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,移动通信系统,第十二章 B3G与4G移动通信系统,第十二章 B3G与4G移动通信系统,主要内容: 12.1 标准化进程 12.2 HSPA系统 12.3 EV-DO系统 12.4 LTE系统 12.5 WiMax系统 12.6 IMT-Advanced系统 12.7 本章小结,内容提要,本章主要介绍B3G和4G移动通信系统。首先简要介绍宽带移动通信标准化进展,然后分别介绍HSPA、cdma2000 EVDO、LTE与WiMax等B3G宽带移动通信系统的空中接口与关键技术,最后简要介绍4G移动通信IMT-Advanced (International Mobile Telecommunications-Advanced) 的系统需求。,第十二章 B3G与4G移动通信系统,12.1.1 概述 IMT-2000原含义为International Mobile Telecommunications,工作于2000MHz频段,大约于2000年左右商用。IMT-2000的目标与要求:全球同一频段、统一体制标准、无缝隙覆盖,并至少可实现全球漫游,提供以下不同环境下的多媒体业务:车速环境:144kbps,步行环境:384kbps,室内环境:2Mbps。 当前国际电联ITU-R WP5D工作组负责IMT-2000的标准化工作,该工作组主要负责3G标准系列的定义与建议,并不负责具体的技术规范。IMT-2000的建议标准称为ITU-R M.1457,包括六个无线接口标准,如下图所示。,12.1 标准化进程,其中前五项标准1999年10月被接纳为3G国际标准,第六项标准2007年10月被ITU接纳为3G标准。这些标准中UWC136与DECT只是地区性标准,只有WCDMA、cdma2000、TD-SCDMA与TDD WiMax等四项标准是具有全球推广能力的3G标准。,图12.1 IMT-2000标准系列,12.1 标准化进程,3G移动通信标准的演进包括3GB3GE3G4G四个阶段,其中WCDMAHSPALTELTE-Advanced标准的演进由3GPP标准化组织负责;cdma2000EVDOUMB标准的研究由3GPP2标准化组织负责;802.16d802.16e802.16m标准的研究由IEEE标准化组织负责,这些标准都正在向4G IMT-Advanced演进。 中国提出的TD-SCDMA标准已融合入WCDMA标准中,韩国提出的WiBro标准已融合入802.16标准中。,12.1 标准化进程,宽带移动通信技术的演进 随着移动通信技术的演进,数据传输速率从300kbps1Mbps10Mbps100Mbps,最终演进到1Gbps的4G要求。,图12.2 宽带移动通信技术标准演进,12.1 标准化进程,12.1.2 3GPP标准演进,3GPP(Third Generation Partnership Project)组织成立于1998年12月,由ETSI、ARIB、TTC、TTA、CCSA和ATIS等标准化组织构成,负责3G UTRA和GSM系统标准化。其组织结构如图所示。,图12.3 3GPP组织结构,12.1 标准化进程,12.1.2 3GPP标准演进 迄今为止,3GPP组织发布了10个标准版本,主要特征如图12.4所示。,图12.4 3GPP协议版本,12.1 标准化进程,12.1.2 3GPP标准演进 为了进一步提升系统性能,3GPP组织启动了长期演进(LTE)计划。2008年12月发布的R8 LTE版本,引入了OFDMA/SC-FDMA多址接入方式,峰值速率提升为DL: 160Mbps/UL: 50Mbps。目前正在标准化的R9版本对LTE/HSPA+进一步增强,并且重点开展R10 LTE-Advanced的标准化工作。 3G频段最早是在世界无线电管理大会(WARC-92)上经各国协调划分的。其中1885-2025、2110-2200MHz这230MHz的对称频段称为IMT-2000核心频段。 在WRC-2000大会上,为3G分配了2500-2690MHz的新频段。WRC07大会上,为IMT-2000与IMT-Advanced分配了额外的频段,包括:450-470、698-806、2300-2400以及3400-3600MHz频段。这些频段分配在不同的国家与地区有所变化。UTRA与E-UTRA的频谱分配情况如下表所示。,12.1 标准化进程,表1.1 UTRA与E-UTRA的频谱分配,12.1 标准化进程,表1.1 UTRA与E-UTRA的频谱分配(续),12.1 标准化进程,表1.1 UTRA与E-UTRA的频谱分配(续),12.1 标准化进程,12.1.3 3GPP2标准演进,3GPP2(Third Generation Partnership Project 2)组织成立于1999年1月,由ARIB、CCSA、TTC、TTA、和TIA等标准化组织构成,负责cdma2000系统标准化。其组织结构如图所示。,图12.5 3GPP2组织结构,12.1 标准化进程,12.1.3 3GPP2标准演进 迄今为止,3GPP2组织发布了7个标准版本,图12.6 3GPP2协议版本,12.1 标准化进程,12.1.4 WiMax标准演进,WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access)标准由IEEE 802.16宽带无线接入(BWA)标准工作组制订。为了推动WiMax产品的一致性验证、兼容性和互操作性,2001年6月由多家制造商与运营商共同组建了WiMax论坛,图12.7 WiMax论坛组织结构,12.1 标准化进程,12.1.4 WiMax标准演进 迄今为止,802.16 标准化组织发布了10个协议版本,图12.8 802.16协议版本,12.1 标准化进程,12.2.1 WCDMA概述 3GPP的WCDMA方案分为UTRA-FDD和UTRA-TDD方式。R99版本的系统参数如下表所示。,表12.5 WCDMA R99的主要参数,12.2 HSPA系统,表12.5 WCDMA R99的主要参数,12.2 HSPA系统,12.2.1 WCDMA概述 1. 物理信道与帧结构,图12.10 WCDMA的物理信道结构,12.2 HSPA系统,图12.11 上行DPDCH/DPCCH的帧结构,12.2 HSPA系统,12.2.1 WCDMA概述 2. 逻辑信道,图12.13 WCDMA逻辑信道结构,12.2 HSPA系统,12.2.1 WCDMA概述 3. 传输信道,图12.14 WCDMA的传输信道,12.2 HSPA系统,12.2.1 WCDMA概述,图12.15 逻辑信道与传输信道间的映射,12.2 HSPA系统,12.2.2 HSDPA 1. 主要特点 HSDPA(High-Speed Downlink Packet Access)是3GPP R5版本引入的增强性技术,旨在提高下行分组数据业务速率,为了充分跟踪信道的动态变化,发送时间间隔(TTI)从R99的10/20/40/80ms缩短为2ms,并且采用了共享数据信道结构。主要技术特点包括:高阶调制、速率控制、分组调度与HARQ,下面分别介绍。,12.2 HSPA系统,12.2.2 HSDPA (1)速率控制与高阶调制 HSDPA系统中,利用UE测量的信道质量信息(CQI)可以进行链路的速率控制,通过链路自适应方法,提高数据传输速率。 (2)分组调度 分组调度是HSDPA系统的核心单元,位于NodeB中,每个TTI,调度器根据信道响应质量选择合适的用户发送数据。,图12.16 HSDPA调度原理示意,12.2 HSPA系统,12.2.2 HSDPA (3)HARQ HSDPA采用了基于软合并的HARQ机制,与R99的ARQ机制相比,5ms的重传时延很短,允许对没有正确接收的数据块进行快速重传。 HSDPA系统中采用异步多重停等(Stop and Wait)HARQ机制,减小重传时延,降低系统开销。 所谓异步是指NodeB收到NACK信令后,可以在任意的TTI发送重传数据块,并且NodeB把重传数据块看作新的数据单元进行分组调度。,12.2 HSPA系统,图12.17 HARQ处理流程,12.2 HSPA系统,12.2.2 HSDPA 2. 系统性能 按照使用码道数目、HARQ缓冲区长度、Turbo码码率与调制种类,可以定义12种HSDPA终端(UE) 。 HSDPA终端可以分为三大类,5/10/15码道,峰值速率为1.8Mpbs、3.6Mbps、7.2Mbps与14.4Mbps。这些峰值速率是指NodeB所能够支持的数据总和速率,可以由单个用户承载,也可以由多个用户共享。,12.2 HSPA系统,12.2.2 HSDPA 3. 信道结构 HSDPA系统的信道主要包括两个下行信道:HS-DSCH、HS-DCCH,以及两个辅助信道F-DPCH、HS-DPCCH。,图12.18 HSDPA信道结构,12.2 HSPA系统,12.2.2 HSDPA (1)HS-DSCH信道,图12.19 HS-DSCH信道的码资源分配示意,12.2 HSPA系统,12.2.2 HSDPA (1)HS-DSCH信道 HS-DSCH信道采用多码传输方式,扩频增益SF=16,最大码道数目为5、10、15,HS-DSCH与R99下行信道共享码资源,发送时间间隔(TTI)为2ms,在此时中动态分配码资源与信道资源。,12.2 HSPA系统,12.2.2 HSDPA HS-DSCH信道与R99 DPCH信道的比较,主要有四点差别:,图12.20 HS-DSCH信道时域结构,12.2 HSPA系统,12.2.2 HSDPA 与R99系统的DPCH信道相比,HS-DSCH信道并不进行功率控制,NodeB发射总功率扣除控制信道和DPCH信道的发射功率后,剩余功率都分配给HS-DSCH信道。 HS-DSCH信道不进行软切换,从而减少了网络端的处理复杂度,降低了信令开销与处理时延。 HS-DSCH信道只使用Turbo码,有QPSK、16QAM两种调制模式,并且不进行传输信道复用,降低了速率匹配的复杂度。 HS-DSCH信道在PHY/MAC采用HARQ机制,同时在RLC也采用ARQ机制,对信道状态进行快速精细的调整适配,而DPCH信道只在RLC采用ARQ机制,处理时延长,链路速率提升受限制。,12.2 HSPA系统,(2)HS-SCCH信道 High-Speed Shared Control Channel(HS-SCCH)信道承载HS-DSCH信道的控制信令。HS-SCCH信道与HS-DSCH信道并行发送,不进行软切换,用不同的信道化码(OVSF)区分,SF=128,持续时间为3个时隙(2ms),并分为两个功能部分。 (3)HS-DPCCH信道 Uplink High-Speed Dedicated Physical Control Channel(HS-DPCCH)信道承载用于HARQ的ACK/NACK信息和用于NodeB调度的CQI信息。这些信息直接由R99的上行DPDCH信道承载,命名为HS-DPCCH信道。 (4)F-DPCH信道 为了节省下行码资源,R6版本中引入了Fractional DPCH(F-DPCH)信道承载功率控制信令。对于每个用户的上行链路分配一个SF=256的下行码道进行功率控制比较浪费码资源,因此可以采用同一个OVSF码,用时分方式区分不同用户的功控指令,这就是F-DPCH信道的解决方案。,12.2 HSPA系统,4. 系统处理流程 HSDPA的物理层处理流程总结如下: 1)NodeB中的调度器对评估不同用户的信道条件、每个用户待发送量、特定用户从上次调度到现在的时间以及用户数据的重传情况。根据给定准则选择用户,依赖设备商的不同调度算法。 2)一旦在特定TTI已经选定了用户,则NodeB需要确定HS-DSC
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