北京移动3G基础

WCDMA系统的物理层（FDD） 一、物理层的成帧过程 1. 传输信道向物理信道的映射 高层的数据通过传输信道映射到物理层的物理信道上。物理层既要有能力支持传输宽带业务所使用的多种速率的传输信道，又要能够把多种业务复用到同一个连接中。本节将解释第三代系统的物理层如何处理多速率业务。 每一个传输信道都有一个传输格式指示信息TFI，物理层把同一时刻到达的各传输信道的TFI组合成传输格式组合指示TFCI，用来接收机当前帧的传输信道的格式。接收机从解调后的TFCI信息判断出当前信道的传输格式，从而能够正确解调接收信息。 传输信道分为公用传输信道与专用传输信道两种，专用信道是采用了特定的扩频码、扰码码字，为某一个用户所专用；公用信道则是为整个小区或小区中的某一组用户所公用。 各传输信道映射到各自对应的物理信道。其对应关系如下: 2 上行链路的成帧过程 在相应的每个传输时间间隔(TTI)，数据以传输块的形式到达CRC单元。这里的TTI允许的取值间隔是：10ms、20ms、40ms、80ms。对每个传输块，需要进行的基带处理步骤包括： - 为每个传输块加 CRC校验比特； - 传输块的串联与码块分段 - 信道编码 - 无线帧均衡 - 速率匹配 - 插入不连续传输(DTX)指示比特 - 交织 - 无线帧分段； - 传输信道的复用; - 物理信道分段; - 映射到物理信道； 图1 上行链路传输信道的成帧过程 3、传输信道的复用 多路复用模块把每个传输信道的数据帧（10ms）依次串行级联起来，复合成一个编码组合信道（CCTrCH）， 编码组合信道（CCTrCH）是介于传输信道和物理信道之间的一个信道形式，处于对传输信道的编码、复用过程之后，物理信道的映射之前。它包含一个或多个传输信道的数据，根据系统要求映射到同一个用户的一个或几个物理信道中去。根据承载的传输信道类型不同，编码组合传输信道可以分为专用型和公用型两种。一般地，专用传输信道和公用传输信道不能复用到同一个CCTrCH中。对于公用传输信道，仅有FACH 和 PCH 可以复用到同一个CCTrCH。相应地，一个 CCTrCH 可以映射到一个或多个物理信道，这些物理信道必须有同样的扩频因子。 复用到一个CCTrCH上的传输信道之间应该有一致的时序关系。图2所示为具有不同传输时间间隔的传输信道传输块允许到达的时间点。 图2 关于编码组合传输信道（CCTrCH）的传输时间点 4、下行链路的成帧过程 在成帧过程中，上行链路与下行链路的区别并不多，我们依次介绍。首先来看它的编码/复用流程图(图3)： 图3 下行链路传输信道的成帧过程 二、业务复用 WCDMA系统传输的业务数据经过高层的封装，以传输信道数据的形式进入物理信道。承载着通信业务的多个传输信道进入同一个复合传输信道（CCTrCH），再映射到物理信道。WCDMA系统的业务复用过程，是为并发业务分配无线资源、保证其业务质量、并将传输格式通知接收机过程；具体到物理层，就是把承载了用户信息的传输信道与其控制信息进行组合，再映射到物理信道，进行发送的过程。 1 有关传输格式的的介绍 传输格式（TF：Transport Format） 传输格式集合（TFS：Transport Format Set） 传输格式组合（TFC：Transport Format Combination） 传输格式组合集合（TFCS：Transport Format Combination Set） 传输格式指示（TFI ：Transport Format Indicator） 传输格式组合指示（TFCI：Transport Format Combination Indicator） 2、 3G系统可承载的业务 对上、下行专用信道，主要有以下几类业务：信令，语音，电路型数据（用于传真、可视电话业务），分组型数据（用于浏览器、文件下载等业务）。物理层传输的业务选择如下几种： 单独信令： 语音+信令： 电路交换型数据+信令： 分组交换型数据+信令 语音+ 分组交换型数据+信令： 语音+ 电路交换型数据+信令： 2．1 专用信道的业务格式 对上/下行专用信道，单业务存在时，业务的基本传输格式形式例举如下： 1、话音业务： 码速率：8kbps , 传输时间间隔TTI ：10ms , 传输块大小：80bits , CRC校验比特长度：16bits , 编码：卷积编码，1/3码率， 2、电路型数据业务： (1) 码速率：64kbps, 传输时间间隔TTI ：20ms , 传输块大小：1280bits , CRC校验比特长度：16bits , 编码方案：Turbo编码，1/3码率， (2) 码速率：144kbps, 传输时间间隔TTI ：40ms , 传输块大小：5760bits , CRC校验比特长度：16bits , 编码方案：Turbo编码，1/3码率， 3、随路信令(DCCH)： 码速率：2.4kbps, 传输时间间隔TTI ：40ms , 传输块大小：96bits , CRC校验比特长度：16bits , 编码方案: 卷积编码，1/3码率， 专用信道还具有以下并发业务类型： 1． 话音业务 + 64kbps数据 2． 话音业务 + 144kbps数据 2．2 上下行链路的公用信道的编码格式 上下行链路的公用信道也具有其相对固定的编码格式，在此举例介绍： 1、下行信道的FACH和PCH基本形式： 码速率：8kbps, 传输时间间隔TTI ：10ms , 传输块大小：8bits , CRC校验比特长度：16bits , 编码方案：卷积编码，1/2码率， 2、下行BCH的基本形式： 码速率：11.5kbps, 传输时间间隔TTI ：10ms , 传输块大小：115bits , CRC校验比特长度：12bits , 编码方案：卷积编码，1/2码率， 3、上行RACH的基本形式： 码速率：12.2kbps, 传输时间间隔TTI ：10ms , 传输块大小：122bits , CRC校验比特长度：16bits , 编码方案：卷积编码，1/2码率， 3、业务复用过程示例 图5.14 上行链路144 kbps话音业务的编码过程 注：DCCH：专用控制信道，承载随路信令 DTCH：专用传输信道，承载用户数据 三、WCDMA系统的扩频与扰码 1、 Walsh 函数， OVSF码的介绍及扩频码的性质 图5.16 产生OVSF 码的码树 为使用方便，我们把信道化码记作CSF, k，其中SF是该码字的扩频因子，k是码字序号，且有0 ( k ( SF-1。在图5.16的码树中，码树的每一层规定了信道化码的长度SF。 有以上分析，我们可以把OVSF码的数学特性简单归纳为： - 码字长度是2的整数次幂，即SF = 2k。在扩频操作中，上行链路使用的是k = 2，3,…..，8，即SF = 4，8，…,256的OVSF码；下行链路使用的是k = 2，3，……,9，即SF = 4，8，…,512的OVSF码。 - 对于长度一定的OVSF码组，包含的码字总数与其码长度相等，即共有SF个长度为SF的OVSF码字。 - 长度相同的不同码字之间相互正交，其互相关值为0。 2、 上行链路的扰码 2.1 长扰码（Long Scrambling Code） 5.4.1.2节简要介绍了m序列和Gold序列。WCDMA系统的上行链路使用的长扰码是一个复数序列，它的实部和虚部所使用的基础序列c1、c2就分别来自于一个Gold序列。c1、c2分别由两个m序列的不同相移序列相加而成。在此，我们以产生c1、c2的简单结构图图5.17为基础，结合Gold序列的性质，对上行链路的长扰码加以介绍。 图 5.17 生成上行链路复扰码的硬件结构示意图 2.2、短扰码（Short Scrambling Code） 图 5.18 上行链路短扰码的前255 码片序列产生器 2．3、下行链路的扰码 图5.19 下行链路扰码发生器的结构 3、物理信道的扩频与加扰过程 物理信道成帧之后，需要对物理信道的数据流进行扩频、加扰码两步操作。扩频操作又叫做信道化操作，就是用一个高速数字序列与数字信号相乘，把一个一个的数据符号转换为一系列码片，大大提高了数字符号的速率，增加了信号带宽。在接收端，用相同的高速数字序列与接收符号相乘，进行相关运算，将扩频符号解扩。用来转换数据的数字序列符号叫做信道化码，在WCDMA中采用OVSF码作为信道化码；每个符号被转化成的码片数目叫做扩频因子（Spreading Factor）。第二步操作叫做加扰操作，就是用一个伪随机序列与扩频之后的序列相乘，对信号起到加密、扰乱作用。扰码的码片速率与已扩频符号相同，因此不影响符号速率。几步操作之间的数据速率的相互关系见图5.20： 图5.20 扩频操作与扰码操作前后的符号速率 图5.20中的比特速率即无线帧中的数据率，码片速率为3.84Mbps。 上行链路物理信道加扰的作用是区分用户，下行链路加扰可以区分基站和信道，因此选择的扰码之间必须有良好的自相关性。我们的系统采用Gold码作为扰码。 3．1 上行链路物理信道的扩频与加扰过程 上行链路共有三种物理信道：专用物理信道、物理随机接入信道、公共分组信道。三种信道的信道结构（见下节）、用途各不相同，因此需要逐个介绍。 3．1．1 上行链路专用物理信道( DPDCH/DPCCH) a.扩频与加扰过程 图5.21 上行专用信道多码道调制过程 图 5.22 上行链路专用物理信道的调制 b、混合相移键控HPSK(Hybrid Phase Shift Keying) （公式5.11） 图 5.23 复扰码过程 HPSK的基本想法是通过最小化过零次数来减小信号的峰-平比。 图5.24 HPSK调制过程 3.2、物理随机接入信道（PRACH） 随机接入信道由前导签名和消息两部分组成，本小节仅在前文的基础上介绍本信道使用的扩频码、扰码。 1、 随机接入信道的前导部分不进行I/Q支路映射，但是也需要进行复数调制。WCDMA对物理随机接入信道前导部分的基带调制过程如图5.25。 图5.25 物理随机接入信道前导部分的基带调制. 2、消息部分 PRACH的消息部分的扩频与调制方式与上行DPCH相同，消息部分的扰码的选择取决于它的前导签名（Preamble signature）。 图5.26 物理随机接入信道的消息部分的扩频 3．2 下行链路物理信道的扩频与加扰过程 下行物理信道的扩频与扰码操作与上行信道的步骤内容相同，分为扩频、调幅、I/Q支路映射、扰码几步。它们的区别在于下行链路的I/Q支路映射发生在扩频之前，而且是逐比特映射，而非整个信道映射到同一支路。从图5.28中可见，信道中每两个连续比特分别进入I、Q支路，然后与同一个实值扩频码相乘，再合并为一个复序列，由一个复扰码对其加扰。 图5.28 下行链路物理信道的扩频与加扰过程 在下行链路中，只有同步信道（SCH）不需要进行扩频与加扰。其他信道的扰码相位与主公共控制物理信道（P-CCPCH）的扰码一致，而不一定与本信道的帧边界对齐。物理信道经过扩频之后，分别用各自对应的增益因子对加扰之后的复序列进行调幅；主、从同步信道也分别采用增益因子Gp 、Gs 进行调幅。各信道的复序列根据复数运算法则进行相加合并。合并之后的复值码片序列如图中所示，再分裂为实、虚两部分，分别进行脉冲成型，调制发送。 3．3 同步码的组成与小区搜索过程 一、同步码的组成。 1、主同步码PSC （Primary Synchronization Code） 主同步码PSC记作Cp，叫做总分层格雷码序列（generalised hierarchical Golay sequence.），它的内容定义为 Cp=. 其中 a = = <0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0> 2、辅同步码SSC （Secondary Synchronization Code） 辅同步码SSC码字{C1,…,C16}是由一个哈德码序列与z序列按位模２相加而成。 z序列定义为： 其中　 　 　 = <0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 0, 1, 0, 1, 0, 1, 1, 0> 二、同步码的分配 主同步码（PSC）序列只有一个，用于WCDMA的所有小区的所有时隙。 从码字的生成过程可见，辅同步码共有16个。它们经过排列组合，选16个编成一组，总共合成64个不同的码组序列，与下行主扰码的64个扰码组一一对应。从此可以推断小区选用辅同步码的步骤，即首先找到本小区的主扰码属于哪一个扰码组，然后找到对应的辅同步码序列；每个时隙对应一个辅扰码号，根据此扰码号就可以计算出同步信道的同步码字。 因此，辅同步码的码组序列必须满足以下要求：一个码组序列循环移位的结果是唯一的 , 64个序列中的任何一个进行小于15次的循环移位,都不会与其他序列的循环移位相同；同样,也不会与自己的其它任何循环序列重复。因此，在实际系统中，不同小区选用不同的序列模式。不同时隙选用不同的辅同步码, 三、小区搜索过程 移动台开机，需要与系统联系，首先要与某一个小区的信号取得时序同步。这种从无联系到时序同步的过程就是移动台的小区搜索过程。 在小区搜索过程中，移动台捕获一个小区的发射信号并据此确定这个小区的下行链路扰码和帧同步。 小区搜索分三步实现： 第一步：时隙同步。 移动台首先搜索主同步信道的主同步码，与信号最强的基站取得时隙同步。因为所有的小区都使用同一个码字作自己的主同步码。这一步可利用匹配滤波器匹配基本同步码Cpsc来实现，也可用相关器实现。PSC是一个Golay码序列，具有良好的非周期自相关性，易于识别。 第二步：扰码码组识别和帧同步。 由于使用不同扰码组的小区，其辅同步码也不同，而且这些辅同步码是以帧为周期，所以在时隙已经同步后，可以进行第二步，利用辅同步信道S—SCH来识别扰码码组和实现帧同步。通过计算接收信号和所有可能的SSC序列的互相关性，识别出该小区的帧头以及主扰码所属的码组。 第三步：扰码识别。 当基站所属的扰码码组已确定后，需进一步确定基站的身份码——下行扰码。移动台使用第二步识别到的扰码码组中的8个主扰码分别与捕获的P-CPICH信道进行相关计算，得到该小区使用的下行扰码。 根据识别到的扰码，P-CCPCH就可以被检测出，从而可获得超帧同步，系统以及小区的特定的广播信息就可被读出。 五 物理信道特点及物理层的帧结构 物理信道的帧结构 高层数据传输到物理层之后，映射到物理信道的无线帧中。物理信道的数据传输速率、加扰方式、信道内容都有所不同，而且都可以无线帧为单位进行区分。因此，我们从物理信道的帧结构着手，分别介绍各信道的结构、调制参数、在系统中的作用、信道之间的相对时序等内容。 WCDMA的物理信道在时间上分为3层结构：超帧、无线帧、时隙。物理信道的帧结构见图5.29。一个超帧为期720ms ，包括72个无线帧。其边界由系统帧标号SFN（System Frame Number)定义。一个超帧的头帧SFN 对72取模值为0。它的尾帧SFN 对72取模值为71。一个无线帧周期长10ms，包括15个等长时隙，对应38400个码片，它是物理信道的基本单元。时隙是一个比特域组成的单元，对应2560个码片，物理信道的类型决定每个时隙的信息比特数和结构。 图5.29 物理信道的帧结构 下行链路物理信道 下行链路专用传输信道 一、信道结构 在下行链路中，专用物理数据信道（DPDCH）承载专用传输信道上的数据消息，公共物理控制信道（DPCCH）承载第一层产生的控制信息（包括已知的导频信号，功控指令，和可选的TFCI），它们在专用下行物理信道上时分复用传输，共同组成一个帧周期为10ms的无线帧。它们使用相同的扩频码、扰码。图 5.33表明了下行链路专用物理信道的帧结构。 图 5.33 下行链路专用物理信道的帧结构 二、TPC 比特域 TPC比特域根据信道结构的不同分为2、4、8比特三种模式，表5.9列出了传输功率控制命令与TPC比特模式的对应关系。 表5.9 TPC 比特域的取值模式 TPC比特模式 传输功率 控制命令 NTPC = 2 NTPC = 4 NTPC = 8 11 00 1111 0000 11111111 00000000 1 0 三、传输格式组合指示比特(TFCI) TFCI值对应于当时专用信道（DCH）上传输的比特速率的特定组合，这个值是在DCH信道增加或删除时商定的，关于TFCI的应用前文有具体介绍。 五．专用物理信道的多码传输 一个复合编码传输信道可以被映射到多个并行的使用相同的扩频系数下行专用物理信道上，但是只在第一个下行专用物理信道上传输第一层的控制信息。如果有多个复合编码传输信道被映射到一个用户设备的多个下行专用物理信道上，不同的复合编码传输信道所映射的下行专用物理信道可以使用不同的扩频系数。第一层的控制信息仍然只在第一个下行专用物理信道上传输。这种情况的传输格式见示意图5.35。 图 5.35 下行物理信道多码传输时的时隙格式 公共下行物理信道 一、公共导频信道CPICH（Common Pilot Channel） 公共导频信道是一个不编码信道，它的功能是在用户设备端辅助专用信道做信道估计；同时在其他公共信道与专用信道没有联系或者没有使用智能天线技术时，作为它们的参考信号。CPICH是由全向天线发送的，它具有固定的比特速率30kbps，扩频因子SF固定为256。它的帧结构如图5.36所示。 图5.36 公共导频信道的帧结构 如果移动小区的下行链路采用分集方式，则公共导频信道在两个天线上发送的符号选用相同的扩频码和扰码，但是两个天线上的预先规定的符号序列不同，如图5.37所示。如果不用分集，则两个天线序列都用天线1的符号序列。 公共导频信道又分为主（Primary）、辅（Secondary）两个信道，从表5.10中我们可以清楚地看到这两个信道的区别。 表5.10 主、辅公共导频信道的比较 信道名称 P-CSICH S-CSICH 扩频码(channelization code) 通常使用同一个扩频码 SF=256的部分扩频码 扰码 使用主扰码 可以选用主扰码与次级扰码 每小区的信道数目 有且仅有一个 可以有0\1\或多个 时序特点 是多数下行物理链路的参考相位 如果高层指定,可以作为S-CCPCH和DL-DPCH的参考相位 二、主公共控制物理信道P-CCPCH（Primary Common Control Physical Channel） 图5.38 P-CCPCH的帧结构 三、辅公共控制信道S－CCPCH（Secondary Common Control Physical Channel） S－CCPCH携带前向接入信道FACH和寻呼信道PCH。该信道的速率与下行专用物理信道（DPCH）相同。图5.39所示为辅公共控制物理信道的帧结构。 图5.39 辅公共控制物理信道的帧结构 FACH和PCH可以被映射到同一个辅公共控制物理信道上，也可以映射到不同的辅公共控制物理信道上。如果映射到相同的辅公共控制物理信道，它们可以被映射到同一帧中。 四、同步信道 同步信道为用户提供帧同步、码片同步和比特同步，用于小区搜索。它包括两个并行传输的子信道：主同步信道和辅同步信道。图 5.40所示为同步信道的帧结构。 图 5.40 同步信道的帧结构 主同步信道由一个256码片长的调制码组成，主同步信道在每一个时隙都发送。系统内的所有的小区的主同步信道都相同。 辅助同步信道重复传送15个长度为256码片的调制码。辅助同步码与主同步信道并行传输。 主、辅同步码的码字的产生与分配方案在前文中有详细介绍，在此不赘述。 在介绍P－CCPCH时曾经提到，它是否使用TSTD调制可以从SCH的调制中看出来。图5.40中的a就是表示是否使用STTD的一个调制因子，a＝＋1表示P－CCPCH使用空时发射分集（TSTD）。a ＝－1表示没有使用分集。 六、捕获指示信道AICH AICH用来指示基站是否接收到了PRACH的前导序列。基站一探测到PRACH信道的前导序列，探测到的签名序列就会很快在AICH信道反映出来。AICH可以同时检测16个不同的签名序列。AICH具有固定速率（扩频因子为256），携带捕获指示信息AI。捕获指示信息的取值与物理随机接入信道PRACH上的接入前导相对应。图5.41 为捕获指示信道(AICH)的帧结构。 图5.41 捕获指示信道(AICH)的帧结构 AICH直接受基站控制，高层不关心它。因为从基站检测到PRACH的前导序列到它在AICH信道上反映出来，只有几个时隙的时间，而高层信令的速度太慢，根本来不及反应，更不能交给高层去控制。 上行链路的物理信道 5．5．4．1上行专用物理信道（UL-DPCH） 一 . 信道结构 如前文所述，WCDMA系统中的专用信道对用户数据和物理层控制信息进行I/Q复用。专用物理控制信道（DPCCH）用于承载物理层产生的控制信息，这些控制信息包括导频比特(Pilot)，包括功率控制命令（TPC），包括反馈指示信息（FBI）和一个可以选择发送的TFCI。在每个物理连接中有一个且只有一个DPCCH，它的扩频因子固定为256。上行专用物理数据信道（DPDCH）用于承载第二层及更高层产生的专用数据，扩频因子的选择范围是：4―256。图5.42为上行专用物理信道的帧结构。 图5.42 上行专用物理数据信道/专用物理控制信道的帧结构 DPDCH的数据速率可以逐帧改变，所以它能够进行变速率业务的传输。DPCCH信道的TFCI比特携带有相应的DPDCH数据帧的速率信息。由于TFCI与数据帧有一一对应关系，如果接收端未能正确地解调TFCI信息，其对应帧就会被丢弃，但不影响其他数据帧的接收与解调。但是TFCI的可靠性远远大于数据的可靠性，所以它的丢失是一件很稀罕的事情。 从接收机的接收效率考虑，最好是永远进行DPDCH的单码道传输；因为多码道传输会增加峰-平值功率比，降低终端功率放大器的效率。但是，即使对数据不编码，采用4作为扩频因子，得到的最高数据速率也不过960kbps；如果进行信道编码，实际的数据速率会更低。如果需要传输高速数据，必须使用并行的数据信道。系统规定，最多可以并行传输6个DPDCH，即5760kbps，即使进行了1/2码率的信道编码，也可以为用户提供2Mbps的业务。 物理随机接入信道(PRACH ：Physical Random Access Channel) PCPCH信道是一种分组接入信道。在进入之前，基站和移动台之间没有连接，初始接入没有功率控制，因此这段时间的传送信息需要最小化。分组接入有三种选择： － 包含少量信息的短分组的不频繁传输 － 包含少量信息的短分组的频繁传输 － 长分组的传输 因为业务信道本身的建立需要信令，因此会消耗无线资源。所以最好在随机接入消息中没有功率控制时发送小分组。对于后两种情况，系统应该为其分配专用的业务信道。 如果已经保留了专用信道但没有需要发送的信息，移动台需要切断传输或者仅发送功率控制和参考符号来保持物理连接。 物理随机接入信道承载随机接入传输信道（RACH）。 一、信道结构与发送时间 物理随机接入信道的传输结构与专用信道有所不同。它分为前导和消息两部分。前导由一系列前导签名序列组成，移动台通过发送前导来与基站取得联系。在上一节有对前导签名序列码字的详细描述。PRACH的信道结构取决于建立同步的时间的需要和所选择的接入方式。此外，所期望的接入的试探次数和同步时间决定了PRACH的数量。因此，接入尝试期间，信道传送的数据量成为系统设计的一项重要内容。在WCDMA系统中，一次发送前导的最大数目在信道建立时由高层指定。消息部分由一个10ms的结构体组成。 随机接入信道的传输结构参见图5.43。 图5.43 随机接入传输的结构 系统为移动台定义了几个可以开始发送信息的确切时刻，这几个时刻叫做接入时隙（access slots）。每两个连续无线的帧有15个接入时隙，间隔5120个码片周期。接入时隙的时序关系见图5.44示意。 图5.44 RACH 的接入时隙号与间隔. 二、物理随机接入信道的消息部分 随机接入信道的消息部分如图5.45所示。10 ms 长的消息分成15个时隙，每个时隙的长度Tslot = 2560个码片。每个时隙由两部分构成，数据部分承载第二层的数据信息，控制部分承载第一层的控制信息，它们并行传输。 图5.45 随机接入信道消息部分的结构 四、物理信道之间的相对时序 图8下行物理信道的帧时序和接入时隙的时序 PRACH/AICH 的时序关系 从UE发出的上行链路接入时隙n超前于接收到下行链路接入时隙n 的时间为(p-a 个码片。其中n = 0, 1, …, 14。 下行链路的捕获指示AI只能在下行链路接入时隙开始时进行发送；同样地，上行RACH 的前导和消息部分只允许在上行链路接入时隙开始时进行发送。图5.49清晰地表述了这一关系。 图5.49 移动台方的PRACH 与 AICH 的时序关系 (p-p：两个前导之间的距离 (p-p,min.：两个前导之间的最小距离，且有 (p-p ( (p-p,min. (p-a：前导与对应的AI之间的距离 (p-m：前导与消息部分之间的距离 以上数值根据参数AICH_Transmission_Timing的取值不同而异： 第三代移动通信的演进 一、第三代移动通信系统的发展过程 国际电联(ITU)早在1985年就开始研究适于全球运营的第三代移动通信系统，当时称为未来公共陆地移动通信系统（FPLMTS）；1992年，世界无线电大会（WARC）分配了230MHz的频率给FPLMTS；1996年，ITU将FPLMTS更名为IMT-2000，即国际移动通信系统，这个命名有三重含意：工作于2000MHz频段，最高数据速率可达2000 kbps（即2 Mbps）,预计2000年左右投入商用。1997年初，ITU发出通函，要求各国在1998年6月前，提交候选的IMT-2000无线传输技术（RTT)方案。 1998年6月，ITU共收到了16个有关第三代移动通信无线接口的候选技术方案，其中10种是陆地方案，其它是卫星方案。陆地方案中最受关注的是美国提出的cdma2000和欧洲提出的W-CDMA。1999年10月份ITU在赫尔辛基举行的会议确定了五种方案： IMT-2000 CDMA DS，即欧洲和日本的UTRA/W-CDMA； IMT-2000 CDMA MC，即美国的cdma2000 MC； IMT-2000 CDMA TDD，即欧洲的UTRA TDD和中国的TD-SCDMA； IMT-2000 TDMA SC，即美国的UWC-136; IMT-2000 TDMA MC，即DECT。 二、 第三代移动通信系统的特点 第三代移动通信系统的数据速率可从几kbps到2 Mbps；高速移动时为144 kbps；慢速移动时为384 kbps；静止时为2 Mbps。 多媒体化：提供高质量的多媒体业务，如话音、可变速率数据、活动视频和高清晰图像等多种业务，实现多种信息一体化。 全球性：公用频段, 全球漫游, 大市场。 在设计上具有高度的通用性，该系统中的业务以及它与固定网之间的业务可以兼容，拥有足够的系统容量和强大的多种用户管理能力，能提供全球漫游。是一个覆盖全球的、具有高度智能和个人服务特色的移动通信系统。 综合化：多环境、灵活性，能把现存的寻呼、无绳、蜂窝（宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝）、卫星移动等通信系统综合在统一的系统中（具有从小于50m的微微小区到大于500km的卫星小区） ，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。 平滑过渡和演进：与第二代系统的共存和互通，开放结构，易于引入新技术。 智能化：主要表现在优化网络结构方面（引入智能网概念）和收发信机的软件无线电化。 个人化：用户可用唯一个人电信号码（PTN）在任何终端上获取所需要的电信业务，这就超越了传统的终端移动性，真正实现个人移动性。 三、两种最主要的RTT方案：W-CDMA和cdma2000 第三代系统中主要方案是CDMA方案，其中最重要的是W-CDMA和cdma2000，它们采用宽带载波（5MHz）、相干解调、平衡干扰处理，因此能提供更大的容量。 第三代系统有着更好的抗干扰能力。这是由于其宽带特性（5MHz射频载波），可分辨更多多径信号，因此信号较窄带系统更稳定，起伏衰落小，使系统对信号功率的动态范围和最大功率信号值的要求降低。上行链路采用相干检测，相对于没有采用相干检测的第二代CDMA来说，上行链路有3db的性能改善。 3G系统还使用了多用户检测，可消除来自其他用户的干扰。 第三代系统还提供多速率的业务，这意味着在高灵活性和高频谱效率的情况下可提供了不同服务质量的连接。第三代系统还支持频间无缝切换，从而支持层次小区结构。 同时，3G系统还采用快速功率控制。3G系统保持对新技术的开放性，支持智能天线阵技术，使系统得到许多改进。在满足给定信号接收质量的前提下增加了有效通信用户数：用户数给定时，可以改善接收质量；可降低移动用户的发射功率；减少其他用户信号的干扰和影响。在3G系统中还会采用其它许多新技术，使系统不断得到改进。 3．1．W-CDMA系统 码片速率：原来是4.096Mc/s，后来降为3.84 Mc/s，这样，和cdma2000的码片速率3.6864 Mc/s相差不到5%，有利于制造双模手机。其实，码片速率取3.6864 Mc/s 或4.096Mc/s或其折衷值3.84 Mc/s，对扩频增益而言均未发生实质变化，且不与后向兼容GSM直接相关，因此W-CDMA的码片速率取3.6864 Mc/s是完全可以的，但只取了折衷值3.84 Mc/s，因为W-CDMA的支持者担心其向cdmaOne体制基本参数归一化后会形成市场驱动方面的不利影响，包括在一系列方面会受其IPR的牵制，由此他们以改为3.6864Mc/s会“降低容量”为由，坚决反对融合于cdma2000的码片速率3.6864 Mc/s，并表示至多只能降为折衷值3.84Mc/s。 基站间同步：W-CDMA则主要取用异步方式，基站间不需同步，可摆脱GPS信号的约束；W-CDMA也提出了“同步方式”作为可选项。 下行信道导码： W-CDMA采用与业务码时分复用（TM）方式的非连续导码。 分组数据：W-CDMA有两种类型的分组数据传输

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。对于短而不频繁的数据包，可用公共信道包传输；对于长而频繁的数据包，可用专用信道。接入方法是时隙ALOHA。 W-CDMA 的载频是5M Hz。W-CDMA采用不同的长码进行扩频。前向链路专用物理信道（DPCH）的扩频调制采用对称QPSK调制，同相（I）和正交（Q）数据用相同的信道化码和扰频码来扩频。同一小区的不同物理信道用不同信道标识码来区分。信道化码采用的是正交可变扩频参数（OVSF）码。OVSF码在不同的扩频参数的情况下也能保证不同下行物理链路的正交性，因而可以提供不同的比特率。同属一个小区下行链路采用相同的扰频码。长为40960码片（10ms）。系统可用扰频码512个。为了更快的搜索小区，下行链路使用的扰频码分成32组，每组16个码，采用如下图所示三步小区搜索方法。 上行链路专用物理信道扩频调制采用的是双信道QPSK（dual channel QPSK）调制，I和Q信道用不同的信道标识码扩频后复用成I+jQ信号，再用信道标识码进行扩频。最后调制到射频。上行链路使用的信道标识码和下行链路中使用的码属于同一类的OVSF码，以保证专用物理数据信道（DPDCH）和专用物理控制信道（DPCCH）的正交性。上行链路使用的扰频码通常也是长为40960码片（10ms）的伪随机码。为较易实现MUD，上行链路扰频码也可采用短VL-Kasami码。 在下行链路，各用户相干检测所需的导频信号是用时分复用方式来发送的。并且每条链路对应一个导频信号，所以可以被用来进行信道估计。在使用自适应天线情况下，上行链路也采用时分复用的导频信号来进行相干检测。 对W-CDMA系统业务信道而言，较低的数据速率采用单码扩频，较高的数据速率采用多码扩频。同一连接的多业务，在正常情况下，采用时分复用的方式。经过外部编码，内部编码、业务复用和信道编码后，多业务数据流被映射到一个或多个专用的物理数据信道（DPDCH）。在多码扩频情况下，数据经过串并变换分成两路，分别映射到I和Q信道进行扩频传输。W-CDMA中信道编码采用卷积码和级联码，对要求BER=10-3的业务采用的束长度为9的卷积编码，卷积率在1/2和1／4间。对要求BER＝10-6的业务，采用级联编码和外部RS编码。一般一帧内部采用块交织。但为了改善长时延的性能，W-CDMA还支持帧间交织。目前，Turbo编码处于研究阶段。 对短的不常用的分组数据，W-CDMA一般采用公共信道分组传输方法，即把分组数据直接填充到随机接人串中发送。对长的常用的分组数据采用专用信道来传输。数据大的单个分组数据采用单个分组传输方案，此时，一俟传输完将立即释放占有的专用的信道。多分组传输方案中，在分组间将保持专用信道以传输概率控制和同步信息。在W-CDMA中，随机接人串帧长10ms，并且用固的功率发射，遵循Aloha原理。 W-CDMA系统能适应多种传输速率，灵活提供多种业务。从8 kbps到384 kbps范围的可变数据速率可被分配至每个5 MHz载波上不同的多个用户。电路和分组交换业务能在同一信道组合，使每个W-CDMA终端连接可提供多达6种不通的业务，其范围可从语音到一个组合的数据业务，如传真、电子邮件以及视频。而且，6种业务的每一种均可按照数据速率和特定质量

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进行优化。 W-CDMA系统的核心网络兼容GSM MAP，同时要求支持ANSI-41（IS-95的核心网）。 W-CDMA系统中大量采用ATM技术。ATM有着带宽分配灵活、业务选择广泛、高效的突发数据业务复用、提供无线到有线网络的端到端的宽带业务、信元交换方式、易于同有线B-ISDN接口等诸多优点。 3．2．cdma2000系统 cdma2000系统采用多载波方式，基本频宽是1.25M Hz，支持n×1.25M Hz，n=1，3, 6, 9…。 码片速率：从IS-95的后向兼容看，Qualcomm等很希望码片速率为其窄带系统IS-95的码片速率1.2288 Mc/s的3倍，即3.6864 Mc/s；同时，由于北美第二代PCS频段集中在IMT-2000核心频段上，特别是美国FCC将有关频谱以巨额补偿拍卖给以cdmaOne（即窄带CDMA，IS-95）为主要业务对象的PCS运营部门后，这些运营商目前及将来相当长一段时间内关心的是回收其经济利益，从而坚决支持以1.2288 M/s为基础的多载波“带内演进”方式迈步向IMT-2000推进。 基站间同步：cdma2000仍沿用IS-95方式取用GPS使基站间严格同步，以取得较高的组网与频谱利用效率，其缺点为完全依赖GPS，在无法收到GPS信号的时候或地点，就无法实施同步。不过，现在已提出不需GPS的非同步方案。 下行信道导码：cdma2000仍沿用IS-95方式取独立的码复用（CM）公共连续导码，可连续调整，从而取得较好的系统性能。 cdma2000是多载波方案，频谱利用率较高。在此方案中带宽为1．25MHz，码片速率是1．2288Mchip/s。采用此方案可以使IS-95平稳过渡到第三代移动通信系统。 cdma2000系统下行链路中，I信道和Q信道分别采用一个长为3×215的M序列来扩频。不同的小区采用同一个M序列不同的相位偏移。搜索小区时只需搜索这两个码及其不同的相位偏移码。在上行链路中，扩频码采用的是长为241的M序列，以不同的相位来区分不同的用户。信道是用相互正交的、可变扩频参数的Walsh序列来区分。 下行链路在不使用自适应天线的情况下，采用公共导频信道作为相干检测的参考信号。使用自适应天线时，采用辅助导频信道作为参考信号。辅助导频信道是用户通过码分复用合用一个信道。上行链路的导频信号和功率控制以及丢失指示比特时分复用。 在多速率业务方面， cdma2000系统提供两种业务信道类型：基本信道和增补信道。这两种信道都是码分复用信道。基本信道支持的数据速率为9.6kbit/s、14.4kbit/s及其子集的速率，可以传输语音、信令和低速数据。增补信道提供不同的高速数据速率。在下行链路中，不同QoS要求的业务都是用码分复用的方式在增补信道中传输的。cdma2000的帧长为20ms，但控制信息用5ms和20ms，在基本信道中传输。基本信道使用约束长度为9的卷积编码。增补信道中传输速率为14.4kbit/s。对高速数据而言，采用约束长度为4，卷积率为1/4的Turbo码。 cdma2000系统中分组数据的传送也遵循时隙Aloha原理。但与W-CDMA不同的是，第一次随机接入不成功后，其后将增加发射功率。移动用户得到业务信道后，第一次发送数据时，可以不必事先约定发送速率。如果数据速率超过一定的门限，就需要申请一个新的接入。移动台传输完后，将立即释放占用的业务信道，但专用的控制信道不释放。过了一会儿，释放专用控制信道，但保持链路层和网络层的连接以便减少链路重建时的设置时间。短数据串可以通过公共业务信道传输。cdma2000系统中还采用了简单的自动重发请求的方案。 cdma2000系统可以实现第一、第二、第三代系统AMPS→ DAMPS → IS-95→cdma2000一条龙兼容式全融合方案。 cdma2000系统与第二代移动通信系统N-CDMA有着很好的兼容性，并且是由N-CDMA系统逐步过渡过来的。cdma2000可与TIA／EIA-95-B N-CDMA系统共存于同一频带下。N-CDMA的所有信令作为cdma2000系统的一个子集。在增加其它新业务时，所制订的标准和接口应与TIA／EIA-95-B信令集和接口相同、相似或兼容. cdma2000系统支持1.2 kbps到大于2Mbps的数据速率，并且支持的RF带宽由1.25 MHz到15 MHz可变。cdma2000系统中，所采用的增强媒体接入控制（MAC）有效地提供高速分组数据业务。优化的MAC，有专用的控制信道（DCCH），分组数据控制信道的帧长度可调，增强的寻呼和接入信道用于快速分组数据业务接入情道。灵活的信令结构使cdma2000能向后兼容N-CDMA。 3．3 软件无线电技术 基本思想是高速模数和数模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。 宽带多频段天线采用多频段天线阵列，覆盖不同频程的几个窗口； 高速A/D转换器的关键是采样速率和量化位数 基本思想是高速模数和数模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。 宽带多频段天线采用多频段天线阵列，覆盖不同频程的几个窗口； 高速A/D转换器的关键是采样速率和量化位数，高速信号处理部分完成基带处理、调制解调、比特流处理和编解码等工作。 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。 第三代移动通信系统具有多模、多频段、多用户的特点，面对多种移动通信标准，采用软件无线电技术对于在未来移动通信网络上实现多模、多频率、不间断业务能力方面将发挥重大作用，如基站可以承载不同的软件来适应不同的标准，而不用对硬件平台改动；基站间可以由软件算法协调，动态地分配信道与容量，网络负荷可自适应；移动台可以自动检测接入的信号，以接入不同的网络且能适应不同的接续时间要求。 由于硬件器件技术的限制，目前要实现软件无线电必须进行适度的折中，尚未充分利用软件无线电的优势。因此，应针对软件无线电的特点，研究具有普遍意义的、不局限于特定硬件水平的长远技术，为第三代移动通信系统服务。 四、第二代移动通信技术的升级和向第三代移动通信系统的过渡 4.1 GSM的升级和向W-CDMA的过渡 由于W-CDMA投资巨大，技术也不是很成熟，一时难于大规模应用，但用户对高速率的数据业务又有一定需求，因此就出现了所谓的两代半（2.5G）技术。在GSM基础上的两代半技术是高速电路交换数据HSCSD（57.6kbps）、通用分组无线业务GPRS（144 kbps）、EDGE 384kbps（将调制方式由GMSK更新为更高效率方式，将传输速率上升至384kbps），可提供类似于第三代移动通信的业务。 下面分别叙述HSCSD，GPRS，EDGE。 4.2 高速电路交换数据（High Speed Circuit-Switched Data, HSCSD） 目前的第一代移动通信系统如TACS和AMPS、第二代移动通信系统如GSM和CDMA是电路交换型移动数据通信，只能提供电路数据，它需要用户通过呼叫建立电路，电路建立后一直由用户占有，直到用户使用完毕后释放电路。过去GSM网上可提供速率9.6 kbps的数据传输，ETSI现已推出新的标准—HSCSD方式，在对原来线路差错纠正方法改进后，可使单个时隙的数据传输速率提高50％，从而达到14.4 kbps。通过适当的时隙捆绑技术，HSCSD可以同时占用多个时隙，使数据速率可达57.6 kbps。 这种技术只能提供电路数据，占用信道太多，因此，市场不大。目前应用很少，市场前景并不光明。 4．3 通用分组无线业务（General Packet Radio Service, GPRS） 如同所有电路交换技术一样，HSCSD的一个重要缺点是信道利用率低。作为GSM的生级技术，GPRS在现有GSM电路交换模式之上增加了基于分组的空中接口，引入了分组交换。GPRS可提供的数据速率是115 kbps。GPRS通过网关GGSN与数据网相连，提供GPRS子网与数据网的接口。接入数据网（如分组网、Internet）或企业网。 由于GSM是个基于电路交换的网络，GPRS的引入需要对原有网络进行一些改动，需增加新的设备如GPRS业务支持节点（SGSN），网关支持节点（GGSN）和GPRS骨干网；除此之外，其他新技术还需引进，如分组空中接口、信令、安全加密等。SGSN与MSC/VLR属于同一层面，通过帧中继与基站系统连接，执行对MS位置的跟踪及安全和接入控制的功能。SGSN在分组数据业务的地位相当于MSC/VLR在电路交换业务中的地位。GGSN提供与外部分组交换网的连接，通过一个基于IP的GPRS骨干网与GPRS连接。 GPRS的一个重要优点是提高了线路利用率，只有当数据传送或接收时才占用无线频率资源，利用了数据通信计复用和突发性的特点。另外，用户终端是时刻在线的，所以响应时间短。 在GSM网络上提供GPRS服务，只需增加SGSN和GGSN两类新的支持节点并对BSC进行软硬件升级，对其它网元如BTS、MSC/VLR、HLR、SMS-G/IWMSC、AUC、BG（Border gateway）、SOG（Service order gateway）只需进行软件修改。此外，GSM的计费是基于用户通话的时间。但是GPRS的计费是从其他方面考虑的——传输数据量、内容、所用带宽、服务质量甚至接入的数据类型。GSM运营商在升级到GPRS时需要考虑对计费系统的修改补充。可以看出，GPRS是GSM网络提供高速数据的理想出路。 目前，国内已有中国移动、中国联通在好几个城市进行GPRS的试验。我们知道，目前中国移动和中国联通已经开通基于GSM短消息和业务信道的WAP，用户响应热烈，随着时间的推移，用户肯定会不满足于这种低速数据，而GPRS可以提供高速分组数据，因此，这种技术将作为一种过渡技术得到大量应用。 4．4 EDGE (Enhanced Data for GSM Evolution) 作为GSM技术的下一个发展阶段，EDGE（Enhanced Data for GSM Evolution）的调制技术将不采用GMSK，而采用8PSK，高效利用200kHz的载波，使数据传输速率最高达到384 kbps（8个时隙捆绑在一起）。这种技术的前途现在还很难说。 不过，以上这些技术只能提供类似于第三代移动通信的业务，W-CDMA才是第三代移动通信，但在向W-CDMA过渡时又必须做很大的改动。 4．5 窄带CDMA向cdma2000的过渡 IS-95-A（目前的窄带CDMA）向cdma2000演进的策略是由目前的IS-95-A，到可传输115 kbps的IS-95-B或直接到加倍容量的cdma2000 1xRTT，数据速率可达144 kbps，最终平滑无缝隙地演进至cdma2000 3xRTT，此时传输速率可高达