4-移動通信的基本技術(shù)

移動通信技術(shù)

—基本原理課程結(jié)構(gòu)概述1移動通信的電波傳輸2移動通信的干擾和噪聲3移動通信的基本技術(shù)4移動通信的組網(wǎng)技術(shù)54.1多址接入技術(shù)4.2語音編碼技術(shù)4.3信道編碼和交織技術(shù)4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)4.5常用的抗衰落、抗干擾技術(shù)4.移動通信的基本技術(shù)移動通信系統(tǒng)如何區(qū)分不同的用戶、不同的基站呢對不同用戶臺和基站發(fā)出的信號賦予不同特征多址技術(shù)4.1多址接入技術(shù)頻分多址FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）時分多址TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）碼分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）空分多址SDMA（SpatialDivisionMultipleAccess）4.1多址接入技術(shù)FDMA：是把通信系統(tǒng)的總頻段劃分成若干個等間隔的頻道，因此一個頻道稱為一個信道，不同的用戶靠頻率來區(qū)分。4.1多址接入技術(shù)特點：

信號功率被集中起來傳輸，來自鄰近信道的干擾用帶通濾波器限制。因此濾波器的選擇性非常重要。代表：第一代模擬通信系統(tǒng)FDMA

f=25kHzTDMA：是把時間分割成周期性的幀，每一幀再分割成若干個時隙，信號根據(jù)一定分配原則在預(yù)定的時隙（TS）中傳輸，因此一個時隙稱為一個信道。4.1多址接入技術(shù)特點：

移動臺到基站的距離是隨機的變化，到達基站的信號傳輸時延是不固定的，所以系統(tǒng)同步非常關(guān)鍵。代表：第二代蜂窩通信系統(tǒng)——GSM系統(tǒng)FDMA+TDMA

f=200kHzTS0~TS7CDMA：每一移動臺被分配一個彼此互不相關(guān)的隨機的碼序列，這種隨機碼滿足正交或者準(zhǔn)正交，因此每一個地址碼稱為一個信道。4.1多址接入技術(shù)特點：

所有不同的移動臺共占同一頻率。代表：IS-95CDMA網(wǎng)絡(luò)，以及3G等FDMA+CDMA（IS-95）

f=1.25MHz（IS-95CDMA）

f=1.25MHz（CDMA2000）

f=5MHz（WCDMA）

f=1.6MHz（TD-SCDMA）CDMA系統(tǒng)的優(yōu)點：良好的多址能力，系統(tǒng)內(nèi)不同用戶（基站、信道等）占用相同的頻率，靠彼此互不相關(guān)的地址碼序列來區(qū)分采用擴頻技術(shù)，良好的抗干擾、抗衰落能力系統(tǒng)容量大，由于是自擾系統(tǒng)，具備軟容量能夠?qū)崿F(xiàn)軟切換，減小掉話率發(fā)射功率小（擴頻技術(shù)擴展了信號帶寬，使信號的功率譜密度大大降低），綠色環(huán)保續(xù)航時間久由于采用擴頻技術(shù)，安全性能高與窄帶信號的兼容性好

4.1多址接入技術(shù)GSM系統(tǒng)中MS語音信號處理過程移動臺的語音信號處理過程目的

為了提高數(shù)字信號的有效性以及使模擬信號數(shù)字化，并采用有效的編碼方式及對信息數(shù)據(jù)率的壓縮，力求以盡可能低的比特率傳輸與原信號質(zhì)量相當(dāng)?shù)男盘枺@樣就可以在有限的帶寬范圍內(nèi)容納更多的用戶，提高系統(tǒng)容量。可行性通過算法和技術(shù)進行信號的重建。利用人耳對聲音感知的生理特性來進一步壓縮數(shù)據(jù)率。采用多種編碼方式對數(shù)據(jù)率進行壓縮。4.2移動通信系統(tǒng)中的信源編碼實用語音編碼技術(shù)波形編碼：依據(jù)語音信號的時域波形來進行編碼，其目的在于盡可能精確地再現(xiàn)原來的語音波形。（PCM、ΔM、SBC、ATC）聲源（參量）編碼：將語音信息用特定的聲源模型表示。僅對語音特征參數(shù)進行編碼傳輸因此比特率很低。聲源編碼的設(shè)備稱為聲碼器，如LPC聲碼器、余弦聲碼器。混合編碼：把波形編碼的高質(zhì)量和聲碼器的高效壓縮性融為一體，尤其在16bit/s～8kbit/s范圍內(nèi)達到良好的語音質(zhì)量。有線系統(tǒng)：脈沖編碼調(diào)制（PCM）64kbit/sGSM：規(guī)則脈沖激勵長期性預(yù)測（RPE-LTP）13kbit/sCDMA：碼激勵線性預(yù)測編碼（CELP）8kbit/s4.2語音編碼技術(shù)4.2語音編碼技術(shù)GSM系統(tǒng)中MS語音信號處理過程移動臺的語音信號處理過程信道編碼的目的：提高數(shù)字信號的抗干擾、抗衰落能力，使在信道中傳輸?shù)臄?shù)字信號本身具有一定的誤碼判斷能力或糾錯能力，提高信號傳輸?shù)目煽啃?。信源編碼

去除冗余成分

實現(xiàn)數(shù)據(jù)壓縮信道編碼

添加冗余成分

改善鏈路的性能信道編碼的種類：按糾錯檢錯能力：檢錯碼、糾錯碼、糾刪碼按檢驗關(guān)系：線性碼和非線性碼按約束關(guān)系：分組碼與卷積碼4.3信道編碼和交織技術(shù)分組碼：分組碼的實現(xiàn)是將信息序列分組后再單獨進行編碼，任意碼組的監(jiān)督碼元只與本碼組的信息碼元有關(guān)。卷積碼：卷積碼可以說是特殊的分組碼，因為它的監(jiān)督碼元不僅與本組的信息碼元有關(guān)，而且還與前若干組的信息碼元有關(guān)。這種碼的糾錯能力強，不僅可糾正隨機差錯，而且可糾正突發(fā)差錯。碼元分組是信道編碼的基本形式??！4.3信道編碼和交織技術(shù)編碼中的一些概念碼字：一組碼元，常稱為碼字(codeword)。碼距：在兩個碼字之間相應(yīng)的碼位上有著不相同的碼元的位數(shù)之和。約束長度：如果監(jiān)督碼組與前面的N個信息碼組都有關(guān)系，則稱約束長度為N。編碼效率：

k/nFEC：前向糾錯4.3信道編碼和交織技術(shù)實例：GSM系統(tǒng)的編碼4.3信道編碼和交織技術(shù)無線系統(tǒng)中常見的兩類誤碼：隨機性誤碼：它是單個碼元錯誤，并且隨機地發(fā)生，主要由噪聲引起；突發(fā)性誤碼：長串連續(xù)的塊狀誤碼?。?！主要是由于衰落或陰影造成的。禍不單行啊，怎么辦4.3信道編碼和交織技術(shù)GSM系統(tǒng)中MS語音信號處理過程移動臺的語音信號處理過程4.3信道編碼和交織技術(shù)MRCU原始信息：MOTOROLACELLULAR…OOELTLLAOALRMOTOROLACELLULARMOTOROLACELLULAR空中信息：MRCUOOELTLLAOALR…交織編碼交織解碼解碼信息：MOTOROLACELLULAR…MRCUOOELTLLAOALR交織實例（無錯）：MRCU原始信息：MOTOROLACELLULAR…OOELTLLAOALRMOTOROLACELLULARMOTOROLACELLULAR空中信息：MRCUOOELTLLAOALR…交織編碼交織解碼解碼信息：MOTOROLACELLULAR…MRCUOOELTLLAOALR4.3信道編碼和交織技術(shù)交織實例（出錯）：GSM的交織（隱時間分集）4.3信道編碼和交織技術(shù)GSM系統(tǒng)中MS語音信號處理過程移動臺的語音信號處理過程數(shù)字移動通信中調(diào)制方式的選擇需滿足三大條件：可靠性：即抗干擾性能，選擇具有低誤比特率的調(diào)制方式，其功率譜密度集中于主瓣內(nèi)；有效性：它主要體現(xiàn)在選取頻譜有效的調(diào)制方式上，特別是多進制調(diào)制；工程上成本低且易于實現(xiàn)：它主要體現(xiàn)在恒包絡(luò)與峰平比的性能上。4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)兩種基帶信號的符號數(shù)字通信的目的就是把數(shù)字信息，即0或1的信息如何準(zhǔn)確而迅速地傳輸?shù)綄Ψ?。系統(tǒng)用語音編碼、信道編碼等技術(shù)把話音變換為0與1的二值信息。然后用相應(yīng)的符號（波形）表示0與1。4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)基帶信號與頻帶信號無線傳輸?shù)幕荆和ㄟ^調(diào)制把基帶信號能量的大部分轉(zhuǎn)移到正弦高頻分量上，以電波形式發(fā)射出去。信號的頻譜分析一個脈沖波是多種頻率不同正弦波的合成。用正弦波組合表示任意波形時。4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)ASK頻譜的形狀a）基帶信號的時間波形b）調(diào)制信號的頻譜a）3dB等效帶寬b)等效噪聲帶寬調(diào)制的原因及調(diào)制信號帶寬的定義4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字調(diào)制恒定包絡(luò)不恒定包絡(luò)ASK（幅度鍵控）QAM（正交幅度）MQAMFSK（移頻鍵控）PSK（移相鍵控非連續(xù)相位路徑）CPM（連續(xù)相位調(diào)制）BFSKMFSKBPSKQPSKMPSKMSKGMSKTFM（平滑調(diào)頻）OQPSKπ/4-QPSKDQPSKMASK基本的幅度、角度調(diào)制4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)采用理想的相干解調(diào)方式的誤比特率4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)MSK與FSK對比4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)GMSK與MSK對比4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)數(shù)字相位調(diào)制QPSK與OQPSK需考慮的指標(biāo)：頻譜效率功率譜旁瓣相位跳變4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)正交振幅調(diào)制通過相位和振幅的聯(lián)合控制，可以得到更高頻譜效率的調(diào)制方式，從而可在限定的頻帶內(nèi)傳輸更高速率的數(shù)據(jù)。這對于利用窄帶實現(xiàn)高速數(shù)字傳輸是有效的。然而，這種方式容易受衰落的影響。4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)各數(shù)字調(diào)制方式的頻帶利用率及BER性能4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)CDMA系統(tǒng)使用的調(diào)制技術(shù)：IS-95CDMA系統(tǒng):前向信道--BPSK反向信道--OQPSKCDMA20001X系統(tǒng):前向信道--QPSK反向信道—OQPSKWCDMA系統(tǒng)前向信道—QPSK，以后引入16QAM反向信道--BPSK其他系統(tǒng)使用的調(diào)制方式：GSM系統(tǒng)：GMSKGPRS系統(tǒng)：GMSKEDGE系統(tǒng)：8PSK4.4數(shù)字調(diào)制技術(shù)GSM系統(tǒng)中MS語音信號處理過程移動臺的語音信號處理過程1、分集接收的概念定義：利用多條傳輸相同信息且具有近似相等的平均信號強度和相互獨立衰落特性的信號路徑，然后將這多個信號按一定的規(guī)則進行合并，使實際接收到的信號具有較大的能量、較小的電平起伏，以減小各種衰落對接收性能的影響，改善傳輸性能。分集接收包含有兩重含義：分散傳輸：使接收端能夠獲得多個攜帶同一信息但統(tǒng)計獨立的衰落信號；集中處理：即把接收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進行適當(dāng)?shù)暮喜ⅲɑ蜻x擇），從而降低衰落的影響，改善系統(tǒng)的接收性能。4.5.1分集技術(shù)2、分集方式

隱分集是指分集作用隱含在傳輸信號中，在接收端利用信號處理技術(shù)實現(xiàn)的分集。它包括交織編碼技術(shù)，跳頻技術(shù)，直擴技術(shù)等，一般用在數(shù)字移動通信系統(tǒng)中。

顯分集指的是構(gòu)成明顯分集信號的傳輸方式，多指利用多副天線接收信號的分集方式。

按照分集的目的即為了減小慢衰落還是快衰落的影響，又把顯分集分為宏（macroscopic）分集和微（microscopic）分集兩種。4.5.1分集技術(shù)宏分集（多基站分集）：用于蜂窩通信克服慢衰落。慢衰落是由陰影區(qū)引起的，具體做法是把多個基站設(shè)置在不同的地理位置上和方向上，并同時和小區(qū)內(nèi)的移動臺進行通信。利用了在各個方向上的信號傳播不同時出現(xiàn)嚴(yán)重慢衰落。4.5.1分集技術(shù)

微分集是以減小即快衰落為目的，應(yīng)用于各種無線通信系統(tǒng)?？焖ヂ涫怯梢苿优_附近地物的復(fù)雜反射引起的，通常導(dǎo)致小距離范圍內(nèi)信號的深度衰落。按照路徑的選擇方法不同，微分集又可分為空間分集、頻率分集、時間分集、極化分集和角度分集等多種。4.5.1分集技術(shù)1）

空間分集(spacediversity)理論依據(jù)：空間距離越大，多徑傳播的差異就越大，所接收場強的相關(guān)性就越小。具體做法：可采用一副發(fā)射天線，多副接收天線的方式。分集的支路數(shù)m為2~4重。天線間水平間隔效果遠比垂直間隔好。通過統(tǒng)計分析和實際建設(shè)的環(huán)境決定接收天線間距d的選取。4.5.1分集技術(shù)2）

極化分集(polarizationdiversity)理論依據(jù)：兩個在同一地點極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號具有不相關(guān)的衰落特性。具體實現(xiàn)：在發(fā)射端裝上垂直/水平極化天線或45度極化天線，就可得到兩路衰落特性不相關(guān)的信號。極化分集實際上是空間分集的特殊情況——分集支路只有兩路且相互正交。特點：結(jié)構(gòu)比較緊湊，采用雙工器只需一副收發(fā)合一的天線。其缺點是通過電橋等器件將發(fā)射功率分配到兩副天線上時有3dB的信號功率損失。4.5.1分集技術(shù)空間分集與極化分集的對比4.5.1分集技術(shù)3）

角度分集(anglediversity)理論依據(jù)：由于地形地貌和建筑物等環(huán)境因素的影響，到達接收端的不同路徑的信號可能來自于不同的方向（角度），這些信號具有不相關(guān)性。具體做法：在接收端采用定向天線，接收并合并信號。由于高頻信號方向性強，角度分集在較高頻率時更容易實現(xiàn)。

角度分集實際上是空間分集的特殊情況。4.5.1分集技術(shù)4）

頻率分集(frequencydiversity)理論依據(jù)：相干帶寬指的是頻帶最大帶寬，在此帶寬內(nèi)，兩個信號的傳輸系數(shù)的統(tǒng)計特性是強相關(guān)的，但當(dāng)兩個頻率之間的間隔超過相干帶寬時就不相關(guān)了。具體做法：在發(fā)射端將信息用頻率間隔大于相干帶寬的不同載頻發(fā)射，在接收端可得到衰落特性互不相關(guān)的信號，從而減小信號的衰落影響，提高通信質(zhì)量。如采用擴頻的CDMA系統(tǒng)。特點：缺點要占用更多的頻譜資源，在發(fā)射端需要多部發(fā)射機和獨立的接收機來接收信號，設(shè)備復(fù)雜不經(jīng)濟。4.5.1分集技術(shù)5）

時間分集(timediversity)理論依據(jù)：將信號在時間上相隔ΔT重復(fù)發(fā)送（m次），ΔT大于信道的相干時間，

就能保證信號衰落的不相關(guān)性，

從而在接收端得到條獨立的分集支路。典型應(yīng)用：RAKE接收，有利于克服移動通信中由多卜勒效應(yīng)引起的信號衰落現(xiàn)象。由于相干時間與移動臺速度成反比，因此移動臺相對靜止時，時間分集沒有用處。4.5.1分集技術(shù)3、合并方式

接收端收到M（M≥2）個分集信號后，如何利用這些信號以減小衰落的影響，這就是合并問題。一般均使用線性合并器，把輸入的M個獨立衰落信號相加后合并輸出。假設(shè)M個輸入信號電壓為r1（t），r2（t），…，rM（t），則合并器輸出電壓r（t）為

式中，ak為第k個信號的加權(quán)系數(shù)。4.5.1分集技術(shù)

選擇不同的加權(quán)系數(shù)，則可以對分散的信號進行合并通常有以下幾種方法：

（1）最佳選擇式：通過邏輯電路選擇具有最高基帶信噪比(SNR)的基帶信號作為輸出，其實現(xiàn)容易由于未被選擇的支路信號棄之不用，抗衰落性能一般。4.5.1分集技術(shù)（2）最大比值合并：是一種最佳合并方式。該方式控制各支路增益，使它們分別與本支路的信噪比成正比，即根據(jù)各支路的信噪比來設(shè)置增益值，然后再相加以獲得接收信號。4.5.1分集技術(shù)（3）等增益相加式：把幾個分散信號以相同的支路增益直接相加的結(jié)果作為接收信號。合并方式實現(xiàn)比較簡單，其性能接近于最大比值合并。

4.5.1分集技術(shù)（4）也稱為掃描式分集(scanningdiversity)，其優(yōu)點是僅使用一套接收設(shè)備。該方式監(jiān)視接收信號的瞬時包絡(luò)，當(dāng)本支路的瞬時包絡(luò)低于預(yù)定門限時，將天線開關(guān)置于另一個支路上。4.5.1分集技術(shù)（5）合并方式性能比較

等增益合并的各種性能與最大比值合并相比低得不多，但從電路實現(xiàn)上看，較最大比值合并簡單，尤其是加權(quán)系數(shù)的調(diào)整，前者遠較后者簡單，因此等增益合并是一種較實用的方式，當(dāng)分集重數(shù)不多時，選擇式合并方式仍然是可取的。a、最大比合并b、等增益合并c、選擇式合并分集合并后的平均信噪比改善程度4.5.1分集技術(shù)4、分集系統(tǒng)的性能分集接收之后，誤碼率將會得到改善，右圖是速率為16kbit/s的GMSK（BbTb=0.25）信號的實驗結(jié)果。結(jié)論：使用選擇分集后，在同樣誤碼率的條件下，需要的載噪比(中值)降低，因此，基站一般采用二重分集接收，約10的dB好處。4.5.1分集技術(shù)窄帶調(diào)制技術(shù)：在保證一定的誤碼率性能的條件下，使已調(diào)信號盡量占用較窄的傳輸帶寬，以提高頻帶利用率。擴頻調(diào)制技術(shù)：使已調(diào)信號占有很寬的頻帶，通常它所占用的帶寬要比要求的最小信號帶寬大好幾個數(shù)量級。擴頻通信（SpreadSpectrumCommunication）包含的意義：信號的頻譜被大大地展寬采用互不相關(guān)的擴頻碼序列進行調(diào)制來展寬信號頻譜在接收端用同樣的碼序列利用相關(guān)性解調(diào)來解擴

4.5.2擴頻、跳頻技術(shù)以直擴為例說明擴頻過程4.5.2擴頻、跳頻技術(shù)擴頻通信的優(yōu)點1.提高了頻率利用率。2.抗干擾性強，誤碼率低3.隱蔽性好，對各種窄帶通信系統(tǒng)的干擾很小4.可以實現(xiàn)碼分多址5.抗多徑干擾6.適合數(shù)字話音和數(shù)據(jù)傳輸，

以及開展多種通信業(yè)務(wù)7.安裝簡便，易于維護8.能精確地定時和測距4.5.2擴頻、跳頻技術(shù)跳頻、擴頻調(diào)制技術(shù)-幾個概念定頻通信：載波頻率固定，都是在指定的頻率上進行通信，易受干擾。跳頻系統(tǒng)：載波頻率不固定，在給定的一個頻率范圍內(nèi)偽隨機地跳變，跳變模式由一個偽隨機碼（PN碼）控制。4.5.2擴頻、跳頻技術(shù)跳頻圖案：跳頻通信中載波頻率改變的規(guī)律，叫作跳頻圖案。跳頻集（hopset）：系統(tǒng)所有可能的載波頻率的集合。瞬時帶寬：跳變集中某一頻率單獨工作所占用的帶寬。總跳頻帶寬：在跳頻中可能跨越的最大頻譜寬度。跳變的速率：快跳頻（F-FH）和慢跳頻（S-FH）4.5.2擴頻、跳頻技術(shù)抗多徑衰落要求跳頻信號駐留時間小于多徑延遲時間差，跳頻速度快，實現(xiàn)難度大?？雇栏蓴_利用跳頻技術(shù)構(gòu)成準(zhǔn)正交跳頻網(wǎng)，使同頻干擾離散化，減少同頻干擾的重合次數(shù)，從而減少同頻干擾的影響?？诡l率選擇性衰落跳頻的頻率間隔大于信道相關(guān)帶寬時，可使各個跳頻駐留時間內(nèi)的信號相互獨立。

直擴系統(tǒng)是依靠頻譜的擴展和解擴處理提高信噪比的，跳頻則是依靠躲避干擾來達到提高信噪比的。跳頻如何提高信噪比，改善系統(tǒng)性能？與一般的擴頻通信的改善又有什么區(qū)別？4.5.2擴頻、跳頻技術(shù)快跳頻：一位符號在多個跳頻載波上傳輸，具有頻率分集和時間分集。慢跳頻：在一跳駐留時間內(nèi)傳輸多個符號，慢跳頻技術(shù)與交織編碼技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成具有時間分集和頻率分集作用的隱分集。跳頻在GSM系統(tǒng)中的應(yīng)用

GSM系統(tǒng)采用的是慢跳頻，每秒217跳，每跳約1.2kbit。一個MS在一個時隙內(nèi)用固定頻率發(fā)送或接收信號，在必要時，在一個時隙后跳到另一個頻道的下一個TDMA幀中，即GSM的跳頻是在兩個時隙之間實現(xiàn)的。為了保證系統(tǒng)的正常工作，要求跳頻在1ms之內(nèi)完成。同一小區(qū)內(nèi)，BS和MS將同時發(fā)生跳頻。GSM的CCCH信道是不用跳頻的。4.5.2擴頻、跳頻技術(shù)直接序列擴頻技術(shù)直擴技術(shù)抗多徑（利用相關(guān)時間特性）IS-95的CDMA系統(tǒng)，碼片速率1.2288Mcps，因此可抗1μs的多徑干擾通過多徑信號的分離與合并時，構(gòu)成RAKE接收機，實現(xiàn)時間分集直擴技術(shù)抗干擾直擴的自相關(guān)特性抗干擾，其抗干擾的能力可用直接序列擴頻處理增益來表征。直擴技術(shù)抗頻率選擇性衰落（利用相關(guān)帶寬特性）擴頻后帶寬遠大于信道相關(guān)帶寬時而起到頻率分集的作用4.5.2擴頻、跳頻技術(shù)GSM系統(tǒng)中MS語音信號處理過程移動臺的語音信號處理過程定義：均衡是指對信道特性的均衡，即接收端的均衡器產(chǎn)生與信道相反的特性，用來抵消信道的時變多徑傳播