* 第 9 章第三代移动通信系统（ 3g ）

* 第 9 章第三代移动通信系统（ 3G ）

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第三代移动通信系统就是 IMT-2000 ，它是国际电信联盟（ ITU ）在 1985 年提出未来公众陆地移动通信系统（ FPLMTS ）的名称的更换，意思是在 2000 年左右可开始商用并工作在 2000MHz 频段上的国际移动通信系统（ IMT-2000 ）。

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1997 年 4 月， ITU 向各成员国征集 IMT-2000 的无线接口候选传输技术。这引发了长达近四年的 3G 技术标准之争和技术融合的进程。最终在 2001 年确定了 cdma2000 、 WCDMA 、 TD-SCDMA 这三种主流3G 技术标准。

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IMT-2000 的主要目标是全球一网，全球漫游；多层小区结构，适应多种环境；提供多媒体业务，有足够大的系统容量；高的保密性和高的服务质量。

IMT-2000 对无线传输技术的要求是：支持高速传输多媒体业务，室内至少 2Mbit/s ，室外步行至少 384kbit/s ，车辆行驶环境至少 144kbit/s ；传输速率能根据业务按需分配。

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后 3G （ Beyond 3G ）技术已显露端倪。由于人们希望能在移动环境中数据传输速率更高，即从 2Mbit/s 提高到 100Mbit/s ，因此还需要研究更高传输速率的调制技术、软件无线电技术、智能天线技术和广带（ Broad band ） IP 网络技术，这就是 4G 移动通信技术研究。

* 第 9 章第三代移动通信系统（ 3G ）9.1 第三代移动通信系统概述9.2 cdma2000的无线传输技术9.3 WCDMA（UMTS

）系统的无线传输技术9.4 TD-SCDMA系统的无线传输技术

9.1 第三代移动通信系统概述

9.1.1 概述9.1.2 第三代移动通信新技术9.1.3 第三代移动通信系统的业务及其特

征

9.1.1 概述

第三代移动通信系统最早是由国际电信联盟于 1985 年提出的，当时称为未来公众陆地移动通信系统（ FPLMTS ），后改为 IMT-2000 ，意指在 2000 年左右开始商用并工作在 2000MHz 频段上的国际移动通信系统。

1 ． IMT-2000 的主要目标和要求

IMT-2000 的目标有以下 4 个方面。（ 1 ）全球漫游，以低成本的多模手机来

实现。


（ 2 ）适应多种环境，采用多层小区结构，即微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝，将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起，与不同网络互通，提供无缝漫游和业务一致性，网络终端具有多样性，并与第二代移动通信系统共存和互通，开放结构，易于引入新技术。


（ 3 ）能提供高质量的多媒体业务，包括高质量的语音、可变速率的数据、高分辨率的图像等多种业务，实现多种信息一体化。

（ 4 ）足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量。


为实现上述目标，对无线传输技术提出了以下要求。

（ 1 ）高速传输以支持多媒体业务：室内环境至少 2Mbit/s ；室外步行环境至少 384 kbit/s ；室外车辆环境至少 144kbit/s 。

（ 2 ）传输速率按需分配。（ 3 ）上下行链路能适应不对称业务的需

求。


（ 4 ）简单的小区结构和易于管理的信道结构。

（ 5 ）灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施。

2 ． IMT-2000 的频带划分

1992 年世界无线电行政大会（ WARC ）根据 ITU-R 对 IMT-2000 的业务量和所需频谱的估计，划分了 230MHz 带宽给 IMT-2000 。1885～ 2025MHz 及 2110～ 2200MHz 频带为全球基础上可用于 IMT-2000 的业务；1980～ 2010MHz 和 2170～ 2200MHz 为卫星移动业务频段共 60MHz ；其余 170MHz 为陆地移动业务频段，其中对称频段是 2 × 60MHz ，不对称的频段是 50MHz 。

9.1.2 第三代移动通信新技术

1 ．高效信道编译码技术在第三代移动通信系统中都采用了卷积码

和 Turbo码两种纠错编码。在高速率、对译码时延要求不高的数据链

路中使用 Turbo码以利于其优异的纠错性能；考虑到 Turbo码译码的复杂度、时延的原因，在语音和低速率、对译码时延要求比较苛刻的数据链路中使用卷积码，在其他逻辑信道中也使用卷积码。

2 ．软件无线电技术

软件无线电技术的基本思想是高速模 / 数（ A/D ）和数 / 模（ D/A ）转换器尽可能靠天线处理，所有基带信号处理都用软件方式替代硬件实施。

软件无线电系统的关键部分为宽带多频段天线、高速 A/D 和 D/A转换器以及高速信号处理部分。

2 ．软件无线电技术

软件无线电技术最大的优点是基于同样的硬件环境，针对不同的功能采用不同的软件来实施，其系统升级、多种模式的运行可以自适应地完成。软件无线电能实现多模式通信系统的无缝连接。

3 ．智能天线技术

无线覆盖范围、系统容量、业务质量、阻塞和掉话等问题一直困扰着蜂窝移动通信系统。

采用智能天线阵（ Adaptive Antenna Arrays ）技术可以提高第三代移动通信系统的容量及服务质量。


智能天线阵技术是基于自适应天线阵列原理，利用天线阵列的波束合成和指向，产生多个独立的波束，自适应地调整其方向图以跟踪信号变化；对干扰方向调零以减少甚至抵消干扰信号，提高接收信号的载干比（ C/I ），以增加系统的容量和频谱效率。


其特点在于以较低的代价换得无线覆盖范围、系统容量、业务质量、抗阻塞和掉话等性能的显著提高。

智能天线阵由 N 单元天线阵、 A/D转换器、波束形成器（ Beam-former ）、波束方向估计及跟踪器等几部分组成。

4 ．多用户检测和干扰消除技术

多用户检测的基本思想是把所有用户的信号都当做有用信号，而不是当做干扰信号。

经过近 20 年的发展， CDMA 系统多址干扰抑制或多用户检测技术，已慢慢走向成熟及实用。

考虑到复杂度及成本等的原因，目前的多用户检测实用化研究，主要围绕基站进行。

5 ．向全 IP 网过渡

全 IP 网络可节约成本，提高可扩展性、灵活性和使网络运作更有效率等；支持 IPv6 ，解决 IP 地址的不足和移动 IP 。

由于 IP 技术在移动通信中的引入，将改变移动通信的业务模式和服务方式。

基于移动 IP 技术，为用户快速、高效、方便地部署丰富的应用服务成为可能。

6 ． IMT-2000 无线协议分层模型

在 IMT-2000 中将 Um 接口分成 4 层：物理层、介质接入层、链路接入层和网络层（包括呼叫控制、移动性管理和无线电资源管理）。

9.1.3 第三代移动通信系统的业务及其特征 1 ．交互性业务交互性业务分为会话业务、消息业务和检索与存储业务三种。

（ 1 ）会话业务（ 2 ）消息业务（ 3 ）检索与存储业务

2 ．分配性业务

分配性业务是从一个中心源向网上数量不限的授权接收机分配一种连续的信息流。

它包括广播业务，用户可能或不能控制信息的呈现，信息可以给所有接收机或寻址一部或多部特定接收机。

3 ．移动性业务

移动性业务是直接与用户移动性相关的业务，包括终端移动性和个人移动性，如漫游业务。

一种特殊的移动性业务是定位业务。

9.2 cdma2000 的无线传输技术

cdma2000 是美国推出的满足 ITU IMT-2000 要求的第三代移动通信系统标准。

它是基于 IS-95CDMA 的宽带 CDMA 传输体制。

9.2 cdma2000 的无线传输技术

9.2.1 前向链路9.2.2 反向链路

9.2.1 前向链路

1 ．概述前向链路有两种模式可选择：多载波方式

和直接扩频方式。

1 ．概述

图 9-1 多载波与直接扩频方式

2 ．前向信道

前向信道分为前向公共信道和前向专用信道两大类。

（ 1 ）前向公共信道前向公共信道被覆盖区内的所有移动台公

用，其采用的长码掩码和扩频码为所有移动台所知。

前向公共信道支持的功能为软切换、相干检测、寻呼、同步和短数据通信。

2 ．前向信道

前向导频信道（ F-PICH ）前向公共辅助导频信道（ F-CAPICH ）前向同步信道（ F-SYNC ）前向寻呼信道（ F-PCH ）前向公共控制信道（ F-CCCH ）

2 ．前向信道

图 9-2 导频、同步和寻呼信道的框图

2 ．前向信道

（ 2 ）前向专用信道前向专用辅助导频信道（ F-DAPICH ）前向基本信道（ F-FCH ）

2 ．前向信道

图 9-3 前向公共控制信道结构（ N = 13 ）

2 ．前向信道

图 9-4 前向基本信道框图

2 ．前向信道

（ 3 ）交织、扰码与码元重复同步信道、寻呼信息及补充信息进行块交织的跨度为 20ms ，基本信道和专用控制信道块交织跨度为 5ms或 20ms 。

寻呼信道、专用控制信道、基本信道和补充信道的交织器输出序列要进行数据扰码，扰码速率与交织器输出的码元速率有关。

2 ．前向信道

（ 4 ）调制与扩频多载波方式直接扩频（ N > 1 ）

2 ．前向信道

图 9-5 多载波 CDMA前向链路结构

2 ．前向信道

图 9-6 复 PN扩展

2 ．前向信道

图 9-7 直接扩频 CDMA前向链路结构

9.2.2 反向链路

1 ．概述cdma2000 的反向链路采用直接序列扩频。基本扩频速率为 1.2288Mc/s ，记为 1X 。还可采用基本速率的 3 ， 6 ， 9 和 12倍的

速率，记为 3X ， 6X ， 9X 和 12X ，对应的码片速率分别为 3.6864Mc/s 、 7.37278Mc/s 、 11.0592Mc/s 和 14.7456Mc/s 。

1 ．概述

反向 CDMA 信道分为反向公共信道和反向专用信道两大类。

反向公共信道用于移动台与基站之间的初始呼叫控制及响应前向链路寻呼信道的消息。

反向公共信道采用随机接入协议，可用长码唯一地被识别。

反向专用信道用于移动台向基站发送用户业务、控制及信令信息。

2 ．反向专用信道

反向专用信道由若干物理信道组成：一个反向导频信道，一个反向基本（业务）信道（ R-FCH ），一个或若干个反向补充（业务）信道（ R-SCH ）和一个反向专用控制信道（ R-DCCH ）。


图 9-8 反向专用信道结构


（ 1 ）反向导频信道（ R-FICH ）（ 2 ）反向基本（业务）信道（ R-FCH ）（ 3 ）反向（补充）业务信道（ R-SCH ）


图 9-9 R-FCH 结构

3 ．反向公共信道

反向公共信道中的反向接入信道（ R-ACH ）和反向公共控制信道（ R-CCCH ）用于从移动到基站的 L3 层和 MAC 层消息的通信。

R-CCCH 与 R-ACH 的区别仅在于 R-CCCH 可提供更多的功能。

9.3 WCDMA （ UMTS ）系统的无线传输技术 9.3.1 概述9.3.2 FDD 模式的无线传输

9.3.1 概述

宽带码分多址（ WCDMA ）是第三代移动通信系统的主流体制，其典型代表是欧洲 ETSI 提出的 UMTS 。

WCDMA 系统采用直接序列扩频，基本带宽为 5MHz 。基本码片速率为 3.84Mc/s ，对应带宽近似为 5 MHz 。 WCDMA也规定了高码片速率，这是为了使WCDMA 将来可提供更高的数据速率。WCDMA 无线传输可以采用两种双工方式： FDD模式和 TDD 模式。

9.3.1 概述

WCDMA 的无线接口协议模型如图 9-10所示。 WCDMA继承了 GSM 无线接口协议的特点，定义了各种类型的信道。在无线接口上的信道有三种类型：物理信道、传输信道和逻辑信道。物理信道构成了物理层（ L1 ）实际的传输通道；物理层通过传输信道向 MAC 层提供支持： MAC 层通过逻辑信道向 RLC 层提供支持。

9.3.1 概述

图 9-10 无线接口协议模型

9.3.2 FDD 模式的无线传输

l ．传输信道传输信道分为两类：专用信道和公共信道。专用信道（ DCH ）用于以某个移动台和网

络之间传送用户信息或控制信息，可为上行或下行。

专用信道分为三种：专用业务信道（ DTCH ）、独立专用控制信道（ SDCCH ）和辅助控制信道（ ACCH ）。

l ．传输信道

DCH 可在整个小区内或仅限于小区的某个部分（如果使用波束成形天线）发送。

公共信道可由若干个用户共享，分为 4 种类型。

① 广播控制信道（ BCCH ）② 前向接入信道（ FACH ）③ 寻呼信道（ PCH ）④ 随机接入信道（ RACH ）

2 ．物理信道

物理信道是承载传输信道业务的物理载体，基本物理资源为扩频码和频率。

上行链路的专用物理信道分为两类：上行专用物理数据信道（上行 DPDCH ）和上行专用物理控制信道（上行 DPCCH ）。

上行链路的公共物理信道仅有物理随机接入信道（ PRACH ），用于承载 RACH ，支持移动台随机接入。

2 ．物理信道

下行链路的专用物理信道仅有一种类型，即下行链路专用物理信道（下行 DPCH ）。

下行链路的公共物理信道分为两类：主公共控制物理信道（主 CCPCH ）和辅助公共控制物理信道（辅助 CCPCH ）。

2 ．物理信道

同步信道（ SCH ）是下行物理信道，用于向小区内的移动台提供同步信息。 SCH含有两个子信道：主 SCH 和辅助 SCH 。

传输信道与物理信道之间的主要的映射关系如图 9-11所示。

2 ．物理信道

图 9-11 信道映射关系

3 ．帧结构

数据在传输信道是以传输块形式传送的。

3 ．帧结构

图 9-12 上行 DPDCH/DPCCH帧结构

3 ．帧结构

图 9-13 下行 DPDCH帧结构

3 ．帧结构

图 9-14 主 CCPCH帧结构

4 ．复用、编码与交织

传输信道的数据要经过复用、编码与交织等处理才映射到物理信道上。

这样可使得在一个连接（即一次接续）上并行传送多个业务，如图 9-15所示。


图 9-15 传输信道的处理


根据误码率和时延的要求，传输信道可采用不同的信道编码和交织方法，主要有如下几种。

① 卷积编码 ② RS级联编码 ③ Turbo编码④ 业务特定编码


图 9-16 Turbo编解码器框图

5 ．速率适配

速率适配的目的是使复用传输信道的信息比特速率与上行或下行物理信道的几个有限的比特速率相匹配。

速率适配分两类：静态速率适配和动态速率适配。

6 ．随机接入

UMTS 的随机接入消息由 RACH 传送，承载于物理随机接入信道（ PRACH ）上。

接入方式为时隙 ALOHA 方式。

6 ．随机接入

图 9-17 RACH 时隙号及其分布

6 ．随机接入

图 9-18 随机接入突发结构

7 ．扩频与调制

（ 1 ）上行信道上行专用物理信道的扩频与调制的框图如

图 9-19所示。


图 9-19 上行专用物理信道的扩频与调制


上行 DPDCH 和 DPCCH 分别映射到 I 支路和 Q 支路。

物理随机接入突发的消息部分的扩频与调制与上行专用物理信道基本相同，数据部分和控制部分在 I 和 Q 支路上分别传输。

信道化码为正交可变扩频因子（ OVSF ）码。


图 9-20 OVSF码生成码树


（ 2 ）下行信道下行 DPCH 的扩频与调制框图如图 9-21所

示。


图 9-21 下行 DPCH 的扩频与调制


在下行信道上，信息数据经过串 / 并变换，分成 I 和 Q两个支路，这两个支路先相同信道化码 Cch 进行扩频（实扩频），然后相同小区特定扰码 Cscr 进行扰码处理（实扰码）。

调制采有 QPSK ，调制码片速率为 3.84Mc/s 。脉冲成形滤波器采用 RRC ，滚降因子 = 0.22 。

8 ．发射与接收特性

（ 1 ）发射特性（ 2 ）接收特性UTRAN/FDD 的接收可采用三种分集方式：

时间分集，用信道编码和交织实现：多径分集，用 Rake 接收机或其他结构接收机实现；空间分集，采用最大比合并。


表 9-1 输出功率控制参数

上行链路（UL）下行链路（DL）

功率控制步长 0.25dB～1.5dB（可变） 0.25dB～1.5dB（可变）

功率控制速率 1.6kHz 1.6kHz

功率控制范围 80dB 30dB


图 9-22 发射机输出频谱特性

9.4 TD-SCDMA 系统的无线传输技术

9.4.1 概述9.4.2 传输信道与物理信道9.4.3 扩频和调制

9.4.1 概述

中国电信技术研究院推出的 TD-SCDMA 标准是 3G 的三个主流标准之一，是我国首次提出的电信技术标准建议。

TD-SCDMA综合了 TDD 和 CDMA 的技术优势，具有灵活的空中接口，采用了智能天线、多用户联合检测、上行同步及软件无线电等先进技术，因而在系统容量、频谱利用率高和抗干扰能力等方面都具有很强的优势。

9.4.1 概述

TD-SCDMA 的特点主要表现在如下几方面。（ 1 ）频谱灵活性和支持蜂窝网的能力（ 2 ）高频谱利用率（ 3 ）采用多种先进技术

9.4.1 概述

智能天线上行同步多用户联合检测动态信道分配（ DCA ）接力切换软件无线电。

9.4.1 概述

（ 4 ）适应多种使用环境（ 5 ）系统兼容

9.4.2 传输信道与物理信道

TD-SCDMA 系统的网络结构与标准化组织3GPP 制定的 UMTS 网络结构是一样的。

其特色在于无线接口（ Uu ）的物理层。

1 ．传输信道

传输信道分为两类：一类为公共信道，另一类为专用信道。 TD-SCDMA 的传输信道定义与 UTRAN-TDD相同。

2 ．物理信道帧结构

（ 1 ） TD-SCDMA 系统帧结构TD-SCDMA 的物理信道采用 4 层结构：系

统帧、无线帧、子帧和时隙，如图 9-23所示。


图 9-23 物理信道的帧结构


图 9-24 子帧结构


图 9-25 上下行时隙分配


（ 2 ）突发结构突发由两个数据块（长度为 352码片）、

一个中间码即训练序列（长为 144码片）和一个保护间隔（长为 16码片）组成，如图 9-26所示。


图 9-26 突发结构组成图


表 9-2 突发中每个数据块包含的符号数

扩频因子（Q）每个数据块符号数（N）

1 352

2 176

4 88

8 44

16 22


表 9-3 突发各个域的内容

码片号（CN）区域长度

（码片数）

区域长度

（符号数）

区域长度

（s）区域内容

0～351 352 参见表 9-2 275 数据

352～495 144 — 112.5 中间码

496～847 352 参见表 9-2 275 数据

848～863 16 — 12.5 保护间隔


TD-SCDMA 系统的物理层控制信令包括传输格式合成指示（ TFCI ）、发射功率控制（ TPC ）和同步偏移（ SS ）。


图 9-27 不发送 SS 和 TPC 时的物理层控制信令结构


图 9-28 发送 SS 和 TPC 时的物理层控制信令结构


（ 3 ）训练序列突发结构中的中间码即训练序列，用于信道估值、测量，例如上行同步的保持及功率测量等。

3 ．物理信道类型

（ 1 ）主公共控制物理信道（ PCCPCH ）（ 2 ）辅助公共控制物理信道（ SCCPC

H ）（ 3 ）物理随机接入信道（ PRACH ）（ 4 ）快速物理接入信道（ FPACH ）（ 5 ）物理上行共享信道（ PUSCH ）（ 6 ）物理下行共享信道（ PDSCH ）（ 7 ）寻呼指示信道（ PICH ）

4 ．传输信道到物理信道的映射表 9-4 传输信道至物理信道的映射关系

传输信道物理信道

DCH 专用物理信道（DPCH）

BCH 主公共控制物理信道（P-CCPCH）

PCH 辅助公共控制物理信道（S-CCPCH）

FACH 辅助公共控制物理信道（S-CCPCH）

PICH

RACH 物理随机接入信道（PRACH）

USCH 物理上行共享信道（PUSCH）

DSCH 物理下行共享信道（PDSCH）

下行导频信道（DwPCH）

上行导频信道（UpPCH）

FPACH

HS-DSCH 高速物理下行共享信道（HS-PDSCH）

HS-DSCH共享控制信道（HS-SCCH）

HS-DSCH共享信息信道（HS-SICH）

9.4.3 扩频和调制

1 ．数据调制在 TD-SCDMA 系统中采用的数据调制技术

是 QPSK 。对于 2Mbit/s 的业务，将使用 8PSK 调制

方式。这里讲的数据调制实际上是二进制的数据比特流到四进制（ QPSK ）或八进制（ 8PSK ）复数符号的映射。

1 ．数据调制

表 9-5 QPSK 调制方式连续二进制比特与复数符号间的映射关系

连续二进制比特复数符号

( , ) ( , )

1, 2,

k i k i

n nb b ( , )k i

nd

00 +j

01 +1

10 ? 1

11 ? j

1 ．数据调制表 9-6 8PSK 调制方式连续二进制比特与复数符号间的映射关系

连续二进制比特复数符号

( , ) ( , ) ( , )

1, 2, 3,

k i k i k i

n n nb b b ( , )k i

nd

000 cos（11pi/8）+jsin（11pi/8）

001 cos（9pi/8）+jsin（9pi/8）



100 cos（13pi/8）+jsin（13pi/8）

101 cos（15pi/8）+jsin（15pi/8）


111 cos（pi/8）+jsin（pi/8）

2 ．扩频调制

数据码流经过数据调制后成为复数符号序列，还要进行扩频调制，然后再送到脉冲成形单元。

扩频调制主要分扩频和加扰两步。

2 ．扩频调制

（ 1 ）扩频码TD-SCDMA 技术所采用的扩频码是一种 O

VSF码，它可以保证在同一个时隙上不同扩频因子的扩频码是正交的。扩频码的这种正交性用来区分同一时隙中的不同用户。

2 ．扩频调制

图 9-29 OVSF码码树

2 ．扩频调制表 9-7 每个信道化码所对应的系数值

k ( )

1

k

Qw ( )

2

k

Qw ( )

4

k

Qw ( )

8

k

Qw ( )

16

k

Qw

1 1 1 ? j 1 ? 1

2 +j 1 +j ? j

3 +j +j 1

4 ? 1 ? 1 1

5 ? j +j

6 ? 1 ? 1

7 ? j ? 1

8 1 1

9 ? j

10 +j

11 1

12 +j

13 ? j

14 ? j

15 +j

16 ? 1

2 ．扩频调制

（ 2 ）扰码数据经过信道化码扩频后，还要由一个小

区特定的复值序列即扰码进行加扰。扰码的长度为 16 ，该序列元素取值于复数，

即 Vv = {1,J,−1,−J}

2 ．扩频调制

复值序列根据下列公式由长度为 16 的二进制扰码序列 v = v1,v2 ，…， v16生成，扰码 v 的元素是虚实交替的，即

vi = （ j ） i × vi vi {1∈ ，− 1},i = 1,…,16

加扰前可以通过级联 QMAX/Qk 个扩频数据而实现长度匹配。正如前面所指出的，训练序列部分是不经过扩频和加扰的。

2 ．扩频调制

（ 3 ）脉冲成形与正交调制

C0 2

c C

sin π (1 ) 4 cos π 1

( )

π 1 4

C C

t t tT T T

RC tt t

T T

（）

2 ．扩频调制

图 9-30 脉冲成形与正交调制框图

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