3G Basic UMTS & CDMA2000

3G communication 国际上目前最具代表性的第三代移动通信技术标准有三种，它们分别是 CDMA2000，WCDMA和TD-SCDMA CDMA2000和WCDMA属于FDD方式,系统的上、下行工作于不同频率 TD-SCDMA属于TDD方式，系统的上、下行工作于同一频率。

GSM UMTS WCDMA UWC-136/ cdma2000 TD-SCDMA Radiocom C-NETZ TACS NAMTS NMT AMPS 1st Generation IS-54/136 US TDMA GSM PDC IS-95 cdma One PHS 2nd Generation UMTS WCDMA UWC-136/ TD-SCDMA cdma2000 3rd Generation

Wireless Communication direct Reflection 多径干扰 由基站发出的电波以四种方式到达终端： 直射波：在视距覆盖区内无遮挡的传播 多径反射波：从不同建筑物发射后到达接收点 绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点 散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的慢放射后到达接收点 Time Signal

Multi-access FDMA TDMA CDMA FDMA 业务信道在不同频段分配给不同的用户。如TACS、AMPS。 Frequency Time Power FDMA TDMA CDMA FDMA 业务信道在不同频段分配给不同的用户。如TACS、AMPS。 TDMA 业务信道在不同的时间分配给不同的用户。如GSM、DAMPS。 CDMA 所有用户在同一时间、同一频段上、根据不同的编码获得业务信道。CDMA

多址接入技术—— FDMA 信道一次只能传递一个电话。如果某一信道空闲，也不能够被其他 用户使用以增加容量。 信道一次只能传递一个电话。如果某一信道空闲，也不能够被其他 用户使用以增加容量。 符号时间比平均时延扩展大很多，故平均时延扩展造成的符号间干扰低。 FDMA比TDMA简单，同步和组帧比特少，系统开销小。 FDMA需要精确的RF滤波器。 Frequency Time Power

多址接入技术—— TDMA 多个用户共享一个载波频率，分享不同时隙。 可以实现不连续发送，利用空闲时隙监听其他基站，实现切换处理。 需要自适应均衡；需要保护时隙。 按照不同的用户提供不同的带宽。 质量控制通过频率规划来实现 Frequency Time Power

多址接入技术—— CDMA 多用户同时共享同一频段无线资源。 系统容量大，无线频谱效率率高。 自干扰性，远近效应。 不相关码的选择和功率控制非常重要 Power Frequency Time

扩频 扩频技术的起源要追溯到二战时期，这种思想的初衷是防止敌方对己方通讯的干扰。 由于窄带通讯采用的带宽只有几十kHz，只需要使用一个具有相同发射频率及足够大功率的发射机就可以非常容易地干扰对方的通信。因为无论调幅、调频技术都很难从恶劣的信噪比环境中恢复原始信息。 CDMA就是通过特殊的码型处理，把信号能量扩散到一个很宽的频带上，湮没在噪声里，在接收端只有通过相同的码型才能把信号恢复出来

Wideband Channels Radio Interference 25kHz 1G Channel Power Bandwidth 25kHz 1G Channel 200kHz GSM Channel 5MHz 3G Channel Channel width 1 user/channel 8 users/channel 100s of users/channel Capacity 2.4kbit/s 14.4kbit/s 64-384kbit/s Typical data rate

扩频技术 扩频通信就是将信号的频谱展宽后进行传输的技术。 其理论解释为Shannon定理： C=Wlog2(1+S/N) Fast Spreading Sequence Slow Information Sent TX Recovered RX Wideband Signal C=Wlog2(1+S/N)中，W为占用的带宽、C为系统所能达到的极限容量，S/N为接收机所能正常工作的信噪比。由此式可以看出，要提高系统容量，在信噪比无法再提高的情况下，可以增大信道带宽来提高系统容量，即用频带换取信噪比，这就是扩频通信的基本原理。

扩频通信示意图 信号 脉冲干扰 白噪声 f S（f） 扩频前的信号频谱 信号 扩频后的信号频谱 解扩频后的信号频谱 干扰噪声 解扩频前的信号频谱 信号经过扩频之后，所占用的频带变宽，但信号幅度可以降低。 在接收端进行解扩后，宽带信号能量被重新集中到其原来的带宽内，而干扰则被扩展到比较宽的频带中，能量下降。经过解调器的滤波，能将大部分干扰能量滤掉，提高了信噪比。 信号 脉冲干扰 白噪声

扩频通讯 扩频通信的特点：抗干扰能力强、隐蔽性好、抗衰落、抗多径干扰、可以实现码分多址通信； 扩频的理论基础：由Shanon 定理C=Wlog2(1+S/N)可知，在信道容量一定情况下，通信带宽W与信噪比S/N可以互换。即通过扩展频带使信噪比降低。 扩频通信的特点：抗干扰能力强、隐蔽性好、抗衰落、抗多径干扰、可以实现码分多址通信；

交织技术 在通信系统中，为了减少突发干扰对连续数据造成的大面积差错，常采用交织来将突发干扰造成的连续差错化解为随机独立差错，使其适合于译码器的错误纠正。 交织，就是打乱原来的数据排列规则，按照一定顺序重新排列。 x1 x6 x11 x16 x21 x2 x7 … x22 x3 x8 … x23 x4 x9 … x24 x5 x10 … x25 输入数据 A = (x1 x2 x3 x4 x5 … x25) 输出数据 A’= (x1 x6 x11 x16… x25) 举例： 缺点： 带来了附加的额外延时 在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。

WCDMA系统的扩频 分为扩频和加扰两个步骤： DATA 信道码OVSF 扰码 Symbol rate Chip rate 3.84MHz 信号经过扩频后达到3.84MHz的码片速率，不同速率的信号与不同SF的扩频码相乘，保证达到3.84MHz的码片速率。然后与一个复数扰码相乘，扰码的速率也为3.84MHz。 符号速率 × SF = 3.84Mbps WCDMA中，上行信道码的SF为：4~256 下行信道码的SF为：4~512

正交可变扩频因子（OVSF）码 同一级的任意两个分支两两正交 (乘法器) 某一分支被使用后，则其直系祖先级和直系子孙级分支均不能使用 由于扩频码的资源有限，所以对码资源的分配和管理就显得很重要。

扰码 下行用扰码区分小区，即一个小区一个主扰码。 上行用扰码区分用户。上行扰码分长扰码和短扰码。

正交编码 采用正交可变长度的扩频序列，支持多速率传输 采用自相关特性好的扰码与互相关特性好的扩频码配合使用，每个用户有唯一的扰码与扩频码的组合，保密性高。 所有用户、基站都使用相同的频率，可以简化频率规划工作

WCDMA系统的关键技术 功率控制 Raker接收 切换控制技术 分集技术 高增益的编码技术

功率控制 功率控制被认为是所有CDMA关键技术核心。 远近效应 功率控制分为上行功控和下行功控。功控又分为开环功控和闭环功控两大类。 如果小区中的所有用户均以相同的功率发射信号，则靠近基站的手机到达基站的信号就强，而远离基站的手机到达基站的信号就弱，这样将导致强信号掩盖弱信号，这就是移动通信中的“远近效应”问题。 因为所有用户共同使用同一频率（载波），所以“远近效应”问题更加突出。 功率控制的目的就是克服“远近效应” 自干扰系统, “国际鸡尾酒会” 功率控制分为上行功控和下行功控。功控又分为开环功控和闭环功控两大类。

功率控制 前向功率控制 反向功率控制 小区发射功率 手机发射信号 上报功率控制比特 功率控制命令

开环功控 开环功控是接收机测量接收到的宽带导频信号的功率，并估计传播路径损耗，根据路径损耗计算得到需要发射的功率。 接收到的功率越强，说明收发双方距离较近或有非常好的传播路径，发射的功率就越小。 误差较大，因此开环功控只能在决定接入初期发射功率和切换时决定切换后初期发射功率的时候使用。

闭环功控 闭环功控是发方根据收方链路质量测量结果的反馈信息，进行增加或减少（降低）发射功率。可见闭环功控需要一个反馈通道。闭环功控又分快速闭环功控（内环功控）、慢速功控（外环功控）两种。 快速闭环（内环）功控：快速闭环功控在每个时隙（0.67ms）进行一次，功控频率是1500Hz。接收机在每个时隙测量信道的信噪比（SIR），并与目标SIR进行比较，当测量的SIR低于目标值时给出增加功率的指令，发射方增加一个单位功率，这个单位功率就是功控步长，一般是1dB，也可以变步长改变发射功率。当SIR测量值高于目标值时，就发出降低一个单位（步长）的功率。直到满足接收方通信质量为止。

慢速闭环 慢速闭环（外环）功控：慢速闭环功控比快速闭环功控慢得多，从20ms到80ms不等。慢速闭环（外环）功控是接收方通过每帧的CRC校验来统计误帧（块）率（BLER），当误帧率高于目标值时就提高SIR目标值，通过快速闭环功控实现通信质量的提高；当误帧率低于目标值时就降低SIR目标值，通过快速闭环功控实现刚好的通信质量，以降低不必要的功率发射。

CDMA的软容量 CDMA系统是一个自干扰系统； CDMA系统单载频的容量不像FDMA、TDMA那样是固定的，这也就是我们常提到的"软容量"；因此功率控制在CDMA系统中起着重要作用，它直接影响着系统容量。

Rake接收机 (分集技术) 通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把他们合并在一起。 当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上是被看作相互无关的。

RAKE 接收技术有效地克服多径干扰，提高接收性能 单径接收电路 单径接收电路 合并后的信号 合 并 接收机 单径接收电路 计算信号强度与时延 搜索器 s(t) s(t) t t RAKE 接收技术有效地克服多径干扰，提高接收性能

切换 切换是指当移动台处于移动状态中，从一个基站或信道转移到另一个基站或信道的过程。 在蜂窝结构的无线移动通信系统中，当移动台从一个小区移动到另一个小区时，为保持移动用电话不中断通信需要进行的信道切换称为越区切换。

CDMA软切换 硬切换 软切换

CDMA软切换 硬切换：在FDMA和TDMA系统中，所有的切换都是硬切换都是硬切换。 当切换发生时，手机总是先释放原基站的信道，然后才能获得新基站分配的信道，是一个“释放-建立”的过程，切换过程发生在两个基站过度区域或扇区之间，两个基站或扇区是一种竞争的关系。 如果在一定区域里两基站信号强度剧烈变化，手机就会在两个基站间来回切换，产生所谓的"乒乓效应"。这样一方面给交换系统增加了负担，另一方面也增加了掉话的可能性。

CDMA软切换 软切换：在CDMA系统中，切换的情况有所不同。 当一部手机处于切换状态下同时将会有两个甚至更多的基站对它进行监测，系统中的基站控制器将逐帧比较来自各个基站的有关这部手机的信号质量报告，并选用最好的一帧。(宏分集) 软切换可以是同一基站控制器(RNC)下的不同基站或不同RNC下不同基站之间发生的切换。

CDMA的更软切换 在CDMA系统中还有一种切换称为"更软切换"。它指发生在同一基站具有相同频率的不同扇区间的切换

接入控制 在5MHz WCDMA带宽内，实际是3.84MHz内的传输速率不会超过10Mbps。可以同时容纳接近100个8kbps的话音用户，或者可以容纳20个64kbps的数据用户；或者容纳9个144kbps的数据用户。在无限要求和有限资源的情况下，必须要对各种业务的接入进行接纳控制。

小区呼吸和负载控制 小区负载发生变化，小区的服务范围也会相应地发生变化。 小区呼吸是负载控制的主要手段 小区负载发生变化，小区的服务范围也会相应地发生变化。 当相邻小区的负荷不相同时，负荷重的小区降低发射功率，使本小区边缘的用户切换到临近小区，从而实现负载控制。 “小区呼吸”动态分配小区负荷，改善网络覆盖，增加系统容量

3GPP 3GPP协议版本分为R99/R4/R5/R6等多个阶段 R99协议于2000年3月冻结功能 R4协议于2001年3月冻结功能。

3GPP release

3GPP R99是目前最成熟的一个版本，目前国外已经商用。它的核心网继承了传统的电路语音交换。 R4的电路域实现了承载和控制的分离，引入了移动软交换概念及相应的协议。此外，R4还正式在无线接入网系统中引入了TD-SCDMA。 3.5G: HSDPA使传输速率大大提高到约10Mbps. R5版本在空中接口上引入了HSDPA技术，使传输速率大大提高到约10Mbps。同时实现VoIP, 全IP核心网。

GSM Network Architecture GSM Access Network Core Network External Network MSC/VLR GMSC BSC GSM/MAP Core PSTN SMSC HLR NMS Network Services: Voice Data Fax SMS WAP Roaming Pre-pay IN BTS

2.5G Network Architecture GSM/EDGE Access Network Circuit Switched Core Network External Networks MSC/VLR GMSC BSC/PCU GSM/MAP Core PSTN SMS WAP HLR NMS Packet Switched Core Network New Services: Fast data Mobile Internet SMS/WAP over GPRS Data Roaming & Pre-pay IP Backbone Internet GGSN Firewall SGSN LIG CGW

WCDMA R99组网及接口

3G系统的无线子系统 RNC以及相应的 Node-B 组成了无线网络子系统（RNS）。 UTRAN: UMTS Terrestrial RAN RAN: Radio Access Network RNS 是在一定的无线覆盖区中，与移动终端进行通信，并接入到软交换移动业务器（MSC server）和业务 GPRS 支持节点（SGSN）。

3G系统的电路域网络 RNS 与 MSC server、 MGW、VLR、GMSC server、HLR、AUC功能实体组成为 3G 电路域网络（3G CS 域网络）。

3G系统的分组域网络 RNS 与 SGSN、GGSN、HLR、AUC功能实体组成为 3G 分组域网络（3G PS 域网络）。 3G CS 域网络和 PS 域网络共用 RNS 和 HLR/AUC功能实体。

1）R99和R4在网络结构差异

R4核心网

UMTS Network Architecture R4 GSM/EDGE Access Network Circuit Switched Core Network External Networks 3G MSC GMSC BSC/PCU GSM/MAP Core PSTN MGW SMS WAP HLR NMS Packet Switched Core Network Iu Interfaces IP Backbone Internet GGSN Firewall 3G SGSN UMTS Radio Access Network

All IP UMTS Network R5/6 PSTN Internet Applications and Control BTS MGW SGSN RNC MGW PSTN IP Backbone Router Only one technology is required for both Access and Core network operations - IP Internet GGSN IPv6 will be used in 3GPP Release4 & 5

R4 3G 网络的基本网元设备 移动终端和用户识别模块(SIM/USIM卡) 收发信基站（Node-B）：为一个小区服务的无线收发信设备 无线网络控制器（RNC）：具有对一个或多个 Node-B 进行控制以及相应呼叫控制的功能。 移动业务软交换中心服务器（MSC server）： 提供呼叫控制和移动性管理功能。终结用户-网络信令，处理移动用户的业务数据和CAMEL相关数据，同时具有智能网的SSP节点功能。 拜访位置寄存器（VLR）：MSC server为所管辖区域中 MS 的呼叫接续，所需检索信息的数据库。VLR 存储与呼叫处理有关的一些数据，例如用户的号码，所处位置区的识别，向用户提供的服务等参数。中国移动3G网络中MSC server与VLR设备合设。 媒体网关设备（MGW： 支持媒体转换，提供承载控制和有效载荷处理能力。 关口局 服务器GMSC（GMSC server）：3G 核心网络电路域子系统通过关口局 GMSC (GMSC server)实现与其他运营商多种网络的互通，包括 PSTN、ISDN、PLMN 和 PSPDN。 归属位置寄存器（HLR）：管理部门用于移动用户管理的数据库。每个移动用户都应在其归属位置寄存器注册登记。HLR 主要存储两类信息，有关用户的参数和有关用户目前所处位置的信息。 设备识别寄存器（EIR）：存储有关移动台设备参数的数据库。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。中国移动3G网络暂不包括本设备。 鉴权中心（AUC）：为认证移动用户的身份和产生相应鉴权参数的功能实体。中国移动3G网络中HLR设备与AUC设备合设。 服务GPRS支持节点（SGSN）：该功能实体提供移动性管理、安全管理功能和网络接入控制功能。 网关GPRS支持节点（GGSN）：该功能实体提供和外部分组交换网络的互通、网络屏蔽和分组路由功能。 边界网关（BG）：该功能实体提供和其它运营者的分组网络的互通功能。BG 应具有基本的安全功能，此外还可以根据运营商之间的漫游协定增加相关功能。

CDMA2000 evolution path CDMAOne(IS-95A) → (IS-95B) → CDMA2000 1x → (CDMA2000 3x) → CDMA2000 1xEV-DO → CDMA2000 1xEV-DV 1.25M 带宽

IS-95 IS-95A：CDMAOne 就是在现在大家通常所讲到的窄带CDMA 基于2G的一种网络技术，采用的数据传输方式也是与GSM一样的电路交换型 IS-95B：通过捆绑8个话音业务信道，提供64K数据业务。在多数国家，IS95B被跨过，直接从CDMAOne演进为CDMA2000 1x。

CDMA2000 CDMA2000 1x：在IS-95的基础上升级空中接口，可在1.25M带宽内提供307.2K高速分组数据速率。 CDMA2000 3x：在1.25*3带宽内实现2M数据速率，后向兼容CDMA2000 1x及IS-95。 3X代表其载波三倍于IS95A 它属于2.5代的移动通信网络

CDMA2000 EV 第一阶段：CDMA2000 1xEV-DO(Data Only)，采用与话音分离的信道传输数据。Qualcomm公司提出的HDR(High Data Rate)技术已成为该阶段的技术标准，支持平均速率为650kbps，峰值速率为2.4Mbps的高速数据业务。 HDR已被3GPP2正式采纳为CDMA2000 1XEV-DO唯一标准。 第二阶段：CDMA2000 1xEV-DV(Data and Voice)，数据信道与话音信道合一。1XEV-DV可提供4.8M甚至更高的吞吐量。 目前普遍认为1XEV-DO目前已具备商用化条件，而1XEV-DV还不成熟。

EV-DO 数据传输使用独立信道 没有功率控制，也没有软切换。 由于射频相同， 还可以使用原来的天线等射频设备 1x EV-DO 是时分多址系统。 一个时刻只有一个用户在接收服务。 不同用户在不同时刻接受服务。 当用户没有数据传输时不分配信道。但保留一个业务信道，很长时间后才释放。 没有功率控制，也没有软切换。 由于射频相同， 还可以使用原来的天线等射频设备

UTRAN O&M Architecture - 3GPP R00

OMC & NMC Network Management Center (NMC) is responsible for the management as a whole. Operations and Maintenance Center (OMC) is a centralized facility that supports the day to day management.

Dictionary TACS: total access communication system AMPS: Advanced Mobile Phone System UWC: Universal Wireless Communications WAP: wireless application protocol PHS: Personal Handyphone System PDC: Personal Digital Communications PDCP: Packet Data Convergence Protocol RLC: radio link control

Dictionary CAMEL: Customized Applications for Mobile Enhanced Logic. The first vendor independent intelligent networking standard. SIM: subscriber identity module. Node-B: Logical node in the RNS responsible for radio transmit and receive RNC: Radio Network Controller MSC server: mobile service switching center VLR: visitor location register HLR: home location register MGW: Multimedia gateway GMSC: global MSC SMSC: SMS center AUC: Authenticate Center GPRS: general packet radio service SGSN: serving GPRS support node GGSN: gateway GPRS support node SCP: service control point GMLC: gateway mobile location centre PSTN: Public switch telephone network PLMN: public land mobile network BG: border gateway TDM: time-division multiplexing FDD: Frequency division duplex TDD: Time division duplex HSDPA: High Speed Downlink Packet Access OFDM: orthogonal frequency division multiplexing WiMax: Worldwide Interoperability for Microwave Access