蜂窝网络技术

计算机网络

- 线下讨论

名称：蜂窝网络的技术和应用

学院：计算机学院

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学号：实验日期：2015年5月8日

负责模块：第三代蜂窝网络技术（第五部分）

小组成员：

蜂窝网络历史

移动通信的发展历史可以追溯到19世纪。1864年麦克斯韦从理论上证明了电磁波的存在；1876年赫兹用实验证实了电磁波的存在；1900年马可尼等人利用电磁波进行远距离无线电通信取得了成功，从此世界进入了无线电通信的新时代。

现今我们每天用到的移动通信技术开始于20世纪20年代的初期。最初美国Purdue大学学生发明了工作频率为2MHz的无线电接收机，并很快在底特律的警察局的车载无线电系统中投入使用，这成为了世界上首个可以有效工作的移动通信系统；20世纪30年代初，第一部调幅制式的双向移动通信系统在美国新泽西的警察局投入使用；20世纪30年代末，第一部调频制式的移动通信系统诞生，实验表明调频制式的移动通信系统要比调幅制式的移动通信系统更加有效。在随后的10几年间，调频制式的移动通信系统占据主导地位，也是在这个时期中，通信实验和电磁波传输的实验等工作完成了，在短波波段上实现了小容量专用移动通信系统。然而此时的移动通信系统存在诸多的缺陷，难以与公众网络互通。

第二次世界大战期间，由于军事上的需求，极大的促进了移动通信技术的快速发展。战后，军事移动通信技术逐渐被应用于民用领域，到20世纪50年代，美国和欧洲部分国家相继成功研制了公用移动电话系统，在技术上实现了移动电话和公众电话网络的互通，并且得到了广泛的应用。不过当时这种移动电话系统仍然采用人工接入方式，存在局限性，系统容量小。

从20 世纪60 年代中期至70年代中期，美国推出了改进型移动电话系统，它使用150MHz和450MHz频段，采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择及自动接入公用电话网。20世纪70 年代中期，随着民用移动通信用户数量的不断增加，以及业务范围的扩大，可用频道数要求递增与有限的频谱供给之间的矛盾日益尖锐。为了更有效地利用有限的频谱资源，美国贝尔实验室提出了在移动通信发展史上具有里程碑意义的AMPS，它为移动通信系统在全球的广泛应用开辟了新的道路。

冲80年代中期开始，移动通信蓬勃发展，走向成熟，开发了新一代的数字蜂窝移动通信系统。由于数字无线传输的频谱利用率高，系统的容量得到大大地提升。除此之外，数字网能够同时提供语音，数据等多种业务。

五第三代蜂窝网络

第二代蜂窝网络目前虽然可以满为人们通信，接入因特网等需求，但是由于其带宽以及速度的限制，满足不了越来越多的需求，于是第三代蜂窝网络应运而生。

5.1 第三代蜂窝网络特点

了满足当今对于第三代通讯网络系统全球化、综合化和个人化等需求，与第二代相比第三代蜂窝网络系统主要具有以下特点：

1.支持移动多媒体业务。

2.高频谱效率。

3.高保密性、低成本、低功耗和小体积。

4.全球范围无缝漫游系统。

5.带宽CDMA技术。

6.从电路交换到分组交换。

7.微蜂窝结构。

8.高服务质量。

5.2 第三代蜂窝网络的主流技术

带宽CDMA技术是第三代蜂窝网络的主要技术，其中主流技术是日本与欧洲的带宽CDMA标准WCDMA，美国的CDMA2000和中国的TD-SCDMA三种。这三种技术都采用的CDMA技术，各有优劣，总体水平相当。WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA 三大技术标准的比较如表5-1所示。

表5-1 3G的三大主流技术标准比较

WCDMA CDMA2000 TD-SCDMA 最小带宽要求5MHz 1.25MHz整数倍 1.6MHz

双工方式FDD/TDD FDD TDD

扩频技术类型单载波和带宽DS 多载波和带宽DS 时分同步CDMA

码片速率 3.84Mcps 1.2288Mcps 1.28Mcps

基站同步异步（不需GPS）同步（需GPS）同步（主从同步）帧长10ms 20ms 10ms 调制方式（正/反）QPSK/BPSK QPSK/BPSK QPSK/8PSK 同步检测与导频信令相干与导频信令相干与导频时隙切换软切换软切换接力切换功率控制速度1500Hz 800Hz 1400Hz

5.3 WCDMA 系统结构与主要技术

WCDMA延续了原有的GSM蜂窝网络体系结构，原来二代的运营商可以使用原有的核心网络，在无线部分使用WCDMA，这样很轻松就升级到第三代。同时GSM 在第二代蜂窝网络在全球约70%的市场份额，因此有较好的业务和市场延续性。

如图1所示，WCDMA的系统结构由用户设备（UE）、UMTS地面无线接入网（UTRAN

或RAN）和核心网（CN）三部分组成。

UTRAN CN

图5-1 WCDMA系统结构

WCDMA技术使用的频段一共120MHz，上下行各60MHZ：上行（1920~1980MHz）和下行（2110~2170MHz）。

WCDMA技术在与其他两个技术标准的市场竞争中，在运营商的数量上取得了胜利。然而，其网络所支持的数据速率却长期停留在理论上的384kbps的水平，这速率不能很好的满足许多对于流量和延时要求较高的业务（视频、流媒体和下载等）的需求。这无法与CDMA2000 1X EV-DO的 2.4Mbps的峰值速率和300kbps~500kbps宽带服务的平均下载速率相媲美。HSDPA（高速下行分组接入）技术提高了WCDMA网络的下行数据传输速率，其理论最大值为14.4Mbps。HSDPA 不但支持高速不对称数据业务，还大大增加了网络容量，该技术是WCDMA网络建设中提高下行容量和数据业务的一项重要技术。

数据业务与语音业务具有不同的业务特性。一般的语音业务对于语音通讯的延时敏感性比较高，通讯速率的恒定性要求高，然而对于通讯的误码率要求较低。数据业务与之相反，容忍延时和通讯速率的变化，但是对于误码率比较敏感。因此，HSDPA参考了CDMA2000 1X的EV-DO机制，充分考虑到数据业务的特点并采用了一些关键技术。WCDMA的HSDPA的关键技术主要有以下几点：

1. 快速链路调整技术-自适应调制和编码（AMC）。语音通讯系统通常采用功率控制技术以抵消信道衰弱对于通讯速率的影响，以保证稳定的速率。HSDPA不是去改善信道状况，而是根据信道的情况动态调整通讯速率。因此，链路层调整单元能够快速检测信道的变化情况，并针对不同的状况采用相应的编码调制方案来实现通讯速率的调整。

2. 结合软合并的混合和重传（HARQ）技术。HARQ技术把前馈纠错（FEC）和ARQ 方法结合起来，保存先前的尝试失败的信息，以用于之后的数据解码中。

3. 集中调度技术。集中调度技术是决定HSDPA性能的关键因素。集中调度机制使系统能够根据所有用户的情况来决定每个用户如何使用信道，使得信道总是被与其状况相匹配的用户使用，以获得最大限度的信道利用率。

5.4 CDMA2000概述与移动IP技术

CDMA2000是一种兼容IS-95的宽带CDMA技术。在从IS-95向CDMA2000过度是采用码聚集技术，由原来的一个用户分配单码道变成一个用户分配多个码道（多达8个码道）以提高传输速率并实现上下行的不对称数据传输。其过度过程分成三个阶段：第一阶段、由IS-95B向CDMA2000 1X过渡；第二阶段、由CDMA2000 1X向CDMA2000 1X EV-DV过渡；第三阶段、由CDMA2000 1X EV-DV向CDMA20003X 过渡。

CDMA2000 1X的移动IP是为了解决因特网中节点的移动性而引入的IP协议。

移动IP主要由移动节点（MN）、本地代理（HA）和外地代理（FA）三个功能实体组成。HA和FA通过广播消息向MN告知它们的存在，MN通过收到的广播消息来确定自己所处的网络。当MN确定自己所处的网络从本地网移动到外地网时，MN 将通过在外地网获得的转交地址（转交地址可能从FA的广播消息中获得或者其他的地址分配机制获得）向HA进行注册；当MN确定自己所处的网络从外地网返回到本地网时，MN直接用本地网地址向HA进行注册。所有目的为MN的分组数据都首先传送给HA，HA在根据注册信息确定MN所处的网络，若MN在本地网，则正常转发；若MN在外地网，则根据转交地址使用隧道技术转发给MN。MN发送的分组数据直接根据标准的IP路由，不需要经过HA。在HA与处于外地网的MN 通讯时，可以不通过FA也可以通过FA。MN主动向HA注册，告知其所在网络，因此HA知道MN所在的实际网络。所有想要与MN通讯的其他节点由于不知道MN 的实际所在网络，都只能将数据分组发送到MN的HA，先经MN的HA再与MN通讯，这样就解决的MN的移动问题了。

5.5 TD-SCDMA信道分配和可用频段

TD-SCDMA是中国历史上第一个具有自主知识产权的国际通信标准，其采用了时分多址复用（TDMA）和时分双工技术（TDD）、软件无线电、智能天线和同步CDMA技术。TDD技术使TD-SCDMA频谱分配更容易，而且时隙调配灵活，在提供上下行非对称的高速数据通讯有较大优势。智能天线和多用户检测等新技术也提高了无线频谱的利用率。

TD-SCDMA可以通过调整正向和反向时隙的数量比例来实现各种业务上下行不对称的数据通讯。如图2为TD-SCDMA的灵活分配正反向话务信道的示例图。

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↓↓↓↓↓↓↓↑↑↑↓↓↓↓

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1上行/6下行（文件下载、Internet浏览等）

对称结构（语

音呼叫等）6上行/1下行（上传文件等）

5ms

5ms

5ms

图5-2 话务信道分配示例

中国的频率分配与TD-SCDMA的可用频段如图5-3所示：

40 MHz 60MHz

30

MHz

15

MHz

85MHz60MHz

1880192019802010202521102170 TDD FDD卫星TDD空FDD

图5-3 TD-SCDMA的可用频段

其中，频段A：1880-1920MHz，按照每波道1.6MHz可提供25个频道；频段B：2010-2025MHz，按照每波道1.6MHz可提供9个频道。还有一个补充频段C：2300-2400MHz，按照每波道1.6MHz可提供62个频道。

5.6 第三代蜂窝网络的关键技术

第三代蜂窝网络的关键技术与挑战主要有以下几点：

1.信道编码技术。如何设计与选择效率高、编码增益高、算法简单、低延时、

对同步要求不过高的信道编码技术。

2.克服多径影响。

3.多速率匹配。不同的信号速率采用相应的RF信号码片与之适应。

4.同步技术。实现可靠的帧同步、符号同步、扰码同步和PN码同步。

5.多用户检测技术。用算法来消除多个用户之间的相互干扰。

5.7 第三代蜂窝网络技术的应用

5.7.1 蜂窝网络无线定位

随着蜂窝移动通信技术的迅速发展，蜂窝无线定位技术越来越受到人们的重视。利用移动蜂窝网络对移动台定位的方法主要有三类：

1.基于电波场强的定位技术；

电波场强定位技术主要依据电波场强度与传播距离的平方成反比，因此，通过检测接受到的信号强度，在根据发射信号的初始值和电场信号衰落模型就可以计算出移动发送节点到信号接收基站的距离。根据三个或三个以上的基站所计算出来的距离值和参与定位基站的物理坐标就可以计算出移动节点的物理坐标。这种技术简单易行，但是精度有一定局限性，多用于精度要求不高的场合。其精度的局限性主要由于受到天线的安装可能倾斜、基站的扇形特性、无线电系统的变化以及物理环境、车辆等诸多因素的影响，很难建立精确反映服务范围内无线电波的传播模型造成的。

2.基于电波到达入射角（AOA）的定位技术；

AOA技术的实现主要依赖与阵列天线的使用。无线电波从移动节点发出到达基站时，利用基站上安装的阵列天线能够检测出无线电波的入射角，这样就构成了从基站到移动节点的径向连线（测位线），通过计算出两个或两个以上的基站测位线的交点就能获得移动节点的坐标。这种方法不会产生定位的模糊性，精度较高，但是AOA技术要求每个基站都需要安装阵列天线，大大增加了网络建设费用。AOA技术的优点在于仅需要两个基站参与定位就能实现移动节点的定位功能。但是，当移动节点离定位基站较远时，基站定位角度的微笑偏差也会导致定

位距离的较大误差。

3.基于电波到达时间（TOA）或到达时间差（TDOA）的定位技术。

电波到达时间或到达时间差的定位技术是基于蜂窝网络的无线定位系统应用最广泛的一项技术。电波到达时间定位技术通过测量目标移动节点发出的无线电波信号直线到达基站的时间，根据电磁波在空中的传播速度可以计算出目标移动节点与基站之间的距离，即移动节点位于以基站为圆心的传播距离为半径的圆上，根据至少三个基站的园的交点，就能定位移动节点的物理位置。但是，这种技术要求基站知道移动节点发送信号的时间，并且要求基站与移动节点有非常精确的时钟与时钟同步技术。为了克服TOA技术的这一缺点，提出了基于到达时间差的定位技术。TDOA技术它是通过测量移动节点的信号到达两个基站的时间差来实现移动节点的定位的，这就大大降低了时间同步的要求。TDOA技术中移动节点位于以两个基站为焦点的双曲线上，通过建立至少三个双曲线方程，通过求解即可获得移动节点的物理坐标。

以上两种技术只要求基站能够计算出信号到达时间或时间差，无需对原有网络设备进行大规模的改造就能够实现对移动节点的精确定位，成为蜂窝网络无限定位的研究重点。其中，TruePositon公司所提供的40米精度的定位业务就是采用了U-TDOA定位技术。

由于移动通信系统的通信环境复杂多变，因此各种依赖于通信信号测量的定位技术都受到各中因素的影响。影响定位精度的主要因素有：

1.多径传播；

2.NLOS传播；

3.CDMA多址接入干扰；

4.参与定位的基站数；

5.几何精度因子。

5.7.2 基于3G的安防系统

在安防系统中引入3G技术，能够大大方便和有效的帮助我们对家庭或者企业进行安全监控。在家庭或者企业需要监控的地方安装3G网络摄像机，使3G 网络摄像机通过3G无线上网接入3G网络（TD-SCDMA、WCDMA或CDMA2000），用户可以轻松的实现随时随地的查看监控视频。与传统的IP接入的不同之处，也是优势在于用户可以使用手机通过高速的3G网络来实时查看现场视频。而传统的网络监控则需要用户必须坐在监控终端或者电脑前面，基于3G的安防监控相当于给用户提供了一个小型的移动监控终端。图5-4为基于第三代蜂窝网络（3G）的安防系统示意图：

用户

用户

基站

基站

3G摄像机

3G摄像机

图5-4 基于3G安防系统示意图

5.7.3 医学影像远程服务

随着社会的发展，人们对于健康的关注也越来越多。然而，在一些偏远地区、农村和一些小城市的医疗资源相对匮乏，特别是各个医疗领域的专家都集中一些大城市。基于第三代蜂窝网络的“医学影像远程服务”能够使医疗资源共享，扩大专家技术的辐射范围，提高基层医疗水平，使国家医疗技术资源全社会共享，使“人人享有平等医疗”成为现实。

3G网络给“医学影像远程服务”提供高速的网络多媒体传输，再加上分布式数据管理和集成信息平台，为医患之间提供高质量的无损坏的医学影像传输。只要在有3G网络覆盖的城乡或农村，通过手机就能与专家进行交流，除了文字和语音的沟通，医生更能通过患者实时视频来做出更精确的诊断。