第三章 3G移动通信系统

中国3G商用时间：2009年
3G移动通信系统特点

提供全球无缝覆盖和自动漫游。 提供固定终端 2Mbit/s 、步行 384Kb/s 、车辆行 进144Kb/s的多媒体通信。 适应多种业务环境，如蜂窝、卫星移动、 PSTN 、 因特网等。 具有全球唯一的用户号码。 频谱利用率高、容量大。



支持软切换和更软切换
WCDMA移动通信系统框图
WCDMA系统的关键技术

智能天线


多用户检测技术
高效信道编码：纠错编码/译码（包括速率适配）， 交织/解交织，传输信道映射至/分离出物理信道。 软件无线电：用软件来操纵、控制传统的“纯硬件 电路”的无线通信，如WCDMA与GSM之间切换。

智能天线技术
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。
香农公式：
C W log(1 S / N )
若W足够大，即使在很低的 S / N 情况下，也可 达到特定容量 C 。 扩频通信：W扩展100倍以上，从而提高通信 的抗干扰能力。
3G支持的业务：
（1）基本电信业务，包括语音业务、紧急呼叫业 务、短消息业务。 （2）补充业务，包括多方会话、呼叫转移、呼叫 限制、主叫号码显示等。
（3）智能业务，继承了GSM网络的智能网业务， 如号码携带业务，被叫集中付费业务，亲密号码业务， 预付费业务等。 （4）承载业务。
提供高带宽面向数据服务的承载业务，支持QoS的 保障。
（5）位置业务。与位置信息相关的业务，如分区计 费、紧急定位以及其他很多基于位置的应用等。与物 联网应用结合，具有广阔前景。 （6）多媒体业务。

核心网（Core Network，CN）

电路域 分组域
WCDMA/UMTS网络架构
UTRAN：UMTS Terrestrial Radio Access Network， UMTS 陆地无线接入网
Node B

主要功能：

扩频、调制和信道编码；


解扩、解调和信道解码；
射频信号接收、发送；


分组域设备： GPRS业务支持节点SGSN和GPRS网关支持节点GGSN。
WCDMA核心网CS域

GMSC

GMSC：Gateway Mobile Switching Center，网关移 动交换中心
GMSC从HLR查询得到被叫MS目前的位置信息，并 根据此信息选择路由。 GMSC 可以是任意的MSC ，也可以单独设置（与 PSTN相连）。单独设置时，不处理 MS的呼叫，因此 不需设VLR ，不与BSC 相连。


WCDMA核心网CS域

MGW：

MGW：Media GateWay，媒体网关 提供承载控制和传输资源 媒体处理设备(如码型变换器、回升消除器、会议桥 等)，执行媒体转换和帧协议转换。
WCDMA技术特征


信号带宽：5MHz；码片速率：3.84Mcps
信道编码：卷积码和Turbo码，支持2M速率的数据业务 调制方式：上行：BPSK；下行：QPSK 功率控制：上下行闭环功率控制，外环功率控制 解调方式：导频辅助的相干解调 MAP技术和GPRS隧道技术是WCDMA体制的移动性管理 机制的核心，保持与GPRS网络的兼容性
移动通信系统
通信与信息工程学院
第三章 第三代移动通信系统
国际电信联盟ITU在1985年提出的未来公用陆地移 动通信系统 FPLMTS (Future Public Land Mobile Telecommunication System)。 1996 年更名为 IMT-2000 ，意为工作在 2000MHz 频 段、在2000年前后投入商用的全球移动通信系统。 欧洲商用时间：2003年

原理：
可变天线阵列、多天线，可以判定信号的空间信息， 采用可跟踪、定位信号源的智能算法，并且可以根据 此信息，进行空域滤波的天线阵列。 实现空分复用(SDMA)，利用在信号传播方向上的差 别，将同频率、同时隙的信号区分开来。 基站为每个用户提供一个窄的定向波束，使信号在有 限的方向区域发送和接收，充分利用了信号发射功率 ，降低了信号全向发射带来的电磁污染与相互干扰。
包括以可视电话为代表的实时多媒体业务
以在线新闻、在线体育转播等应用为代表的基于流 媒体的宽带分组型实时多媒体业务。 支持多媒体文件下载播放或转发的非实时存储转发 型多媒体消息业务等。
WCDMA移动通信系统

WCDMA系统发展历程
从GSM移动通信系统经GPRS平滑过渡而成的。

UMTS

UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)， 通用移动通信系统。
（2）TD-SCDMA同时采用了频分多址 FDMA、 码分多址CDMA和时分多址TDMA三种多址技术。
（3）采用了智能天线技术。把不同方向性的波束 分配给不同的用户，可以有效减弱用户间的干扰，扩 大小区的覆盖范围，提高系统的容量。
（4）采用了多用户联合检测技术，把同时存在的多 个用户信号及多径信号联合处理，精确地解调出用户 信号，因而它可以降低对功率控制的要求。 （5）采用了软件无线电技术。
2. 基础设施结构的无线局域网（集中式无 线局域网）：
若干WLAN站通过接入点AP（Access Point）与有线网络互连。
Internet
图6-34 集中式无线局域网组成示意图
图6-34中，每一小区称为一个基本服 务区（Basic Service Area，BSA）。
BSA通常的范围在100米以内。 扩展服务区（Extended Service Area， ESA）：由若干个通过有线骨干网桥接 的基本服务区（BSA）构成。
联合检测和干扰对消，降低了多址干扰，从而提高系统 的容量。

Rake接收机
TD-SCDMA移动通信技术
TD-SCDMA移动通信技术
采用技术： （1）采用时分双工TDD模式，能在不同的时隙 中发送上行业务或下行业务，可以根据上下行业务量 的多少分配不同数量的时隙。可在上下行非对称业务 时实现最佳的频谱利用率。
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。
6.4 无线局域网
接收RNC传输来的信号并加以处理。
无线网络控制器RNC

主要功能：

提供寻呼、系统信息广播、功率控制等基本业务功能；


移动台接入控制、切换、软容量等控制管理；
信道资源的管理，如动态信道分配等；
电路域数据业务和分组域数据业务的承载；
终端操作维护管理：配置、维护、告警和性能统计等。
WCDMA网络架构
2、WLAN的发展 WLAN是20世纪90年代计算机网络与无线通信技 术相结合的产物。 1990 年 11 月， IEEE成立委员会，着手制定 WLAN 标准。1997年6月制定出全球第 1个WLAN标准IEEE 802.11。 IEEE 小 组 又 相 继 推 出 了 新 的 高 速 标 准 IEEE 802.11b ， IEEE802.11a ， IEEE 802.11g ， IEEE 802.11n。 欧洲电信标准化协会（ ETSI ）的宽带无线接入网 络 （ BRAN ） 小 组 着 手 制 定 了 Hiper （HighPerformance Radio）接入标准，已相继推出 Hiper AN/1和Hiper LAN/2标准。
6.4.1 基本概念
无线局域网（Wireless Local Area Network， WLAN）是利用无线电波或红外线（Infrared， IR）等无线传输媒体构成的局部区域网络。 在开放环境中，WLAN的覆盖范围约为 250~300米；而在有间隔的半开放性空间， WLAN的覆盖范围仅为35~50米。
GMSC Gateway Mobile Switching Center 网 关移动交换中心
WCDMA的核心网
WCDMA的核心网部分由电路域部分和分组域部分组成。

电路域

移动交换中心MSC，移动台归属位置寄存器HLR和拜 访位置寄存器VLR。
为实现业务控制和承载的分离，MSC分离成 MSC Server和MGW两个部分
6.4.2 无线局域网的工作模式
1. 自组织无线局域网（Ad-hoc Network）：多 个WLAN站无线连接组成自组织网络。
图6-33 自组织网络
网络结构：无中心分布式对等结构。 任意两站可以互相直接通信，无须设中心转 接站。 媒体访问控制（MAC）功能由各站分布式管 理。 MAC协议采用CSMA/CA（Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance，带碰撞避 免的载波倾听多址）协议。
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
WCDMA系统结构

WCDMA系统由无线网络子系统和核心网组成。 无线网络子系统（Radio Network Subsystem，RNS）


UMTS中，RNS为UTRAN；
NodeB：逻辑上对应于GSM系统中的基站BTS；
无线网络控制器（Radio Network Controller，RNC）， 逻辑上对应于GSM系统中的BSC。
智能天线技术
智能天线技术
智能天线技术
智能天线性能提升：


扩大系统的覆盖区域；
增加系统容量； 提高频谱利用效率； 降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号间干 扰与电磁环境污染。
多用户检测技术

原理

联合检测所有信号，将其他信号的干扰从期望信号中消 除，（信号相干特性已知，干扰确定）
TD-SCDMA的缺点：
（1）支持移动终端的速度较FDD模式移 动终端低得多。TDD模式的速度为 120km/h，FDD模式的速度为500km/h。
(2) 覆盖半径小，TDD模式不超过10km， 而FDD模式可达几十公里。
二、第四代移动通信的发展趋势
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。
典型的ESA覆盖范围在几公里以内。
有中心的集中控制方式
BSA中有一个中心控制站，主要完成MAC控制及 信道分配等功能。
网中的其他站在该中心站的协调下互相通信。由于 对信道资源分配和MAC控制采用集中控制的方式， 中心站可根据网内业务量的具体情况改变控制策略及 参数，使网络性能（吞吐量、延迟等）趋于最佳，信 道利用率大大提高。 引入中心站也使得BSA结构复杂，且中心站需要进 行信道资源分配和站点管理等较复杂的处理。

与第二代移动通信系统兼容
3G标准：WCDMA（欧洲）
CDMA2000（北美）
TD-SCDMA（中国）
三种标准均采用码分多址（CDMA）技术。
3G共同特点：采用CDMA技术
扩频技术：使用比信息频带宽得多的带宽传输 信息的技术。
W ：系统占用带宽
B ：信息带宽来自百度文库
W / B =1~2，称为窄带通信 W / B >50, 称为宽带通信 W / B >100, 称为扩频通信。
UMTS是采用WCDMA技术的3G移动通信系统

GSM网络结构
GSM基站子系统（BSS）
BSS由BTS和BSC组成。
• BTS 的功能
实现BSS与MS之间通过空中接口的无线传输。
• BSC的功能 对BTS进行控制、管理，包括无线信道的分配、 释放和越区切换管理，提供MS与网络子系统（NSS） 之间的接口管理。