移動通信理論與實戰(zhàn)移動通信的物理層處理技術

1、會計學1移動通信理論與實戰(zhàn)移動通信的物理層移動通信理論與實戰(zhàn)移動通信的物理層處理技術處理技術n合在傳輸信道內傳輸，不同調制技術極大地影響接口提供數(shù)據(jù)業(yè)務的能力。干擾、抗衰落4G通信系統(tǒng)物理層傳輸模型通信系統(tǒng)物理層傳輸模型LTE系統(tǒng)下行物理信道處理流程系統(tǒng)下行物理信道處理流程所謂分集接收，是指接收端對它收到的多個衰落特性互相獨所謂分集接收，是指接收端對它收到的多個衰落特性互相獨立立(攜帶同一信息攜帶同一信息)的信號進行特定的處理，以降低信號電平的信號進行特定的處理，以降低信號電平起伏的辦法。起伏的辦法。極化分集的特點：極化分集的特點：一種特殊的空間分集射頻功率分給兩個不同的極化天線，發(fā)射功率損失

2、3dB分集支路數(shù)分集支路數(shù)分集增益分集增益(dB(dB）選擇式合并選擇式合并等增益合并等增益合并最大比合并最大比合并信道編碼對連續(xù)的碼元出錯不能糾錯信道編碼對連續(xù)的碼元出錯不能糾錯( )( )x tx t$期望：( )( )( )( )( )( )eqeqx tx th thtn tht$實際：( )eqht核心：設計自適應的)( TFMMSK)(GMSK )(MSK )(CPMQPSK)( DQPSKQPSK4QPSK)(OQPSK )(QPSK)(DPSK )(PSK B)(PSK)MFSK()BFSK()(FSK)(MQAM)(QAM)(ASK平滑調頻高斯成型最小移頻鍵控連續(xù)相位調制差分

3、參差移相鍵控正交四相差分二進制移相鍵控二進制移相鍵控移相鍵控多進制移頻鍵控二進制移頻鍵控移頻鍵控恒定包絡星座調制正交幅度調制移幅鍵控不恒定包絡數(shù)字式調制標準服務類型數(shù)據(jù)調制技術GSM蜂窩GMSKIS-95蜂窩OQPSK/BPSKPHS無繩/4DQPSKWCDMA蜂窩QPSK/OQPSK/BPSKCDMA2000 1X蜂窩QPSK/OQPSK/BPSKTD-SCDMA蜂窩QPSK/8PSK/16QAMLTE蜂窩QPSK/16QAM /64QAM1:0相位相位 0:相位相位 1:載波相位變化載波相位變化0:載波相位不變載波相位不變移動通信中一般采用性能優(yōu)良的絕對移相體制移動通信中一般采用性能優(yōu)良的

4、絕對移相體制n功率譜功率譜2bBf帶寬：帶通濾波器相乘器低通濾波器抽樣判決器定時脈沖輸出)(2tePSKtccosabcde實現(xiàn)簡單，信號占用帶寬實現(xiàn)簡單，信號占用帶寬約為約為2fb，其相位路徑不連，其相位路徑不連續(xù)，在數(shù)據(jù)極性轉換時刻，續(xù)，在數(shù)據(jù)極性轉換時刻，相位發(fā)生相位發(fā)生180跳變。功跳變。功率譜滾降慢，頻譜利用率率譜滾降慢，頻譜利用率低低u對輸入的二進制數(shù)字序列應該先分組，將對輸入的二進制數(shù)字序列應該先分組，將每兩個比特編為一組每兩個比特編為一組，然后用然后用4種不同的載波相位去表征它們。種不同的載波相位去表征它們。u與與PSK相比，可以減小傳輸信號頻帶，提高頻帶利用率。提高相比，可以

5、減小傳輸信號頻帶，提高頻帶利用率。提高了系統(tǒng)的有效性了系統(tǒng)的有效性(a)BPSK調制框圖(b)QPSK調制框圖在相同信息速率下在相同信息速率下，2PSK與與QPSK信號的功率譜密度信號的功率譜密度bBf帶寬：2bBf帶寬：n誤比特率誤比特率在在QPSK和和2PSK的輸入二進制信息速率相同、二者的發(fā)送的輸入二進制信息速率相同、二者的發(fā)送功率相同、加性噪聲的功率譜密度相同的條件下，功率相同、加性噪聲的功率譜密度相同的條件下，QPSK和和2PSK的平均誤比特率是相同的。的平均誤比特率是相同的。Offset,偏移偏移隨著輸入數(shù)據(jù)的不同，隨著輸入數(shù)據(jù)的不同，QPSK會發(fā)生相位跳變。當發(fā)生會發(fā)生相位跳變。

6、當發(fā)生1800相移時，相移時，信號包絡在瞬時過零點，如后面電路存在硬限幅或非線性放大，信號包絡在瞬時過零點，如后面電路存在硬限幅或非線性放大，則會引起旁瓣再生和頻譜擴展。則會引起旁瓣再生和頻譜擴展。OQPSK將正交支路的基帶信號相對于同相支路延遲將正交支路的基帶信號相對于同相支路延遲Ts/2，減小包，減小包絡起伏。絡起伏。OQPSK可以避免可以避免QPSK中的中的180度相移，減少隨機相位影響，降低度相移，減少隨機相位影響，降低對射頻放大器的線性要求對射頻放大器的線性要求 從實現(xiàn)上只是正交支路相對同相支路延遲了一個比特，因此其從實現(xiàn)上只是正交支路相對同相支路延遲了一個比特，因此其功率譜密度、帶

7、寬、頻譜利用率及平均誤比特率與功率譜密度、帶寬、頻譜利用率及平均誤比特率與QPSK相同。相同。 I I信道和信道和Q Q信道的兩個數(shù)據(jù)流，每次只有其中一個可能發(fā)生極性轉信道的兩個數(shù)據(jù)流，每次只有其中一個可能發(fā)生極性轉換。輸出的換。輸出的OQPSKOQPSK信號的信號的相位只有相位只有 跳變跳變，而沒有，而沒有 的相位跳變，則的相位跳變，則經濾波及硬限幅后的功率譜旁瓣較小。經濾波及硬限幅后的功率譜旁瓣較小。MQAMcc cos sinmmsAtBtmmmmAd ABe A(,)mmde 由輸入數(shù)據(jù)決定，它也決定了已調QAM在信號空間的坐標點不具有恒定的不具有恒定的包絡；包絡；碼元間距也不碼元間距

8、也不完全相同完全相同 同階同階QAM中，星型中，星型QAM比方形比方形QAM具有更少的振幅和相具有更少的振幅和相位類型，更有利于接收端的自動增益控制和載波相位跟蹤位類型，更有利于接收端的自動增益控制和載波相位跟蹤b2e203log(1)erfc()1ELPLnLQAM同時利用了載波的幅度同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因和相位來傳遞信息比特，因此在相同的條件下，它可以此在相同的條件下，它可以實現(xiàn)更高的頻帶利用率。實現(xiàn)更高的頻帶利用率。子載波的正交復用，減子載波的正交復用，減小保護帶寬小保護帶寬頻率保護間隔頻率保護間隔子載波相互子載波相互交叉存在交叉存在( )Sa()2g t01210

9、,2,.,(1)Nfff fffNf 120( )( )nNjf nnnD ndn el 利用正交性原理可以在接收端解調出信號單載波系統(tǒng)單載波系統(tǒng), 0,11,kfk fkN L對于均勻子載波間隔OFDM系統(tǒng)系統(tǒng)120OFDM( )( )nNjf nnnD ndn e目標：2110011( )( )( )=( )NNjknnkNNknx nIDFT X kX k Wx n eNN用用IFFT快速實現(xiàn)快速實現(xiàn)OFDM多載頻調制多載頻調制DITIFFT運算流圖WN02121x(0)x(4)x(2)x(6)x(1)x(5)x(3)x(7)X(0)X(1)X(2)X(3)X(4)X(5)X(6)X(7

10、)212121WN121WN221WN3212121WN021WN2212121WN021WN22121WN02121WN0212121WN021WN021OFDM系統(tǒng)系統(tǒng)120OFDM( )( )nNjf nnnD ndn e目標： 實際輸出 理想輸出 輸入信號輸入輸出功放曲線n限幅作用：信號經過非線限幅作用：信號經過非線性部件之前進行限幅，可性部件之前進行限幅，可以使得峰值信號低于所期以使得峰值信號低于所期望的最大電平值。望的最大電平值。n限幅導致的問題：會對系限幅導致的問題：會對系統(tǒng)造成自身干擾；會導致統(tǒng)造成自身干擾；會導致帶外輻射功率值的增加。帶外輻射功率值的增加。n解決方法：利用其他

11、非矩解決方法：利用其他非矩形窗函數(shù)對形窗函數(shù)對OFDM符號進符號進行時域加窗。行時域加窗。路徑路徑2路徑路徑1的第二個符號和路徑的第二個符號和路徑2的第一個符的第一個符號形成干擾號形成干擾 路徑路徑1 多徑效應將引起符號間干擾多徑效應將引起符號間干擾 路徑路徑2路徑路徑 1保護間隔保護間隔保護間隔保護間隔GI (Guarding Interval)加入保護間隔避免符號間干擾當保護間隔的長度超過信道最大延遲，一個符號的多徑分量不會干擾下一個符號子載波子載波 1帶有時延的子載波帶有時延的子載波 2保護間隔保護間隔OFDM信號的積分區(qū)間信號的積分區(qū)間子載波子載波 2對子載波對子載波1帶來的帶來的IC

12、I干擾干擾子載波干擾子載波干擾n引入保護間隔后，積分區(qū)間內不再具有整數(shù)個子載波，子載波間的正交性被破壞，兩個子載波之間會產生載波間的干擾 幅度保護間隔FFT 積分時長 OFDM 符號長度n循環(huán)前綴是此符號后一段樣點值的重復，加入循環(huán)前綴的目的是不破壞子載波間的正交性； n只要每個路徑的時延小于保護間隔，F(xiàn)FT的積分時間長度就可以包含整數(shù)個多徑子載波波形。循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)循環(huán)前綴時間C=B*log2(1+S/N)C C：信道容量，單位：信道容量，單位b/s b/s B B：信號頻帶寬度，單位：信號頻帶寬度，單位HzHzS S：信號平均功率，單位：信號平均功率，單位W

13、WN N：噪聲平均功率，單位：噪聲平均功率，單位W W結論：結論：在信道容量在信道容量C C不變的情況下，信號頻帶寬度不變的情況下，信號頻帶寬度B B與信與信噪比噪比S/NS/N完全可以互相交換，即可以通過增大傳輸系統(tǒng)的完全可以互相交換，即可以通過增大傳輸系統(tǒng)的帶寬以在較低信噪比的條件下獲得比較滿意的傳輸質量帶寬以在較低信噪比的條件下獲得比較滿意的傳輸質量. .高速擴頻序列高速擴頻序列低速信號低速信號TX解調信號解調信號RX高速擴頻序列高速擴頻序列擴頻信號擴頻信號時隙短，則頻帶寬6bitchipTTfS（f）f0擴頻前的信號頻譜信號S（f）ff0擴頻后的信號頻譜信號S（f）ff0解擴頻后的信號

14、頻譜信號干擾噪聲fS（f）f0解擴頻前的信號頻譜信號干擾噪聲信號窄帶干擾寬帶干擾擴頻擴頻解擴解擴C1與與C2正交：正交：C1xC2=0C1xC2=0關鍵：關鍵：相互正交的擴頻碼相互正交的擴頻碼目前常用的、較為理想的擴頻碼和地址碼有：偽隨機碼目前常用的、較為理想的擴頻碼和地址碼有：偽隨機碼(PN碼碼)、Walsh碼和正交可變速率擴頻增益碼碼和正交可變速率擴頻增益碼(OVSF碼碼)等。等。逐碼片相乘逐碼片相乘碼片碼片碼片碼片擴頻碼擴頻碼 VS. 地址碼地址碼 擴頻碼擴頻碼（信道化碼）（信道化碼）擾碼擾碼 上行（終端上行（終端基站）基站）下行（基站下行（基站終端終端）作用作用區(qū)分每個小區(qū)/扇區(qū)的不同

15、信道區(qū)分不同的移動用戶區(qū)分不同的基站/扇區(qū)WCDMAOVSF碼Gold碼Gold碼TDSCDMAOVSF碼PN碼PN碼CDMA2000264階變長的Walsh碼長PN碼短PN碼各各CDMA系統(tǒng)擴頻碼和擾碼的選擇系統(tǒng)擴頻碼和擾碼的選擇信號強度信號譜密度頻率時間t0t1t2 t3. 窄帶信號寬帶信號信號譜密度信號強度時間頻率快衰落慢衰落0360信號強度信號強度地理位置多天線技術通過對發(fā)射與接收信號的空域和時域上處理，能提高系統(tǒng)的容量和質量單輸入單輸出系統(tǒng)單輸入單輸出系統(tǒng)多輸入單輸出系統(tǒng)多輸入單輸出系統(tǒng)單輸入多輸出系統(tǒng)單輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng)多輸入多輸出系統(tǒng) 在一個無線通信系統(tǒng)中，天線是處于

16、最前端的信號處理部分。提在一個無線通信系統(tǒng)中，天線是處于最前端的信號處理部分。提高天線系統(tǒng)的性能和效率，將會直接給整個系統(tǒng)帶來可觀的增益。高天線系統(tǒng)的性能和效率，將會直接給整個系統(tǒng)帶來可觀的增益。n多輸入多輸出（多輸入多輸出（MIMO）系統(tǒng)）系統(tǒng) ：n單輸入多輸出（單輸入多輸出（SIMO）系統(tǒng)）系統(tǒng) ：MIMO系統(tǒng)中，系統(tǒng)容量隨著天線數(shù)目的增加成線性增加。系統(tǒng)中，系統(tǒng)容量隨著天線數(shù)目的增加成線性增加。 n單輸入單輸出（單輸入單輸出（SISO）系統(tǒng)）系統(tǒng) ：其中： Pt為天線發(fā)射功率；Mr為接收天線數(shù)；Mt為發(fā)射天線數(shù)；為白噪聲的方差；h為衰減系數(shù)；空間信道轉換矩陣特征根；核心問題：通信的可靠性

17、；有效性；n無線信道中信號的功率會隨機波動，而分集是一種克服這種無線無線信道中信號的功率會隨機波動，而分集是一種克服這種無線鏈路傳輸中隨機產生的深度衰落強有力的技術。鏈路傳輸中隨機產生的深度衰落強有力的技術。n傳輸分集是利用較大間距天線或波束間的空間信道的弱相關性，傳輸分集是利用較大間距天線或波束間的空間信道的弱相關性，提供更多的提供更多的數(shù)據(jù)流副本數(shù)據(jù)流副本，從而，從而提高信道可靠性，降低誤比特率提高信道可靠性，降低誤比特率的。的。 空時編碼空時編碼STBC； 空頻編碼空頻編碼SFBC； 循環(huán)延時分集循環(huán)延時分集CDD； 天線切換分集天線切換分集 天線端口天線端口0傳原始調制符號；傳原始調制

18、符號； 天線端口天線端口1傳原始符號的變換符號；傳原始符號的變換符號；空間分集空間分集n天線切換分集天線切換分集當發(fā)射端存在著多根傳輸天線時，從時間或頻率上按照一當發(fā)射端存在著多根傳輸天線時，從時間或頻率上按照一定的順序依次選擇其中一根天線進行傳輸?shù)募夹g；定的順序依次選擇其中一根天線進行傳輸?shù)募夹g；時間切換傳輸分集時間切換傳輸分集（Time Switched Transmit DiversityTSTD） 在不同的時間上進行天線的切換；在不同的時間上進行天線的切換；LTE上行支持上行支持TSTD空間分集空間分集n天線切換分集天線切換分集當發(fā)射端存在著多根傳輸天線時，從時間或頻率上按照一定當發(fā)射

19、端存在著多根傳輸天線時，從時間或頻率上按照一定的順序依次選擇其中一根天線進行傳輸?shù)募夹g；的順序依次選擇其中一根天線進行傳輸?shù)募夹g；頻率切換傳輸分集頻率切換傳輸分集（Frequency Switched Transmit DiversityFSTD） 在不同的時間上進行天線的切換；在不同的時間上進行天線的切換；n四天線端口頻率偏移發(fā)射分集四天線端口頻率偏移發(fā)射分集SFBC+FSTD 天線端口天線端口0&2、1&3成對，兩者之間為成對，兩者之間為SFBC 天線端口天線端口0和和1在頻域上交替?zhèn)魉驮夹盘枺瑑烧唛g為在頻域上交替?zhèn)魉驮夹盘?，兩者間為FSTDn利用空間信道的弱相關性，通

20、過在多個相互獨立的空間信道利用空間信道的弱相關性，通過在多個相互獨立的空間信道上上傳輸不同的數(shù)據(jù)流，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾蕚鬏敳煌臄?shù)據(jù)流，從而提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆逯邓俾省?n只用于下行業(yè)務信道；只用于下行業(yè)務信道；調制與映射解調與分離空間復用空間復用n開環(huán)空間復用開環(huán)空間復用LTE系統(tǒng)支持基于多碼字的空間復用傳輸。系統(tǒng)支持基于多碼字的空間復用傳輸。用于空間復用傳輸?shù)亩鄬訑?shù)據(jù)來自于多個不同的獨立進行用于空間復用傳輸?shù)亩鄬訑?shù)據(jù)來自于多個不同的獨立進行信道編碼的數(shù)據(jù)流，每個碼字可以獨立地進行速率控制。信道編碼的數(shù)據(jù)流，每個碼字可以獨立地進行速率控制。空間復用空間復用n閉環(huán)空間復用閉環(huán)空間復用即所謂

21、的線性預編碼技術，它將天線域的處理轉化為波束即所謂的線性預編碼技術，它將天線域的處理轉化為波束域進行處理，在發(fā)射端利用已知的空間信道信息進行預處域進行處理，在發(fā)射端利用已知的空間信道信息進行預處理操作，從而進一步提高用戶和系統(tǒng)的吞吐量理操作，從而進一步提高用戶和系統(tǒng)的吞吐量。閉環(huán)空間復用的發(fā)射和接收兩端是有反饋信道信息傳送的。閉環(huán)空間復用的發(fā)射和接收兩端是有反饋信道信息傳送的。n在發(fā)射端將待發(fā)射數(shù)據(jù)矢量加權再發(fā)送，形成窄的發(fā)射波束，將能量對準目標用戶，提高目標用戶的信噪比，從而提高用戶的接收性能；n只用于業(yè)務信道，不用于控制信道；大規(guī)模大規(guī)模MIMO為進一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率，通過增加基站天線數(shù)

22、目構建為進一步提高數(shù)據(jù)傳輸速率，通過增加基站天線數(shù)目構建大規(guī)模大規(guī)模MIMO（Massive MIMO）系統(tǒng)）系統(tǒng)；5G及后續(xù)標準的研究熱點之一；及后續(xù)標準的研究熱點之一；集中式大規(guī)模集中式大規(guī)模MIMO分布式分布式大規(guī)模大規(guī)模MIMOOQPSK可以避免可以避免QPSK中的中的180度相移，減少隨機相位影響，降低度相移，減少隨機相位影響，降低對射頻放大器的線性要求對射頻放大器的線性要求 從實現(xiàn)上只是正交支路相對同相支路延遲了一個比特，因此其從實現(xiàn)上只是正交支路相對同相支路延遲了一個比特，因此其功率譜密度、帶寬、頻譜利用率及平均誤比特率與功率譜密度、帶寬、頻譜利用率及平均誤比特率與QPSK相同。相同。01210,2,.,(1)Nfff fffNf 120( )( )nNjf nnnD ndn el 利用正交性原理可以在接收端解調出信號OFDM系統(tǒng)系統(tǒng)120OFDM( )( )nNjf nnnD ndn e目標：子載波子載波 1帶有時延的子載波帶有時延的子載波 2保護間隔保護間隔OFDM信號的積分區(qū)間信號的積分區(qū)