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1、3G/LTE移动通信系统方朝曦2011浙江万里学院电子信息学院2G比较IS-95 CDMAGSM,DCS-1900上行频率上行频率824-849 MHz(US Cellular)1850-1910 MHz(US PCS)890-915 MHz(Europe)1850-1910 MHz(US PCS)下行频率下行频率869-894 MHz(US Cellular)1930-1990 MHz(US PCS)935-960 MHz(Europe)1930-1990 MHz(US PCS)双工方式双工方式FDDFDD多址接入多址接入.CDMATDMA调制方式调制方式BPSK with Quadratu
2、re SpreadingGMSK with BT=0.3载波间隔载波间隔1.25 MHz200 KHz信道速率信道速率1.2288 Mchips/sec260.833 Kbps数据速率数据速率9.6 4.8 2.4 1.2kbps,语音最高14.4kbps语音22.8kbps,数据9.6kbps每载波信道每载波信道648语音编码语音编码CELP 13 Kbps,RPE-LTP 13 Kbps3G/LTE移动通信系统 3G介绍 CDMA2000 WCDMA TD-SCDMA WiMAX LTE&4G移动通信的发展 思考:移动业务资费策略:语音:时长数据:流量 最初设计:语音业务 电路交换(CS)
3、发展趋势:数据业务 分组交换(PS)终极目标:高速移动互联网,全IP网络3G介绍 3G:3rd Generation 四种3G标准 WCDMA CDMA2000 TD-SCDMA WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access),IEEE 802.163G介绍 第三代移动通信的提出第三代移动通信的提出IMT-2000是第三代移动通信系统(3G)的统称第三代移动通信系统最早由国际电信联盟(ITU)1985年提 出,考虑到该系统将于2000年左右进入商用市场,工作的频段在2000MHz,且最高业务速率为2000Kbps,故于1996年正式
4、更名为IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000)第三代移动通信系统是一种能提供多种类型、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,与固定网络相兼容,并以小型便携式终端在任何时候、任何地点进行任何种类通信的通信系统IMT-2000目标 全球统一频段、统一标准,全球无缝覆盖全球统一频段、统一标准,全球无缝覆盖 高效的频谱效率高效的频谱效率 高服务质量、高保密性能高服务质量、高保密性能 易于易于2G系统演进过渡系统演进过渡 提供多媒体业务提供多媒体业务 车速环境:144kbps 步行环境:384kbps 室内环境:2048
5、kbps3G标准的制定 1985:FPLMTS,1996更名为IMT-2000 1992:WRC92大会分配频谱230MHz 1999.3:完成IMT-2000 RTT关键参数 1999.11:完成IMT-2000 RTT技术规范 2000:完成IMT2000全部网络标准3G标准组织中国无线通信标准组主要的CDMA 3G提案区域标准组织(RSO)无线传输技术(RTT)U.S.TIA(TR 45.5)cdma2000T1W-CDMAKoreaTTATTA1(cdma2000)TTA2(W-CDMA)JapanARIBW-CDMAEuropeETSI(SMG 2)W-CDMAChinaCWTSTD
6、-SCDMAcdmaOneGSMTDMA 2G PDC CDMA2000 1xFirst Step into 3G GPRS90%10%3G演进路线图演进路线图EDGEWCDMACDMA2000 1x EV/DV3G phase 1Evolved 3G3GPP CoreNetworkCDMA20001x EV/DOHSDPAExpected market shareEDGEEvolution3G发展现状 日本移动通讯巨人NTT DoCoMo已于2001年10月1日开通全球第一个3G服务,该服务基于WCDMA标准。韩国运营商SKT和KTF也于2002年开始3G运营。3G发展现状 全球范围内大面积
7、的3G网络部署开始于2003年,和记电讯公司于2003年在欧洲开通了欧洲第一个3G网络,同年Verizon也在美国开通了3G服务。2004年则是3G发展的高潮,Vodafone、Orange等运营商相继在英国、法国、德国、意大利等主要国家开通了3G服务。截至2008年6月底,全球84个国家和地区发放了249张有效的3G牌照中国的3G发展 2009年1月7日,工业和信息化部为中国移动、中国电信和中国联通发放3张第三代移动通信(3G)牌照,此举标志着我国正式进入3G时代。中国移动:TD-SCDMA 中国电信:CDMA2000 中国联通:WCDMA中国的3G发展 工信部的最新数据显示,截至工信部的最
8、新数据显示,截至2011年年4月月底,我国底,我国3G用户规模已经接近用户规模已经接近7000万。万。中国移动中国移动2938.2万万 中国电信中国电信1784万万 中国联通中国联通2035.7万万第三代移动通信系统 3G介绍 CDMA2000 WCDMA TD-SCDMA WiMAX LTE&4GCDMA2000 cdma2000空中接口的特点空中接口的特点 cdma2000系统是第三代移动通信的重要标准之一。它提供了与IS-95B的后向兼容,同时又能满足ITU关于第三代移动通信基本性能的要求。后向兼容意味着cdma2000系统可以支持IS-95B移动台,cdma2000移动台可以工作于IS
9、-95B系统。cdma2000新技术(1)多载波工作 cdma2000系统的前向链路支持N1.2288 Mcs(这里N=1,3,6,9,12)的码片速率。(2)反向链路连续发送 cdma2000系统的反向链路对所有的数据速率提供连续波形,包括连续导频和连续数据信道波形。cdma2000新技术(3)反向链路独立的导频和数据信道cdma2000系统反向链路使用独立的正交信道区分导频和数据信道,因此导频和物理数据信道的相对功率电平可以灵活调节,而不会影响其帧结构或在一帧中符号的功率电平。(4)独立的数据信道cdma2000系统在反向链路和前向链路中均提供称作基本信道和补充信道的两种物理数据信道,每种
10、信道均可以独立地编码、交织,设置不同的发射功率电平和误帧率要求以适应特殊的业务要求。cdma2000新技术(5)前向链路的辅助导频 在前向链路中采用波束成型天线和自适应天线可以改善链路质量,扩大系统覆盖范围或增加支持的数据速率以增强系统性能。(6)前向链路的发射分集 发射分集可以改进系统性能,降低对每信道发射功率的要求,因而可以增加容量。在cdma2000系统中采用正交发射分集(OTD)提供发射分集。cdma2000空中接口的分层结构空中接口的分层结构cdma2000空中接口的重点是物理层、媒体接入控制(MAC)子层和链路接入控制(LAC)子层。链路接入控制(LAC)和媒体接入控制(MAC)子
11、层设计的目的是为了满足:提供在宽性能范围(1.2 kbs到大于2 Mbs)工作的高效、低延时的各种数据业务的需要;提供先进的支持多个可变QoS要求的并发的话音、分组数据、电路数据的多媒体业务的需要。cdma2000空中接口的物理信道结构空中接口的物理信道结构 cdma2000空中接口中的物理信道分为前向/反向专用物理信道(F/R-DPHCH)和前向/反向公共物理信道(F/R-CPHCH)。前向/反向专用物理信道是以专用和点对点的方式在基站和单个移动台之间运载信息的 前向/反向公共物理信道是以共享和点对多点的方式在基站和多个移动台之间运载信息的图8-41 IS-95和cdma2000前向物理信道
12、的比较F-QPCH新 增 信 道IS-95与cdma2000相 同 的 信 道前 向 信 道业 务 信 道RS1&RS2导 频 信 道寻 呼 信 道同 步 信 道业 务 信 道RS3到RS6F-PCH/F-CCCHF-BCCHF-FCHF-FCHF-SCHF-QPCH:前 向 快 速 寻 呼 信 道F-BCCH:前 向 公 共 广 播 信 道 RS1RS6:速 率 集16图8-42 IS-95和cdma2000反向物理信道的比较新增信道反向物理信道导频信道R-ACH或R-CCCH业务信道RS1&RS2R-FCH业务信道RS3到RS6R-FCHR-SCHIS-95与cdma2000相同的信道图8
13、-43 N=1且速率集为RS1系统的F-FCH 添 加12 bitCRC添 加8 bit编 码 尾比 特k9r1/2编 码 器192bit全 速172 bit块 交 织A添 加8 bitCRC添 加8 bit编 码 尾比 特k9r1/2编 码 器96bit1/2 速 率80 bit块 交 织A384重 复2次384bit384添 加6 bitCRC添 加8 bit编 码 尾比 特k9r1/2编 码 器54bit1/4 速 率40 bit块 交 织A重 复4次432bit384删 除 每 个第9个 符 号384bit添 加6 bitCRC添 加8 bit编 码 尾比 特k9r1/2编 码 器30
14、bit1/8 速 率16 bit块 交 织A重 复8次480bit384删 除 每 个第5个 符 号384bit添 加16 bitCRC添 加8 bit编 码 尾比 特k9r1/2编 码 器48bit24 bit块 交 织A9640bit20 ms 帧5 ms 帧注:图 中 信 号 点A将 连 到 图10-52中 的A点图8-44 前向链路中的多载波和单载波调制1.251.251.251.25MHz1.2288 Mc/sMHz543210多载波N3直接扩展N3012345MHz3.6864 Mc/sf1f2f3图8-46 多载波系统的扩展和调制过程Z基 带 滤 波基 带 滤 波复 数PN扩 展
15、复 接 和IQ映 射0111sin(2fAt)cos(2fAt)IA(t)QA(t)载 波AIAQAWnA基 带 滤 波基 带 滤 波复 数PN扩 展复 接 和IQ映 射0111sin(2fBt)cos(2fBt)IB(t)QB(t)载 波BIBQBWnBZ基 带 滤 波基 带 滤 波复 数PN扩 展复 接 和IQ映 射0111sin(2fLt)cos(2fLt)IL(t)QL(t)载 波LILQLWnLZZ比 特选 择长 码产 生用 户 m 的 长 码 掩 码解复接XCDMA2000 1x简单IP网络架构AAA:鉴权,认证,计费服务器CDMA2000的演进IS-95B64kbpsCDMAIS
16、-95A14.4 kbps1xRTTCDMA2000 1xRTT:single carrier RTTRelease 0-max 144 kbpsRelease A max 384 kbpsSame core network as IS-951xEV-DOCDMA2000 1xEV-DO/DV:Speeds to 2Mbps+,1xEV-DVCDMA20003xRTTCDMA2000相关名词 CDMA2000 1x 标志 1x习惯上指使用一对1.25MHz无线电信道的CDMA2000无线技术。支持144308kbps数据速率.CDMA2000 1xEV (Evolution发展),是CDMA2
17、000 1x附加了高数据速率(HDR)能力。CDMA2000相关名词 CDMA2000 1xEV-DO (Evolution-Data Only发展只是数据)在一个无线信道传送高速数据报文数据的情况下,支持数据速率最高2.4Mbps。CDMA2000 1xEV-DV (Evolution-Data and Voice发展数据和语音),支持下行 最高3.1 Mbps 上行速率最高1.8 Mbps。CDMA2000相关名词 CDMA2000 3x 利用3个1.25MHZ载波进行数据传输第三代移动通信系统 3G介绍 CDMA2000 WCDMA TD-SCDMA WiMAX LTE&4GWCDMA系
18、统系统 WCDMA:Wideband CDMA 宽带码分多址 WCDMA是一种直接序列扩频码分多址(DS-CDMA)系统 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System,通用移动通信系统)是采用WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)无线接口技术的第三代移动通信系统,通常也把UMTS系统称为WCDMA通信系统。表表9-1 WCDMA无线接口基本参数无线接口基本参数WCDMA系统系统 WCDMA的无线帧长为10 ms,分成15个时隙。采用正交可变扩频因子码(OVSF),符号率取决于不同的扩频因子(S
19、F)。SF的取值与具体的双工模式有关,对于FDD模式,其上行扩频因子为4256,下行扩频因子为4512;对于TDD模式,其上行和下行扩频因子均为116。产生正交可变扩频因子码OVSFWCDMA无线接口的协议分层WCDMA系统结构系统结构 UMTS系统采用了与第二代移动通信系统类似的结构,包括 UMTS的陆地无线接入网络(UTRAN,UMTS Terrestrial Radio Access Network)核心网络(CN,Core Network)用户设备(UE,User Equipment)WCDMA系统结构系统结构 无线接入网络处理所有与无线有关的功能,而CN处理UMTS系统内所有的话音呼
20、叫和数据连接,并实现与外部网络的交换和路由功能。CN从逻辑上分为电路交换(CS,Circuit Switched)域和分组交换(PS,Packet Switched)域。UTRAN的结构RNC:无线网络控制器,RNS:无线网络子系统图9-2 UTRAN的结构WCDMA无线接口无线接口 1.WCDMA无线接口的物理层无线接口的物理层 传输信道是物理层提供给高层(MAC)的业务.传输信道分为两类:专用信道(DCH)和公共信道。公共传输信道又分为6类:广播信道(BCH)、前向接入信道(FACH)、寻呼信道(PCH)、随机接入信道(RACH)、公共分组信道(CPCH)和下行共享信道(DSCH)。其中,
21、RACH、CPCH为上行公共信道,BCH、FACH、PCH和DSCH为下行公共信道。上行DPDCHDPCCH的扩频与调制OVSFWCDMA系统的网络结构系统的网络结构 R99 R99网络结构的设计中充分考虑了第二代(2G)/第三代(3G)移动通信系统的兼容,以支持GSMGPRS3G的平滑过渡。因此,在核心网络中,CS域和PS域是并列的。R99中CS域的功能实体包括MSC、VLR、GMSC等。PS域特有的功能实体包括SGSN和GGSN,为用户提供分组数据业务。HLR、AuC、EIR为CS域和PS域共用设备,在无线接入网中可支持GSM的BSS以及UTRAN的RNS。WCDMA系统的网络结构系统的网
22、络结构 R99图9-28R99网络结构WCDMA系统的网络结构系统的网络结构 R4 R4版本中PS域的功能实体SGSN 和GGSN没有改变,与外界的接口也没有改变。为了支持全IP网发展需要,R4版本中CS域实体有所变化,如MSC根据需要可分成两个不同的实体:MSC服务器(MSC Server,仅用于处理信令)和电路交换媒体网关(CS-MGW,用于处理用户数据)。MSC服务器和CS-MGW共同完成MSC功能;对应的GMSC也分成GMSC服务器和CS-MGW。WCDMA系统的网络结构系统的网络结构 R4WCDMA系统的网络结构系统的网络结构 R5 R5新增了漫游信令网关(R-SGW)和T-SGW;
23、新增了IP多媒体子系统(IMS)。WCDMA系统的网络结构系统的网络结构 R5第三代移动通信系统 3G介绍 CDMA2000 WCDMA TD-SCDMA WiMAX LTE&4G第三代移动通信系统 3G介绍 CDMA2000 WCDMA TD-SCDMA LTE&4GTD-SCDMA TD-SCDMA Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access(时分同步码分多址)由1998年中国原邮电部电信科学技术研究院(现大唐电信科技股份有限公司)向ITU提出了该标准,是以我国知识产权为主的、被国际上广泛接受和认可的无线通信国际标准。TD
24、-SCDMATD-SCDMA的物理层的物理层 TD-SCDMA系统的多址接入方案属于DS-CDMA,还具有TDMA的特点,它的下行和上行的信息是在同一载频的不同时隙上进行传送的 码片速率为1.28 Mcs 扩频带宽约为1.6 MHz 采用TDD工作方式TD-SCDMA的物理层的物理层 TD-SCDMA的帧结构将10 ms的无线帧分成两个5 ms子帧 每个子帧中有7个常规时隙和3个特殊时隙。信道的信息速率与符号速率有关,符号速率由1.28 Mcs的码片速率和扩频因子(SF)所决定,上、下行信道的扩频因子在116之间,因此调制符号速率的变化范围为80.0 ks/s1.28 Ms/s。TD-SCDM
25、A的物理信道信号格式TD-SCDMA的物理信道信号格式 在TD-SCDMA系统中,每个5 ms的子帧有两个转换点(UL到DL和DL到UL)。通过灵活地配置上、下行时隙的个数,使TD-SCDMA 适用于上、下行对称及非对称的业务模式。图9-34 TD-SCDMA(a)DL/UL对称分配;(b)DL/UL不对称分配TD-SCDMA技术特点 上行同步控制 上行和下行波束成形(智能天线)多用户联合检测 动态信道分配(DCA)软件无线电(SDR)智能天线图9-40 按照时隙干扰大小分配用户时隙位置的原理(a)时隙1;(b)时隙2 TDSCDMA网络结构 在3GPP R4版本之后 TDSCDMA核心网与W
26、CDMA相同表表9-4 三种主流第三代移动通信系统标准主要技术性能比三种主流第三代移动通信系统标准主要技术性能比第三代移动通信系统 3G介绍 CDMA2000 WCDMA TD-SCDMA WiMAX LTE&4GWiMAX WiMax(Worldwide Interoperability for Microwave Access,全球微波互联接入)。WiMax的另一个名字是IEEE 802.16,数据传输距离最远可达50km。此外,它还具有QoS保障、传输速率高(下行峰值108Mbps)、业务丰富多样等优点;WiMAX WiMax的技术起点很高,采用了代表未来通信技术发展方向的OFDM/OF
27、DMA、AAS、MIMO等先进技术。基于宽带移动互联网的全新技术,也是第一张大规模应用的、基于IP的移动网络 现在的WiMax(802.16m)已经跳过3G,直接向4G演进;而且WiMax还是LTE的诞生基石,因为WiMax有70%的规范被LTE采纳。WiMAX 成本低:适用于城郊和农村等部署传统宽带接入成本较高的地区。在城市等适宜有线宽带接入的地区,WiMAX用户接入成本仍然比较高。虽然WiMAX信号的最远传播距离可达50km,但通常只有5-8km范围内才可以真正实现75Mbps的速度,超过这一范围,数据传输速率会下降。3G 中国移动通信3G宣传第三代移动通信系统 3G介绍 CDMA2000
28、 WCDMA TD-SCDMA WiMAX LTE&4GLTE:(3.9G)LTE(Long Term Evolution,长期演进)项目是3G的演进,始于2004年3GPP的多伦多会议。目标:极大地提高峰值比特率改善用户吞吐量提高小区边缘比特率提高频谱利用率可变带宽最优化低移动速率性能,支持对高移动速率的高性能LTE:(3.9G)(1)MIMO+OFDM通信速率有了提高,下行峰值速率为100Mbps、上行为50Mbps。(2)提高了频谱效率,下行链路5(bit/s)/Hz,(3-4倍于R6版本的HSDPA);上行链路2.5(bit/s)/Hz,是R6版本HSU-PA的2-3倍。(3)以分组域
29、业务为主要目标,系统在整体架构上将基于分组交换。(4)QoS保证,通过系统设计和严格的QoS机制,保证实时业务(如VoIP)的服务质量。LTE:(3.9G)(5)系统部署灵活,能够支持1.25MHz-20MHz间的多种系统带宽,并支持“paired”和“unpaired”的频谱分配。保证了将来在系统部署上的灵活性。(6)降低无线网络时延:子帧长度0.5ms和0.675ms。(7)增加了小区边界比特速率,在保持目前基站位置不变的情况下增加小区边界比特速率。(8)强调向下兼容,支持已有的3G系统和非3GPP规范系统的协同运作。无线传输技术:速率控制无线传输技术:实时用户调度无线传输技术:HARQ3
30、G/B3G/LTE/LTE-Advanced/4GLTE时间表1G to 4G:带宽的变化利益集团 LTE的主导者为3GPP组织,包含NOKIA等 UMB为3GPP2组织制定,高通为主导 WiMAX则是以英特尔为背景的IEEE,最初由英特尔、摩托罗拉和韩国三星等一些公司和财团力推。UMB(高通)出局 2006年6月,3GPP2会议制定和明确了第二阶段空中接口标准的技术框架并开始具体的标准化工作,相应的标准称为UMB(超移动宽带)标准。当年的UMB规范是全球首个基于I P的移动宽带标准,可以实现288Mbps的下行峰值速率,用户延迟体验低于16毫秒。3 GPP2组织希望CDMA2000沿着EV-
31、DO Rev.0/Rev.A/Rev.B,最终演进到UMB。UMB(高通)出局 由于由于全球CDMA投资萎缩(主要是因为高通对CDMA层层收取高额授权费),主要的CDMA运营商美国Verizon、中国电信、日本KDDI、韩国SK电讯等均已明确表示将选择LTE建设后3G网络。2008年11月14日,美国高通公司首席执行官保罗 雅各布(Paul Jacobs)宣布,停止下一代超移动宽带(UMB)无线技术的研发,公司将专注于LTE的开发,意味着UMB的全面退出。WiMAX WiMAX技术最初由英特尔、摩托罗拉和韩国三星等一些公司和财团力推。它是一个基于宽带移动互联网的全新技术,也是第一张大规模应用的
32、、基于IP的移动网络WCDMA LTE-FDD http:/ Speed Downlink Packet Access)高速下行分组接入 HSUPA(High Speed Ulink Packet Access)高速下行分组接入,亦称为3.5G。该协议在WCDMA下行链路中提供分组数据业务,在一个5MHz载波上HSDPA在移动和漫游情况下能够提供下行14.4Mbps峰值速率,HSUPA 能提供上行5.8Mbps 的峰值速率 在具体实现中,采用了自适应调制和编码(AMC)、多输入多输出(MIMO)、混合自动重传请求(HARQ)、快速调度、快速小区选择等技术。HSPA+(Evolved HSPA)
33、Rel7 上行:22Mbps,下行:84Mbps 采用 MIMO+CDMA,64QAM 引入了一个可选的全IP网络架构 2009年初在澳大利亚率先部署,至2011年初,在全球范围内已有30多个HSPA+商用网络。WCDMA vs LTEWCDMA(UMTS)HSPAHSDPA/HSUPA HSPA+LTE 最大下行速度384 k 14 M 84 M 100M 最大上行速度128 k 5.8 M 22 M 50 M 传输延迟150 ms 100 ms 50ms10 ms 多址技术CDMA CDMA CDMA OFDMA/SC-FDMA GSM vs WCDMA vs LTE业务样本要求各项技术的
34、传输成本(美元/MB)GPRSEDGEWCDMAHSDPALTE下载类网页浏览4MB1.660.550.280.090.02Java游戏1MB0.420.140.070.020.005音乐下载5MB2.080.690.350.110.04视频片断10MB4.151.380.690.220.009流媒体类高质量视频(每分钟)128Kbps3.191.060.530.170.05HSPA vs LTE vs WiMAXLTEHSPAWiMAXHSDPA HSUPA 无线方式OFDMCDMAOFDM技术OFDMA/SC-FDMA、多入多出天线处理(MIMO)自适应编码调制(AMC)、H-ARQ、快速
35、蜂窝选择(FCS)、空时编码技术(STC)、MIMOOFDMA,MIMO商用时间2009 20102005/12200720082007 2008中国移动 TDSCDMA TDD LTETD-LTE在2007年就被写入了3GPP标注规范中,成为国际标准。中国移动已经率先完成了场外测试,并在世博会上揭开了神秘面纱除了在中国馆、信息通信馆、世博中心等几个重要场馆内实现了TD-LTE网络覆盖之外,同时建设一个TD-LTE宏网络,完全覆盖5.28平方公里的世博园区和穿园而过的黄埔江面。演示网数据传输速度下行可达100Mbps,上行可达50Mbps。中国电信 CDMA2000 FDD LTE上海电信在世
36、博园区也建立了全国最大LTE实验网,总面积达到8.1平方公里,比中国移动的TD-LTE实验网还要高出2.72平方公里,为用户提供基于LTE FDD的高清视频监控、数据传输等应用服务。实验网在20MHz频段下已实现了下行速率100Mbps,上行速率50Mbps。中国联通 WCDMA FDD LTE 2011年5月17日,中国联通HSPA+制式的无线上网卡正式上市。零售价为1300元,其中包含1300元预存款以及一个上网卡硬件。在全国56个城市发售首批10万张HSPA+制式的无线上网卡 HSPA+制式无线上网卡的下行峰值速率可达到21.6Mbps,是联通现有3G网络的三倍。移动通信的未来移动通信的未来 网络网络:移动互联网移动互联网 产品产品:智能手机智能手机+平板电脑平板电脑 服务服务:移动娱乐移动娱乐,移动商务移动商务智能手机&平板电脑 未来的手机未来的手机 手机进化手机进化1985-2007 Iphone三十年后的世界三十年后的世界 未来平板电脑 CES2011 Splashtop Remote for iPad,把把Windows桌面搬到你的桌面搬到你的iPad上上 http:/ 摩托罗拉XOOM下周实验时间安排 通信081/082:周三上午 1-4,6月8日(自愿选做)