移动通信3G技术.docx

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移动通信3G技术

3G技术及其课件制作

摘要

3G是第三代无线通信标准（ThirdGenerationMobileCommunicationSystem）的缩写，它是国际电信联盟为第三代移动通信技术开发的一种规范，它以卫星移动通信网与地面移动通信网结合，形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区不同密度用户的通信需求，支持话音、数据和多媒体业务。

本文详细介绍了3G系统的概念、发展以及3G系统的频率范围、技术支持、特点和关键技术。

简要介绍了参与制定3G标准的标准化组织。

3G系统是一个多标准的体系，具有发展潜力的标准有三种：

W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。

分别介绍了这三种标准的发展、网络体系结构和应用的关键技术等，初步形成了一个3G系统的完整体系并制作了相关课件。

关键词：

3G，W-CDMA，CDMA2000，TD-SCDMA

3GTechnologyAndCoursewareMaking

Abstract

3Gisaabbreviationofthethirdgenerationofwirelesscommunicationstandard，itisthatInternationalTelecommunicationsUnion（ITU）isakindofnormoftechnologicaldevelopmentofthethirdgenerationofmobilecommunication，itcombinewithsatellitemobilecommunicationnetworkwithgroundmobilecommunicationnetwork，formonehavethree-dimen-sionalcommunicationnetworkcoveredtothewholeworldwithtosew，meetthecommunicationrequirementofthecityandremoteregionaldifferentdensityusers，supportthespeech、dataandmultimediabusiness．

Thistexthasintroducedtheconceptof3Gsystem、developsand3Gfrequencyrange、technicalsupport、characteristicandkeytechnologyof3Gsystemindetail．Thebriefintroductionisparticipatedinmakingthestandardizedorganizationof3Gstandard．3Gsystemismorethanonestandardsystem，therearethreekindsofstandardswithdevelopmentpotentiality：

W-CDMA、CDMA2000andTD-SCDMA．Haveintroduceddevelopment、networksystemstructureandkeytechnologyusedofthesethreekindsofstandards，etc．separately，haveformedanintactsystemof3Gsystemandmaderelevantcoursewaretentatively．

Keywords：

3G，W-CDMA，CDMA2000，TD-SCDMA

目　录

第一章绪论

1.13G系统的概念

1.1.1简介

3G是第三代无线通信标准（ThirdGenerationMobileCommunicationSystem）的缩写，它是国际电信联盟为第三代移动通信技术开发的一种规范（模拟蜂窝电话是第一代，数字个人通信服务为第二代）。

最早1985年由国际电信联盟（ITU）提出，当时称为未来公众陆地移动通信系统（FPLMTS），1996年更名为IMT-2000（国际移动通信-2000），意即该系统工作在2000MHz频段，最高业务速率可达2000kbps，预期在2000年左右得到商用。

从1997年开始，由于第二代移动通信系统的巨大成功，用户的高速增长与有限的系统容量和有限的业务之间的矛盾日渐趋于明显，第三代移动通信的标准化工作开始逐渐进入实质阶段。

目前，第三代移动通信系统的框架已确定，将以卫星移动通信网与地面移动通信网结合，形成一个对全球无缝覆盖的立体通信网络，满足城市和偏远地区不同密度用户的通信需求，支持话音、数据和多媒体业务，实现人类个人通信的理想。

它将全球发展最快的两个行业移动通信业和无线因特网行业结合起来。

先进的3G标准手机使用户可以在移动中享受音乐、照片和视频等服务。

3G技术发展的长期目标是建立支持全球漫游的统一标准。

然而就目前来看，在各种标准盛行的情况下，实现这样的目标将面临极大的挑战。

1.1.2频率划分

在世界范围内，各国使用的第一代和第二代移动通信制式不统一，分配给它们的频率也不一致，这就给实现全球使用统一频率的第三代移动通信带来了麻烦。

尽管如此，在1992年国际电联负责全球无线电频谱管理和分配的组织WARG-92大会（WordAdministrativeRadioConference）为当时称为FPLMTS系统分配了230MHz频率、1885～2025MHz和2110～2200MHz。

其中有2x30MHz分配给卫星移动通信系统（MSS）。

正因为几个主要移动通信发达的国家对第三代移动通信频率分配的不一致，尤其是美国现行的频率划分与WARG-92的建议频率差异较大，因为美国联邦通信委员会（FCC）已经把1865～1990MHz频段拍卖给了PCS业务，使IMT-2000频率统一和国际漫游带来困难。

另外，随着互联网业务的飞速发展，手机上网的用户会越来越多，所以原先分配给第三代移动通信的230MHz频率显得不够了，需要在原先分配的频率基础上，再进行扩展以适应今后的发展。

在2000年召开的WRG2000大会上，把原先分配的频率称为核心频带（CoreBand），又建议了扩展频带806～960、1710～1885、2500～2690和2300～2400MHz，由各国的通信主管部门根据各国的实际状况掌握使用。

这对IMT-2000的频率统一具有深远的意义。

1.1.3技术要求

第二代移动通信的业务主要是语音和低速数据，尽管短信息业务应用十分广泛，服务种类也很多，但数据速率仅在9.6kbps范围内。

第三代移动通信的目标除了语言传输外，还需承载图像和多媒体业务，具体的传输速率要求是室外车辆速度时要达到144kbps；步行速度时要达到384kbps；室内环境下要达到2Mbps；另外，在卫星移动环境下要满足9.6kbps传输速率。

除了对传输速率的要求外，传输速率的按需分配和上、下行的不对称传输也是所要求的。

正因为这些目标要求才构成第三代移动通信的特征，也成为开发第三代移动通信中的技术难点。

1.1.4市场要求

市场的需求就是企业的目标，ITU主要吸取于各大移动通信企业及标准化组织的意见，提出第三代移动通信（IMT-2000）系统的目标，其要点如下：

（1）全球化：

多种环境，多种技术，统一频率，统一标准。

（2）综合化：

多种业务话音、宽带数据、多媒体，适应信息化社会。

（3）个人化：

支持提供足够容量潜力和多种用户管理能力。

实现以上目标是宏观的，需要分阶段提出具体要求，分阶段完成，但上述三大目标的确反映了市场对目前移动通信系统的新要求。

1.1.5技术支持

对于上面所说的技术要求，如无下列领域技术在近年来的飞速发展，那么3G系统将不能成熟发育推向市场。

（1）微电子技术（大规模IC设计与生产）；

（2）小型化技术（元件、部件、结构及生产工艺、低功耗）；

（3）数字通信庞大的专题技术族，包括新频段的开发；

（4）计算机技术，特别是软件技术；

（5）以上四类技术的综合运用（标准、协议、测试）。

以上技术由于本身的难度或由于经济、政治、管理、市场等等原因，要由一个公司、一个国家全面推出，成为一种全球认可的可实施系统，实际上是困难的，因此，在国际ITU会议上，众多的技术体制大多是国际合作的成果。

以上各领域的技术为3G系统的发展奠定了坚实的技术根基。

1.23G系统的特点

从目前已确立的3G标准分析，其网络特征主要体现在无线接口技术上。

蜂窝移动通信系统的无线技术包括小区复用、多址/双工方式、应用频段、调制技术、射频信道参数、信道编码及纠错技术、帧结构、物理信道结构和复用模式等诸多方面。

纵观3G无线技术演变，一方面它并非完全抛弃了2G，而是充分借鉴了2G网络运营经验，在技术上兼顾了2G的成熟应用技术，如小区复用、多址/双工方式、多相QPSK调制、卷积以及交织技术、功率控制等；另一方面，根据IMT-2000确立的目标，未来3G系统所采用无线技术应具有高频谱利用率、高业务质量、适应多业务环境，并有较好的网络灵活性和全覆盖能力，因此，与2G相比3G在无线技术上的创新主要表现在以下几方面。

（l）采用高频段频谱资源

为实现全球漫游目标，按ITU规划IMT-2000将统一采用2G频段，可用带宽高达230MHz，分配给陆地网络170MHz，卫星网络60MHz，这为3G网络容量发展、实现全球多业务环境提供了广阔的频谱空间，同时可更好地满足宽带业务。

（2）采用宽带射频信道、支持高速率业务

充分考虑承载多媒体业务的需要，3G网络射频载波信道根据业务要求，可选用5/10/20M等信道带宽，同时进一步提高了码片速率，系统抗多径衰落能力也大大提高。

（3）实现多业务、多速率传送

在宽带信道中，可以灵活应用时间复用、码复用技术，单独控制每种业务的功率和质量，通过选取不同的扩频因子，将具有不同QOS要求的各种速率业务映射到宽带信道上，实现多业务、多速率传送。

（4）快速功率控制

3G主流技术均在下行信道中采用了快速闭环功率控制技术，用以改善下行传输信道性能，这一方面提高了系统抗多径衰落能力，但另一方面由于多径信道影响导致扩频码分多址用户间的正交性不理想，增加了系统自干扰的偏差，但总体上快速功率控制的应用对改善系统性能是有好处的。

（5）采用自适应天线及软件无线电技术

3G基站采用了带有可编程电子相位关系的自适应天线阵列，可以进行发信波束赋形，自适应地调整功率，减小系统自干扰，提高接收灵敏度，增大系统容量，另外软件无线电技术在基站及终端产品中的应用，对提高系统灵活性、降低成本至关重要。

1.3移动通信系统的发展历程

1.3.1移动通信的发展历史

如果说无线通信的历史是频率使用效率提高的历史，则移动通信的历史就是频率使用效率提高和用户“位移”扩大的历史。

这是符合要实现随时、随地、任何人之间、用任何业务进行通信目标的。

众多的复杂的技术发展，归根结底，就是如何更充分地使用有限的、宝贵的频率资源以及实现更高密度的全球活动通信。

我们认为，提高频率使用效率技术，主要属于信息传输技术范畴（但不仅仅是传输技术），如多址接收技术、调制解调、抗干扰编解码……等等；扩大“位移”技术主要属于网络技术范畴（但不仅仅是网络技术），如信息交换、存贮、处理……等等，这两大类技术相互发展交叉结合，在市场动力促进下到某个时期出现了具有某种更为鲜明技术特征的应用，这就是所谓“第x代”移动通信了。

其中第一代移动通信（1G）主要指蜂窝式模拟移动通信，技术特征是蜂窝网络结构克服了大区制容量密度低、活动范围受限的问题。

AMPS就属于第一代，它的全名为AdvancedMobilePhoneService，中文名称为类比式行动电话系统，当初中华电信的090就是属于此类。

它的原理相当简单，就像是无线电手机一样透过基地台与他人通话，只要频率相同即可收听内容，也因为如此会有王八机等等安全上的顾虑。

由于各GSM（全球手机系统）系统商的强力促销以及手机的日新月异，现在市场上几乎已经不见090的踪影。

第二代移动通信（2G）是蜂窝数字移动通信，使蜂窝系统具有数字传输的种种优点。

它的代表是PCS，指的是PersonalCommunicationService，美国联邦通讯委员会对数位蜂巢式技术的通称，包括CDMA、GSM与TDMA。

而TDMA是一种使用“时槽分割多路传输”的数位无线通讯技术，将无线电频率切割成为一个个的时槽（TIMESLOT），来分配给数个通讯端使用，而现在所使用的GSM就是架构在TDMA之下的通讯系统。

第三代移动通信（3G）按目前通行的概念是宽带多媒体蜂窝系统。

第三代行动电话主要的技术来源是CDMA的延伸，根据IMT-2000的规范，第三代行动通讯的标准是车行速度90km/h时传输速率达144kbps，步行速度时传输速率达384kbps，室内或固定时传输速率可达2Mbps。

从ITU众多要求中可以看到，主要是使用频率利用率高的体制，能提供高质量宽带多媒体综合业务，并能实现全球覆盖。

技术上从第二代到第三代并无重大的变迁，属于一种平滑过渡，因此也就有了什么“二代半”等出现。

第二代半移动通信（2.5G），即GPRS（GeneralPacketRadioService，简称整合封包式无线服务），这是一种以GSM为基础的数据传输技术。

它和以往连续在频道传输的方式不同，而是以封包（packet）方式来传输数据，因此使用者负担的费用是以其传输资料为计算方式，而不是以使用时间计费，对消费者而言比较经济。

GPRS的另一个特点是传输速率快，最高可以达到115kbps，不论是传输文字或是影像资料都可以快速的完成。

表1.1移动通信各代典型系统特性比较

典型

技术

特征

第一带

AMPS

小区制蜂窝系统

模拟话音

第二代

GSM

数字蜂窝（时分复址）

数字话音数据速率9.6Kbps（HSCSD：

6时隙合并为57Kbps）

第二代半

GPRS

通用分组数字蜂窝

数据速率：

115Kbps数据在线连接（EDGE为384Kbps）

第三代

W-CDMA

宽带码分多址，实现宽带多媒体业务

数据速率最高达2Mbps数据在线连接宽带数据业务

第四带

EMBS

宽带多媒体综合业务

ATM面无核心网

无线接人点：

60GHz155Mbps

GPRS之所以会被称为是2.5G的原因，在于从GSM系统升级到GPRS只需要更换IP核心网路以及升级部份软体，资料传输速率便可达115kbps，相对于目前的9.6kbps，其间差距不可不谓惊人，所以被视为从2G到3G的过渡方案。

在表1.1中给出了移动通信的各代典型系统特征。

现在的移动通信正是处于3G时代，3G技术必将在很长一段时间内占据移动通信的主流地位。

1.3.23G的发展现状

ITU在1996年将3G由原来的FPLMTS正式命名为IMT-2000，其含义是3G统一使用2000MHz频段、最高数据传输速率2000kbps、并计划于2000年投入使用。

ITU提出的IMT-2000系统分为陆地网和卫星网两大部分，包括寻呼、无绳系统、蜂窝系统和移动卫星通信系统等功能，IMT-2000的宗旨是建立一个全球统一的多媒体移动通信网，它的最终目标概括为三点：

（1）建立一个全球无缝覆盖的移动网络，可提供全球漫游业务；

（2）支持宽带多媒体综合业务，其数据传输速率要求为：

室内低速时2Mbps，室内/室外中速时384kbps，车载高速时144kbps，卫星环境下不小于9.6kbps；（3）提供高服务质量和安全保密性能。

ITU主要致力于3G技术体制标准的制定工作，3G标准分为核心网标准和无线接口标准两大部分。

目前，核心网标准尚不明朗，但总趋势是向支持IP的分组平台发展，2G两大核心网MAP及ANSL-41可能长期并存。

无线接口标准已基本完成，ITU经对10个候选方案的频谱效率、网络接口、QOS、技术复杂性、覆盖率、灵活性和设备体积等诸多方面的全面评估，最终正式确认了5种无线标准，分别是MS-CDMA、DS-CDMA、TD-SCDMA、SC-TDMA、MC-TDMA，这是一个以CDMA技术为主体，兼顾TDMA技术，包含FDD和TDD两种双工方式的多元化体系标准，它基本涵盖了目前2G的两大技术体制，是一个多方利益妥协的结果，并没有真正实现标准的统一，因此3G实际是一个“家族概念”的网络。

从移动通信技术发展趋势和可实现业务功能分析，基于CDMA制式的3种标准被普遍看好，分别为CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA三种技术，这三种技术极可能成为3G的三大主流应用技术。

目前，三大主流技术标准已得到业界认可，在技术进步和市场驱动的双重作用下，3G从概念向产业化的进程在加快，全球主要设备厂商都在积极跟踪研发基于三大主流技术的3G网络产品，2001年下半年已推出CDMA2000和W-CDMA可商用系统及TD-SCDMA产品样机。

此外，3G商用进程也已开始，日本DOCOMO已在东京地区开通世界上第一个W-CDMA商用网，欧洲已完成3G国际漫游测试，全球各大运营商对参与3G运营态度积极，欧洲、香港、台湾及韩国都已完成3G牌照发放，国内几大运营商也在积极争取3G牌照，并竞相开展3G网络实验，为3G运营作前期准备。

综观全球3G发展现状，3G技术正处于发展和完善阶段，三大主流技术标准将经历逐步融合演变的过程，最终实现全球的统一，现有2G网络将向3G过渡已是大势所趋。

1.4通往3G的三种主要模式

就3G技术发展趋势看，CDMA2000、W-CDMA、TD-SCDMA三种模式最具潜力，是未来3G主流应用技术，其共同特点是都应用码分多址技术实现信道共享，并采用扩频通信技术提高系统质量，但在具体系统参数选取上各不相同，因此各具特点，表1.2是对三种模式的比较。

表1.2W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三模式的比较

W-CDMA

CDMA2000

TD-SCDMA

信道带宽

5/10/20MHz

1.25/5/10/15/20MHz

1.2MHz

Chip速率

N×4.096Mc/s，N=1,2,4

N×1.2288Mc/s,N=1,3,6,9,12

1.1136Mc/s

多址方式

DS-CDMA

DS-CDMA和MC-CDMA

TD-SCDMA

双工方式

FDD/TDD

FDD

TDD

多速率概念

可变扩频因子和多码RI检测：

高速率业务

盲检测：

低速率业务

可变扩频因子和多码盲检测：

低速率业务。

或事先预定好，需高层信令参与

可变扩频因子多时隙、多码RI检测

FEC编码

卷积码R=1/2,1/3,

（K=9）RS码（数据）

卷积码R=1/2,1/3，3/4,

K=9（Turbo码）

卷积码R=1/4~1,（K=9）RS码（数据）

交织

卷积码：

帧内交织RS码：

帧间交织

块交织（20ms）

卷积码：

帧内交织RS码：

帧间交织

扩频

前向：

Walsh（信道化）　+Gold序列218（区分小区）反向：

Walsh（信道化）　+Gold序列241（区分用户）

前向：

Walsh（信道化）　+M序列215（区分小区）反向：

Walsh（信道化）　+M序列241-1（区分用户）

前向：

Walsh（信道化）　+PN序列（区分小区）

反向：

Walsh（信道化）　+PN序列（区分用户）

表1.2（续）

W-CDMA

CDMA2000

TD-SCDMA

调制

数据调制：

QPSK/BPSK

扩频调制：

QPSK

数据调制：

QPSK/BPSK

扩频调制：

QPSK/OQPSK

接入信道：

DQPSK接入信道：

DQPSK/16QAM

相干解调

前向：

专用导频信道（TDM）

反向：

专用导频信道（TDM）

前向：

公共导频信道

反向：

专用导频信道（CDM）

前向和反向都采用专用导频信道（TDM）

功率控制

FDD：

开环+快速闭环（1.6kHz）

TDD：

开环+慢速闭环

开环+快速闭环（800Hz）

开环+快速闭环（200Hz）

基站间同步

异步，同步（可选）

同步（GPS）

同步（GPS或其它方式）

CDMA2000源于美国IS-95体系，是北美3G体制标准的代表，属CDMA/FDD体制，主要沿用IS-95技术，属同步宽带CDMA技术。

CDMA2000主要特点是：

在下行信道传输中，定义直扩和多载波传输两种方式，码片速率分别为3.6864Mbps和1.2288Mbps，多载波方式能很好地兼容IS-95网络；在同步方式上CDMA2000与IS-95相同，基站间同步采用GPS方式；在扩频码选择采用相同M序列，通过不同的相位偏置区分不同的小区和用户；此外在下行信道中采用公共连续导频方式进行相干检测，提高系统容量。

CDMA2000设计了两类码复用业务信道，基本信道用于传送语音、信令和低速率数据，是一个可变速率信道，补充信道用以传送高速率数据，在分组数据传送上应用了ALOHA技术，改善传输性能；另外CDMA2000射频带宽从1.25MHz到20MHz可调。

W-CDMA是欧洲和日本提出的3G候选方案最终融合的标准，同属CDMA/FDD体制，它是建立在窄带CDMA技术基础上的一种异步宽带CDMA技术。

W-CDMA只采用直扩方式，并选用4.096Mbps高速率码片，扩频码采用GOLD长码扩频序列，依靠不同长码序列区分小区和用户，基站间采用准同步方式，GPS同步方式为可选项目。

W-CDMA在下行信道采用时分复用专用导频方式进行相干解调；业务信道分为单码传送和多码传送两种结构，可将多种速率的不同业务分配给同一个5MHz载波上的多个用户。

TD-SCDMA是由中国提出的3G体制标准，它与前两个标准最大不同之处是采用了TDD双工方式，并将TDMA与CDMA技术结合应用，优势在于节省频谱资源，不需要成对的频率，能很好地实现非对称数据传输，由于上下行传播特性相同，可以使智能天线技术得到最佳应用，同时它还应用了软件无线电、联合检测等新技术。

本章对3G系统作了一个简单的介绍。

关于3G的详细内容将在后面的章节进行论述、说明。

第二章W-CDMA

2.1W-CDMA概述

2.1.1W-CDMA简介

在第三代移动通信的技术标准中，以欧洲主导的W-CDMA（WidebandCDMA）和美国主导的CDMA2000为主流技术，而中国的TD-SCDMA也具有很强的竞争力。

W-CDMA主要起源于欧洲和日本的早期第三代无线研究活动，它的标准化主要是由区域性的标准化组织3GPP（ThirdGenerationPartnershipProject，3G合作项目组）负责，该组织是由欧洲ETSI发起，并山ETSI（欧洲）、CWTS（中国）、ARIB（日本）、TTC（日本）、TTA（韩国）和T1（美国）等成员组成的第三代合作组织，其目标是制定与GSM/GPRS相兼容的第三代移动通信标准。

W-CDMA在欧洲又称为UMTS（全球移动通信系统）。

目前，GSM无论在运营商数量还是用户数量上都是排名第一。

至2002年初，全球共有172个国家的500多家运营商使用GSM制式，用户总数超过7亿，占全球市场的71%。

世界上大多数运营商已经明确表示第三代移动通信系统要采用W-CDMA技术体制，甚至包括不少原CDMA2000的运营商。

中国移动也已经基本明确了从GSM到GPRS再到W-C