1、1 3G 系统关键技术的研究摘要：第三代移动通信系统（3G）的目标主要是全球化、综合化和个人化，可以提供各种各样的更为丰富多彩的业务。在未来，随着各种先进信息技术的融合，3G 信息将是会有互相取长补短的功能。发展第三代移动通信系统在全球也形成共识，本文先分析了移动通信的发展趋势，重点阐述了 3G 系统关键技术及其特点，并讨论了 3G 在中国的应用，对未来移动通信系统做了展望。关键词：3G 系统 功率控制 分集接收 智能天线 OFDM 技术课程设计的教学目的1）培养学生正确的设计思想，理论联系实际的工作作风，严肃认真、实事求是的科学态度和勇于探索的创新精神。2）巩固所学的移动通信技术知识，培养学
2、生综合运用所学知识与生产实践经验，分析和解决工程技术问题的能力，培养初步的独立设计能力；3）掌握文献资料的检索与运用，并学会撰写严谨流畅的设计文档。1 移动通信的发展趋势第一代移动通信系统（如 AMPS 和 TACS 等）是采用 FDMA 制式的模拟蜂窝系统，其主要缺点是频谱利用率低、系统容量小、业务种类有限，不能满足移动通信飞速发展的需要。第二代移动通信系统（如采用 TDMA 制式的欧洲 GSM/DCS1800，北美 IS-54 和采用CDMA 制式的美国 IS- 95 等）则是数字蜂窝系统。虽然其容量和功能与第一代相比有了很大的提高，但其业务主要限于话音和低速率数据（9.6kb/s） ，远
3、不能满足新业务和高传输速率的需要。第三代移动通信系统简称 3G 系统，它最早是国际电联（ ITU- R）于 1985 年提出的，当时命名为未来公众陆地移动通信系统( FPLMTS)。由于当时预期该系统在 2000 年使用，并工作在 2000MHZ 频段，故于 1996 年正式改名为 I MT-2000。根据 IMT-2000 系统的基本标准，第三代移动通信系统主要由 4 个功能子系统构成，它们是核心网（CN）、无线接入网（RAN）、移动台（MT）和用户识别模块（UIM）。其中核心网和无线接入网是第三代移动通信系统的重要内容，也是第三代移动通信标准制订中最难办的技术内容。第三代移动通信系统大致目
4、标是全球化、综合化和个人化。全球化就是提供全球海陆空2 三维的无缝隙覆盖，支持全球漫游业务；综合化就是提供多种话音和非话音业务，特别是多媒体业务；个人化就是有足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。2 3G 标准国际电信联盟（ITU ）在 2000 年 5 月确定 WCDMA、CDMA2000 、TD-SCDMA 以及WiMAX 四大主流无线接口标准，写入 3G 技术指导性文件2000 年国际移动通讯计划（简称 IMT2000） 。 CDMA 是 Code Division Multiple Access (码分多址)的缩写，是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信
5、系统采用频分多址(FDMA)的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址(TDMA) 的数字调制方式，提高了系统容量，并采用独立信道传送信令，使系统性能大大改善，但 TDMA 的系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。2.1 W-CDMA也称为 WCDMA，全称为 Wideband CDMA，也称为 CDMA Direct Spread，意为宽频分码多重存取，这是基于 GSM 网发展出来的 3G 技术规范，是欧洲
6、提出的宽带 CDMA 技术，它与日本提出的宽带 CDMA 技术基本相同，目前正在进一步融合。 W-CDMA 的支持者主要是以 GSM 系统为主的欧洲厂商，日本公司也或多或少参与其中，包括欧美的爱立信、阿尔卡特、诺基亚、朗讯、北电，以及日本的 NTT、富士通、夏普等厂商。 该标准提出了 GSM(2G)-GPRS-EDGE-WCDMA(3G)的演进策略。这套系统能够架设在现有的GSM 网络上，对于系统提供商而言可以较轻易地过渡。预计在 GSM 系统相当普及的亚洲，对这套新技术的接受度会相当高，因此 W-CDMA 具有先天的市场优势。 2.2 CDMA2000CDMA2000 是由窄带 CDMA(C
7、DMA IS95)技术发展而来的宽带 CDMA 技术，也称为CDMA Multi-Carrier，它是由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、Lucent 和后来加入的韩国三星都有参与，韩国现在成为该标准的主导者。这套系统是从窄频 CDMAOne数字标准衍生出来的，可以从原有的 CDMAOne 结构直接升级到 3G，建设成本低廉。但目前使用 CDMA 的地区只有日、韩和北美，所以 CDMA2000 的支持者不如 W-CDMA 多。不过 CDMA2000 的研发技术却是目前各标准中进度最快的，许多 3G 手机已经率先面世。3 该标准提出了 CDMA IS95(2G)-CDMA20001x-CDM
8、A20003x(3G)的演进策。CDMA20001x被称为 2.5 代移动通信技术。CDMA20003x 与 CDMA20001x 的主要区别在于应用了多路载波技术，通过采用三载波使带宽提高。目前中国电信正在采用这一方案向 3G 过渡，并已建成了 CDMA IS95 网络。 2.3 TD-SCDMA全称为 Time Division - Synchronous CDMA(时分同步 CDMA)，该标准是由中国大陆独自制定的 3G 标准，1999 年 6 月 29 日，中国原邮电部电信科学技术研究院（大唐电信）向 ITU 提出。该标准将智能无线、同步 CDMA 和软件无线电等当今国际领先技术融于其
9、中，在频谱利用率、对业务支持具有灵活性、频率灵活性及成本等方面的独特优势。另外，由于中国内的庞大的市场，该标准受到各大主要电信设备厂商的重视，全球一半以上的设备厂商都宣布可以支持 TDSCDMA 标准。 该标准提出不经过 2.5 代的中间环节，直接向 3G 过渡，非常适用于 GSM 系统向 3G 升级。 2.4 WiMAXWiMAX 的全名是微波存取全球互通，又称为 80216 无线城域网，是又一种为企业和家庭用户提供“ 最后一英里 ”的宽带无线连接方案。将此技术与需要授权或免授权的微波设备相结合之后，由于成本较低，将扩大宽带无线市场，改善企业与服务供应商的认知度。2007 年 10 月 19
10、 日，国际电信联盟在日内瓦举行的无线通信全体会议上，经过多数国家投票通过，WiMAX 正式被批准成为继 WCDMA、CDMA2000 和 TD-SCDMA 之后的第四个全球 3G 标准。3 3G 系统的关键技术3.1 功率控制技术3.1.1 功率控制的基本概念功率控制技术是指在满足网络连通度 BD235 的前提下，通过节点功率控制或动态调整节点的发射功率，精简节点间的无线通信链路，保留生成一个高效的数据转发网络拓扑结构，在保证网络拓扑结构连通的基础上，使得网络中节点的能量消耗最小。典型的功率控制技术主要研究关键传输距离问题。3.1.2 功率控制的作用因为 CDMA 系统是一个干扰受限系统，所有
11、用户共享频段和空间时间，相对于某一4 个特定的用户，其他所有用户的功率跟背景干扰一起组成了噪音。基站跟手机之间的信息交互以帧为单位，为了保证控制一定的误帧率 FER 水平，就必须保证帧信息到达对方的时候功率不能太弱，但是也不能太强，因为会给其他用户造成干扰而降低系统容量。所以，功率控制就是要在保证 FER 的前提下，使每一个用户都使用尽可能低的发射功率，而且使每一个用户到达基站的功率都相等。3.1.3 功率控制的应用情况在 WCDMA 系统中，作为无线资源管理的功率管理是非常重要的环节。这是因为在WCDMA 系统中，功率是最终的无线资源，一方面，提高针对用户的发射功率能够改善用户的服务质量；另
12、一方面，WCDMA 采用宽带扩频技术，所有信号共享相同的频谱，每个移动台的信号能量被分配在整个频带范围内，这样对其他移动台来说就成为宽带噪声，这种提高会带来对其他用户接收质量的降低。且各用户的扩频码之间存在着非理想的相关特性，用户发射功率的大小将直接影响系统的总容量，所以功率的使用在 CDMA系统是矛盾的，从而使得功率控制技术成为 CDMA 系统中的最为重要的关键技术之一。3.2 分集接收技术3.2.1 分集接收的基本概念分集接收就是克服这种衰落的一种方法。分集接收是利用信号和信道的性质，将接收到的多径信号分离成互不相关的多径信号，然后将多径衰落信道分散的能量更有效地接收起来处理之后进行判决，
13、从而达到抗衰落的目的。分集技术包括 2 个方面：一是分散传输,使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号;二是集中处理,即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。因此，要获得分集效果最重要的条件是各个信号之间应该是“不相关” 。3.2.2 分集接收的基本原理分集的基本思想是将接收到的多径信号分离成不相关的多路信号，然后把这些多路信号分离信号的能量按一定的规则合并起来，使接收到的有用信号能量最大，进而提高接收信号的信噪比，正确的恢复出原发送信号。如果不采用分集技术，在噪声受限的条件下，发射机必须要发送较高的功率，才能保证信道情况较差时链路正常连接。在移动无线环境
14、中，由于手持终端的电池容量非常有限，所以反向链路中所能获得的功率也非常有限，而采用分集方法可以降低发射功率，这在移动通信中非常重要。5 3.2.3 分集接收的作用分集接受技术是一项主要的抗衰落技术，他可以大大提高多径衰落信道传输下的可靠性，在实际的移动通信系统中，移动台常常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中，而且移动的速度和方向是任意的。发送的信号经过反射、散射等的传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落。不同路径的信号分量具有不同的传播时延、相位和振幅，并附加有信道噪声，它们的叠加会使复合信号相互抵消或增强，导
15、致严重的衰落。这种衰落会降低可获得的有用信号功率并增加干扰的影响，使得接收机的接收信号产生失真、波形展宽、波形重叠和畸变，甚至造成通信系统解调器输出出现大量差错，以至完全不能通信。此外，如果发射机或接收机处于移动状态，或者信道环境发生变化，会引起信道特性随时间随机变化，接收到的信号由于多普勒效应会产生更为严重的失真。在实际的移动通信中，除了多径衰落外还有阴影衰落。当信号受到高大建筑物或地形起伏等的阻挡，接收到的信号幅度将降低。另外，气象条件等的变化也都影响信号的传播，使接收到的信号幅度和相位发生变化。这些都是移动信道独有的特性，它给移动通信带来了不利的影响。3.3 智能天线技术3.3.1 智能
16、天线的基本概念智 能 天 线 也 叫 自 适 应 阵 列 天 线 它 由 天 线 阵 、 波 束 形 成 网 络 波 未 形 成 算 法 三 部 分组 成 。 它 通 过 满 足 某 种 准 则 的 算 法 去 调 节 各 阵 元 信 号 的 加 权 幅 度 和 相 位 。 从 而 调 节 天线 阵 列 的 方 向 图 形 状 。 达 到 增 强 所 需 信 号 抑 制 干 扰 信 号 的 目 的 。近年来，智能天线技术已经成为移动通信中最具有吸引力的技术之一。智能天线采用空分多址技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。与无方向性
17、天线相比较，其上、下行链路的天线增益大大提高，降低了发射功率电平，提高了信噪比，有效地克服了信道传输衰落的影响。同时，由于天线波瓣直接指向用户，减小了与本小区内其它用户之间，以及与相邻小区用户之间的干扰，而且也减少了移动通信信道的多径效应。CDMA 系统是个功率受限系统，智能天线的应用达到了提高天线增益和减少系统干扰两大目的，从而显著地扩大了系统容量，提高了频谱利用率。3.3.2 智能天线的工作原理6 TDSCDMA 的智能天线使用一个环形天线阵，由 8 个完全相同的天线元素均匀地分布在一个半径为 R 的圆上所组成。智能天线的功能是由天线阵及与其相连接的基带数字信号处理部分共同完成的。该智能天
18、线的仰角方向辐射图形与每个天线元相同。在方位角的方向图由基带处理器控制，可同时产生多个波束，按照通信用户的分布，在 360的范围内任意赋形。为了消除干扰，波束赋形时还可以在有干扰的地方设置零点，该零点处的天线辐射电平要比最大辐射方向低约 40dB。TDSCDMA 使用的智能天线当N8 时，比无方向性的单振子天线的增益分别大 9dB（对接收）和 18dB（对发射） 。每个振子的增益为 8dB，则该天线的最大接收增益为 17dB，最大发射增益为 26dB。由于基站智能天线的发射增益要比接收增益大得多，对于传输非对称的 IP 等数据、下载较大业务信息是非常适合的。3.3.3 智能天线的主要功能在 C
19、DMA 系统中，采用智能天线和波束赋形技术，能够在多个方面大大改善通信系统的性能，概括地讲主要有：提高了基站接收机的灵敏度，提高了基站发射机的等效发射功率，降低了系统的干扰，增加了 CDMA 系统的容量，改进了小区的覆盖，降低了无线基站的成本。由于采用智能天线后，应用波束赋形技术显著提高了基站的接收灵敏度和等效发射功率，能够大大降低系统内部的干扰和相邻小区之间的干扰，从而使系统容量扩大一倍以上；同时也可以使业务高密度的市区和郊区所要求的基站数目减少。在业务稀少的乡村，无线覆盖范围将增加一倍，这也意味着在所覆盖的区域的基站数目降至通常情况的1/4。天线增益的提高也能够降低高频功率放大器（ HPA
20、）的线性输出功率。因为 HPA 的费用占收发信机成本的主要部分。所以，智能天线的采用将显著降低运营成本、提高系统的经济效益。3.3.4 智能天线的应用情况目前，移动通信系统中使用智能天线技术多是无线基站端使用天线阵和相干无线收发信机来实现射频信号的接收和发射，同时，通过基带数字信号处理器，对各个天线链路上接收到的信号按一定算法进行合并，实现上行波束赋形。对于 WCDMA 和 CDMA2000 系统而言，智能天线虽然是推荐配置，但是当今的一些 WCDMA 和 CDMA2000 的基站产品已经开始支持智能天线了。 在 TD- SCDMA 系统中的应用。TD-SCDMA（时分同步的码分多址）智能天线
21、的高7 效率是基于上行链路和下行链路的无线路径的对称性而获得的。此外，智能天线可减少小区间干扰，也可减少小区内干扰。智能天线的这些特性可显著提高移动通信系统的频谱效率。TD- SCDMA 系统的智能天线是由 8 个天线单元的同心阵列组成的，直径为25cm。同全方向天线相比，它可获得较高的增益。其原理是使一组天线和对应的收发信机按照一定的方式排列和激励，利用波的干涉原理可以产生强方向性的辐射方向图，使用 DSP 使主瓣自适应地指向移动台方向，就可达到提高信号的载干比，降低发射功率等目的。智能天线的上述性能允许更为密集的频率复用，使频谱效率得以显著地提高。3.4 OFDM 技术3.4.1 OFDM
22、 技术的概念OFDM 的英文全称为 Orthogonal Frequency-Division Multiplexing，中文含义为正交频分复用技术。 这种技术是 HPA 联盟工业规范的基础，它采用一种不连续的多音调技术，将被称为载波的不同频率中的大量信号合并成单一的信号，从而完成信号传送。由于这种技术具有在杂波干扰下传送信号的能力，因此常常会被利用在容易受外界干扰或者抵抗外界干扰能力较差的传输介质中。3.4.2 OFDM 技术的原理OFDM 技术，实际上 OFDM 是 MCM （Multi-CarrierModulation ） ，多载波调制的一种。其主要思想是：将信道分成若干正交子信道，将
23、高速数据信号转换成并行的低速子数据流，调制到在每个子信道上进行传输。正交信号可以通过在接收端采用相关技术来分开，这样可以减少子信道之间的相互干扰 ICI 。每个子信道上的信号带宽小于信道的相关带宽，因此每个子信道上的可以看成平坦性衰落，从而可以消除符号间干扰。而且由于每个子信道的带宽仅仅是原信道带宽的一小部分，信道均衡变得相对容易。 3.4.3 OFDM 技术的作用在向 B3G/4G 演进的过程中，OFDM 是关键的技术之一，可以结合分集，时空编码，干扰和信道间干扰抑制以及智能天线技术，最大限度的提高了系统性能。包括以下类型：V-OFDM，W-OFDM，F-OFDM，MIMO-OFDM ，多带
24、 -OFDM。OFDM 中的各个载波是相互正交的，每个载波在一个符号时间内有整数个载波周期，每个载波的频谱零点和相邻载波的零点重叠，这样便减小了载波间的干扰。由于载波间有部分重叠，所以它比传统的 FDMA 提高了频带利用率。 8 在 OFDM 传播过程中，高速信息数据流通过串并变换，分配到速率相对较低的若干子信道中传输，每个子信道中的符号周期相对增加，这样可减少因无线信道多径时延扩展所产生的时间弥散性对系统造成的码间干扰。另外，由于引入保护间隔，在保护间隔大于最大多径时延扩展的情况下，可以最大限度地消除多径带来的符号间干扰。如果用循环前缀作为保护间隔，还可避免多径带来的信道间干扰。 3.4.4
25、 OFDM 技术的应用情况2004 年 11 月，根据众多移动通信运营商、制造商和研究机构的要求，3GPP 通过被称为 LongTermEvolution(LTE)即“3G 长期演进”的立项工作。项目以制定 3G 演进型系统技术规范作为目标。3GPP 经过激烈的讨论和艰苦的融合，终于在 2005 年 12 月选定了LTE 的基本传输技术，即下行 OFDM，上行 SC(单载波)FDMA。OFDM 由于技术的成熟性，被选用为下行标准很快就达成了共识。而上行技术的选择上，由于 OFDM 的高峰均比(PAPR)使得一些设备商认为会增加终端的功放成本和功率消耗，限制终端的使用时间，一些则认为可以通过滤波
26、，削峰等方法限制峰均比。不过，经过讨论后，最后上行还是采用了 SC-FDMA 方式。拥有我国自主知识产权的 3G 标准TD-SCDMA 在 LTE 演进计划中也提出了 TDCDMOFDM 的方案 B3G/4G 是 ITU 提出的目标，并希望在 2010年予以实现。B3G/4G 的目标是在高速移动环境下支持高达 100Mb/S 的下行数据传输速率，在室内和静止环境下支持高达 IGb/S 的下行数据传输速率。而 OFDM 技术也将扮演重要的角色。4 我国 3G 产业发展现状2009 年 1 月 7 日，中国工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国联通发放 3 张第三代移动通信牌照。中国移动使用我国
27、具有自主知识产权的 3G 标准 TD-SCDMA，中国电信获得 CDMA2000 牌照，中国联通获得 WCDMA 牌照。2009 年成为中国 3G 正式商用元年。中国 3G 发展相对先进国家比较晚，2009 年我国才正式迈进 3G 时代。在经济危机低迷的状态下，我国 3G 发展需要借助行业发展来拉动内需，同时刺激消费来实现经济结构转变，这对于 3G 来说，是一个莫大的挑战。未来全球 3G 市场将纵深发展，中国 3G 商用将在电信业务增长、移动宽带发展、TD 完善、运营市场均衡和共建共享五个方面全面推进。估计到 2009 年底，以大规模用户放号为标志，中国通信业将全面进入 3G 时代，届时 3G
28、 将全面开始商用。2-3 年后，9 3G 用户发展将进入高峰期，预计 5 年内将有一半的移动用户成为 3G 用户。中国的 3G 蛋糕非常之大，发展前景广阔，中国 3G 发展也将极大地推动全球 3G 的发展。5 总结通过此次对 3G 系统关键技术的研究，我进一步了解了移动通信系统的发展以及 3G系统的标准和关键技术。3G 系统的关键技术是系统能够实现有效通信的重要保证，通过分析研究我掌握了关键技术在系统中的作用，及各关键技术在不同 3G 标准中的应用情况。随着 3G 技术的快速发展，越来越多的传统互联网用户开始使用移动互联网服务，甚至于一些不用互联网的用户也开始享用移动互联网服务。因为移动互联网
29、的出现正在极大的改变人们在信息时代的社会生活。移动音乐、手机游戏、视频应用、手机支付、GPS定位等丰富多彩的移动互联网应用正在飞速的发展。通过本次课程设计，不仅让我巩固了课堂所学知识，通过各种方式广泛查阅相关资料，独立、自主的进行设计及文档的撰写，还使我丰富了自己，做到理论与实际相结合，继承与创新相结合，使自己懂的了许多相关知识，这样不仅提高了自己，还扩展了自己的知识面，为以后学习和工作都奠定了良好的基础。参考文献1 李建东,郭梯云,邬国扬.移动通信.西安电子科技大学出版社 ,2006,4：2783682 李坤.中国移动通信市场的新动向.数字通信世界,2005,9 ：37413 郭水文.3G 时代通信网络服务市场的竞争 .中国科技论坛,2010,4：1221234 张平.Beyond 3G 移动通信系统关键技术 .北京邮电大学学报,2002,3：23255 吴伟陵.移动通信中的关键技术.北京邮电大学出版社,2002 ：1051126 卢孟夏.通信技术概论.高等教育出版社,2005：7792
