移動通信系統柴蓉通信與信息工程學院

第四代移動通信系統4G:寬帶移動通信系統，可提供的最大帶寬為100Mbps。4G系統定位于寬帶多媒體業務，使用更高的頻帶，提供更高傳輸容量。4G基本特征：（1）網絡覆蓋的無縫化，即用戶在任何時間、任何地點都能實現網絡的接入。（2）寬帶化：高速數據傳輸。

（3）融合趨勢明顯加快，包括技術融合、網絡融合、業務融合。（4）數據速率更高，頻譜帶寬更寬，頻段越來越高，覆蓋距離縮小。（5）終端智能化越來越高。（6）支持IP網的“無所不在，無所不能”的普遍特征，支持任何時間，任何地點、任何人采用任何終端可實現任何業務傳輸。4G的關鍵技術（1）調制與信號傳輸技術MIMO，OFDM，RAKE擴頻接收、跳頻、高性能前向糾錯FEC編碼技術等。定位技術（2）基于移動終端的定位、基于移動網絡定位和混合定位。4G支持移動終端在不同系統間進行通信，對其定位和跟蹤是實現高速率和高質量移動通信的前提和保障。

（3）切換技術包括同一網絡內的切換（水平切換），不同網絡之間的切換（垂直切換），實現硬切換和軟切換相結合。（4）軟件無線電技術建立一個無線電通信平臺，通過平臺實現多通路、多層次和多模式的無線通信。（5）智能天線技術智能天線具有抑制干擾、自動跟蹤信號、智能化時空處理算法形成數字波束等功能。

多天線技術（MIMO）基本概念在發送端和接收端同時采用多根天線多輸入所輸出（MultipleInputMultipleOutput，MIMO）采用MIMO目的更好地利用空間資源，提高頻譜效率，從而實現更高系統容量、更廣覆蓋和更高用戶速率。單/多天線系統收發端單天線（SISO）系統容量單天線系統模型：假設發射端功率為，則接收端功率為，接收端信噪比：（香農公式）單位頻譜信道容量：收發端數學模型：信道容量單/多天線系統收發端接收端合并技術等效比值合并（EqualRatioCombining,ERC）固定比值合并（FixedRatioCombining,FRC）信噪比合并（SignaltoNoiseRatioCombining,SNRC）等效比值合并（ERC）接收端將所接收的比值直接相加固定比值合并（FRC）接收端以一定比例對所接收的比值進行相加：鏈路1的權值：鏈路2的權值特例：選擇比合并，即：

或。信噪比合并（SNRC）接收端根據鏈路信噪比進行合并：鏈路1的信噪比：鏈路2的信噪比單/多天線系統收發端系統容量MIMO系統，若N，M足夠大，多天線（MIMO）系統系統模型系統容量vsSNR正交頻分復用（OFDM）技術基本概念（What）

正交頻分復用技術（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing，OFDM)是多載波調制技術的一種，采用正交子載波調制多路信號。為什么使用OFDM/FDM（Why）？

通常通信系統的信道所能提供的帶寬通常比傳送一路信號所需的帶寬要寬得多。若一個信道僅傳送一路信號導致信道資源嚴重浪費，為了能夠充分利用信道的帶寬，可采用頻分復用的方法。OFDM如何實現多載波調制（How）？

將信道分成若干正交子信道，將高速數據信號轉換成并行的低速子數據流，采用IFFT和FFT實現調制和解調。OFDM子載波正交性OFDM采用子載波：OFDM子載波實例FDM與OFDM頻譜利用率對比OFDM實現OFDM實現1.串并轉換：將輸入的高速數據流分解為多個低速子數據流；2.調制（IFFT）：對各子數據流采用正交子載波進行調制；3.合并后的數據流經信道傳輸；4.解調（FFT）：采用各組正交載波解調合并后的數據流（相乘、積分）5.并串轉換，恢復原高速數據流。OFDM的優缺點OFDM的優點

OFDM的缺點

協作通信技術問題提出源節點S向目的節點D發送消息，若信道增益，則消息無法正確接收。協作思想可能存在另一節點R，其與源節點S之間信道增益及R與目的節點D之間信道增益均優于，S可發送消息至R，由R轉發至D。R稱為中繼節點。協作通信技術應用示例協作通信技術實現時隙1：源節點S向目的節點D發送消息，D接收消息。同時，中繼R接收源節點S的消息時隙2：目的節點D接收R轉發的消息。

實現協作通信技術協作通信技術分類（根據中繼節點R處的操作）放大轉發（AmplifyandForward，AF）解碼轉發（DecodeandForward，DF）協作通信技術放大轉發（AF）中繼節點R不對接收到的來自源端S的信號進行解調和解碼，而是直接將收到的信號進行放大，之后轉發至目的端。協作通信技術解碼轉發（DF）中繼節點R對接收到的來自源端S的信號進行解調和解碼，再通過編碼和調制重構發射信號，從而降低噪聲影響。接收端合并技術等效比值合并（EqualRatioCombining,ERC）固定比值合并（FixedRatioCombining,FRC）信噪比合并（SignaltoNoiseRatioCombining,SNRC）等效比值合并（ERC）接收端將所接收的比值直接相加固定比值合并（FRC）接收端以一定比例對所接收的比值進行相加：直傳鏈路路徑加權：中繼鏈路路徑加權信噪比合并（SNRC）接收端根據鏈路信噪比進行合并：直傳鏈路信噪比：中繼鏈路信噪比協作通信性能分析協作通信技術LTE概述LTE發展驅動語音收入降低網絡成本增加LTE系統架構ARPU：AverageRevenuePerUser，每用戶平均收入到2019年，全球移動寬帶用戶數將達到76億，占移動用戶總數的80%以上。智能手機用戶數有望達到56億。歐洲的智能手機用戶數將達到大約7.65億，超過其人口總數。智能手機用戶每月消耗移動數據將是現在的4倍。在2013年至2019年期間，移動數據流量有望增加10倍。2015年，全球移動用戶數將超過世界人口總數2016年，智能手機用戶數將超過功能手機用戶數。2014年第一季度，全球移動用戶數同比去年增加了7%，凈增1.2億；銷售的所有手機中65%為智能手機。愛立信《移動市場報告》2014.6.133GPP從1998年底開始制定3G的規范。R99版本原計劃在1999年底完成，后于2000年3月完成。從R99后不再按年來命名版本，同時將R2000的功能分成兩個階段實施：R4和R5。原則上低版本的規范集是高版本規范集的一個子集，若在低版本中增加新的特征，則將其升級至高版本中。Release112012中繼，CoMP，M2MRelease122014LTE-Hi，3D-MIMO，終端直通技術（D2D）等3GPP標準規范性能HSDPA（HighSpeedDownlinkPacketAccess)高速下行分組接入，是一種移動通信協議，亦稱為3.5G。該協議在WCDMA下行鏈路中提供分組數據業務，在一個5MHz載波上的傳輸速率可達8-10Mbit/s（如采用MIMO技術，則可達20Mbit/s）。在具體實現中，采用了自適應調制和編碼（AMC）、多輸入多輸出（MIMO）、混合自動重傳請求（HARQ）、快速調度、快速小區選擇等技術。HSDPA可以在不改變已經建設的WCDMA系統網絡結構的基礎上，提高網絡容量和用戶下行數據業務速率(理論最大值可達14.4Mbps)。HSDPA相關標準在3GPPR5協議中指定。HSDPA概述HSUPA(HighSpeedUplinkPacketAccess)高速上行鏈路分組接入。HSUPA通過在WCDMA網絡中采用多碼傳輸、混合自動重傳請求（HARQ）、基于NodeB的快速調度等關鍵技術，可實現用戶峰值速率1.4-5.8Mbps。與WCDMAR99相比，HSUPA的網絡上行容量增加20%-50%，重傳延遲小于50ms，覆蓋范圍增加0.5-1.0dB。HSUPA概述WCDMA/UMTS網絡架構UTRAN：UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork，UMTS陸地無線接入網LTE網絡架構HSS：HomeSubscriberServer，歸屬用戶服務器。HSS的功能：IP多媒體功能、PS域、CS域的HLR功能。分組核心演進（EvolvedPacketCore，EPC）：即LTE的核心網。EPS網絡架構一個eNodeB可以和多個MME/S-GW互連，一個MME/S-GW也可與多個eNodeB互連EPC=EvolvedPacketCore，是核心網E-UTRAN：演進UMTS陸地無線接入網絡EPS：EvolvedPacketSystem，網絡體系的全稱。EPS=UE+E-UTRAN+

EPCLTE：LongTermEvolution，長期演進計劃SAE：SystemArchitectureEvolution，系統架構演進SAE和LTE是3GPP2004年提出的兩大研究計劃的名稱，分別側重網絡架構和無線接入技術。LTE與E-UTRAN；SAE與EPC存在一定的映射關系。

LTE與其他蜂窩網絡融合架構3GPP與3GPP2第三代合作伙伴計劃2（3rdGenerationPartnershipProject2，即3GPP2）成立于1999年1月。由美國TIA、日本的ARIB、日本的TTC、韓國的TTA四個標準化組織發起。3GPP2致力于使ITU的IMT-2000計劃中的（3G）移動電話系統規范在全球的發展3GPP2主要是從2G的CDMAOne或者IS-95發展而來的CDMA2000標準體系的標準化機構，受到擁有多項CDMA關鍵技術專利的高通公司的較多支持。3GPP與3GPP23GPP(3GPartnershipProject):于1998年12月成立由歐洲的ETSI、日本的ARIB、日本的TTC、韓國的TTA和美國的T1五個標準化組織發起。主要是制訂以GSM核心網為基礎，UTRA(FDD為W-CDMA技術，TDD為TD-CDMA技術)為無線接口的第三代技術規范。中國無線通信標準研究組(CWTS)于1999年6月在韓國正式簽字同時加入3GPP和3GPP2。在此之前，我國是以觀察員的身份參與這兩個伙伴的標準化活動。中國通信標準化協會（CCSA）2002年成立后，CWTS在3GPP2的組織名稱更名為CCSA。EPC的主要功能實體：移動性管理實體（MobilityManagementEntity，MME。服務網關（ServingGateway，S-GW）分組數據節點網關（PacketDataNetworkGateway，P-GW)策略及收費規則功能（PolicyandChargingRulesFunction，PCRF)負責空閑模式UE跟蹤和尋呼控制，包括UE的注冊與注銷過程通過S6A接口與HSS進行信息交流，完成用戶驗證功能，并支持用戶漫游。幫助UE選擇不同S-GW，以完成LTE系統內核心網絡節點之間的切換。通過S3端口提供LTE與2G/3G接入網絡的控制面功能的移動性管理。負責生成和分配UE的臨時身份為NAS信令提供加密/完整性保護，并且負責安全密鑰管理。MME的功能LTE與其他蜂窩網絡融合架構用戶數據包的路由和轉發管理和存儲UE的上下文，例如IP承載服務的參數，網絡內部的路由信息??。在合法監聽的情況下，完成用戶傳輸信息的復制。UE在eNodeB之間移動時用戶面數據交換UE在LTE與其他3GPP技術之間移動時用戶面數據交換，通過S4接口與完成2G/3G系統之間的切換。服務網關（S-GW）功能PDN網關提供UE與外部分組數據網絡連接點的接口傳輸。實現用戶數據包過濾，計費支持，合法攔截與數據包篩選。作為數據交換的核心組件，承載3GPP和非3GPP網絡之間的數據交換，如WiMAX和3GPP2（CDMA1X和EVDO）網絡。PCRF：PolicyandChargingRulesFunction，策略及收費規則功能，支持數據流檢測、策略執行和計費控制。PDN網關（P-GW）功能EPS網絡架構一個eNodeB可以和多個MME/S-GW互連，一個MME/S-GW也可與多個eNodeB互連RRC（RadioResourceControl）：無線資源控制控制面：傳輸信令消息的平面信令消息：為了承載用戶數據而傳輸的控制/命令消息PDCP(PacketDataConvergenceProtocol)分組數據匯聚協議NAS:Non-accessstratum,非接入層eNB，MME，S-GW的功能NAS：Non-AccessStratum，非接入層NAS支持核心網與UE之間的信令和數據傳輸。功能：認證，鑒權，安全控制，空閑模式移動性管理及發起尋呼。RRC：RadioResourceControl，無線資源控制功能：廣播，尋呼，鏈路管理，無線承載控制，移動性，UE測量上報和控制。RLC：RadioLinkControl，無線鏈路控制層協議功能：RLC負責分段與連接、重傳處理，以及對高層數據的順序傳送，具體包括PDU傳輸，ARQ，包的組合與拆分。MAC:媒體訪問控制（MAC）層功能：HARQ重傳與上下行調度，包括調度，HARQ，邏輯信道優先級處理，PDU包復用和解復用。PHY:物理層功能：編譯碼、調制解調、多天線映射以及其它電信物理層功能，包括無線接入，功率控制，MIMO。PDCP：PacketDataConvergenceProtocol，分組數據匯聚協議功能：處理用戶平面上的IP數據包。（1）PDCP子層接收來自上層的IP數據分組后，可以對IP數據分組進行頭壓縮和加密，然后遞交到RLC子層。（2）PDCP子層還向上層提供按序提交和重復分組檢測功能。LTE的技術指標：峰值速率控制面延遲時間與控制面容量UE三種基本的運行模式：駐留態：手機選擇小區處于空閑態，未附著；睡眠態：手機RRC已建立，尚未建立專用承載；激活態：手機已建立專用承載，處于業務狀態。LTE中UE運行模式用戶面延遲時間與用戶面容量用戶面延遲時間與用戶面容量用戶移動性多帶寬支持與已有3GPP技術的融合其他性能指標CAPEX（CapitalExpenditure）：資本性支出，指用于基礎建設、擴大再生產等方面的需要在多個會計年度分期攤銷的資本性支出。

OPEX（OperatingExpense）：運營成本OPEX=維護費用+營銷費用+人工成本（+折舊）。運營成本主要是指當期的付現成本。E-UTRAN物理層技術特征PDSCH:PhysicalDownlinkSharedChannel--物理下行共享信道,用于承載來自傳輸信道DSCH的數據。CRC:循環冗余校驗碼（CyclicRedundancyCheck）無線資源管理無線承載控制：RadioBearerControl，RBC動態資源分配：DynamicResourceAllocation無線接納控制：RadioAccessControl(RAC)連接移動性控制：ConnectionMobilityControl，CMC小區間干擾協調：InterCellInterferenceCoordination，ICIC負載均衡：LoadBalancing無線資源管理：無線承載控制(RBC)無線承載控制：RadioBearerControl，RBC無線資源管理：動態資源分配無線資源管理：無線接納控制無線接納控制：RadioAccessControl(RAC)無線資源管理：連接移動性控制CMCCMC：ConnectionMobilityControl無線資源管理：小區間干擾協調ICICICIC：小區間干擾協調，InterCellInterferenceCoordination基本思想：通過管理無線資源使小區間干擾得到控制，考慮多個小區中資源使用和負載等情況而進行的多小區無線資源管理方案。ICIC以小區間協調的方式對各個小區中無線資源的使用進行限制，包括限制時頻資源的使用或者在一定的時頻資源上限制其發射功率等。

小區干擾控制LTE系統中，系統中各小區采用相同的頻率進行發送和接收，導致小區間產生干擾，小區邊緣干擾尤為嚴重。目前主要干擾控制方法：干擾協調：主動的干擾控制技術。對小區邊緣可用的時頻資源做一定的限制。這是一種比較常見的小區干擾抑制方法。干擾抑制：通過終端多個天線對空間干擾特性進行估計和抑制，可以分為空間維度和頻率維度進行抑制。系統復雜度較大，可通過上下行的干擾抑制合并(InterferenceRejectionCombining，IRC)實現。

干擾隨機化：被動的干擾控制方法。目的是使系統在時頻域受到的干擾盡可能平均，可通過加擾，交織，跳頻等方法實現。干擾對消：終端解調鄰小區信息，對消鄰小區信息后再解調本小區信息；或利用交織多址IDMA進行多小區信息聯合解調。

小區干擾控制無線資源管理：負載均衡負載均衡：LoadBalancingRAN之間的無線資源管理物理層技術隨機接入非同步隨機接入同步隨機接入調度鏈路自適應小區搜索非同步的隨機接入，如初始接入

UE選擇合適的小區進行駐留以后,可以發起初始的隨機接入過程。LTE中,隨機接入是一個基本的功能,UE只有通過隨機接入過程,與系統的上行同步以后,才能夠被系統調度來進行上行的傳輸。

同步隨機接入，如切換時的接入隨機接入RACH：RandomAccessChannelRACH：RandomAccessChannel調度和鏈路自適應LTE支持時間和頻率兩個維度的鏈路自適應根據時頻域信道質量信息對不同的時頻資源選擇不同的調制編碼方式。LTE功率控制主要用來降低對鄰小區上行的干擾，補償鏈路損耗，也是一種慢速的鏈路自適應機制。

TTI：TransmissionTimeIntervalCP：循環前綴，CyclicPrefix（類型1，FDD）（類型2，TD-LTE）DwPTS：下行導頻時隙，DownlinkPilotTimeSlotGP：保護時隙，GuardPeriodTD-LTE幀結構

邏輯信道傳輸信道物理信道LTE中的信道

邏輯信道：按照消息的類別不同，將業務和信令消息進行分類，得到相應的信道稱為邏輯信道。邏輯信道的定義只是邏輯上人為的定義。傳輸信道：對應的是空中接口上不同信號的基帶處理方式，根據不同的處理方式來描述信道的特性參數，構成了傳輸信道的概念。根據信號的信道編碼、選擇的交織方式、CRC冗余校驗的選擇、塊的分段等過程的不同，而定義了不同類別的傳輸信道。物理信道：空中接口的承載媒體，根據所承載的上層信息的不同定義了不同類型的物理信道。LTE中的信道邏輯信道邏輯信道由其承載的業務類型定義。控制信道：ControlChannel，CCH業務信道（流量信道）：TrafficChannel，TCH邏輯信道傳輸信道物理下行控制信道：PDCCH，PhysicalDownlinkControlChannel物理控制格式指示信道：PCFICH，PhysicalControlFormatIndicatorChannel物理HARQ指示信道：PHICH，PhysicalHybrid-