作者：张志林
出版社：电子工业出版社
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3GPP LTE物理层和空中接口技术试读：
前言
随着社会的发展、技术创新以及电信行业的竞争，在 3GPP 组织的推动下，长期演进（Long Term Evolution，LTE）逐渐走进了公众的视野。通信产业经过数十年的发展，尤其近十年更是突飞猛进，各种新技术、新业务以及新的解决方案频频出现，大家还在尝试感受3G技术的时候，为什么又推出了LTE？LTE究竟比以前的技术有哪些优势？又将会怎样改变我们的生活？而作为通信技术人员又将接受哪些挑战，需要哪些技术积累？看到这里也许多数读者都会有这些疑问。这些答案本应在后续的书中由读者理解、感悟，但是我还是禁不住在这里简单说一下。LTE是一个革命性的宽带移动通信标准，从频域、空域等维度对空间信道进行了深度挖掘，同时采用了自适应系统设计和简洁的全IP扁平网络架构，提供了强大的时频资源。LTE系统抛弃了3G系统长期采用的CDMA（码分多址）技术，下行采用以OFDMA（正交频分多址）为核心的多址技术，上行采用SC-FDMA（单载波频分多址）技术，这是一种OFDMA的改进技术，可以在保持OFDMA正交传输特性的同时，兼顾单载波传输的峰均比（PAPR）特性，从而获得较好的终端功放效率和较低的功放成本。目前，LTE的各项标准初稿已经完成，3GPP组织根据行业的反馈、研讨还将继续优化LTE标准。世界上诸多运营商对LTE技术产生了浓厚的兴趣，LTE标准有望成为未来宽带移动通信技术的主流标准。越来越多的设备商启动了LTE的研发工作，投入大量的人力、物力研究该项目，并开发出各种样机在全球各地启动试验局项目，如爱立信、华为、诺西等部分设备商已经进入商用市场，电信市场的竞争越演越烈。随着电信格局的变化，设备技术开发人员以及运营企业技术人员都需要理解并掌握这项标准技术。同时，LTE 标准对于 IMT-Advanced 系统的研究同样具有重要的借鉴作用。LTE技术如此重要，作为从事无线通信行业的技术人员以及准备从事无线通信行业的人员如何才能掌握其中的精华？如何定位自己的知识储备程度？总之，如何达到事半功倍的效果？这些应该是大家比较关心的问题，作者本人一直从事无线通信技术研究工作，因此非常关注。从日常实际工作所接触到的各方面书籍资料来看，不在少数的书籍主要使用两类方式讲解某一技术，一种是纵深且单一，并且缺少实例讲解，读者不易理解，并且无法得知需要何种知识基础才能够阅读此类书籍；另外一种方式是书中集合各种内容，看似内容很全，但是没有展开讲解，读者仅仅了解概念，无法得知书籍中的重点内容在哪里。读者无论碰到上述的任何一种书籍都将会得到两种感受，一种是枯燥理论，无法接受内涵；另一种感受是书籍在堆砌文字，内容粗浅，无法提升理论和实际能力。进而想撰写一本既有理论基础又有实例，将枯燥的内容变得容易理解的书籍，使读者可以理解事物的本质。我们都是成年人，按照成年人的思维方式讲解内容，改变以往的填鸭式被动阅读。只有理解了本质我们才具备创造性，才能激活我们的思维细胞。因此，就是希望可以给读者带来收益，可以使读者从书中学习到知识，可以为读者日常学习、工作提供帮助，本着急大家之所急，顺应“天时、地利、人和”的趋势，撰写该书。本书面向的读者为正在从事无线通信行业和即将准备从事无线通信行业的朋友。既可以作为高校的通信专业的教材又可以作为移动通信的研究工作的重要参考资料。希望该书能够为各位朋友成为LTE技术专家提供帮助，最基本的愿望是使读者在通往无线通信技术的道路上找对方向。为了使读者能够更好地理解本书内容，本书从物理层开始逐一进行讲解，力争体现端到端知识，使大家从系统全貌到技术细节都能得到收益。同时，考虑到部分章节内容需要掌握一定的通信原理基础知识，故在本书中使用通俗语言并结合比较经典的实例去阐述相关基础概念以及基础知识。在写作过程中，本书作者从技术人员以及从未接触或刚接触无线通信开发的技术人员两个角度去展现内容，力求使读者阅读高效、便捷。按照揭示事物本质的思路，提供大量的算法知识，需要读者耐心进行推导，以便于更好地掌握其技术原理，做到“知其然，知其所以然”，符合人们认识事物的规律。只有理解了这些标准的技术内涵，掌握其内在设计思想，才能抓住其灵魂，才能做到举一反三，也为以后更深入的技术研究和技术创新提供经验积累。本书在编写过程中参考了业界专家和同行的思路，并借鉴了业界各大知名设备商的经验，在此表示衷心感谢！同时感谢我的家人以及朋友所给予的关心、支持和帮助，感谢电子工业出版社王春宁老师所给予的宝贵意见。本书内容是基于作者自身理解和工作实践进行编写的，限于作者的知识面以及时间关系，观点难免出错，敬请读者谅解，并恳请读者提出宝贵意见，我的邮箱是zhangzhilin405@sohu.com。谢谢！希望读者朋友能够具备“路漫漫，其修远矣吾将上下而求索”的精神，坚持不懈，翱翔在无线通信的知识海洋中。最后用下面几句话表达我内心的感受：通信产业纷争十年，信息技术日变万千。事重意远道路曲长，业峻绩鸿娓娓长流。第1章 概 述1.1 背景1.1.1 移动通信发展简史现代移动通信技术的发展始于20世纪20年代，大致经历了五个发展阶段。第一阶段从20世纪20年代至40年代，为早期发展阶段。在这期间，首先在短波的几个频段上开发出专用移动通信系统，其代表是美国底特律市警察使用的车载无线电系统。该系统工作频率为2 MHz，到40年代提高到30～40 MHz可以认为这个阶段是现代移动通信的起步阶段，其特点是专用系统开发，工作频率较低。第二阶段从20世纪40年代中期至60年代初期。在此期间内，公用移动通信业务开始问世。1946年，根据美国联邦通信委员会（FCC）的计划，贝尔系统在圣路易斯城建立了世界上第一个公用汽车电话网，被称为“城市系统”。当时使用三个频道，间隔为120 kHz，为单工通信方式。随后，原西德（1950年）、法国（1956年）、英国（1959年）等国相继研制了公用移动电话系统。美国贝尔实验室完成了人工交换系统的接续问题。这一阶段的特点是从专用移动网向公用移动网过渡，接续方式为人工，网络容量较小。第三阶段从20世纪60年代中期至70年代中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话系统，使用150 MHz和450 MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。可以说，这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，使用450 MHz频段，实现了自动选频与自动接续。第四阶段从20世纪70年代中期至80年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1978年年底，美国贝尔试验室成功研制出先进移动电话系统（AMPS），并建成了蜂窝状移动通信网，大大提高了系统容量。1983年，首次在芝加哥投入商用。同年12月，在华盛顿也开始使用。之后，其服务区域在美国逐渐扩大。到1985年3月已扩展到47个地区，拥有约10万移动用户。其他国家也相继开发出蜂窝式公用移动通信网。日本于1979年推出800 MHz汽车电话系统（HAMTS），在东京、大阪、神户等地投入商用。原西德于1984年完成C网，频段为450 MHz。英国在1985年开发出全地址通信系统（TACS），首先在伦敦投入使用，后续覆盖了全国，频段为900 MHz。法国开发出450系统。加拿大推出450 MHz移动电话系统（MTS）。瑞典等北欧四国于1980年开发出NMT—450移动通信网，并投入使用，频段为450 MHz。这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展。移动通信大发展的原因，除了用户数迅猛增加这一主要推动力之外，还有几个技术进展所提供的条件。首先，微电子技术在这一时期得到长足发展，这使得通信设备的小型化、微型化有了可能性，各种轻便电台被不断地推出。其次，提出并形成了移动通信新体制。随着用户数量增加，大区制所能提供的容量很快饱和，这就必须探索新体制。在这方面最重要的突破是贝尔试验室在20世纪70年代提出的蜂窝网的概念。蜂窝网，即所谓小区制，由于实现了频率复用，大大提高了系统容量。可以说，蜂窝概念真正解决了公用移动通信系统要求容量大与频率资源有限的矛盾。第三方面进展是随着大规模集成电路的发展而出现的微处理器技术日趋成熟以及计算机技术的迅猛发展，从而为大型通信网的管理与控制提供了技术手段。第五阶段从 20 世纪 80 年代中期开始。这是数字移动通信系统发展和成熟时期。以AMPS和TACS为代表的第一代蜂窝移动通信网是模拟系统。模拟蜂窝网虽然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。例如，频谱利用率低、移动设备复杂、费用较贵、业务种类受限制以及通话易被窃听等，最主要的问题是其容量已不能满足日益增长的移动用户需求。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统。数字无线传输的频谱利用率高，可大大提高系统容量。另外，数字网能提供语音、数据多种业务服务，并与ISDN等兼容。实际上，早在20世纪70年代末期，当模拟蜂窝系统还处于开发阶段时，一些发达国家就着手数字蜂窝移动通信系统的研究。到 80 年代中期，欧洲首先推出了数字移动通信网（GSM）的体系。随后，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。GSM已于1991年7月开始投入商用，并覆盖欧洲主要城市、机场和公路。随着GPRS（通用分组无线业务）被引入GSM，在蜂窝系统中传输分组数据在20世纪90年代后变成了现实，可以说，在最近的十多年内数字蜂窝移动通信将处于一个大发展时期，成为陆地公用移动通信的主要系统。最近20年，随着通信手段的丰富和Internet的普及，新业务层出不穷，推动通信技术迅猛发展。在新需求和新技术的强有力推动下，通信领域经历了从窄带到宽带、从有线到无线、从固定到移动的巨大变化。在无线通信领域，无线移动通信系统从最早的模拟系统发展到1G、2G、2.5G以及发展到今天的3G，系统能力不断增强，空口峰值速率不断提高。与此同时宽带无线接入系统在Internet和媒体业务等宽带业务的推动下，沿着从有线到无线的方向发展。例如，目前大规模商用的WiMAX即全球微波接入互操作性也是受益这些因素得到蓬勃的发展，并采用OFDM/OFDMA、MIMO、AMC等新兴的技术，大大提升了频带利用率。从技术的定位上讲，WiMAX 也比较适合于城域网建设的“最后一公里”无线接入部分，尤其是对于新兴的运营商更为合适。WiMAX 技术分为固定和移动两部分，因此运营商在市场定位上会面临选择：如果选择提供固定宽带接入，那么市场规模会比较有限；如果立足于移动业务，在运营模式、终端支持、组网方式方面都存在很多挑战，同时也将面临来自 3G、B3G 技术的竞争。当前主要是由3GPP组织来推动3G无线接入技术的发展。1.1.2 无线移动技术演进现状1. IMT-2000介绍IMT-2000是第三代移动通信系统的统称，第三代移动通信系统能提供多种类型、高质量的多媒体业务，能实现全球无缝覆盖，具有全球漫游能力，与固定网络相兼容，并使小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信。最早由国际电信联盟（ITU）在1985年提出，1996年正式更名为IMT-2000（International Mobile Telecommunication-2000）。与现有的第二代移动通信系统相比，其主要特点可以概括为：● 全球普及和全球无缝漫游的能力，提供全球覆盖，全球统一分配频段，全球统一标准。● 支持语音、数据、图像及多媒体等业务，根据需要提供带宽，要求无线接口能满足以下要求：快速移动环境中最高速率可达 144 kbps；室外到室内或步行环境中最高速率可达384 kbps；室内环境中最高速率可达2 Mbps。● 具有良好的设计一致性、前后向兼容性及与固网的兼容性。方便从现有蜂窝系统进行平滑演进及其进一步发展，可以综合现有的公众电话交换网、综合业务数字网、无绳电话系统、地面移动通信系统、卫星通信系统等，以提供无缝覆盖。● 提供充足的带宽、较高的频谱利用效率及良好的业务服务质量（QualityofService， QoS）。随着数据业务的增长，尤其是新型多媒体业务的不断涌现，用户对数据带宽及服务体验的要求也不断提高。针对目标业务，在保证业务质量的前提下，如何尽量改善频谱效率、提高系统容量，是3G系统设计的关键。● 提供良好的系统安全机制：移动通信业务已经渗透到社会生活的方方面面，移动通信系统的安全性除了牵涉到用户的个人隐私外，还与国家的政治、经济、金融等领域相关。因此需要具有良好的安全机制。另外，3G 标准组织主要由3GPP、3GPP2 组成，以CDMA 码分多址技术为核心。目前国际上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，其中，cdma2000 和WCDMA 属于FDD方式；TD-SCDMA 属于TDD方式，系统的上、下行工作于同一频率，具体技术分类如图1-1所示。其中WCDMA 是欧洲ETSI （欧洲电信标准华化协会）提出的宽带 CDMA 技术，它与日本 ARIB（无线工业及商贸联合会）提出的宽带 CDMA 技术基本一致，两者融合后形成了第三代移动通信无线传输技术WCDMA。WCDMA系统是一种异步系统，码片速率为3.84 Mcps。它采用了快速功率控制技术，支持多种切换方式，可以适应多种速率的传输，灵活地提供多种业务。cdma2000是由美国 TIA（电信行业协会）提出的宽带 CDMA 技术，采用直接序列扩频或多载波方式，码片速率可以是1.2288 Mcps的1倍或3倍（最高可达9倍或11倍），分别对应于cdma20001x或cdma2000 3x系统。cdma2000系统与IS-95系统后向兼容，采用GPS授时同步，并在IS-95系统软切换、功率控制及RAKE接收分集技术的基础上，增加了快速寻呼、反向信道相干解调、前向快速功率控制、Turbo码及较高速率的分组数据传送等功能。TD-SCDMA是由中国CWTS（中国无线电讯标准组）提出的宽带 CDMA 技术，采用直接序列扩频，码片速率为1.28 Mcps。TD-SCDMA系统基于TDD方式，前向信道与反向信道工作在相同的频段上，在不同的时隙进行传送。TD-SCDMA系统采用智能天线、联合检测、接力切换等关键技术。另外，EDGE（增强型数据速率GSM演进）和DECT（数字增强无线通信）也属于3GPP技术。其中 EDGE 是一种基于 GSM/GPRS 网络的数据增强型移动通信技术，通常又被人们称为2.75 G技术。2003年一度倍受忽视的EDGE成为移动通信市场的亮点，先后有美国、智利及中国香港开通了基于EDGE的服务。DECT概念的提出已有十几年的历史，在1996年以前，由于技术规范不够完善、设备成本偏高等原因，DECT 在全球的发展不尽如人意。但到了1997年，随着各方面问题的解决和技术规范的完善，DECT逐渐成为受欢迎的产品，例如，家用数字无绳电话系统就是DECT在数字无绳电话业务方面取得的巨大成功。除了上述几种主要技术之外，IEEE 802.16技术近年来也得到了迅猛的发展，并作为一种新兴技术在全球全面商用。如图 1-2 所示，几种主要移动无线技术的演进路线主要有三条：一是 WCDMA 和TD-SCDMA ，均从 HSPA 演进至 HSPA+，进而到 LTE；二是 cdma2000 沿着 EV-DO Rev.0/Rev.A/Rev.B，最终到UMB；三是IEEE 802.16m的WiMAX演进路线。其中LTE拥有最多的支持者。图1-1 3GPP传输技术分类图1-2 无线移动技术演进路线2. IMT-2000频谱划分IMT-2000频谱由核心频段与附加频段组成。核心频段包括上行1885~2025 MHz和下行2110~2200 MHz总共230 MHz频率；附加频段包括806~960 MHz、1710~1885 MHz及2500~2690 MHz三个子频段。IMT-2000频谱划分及各国使用情况如图1-3所示。其中，核心频段的上行为1885~2025 MHz共140 MHz频率；下行为2110 ~2200 MHz共90 MHz频率。其中，1980~2010 MHz（地对空）和2170~2200 MHz（空对地）用于移动卫星业务。核心频段的上、下行不对称，主要考虑可使用双频FDD（频分双工）方式和单频TDD（时分双工）方式。欧洲为3G地面系统分配1900~1980 MHz、2010~2025 MHz和2110~2170 MHz共计155 MHz频率。图1-3 IMT-2000频谱划分3. 各种制式的特点和展望1）WiMAX系统介绍WiMAX是根据IEEE 802.16标准定义的一种无线宽带接入技术，IEEE 802.16标准有多个版本，IEEE 802.16⎯2004（802.16d）和IEEE 802.16⎯2005（IEEE 802.16e）这两个版本使WiMAX真正成为了无线领域中的热点。特别是IEEE 802.16e的发布，为个人移动宽带领域的发展带来了巨大的推动力。IEEE 802.16—2004即IEEE 802.16d支持固定和游牧的视距（LOS）和非视距（NLOS）传输。在视距环境下，它可以工作在10～66 GHz频带。在非视距环境下，它可以工作在小于11 GHz频带。IEEE 802.16d也被视为传统3.5 GHz固定无线接入技术和LMDS（局域多点分布式系统）技术的标准化升级版本。IEEE 802.16⎯2005即IEEE 802.16e支持切换和漫游功能，能够应用在车辆移动环境下。IEEE 802.16e主要工作在小于6 GHz频带。不同频段下的物理特性各不相同，具体如下所示。● 10～66GHz许可频段：在该频段，由于波长较短，只能实现视距传播。典型的信道带宽为25 MHz或者28 MHz，当采用高阶调制方式时，数据速率能够超过120 Mb/s。● 11GHz以下许可频段：在该频段，由于波长较长，因此能够支持非视距传播。此时系统会存在较强的多径效应，需要采用一些增强的物理层技术，如功率控制、智能天线、ARQ（自动重传请求）、空时编码技术等。● 11GHz以下免许可频段：该频段的传播特性与11GHz以下的许可频段一样，不同点在于非许可频段可能存在较大的干扰，需要采用动态频率选择等技术来加以解决。（1）WiMAX核心技术① OFDM/OFDMA技术OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）是一种高速传输技术，是未来无线宽带接入系统／下一代蜂窝移动系统的关键技术之一。在WiMAX系统中， OFDM技术为物理层技术，主要应用的方式有两种：OFDM物理层和 OFDMA物理层。OFDM 物理层采用OFDM调制方式，OFDM正交载波集合由单一用户产生，为单一用户并行传送数据流。支持TDD和FDD双工方式，上行链路采用TDMA（时分多址）多址方式，下行链路采用TDM（时分复用）复用方式，可以采用STC（空时编码）发射分集以及AAS （自适应天线系统）。OFDMA（正交频分多址）物理层采用OFDMA多址接入方式，支持TDD和FDD双工方式，可以采用STC发射分集以及AAS。OFDMA系统可以支持长度为2048、1024、512和128的FFT点数，下行数据流被分为逻辑数据流。这些数据流可以采用不同的调制及编码方式以及以不同信号功率接入不同信道特征的用户端。上行数据流子信道采用多址方式接入，通过下行发送的媒质接入协议（MAP）分配子信道传输上行数据流。虽然OFDM技术对相位噪声非常敏感，但是标准定义了Scalable FFT（可调整的FFT），可以根据不同的无线环境选择不同的调制方式，以保证系统能够以高性能的方式工作。② MIMO（多输入多输出）技术MIMO 是未来移动通信的关键技术，它解决了 SISO（单输入单输出）系统需要较多的频谱资源和复杂的编码调制技术才能解决的在非视距和恶劣信道下保证高QoS的问题，能显著地提高系统的容量和频谱利用率，从而大大提高系统的性能。MIMO技术主要有两种表现形式，即空间复用和空时编码，这两种形式在WiMAX中都得到了应用。③ HARQ（混合自动重传）HARQ技术因为提高了频谱效率，所以可以明显提高系统吞吐量，同时因为重传可以带来合并增益，所以间接扩大系统的覆盖范围。16e中支持CC（卷积码）和CTC（卷积Turbo码）的HARQ方式。HARQ功能和相关参数是在网络接入过程或重新接入过程中被确定和协商的。HARQ 是基于每个连接来进行处理，它可以通过消息 DSA（动态业务流添加）/DSC （动态业务流修改）确定每个服务流是否有HARQ的功能。④ AAS（自适应天线系统）AAS 采用多根天线收发信号，利用数字信号处理技术跟踪和提取各移动用户的空间信息，产生空间定向波束，达到充分利用移动用户信号并抑制干扰信号的目的。另外，可以利用用户空间位置的不同，在同一信道中发送和接收各用户的信号，而不会引入较大的相互干扰，进而提高系统的频谱利用率。（2）WiMAX应用场景与其他有线接入手段（如xDSL、光纤接入等）相比，WiMAX技术具有部署速度更快、扩展能力更强、灵活性更高的优点。WiMAX 对于新兴国家的电信市场与广大的乡村地区特别有吸引力，尤其在一些基础建设薄弱的地区，更凸显出它的竞争力。因此，WiMAX 被认为是DSL的补充，可以向家庭和小企业提供“无线DSL”服务。通过WiMAX系统，室内、室外的Wi-Fi用户可以接入到Internet/Intranet，同时WiMAX还可以提供移动终端、移动便携的无线接入以及企业 Wi-Fi 热点区域的后端传输功能。具体来说，WiMAX 技术可应用于固定、游牧、便携、简单移动和自由移动这五类业务的应用场景，并随着WiMAX技术从固定无线接入发展到移动无线接入，应用场景也从固定发展到自由移动。相应地，各种应用场景分别需要不同的空中接口标准的支持。① 固定接入固定接入业务是WiMAX运营网络中最基本的业务模型，该业务场景不支持连接的移动或切换，在IP连接建立之前，必须进行鉴权或授权。用户终端可以根据信号质量来选择要连接的可用基站（BS），当用户终端断开与BS的连接并重新加入网络后，必须重新分配IP地址。② 游牧接入游牧式业务是固定接入方式发展的下一个阶段，用户终端可以从不同的位置接入到运营商的WiMAX网络中。然而在每次会话连接中，用户终端只能进行站点式的接入，在两次不同网络接入中，传输的数据将不被保留。在这种运营模式下，需要进行交互的鉴权，如果用户的归属运营商和拜访运营商具有相同的鉴权用户数据，用户就可以在这两个不同的运营商网络之间进行漫游。在这个阶段，不支持不同基站之间的切换。一个游牧的用户终端每次入网时将获得不同的IP地址。③ 便携方式便携式业务是游牧式业务发展的下一个阶段，从这个阶段开始，终端可以在不同的基站之间进行切换。当终端静止不动时，便携式业务的应用模型与固定式业务和游牧式业务相同。当进行切换过程时，用户将可能经历中断，或者感到一些延迟，或者服务质量的下降。在最差的情况下，切换中断式应保持TCP/IP的会话连接。④ 简单移动方式简单移动业务是便携式应用的进一步拓展。当用户处于固定接入和漫游状态时，使用模型与固定接入和漫游是没有任何区别的。在切换过程中，连接是采用“尽力而为”的方式。简单移动业务设定了一个移动速度的特定范围，这个范围依赖特定的物理层。在切换过程中简单移动在延迟上有更严格的限制，切换性能比“尽力而为”性能好，这使得这种场景更适合于某种类型的IP业务。⑤ 自由移动方式自由移动业务是建立在已定义的所有使用场景上的解决方案。为了支持车辆速度移动（至少 120 km/h）下无中断的应用，对延迟敏感的业务进行了优化，同时针对其他移动性敏感性能，例如低功耗运行、切换时延、切换期间分组丢失率等。在全移动中，包含了漫游能力。漫游可以使用户在归属网络得到的标识，在拜访网络中得到重用，最终形成统一的业务计费。漫游适用于游牧、便携和移动使用场景。2）WCDMA系统介绍欧洲电信标准委员会（ETSI）在 GSM之后就开始研究其3G标准，其中有几种备选方案是基于直接序列扩频码分多址技术，而日本的第三代研究也是使用宽带码分多址技术的，其后，以二者为主导进行融合，在3GPP组织中发展成了第三代移动通信系统UMTS（通用移动通信系统），并提交给国际电信联盟（ITU）。国际电信联盟最终接受 WCDMA 作为IMT-2000 3G标准的一部分。 WCDMA是一种由3GPP具体制定的，基于GSM MAP核心网， UTRAN（UMTS陆地无线接入网）为无线接口的第三代移动通信系统。WCDMA（宽带码分多址）是一个ITU标准，它是从码分多址（CDMA）演变来的，在官方上被认为是IMT-2000的直接扩展，与现在市场上通常提供的技术相比，它能够为移动和手提无线设备提供更高的数据速率。WCDMA采用直接序列扩频码分多址（DS-CDMA）、频分双工（FDD）方式，码片速率为3.84 Mcps，载波带宽为5 MHz。能够支持移动/手提设备之间的语音、图像、数据以及视频通信，速率可达2 Mbps（对于局域网而言）或者384kbps（对于宽带网而言）。WCDMA与其他制式的系统类似也采用了空时分集技术作为其关键的技术，下面简单介绍一下。空时处理技术通过在空间和时间上联合进行信号处理可以非常有效地改善系统特性。随着第三代移动通信系统对空中接口标准的支持以及软件无线电的发展，空时处理技术必将融入自适应调制解调器中，从而达到优化系统设计的目的。采用空时处理的方法，系统的发送端或接收端使用多个天线，同时在空间和时间上处理信号，它所达到的效果是仅靠单个天线的单时间处理方法所不能实现的：可以在一个给定BER（误码率）质量门限下，增加用户数。在小区给定的用户数下，改善BER特性，可以更有效地利用信号的发射功率。空时处理技术需要注意以下几个方面：（1）单用户空时处理方法由于移动台一般不适于多天线接收，基站采用多根天线进行发射分集，可以使移动台的接收效果与移动台用多个接收天线时的效果相比拟。（2）波束成形技术波束成形（或称为波束赋形）（Beamforming，BF）技术可分为自适应波束成形、固定波束和切换波束成形技术。固定波束即天线的方向是固定的，对IS-95中的3个120°扇区进行分割，即为固定波束。切换波束是对固定波束的扩展，将每个 120°的扇区再分为多个更小的分区，每个分区有一固定波束，当用户在一扇区内移动时，切换波束机制可自动将波束切换到包含最强信号的分区，但切换波束机制的致命弱点是不能区分理想信号和干扰信号。自适应波束成形器可依据用户信号在空间传播不同的路径，最佳地形成方向图，在不同到达方向上给予不同的天线增益，实时地形成窄波束对准用户信号，而在其他方向尽量压低旁瓣，采用指向性接收，从而提高系统的容量。由于移动台的移动性以及散射环境，基站接收到的信号的到达方向是时变的，使用自适应波束成形器可以将频率相近但空间可分离的信号分离开，并跟踪这些信号，调整天线阵的加权值，使天线阵的波束指向理想信号的方向。（3）接收分集技术由于CDMA系统通常有较多的多址干扰分量，而天线阵可以去除M−1个（M为天线数）干扰的特性，但不能明显地改善接收机的 SINR，所以在一般情况下，更好的方法是利用接收分集技术来估计接收信号，并确定匹配滤波器的加权系数。接收分集技术中的分集天线其实是空间域内的分集合并器，而不是BF。对于宽带CDMA信号，信号带宽一般大于信道相干带宽，所以在时间域采用RAKE接收机（一种能分离多径信号并有效合并多径信号能量的最终接收机），将信号在空间／时间上利用各种合并准则进行合并。（4）发送分集技术当发送方不能获得信道参数时，空时发送分集可改善前向链路性能，这种机制是将发送天线的空间分集转化为接收机可以利用的其他形式的分集，如延迟发送分集和空时编码技术。空时编码技术是同时从空间和时间域考虑设计码字，它的基本原理是在多个天线上同时发送信息比特流所产生的向量，利用发送天线所发送序列的正交性，用两个发送天线、一个接收天线所获得的分集增益与一个发送天线、两个接收天线的MRC（最大比合并）接收机的一样。3）cdma2000系统介绍cdma2000是由IS-95A/B标准演进而来的第三代移动通信标准，由3GPP2负责具体标准化工作。目前3GPP2制定的cdma2000有Release 0、A、B、C和D五个支持cdma2000 1x及其增强型技术的版本，以及由 EIA（电子工业协会）/TIA（电信行业协会）发布的支持cdma2000 1x EV-DO的IS-856和IS-856A标准。cdma2000 1x EV-DO定位于Internet的无线延伸，能以较少的网络和频谱资源（在1.25 MHz标准载波中）支持平均速率为● 静止或慢速移动：1.03Mbps（无分集）和1.4Mbps（分集接收）。● 中高速移动：700kbps（无分集）和1.03Mbps（分集接收）。● 其峰值速率可达2.4Mbps，而且在IS-856版本A中可支持高达3.1Mbps的峰值速率。cdma2000 1x完全向后兼容IS-95。核心网部分增加了分组域用以支持较高速率的分组数据业务；空中接口使用了前向快速功率控制、反向信道相干解调、快速寻呼、Turbo 码等关键技术，目的是改善无线传送的质量，提高频谱效率及系统容量。cdma2000 1x具有3G系统的部分功能，可以从 IS-95 进行平滑升级，两者的商用时间的间隔不太长，业界有时也将cdma2000 1x作为2.5 G系统看待。由于cdma2000 1x完全兼容IS-95系统功能，所以本节仅介绍cdma20001x的演进，而不再赘述IS-95向cdma2000的演进情况。目前cdma2000 1x已经发展出cdma2000 Release 0、Release A、Release B、Release C和Release D 5个版本，商用较多的是Release 0版本；部分运营网络引入了Release A的一些功能特性；Release B作为中间版本被跨越；cdma2000 1x EV-DV对应于cdma2000 Release C和Release D。其中，Release C增加前向高速分组传送功能；Release D增加反向高速分组传送功能。cdma2000 1x EV-DO是一种专为高速分组数据传送而优化设计的cdma2000空中接口技术，已经发展出Release 0和Release A两个版本。其中，Release 0版本可以支持非实时、非对称的高速分组数据业务；Release A版本可以同时支持实时、对称的高速分组数据业务传送。（1）cdma2000 1x向cdma20001x EV-DO演进cdma2000 1x EV-DO利用独立的载波提供高速分组数据业务，它可以单独组网，也可以与cdma2000 1x混合组网以弥补后者在高速分组数据业务提供能力上的不足，cdma2000 1x EV-DO具有以下特点：● cdma20001xEV-DO前向链路采用了多种优化措施以提高前向数据吞吐量和频谱利用率，前向链路峰值速率可以达到2.4 Mbps；反向链路设计与cdma2000 1x有许多共同点，反向链路速率与cdma2000 1x相同。● cdma20001xEV-DO与cdma20001x的无线接入网在逻辑功能上是相互独立的，分组核心网可以共用，这样既实现了高速分组数据业务的重点覆盖，又不会对cdma2000 1x网络和业务造成明显影响。● cdma20001x前反向链路是对称的，cdma20001xEV-DO虽然前／反向速率不对称，但是，其前／反向链路预算与cdma2000 1x相差不多。● cdma20001xEV-DO与cdma20001x可以共站址、天线和天馈系统；在天馈设计、邻区规划方面，cdma2000 1x EV-DO与cdma2000 1x基本一致；cdma2000 1x EV-DO利用独立的载频提供高速分组数据业务，有助于降低与cdma2000 1x网络之间的互干扰。● cdma20001xEV-DO可以作为高速分组数据业务的专用网，cdma20001x提供语音和中低速分组数据业务；同时利用cdma2000 1x网络的广域覆盖特性以弥补cdma2000 1x EV-DO网络建设初期在覆盖上的不足。（2）cdma2000 1x向cdma2000 1x EV-DV演进cdma2000 1x EV-DV是对cdma2000 1x技术标准的继承和发展，它继承了cdma2000 1x的网络架构，使用与cdma2000 1x相同的频段。其主导思想是在cdma2000 1x载波基础上提升前向和反向分组传送的速率和提供业务QoS保证。cdma2000 1x EV-DV的物理层采用重传机制、时分与码分相结合及自适应调制编码等先进技术实现高效传输；其 MAC 层采用灵活的资源调度机制以提高系统资源的利用效率；此外，它还增加了用户分类和业务流分类机制以保障业务的QoS。cdma2000 1x EV-DV把语音和分组数据业务放在同一个载波中传送，并且要求提供更高速率的数据业务服务，在技术实现和实际组网上都存在一定的困难。cdma2000 1x EV-DV主要有以下特点：● 不改变cdma20001x的网络结构，与IS-95A/B及cdma20001x向后兼容。● 在同一载波上同时提供语音和数据业务。● 增加TDM/CDM（码分复用）混合的专用的高速分组数据信道（F-PDCH），以提高前向速率，前向最高速率达3.1 Mbps。● 增加反向指示辅助导频信道R-SPICH和TDM/CDM混合的反向高速分组数据信道，以提高反向速率，反向支持最高速率为1.5 Mbps，可选支持为1.8 Mbps。● 以帧为单位完成自适应调制及解调。● 更短的发送帧结构，1.25ms到5ms的可变帧长。● 根据信道状况选择数据传输速率以提高功率效率。● 快速而有效的数据重发机制。1.2 LTE项目介绍由于WiMAX技术的快速崛起，促使3GPP组织启动了长期演进（Long Term Evolution， LTE）项目，这种以OFDM/FDMA为核心的技术可以被看做“准4G”技术。3GPP LTE项目的主要性能目标包括：在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率；改善小区边缘用户的性能；提高小区容量；降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5 ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间低于50 ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100 ms；支持100 km半径的小区覆盖；能够为350 km/h高速移动用户提供大于100 kbps的接入服务；支持成对或非成对频谱，并可灵活配置1.25 MHz到20 MHz的多种带宽。1. LTE项目内容介绍LTE 项目名为“演进”（Evolution），实为“革命”（Revolution），3G系统采用的核心技术大部分没有被沿用，转而采用了大量的创新型技术和崭新的系统设计，增强了 3G 的空中接入技术，采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准。在20 MHz频谱带宽下能够提供下行100 Mbps与上行50 Mbps的峰值速率。改善了小区边缘用户的性能，提高了小区容量并降低了系统延迟。2. LTE的主要技术特征3GPP 从“系统性能要求”、“网络的部署场景”、“网络架构”、“业务支持能力”等方面对LTE进行了详细的描述。与3G相比LTE具有如下技术特征：（1）更高的数据传输速率、频谱利用率和用户吞吐量。可灵活配置1.25 MHz、2.5 MHz、5 MHz、10 MHz、20 MHz带宽。在20 Hz频谱带宽下能够提供下行100 Mbps、上行50 Mbps的峰值速率。下行频谱利用率是R6 HSDPA（高速下行分组数据接入）的3～4倍，上行频谱利用率是R6 HSUPA（高速上行分组接入）的2～3倍。（2）以分组域业务为主要目标，取消了电路交换（CS）域，CS 域的业务和其他实时业务都在分组交换域实现，系统在整体架构上将基于分组交换。（3）QoS保证，通过系统设计和严格的QoS机制，保证实时业务（如VoIP）的服务质量。（4）在保持现在规划的3G小区的覆盖范围大致不变的情况下，提高小区边缘的比特率。（5）降低无线网络时延，用户面内部单向传输时延低于5 ms，控制面上用户从空闲状态到连接状态的延迟小于100 ms，解决了向下兼容的问题并降低了网络时延。（6）增加了小区边界比特速率，在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。如MBMS（多媒体广播多播业务）在小区边界可提供1bps/Hz的数据速率。（7）强调向下兼容，支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。（8）与3G相比，LTE更具技术优势，具体体现在：高数据速率、分组传送、延迟降低、广域覆盖和向下兼容。3. LTE技术需求目标ITE技术所要实现的需求目标为：（1）支持与现有的3GPP和非3GPP系统的互操作性，支持增强型的广播多播（MBMS）业务。（2）降低建网和维护成本，实现从R6的低成本演进。（3）系统和终端具有合理的复杂性、成本和功耗，支持增强的IMS（IP多媒体子系统）和核心网，尽可能的向后兼容，但是应该考虑系统性能提高与向后兼容之间的平衡。（4）小区覆盖半径在5 km以下时，应该满足LTE项目的所有性能要求，对于小于30 km的小区覆盖，可以允许一定的性能损失，支持100 km的小区覆盖。（5）支持终端在整个系统范围内的移动性，为低速移动终端提供最优服务，对中速移动终端实现较高性能，同时支持高速移动终端。（6）以尽可能相似的技术支持成对和非成对频谱，并支持简单的邻频共存。4. LTE的网络结构和核心技术3GPP 对 LTE 项目的工作大体分为两个时间段：2005 年 3 月到 2006 年 6 月为 SI （StudyItem）阶段，完成可行性研究报告。2006年6月到2007年6月为WI（WorkItem）阶段，完成核心技术的规范工作。随着3GPP组织的大力推进，在2008年年底已经基本完成了标准的制定工作。截至目前部分运营商和设备商（例如，华为、爱立信、诺西等）已经开始部署LTE商用网络。LTE采用由NodeB构成的单层结构，这种结构有利于简化网络和减小延迟，实现了低时延，低复杂度和低成本的要求。与传统的3GPP接入网相比，LTE减少了RNC节点。名义上LTE是对3G的演进，但事实上它对3GPP的整个体系架构作了革命性的变革，逐步趋近于典型的IP宽带网结构。3GPP确定的LTE架构，也叫演进型UTRAN结构（E-UTRAN）。5. LTE的营运发展按用户数量和市值计算，中国移动都是全球最大的移动运营商。此前，英国沃达丰、日本NTT DoCoMo、美国AT&T和Verizon等世界最主要电信运营商已经决定采用LTE技术，此次中国移动的加入大力地推动了LTE技术的发展，LTE在后3G时代也将延续2G时期GSM的主流地位。LTE将成为行业未来发展的明确方向。LTE 是由华为、爱立信、诺基亚西门子等世界主要电信设备生产商开发的技术，另外CDMA阵营的阿尔卡特朗讯和北电也有投入。由于美国高通公司在3G时代占据了技术的核心专利，LTE阵营加大力量研究OFDM以绕开高通的主要技术。同时，WiMAX基于现有网络扩容、新建部署、逐步扩大的终端生态系统以及持续的用户增长，据最新报告显示截至2010年第三季度，全球WiMAX设备和终端的合并市场收入为3.55亿美元，环比增长了8%，较经济不景气的2009年第三季度增长了9%，可见市场格局之争还将继续并更加剧烈。1.3 3GPP组织简介3GPP组织主要包含4个技术规范组（TSG），分别是①TSG GERAN（GSM/EDGE RAN）负责GSM/EDGE无线接入技术规范制定；② TSG RAN，负责除GERAN之外的无线接入技术规范的制定；③TSG SA，负责业务和系统方面的技术规范制定；④TSG CT，负责核心网和终端方面的技术规范制定。另外，在每个TSG下面还有一些工作组（WG），同时在4个TSG之上还有一个项目协调组（PCG）。具体结构如图1-4所示。图1-4 3GPP组织结构图1.4 LTE协议规范结构由于LTE包含大量的规范，因此3GPP组织将36系列的规范编号分配给LTE使用，截至目前，该系列已经提供TS（技术规范）和TR（技术报告）共计80余份，主要规范见表1-1。表1-1 3GPP协议规范1.5 LTE协议架构E-UTRAN由eNodeB（eNB）组成，提供E-UTRAN的用户面（PDCP/RLC/MAC/PHY）以及控制面协议。eNodeB之间通过X2接口相互连接。eNodeB通过S1接口与演进分组核心网（EPC）相连，通过用户面接口S1-GW与服务GW（S-GW）相连，通过S1-MME接口与移动管理实体（Mobile Management Entity，MME）相连。S1接口支持eNodeB和MME/S-GW之间的多对多连接。总体系统架构如图1-5所示。图1-5 总体系统架构1.5.1 E-UTRAN网元功能E-UTRAN和EPC功能划分如图1-6所示。图1-6 网元功能结构图1）eNodeB功能（1）无线资源管理：无线承载控制、无线准入控制、连接移动性控制、上行／下行资源的动态分配。（2）IP头压缩和用户数据流加密。（3）当从提供信息的UE处无法获取MME的路由信息时，选择UE附属的MME。（4）用户面数据向S-GW的路由。（5）调度和发送从MME触发的寻呼消息。（6）调度和发送从MME或O&M触发的寻呼消息。（7）用于移动性和调度的测量和测量报告配置。（8）调度和发送从MME触发的ETWS（地震海啸预警系统）消息。2）MME功能移动管理实体具有如下功能。（1）支持非接入层（NAS）信令。（2）NAS信令安全处理。（3）接入层安全控制。（4）用于3GPP之间接入网络的内部核心网信号传输。（5）控制Idle模式下UE的寻呼重传。（6）Idle态和激活态UE跟踪区域的列表管理。（7）选择PDN（分组数据网络）GW和服务GW。（8）切换时如果MME发生变化，选择MME。（9）从2G到3G接入网络切换时选择SGSN（业务GPRS支撑节点）。（10）漫游。（11）鉴权。（12）承载链路的管理。（13）ETWS消息发送。3）S-GW功能服务网关（Serving GW，S-GW）。（1）eNodeB内部切换时本地移动锚点的确定。（2）E-UTRAN空闲模式下，下行链路分组缓存和网络触发服务请求的初始化处理。（3）合法的监听。（4）分组的路由功能。（5）上／下行链路中传输级别分组标记。（6）每个UE、PDN以及QCI（QoS类别标识）的计费。4）PDN Gateway功能（1）UE的IP地址分配。（2）下行链路中传输级别分组标记。（3）基于APN-AMBR（接入点—聚合最大比特速率）的下行速率增强。试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]