移动通信课程设计

3G系统关键技术的研究

摘要：第三代移动通信系统（简称3G系统）是移动通信发展的新的里程碑，3G系统的关键技术是系统能够实现有效通信的重要保证。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。

1 绪论

移动通信技术是当今世界上发展最快、应用最广和最前沿的科学技术之一，特别是第三代移动通信技术（3G）的发展十分迅速，这种快速的变化给我国的电子信息产业的长期发展带来了越来越多的机遇和挑战。由于我们的需要不断增长，第三代移动通信系统应运而生，进而正一步一步走进千家万户。3G移动通信系统的出现给人们的生活带来了诸多方便，也给生活带来全新享受。由于移动通信发展的最终目标是实现任何人可以在任何地点、任何时间与任何人进行任何方式的通信，所以随着社会的发展，知识的积累，4G也在孕育着，但在每一代通信系统升级换代的时候，如何利用原有的系统和设备，在原来的系统设备上进行升级换代，达到平滑过渡的目的，一直都是人们考虑和关心的问题。所以学好3G 技术是非常有必要的。而我也坚信只有站在前人的肩膀上，我们才能学得更好更快，社会也才能更快速的前进。

移动通信系统的发展大致可分为四个阶段，即第一代、第二代、第三代、已及后三代（第四代）移动通信系统。从工程角度来看，当前移动通信系统的建设和运营正逐步从第二代向第三代过渡。从标准化角度来看，面向第三代移动通信系统的长期演进（long term evolution，LTE）及空中接口演进（air interface evolution，AIE）的标准化工作已经取得一点进展。从研究角度来看，面向后三代移动通信系统的各层关键技术及网络体系架构的研究也在各国如火如荼地展开。

第一代蜂窝移动通信技术是模拟蜂窝移动通信技术,以美国贝尔实验室开发的先进移动电话系统AMPS为典型代表。第一代蜂窝移动通信技术由于采用模拟技术和频分多址（frequency division multiple access，FDMA）接入方式,在使用中暴露出很多弊端,如频谱利用率比较低、保密性差、只能提供低速语音业务、设备体积大成本高等,在实际中已经基本不再使用。

第二代蜂窝移动通信技术是数字蜂窝移动通信技术,采用数字调制技术,具有频谱利用率高,保密性好的特点,不仅可以支持话音业务,也可以支持低速数据业务,因而又称为

窄带数字通信系统。第二代数字移动通信系统典型代表有美国的DAMPS系统、IS-95系统和欧洲GSM系统,其中DAMPS和GSM都采用时分多址（time division multiple access，TDMA）接入方式,而IS-95采用则采用码分多址（code division multiple access，CDMA）接入方式,系统容量比GSM和DAMPS要大的多。第二代数字移动通信技术是目前广泛应用的蜂窝移动通信技术,但由于只能提供窄带业务,已经不能满足人们越来越多的对于移动宽带多媒体业务的需求。

第三代移动通信系统是宽带数字通信系统,它的目标是提供移动宽带多媒体通信,多址方式基本都采用CDMA多址接入,属于宽带CDMA移动通信技术。第三代移动通信系统能提供多种类型的高质量多媒体业务,能实现全球无缝覆盖,具有全球漫游能力并与固定网络相兼容。它可以实现小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类的通信。第三代移动通信技术的标准化工作由3GPP（3rd Generation Partenership Project）和3GPP2两个标准化组织来推动和实施。下面将就3G做进一步介绍。

对于移动运营商来说，3G网络建设是一个长期的过程，期间必将是“混合”的时代，既有2G网络，又有3G网络，二者相互依存，互为补充。移动运营商要成功实现由2G向3G的转型，2G网络的支撑至关重要。从传统2G的网络规模角度来看，经过多年的建设，2G网络的覆盖优势是3G网络在一定时间内无法比拟的。因此，在3G网络建设初期，2G 网络应作为一个覆盖范围广阔的底层网络为移动用户提供基本话音业务和数据业务，而3G 应凭借自身的先进技术在部分地区为所有需求的用户提供高速的移动多媒体业务。通过在2G网络基础上平滑演进，提供3G业务，用2G与3G组成“一个网络，两种接入，无缝覆盖，无缝业务”的模式，实现3G与2G网络的长期协调发展，做到以最低投资提供最大容量和最大的覆盖面，最终实现网络的平滑演进。

2 3G的简要概述

第三代移动通信系统，简称3G，也即国际电信联盟（international telecommunication union，ITU）定义的IMT-2000，意指在2000年左右开始商用并工作在2GHz频段上的国际移动通信系统，且其最高业务速率可达2000Kbit/s。该标准化工作开始于1985年，时称未来公众路地移动通信系统（future public land mobile telecommunications system，FPLMTS），1996年ITU正式将其更名为IMT-2000，在欧洲被称为通用移动通信系统（universal mobile telecom system，UMTS）。

3G（3rd-generation）是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G与2G的主要区

别是在传输声音和数据的速度上的大幅提升，它能够在全球范围内更好地实现无线漫游，并处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式，提供包括网页浏览、电话会议、电子商务、视频交互等多种信息服务，同时兼容已有的第二代系统。为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室内、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps、384kbps以及144kbps的传输速度。目前，国际上最具代表性的3G技术标准有W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA3种。

3 3G系统的关键技术

3.1 功率控制技术

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。

因为CDMA系统是一个干扰受限系统，所有用户共享频段和空间时间，相对于某一个特定的用户，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。

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

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，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”。

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。

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

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。

TD－SCDMA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。TD－SCDMA使用的智能天线当N＝8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。

在CDMA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）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。

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）智能天线的高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

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。

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。

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-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。

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。

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，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TD—CDM—OFDM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。参考文献

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