UMTS 移动通信系统 徐国鑫 Xuguoxin@bupt.edu.cn 北京邮电大学无线通信新技术研究室

蜂窝移动通信系统的发展

第一代模拟蜂窝移动通信系统 历史回顾：1978年，美国的贝尔实验室成功开发了AMPS（Advance Mobile Phone Service）系统，实现了真正意义上的可以随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统。1987年，中国首个TACS制式模拟移动电话系统建成商用，之后AMPS也曾被引入中国。 主要标准：美国的AMPS、欧洲的TACS、英国的ETACS、欧洲的NMT-450和NMT-900、日本的NTT和JTACS/NTACS 主要特点： 用户的接入方式采用频分多址（FDMA），当一个呼叫建立后，该用户在其呼叫结束以前一直占用一个频段 调制方式：FM 业务的种类单一，主要是话音业务 系统的保密性较差 频谱效率较低，有限频谱资源和无限用户 容量之间的矛盾十分突出

第二代数字蜂窝移动通信系统-GSM 历史回顾：1992年，第一个数字蜂窝移动通信系统——欧洲的GSM（Global System for Mobile Communication）网络在欧洲开始铺设，由于其优越的性能，在全球范围内以惊人的速度得以扩张，目前已是全球最大的蜂窝通信系统。1993年，中国的第一个全数字移动电话GSM系统建成开通，之后中国电信和中国联通都采用了GSM。 主要特点： 微蜂窝小区结构 数字化技术---语音信号数字化 新的调制方式---GMSK、QPSK等 FDMA/TDMA 频谱利用率高，系统容量大 便于实现通信安全保密

IS-95 CDMA 第二代数字蜂窝移动通信系统-CDMA 历史回顾：1995年，美国的高通公司（Qualcomm）提出了一种采用码分多址（CDMA)方式的数字蜂窝系统技术解决方案（IS-95 CDMA)，目前已分别在中国香港、韩国、北美等国家和地区投入使用，用户反映良好。 CDMA系统的主要特点： 用户的接入方式采用码分多址（CDMA） 软容量、软切换，系统容量大 抗多径衰落 可运用话音激活、分集接收等先进技术 IS-95 CDMA

3G 第三代数字蜂窝移动通信系统 3G的主要特点： 支持移动多媒体业务 宽带CDMA技术 高频谱效率 FDMA/TDMA/CDMA 从电路交换到分组交换 从媒体(media) 到 多媒体(Multi-media) 高保密性 全球范围无缝漫游系统 微蜂窝结构 3G 主流技术： WCDMA cdma2000 TD-SCDMA

3rd Generation Mobile Networks (3G) Evolution to 3G TD-SCDMA

Electronic Conference 移动数据业务发展方向 TV Conference Interactive TV 3G Web 高速数据 GPRS Video streaming Video Mail WAP Music Mobile Office Schedule Management Work flow Management Electronic Conference File Sharing Radio Multi-player Games m-banking m-cash 低速数据 m-stock trading Picture Mail Information Services Chat Room SMS E-Mail Route planning

3rd Generation Mobile Networks (3G)

第三代移动通信的几个组织 IMT-2000:International Mobile Telecommunications 2000. IMT-2000 is an ITU initiative to provide wireless access to the global telecommunication infrastructure. IMT-2000 encompasses both satellite and terrestrial components and aims to serve fixed and mobile users in public and private networks.

3GPP Third Generation Partnership Project 第三代移动通信标准化的伙伴项目 UMTS: Universal Mobile Telecommunication System. 参加 3GPP 的成员组织： ARIB (Japan):Association of Radio Industries and Businesses. ETSI (Europe):European Telecommunications Standards Institute. Committee T1 (USA) TTA (Korea):Telecommunications Technology Association, Korea CWTS (China):China Wireless Telecommunication Standard TTC (Japan): Telecommunication Technology Committee, Japan

3GPP Third Generation Partnership Project 2 第三代移动通信标准化的伙伴项目2 A 3G Partnership Project for evolved ANSI/TIA/EIA-41 networks and related radio transmission technologies. 参加 3GPP 2 的成员组织： ARIB (Japan):Association of Radio Industries and Businesses. TIA (USA):Telecommunications Industry ssociation. TTA (Korea):Telecommunications Technology Association, Korea CWTS (China):China Wireless Telecommunication Standard TTC (Japan): Telecommunication Technology Committee, Japan

移动无线传播环境

多径影响 Receiver 矢量图 R2 R1 D R3 D = R2 衰落! R3 Transmitter

多普勒频移 fc fd - + 信号功率 f

抗多径影响 — 空间分集 Receiving antenna 1 Receiving antenna 2 Receiver RA3 Amplification Transmitting antenna RA1 Suppression RA2 Suppression

抗多径影响 — 频率分集 Transmitting antenna λ1, λ2, λ3 Receiving antenna D R2 R3 Receiver λ1 Suppression λ2 λ3 Amplification

A1*S1(t)+A2*S2(t)+A3*S3(t) 抗多径影响 — 时间分集 2 1 “Rake” receiver A1* t A2* + 重叠的多径信号 A3* |A1| |A3| t |A2| 经过匹配滤波器压缩后的信号 A1*S1(t)+A2*S2(t)+A3*S3(t)

抗多径影响 — RAKE接收机

多址技术 分类： 频分多址 (FDMA)---按频道划分用户，频带独享，时间共享 时分多址 (TDMA)---按时隙划分用户，时隙独享，频率共享 码分多址 (CDMA)---按码型划分用户，时隙/频率共享

频分多址（FDMA）技术 FDMA 含义：每个用户占用一个频率 用户识别：频道号 特点： 简单，容易实现，适用于模拟和数字信号 以频率复用为基础，以频带划分各种小区 需要严格的频率规划，是频率受限和干扰受限系统 以频道区分用户地址，一个频道传输一路模拟/数字话路 对功控的要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置 基站由多部不同载波频率的发射机同时工作 不适宜大容量系统使用 应用：模拟/数字蜂窝移动通信系统 Power Frequency Time FDMA

时分多址（TDMA）技术 FDMA/TDMA 含义：每个用户占用一个时隙 用户识别：时隙 特点： 以频率复用为基础，小区内以时隙区分用户 Frequency Power Time FDMA/TDMA 含义：每个用户占用一个时隙 用户识别：时隙 特点： 以频率复用为基础，小区内以时隙区分用户 每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置 系统要求严格的系统定时同步 对功控的要求不严 是时隙受限和干扰受限系统 TDD模式下，上下型信道信息可以共享 应用：GSM系统

码分多址（CDMA）技术 CDMA 含义：每个用户使用一个码型，频率/时间共享 用户识别：码型 特点： 每个基站只需一个射频系统 每个码传输一路数字信号 每个用户共享时间和频率 是一个多址干扰受限系统 需要严格的功率控制 需要定时同步 软容量、软切换，系统容量大 抗衰落、抗多径能力强 应用：IS-95 CDMA系统、cdma2000系统、WCDMA系统 Frequency CDMA Power Time

蜂窝移动通信的基本概念

蜂窝系统---“小区制”系统 蜂窝分类 蜂窝移动通信的基本概念 - 将所要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密 度在1-10km左右,在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。 - “频率复用”的概念 - 特点：用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧且电池使用时间长，辐射小等 - 问题：系统复杂，越区切换，漫游，位置登记；更新和管理以及系统鉴权等 蜂窝分类 - 宏蜂窝 (Macro-cell) 2-20km - 微蜂窝 (Micro-cell) 0.4－2 km - 微微蜂窝 (Pico-cell) <400m - 分层蜂窝 (由多种蜂窝组成)

移动通信系统的全球覆盖

蜂窝—频率复用方式 FDMA 频率复用 CDMA 频率复用 1 3 6 2 1 4 5 7

FDMA—蜂窝覆盖

扇区的裂变 Sector-1 Sector-3 Sector-2 G = 3 x 0.85 = 2.55 * 扇区的重叠按 15 %记

蜂窝在通信网的位置

蜂窝系统的小区切换 Base 2 Base 1 Base 3

移动通信网络结构 VLR MSC GMSC BSC BTS Abis BSS AUC HLR PSTN E D C H A

终端用户漫游 PSTN AUC AUC GMSC GMSC HLR HLR MSC MSC BSC BSC Abis Abis BTS VLR MSC GMSC BSC BTS Abis BSS AUC HLR E D C H A VLR MSC GMSC BSC BTS Abis BSS AUC HLR E D C H A

CDMA扩频技术原理 扩频原理：以频带换取信噪比 扩频系统的优点： 香农理论：C=Bw log2 (1+S/N) 抗干扰能力强，可抗白噪声、人为干扰、多径干扰等 保密性好。扩频信号频谱近似白噪声，若不知PN序列生成方法就难以获取原始信息 隐蔽性好。扩频信号近似白噪声，难以检测，宽带扩频信号功率谱密度很低，难以监听 易于实现大容量多址通信 易于精确定时和测距 易于采用各种先进的分集技术，如RAKE接收、智能天线等

CDMA扩频和处理增益

CDMA直接序列扩频技术 CDMA

IS-95 CDMA Frequency Domain Code Domain IS-95系统：信号在频域和码域上的分布情况 User #3 User #2 User #1 Synch Paging Pilot 1.2288 MHz freq Frequency Domain 1 2 3 4 5 6 7 8 9 32 40 63 User Walsh Code Pilot Paging Synch Code Domain IS-95 CDMA

UMTS系统

GSM GPRS UMTS 2G 与3G网络结构 PSTN PDN Other PLMN NodeB NodeB GMSC AUC GGSN Gi PDN H C Gc HLR GSM Other PLMN Gn D Gr Gp EIR VLR MSC E VLR MSC F Gf SGSN GPRS Gs Gb Iu-PS Iu-CS A Iu-CS Iu-PS BSS RNS RNS BSS BSC RNC RNC BSC Iur Abis Iub UMTS Iub Abis BTS BTS NodeB NodeB NodeB NodeB BTS BTS PLMN: Public land mobile network UMTS:Universal Mobile Telecommunication System

WCDMA 网络结构 Node B ME RNC MSC GMSC VLR Node B ME EIR HLR AuC GGSN UE RNS CN:Core Network cell Node B E IuCS ME RNC MSC cell E GMSC USIM SIM cell B PSTN VLR D F C Iur cell Node B ME EIR HLR AuC FDD Mode only cell Gs USIM SIM Gf Gc cell GGSN Gi Gr cell Node B RNC SGSN ME Gn cell IuPS Gp USIM SIM cell Iub Iu Uu RNS

WCDMA 网络功能实体

UTRAN结构 Core Network D-RNC S-RNC Node B Node B Node B Node B Iu Iur Iub Iub Iub Iub Node B Node B Node B Node B cell cell cell cell cell cell cell cell cell cell cell cell

UMTS 接口 Node B CRNC SRNC CN UE Uu Iub Iur Iu

Iu 接口的主要功能 建立、维护和释放无线介入承载 完成系统内和系统间切换以及SRNS重新分配 不针对UE的一些通用过程， 在UE和CN之间传递NAS信令消息; 实现一个UE同时接入多个CN域 分组数据流的资源预留机制

Iub 协议功能 IuB传输资源的管理 Node B的O&M Iub 链路管理； 小区配置管理； 无线网络性能管理； 事件管理； 公用传输信道管理； 无线资源管理（RRM） ； 实现具体的O&M传输 系统信息管理

Iub 协议功能 Traffic Management of Common Channels公用信道流量管理 接入控制 功率控制 数据传输 专用信道流量管理 无线链路管理，无线链路的监测 信道分配与回收 测量报告 专用传输信道管理

Iub 协议功能 共享信道的流量管理 信道分配与回收 功率控制 专用传输信道管理 数据传输 时间和同步管理 传输信道同步 (帧同步) Node B 、 RNC 节点同步 Node B 节点之间的同步

Radio Resource Control WCDMA空中接口协议结构 Network Layer Radio Resource Control RRC Layer 3 Radio Link Control RLC Data Link Layer Layer 2 Logical Channels Medium Access Control MAC Transport Channels Physical Layer Physical Channels Layer 1 3GPP

UMTS系统无线接口

下行DPCH调制

下行DPCH调制星座图

上行DPCH调制

上行DPCH调制星座图

OVSF 正交可变扩频因子

Code Domain Power W-cdma

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