UMTS移动通信技术

移动通信发展过程

移动通信的发展——1G（模拟时代）

移动通信的发展——2G（数字技术）

GSM的基本技术与特点

GSM系统各模块功能

移动通信的发展——第三代IMT-2000

信号在信道中不失真传输的条件

Nyquist定理和Shannon定理

双工技术

WCDMA数据简要发送过程——水平视角

信源编码——有效性

信道编码——可靠性

交织技术——可靠性

扩频

HSDPA和HSPA+的速率

扩频增益

正交码的作用

WCDMA系统扩频码（信道化码或OVSF码）

扩频通信的特点

WCDMA系统中扩频码资源分配

TD-SCDMA系统中的扰码技术

自相关和互相关

m序列的特点（用于产生Gold扰码）

WCDMA调制方式

无线资源管理（功率控制）

远近效应：

功率控制：

功率控制效果

关键技术之RAKE接收

无线资源管理（接纳控制和切换）

负载控制

小区呼吸

切换技术

小区搜索

移动通信发展过程

移动通信的发展——1G（模拟时代）

缺点：

各系统间没有公共接口，无法跨国漫游
业务单一，数字承载业务难于开展
频率利用率低，无法适应大容量的要求（FDMA+FDD）
安全率低，易于被窃听
模拟调制技术和硬切换，话音质量差
移动设备复杂，成本高

移动通信的发展——2G（数字技术）

代表：TDMA、CDMA

优点：安全，统一标准可漫游，业务多样，容量和频谱利用率提高，软切换，抗干扰，成本低

缺点：容量跟不上用户增长，速率低，业务单薄

GSM的基本技术与特点

工作频段：

GSM的收发频率间隔为45MHz(FDD)，相邻载频是200KHz
每个载频采用时分多址（TDMA），一个载频8个时隙，每个时隙是一个信道
在900MHz频段，GSM一共有25MHZ可用对称带宽，因此共有25MHz/0.2MHz=125个载频，实际可用124个，在900MHz频段共有992个信道。

调制方式：无论900MHz、1800MHz频段，GSM的调制方式都是GMSK——高斯最小频移键控

手机发射功率可以是：一般最大为2W

基站的发射功率为每个时隙62.5W，因此每个载频的功率为：62.5W*8=500W

最大覆盖半径：35km

2W（33dBm）——P（dBm）=10*lg（功率值/1mW）=30+10lgP(W)

网络结构：

GSM（2G）网络结构中只有CS域（电路交换，语音业务）

GPRS（2.5G）/EDGE（2.75G）的网络结构中引入PS域（分组交换，数据业务）

[PS域：GGSN(Gateway GPRS Support Node路由)+SGSN(Serving GPRS Support Node业务管理、数据交换)]

GSM系统各模块功能

MS（Mobile Station）:

移动台，实现移动终端功能

BSS系统

BTS(Base Transceiver Station)：

基站收发信台，实现移动通信系统与MS之间的无线通信（基带信号处理）

BSC（Base Station Controller）:

基站控制器，实现无线系统到交换系统的集线功能、无线网络资源管理功能以及其他与无线相关的控制功能

（信道分配、切换、功率控制和定位）

MSC（Mobile service Switching center）:

移动业务交换中心，实现移动业务交换功能、漫游、位置登记、切换

AUC（Authenticate Center）:

鉴权中心，用于对用户身份的鉴别

EIR(mobile station Equipment Identity Register):

移动台设备身份登记处，用于储存及鉴别移动台的设备身份，存储的为IMEI号码。

OMC（Operation and Maintenance Center）:

操作维护中心，提供人机界面实现对系统设备的检测和控制功能

HLR(Home Location Register):

归属位置登记处。实际上是一个静态数据库，主要储存三类数据：

用户永久数据：MSISDN、IMSI、接入优先级、漫游权限、预定业务、保密参数

暂时数据：用户的位置信息（供漫游使用）

状态信息（是否关机）

每个用户必须在某个HLR（相当于用户的原籍）中登记

VLR（Visitor Location Register）：

拜访位置登记处。实际上是一个动态数据库、储存一个MSC管辖下的用户信息，主要包括：

用户状态信息：移动台漫游号码、临时移动用户识别号和LAI（用户漫游到新的MSC控制区时，用户必须向该地区的VLR申请登记和漫游号码，并通知HLR修改用户的位置信息，并且还要通知原来的VLR删除该移动用户的位置信息）相当于现住址。

移动通信的发展——第三代IMT-2000

IMT-2000，它的三大特点：

无缝的全球漫游
高速传输
无缝业务传递，即在固定网、移动网和卫星网上均能互通

3G三种主要技术：WCDMA、TD-SCDMA、CDMA2000

1、3G标准发展过程——WCDMA

---->全分组，全IP，控用分离

R99版本

引入Iu接口
最大速率2Mbps
商用版本2001.6+后续CR

版本特点：

无线侧：引入WCDMA

核心网：和GPRS网络完全一致

R4版本

控制与承载分离
增加TD-SCDMA
有待完善

版本特点：

无线侧：

（引入）TD-SCDMA+WCDMA=UMTS

核心网：

PS域：R4版本和R99版本一致

CS域：引入移动软交换——MSS（Mobile Soft Switch），实现控制和用户面承载分离

CS域引入软交换的目的：支持全IP网络的发展

R5版本——第一个全IP

引入多媒体域（IMS）
无线引入HSDPA
有待完善

版本特点：

无线侧：

引入HSDPA（高速下行），下行传输速率达到14.4Mbps，上行传输速率达到384kbps

核心网：

引入IMS（IP多媒体子系统）域，叠加在分组域网络之上

ATM传输网络将可以被IP传输网络替代

引入IPv6技术

R6版本

研究IMS与PLMN/PSTN/ISDN的电路交换的互操作
MBMS
框架结构的研究

2、3G标准发展过程——TD-SCDMA

TSM——LCR

3、3G标准发展过程——CDMA2000

1X Release 0——1X Release A——1X-EV DO——1X-EV DV

信号在信道中不失真传输的条件

信号的上下频率介于信道的通频带宽中，信号将在信道中不失真传输。

Nyquist定理和Shannon定理

Nyquist定理

1.无噪声 2.有限带宽信道

最大传输速率Rmax=2Blog2M bit/s，其中M是信号（码元）的状态数

问题：什么因素限制了信道的最大传输速率？

——信道带宽受限，因此相邻信号间存在码间串扰

Shannon定理

最大传输速率Rmax=Blog2(1+S/N) bit/s

双工技术

TDD方式——上下行频率相同（时分双工：如TD-SCDMA）

可用于任何频段

适合于上下行非对称及对称业务

FDD方式——上下行频率配对（频分双工：如WCDMA和CDMA2000）

需要成对频段

适合于上下行对称业务

WCDMA空中接口的每个载波的带宽为5MHz，载波中心频率称为频点。

WCDMA数据简要发送过程——水平视角

信源编码——信道编码/交织——基带调制——扩频——加扰——射频调制—（无线信道）—射频解调——解扰——解扩——基带解调——解码解交织——信源数据

信源编码——有效性

压缩编码，在不失真或允许一定失真的条件下，尽可能减少信息冗余

脉冲编码——简单的信源编码（抽样—量化—编码）
增量编码——脉冲编码的发展（语音信号是非突变的，前后间有相关性）
语音编码的种类

a.波形编码

b.参量编码

c.混合编码

4.WCDMA中采用的语音编码技术——ARM

ARM（adaptive multi rate）自适应多速率语音编码技术——混合编码技术的一种

ARM语音编码技术将8种音源编码速率集为一体

信道编码——可靠性

增加适当的信息码元冗余，提高信道的抗干扰能力，检错和纠错如循环码、卷积码和Turbo码。

信道编码的原理：信道编码技术是通过给原数据添加冗余信息，从而获得纠错能力，适合纠正非连续的少量错误，目前使用较多的是卷积编码和Turbo编码（1/2,1/3）

交织技术——可靠性

将有记忆的突发差错信道改造成无记忆的随机独立差错的信道。

一种分集方式，克服时间选择性衰落。

交织：打乱原来的数据排列规则，按照一定顺序重新排列。

作用：信道的快衰落是成块出现的，通过交织可以把成块的误码给分散，减少信道快衰落带来的影响。

优点：

交织技术是改变数据流的传输顺序，将突发的错误随机化。

提高纠错编码的有效性

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。

扩频

比特（bit）、符号（symbol）和码片（chip）

经过信源编码含有信息的数据——比特（bit）

经过信道编码、交织和基带调制后的数据——符号（symbol）

经过最终扩频得到的数据——码片（chip）

扩频通信的定义——WHAT

扩展频谱（SS:Spread Spectrum）通信简称扩频通信

扩频通信技术：在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽，在收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。

直接序列扩展频谱DSSS

CDMA采用的是直接序列扩频，即将需要传送的信号速率大于信息速率的伪随机序列编码（扩频码）直接混合，这样调制信号的频谱宽度远大于原来信息的频谱宽度。

跳频FH

跳时TH

扩频通信的理论基础——WHY

为什么要扩频？

其理论基础为香农定理C=Blog2(1+S/N)，结论是：在信道容量C不变的情况下，信号频带宽度B与信噪比S/N完全可以互相交换，即可以通过增大传输系统的带宽以在较低信噪比的条件下获得比较满意的传输质量。

直接扩频通信——HOW

低速信号*高速扩频系列=扩频信号

扩频码速率：3.84Mc/s 扩频码：OVSF码

扩频前：符号速率=码片速率

扩频后：符号速率*扩频因子=码片速率

HSDPA和HSPA+的速率

HSDPA采用16QAM的编码方式，扩频因子=16，WCDMA码片速率=3.84Mcps

符号速率*扩频因子=码片速率

符号速率=3.84Mcps/16

每个符号表示4bit的数据，所以单个物理信道的bit速率=（3.84Mcps/16）*4=0.96Mbps

NodeB分配16个码道，其中一个码道需要传输公共控制信道信息，即单个用户的最高速率=（3.84/16）*4*（16-1）=14.4Mbps

HSPA+采用64QAM的编码方式，请问最高速率是多少？

HSPA+采用64QAM的编码方式，扩频因子=16，WCDMA码片速率=3.84Mcps；符号速率= 3.84Mcps/16；每个符号表示6bit的数据，所以单个物理信道的bit速率= (3.84Mcps/16)*6=1.44Mbps;Node B分配16个码道，其中一个码道需要传输公共控制信道信息，即单个用户的最高速率= (3.84/16)*6*(16-1)=21.6Mbps

扩频增益

扩频增益Gp：衡量频谱扩展所带来的对抗干扰的能力

GP=BW/BS（BW为扩频信号的带宽/扩频后带宽；BS为信号的码元速率/扩频前带宽）。

例如：当信码速率Bs=10KHz、射频带宽为Bw=2MHz时，Gp=200，此时获得23dB扩频增益

直扩系统的优点在于它可以在很低甚至负信噪比环境中使系统正常工作（越高的频扩能换取越低的SNR）

例如：语音速率为12.2KHz，扩展频率为3.84MHz，则扩频增益为24.98dB。若信息解调器要求输入信噪比为6dB，则有24.98-6=19dB，也就是说系统接收机输入端的信噪比为-19dB

正交码的作用

上行：正交码用于区分从一个用户终端发出的不同信道

下行：正交码用于区分从一个基站发出的不同信道

WCDMA系统扩频码（信道化码或OVSF码）

WCDMA扩频码是由Walsh函数生成，叫做OVSF码（正交可扩频因子码），OVSF码互相关为零，互相完全正交。

产生方法：上一支重写一遍前一级码数上的数值。下一支先写一遍前一级码数上的数值再写一遍其相反数。

扩频通信的特点

抗干扰能力强
保密性高
低发射功率
易于实现大容量多址通信
占用频带宽

WCDMA系统中扩频码资源分配

码资源管理

码资源规划的目的：

在WCDMA系统中，用到两种码，OVSF码（稀有资源，在下行一个小区对应一张表）和扰码（下行方向，由主扰码来区分小区，最好保证每个小区与相邻小区的互相关性最小）

码资源规划模块在系统中的位置：位于CRNC（Control Radio Network Controller 控制无线网络控制器）中。

码分配的目标：尽可能低的复杂度支持尽可能多的用户。

信道码码树（阻塞的原因）

OVSF码的一个重要前提是不同长度的Walsh码之间不能含有包含关系（后向阻塞、前向阻塞）

TD-SCDMA系统中的扰码技术

扰码的作用

使用户信息伪随机化，加强保密性
便于定时
在下行链路上，扰码用于UE区分不同的小区
在上行链路上，扰码用于NodeB区分来自同小区的不同用户

WCDMA系统中的扰码是一种伪随机序列（PN码）

扰码的作用

上行：扰码用作区分同小区不同的用户

下行：扰码用于区分不同基站/小区

（扩频码只关注互相关性，扰码关注互相关性和自相关性）

WCDMA扰码：从GOLD序列中截取，周期为10ms，长度为38400chps

自相关和互相关

Walsh码的特点（用于产生OVSF码）：

优点：

互相关性好：Walsh码间完全正交，理论上完全正交的码之间的相互干扰为零。但是由于多径时延，或者定时不准确也会产生干扰

缺点：

自相关性差，即自身与自身延时做相关时，结果不是0

数量少，例如一个16bit Walsh码只有16个

随机性差

m序列的特点（用于产生Gold扰码）

优点：

自相关性强，自身和自身延时相关时，结果接近0，这样有利于进行搜索定时

数量多，一个16bit的m序列，则至少有216个（用位移寄存器实现）

随机性好

缺点：

互相关性差：互相关不是完全正交的

1.为什么Walsh码区分信道，而不用Gold码？

2.为什么用Gold码作为扰码，而不是Walsh码？

解答：

a.Walsh码是完全正交的，而Gold码之间不是完全正交的（会有MAI）

b.由于Walsh码数量少，可以较少次数的相关就可以区分出不同信道，如果使用Gold码的话，由于相同比特长度的Gold码数量比Walsh码要多得多，需要多次相关才能区分不同的信道，所以这里不用M序列

2.a.Gold码可以区分不同的基站，接收机还可以利用Gold码的自相关性，进行搜索定时，而Walsh码自相关性差，不适合定时。

b.在移动台接收的时候，先会通过Gold码相关检测确定基站，同时通过Gold码的定时之后，才能使用Walsh码相关来选择不同的信道。

WCDMA调制方式

上行调制方式BPSK

下行调制方式QPSK（HSDPA阶段引入16QAM调制）

无线资源管理（功率控制）

功率控制作用——WHY

码信道之间的非正交产生多址干扰，存在功率攀升现象。

码信道传输——用方言交谈

信道功率——说话声音

抱保证信道质量——听清对话

信道功率增加——谈话声音提高

功率攀升——大家都提高声音

超过线性范围奔溃——喊破喉咙，仍然听不清

小区的干扰——房间外的干扰

远近效应：

信号被离基站近的UE的信号“淹没”，无法通信。

功率控制：

1.采用功控技术减少了用户间的互相干扰，提高了系统整体容量。

2.克服远近效应和补偿衰落。

3.减少多址干扰，保证网络容量，

4.延长电池使用时间。

功率控制分类：

开环：从信道中测量干扰条件，并调整发射功率。（目的是提供初始发射功率的粗略估计）

闭环-内环：测量信噪比和目标信噪比比较，发送指令调整发射功率，WCDMA闭环功率控制频率为1500Hz。

闭环-外环：测量误帧率（误块率），调整目标信噪比。

内环功率控制

缺点：可以克服远近效应，但不能保证接收信号的质量。

快速闭环功率控制，速度是1500次/秒（物理帧的帧长是10ms，每个物理帧有15个时隙，每个时隙反馈一个TPC，因此功率控制的最大速率为1.5KHz）
在基站和移动台之间的物理层进行。
一个时隙（0.67ms）给出一次功率控制命令。

外环功率控制

特点：可以保证接收信号的质量。

业务质量是主要由误码率确定的，是直接的关系，与信噪比是间接关系。
信噪比与误码率（误块率）的关系随环境的变化而变化，是非线性的

外环功率控制是慢变化的粗调节（RNC到Node B）

内环功率控制是快变化的细调节（Node B到UB）

功率控制效果

下行链路功率控制目的：

节约基站的功率资源，减少对其他基站的干扰

上行链路功率控制目的：

克服远近效应

目标是在信号接收端，所有的用户有相同的信号干扰比SIR（Signal to Interference Ratio）

功率控制决定了WCDMA系统的容量

关键技术之RAKE接收

多径效应：变害为宝

1.由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以，CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。

2.RAKE接收机就是通过多个相关检测器接收多径信号中各路信号，并把他们合并在一起。

3.在接收端，将M条相互独立的支路进行合并后，可以得到分集增益。合并方式有三种：选择合并、最大比合并、等增益合并。

4.WCDMA系统采用最大比合并方式，获得最佳分集增益。

无线资源管理（接纳控制和切换）

接纳控制

在用户发起呼叫时，RRM (Radio Resource Management)根据系统资源的可用情况决定接纳还是拒绝用户。

当系统剩余的资源足够用户使用时，接纳呼叫的用户，并分配相应的资源（如扰码、信道码等）给呼叫用户。

负载控制

系统不断在实时测量系统小区的负荷，当负荷平均值在一个设定的时间内超越某一个门限值时就有必要进行负荷控制。

负荷控制的核心思想是保证系统在稳定运行的前提下，最大限度地接入尽可能多的业务，以达到高效运行的目的。

上(下)行链路的负荷控制

触发条件：

1.实时测量的上(下)行链路总的接收(发射)功率超过了门限值；

2.由于高优先级业务在接纳控制模块所触发

降低负荷的措施：

1.上(下)行链路快速负荷控制：减小上(下)行链路快速功率控制的Eb/N0的目标值；(说话声小一些)

2.减小非实时分组业务数据的吞吐量；(不急的少说些)

3.切换到另一个载频；(用另一个声部说)

4.切换到GSM系统；(到另外一个更空闲的房间去说)

5.减小实时业务的比特率：例如ARM语音编码；(说慢一些)

6.在受控条件下掉话。(赶出去)

增加负荷的措施：

1.主动增加PS域业务的负荷和提高AMR

小区呼吸

小区呼吸的主要目的是将某些“热点小区”的负载分担到周围负载较轻的小区中，提高系统容量的利用率。小区呼吸是负载控制的一个手段。

WCDMA系统容量特点：

（WCDMA所采用的的技术手段和网络规划的目的都是要在通信质量、用户容量、覆盖范围三者之间达到最佳匹配）

容量是软的

软容量含义：

1.系统容量与通信质量可以互换

2.不同的业务有不同的容量

3.承载混合业务时，不同的业务比例和构成，有不同的容量

切换的概念：

切换是指当移动台处于移动状态中通讯从一个基站或信道转移到另一个基站或信道的过程

切换的原因：

上、下行链路质量，上、下行链路信号的测量，距离或业务的变化，更优的蜂窝出现，操作和管理的干涉，业务流量激增情况等

切换的目的：

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

切换的步骤：

无线测量、网络判决和系统执行

切换技术

软切换：

1.软切换则在载波频率相同的基站覆盖小区之间的信道切换

2.当UE开始与一个新的小区建立联系时并不中断与原小区的联系。在软切换状态下，UE与多于一个小区建立无线链路。

3.切换过程中，移动用户可能同时与两个基站进行通信，从一个基站到另一个基站的切换过程中，没有通信中断的现象，真正实现了无缝切换。

4.CDMA系统独有的切换功能，可有效地提高切换的可靠性。

硬切换：

1.硬切换是当呼叫从一个小区交换到另一个小区或者从一个载波交换到另一个载波时发生，它是一个时刻只有一个业务信道可用时发生的切换。

2.硬切换采取的是连接之前先断开的方式，在与新的业务信道建立连接之前先断开与旧的业务信道的连接。

3.切换过程中，移动用户仅与新旧基站其中一个连通，从一个基站切换到另一个基站过程中，通信链路有短暂的中断时间（可能掉话）。

三种切换技术对比

硬切换

特点：先断再连

优点：切换时延短，占用资源少

缺点：掉话率高

软切换

特点：先连再断

优点：切换成功率高，掉话率低

缺点：占用资源多、信令复杂、增加下行链路干扰。

接力切换

特点：连断同时

优点：切换成功率高，掉话率低

切换基本分类

软切换

1.同一Node B下的小区软切换（更软切换）

2.不同Node B间的小区软切换

3.不同RNC间的小区软切换（涉及Iur口）

硬切换

1.不同载频间的硬切换

2.同一载频下的硬切换（强制性硬切换）

3.系统间硬切换（如与GSM之间）

4.不同模式间硬切换（如FDD与TDD

切换控制的一般流程（顺序）

1. 测量(UE)；

2. 测量结果的上报(UE到Node B、RNC)；

3. 根据切换算法进行判决(RNC)；

4. 切换的执行(RNC到Node B、UE)。

3种信道模式

逻辑信道：-------定义信息的类型（类似货运类型）

直接承载用户业务；根据承载的是控制平面业务还是用户平面业务分为两大类，即控制信道和业务信道。运什么

传输信道：-----定义信息传输的方式(专列还是加车厢)

无线接口层2和物理层的接口，是物理层对MAC层提供的服务；根据传输的是针对一个用户的专用信息还是针对所有用户的公共信息分为专用信道和公共信道两大类。怎么运

物理信道：-----定义信息传输的载体 (类似铁路)

各种信息在无线接口传输时的最终体现形式，每一种使用特定的载波频率、时隙、码（扩频码和扰码）都可以理解为一类特定的信道。分为专用物理信道和公共物理信道。用什么运多数信道是由无线帧和时隙组成，每一无线帧10ms，38400chips，包括

15个时隙，则每个时隙含2560chips（=38400/15）；

开机过程解释

利用上一次注册的PLMN相关信息（存储在USIM卡上的PLMN标识、频率等信息）

跳过PLMN搜索步骤，直接确定PLMN信息，然后实施PLMN注册

无法得到上一次注册的PLMN信息（或者无法注册到上一次注册的PLMN中）

终端搜索工作频段上的各个频点，得到PLMN标识，加入可用PLMN列表

人工选择：用户选择一个PLMN进行PLMN注册

自动选择：终端从最优先的PLMN开始，逐个尝试PLMN注册

小区搜索用于搜索信号最强的小区

小区搜索

小区搜索用来实现终端与目标小区的同步

终端在事先不知道小区任何信息

需要经过时隙同步、帧同步、捕获主扰码三个步骤。这三个步骤涉及到四个下行物理信道：主同步信道（P-SCH）、从(辅)同步信道（S-SCH）、主公共导频信道（P-CPICH）、主公共控制物理信道（P-CCPCH）

终端上已经存有某个小区的信息（如频率、主扰码）

终端可以利用这些信息来简化小区搜索过程

这实际上只是前一种情况的特殊现象

东莞理工学院UMTS移动通信技术——杨平[2019]