扩展频谱的规划），全球统一标准。9.4第三代移动通信的特点和基本特征具有支持多媒体业务的能力，特别是支持Internet业务：现有的移动通信系统主要以提供话音业务为主，随着发展一般也仅能提供100kb/s-200kb/s的数据业务，GSM演进到最高阶段的速率能力为384kb/s。而第三代移动通信的业务能力将比第二代有明显的改进。它应能支持从话音到分组数据到多媒体业务；应能根据需要，提供带宽。ITU规定的第三代移动通信无线传输技术的最低要求中，必须满足在以下三个环境的三种要求。即:快速移动环境，最高速率达144kb/s室外到室内或步行环境，最高速率达384kb/s室内环境，最高速率达2Mb/s9.4第三代移动通信的特点和基本特征便于过渡、演进：由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当规模，所以第三代的网络一定要能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应与固定网兼容。高频谱效率。高服务质量。低成本。高保密性。9.4第三代移动通信的特点和基本特征9.53G移动通信系统的关键技术移动通信是在复杂的电波环境下进行的，如何克服电波传输所造成的多径衰落现象是移动通信的一个基本问题。在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，因而在时间上可以分辨出比较细微的多径信号，对分辨出的多径信号分别进行加权调整，使合成之后的信号得以增强，从而可在较大程度上降低多径衰落信道所造成的负面影响，这种技术称为Rake接收技术，也即多径分集接收技术。Rake接收机在利用多径信号的基础上可以降低基站和移动台的发射功率。而在GSM手机中只能通过时域均衡器抵消多径效应，不能通过多路信号的能量叠加而降低发射功率。一.RAKE接收技术9.53G移动通信系统的关键技术9.53G移动通信系统的关键技术二.功率控制技术在CDMA系统中，由于用户使用相同的频带，用户的扩频码之间存在非理想的相关特性，因此任何一个用户对其他用户来说都是干扰源。如果干扰用户比目标用户距离基站近很多，即使忽略衰落的影响，信号的路径衰耗亦与用户距基站的距离的是四次方成正比，则干扰信号在基站的接收功率会比目标用户信号的接收功率大很多，这样，传统接收机的输出中多址干扰分量就可能很严重，甚至会淹没目标用户的信号。这种现象被称为远近效应。解决这个问题的办法就是根据通信距离的不同，实时地调整发射机所需功率，这就是功率控制。功率控制可以有效地减小远近效应的影响，已经成为第三代通信标准中最为重要的核心技术之一。9.53G移动通信系统的关键技术常见的CDMA功率控制技术可分为开环功率控制、闭环功率控制和外环功率控制3种类型。在IS-95中，闭环功率控制技术只用在上行信道中。而在WCDMA和cdma2000系统中，上行信道则采用了开环、闭环和外环功率控制技术，下行信道则采用了闭环和外环功率控制技术。但两者的闭环功率控制速度有所不同，前者为每秒1500次，后者为每秒800次。(l)反向开环功率控制。它是移动台测量基站发来的信号强度，并估计正向传输损耗，然后根据这种估计调节移动台发射功率，以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率，如果接收信号增强，就减小发射功率；如果接收信号减小，就增强发射功率。(2)反向闭环功率控制。由基站检测来自移动台的信号强度，并根据检测的结果形成功率调整指令，通知移动台，使移动台根据此调整指令来调节其发射功率。(3)前向功率控制。在前向功率控制中，调整基站向移动台发射的功率，使任一移动台无论处于小区中的任何位置，收到基站的信号电平达到信干比的门限植。(4)外环功率控制技术是通过对接收误帧率的计算，确定闭环功率控制所需的信干比门限。外环功率控制通常需要采用变步长方法，以加快上述信干比门限的调节速度。9.53G移动通信系统的关键技术三.软切换技术先连接，再断开称之为软切换。CDMA系统工作在相同的频率和带宽上，因而软切换技术实现起来比TDMA系统要方便容易得多9.53G移动通信系统的关键技术四.高效编译码技术目前CDMA系统的话音编码主要有两种，即码激励线性预测编码(CELP)8kbit/s和13kbit/s。8kbit/s的话音编码达到GSM系统的13kbit/s的话音水平甚至更好。13kbit/s的话音编码已达到有线长途话音水平。CELP采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理，只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。在无线通信中，人们很关心频谱利用率和功率利用率。一般的编码技术是通过牺牲频谱利用率来换取功率利用率的提高，这是因为采用了信道纠错编码技术（ECC）后增加了信息的冗余位，这样必然降低了频谱利用率，但同时由于引入了冗余位增加了信道纠错能力，降低了比特误码率，在保证一定信噪比的情况下可以降低发射功率，因此提高了功率利用率。9.53G移动通信系统的关键技术在第三代移动通信系统主要提案中（包括WCDMA和cdma2000等），除了采用IS-95CDMA系统相类似的卷积编码技术及交织技术之外，还采用了Turbo编码技术及RS-卷积级联码技术。卷积码具有记忆能力，可用维特比译码，具有很高的编码增益。而交织技术能将码字的长连错转化成每个纠错码字里只有一个或两个错误，这样有利于对付信道传输里由于突发性干扰而引起的长连串错误，交织不会引入冗余码，所以也就不会降低频谱利用率。Turbo编码器采用两个并行相连的系统递归卷积编码器，并f辅以一个交织器。Turbo解码器由首尾相接、中间由交织器和解交织器隔离的两个以迭代方式工作的软判输出卷积解码器构成。虽然目前尚未得到严格的Turbo编码理论性能分析结果，但从计算机仿真结果看，在交织器长度大于1000、软判输出卷积解码采用标准的最大后验概率(MAP)算法的条件下，其性能比约束长度为9的卷积码提高1至2.5dB。但Turbo编码技术只能用在第三代系统中的高速数据中，这是因为语音及低速率数据长度不满足交织长度的要求。RS编码是一种多进制编码技术，适合于存在突发错误的通信系统。9.53G移动通信系统的关键技术五.多用户检测技术在传统的CDMA接收机中，各个用户的接收是相互独立进行的。在多径衰落环境下，由于各个用户之间所用的扩频码通常难以保持正交，因而造成多个用户之间的相互干扰，并限制系统容量的提高。解决此问题的一个有效方法是使用多用户检测技术，多用户检测主要是指利用多个用户的码元、时间、信号幅度以及相位等信息联合检测单个用户的信号，以达到较好的接收效果。它具有以下一些好处：提高带宽利用率，抑制多径干扰；消除或减轻远近效应，降低了对功控高度精度的要求，可简化功控；弥补扩频码互相关性不理想造成的影响；减小发射功率，延长移动台电池的使用时间，同时也减小移动台的电磁辐射；改善系统性能，提高系统容量，增大小区覆盖范围。9.53G移动通信系统的关键技术当然多用户检测技术也存在一些局限性，首先是来自其他小区的MAI（多路存取干扰）依然存在，在多用户检测算法中只考虑了同小区其他用户的干扰，并没有考虑来自相邻小区的干扰，而这种干扰自然会影响系统性能。其次由于移动台的接收设备不能做得太复杂，故在下行信道执行多用户检测有一定难度。除此之外多用户检测还大大增加了设备的复杂度；增加了系统时延，特别是采用自适应算法时更为严重；多用户检测一般需要知道用户的一些信息，需要通过不断地信道估计来实现，估计的精度会直接影响检测器的性能。9.53G移动通信系统的关键技术六.智能天线技术智能天线的基本思想是：天线以多个高增益窄波束动态地跟踪多个期望用户，接收模式下，来自窄波束之外的信号被抑制，发射模式下，能使期望用户接收的信号功率最大，同时使窄波束照射范围以外的非期望用户受到的干扰最小。智能天线利用数字信号处理技术产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零陷对准干扰到达方向，达到充分高效利用有用信号，并抑制甚至删除干扰的目的。使用智能天线可提高移动通信系统性能。9.53G移动通信系统的关键技术基站智能天线包括两个重要组成部分；一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角估计，并进行空间滤波，抑制移动台的干扰；二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送到移动台，从而降低发射功率，减小对其他移动台的干扰。智能天线技术用于TDD（时分双工）方式的CDMA系统是比较合适的，这是因为选用TDD方式后收发信道使用相同的频率，这样就可以利用接收电波的特点来调整发射信号。智能天线技术能用接收电波的特点来调整发射信号。智能天线技术能够在较大程度上抑制多用户干扰，从而提高系统容量。9.6移动通信的发展——广带、IP多媒体今～：广带（Broadband，最大数据传输速率达100Mbps）、多媒体业务、频谱利用率更高3G→：各种系统互联互通，IP多媒体业务，容量提高5～10倍9.6移动通信的发展——广带、IP多媒体蜂窝移动通信的发展趋势9.6移动通信的发展——广带、IP多媒体