第四章 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的典型技術(shù)應(yīng)用教材

1、第四章移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的典型技術(shù)應(yīng)用移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院2學(xué)習(xí)目標(biāo)n頻分多址接入n時(shí)分多址接入n碼分多址接入n正交頻分多址接入n資源再用手段n影響通話質(zhì)量的若干因素移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院3頻分多址接入n典型系統(tǒng)nGSM網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院4頻分多址接入nGSM網(wǎng)絡(luò)中n總帶寬為25 MHzn每條子頻帶為200 KHzn頻域共有125條物理信道n只有124條可用信道2信道1 信道N信道1 信道N收發(fā)間隔 信道帶寬功率時(shí)間移動(dòng)臺(tái)收（基站發(fā)）移動(dòng)臺(tái)發(fā)（基站收）圖41FDMA示意圖移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院6時(shí)分多址接入n典型系統(tǒng)nGSM網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院7nGSM網(wǎng)絡(luò)中n時(shí)間被分割成

2、周期性的TDMA幀n每一TDMA幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙TS (Time Slot)，使得多個(gè)用戶(hù)可以在同一頻率進(jìn)行通信時(shí)分多址接入圖42TDMA示意圖移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院9在GSM網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)載頻被分割成時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙為在時(shí)隙中傳輸?shù)男畔⒈环Q(chēng)為突發(fā)(burst)。同一個(gè)載頻上，個(gè)時(shí)隙組成一個(gè)TDMA幀，msTslot5769. 0msTTslotTDMA6152. 48時(shí)分多址接入移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院10nTDMA系統(tǒng)中，時(shí)隙設(shè)計(jì)需考慮n控制和信令信息的傳輸n多徑傳播的影響n(yōu)系統(tǒng)的同步時(shí)分多址接入移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院11n應(yīng)采取的措施n在每個(gè)時(shí)隙中，專(zhuān)門(mén)劃出部分比特用于控制和信令信息

3、的傳輸n在時(shí)隙中插入自適應(yīng)均衡器所需的訓(xùn)練序列，來(lái)克服多徑傳播引起的碼間干擾n在上行鏈路的每個(gè)時(shí)隙中預(yù)留一定的保護(hù)間隔，防止兩個(gè)連續(xù)的時(shí)隙出現(xiàn)重疊n在每個(gè)時(shí)隙中插入傳輸同步序列時(shí)分多址接入移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院12n典型系統(tǒng)n窄帶CDMA網(wǎng)絡(luò)n寬帶CDMA網(wǎng)絡(luò)n碼分多址接入移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院13n各個(gè)移動(dòng)臺(tái)使用由系統(tǒng)分配的、特殊的、不同的碼型n每一個(gè)比特時(shí)間劃分為m個(gè)短的間隔，稱(chēng)為碼片(chip)碼分多址接入移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院14n每個(gè)移動(dòng)臺(tái)被指派一個(gè)唯一的m bit碼片序列。n如發(fā)送1，發(fā)送自己的m bit 碼片序列n如發(fā)送0，發(fā)送該碼片序列的二進(jìn)制反碼nS 站的 8 bit

4、碼片序列是 00011011。n發(fā)送1時(shí)，就發(fā)送序列 00011011，n發(fā)送0時(shí)，就發(fā)送序列 11100100。nS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 碼分多址接入移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院15n每個(gè)移動(dòng)臺(tái)分配的碼片序列必須各不相同n還必須互相正交(orthogonal)碼分多址接入移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院16n假設(shè)向量S表示移動(dòng)臺(tái)S的碼片向量，令T 表示其他任意站的碼片向量n兩個(gè)不同移動(dòng)臺(tái)的碼片序列正交，即向量 S和T的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)為0 碼片序列的正交關(guān)系011miiiTSmTS(4-1)移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院17n令向量S為(1 1 1

5、 +1 +1 1 +1 +1)，向量T為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)n把向量S和T的各分量值代入式(4-1)就可知兩個(gè)碼片序列是正交的碼片序列的正交關(guān)系移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院18n任何一個(gè)碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1n一個(gè)碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是1 碼片序列的正交關(guān)系mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院19CDMA工作原理S 站的碼片序列 S S110ttttttm 個(gè)碼片tS 站發(fā)送的信號(hào) S Sx xT 站發(fā)送的信號(hào) T Tx x總的發(fā)送信號(hào) S Sx x + T Tx x規(guī)格化內(nèi)積 S S S

6、 Sx x規(guī)格化內(nèi)積 S S T Tx x數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端圖43CDMA示意圖移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院20OFDMA工作原理nOrthogonal Frequency Division Multiple Accessn正交頻分多址接入nOFDM+FDMA+TDMA技術(shù)相結(jié)合的多址接入方式n應(yīng)用于WiMAX (IEEE 802.16e)、4G網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院21OFDMA工作原理n在頻域內(nèi)將給定信道分成許多個(gè)正交子信道n每個(gè)子信道上使用一個(gè)子載波進(jìn)行調(diào)制n各子載波并行傳輸n數(shù)據(jù)先進(jìn)行串并變換，再將并行信號(hào)分別進(jìn)行調(diào)制并合并成一個(gè)OFDM符號(hào)圖44OFDMA示意圖移動(dòng)通信概述電

7、子工程學(xué)院23OFDMA特點(diǎn)n各子載波相互正交，擴(kuò)頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊n減少了載波間的相互干擾n提高了頻譜利用率n很好地抵抗頻率選擇性衰落移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院24無(wú)線信道要解決的問(wèn)題n自由空間的傳播損耗和陰影衰落主要影響到無(wú)線區(qū)域的覆蓋，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)就可以消除這種不利影響n(yōu)在無(wú)線通信系統(tǒng)中，重點(diǎn)要解決時(shí)間選擇性衰落和頻率選擇 性 衰 落 。 采 用OFDM技術(shù)可以很好的解決這兩種衰落對(duì)無(wú)線信道傳輸造成的不利影響移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院25OFDMn正交頻分復(fù)用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一種多載波傳輸方式移動(dòng)通

8、信概述電子工程學(xué)院26OFDM實(shí)現(xiàn)原理nOFDM技術(shù)中各個(gè)子載波之間相互正交且相互重疊，可以最大限度地利用頻譜資源nOFDM是一種多載波并行調(diào)制方式，將符號(hào)周期擴(kuò)大為原來(lái)的N倍，從而提高了抗多徑衰落的能力nOFDM可以通過(guò)IFFT (快速傅立葉反變換)和FFT (快速傅立葉變換)分別實(shí)現(xiàn)OFDM的調(diào)制和解調(diào)圖45OFDM原理圖移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院28OFDM的關(guān)鍵技術(shù)n保護(hù)間隔GI (Guarding Interval)n循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)n同步技術(shù)n信道估計(jì)n降峰均比技術(shù)移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院29保護(hù)間隔路徑路徑2路徑1的第二個(gè)符號(hào)和路徑2的第一個(gè)符號(hào)形成干擾

9、 路徑路徑1多徑效應(yīng)將引起符號(hào)間干擾ISI (Inter-Symbol Interference) 移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院30保護(hù)間隔保護(hù)間隔GI (Guarding Interval)路徑路徑2路徑路徑 1保護(hù)間隔保護(hù)間隔n加入保護(hù)間隔避免符號(hào)間干擾n當(dāng)保護(hù)間隔的長(zhǎng)度超過(guò)信道最大延遲，一個(gè)符號(hào)的多徑分量不會(huì)干擾下一個(gè)符號(hào) 移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院31保護(hù)間隔子載波子載波 1帶有時(shí)延的子載波帶有時(shí)延的子載波 2保護(hù)間隔保護(hù)間隔OFDM信號(hào)的積分區(qū)間信號(hào)的積分區(qū)間子載波子載波 2對(duì)子載波對(duì)子載波1帶來(lái)的帶來(lái)的ICI干擾干擾n引入保護(hù)間隔后，積分區(qū)間內(nèi)不再具有整數(shù)個(gè)子載波，子載波間的正交性被破壞

10、，兩個(gè)子載波之間會(huì)產(chǎn)生載波間的干擾 ICI (Inter-Channel Interference) 移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院32循環(huán)前綴幅度保護(hù)間隔保護(hù)間隔FFT 積分時(shí)長(zhǎng)積分時(shí)長(zhǎng) OFDM 符號(hào)長(zhǎng)度符號(hào)長(zhǎng)度n循環(huán)前綴是此符號(hào)后一段樣點(diǎn)值的重復(fù)，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(gè)路徑的時(shí)延小于保護(hù)間隔，F(xiàn)FT的積分時(shí)間長(zhǎng)度就可以包含整數(shù)個(gè)多徑子載波波形。循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)循環(huán)前綴循環(huán)前綴時(shí)間移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院33同步技術(shù)nOFDM系統(tǒng)要求n載波同步n實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的相干解調(diào)n樣值同步n使接收端的取樣時(shí)刻與發(fā)送端完全一致n符號(hào)同步n區(qū)分每個(gè)O

11、FDM符號(hào)塊的邊界，因?yàn)槊總€(gè)OFDM符號(hào)塊包含N個(gè)樣值n與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)對(duì)同步精度的要求更高，同步偏差會(huì)在OFDM系統(tǒng)中引起ISI及ICI圖46OFDM原理圖移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院35信道估計(jì)n目的n受信道的影響，信號(hào)在信道傳輸過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)失真，因此必須在接收端進(jìn)行信道估測(cè)，把信道的影響估計(jì)出來(lái)，達(dá)到對(duì)信號(hào)進(jìn)行精確還原的目的n加入循環(huán)前綴后的OFDM系統(tǒng)可等效為N個(gè)獨(dú)立的并行子信道n如果不考慮信道噪聲，個(gè)子信道上的接收信號(hào)等于各自子信道上的發(fā)送信號(hào)與信道的頻譜特性的乘積n如果通過(guò)估計(jì)方法預(yù)先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號(hào)與信道的頻譜特性相除，即可實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的正

12、確解調(diào)。移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院36信道估計(jì)n常見(jiàn)的信道估計(jì)方法n基于導(dǎo)頻信道n基于導(dǎo)頻符號(hào)(參考信號(hào))n多載波系統(tǒng)具有時(shí)頻二維結(jié)構(gòu)，因此采用導(dǎo)頻符號(hào)的輔助信道估計(jì)更靈活移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院37導(dǎo)頻符號(hào)輔助方法n在發(fā)送端的信號(hào)中某些固定位置插入一些已知的符號(hào)和序列(訓(xùn)練序列)，在接收端利用這些導(dǎo)頻符號(hào)和導(dǎo)頻序列按照某些算法進(jìn)行信道估計(jì)n多載波系統(tǒng)中，通常在時(shí)間軸和頻率軸兩個(gè)方向同時(shí)插入導(dǎo)頻符號(hào)，在接收端提取導(dǎo)頻符號(hào)估計(jì)信道傳輸函數(shù)Normal CP下單天下單天線口的導(dǎo)頻圖樣線口的導(dǎo)頻圖樣Normal CP下兩天下兩天線口的導(dǎo)頻圖樣線口的導(dǎo)頻圖樣圖47OFDM原理圖移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院3

13、9降峰均比技術(shù)n時(shí)域上，OFDM信號(hào)是路正交子載波信號(hào)的疊加，當(dāng)這路信號(hào)按相同極性同時(shí)取最大值時(shí)，OFDM信號(hào)將產(chǎn)生最大的峰值n該峰值信號(hào)的功率與信號(hào)的平均功率之比，稱(chēng)為峰值平均功率比，簡(jiǎn)稱(chēng)峰均比(PAPR)n在OFDM系統(tǒng)中，PAPR與有關(guān)，越大，PAPR的值越大n=1024時(shí)，PAPR可達(dá)30dBn大的PAPR值，對(duì)發(fā)送端的功率放大器的線性度要求很高，并降低功放效率移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院40降峰均比技術(shù)nOFDM系統(tǒng)中采用了信號(hào)預(yù)畸變技術(shù)降低峰均比n實(shí)現(xiàn)原理n在信號(hào)被送到放大器之前，首先經(jīng)過(guò)非線性處理，對(duì)有較大峰均比的信號(hào)進(jìn)行預(yù)畸變，使其不會(huì)超出放大器的動(dòng)態(tài)變化范圍，從而避免過(guò)大的峰均比

14、出現(xiàn)n實(shí)現(xiàn)手段n限幅n壓縮擴(kuò)張移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院41限幅n作用n信號(hào)經(jīng)過(guò)非線性部件之前進(jìn)行限幅，可以使得峰值信號(hào)低于所期望的最大電平值n導(dǎo)致的問(wèn)題n會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成自身干擾n會(huì)導(dǎo)致帶外輻射功率值的增加n解決方法n利用其他非矩形窗函數(shù)對(duì)OFDM符號(hào)進(jìn)行時(shí)域加窗圖48對(duì)OFDM信號(hào)時(shí)域加窗移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院43壓縮擴(kuò)張n把大功率發(fā)射信號(hào)壓縮，而把小功率發(fā)射信號(hào)進(jìn)行放大，從而可以使得發(fā)射信號(hào)的平均功率相對(duì)保持不變。移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院45資源再用n蜂窩小區(qū)n在移動(dòng)通信中，被一個(gè)基站覆蓋的地理范圍移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院46n典型的六邊型模式n區(qū)群(motif)n包含了一組信道的、最小的蜂

15、窩小區(qū)群n規(guī)范中建議n一個(gè)區(qū)群中，信道(同一頻率)僅僅只能出現(xiàn)一次n頻率再用距離：兩個(gè)使用同一頻率的發(fā)射機(jī)間的最小距離區(qū)群移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院47n組成區(qū)群的條件n區(qū)群之間可以鄰接，且無(wú)空隙無(wú)重疊地進(jìn)行覆蓋n鄰接之后的區(qū)群應(yīng)保證各個(gè)相鄰?fù)诺佬^(qū)之間的距離相等區(qū)群111111111112222224444444444333333圖45N=4的區(qū)群移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院49n載干比：C/(I+N)nC：收到的信號(hào)功率nI：同頻干擾和鄰頻干擾nN：接收機(jī)系統(tǒng)本身的噪聲n載干比門(mén)限值越小，頻率再用距離就越小，區(qū)群就越小。區(qū)群移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院50n同頻小區(qū)的再用距離：式中，N為區(qū)群中的小

16、區(qū)數(shù)，R為小區(qū)的外接圓半徑。RND3區(qū)群(4-2)11111111111圖46再用距離DR相對(duì)于一個(gè)蜂窩小區(qū)來(lái)說(shuō)，和它使用同頻的蜂窩小區(qū)的中心都位于一個(gè)同心圓上。移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院52定向天線n在移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中，可采用每個(gè)天線覆蓋一個(gè)蜂窩小區(qū)。n每個(gè)基站收發(fā)器BTS (Base Transceiver Station)采用三副120扇形輻射的定向天線。n這三副天線在邏輯上由同一個(gè)BSC管理，它們使用不同的頻率。圖47GSM中定向天線的應(yīng)用GSM中常見(jiàn)的最小區(qū)群移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院54影響通信質(zhì)量的因素n一個(gè)網(wǎng)絡(luò)允許5%10%的手機(jī)的接收電平低于系統(tǒng)規(guī)定的門(mén)限值。nGSM規(guī)范中規(guī)定保證

17、正常運(yùn)作的C/I值為9 dB，最小的區(qū)群所含小區(qū)數(shù)等于9。圖48C/I值和區(qū)群大小的關(guān)系xP(C/Ix dB)假設(shè)陰影效應(yīng)帶來(lái)的衰減為7 dB和取值3.5移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院56影響通信質(zhì)量的因素n電磁波的傳播是開(kāi)放式的n外界電磁干擾的影響比接收機(jī)自身噪聲的影響要大得多n必須同時(shí)考慮噪聲和干擾的影響移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院57影響通信質(zhì)量的因素n系統(tǒng)的C/(I+N)通信質(zhì)量，但是C/(I+N)與發(fā)射功率無(wú)關(guān)。n必 須 考 慮 C / I ( 無(wú) 噪 聲 時(shí) ) 和 E c / N o (Ec/NoC/N) (無(wú)干擾時(shí)) ，還有各自對(duì)應(yīng)的安全間隔功率。nEc：每個(gè)bit的能量nNo：噪聲頻譜密度移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院58小區(qū)門(mén)限C/(I+N) 9dB5dB3dB安全間隔C/I=9dBEc/N0=dB門(mén)限影響通信質(zhì)量的因素移動(dòng)通信概述電子工程學(xué)院59影響通信質(zhì)量的因素n必須考慮相鄰信道的影響n(yōu)GSM規(guī)范中，建議運(yùn)營(yíng)商在該門(mén)限值的基礎(chǔ)上加一個(gè)安全間隔值A(chǔ)CS (Adjacent Channel