現(xiàn)代通信技術(shù)（第二版）課件 第七章移動通信系統(tǒng)

第七章移動通信系統(tǒng)學(xué)習(xí)目的與要求：通過本章學(xué)習(xí)，掌握移動通信的概念、原理、及實(shí)現(xiàn)方式。了解移動通信發(fā)展歷程及趨勢，第三代、第四代、第五代及第六代移動通信的原理及應(yīng)用。重點(diǎn)與難點(diǎn)內(nèi)容：移動通信系統(tǒng)的分類及特點(diǎn)移動通信系統(tǒng)的技術(shù)原理及不同制式通信系統(tǒng)的區(qū)別3G、4G、5G移動通信系統(tǒng)的特點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)6G移動通信的關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展愛國情奮斗者

王志勤，我國移動通信領(lǐng)域知名專家和學(xué)科帶頭人。1970年2月出生于山東煙臺市，1992年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)無線通信專業(yè)，在通信領(lǐng)域辛勤耕耘了三十余年，長期從事標(biāo)準(zhǔn)研究和制定工作，參與了中國從2G到5G的全部建設(shè)過程，為通信事業(yè)做出了巨大貢獻(xiàn)。先后擔(dān)任中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所所長、中國信息通信研究院副院長、IMT-2020（5G）推進(jìn)組組長、IMT-2030（6G）推進(jìn)組組長、國際標(biāo)準(zhǔn)化組織3GPP高層管理會議PCG主席、中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會無線委員會主席、中國通信學(xué)會無線移動專委會主任委員等國內(nèi)國際重要職位。

移動通信系統(tǒng)概述移動通信系統(tǒng)的主要特點(diǎn)移動通信必須利用無線電波進(jìn)行信息傳輸移動通信是在復(fù)雜的干擾環(huán)境中運(yùn)行的移動通信業(yè)務(wù)量的需求與日俱增網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)多種多樣，網(wǎng)絡(luò)管理和控制必須有效移動通信設(shè)備必須適于在移動環(huán)境中使用1.無線尋呼系統(tǒng)單向、大區(qū)制典型移動通信系統(tǒng)2.無繩電話系統(tǒng)主機(jī)和副機(jī)典型移動通信系統(tǒng)3.集群通信系統(tǒng)廣播方式典型移動通信系統(tǒng)4.蜂窩移動通信系統(tǒng)小區(qū)覆蓋典型移動通信系統(tǒng)5.移動衛(wèi)星通信系統(tǒng)全球覆蓋典型移動通信系統(tǒng)移動通信的發(fā)展趨勢工作頻段由短波、超短波、微波到毫米波、紅外和超長波頻道間隔由100kHz、50kHz、25kHz、12.5kHz和寬帶擴(kuò)頻信道調(diào)制方式由振幅壓擴(kuò)單邊帶、模擬調(diào)頻到數(shù)字調(diào)制多址方式由FDMA、TDMA、CDMA到混合多址和隨機(jī)多址的結(jié)合網(wǎng)絡(luò)覆蓋由宏蜂窩到微蜂窩、微微蜂窩，毫微微蜂窩和混合蜂窩服務(wù)范圍由局部地區(qū)、大中城市到全國、全世界，并由陸地、水上、空中發(fā)展到陸?？找惑w化業(yè)務(wù)類型由通話為主到傳輸數(shù)據(jù)、傳真、圖像、視頻等綜合業(yè)務(wù)移動通信的發(fā)展趨勢編碼與解碼技術(shù)調(diào)制與解調(diào)技術(shù)多址技術(shù)抗干擾技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)編碼與解碼技術(shù)1.信源編解碼技術(shù)速率較低，純編碼速率應(yīng)低于16kbit/s在一定編碼速率下的音質(zhì)應(yīng)盡可能高編碼時延要短，要控制在幾十毫秒之內(nèi)編碼算法應(yīng)具有較好的抗誤碼性能，計(jì)算量小，性能穩(wěn)定編碼器應(yīng)便于大規(guī)模集成2.信道編解碼技術(shù)為了保證通信的可靠性，必須采用信道編碼：標(biāo)準(zhǔn)信道編碼方式GSM卷積碼、循環(huán)碼、奇偶碼IS-95卷積碼、Turbo碼WCDMA卷積碼、Turbo碼CDMA2000卷積碼、Turbo碼LTETurbo碼、LDPC碼IMT-2020（NR）LDPC、Polar編碼與解碼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)調(diào)制方式GSMGMSKIS-95BPSK(上行)、QPSK(下行)WCDMABPSK(上行)、QPSK(下行)CDMA2000OQPSK(上行)、QPSK(下行)LTEQPSK，16QAM，64QAMIMT-2020（NR）π/2-BPSK，QPSK，16QAM，64QAM，256QAM調(diào)制與解調(diào)技術(shù)目的是把信號轉(zhuǎn)換提高頻譜利用率抗干擾抗衰落能力模擬信號/數(shù)字信號變換成適合信號標(biāo)準(zhǔn)多址方式GSMFDMA、TDMAIS-95CDMAWCDMACDMACDMA2000CDMALTEOFDMAIMT-2020（NR）NOMA多址技術(shù)目的是區(qū)分用戶頻分多址（FDMA)時分多址（TDMA)碼分多址(CDMA)空分多址（SDMA）抗干擾技術(shù)保證網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量多徑衰落：分集技術(shù)、自適應(yīng)均衡技術(shù)、調(diào)制技術(shù)差錯控制：信道編碼進(jìn)行檢錯和糾錯綜合抗干擾：擴(kuò)頻和跳頻技術(shù)共道干擾：扇區(qū)天線、多波束天線、自適應(yīng)天線陣列、智能天線多址干擾：干擾抵消、多用戶信號檢測1.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(GSM系統(tǒng)為例）組網(wǎng)技術(shù)2.網(wǎng)絡(luò)接口(GSM系統(tǒng)為例）組網(wǎng)技術(shù)3.網(wǎng)絡(luò)控制與管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)必須為功能實(shí)體規(guī)定明確的操作程序、控制規(guī)程和信令格式組網(wǎng)技術(shù)呼叫接續(xù)移動性管理無線資源管理TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：第三代移動通信系統(tǒng)核心網(wǎng)CN接入網(wǎng)UTRAN用戶終端UELTE（LongTermEvolution）

按照制式分為：TDD-LTE&FDD-LTE高速、高效、低時延簡單、靈活和統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)更低的成本第四代移動通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組成（扁平化架構(gòu)）核心網(wǎng)EPC基站ENODEB用戶UE4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議水平：無線網(wǎng)絡(luò)層和傳輸網(wǎng)絡(luò)層

垂直：控制平面和用戶平面4G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)VoLTE4G語音業(yè)務(wù)（VoiceoverLTE）接通更快，大概在4秒內(nèi)接通，2G/3G為5-8秒音質(zhì)更清晰，聲音的立體感更強(qiáng)視頻通話清晰度更高，更省電40%左右打電話與上網(wǎng)可以同時進(jìn)行4G高清語音volte核心網(wǎng)EPC基站eNodeB射頻RRU4G網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備LTE的多址方式：

下行：OFDMA上行：SC-FDMA先進(jìn)的天線解決方案：發(fā)射分集MIMO波束賦形BEAMForming靈活的帶寬配置（6種可用帶寬）可選的雙工方式（TDD/FDD）其他關(guān)鍵技術(shù)高階調(diào)制：（64QAM）HARQ(混合自動重傳)：鏈路自適應(yīng)(自適應(yīng)調(diào)制編碼AMC)

快速M(fèi)AC調(diào)度技術(shù)ICIC（小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)）SON(自組織網(wǎng)絡(luò))CA(載波聚合)4G關(guān)鍵技術(shù)OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）頻譜利用率很高，頻譜效率比串行系統(tǒng)高近一倍抗衰落能力強(qiáng)適合高速數(shù)據(jù)傳輸抗碼間干擾能力強(qiáng)OFDMA多址技術(shù)4G關(guān)鍵技術(shù)相互遮擋鏡頭，俗稱雜散干擾各擺各的造型，你不擋到我我不擋到你，這就類似于我們的傳統(tǒng)子載波,每個波有頭有手也有腳，各擺各的造型，頂多手搭在一起，如果擋到了就會有干擾，俗稱雜散干擾。4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDM手和腳都不看，只要你把臉露出來，OFDM就是通過IFFT(反傅里葉變換)把手和腳都中和掉，剩余的有效波用來傳數(shù)據(jù)的技術(shù)，把手和腳中和掉，通過有效波來傳數(shù)據(jù)就是我們所說的OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing）技術(shù)。4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDM4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDM4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDM無循環(huán)前綴（CP）4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDMCDMA-空白（CP）4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDMOFDM-保護(hù)間隔（CP）4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDMOFDM圖示4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDMOFDM的優(yōu)勢-CDMA4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDMOFDMA與SCFDMA的對比4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDM4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDM4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDMOFDM發(fā)射流程4G關(guān)鍵技術(shù)--OFDM高階調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)：采用64QAM比16QAM速率提升50％高階調(diào)制的缺點(diǎn)：越是高性能的調(diào)制方式，其對信號質(zhì)量的要求也越高4G關(guān)鍵技術(shù)-高階調(diào)制eNodeB基于信道環(huán)境選擇調(diào)制方式，數(shù)據(jù)塊的大小和數(shù)據(jù)速率信道質(zhì)量的信息反饋，即ChannelQualityIndicator（CQI）UE測量信道質(zhì)量，并報(bào)告（每1ms或者是更長的周期）給eNodeB4G關(guān)鍵技術(shù)-自適應(yīng)調(diào)制和編碼自適應(yīng)調(diào)制與編碼AMC:4G關(guān)鍵技術(shù)-自適應(yīng)調(diào)制和編碼CQI上報(bào)方式4G關(guān)鍵技術(shù)-自適應(yīng)調(diào)制和編碼調(diào)度與調(diào)度算法:基于時間或流量4G關(guān)鍵技術(shù)-調(diào)度和算法4G關(guān)鍵技術(shù)-調(diào)度和算法傳統(tǒng)的ARQ接收端接收數(shù)據(jù)塊，并解編碼根據(jù)CRC解校驗(yàn)，得到誤塊率如果數(shù)據(jù)塊誤塊率高丟棄錯誤的數(shù)據(jù)塊接收端要求發(fā)送端重發(fā)完整的錯誤的數(shù)據(jù)塊混合HARQ接收端接收數(shù)據(jù)塊，并解編碼根據(jù)CRC解校驗(yàn)，得到誤塊率如果誤塊率較高暫時保存錯誤的數(shù)據(jù)塊接收端要求發(fā)送端重發(fā)接收端將暫存的數(shù)據(jù)塊和重發(fā)的數(shù)據(jù)混合后再解編碼HARQwithSoftCombiningeNodeBUEPacket1?NPacket1Packet1Packet1Packet1?+APacket2TransmitterReceiver4G關(guān)鍵技術(shù)-HARQHARQ的模型傳統(tǒng)ARQ和HARQ區(qū)別？HARQ=FEC+ARQHARQ技術(shù)主要是系統(tǒng)端對編碼數(shù)據(jù)比特的選擇重傳以及終端對物理層重傳數(shù)據(jù)合并。通過RV參數(shù)來選擇虛擬緩存中不同編碼比特的傳送。CC(ChaseCombining)IR(IncrementalRedundancy)4G關(guān)鍵技術(shù)-HARQChaseCombining(CC)重傳方式舉例4G關(guān)鍵技術(shù)-HARQIncrementalRedundancy(IR)重傳方式舉例4G關(guān)鍵技術(shù)-HARQ小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)技術(shù):4G關(guān)鍵技術(shù)-ICIC4G關(guān)鍵技術(shù)-ICIC同站不同小區(qū)的ICIC時域協(xié)調(diào)4G關(guān)鍵技術(shù)-ICICSON（Self-organizedNetwork）：自組織網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)能夠自我主動進(jìn)行規(guī)劃、配置、優(yōu)化和維護(hù)，即自規(guī)劃、自配置、自優(yōu)化、自維護(hù)。SON驅(qū)動力：網(wǎng)絡(luò)日益復(fù)雜，運(yùn)維難度和成本不斷提高，為減少運(yùn)營成本，提高操作效率，提高網(wǎng)絡(luò)性能和穩(wěn)定性，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)競爭力，在4GLTE中引入了SON技術(shù)。發(fā)展情況：3GPP在LTE的R8中引入初始功能，R9中提供基本功能，R10加入了增強(qiáng)功能。效果分析：據(jù)阿朗和愛立信的測算，通過引入SON技術(shù)，CAPEX（網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本）降低20%；OPEX（網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本）節(jié)省50%。SON架構(gòu)：SON的采用的架構(gòu)主要有集中式、分布式、混合式三種。4G關(guān)鍵技術(shù)-SON4G關(guān)鍵技術(shù)-CA載波聚合載波聚合（CarrierAggregation，CA）是將2個或更多的載波單元（ComponentCarrier，CC）聚合在一起以支持更大的傳輸帶寬（最大為100MHz）。上行和下行鏈路以完全獨(dú)立地配置，唯一的限制是上行載波的數(shù)量不可超過下行載波的數(shù)量。每一聚合的載波稱為分量載波(CC)。分量載波的帶寬可以是1.4、3、5、10、15或20MHz。最多五個分量載波時，最大聚合帶寬為100MHz。連續(xù)聚合的CC的中心頻率間的間隔是300kHz的倍數(shù)（與之相比Release8/9中是100kHz頻率間隔），以正交方式保留了15kHz間隔的子載波。4G關(guān)鍵技術(shù)-CA載波聚合4G關(guān)鍵技術(shù)-CA載波聚合CC2CC1CC2CC1雙載波應(yīng)用場景載波聚合應(yīng)用場景CC1andCC2之間存在測量差距

只有R8/R9的終端才能應(yīng)用

終端只能接收一個載波

兩個載波之間沒有信息交互

用戶感知較差CC1andCC2之間沒有測量差距

支持載波聚合的終端可以使用

終端可以接收使用聚合的2個載波

兩個CC1和CC2之間存在信息交互

更容易實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡

能夠提升用戶峰值速率，明顯提升用戶體驗(yàn)控制信息承載數(shù)據(jù)控制信息承載數(shù)據(jù)控制信息承載數(shù)據(jù)承載數(shù)據(jù)頻譜A+B載波聚合相對于

雙載波的優(yōu)勢:MIMO多天線傳輸技術(shù)(Multiple-InputMultiple-Output)多根天線，并行處理信道容量可成倍提升4G關(guān)鍵技術(shù)-MIMO4G關(guān)鍵技術(shù)-MIMO4G關(guān)鍵技術(shù)-MIMOMIMO的工作模式復(fù)用模式不同天線發(fā)射不同的數(shù)據(jù)，可以直接增加容量：2×2MIMO方式容量提高1倍分集模式不同天線發(fā)射相同的數(shù)據(jù)，在弱信號條件下提高用戶的速率UEABCDEFGHIJKLMNOPABCDEFGHA’B’C’D’E’F’G’H’ABCDEFGHUE4G關(guān)鍵技術(shù)-MIMO5G-第五代移動通信技術(shù)5G?無窮無盡、無限可能、指數(shù)生長、你所能想象的一切2022年，華為、北京聯(lián)通攜手發(fā)布了全球最大規(guī)模5G200MHz大帶寬城市網(wǎng)絡(luò)，基站規(guī)模超過3000個，實(shí)際路測結(jié)果顯示，5G用戶下行峰值速率達(dá)到1.8Gbps，下行平均速率達(dá)到885.7Mbps，上行平均速率達(dá)到260.4Mbps，5G網(wǎng)絡(luò)CA（載波聚合）生效比達(dá)到85%。2023年2月，中國電信、中國移動、中國聯(lián)通相繼披露最新運(yùn)營數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示，截至1月末，三大運(yùn)營商5G套餐用戶總數(shù)累計(jì)超過11億戶。5G-第五代移動通信技術(shù)ITU對IMT2020愿景的描述Source:ITUR.M.[IMT.VISION]10Gbit/s1百萬連接每平方公里1mseMBB（增強(qiáng)型MBB）uRLLC（超高可靠性與超低時延業(yè)務(wù)）mMTC（海量連接的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)）IMT-2020vs.IMT-Advanced在關(guān)鍵性能指標(biāo)上的對比3x1ms1Mdevices/km210Gbit/s100X峰值速率(Gbit/s)用戶體驗(yàn)速率(100Mbit/s)頻譜效率移動性(500km/h)時延連接數(shù)密度(設(shè)備/平方公里)區(qū)域流量能力(10Mbps/m2)網(wǎng)絡(luò)功耗效率IMT-AdvancedIMT-20205G-第五代移動通信—愿景及關(guān)鍵性能5G-第五代移動通信—網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)5G核心網(wǎng)LTEHSSMMEPCRFPGWSGWNEFUDMPCFNRFIDMgnSMSFAUSFSMFAMFCore-CPNRLTECore-UP3rdFunctionsEncryptAF2…大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)元間耦合功能新功能標(biāo)準(zhǔn)化時間長減少接口，極簡網(wǎng)絡(luò)功能解耦，開放架構(gòu)獨(dú)立服務(wù)，快速創(chuàng)新4G核心網(wǎng)S1-MMES1-UN3N2N4ServiceManagementFramework5G-第五代移動通信—組網(wǎng)場景NSA

(Non-Standalone，非獨(dú)立組網(wǎng))SA

(Standalone，

獨(dú)立組網(wǎng))支持eMBB/uRLLC/mMTC及網(wǎng)絡(luò)切片需要新建5GCore對5G的連續(xù)覆蓋有較高要求S1EPCLTE5GNR5GCORENG-CNG-U控制面用戶面支持eMBBLTE為錨點(diǎn)，復(fù)用4G核心網(wǎng)，快速引入5GNR5G疊加于4G網(wǎng)絡(luò)上，無需提供連續(xù)覆蓋LTES1EPC控制面用戶面5GNR5G-第五代移動通信—SA組網(wǎng)5G網(wǎng)絡(luò)組成包括無線網(wǎng)絡(luò)：NR(NewRAN)核心網(wǎng)：NGC（NextGenerationCore)5G無線網(wǎng)絡(luò)接口包括：XnNG-C（控制面板）NG-U（用戶面）Uu（無線空口）新空口可以靈活適配眾多業(yè)務(wù)，支撐更高的速率，更高的頻譜效率更靈活的幀結(jié)構(gòu)F-OFDMPolar/LDPC編碼大帶寬MassiveMIMO移動互聯(lián)網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)新空口上下行解耦高階調(diào)整5G-第五代移動通信—新空口主要技術(shù)5G-第五代移動通信—大帶寬5G-第五代移動通信—網(wǎng)絡(luò)切片切片5G網(wǎng)絡(luò)智能水表等自動駕駛等語音、上網(wǎng)業(yè)務(wù)/設(shè)備業(yè)務(wù)/工業(yè)移動寬帶--20Gbps低時延高可靠--<1msNB-IoT100萬連接/km25G網(wǎng)絡(luò)語音、上網(wǎng)自動駕駛等智能水表等5G網(wǎng)絡(luò)：語音/上網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、低時延高

可靠等智能水表等自動駕駛等語音、上網(wǎng)業(yè)務(wù)/設(shè)備業(yè)務(wù)/工業(yè)移動寬帶--20Gbps低時延高可靠--<1msNB-IoT

100萬連接/km24G網(wǎng)絡(luò)4G網(wǎng)絡(luò)4G網(wǎng)絡(luò)：語音、文本和上網(wǎng)4G網(wǎng)絡(luò)在3GPP協(xié)議中，5G的總體頻譜資源可以分為以下兩個頻譜范圍FR（FrequencyRange）FR1：Sub6G頻段，也就是我們說的低頻頻段，是5G的主用頻段；其中3GHz以下的頻率我們稱之為sub3G，其余頻段稱為C-bandFR2:6G以上的毫米波，也就是我們說的高頻頻