第四代移动通信技术及前景（北邮） .ppt

,1,WTI,BUPT,Wireless Technology Innovation Institute第四代移动通信技术及前景北邮无线新技术研究所,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,概,要,移动通信的历史移动通信到了4G4G与以前的移动通信系统可能的不一样2,3,WTI,Wireless Technology Innovation Institute移动通信到了4G1G、2G、3G从3G、E3G演进：LTE和AIE,4,WTI,Wireless Technology Innovation Institute无线系统基本概念,基站 蜂窝通信系统中的固定台站，用来和移动台进行无线通信。基站建在覆盖区域的中央或边缘，包含无线新到和架在塔上的发射、接收天线。控制信道 用于呼叫建立、呼叫请求、呼叫初始化和其他标志及控制用途。前向信道 用来从基站向用户传送信息的无线信道。反向信道 用来从移动用户向基站传送信息的无线信道。全双工系统 同时允许双向通信的通信系统。发送和接收一般使用两个不同的频道，如FDD；发送和接收使用一个频道，如TDD。半双工系统 使用一条信道来发送和接收，只允许单向通信的通信系统。在任何一个指定的时刻，用户只能发送或接收信息。单工系统 只提供单向通信的通信系统。切换 将移动台从一个信道或基站切换到另一个信道或基站的过程。收发信机 能同时发送和接收无线信号的设备。,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,第一代模拟蜂窝移动通信系统历史回顾：1978年，美国的贝尔实验室成功开发了AMPS（Advance MobilePhone Service）系统，实现了真正意义上的可以随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统。1987年，中国首个TACS制式模拟移动电话系统建成商用，之后AMPS也曾被引入中国。主要标准：美国的AMPS、欧洲的TACS、英国的ETACS、欧洲的NMT-450和NMT-900、日本的NTT和JTACS/NTACS主要特点：用户的接入方式采用频分多址（FDMA），当一个呼叫建立后，该用户在其呼叫结束以前一直占用一个频段调制方式：FM业务的种类单一，主要是话音业务系统的保密性较差频谱效率较低，有限频谱资源和无限用户容量之间的矛盾十分突出5,WTI,Wireless Technology Innovation Institute频分多址（FDMA）技术,含义：每个用户占用一个频率,用户识别：频道号特点：简单，容易实现，适用于模拟和数字信号,以频率复用为基础，以频带划分各种小区,需要严格的频率规划，是频率受限和干扰受限系统以频道区分用户地址，一个频道传输一路模拟/数字话路对功控的要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置基站由多部不同载波频率的发射机同时工作不适宜大容量系统使用应用：模拟/数字蜂窝移动通信系统6,Power,Frequency,Time,FDMA,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,第二代数字蜂窝移动通信系统-GSM历史回顾：1992年，第一个数字蜂窝移动通信系统欧洲的GSM（Global System for Mobile Communication）网络在欧洲开始铺设，由于其优越的性能，在全球范围内以惊人的速度得以扩张，目前已是全球最大的蜂窝通信系统。1993年，中国的第一个全数字移动电话GSM系统建成开通，之后中国电信和中国联通都采用了GSM。主要特点：微蜂窝小区结构数字化技术-语音信号数字化新的调制方式-GMSK、QPSK等FDMA/TDMA频谱利用率高，系统容量大便于实现通信安全保密7,WTI,Wireless Technology Innovation Institute时分多址（TDMA）技术,含义：每个用户占用一个时隙用户识别：时隙特点：,以频率复用为基础，小区内以时隙区分用户,每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置系统要求严格的系统定时同步对功控的要求不严是时隙受限和干扰受限系统TDD模式下，上下型信道信息可以共享应用：GSM系统8,Frequency,Power,Time,FDMA/TDMA,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,第二代数字蜂窝移动通信系统-CDMA历史回顾：1995年，美国的高通公司（Qualcomm）提出了一种采用码分多址（CDMA)方式的数字蜂窝系统技术解决方案（IS-95 CDMA)，目前已分别在中国香港、韩国、北美等国家和地区投入使用，用户反映良好。CDMA系统的主要特点：用户的接入方式采用码分多址（CDMA）软容量、软切换，系统容量大抗多径衰落可运用话音激活、分集接收等先进技术9,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,Frequency,CDMA,Power,Time,码分多址（CDMA）技术含义：每个用户使用一个码型，频率/时间共享用户识别：码型,特点：,每个基站只需一个射频系统每个码传输一路数字信号每个用户共享时间和频率是一个多址干扰受限系统,需要严格的功率控制需要定时同步,软容量、软切换，系统容量大抗衰落、抗多径能力强应用：IS-95 CDMA系统、cdma2000系统、WCDMA系统10,11,WTI,Wireless Technology Innovation Institute移动通信的信号传输处理技术,编码技术调制技术,语音编码（信源编码）信道编码（卷积编码、Turbo编码）数字频率调制技术（FSK、MSK、GMSK、GFSK)数字相位调制（PSK、QPSK、/4QPSK)正交振幅调制（QAM）自适应调制扩频调制,信源编码,信道编码,信道解码,信源解码,调制,解调,信源,12,WTI,Wireless Technology Innovation Institute语音编码技术在移动通信中的应用,k,0,0,1,1,WTI,Wireless Technology Innovation InstituteIS-95 CDMA系统卷积编码技术,Information Bits(Input),gg,cCode Symbols(Output)c,（前向链路卷积编码：编码率1/2，约束长度9）13,14,WTI,Data In13.4 kbps,Wireless Technology Innovation InstituteWCDMA系统下行链路卷积编码技术Data Out,13.4 kbps,+,D,D,D,D,D,D,D,D,+,Data Out13.4 kbpsData Out13.4 kbps,WTI,Wireless Technology Innovation InstituteWCDMA系统Turbo编码技术,+,+,+,64 kbpsOutput64 kbpsOutput,64 kbpsInput,D,+15,Interleaver+,+,64 kbpsOutput,Systematic PathParity Path+D D D,Parity Path+DD,Uses the Same Coderfor Both ParityGeneratorsSecond ParityGenerator Input isInterleaved,Yields 0.5 dBImprovement Relativeto Convolution Encoderfor High Speed Data,FSK,DQPSK（差分QPSK）,16,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,DPSK（差分二进制相移键控）QPSK OQPSK(参差QPSK）(正交四相相/4QPSK移键控）,BFSK(二进制频移键控）(频移键控）MFSK（多进制频移键控）BPSK（二进制相移键控）,PSK（相移键控）,CPM（连续相位调制）,MSK（最小频移键控）GMSK（高斯成型MSK）TFM（平滑调频）,恒定包络,数字调制,数字调制技术分类目的：使传输的数字信号与信道特性相匹配，以便有效进行信息传输ASK(幅移键控）非恒定包络 QAM（正交幅度调制）MQAM（星座调制）,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,分集技术,分集的目的信号传输方式,隐分集获得多路信号的方式,宏观分集（抗长期衰落）微观分集（抗短期衰落）显分集交织和编码技术,调频技术直接序列扩频技术空间位置分集（多天线阵、宏分集）空间角度分集（智能天线）时间分集（RAKE接收，ARQ重传）频率分集（调频，直接序列扩频）17极化分集,分集技术分类概念：接收多路不相关的信号并合并。目标：对抗多径信道造成的衰落和延时串扰技术：如何获得独立多路信号、如何合并独立多路信号本质：对同一信号在不同时间/空间/频率的过采样。,WTI,大于信道的相关时间,用信道相关时间设计交织编码的深度18,Wireless Technology Innovation Institute时间分集技术信号强度RAKE接收机-多径的每一径时延不同，进行多径分离合并ARQ技术-重发时间,信号强度,19,WTI,Wireless Technology Innovation Institute抗多径影响 RAKE接收机,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,CDMA扩频技术原理扩频原理：以频带换取信噪比香农理论：C=Bw log2(1+S/N)扩频系统的优点：抗干扰能力强，可抗白噪声、人为干扰、多径干扰等保密性好。扩频信号频谱近似白噪声，若不知PN序列生成方法就难以获取原始信息隐蔽性好。扩频信号近似白噪声，难以检测，宽带扩频信号功率谱密度很低，难以监听易于实现大容量多址通信易于精确定时和测距易于采用各种先进的分集技术，如RAKE接收、智能天线等20,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,三种主流3G标准的基本知识和特点21,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,IMT-2000的由来1985年提出 FPLMTS即Future Public Land Mobile Telecommunications System1996年正式更名为IMT2000IMT-2000 即 International Mobile Telecommunications-工作在2000MHz频段-在 2000年左右商用1992年世界无线电大会在2GHz频段上分配了230MHz频段给当时FPLMTS和卫星业务,即1885-2025MHz和2110-2200MHz其中：1980-2010MHz和 2170-2200MHz 仅供卫星使用22,WTI,Wireless Technology Innovation InstituteIMT-2000目标与基本要求全球同一频段、统一标准、无缝隙覆盖、全球漫游提供多媒体业务车速环境：144 KbS步行环境：384 KbS室内环境：2 Mbs高服务质量高频谱利用效率易于从第二代过渡、演变袖珍手机，价格低高保密性能23,24,WTI,Wireless Technology Innovation Institute2G向3G的演进,CDMA2000,IS-95A,CDMA one,(1X RTT),IS-95B,GSM,GPRS,TSM,EDGE,TD-SCDMA,CDMA,(3X RTT)WCDMA,(UTRA FDD),GSM,IPback-bone,network,PDN,25,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,2G 与3G网络结构,BTS,BTS,Abis,BTS,BTS,Abis,PSTNE,PSTNVLRMSCABSSBSC,NodeB NodeB,Iub,NodeB NodeB,Iub,AUCHHLREIRFGsIu-CSIur,GGSNGnSGSNIu-PSRNC,GcGrGfIu-PSRNS,GMSCCDVLRMSCIu-CSRNSRNC,GiOther PLMNGpGbBSSBSC,PLMN:Public land mobile network,UMTS:Universal Mobile Telecommunication System,WCDMA技术,cell,USIM,USIM,USIM,SIM,SIM,SIM,Node B,cell,cell,cell,Node B,cell,cell,cell,Node B,cell,cell,26,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,WCDMA 网络结构,ME,ME,MSC,SGSN,GGSN,UEME,Iub,Uu,E,D,PSTNAuC,BVLRFEIRGsGf,Gr,Gn,Gi,Gp,GMSCCHLRGc,Iu,IuCS,CN:Core NetworkE,RNSRNC,RNCRNS,IuPS,IurFDD Modeonly,WCDMA技术,的话音,27,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,cdmaone 系统简介,cdmaone 是以IS-95标准为核心的设备家族,cdma one,支持较高速率的数据通信业务IS-95B,最先发布的标准IS-95,商用化标准IS-95A,13kb/s 支持1.8GPCS系统TSB74 STD-008,1XEV-DO1XEV-DV,IS-2000,cdma2000 1X,cdma2000 3X,峰值速率2.4Mbps支持数据与话音候选方案：,IXTREME、LAS-CDMA,99年发布Release A,cdma2000技术,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,cdma2000系统,无线接口基本参数：多址方式：直接扩频或多载波扩频双工方式：FDDTDD扩频速率：3.6864Mcps3*12288Mcps载波带宽：5MHZ、10MHZ、20MHZ扩频码周期（可变）：4-256帧长：20ms时隙长度（功控组）：1.25ms调制方式：下行：QPSK、上行：BPSK28,cdma2000技术,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,cdmaone/cdma2000中的A接口-IOS 2.X：IS95A；-IOS 3.X：IS95B；-IOS 4.X：IS2000/cdma2000 1X；-IOS 5.X：IS2000/cdma1X：核心网-IS-41B：基于SS7；-IS-41C：基于SS7；-IS-41D：基于SS7-ANSI41E：增加E9ll、WIN（无线智能网）等业务。后续版本增加基于IP的传输方式，并逐步过渡至全IP。29,cdma2000 系统,cdma2000技术,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,TD-SCDMA技术,标准化进程,1995年，科技部、邮电部和国家计委决定将SCDMA-WLL作为“九五”计划中的一个关键研究项目进行开发。1997年，SCDMA-WLL经审核成为无线接入网的一种产品。1998年，基于SCDMA技术，起草了TD-SCDMARTT，并将其提交给ITU，作为IMT-2000 RTT的一种侯选方案。2000年5月，成为IMT-2000的一种RTT技术。2001年3月，3GPP TSG-RAN同意将两种TDD技术进行融合。30,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,TD-SCDMA技术,基本参数,载波间隔/码片速率：1.6MHz/1.28Mc/s要求的最小带宽：5MHz（支持3个载波间隔）操作模式：TDD帧长度/时隙数：10ms(2个5ms子帧)/14时隙(每个子帧7个时隙)扩频因子：1/2/4/8/16射频调制方式：QPSK,8PSK,16QAM(滚降因子0.22)数据速率：8kbps384kbps2048kbps对称和非对称数据业务模式电路与分组交换联合检测、智能天线、基于用户定位的Baton切换多基站同步、多模的软件无线电31,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,TD-SCDMA技术,物理层,低码片速率:1.28Mcps(WCDMA的1/3)适合智能天线和同步CDMA的帧结构，以及相应的过程用智能天线+多用户检测联合算法达到全部资源同时工作的效果采用和3GPP相同的调制、信道编码、交织和复接技术提供不对称上下行业务功率控制和上行同步控制:控制频率:0-200次/秒功率控制步长:1-3dB同步控制精度:1/8码片宽度开环和闭环控制32,33,WTI,Wireless Technology Innovation Institute4G与以前移动通信系统可能的不一样,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,MS 1,MS 2,3080 公里,高功率（200250w）的发射天线几百甚至上千平方公里的范围的覆盖每个大区的可用信道数很少,MTSO,蜂窝系统是一种革命性的变革提高了频谱利用率和系统的服务质量越区切换使用户运动时通话不受影响对无线资源管理策略的挑战34,蜂窝移动通信系统,大区制移动通信系统至交换中心高功率天线,35,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,蜂窝移动通信的基本概念蜂窝系统-“小区制”系统-将所要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在1-10km左右,在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。-“频率复用”的概念-特点：用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧且电池使用时间长，辐射小等-问题：系统复杂，越区切换，漫游，位置登记；更新和管理以及系统鉴权等蜂窝分类,-,宏蜂窝(Macro-cell)2-20km微蜂窝(Micro-cell)0.42 km微微蜂窝(Pico-cell)400m分层蜂窝(由多种蜂窝组成),36,WTI,Wireless Technology Innovation Institute移动通信系统的全球覆盖,1,37,WTI,Wireless Technology Innovation Institute蜂窝频率复用方式,FDMA 频率复用,1,111,11,1,11,36,6,2,225,147,CDMA 频率复用,38,WTI,Radio tower,Radio tower,Radio towerRadio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio towerRadio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio towerRadio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio towerRadio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio towerRadio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Wireless Technology Innovation InstituteFDMA蜂窝覆盖Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio towerRadio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio towerRadio tower,Radio tower,BTS,BTS,BTS,BTS,39,WTI,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio towerRadio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,Radio tower,VLRMSC,GMSC,BSCAbis,BSSRadio tower,PSTN,E,D,C,AUCHHLR,VLRMSCA,PSTN,BSCAbis,BSSRadio tower,A,Wireless Technology Innovation Institute移动通信网络结构,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,小区软切换Base 2Base 1Base 340,WTI,Wireless Technology Innovation InstituteSSDT 蜂窝系统的改进 同宏分集相比41,42,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,分布式天线系统CS,Micro-BS withTX/RX and MODEM,Passive Splitter,bunched 系统,43,WTI,Wireless Technology Innovation Institute李建业的方法,44,WTI,Wireless Technology Innovation Institute从3G、E3G演进：LTE和AIE,45,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,46,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,47,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,48,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,49,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,50,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,51,WTI,Wireless Technology Innovation Institute4G与以前的移动通信系统可能的不一样4G的特点4G的发展现状WiMAX、Wibro,52,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,Agreed position on system capabilities for Systems BeyondIMT-2000(7th ITU-R WP8F meeting),Source:ITU-R WP8F 7th Meeting,Queenstown,February 27-March 5,2002,TEMP 251r1e,like,Mobility,BS digitalBroadcasting,Terrestrial digitalbroadcasting,(,1,Nomadic/Local areawireless access,MediumLow,IMT-2000,10,100,EnhancedIMT-2000,IMT,Systems beyond-2000,Enhancement,New Elementsof Systems Beyond,MobileAccess,High,Communication speedMbit/s)denotes interconnection between systems via networks or the which allowsflexible use in any environments without making users aware of constituent systems.ITU-R WP8F position on systems beyond IMT-2000includes complementary mobile systems,3G Evolution,53,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,3GPP TR 25.913“Requirements for Evolved UTRA,and Evolved UTRAN”支持更高的终端移动速度（250km/h）,ITU-R M.1645:“Framework and overall objectives,of the future development of IMT-2000 and systemsbeyond IMT-2000”全IP网络架构、承载与控制分离,ITU-T SG13 FGNGN3GPP TS 22.258 Service requirements for an All-,IP Network提供无处不在的服务、异构网络协同,3GPP TR 23.882“3GPP system architecture,evolution(SAE)”提供更为丰富的分组多媒体业务,WWRF（MUSE）,4G 无线通信系统愿景提供更高的传输速率（100M1Gbps）,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,Evolution of mobile communication systems,European research on 3G started in 1989within the RACE I program and 1991 in RACE II,1980s,1990s,2000s,2010s,1G+,1G,2G+,2G,3G+,3G,Beyond 3G+Beyond 3G,Analog,Wideband Digital,?,Digital,European research on 3G continued,in 1995 within the ACTS programEuropean research on systems beyond 3Gstarted in 1999 within the IST programFramework Program 6 on future systems54,fullcommercialdeployment,trials,standardisation,research,3G Evolution,55,Book of Visions 2001 published Initial set of WWRF research tasksInitial system concept&reference model established for researchInitial WWRF research framework established and communicated to national&,2001,2002,2003,2004,2005,2006,2007,2008,2009,2010,2011,123,2001,2002,2003,2004,2005,2006,2007,2008,2009,2010,2011,2,3,1,Research,System Integratio n,WRC03,2nd Stage ResearchPrototypes/Concept Integration/ValidationStandardisationSystem Development,Activities of all sector actors(e.g.manufacturers,operators,standardisation,bodies,),Initial System DeploymentWWRF Milestones&Activities for 2001 and Beyond,Preparation of the BoV 2001System Concept&Reference Model DefinitionDefinition of Research&Communication Framework/Identification of InterfacesFurther activities are to be defined,WRC06,international research programs and relevant standardisation bodiesSource:WWRF,WTI3G Evolution,56,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,for B3G mobile.,be developed.,The FuTURE ProjectFuTURE Future Technologies for UniversalRadio Environment as a part of China High-Tech 863 program.Phase 1:Six universities cooperating with sixcompanies developed six transmission schemesVision,Spectrum,Tech Trends ITUs ActivitiesKey TechDemo Sys&ApplTrial&Pre-commercial System2001 2003 2005,57,WTI,Wireless Technology Innovation InstituteWiMAX、Wibro,58,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,59,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,60,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,MobilityVehicle speed(60km/h,120 km/h)Good performancewhile on the move,IPCompatible withInternet worldDiverse terminal types(PC/PMP/PDA/Phones etc),Broadband1Mbps per userBroadbanduploading capability61,What is WiBro?WiBro(Wireless+Broadband)Harmonization with Mobile WiMAX Based on IEEE 802.16e Standard-An OFDMA based Profile of IEEE 802.16e Standard,62,WTI,Wireless Technology Innovation InstituteWiBro on the Evolution Paths to 4G,802.11a/g,1995,2000,200 Mbps,14.4 kbps,50 Mbps,144 kbps,2010+,384 kbps,2G(Digital),1G(Analog),2.4 GHzWLAN,802.11b,4G,PAN,5 GHzWLAN,Fast,Slow,1Gbps,DMOF,A,2005CDMA,5 GHzWLAN,802.11n,3G(IMT2000)WiBro,EV-DO,63,WTI,Wireless Technology Innovation InstituteWiBro on the Evolution Paths to 4G,20032004,CellularBased,(3GPP,3GPP2),InternetBased(IEEE),cdma2000 1x,EV-DO,WCDMA,Rev.A,200020022Mbps/2Mbps,153kbps/2.4Mbps,153kbps/,307kbps,200520062Mbps/14.4Mbps,WCDMA(R6)HSUPA,WCDMA(R5)HSDPA,4G,54Mbps802.11a/g75Mbps(Fixed)802.16a/b/d,6Mbps/18.4MbpsWiBroHarmonization802.16e,11Mbps802.11b,100MbpsWiBro-2,2008201030Mbps,EV-DORev.B,EV-DORev.C,1.8Mbps/3.1Mbps1.8Mbps/4.9Mbps*,3G LTEHSOPA,WTI,Wireless Technology Innovation InstituteWiBro Requirements,Major SystemParameters,Radio Access Requirement,TDDOFDMA10 MHz,DuplexingMultipleAccessChannelBW,Frequency ReuseFactorMobilityService CoverageSpectral Efficiencybps/Hz/cell(sect.)HandoffThroughput(per user),1 60 Km/h 1 KmMax.DL/UL=6/2Aver.DL/UL=2/1 150 msMax.DL/UL=3/1 MbpsMin.DL/UL=512/128 Kbps64,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,概,要,4G的技术物理层技术无线接入网终端及业务4G TDD试验网络介绍65,66,WTI,Wireless Technology Innovation Institute物理层技术OFDM 多载波技术MIMO多天线技术链路自适应技术智能天线,67,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,Wireless Technology Innovation Institute,WTI,OFDM was patented in theU.S.in Jan.1970(1)The complexity