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G系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究 作者： 日期：3G系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的研究摘要：第三代移動通信系統(tǒng)（3G）的目標主要是全球化、綜合化和個人化，可以提供各種各樣的更為豐富多彩的業(yè)務(wù)。在未來，隨著各種先進信息技術(shù)的融合，3G 信息將是會有互相取長補短的功能。發(fā)展第三代移動通信系統(tǒng)在全球也形成共識，本文先分析了移動通信的發(fā)展趨勢，重點闡述了3G 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及其特點，并討論了3G 在中國的應(yīng)用，對未來移動通信系統(tǒng)做了展望。關(guān)鍵詞：3G系統(tǒng) 功率控制 分集接收 智能天線 OFDM技術(shù)課程設(shè)計的教學(xué)目的1）培養(yǎng)學(xué)生正確的設(shè)計思想，理論聯(lián)系實際的工作作風(fēng)，嚴肅認真、實事求是的科學(xué)態(tài)度和勇于探索的創(chuàng)新精神。2）鞏固所學(xué)的移動通信技術(shù)知識，培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識與生產(chǎn)實踐經(jīng)驗，分析和解決工程技術(shù)問題的能力，培養(yǎng)初步的獨立設(shè)計能力；3）掌握文獻資料的檢索與運用，并學(xué)會撰寫嚴謹流暢的設(shè)計文檔。1 移動通信的發(fā)展趨勢第一代移動通信系統(tǒng)（如AMPS和TACS等）是采用FDMA 制式的模擬蜂窩系統(tǒng)，其主要缺點是頻譜利用率低、系統(tǒng)容量小、業(yè)務(wù)種類有限，不能滿足移動通信飛速發(fā)展的需要。第二代移動通信系統(tǒng)（如采用TDMA制式的歐洲GSM/DCS1800，北美IS-54和采用CDMA制式的美國IS- 95等）則是數(shù)字蜂窩系統(tǒng)。雖然其容量和功能與第一代相比有了很大的提高，但其業(yè)務(wù)主要限于話音和低速率數(shù)據(jù)（9.6kb/s），遠不能滿足新業(yè)務(wù)和高傳輸速率的需要。第三代移動通信系統(tǒng)簡稱3G系統(tǒng)，它最早是國際電聯(lián)（ITU- R）于1985年提出的，當時命名為未來公眾陸地移動通信系統(tǒng)( FPLMTS)。由于當時預(yù)期該系統(tǒng)在2000 年使用， 并工作在2000MHZ 頻段，故于1996 年正式改名為I MT-2000。根據(jù)IMT-2000系統(tǒng)的基本標準，第三代移動通信系統(tǒng)主要由4個功能子系統(tǒng)構(gòu)成，它們是核心網(wǎng)（CN）、無線接入網(wǎng)（RAN）、移動臺（MT）和用戶識別模塊（UIM）。其中核心網(wǎng)和無線接入網(wǎng)是第三代移動通信系統(tǒng)的重要內(nèi)容，也是第三代移動通信標準制訂中最難辦的技術(shù)內(nèi)容。第三代移動通信系統(tǒng)大致目標是全球化、綜合化和個人化。全球化就是提供全球海陸空三維的無縫隙覆蓋，支持全球漫游業(yè)務(wù)；綜合化就是提供多種話音和非話音業(yè)務(wù)，特別是多媒體業(yè)務(wù)；個人化就是有足夠的系統(tǒng)容量、強大的多種用戶管理能力、高保密性能和服務(wù)質(zhì)量。2 3G標準國際電信聯(lián)盟（ITU）在2000年5月確定WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA以及WiMAX四大主流無線接口標準，寫入3G技術(shù)指導(dǎo)性文件2000年國際移動通訊計劃（簡稱IMT2000）。 CDMA是Code Division Multiple Access (碼分多址)的縮寫，是第三代移動通信系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)。第一代移動通信系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)的模擬調(diào)制方式，這種系統(tǒng)的主要缺點是頻譜利用率低，信令干擾話音業(yè)務(wù)。第二代移動通信系統(tǒng)主要采用時分多址(TDMA)的數(shù)字調(diào)制方式，提高了系統(tǒng)容量，并采用獨立信道傳送信令，使系統(tǒng)性能大大改善，但TDMA的系統(tǒng)容量仍然有限，越區(qū)切換性能仍不完善。CDMA系統(tǒng)以其頻率規(guī)劃簡單、系統(tǒng)容量大、頻率復(fù)用系數(shù)高、抗多徑能力強、通信質(zhì)量好、軟容量、軟切換等特點顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿Α?.1 W-CDMA也稱為WCDMA，全稱為Wideband CDMA，也稱為CDMA Direct Spread，意為寬頻分碼多重存取，這是基于GSM網(wǎng)發(fā)展出來的3G技術(shù)規(guī)范，是歐洲提出的寬帶CDMA技術(shù)，它與日本提出的寬帶CDMA技術(shù)基本相同，目前正在進一步融合。W-CDMA的支持者主要是以GSM系統(tǒng)為主的歐洲廠商，日本公司也或多或少參與其中，包括歐美的愛立信、阿爾卡特、諾基亞、朗訊、北電，以及日本的NTT、富士通、夏普等廠商。 該標準提出了GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演進策略。這套系統(tǒng)能夠架設(shè)在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)上，對于系統(tǒng)提供商而言可以較輕易地過渡。預(yù)計在GSM系統(tǒng)相當普及的亞洲，對這套新技術(shù)的接受度會相當高，因此W-CDMA具有先天的市場優(yōu)勢。 2.2 CDMA2000CDMA2000是由窄帶CDMA(CDMA IS95)技術(shù)發(fā)展而來的寬帶CDMA技術(shù)，也稱為CDMA Multi-Carrier，它是由美國高通北美公司為主導(dǎo)提出，摩托羅拉、Lucent和后來加入的韓國三星都有參與，韓國現(xiàn)在成為該標準的主導(dǎo)者。這套系統(tǒng)是從窄頻CDMAOne數(shù)字標準衍生出來的，可以從原有的CDMAOne結(jié)構(gòu)直接升級到3G，建設(shè)成本低廉。但目前使用CDMA的地區(qū)只有日、韓和北美，所以CDMA2000的支持者不如W-CDMA多。不過CDMA2000的研發(fā)技術(shù)卻是目前各標準中進度最快的，許多3G手機已經(jīng)率先面世。該標準提出了CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDMA20003x(3G)的演進策。CDMA20001x被稱為2.5代移動通信技術(shù)。CDMA20003x與CDMA20001x的主要區(qū)別在于應(yīng)用了多路載波技術(shù)，通過采用三載波使帶寬提高。目前中國電信正在采用這一方案向3G過渡，并已建成了CDMA IS95網(wǎng)絡(luò)。 2.3 TD-SCDMA全稱為Time Division - Synchronous CDMA(時分同步CDMA)，該標準是由中國大陸?yīng)氉灾贫ǖ?G標準，1999年6月29日，中國原郵電部電信科學(xué)技術(shù)研究院（大唐電信）向ITU提出。該標準將智能無線、同步CDMA和軟件無線電等當今國際領(lǐng)先技術(shù)融于其中，在頻譜利用率、對業(yè)務(wù)支持具有靈活性、頻率靈活性及成本等方面的獨特優(yōu)勢。另外，由于中國內(nèi)的龐大的市場，該標準受到各大主要電信設(shè)備廠商的重視，全球一半以上的設(shè)備廠商都宣布可以支持TDSCDMA標準。 該標準提出不經(jīng)過2.5代的中間環(huán)節(jié)，直接向3G過渡，非常適用于GSM系統(tǒng)向3G升級。 2.4 WiMAXWiMAX 的全名是微波存取全球互通，又稱為80216無線城域網(wǎng)，是又一種為企業(yè)和家庭用戶提供“最后一英里”的寬帶無線連接方案。將此技術(shù)與需要授權(quán)或免授權(quán)的微波設(shè)備相結(jié)合之后，由于成本較低，將擴大寬帶無線市場，改善企業(yè)與服務(wù)供應(yīng)商的認知度。2007年10月19日，國際電信聯(lián)盟在日內(nèi)瓦舉行的無線通信全體會議上，經(jīng)過多數(shù)國家投票通過，WiMAX正式被批準成為繼WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA之后的第四個全球3G標準。3 3G系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)3.1 功率控制技術(shù)3.1.1功率控制的基本概念功率控制技術(shù)是指在滿足網(wǎng)絡(luò)連通度 BD235 的前提下，通過節(jié)點功率控制或動態(tài)調(diào)整節(jié)點的發(fā)射功率，精簡節(jié)點間的無線通信鏈路，保留生成一個高效的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，在保證網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)連通的基礎(chǔ)上，使得網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的能量消耗最小。典型的功率控制技術(shù)主要研究關(guān)鍵傳輸距離問題。3.1.2功率控制的作用因為CDMA系統(tǒng)是一個干擾受限系統(tǒng)，所有用戶共享頻段和空間時間，相對于某一個特定的用戶，其他所有用戶的功率跟背景干擾一起組成了噪音?；靖謾C之間的信息交互以幀為單位，為了保證控制一定的誤幀率FER水平，就必須保證幀信息到達對方的時候功率不能太弱，但是也不能太強，因為會給其他用戶造成干擾而降低系統(tǒng)容量。所以，功率控制就是要在保證FER的前提下，使每一個用戶都使用盡可能低的發(fā)射功率，而且使每一個用戶到達基站的功率都相等。3.1.3功率控制的應(yīng)用情況在WCDMA系統(tǒng)中，作為無線資源管理的功率管理是非常重要的環(huán)節(jié)。這是因為在WCDMA系統(tǒng)中，功率是最終的無線資源，一方面，提高針對用戶的發(fā)射功率能夠改善用戶的服務(wù)質(zhì)量；另一方面，WCDMA采用寬帶擴頻技術(shù)，所有信號共享相同的頻譜，每個移動臺的信號能量被分配在整個頻帶范圍內(nèi)，這樣對其他移動臺來說就成為寬帶噪聲，這種提高會帶來對其他用戶接收質(zhì)量的降低。且各用戶的擴頻碼之間存在著非理想的相關(guān)特性，用戶發(fā)射功率的大小將直接影響系統(tǒng)的總?cè)萘?，所以功率的使用在CDMA系統(tǒng)是矛盾的，從而使得功率控制技術(shù)成為CDMA系統(tǒng)中的最為重要的關(guān)鍵技術(shù)之一。3.2 分集接收技術(shù)3.2.1 分集接收的基本概念分集接收就是克服這種衰落的一種方法。分集接收是利用信號和信道的性質(zhì)，將接收到的多徑信號分離成互不相關(guān)的多徑信號，然后將多徑衰落信道分散的能量更有效地接收起來處理之后進行判決，從而達到抗衰落的目的。分集技術(shù)包括2個方面：一是分散傳輸,使接收機能夠獲得多個統(tǒng)計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號;二是集中處理,即把接收機收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進行合并以降低衰落的影響。因此，要獲得分集效果最重要的條件是各個信號之間應(yīng)該是“不相關(guān)”。3.2.2 分集接收的基本原理分集的基本思想是將接收到的多徑信號分離成不相關(guān)的多路信號，然后把這些多路信號分離信號的能量按一定的規(guī)則合并起來，使接收到的有用信號能量最大，進而提高接收信號的信噪比，正確的恢復(fù)出原發(fā)送信號。如果不采用分集技術(shù)，在噪聲受限的條件下，發(fā)射機必須要發(fā)送較高的功率，才能保證信道情況較差時鏈路正常連接。在移動無線環(huán)境中，由于手持終端的電池容量非常有限，所以反向鏈路中所能獲得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低發(fā)射功率，這在移動通信中非常重要。3.2.3 分集接收的作用分集接受技術(shù)是一項主要的抗衰落技術(shù)，他可以大大提高多徑衰落信道傳輸下的可靠性，在實際的移動通信系統(tǒng)中，移動臺常常工作在城市建筑群或其他復(fù)雜的地理環(huán)境中，而且移動的速度和方向是任意的。發(fā)送的信號經(jīng)過反射、散射等的傳播路徑后，到達接收端的信號往往是多個幅度和相位各不相同的信號的疊加，使接收到的信號幅度出現(xiàn)隨機起伏變化，形成多徑衰落。不同路徑的信號分量具有不同的傳播時延、相位和振幅，并附加有信道噪聲，它們的疊加會使復(fù)合信號相互抵消或增強，導(dǎo)致嚴重的衰落。這種衰落會降低可獲得的有用信號功率并增加干擾的影響，使得接收機的接收信號產(chǎn)生失真、波形展寬、波形重疊和畸變，甚至造成通信系統(tǒng)解調(diào)器輸出出現(xiàn)大量差錯，以至完全不能通信。此外，如果發(fā)射機或接收機處于移動狀態(tài)，或者信道環(huán)境發(fā)生變化，會引起信道特性隨時間隨機變化，接收到的信號由于多普勒效應(yīng)會產(chǎn)生更為嚴重的失真。在實際的移動通信中，除了多徑衰落外還有陰影衰落。當信號受到高大建筑物或地形起伏等的阻擋，接收到的信號幅度將降低。另外，氣象條件等的變化也都影響信號的傳播，使接收到的信號幅度和相位發(fā)生變化。這些都是移動信道獨有的特性，它給移動通信帶來了不利的影響。3.3 智能天線技術(shù)3.3.1 智能天線的基本概念智能天線也叫自適應(yīng)陣列天線它由天線陣、波束形成網(wǎng)絡(luò)波未形成算法三部分組成。它通過滿足某種準則的算法去調(diào)節(jié)各陣元信號的加權(quán)幅度和相位。從而調(diào)節(jié)天線陣列的方向圖形狀。達到增強所需信號抑制干擾信號的目的。近年來，智能天線技術(shù)已經(jīng)成為移動通信中最具有吸引力的技術(shù)之一。智能天線采用空分多址技術(shù)，利用信號在傳輸方向上的差別，將同頻率或同時隙、同碼道的信號區(qū)分開來，最大限度地利用有限的信道資源。與無方向性天線相比較，其上、下行鏈路的天線增益大大提高，降低了發(fā)射功率電平，提高了信噪比，有效地克服了信道傳輸衰落的影響。同時，由于天線波瓣直接指向用戶，減小了與本小區(qū)內(nèi)其它用戶之間，以及與相鄰小區(qū)用戶之間的干擾，而且也減少了移動通信信道的多徑效應(yīng)。CDMA系統(tǒng)是個功率受限系統(tǒng)，智能天線的應(yīng)用達到了提高天線增益和減少系統(tǒng)干擾兩大目的，從而顯著地擴大了系統(tǒng)容量，提高了頻譜利用率。3.3.2 智能天線的工作原理TDSCDMA的智能天線使用一個環(huán)形天線陣，由8個完全相同的天線元素均勻地分布在一個半徑為R的圓上所組成。智能天線的功能是由天線陣及與其相連接的基帶數(shù)字信號處理部分共同完成的。該智能天線的仰角方向輻射圖形與每個天線元相同。在方位角的方向圖由基帶處理器控制，可同時產(chǎn)生多個波束，按照通信用戶的分布，在360的范圍內(nèi)任意賦形。為了消除干擾，波束賦形時還可以在有干擾的地方設(shè)置零點，該零點處的天線輻射電平要比最大輻射方向低約 40dB。TDSCDMA使用的智能天線當N8時，比無方向性的單振子天線的增益分別大9dB（對接收）和18dB（對發(fā)射）。每個振子的增益為 8dB，則該天線的最大接收增益為17dB，最大發(fā)射增益為26dB。由于基站智能天線的發(fā)射增益要比接收增益大得多，對于傳輸非對稱的IP等數(shù)據(jù)、下載較大業(yè)務(wù)信息是非常適合的。3.3.3 智能天線的主要功能在CDMA系統(tǒng)中，采用智能天線和波束賦形技術(shù)，能夠在多個方面大大改善通信系統(tǒng)的性能，概括地講主要有：提高了基站接收機的靈敏度，提高了基站發(fā)射機的等效發(fā)射功率，降低了系統(tǒng)的干擾，增加了CDMA系統(tǒng)的容量，改進了小區(qū)的覆蓋，降低了無線基站的成本。由于采用智能天線后，應(yīng)用波束賦形技術(shù)顯著提高了基站的接收靈敏度和等效發(fā)射功率，能夠大大降低系統(tǒng)內(nèi)部的干擾和相鄰小區(qū)之間的干擾，從而使系統(tǒng)容量擴大一倍以上；同時也可以使業(yè)務(wù)高密度的市區(qū)和郊區(qū)所要求的基站數(shù)目減少。在業(yè)務(wù)稀少的鄉(xiāng)村，無線覆蓋范圍將增加一倍，這也意味著在所覆蓋的區(qū)域的基站數(shù)目降至通常情況的1/4。天線增益的提高也能夠降低高頻功率放大器（HPA）的線性輸出功率。因為HPA的費用占收發(fā)信機成本的主要部分。所以，智能天線的采用將顯著降低運營成本、提高系統(tǒng)的經(jīng)濟效益。3.3.4 智能天線的應(yīng)用情況目前，移動通信系統(tǒng)中使用智能天線技術(shù)多是無線基站端使用天線陣和相干無線收發(fā)信機來實現(xiàn)射頻信號的接收和發(fā)射，同時，通過基帶數(shù)字信號處理器，對各個天線鏈路上接收到的信號按一定算法進行合并，實現(xiàn)上行波束賦形。對于WCDMA 和CDMA2000 系統(tǒng)而言，智能天線雖然是推薦配置，但是當今的一些WCDMA和CDMA2000的基站產(chǎn)品已經(jīng)開始支持智能天線了。 在TD- SCDMA系統(tǒng)中的應(yīng)用。TD-SCDMA（時分同步的碼分多址）智能天線的高效率是基于上行鏈路和下行鏈路的無線路徑的對稱性而獲得的。此外，智能天線可減少小區(qū)間干擾，也可減少小區(qū)內(nèi)干擾。智能天線的這些特性可顯著提高移動通信系統(tǒng)的頻譜效率。TD- SCDMA系統(tǒng)的智能天線是由8個天線單元的同心陣列組成的，直徑為25cm。同全方向天線相比，它可獲得較高的增益。其原理是使一組天線和對應(yīng)的收發(fā)信機按照一定的方式排列和激勵，利用波的干涉原理可以產(chǎn)生強方向性的輻射方向圖，使用DSP使主瓣自適應(yīng)地指向移動臺方向，就可達到提高信號的載干比，降低發(fā)射功率等目的。智能天線的上述性能允許更為密集的頻率復(fù)用，使頻譜效率得以顯著地提高。3.4 OFDM技術(shù)3.4.1 OFDM技術(shù)的概念OFDM的英文全稱為Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，中文含義為正交頻分復(fù)用技術(shù)。 這種技術(shù)是HPA聯(lián)盟工業(yè)規(guī)范的基礎(chǔ)，它采用一種不連續(xù)的多音調(diào)技術(shù)，將被稱為載波的不同頻率中的大量信號合并成單一的信號，從而完成信號傳送。由于這種技術(shù)具有在雜波干擾下傳送信號的能力，因此常常會被利用在容易受外界干擾或者抵抗外界干擾能力較差的傳輸介質(zhì)中。3.4.2 OFDM技術(shù)的原理OFDM技術(shù)，實際上OFDM是MCM （Multi-CarrierModulation），多載波調(diào)制的一種。其主要思想是：將信道分成若干正交子信道，將高速數(shù)據(jù)信號轉(zhuǎn)換成并行的低速子數(shù)據(jù)流，調(diào)制到在每個子信道上進行傳輸。正交信號可以通過在接收端采用相關(guān)技術(shù)來分開，這樣可以減少子信道之間的相互干擾 ICI 。每個子信道上的信號帶寬小于信道的相關(guān)帶寬，因此每個子信道上的可以看成平坦性衰落，從而可以消除符號間干擾。而且由于每個子信道的帶寬僅僅是原信道帶寬的一小部分，信道均衡變得相對容易。 3.4.3 OFDM技術(shù)的作用在向B3G/4G演進的過程中，OFDM是關(guān)鍵的技術(shù)之一，可以結(jié)合分集，時空編碼，干擾和信道間干擾抑制以及智能天線技術(shù)，最大限度的提高了系統(tǒng)性能。包括以下類型：V-OFDM，W-OFDM，F(xiàn)-OFDM，MIMO-OFDM，多帶-OFDM。OFDM中的各個載波是相互正交的，每個載波在一個符號時間內(nèi)有整數(shù)個載波周期，每個載波的頻譜零點和相鄰載波的零點重疊，這樣便減小了載波間的干擾。由于載波間有部分重疊，所以它比傳統(tǒng)的FDMA提高了頻帶利用率。 在OFDM傳播過程中，高速信息數(shù)據(jù)流通過串并變換，分配到速率相對較低的若干子信道中傳輸，每個子信道中的符號周期相對增加，這樣可減少因無線信道多徑時延擴展所產(chǎn)生的時間彌散性對系統(tǒng)造成的碼間干擾。另外，由于引入保護間隔，在保護間隔大于最大多徑時延擴展的情況下，可以最大限度地消除多徑帶來的符號間干擾。如果用循環(huán)前綴作為保護間隔，還可避免多徑帶來的信道間干擾。 3.4.4 OFDM技術(shù)的應(yīng)用情況2004年11月，根據(jù)眾多移動通信運營商、制造商和研究機構(gòu)的要求，3GPP通過被稱為LongTermEvolution(LTE)即“3G長期演進”的立項工作。項目以制定3G演進型系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范作為目標。3GPP經(jīng)過激烈的討論和艱苦的融合，終于在2005年12月選定了LTE的基本傳輸技術(shù)，即下行OFDM，上行SC(單載波)FDMA。OFDM由于技術(shù)的成熟性，被選用為下行標準很快就達成了共識。而上行技術(shù)的選擇上，由于OFDM的高峰均比(PAPR)使得一些設(shè)備商認為會增加終端的功放成本和功率消耗，限制終端的使用時間，一些則認為可以通過濾波，削峰等方法限制峰均比。不過，經(jīng)過討論后，最后上行還是采用了SC-FDMA方式。擁有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的3G標準TD-SCDMA在LTE演進計劃中也提出了TDCDMOFDM的方案B3G/4G是ITU提出的目標，并希望在2010年予以實現(xiàn)。B3G/4G的目標是在高速移動環(huán)境下支持高達100Mb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸速率，在室內(nèi)和靜止環(huán)境下支持高達IGb/S的下行數(shù)據(jù)傳輸速率。而OFDM技術(shù)也將扮演重要的角色。4 我國3G產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀2009年1月7日，中國工業(yè)和信息化部為中國移動、中國電信和中國聯(lián)通發(fā)放3張第三代移動通信牌照。中國移動使用我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的3G標準TD-SCDMA，中國電信獲得CDMA2000牌照，中國聯(lián)通獲得WCDMA牌照。2009年成為中國3G正式商用元年。中國3G發(fā)展相對先進國家比較晚，2009年我國才正式邁進3G時代。在經(jīng)濟危機低迷的狀態(tài)下，我國3G發(fā)展需要借助行業(yè)發(fā)展來拉動內(nèi)需，同時刺激消費來實現(xiàn)經(jīng)濟結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)