第2章 3G关键技术

第2章3G关键技术移动通信信道2.1扩频通信系统2.2数字调制技术2.3信源编码技术2.4功率控制技术2.6信道编码技术2.5发送接收技术2.7蜂窝组网技术2.8随着社会的不断进步、经济的飞速发展，对信息传输的需求越来越大，信息传输在工作、生活中的作用也越来越重要，“社会需求就是科学与技术发展的动力”，现代移动通信在经历了第一代模拟通信系统和第二代数字通信系统（以GSM和窄带CDMA为代表）之后，为适应市场发展的要求，由国际电信联盟（ITU）主导协调，自1996年开始了第三代（3G）宽带数字通信系统的标准化进程。3G系统采用了无线宽带传输技术、复杂的编译码技术、调制解调技术、快速功率控制技术、多用户检测技术、智能天线技术、蜂窝组网技术等。本章重点介绍3G的关键技术，主要包括以下几方面的内容：移动通信信道扩频通信系统数字调制技术信源编码技术信道编码技术功率控制技术发送接收技术蜂窝组网技术2.1移动通信信道信道是信号的传输介质，可分为有线信道和无线信道两类。移动通信中的各种新技术，都是针对无线信道的特点，优化解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性。2.1.1无线电波的传播波段波长频率主要用途长波10km～1km30kHz～300kHz—中波1km～100m300kHz～3MHz调幅无线电广播短波100m～10m3MHz～30MHz微波米波（VHF）10m～1m30MHz～300MHz调频无线电广播分米波（UHF）1m～0.1m300MHz～3GHz电视、雷达、导航、移动通信厘米波10cm～1cm3GHz～30GHz毫米波10mm～1mm30GHz～300GHz表2-1无线电波分类从移动通信信道中的电波传播来看，可分为以下几种形式：（1）直射波（2）反射波（3）绕射波（4）散射波2.1.2接收信号的4种效应移动通信信道有3个主要特点：信号传播的开放性，接收点地理环境的复杂性和多样性，以及通信用户的随机移动性。无线电波有3种主要传播形式：直射、反射、绕射，在它们的共同作用下，接收信号具有4种主要效应：阴影效应、远近效应、多径效应和多普勒效应。（1）阴影效应（2）远近效应（3）多径效应（4）多普勒效应图2-1多径效应图2-2多普勒效应2.1.3接收信号的3类损耗在移动通信信道的3个主要特点和无线电波传播的3种主要形式的共同作用下，接收信号又具有3类不同层次的损耗：路径传播损耗、大尺度衰落损耗和小尺度衰落损耗。（1）路径传播损耗（2）大尺度衰落损耗（3）小尺度衰落损耗图2-3大尺度衰落和小尺度衰落2.1.4移动通信中的噪声和干扰在移动通信中，严重影响移动通信系统性能的主要噪声和干扰可分为四类：加性白高斯噪声（AdditionalWhiteGaussNoise，AWGN）、符号间干扰（IntersymbolInterference，ISI）、多址干扰（MultipleAccessInterference，MAI）和相邻小区（扇区）干扰（AdjacentCell(Sector)Interference，AC(S)I），下面分别予以简要介绍。（1）加性白高斯噪声（2-1）()()()vtstnt（2）符号间干扰（ISI）图2-4AWGN信道（3）多址干扰（MAI）（4）相邻小区（扇区）干扰（AC(S)I）2.1.5移动通信信道的物理模型在实际研究工作中，移动通信信道可以分为4种常用的信道模型。（1）AWGN信道（2）阴影衰落信道（3）平坦瑞利衰落信道（4）选择性衰落信道2.2扩频通信系统CDMA是在扩频通信技术基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。2.2.1多址接入技术图2-53种接入方式示意图1．频分多址频分多址（FDMA）是最成熟的多址复用方式之一，它是基于频率划分信道，把可以使用的总频段平均划分为N个频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道。2．时分多址时分多址（TDMA）也是非常成熟的通信技术。TDMA是在同一载波上，将时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干的时隙（每一帧和每个时隙都互不重叠），每个时隙是一个通信信道，分配给用户使用。3．码分多址码分多址（CDMA）采用扩频通信技术，每个用户分配特定的地址码，利用地址码相互之间的正交性（或准正交性）完成信道分离的任务。CDMA在频率、时间、空间上可以相互重叠。由于CDMA系统采用扩频技术，与FDMA和TDMA相比，CDMA具有如下独特的优点：（1）系统容量大且有软容量的特性（2）可采用语音激活技术（3）抗干扰能力强（4）软切换（5）可采用多种分集技术（6）低信号功率谱（7）频率规划简单，可同频组网（8）保密性好2.2.2扩频通信系统1．扩频通信和扩频通信系统扩频通信，即扩展频谱通信，顾名思义是在发送端用某个特定的扩频函数（如伪随机编码序列）将待传输的信号频谱扩展至很宽的频带，变为宽带信号。送入信道中传输，在接收端再利用相应的技术或手段将扩展了的频谱进行压缩，恢复到基带信号的频谱，从而达到传输信息、抑制传输过程中噪声和干扰的目的。扩频通信系统是采用扩频通信技术的系统。扩频通信系统有以下两个特点：（1）传输信号的带宽远大于被传输的原始信号的带宽；（2）传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常为伪随机（伪噪声）编码信号。2．扩频通信的发展简史和应用扩频通信技术起源于第二次世界大战，是基于军事领域的实际需要而产生的，目的是在敌方控制区内提供一种保密通信的方法。随着时间的推移和技术的发展，特别是信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，推动了扩频通信理论、方法、技术等方面的研究发展和普及应用，使最初只用于军事领域的扩频通信系统越来越广泛应用于卫星通信、个人移动通信、雷达、导航、测距等领域。3．典型扩频通信系统框图图2-6典型的扩频通信系统框图（1）信源和信宿（2）编码和译码（3）扩频和解扩（4）调制和解调（5）无线信道4．扩频通信系统分类（1）直接序列扩频通信系统（2）跳频扩频系统（3）跳时扩频系统（4）线性脉冲调频系统（5）混合扩频通信系统5．扩频通信系统主要优缺点扩频通信系统的主要优点如下。（1）抗干扰能力强（2）多址能力强（3）保密性强，抗截获、抗检测能力强（4）抗衰落能力强（5）抗多径能力强（6）高分辨率测距2.2.3信道化码和扰码1．基本概念（1）基本函数运算如果二进制数字信号用0或1表示，是单极性码；如果用−1表示0，1表示1，是双极性码。单极性码的逻辑运算由模2加实现，运算规则是：000;011;100;110双极性码的逻辑运算由逻辑乘实现，运算规则是：(1)(1)1;(1)(1)1;(1)(1)1;(1)(1)1（2）相关函数相关函数是任意两个信号之间的相似性的测度，分为周期相关函数和非周期相关函数两种，下面分别给出它们的定义。设两个长度为N的序列a和b，非周期相关函数定义为：,()abC101,0101()100||NiiiNabiiiabNNCabNNN≤≤1≤≤≥（2-2）周期相关函数定义为：,()abR1,01()NabiiiRabN,Z（2-3）其中·表示逻辑运算，当a和b是单极性码时，·表示模2加；当a和b是双极性码时，·表示逻辑乘。当a≠b，和分别被称为非周期互相关函数和周期互相关函数；当a=b，和分别被称为非周期自相关函数和周期自相关函数。简写为和。,()abC,()abR,()abC,()abR()aC()aR本书中的相关函数，如非特别声明，均指周期相关函数。（3）正交函数正交函数是具有零相关特性的函数，则互相关函数为0的两个序列是正交序列。2．CDMA系统中的扩频码和地址码在扩频通信系统中，决定系统性能的主要因素是扩频函数。理想的扩频码和地址码必须具备以下特性：（1）良好的自相关和互相关特性，即尖锐的自相关函数和几乎处处为零的互相关函数；（2）尽可能长的码周期，使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列，确保安全与抗干扰的要求；（3）足够多的码序列，用来作为独立的地址，以实现码分多址的要求；（4）易于产生、复制、控制和实现。目前常用的、较为理想的扩频码和地址码有：（1）伪随机（PN）码（2）沃尔什（Walsh）码（3）正交可变速率扩频增益码3．常用的较理想的码序列（1）伪随机（PN）码伪随机码又称为伪噪声码，简称PN码。伪噪声码是一种具有白噪声性质的码。①平衡特性：在每一个周期内，伪随机序列中0和1的个数接近相等；②游程特性：把随机序列中连续出现0或1的子序列称为游程。③相关特性：随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质。（2）m序列m序列是一种伪随机序列，是由n级移位寄存器所能产生的周期最长的序列，又称最大长度序列。m序列是最长线性移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。n级非退化的线性移位寄存器的组成如图2-7所示。图2-7n级非退化的线性移位寄存器的组成2012(),{0,1}nnifxccxcxcxc（2-4）1122,{0,1}niininiacacacac（2-5）m序列的特性如下。①随机特性m序列是一种伪随机序列，它具有如下3个特性：0−1分布特性游程特性位移相加特性②自相关函数图2-8m序列周期性自相关函数的波形图③功率谱密度函数m码功率谱的几个特点：m码的功率谱为离散谱，谱线间隔为；c1NTm码的功率谱密度函数具有抽样函数的包络，第一个零点在k=N处，即2sinxxc1fT第二个零点在2N处，即，c2fT依此类推，当n为整数时，c0nGT，。图2-9m码的功率谱密度示意图m码的功率谱的宽度（通常定义为第一个零点处的频率）由码元的持续时间Tc决定，带宽（单边），与码长N无关。c1BTm码的直流分量与N2成反比，当m序列长度时，直流分量，谱线间隔，m码的功率谱由离散谱向连续谱过渡，伪随机码过渡到随机码。N∞0c1/()0NT④互相关函数m序列的自相关函数具有理想的双值函数，而m序列的互相关函数是指长度相同而序列结构不同的两个m序列之间的相关函数。（3）Gold序列Gold序列是R.Gold提出的一类伪随机序列，它具有良好的自相关和互相关特性，可以用作地址码的数量远大于m序列，而且易于实现，结构简单，在工程中得到广泛的应用。R.Gold指出：给定移位寄存器级数n时，总可以找出一对互相关函数最小的码序列，采用移位相加的方法构成新码组，其互相关旁瓣都很小，而且自相关函数和互相关函数都是有界的，这个新码组被称为Gold码或Gold序列。图2-10Gold序列的移位寄存器乘积型结构图图2-11Gold序列的移位寄存器模2和型结构图1221n1221n2221n2221n码长N=2n−1互相关函数值（非归一化）出现概率n为奇数−10.50.5n为偶数，且不是4的倍数−10.750.25表2-2Gold码序列的三值互相关函数特性（4）Walsh序列如果序列间的互相关函数值很小，特别是正交序列的互相关函数为0，这类序列称为第二类伪随机序列。Walsh序列是第二类伪随机序列。Walsh函数是以数学家Walsh的名字命名，他证明了Walsh函数的正交性。Walsh函数是有限区间上的一组归一化正交函数集，可由哈达玛矩阵产生。哈达玛矩阵H是由+1和−1两个元素组成的正交方阵。所谓正交方阵是指任意两行（或两列）都是相互正交的。即。TNHHI哈达玛矩阵有如下两个性质：哈达玛矩阵是对称矩阵，即；哈达玛矩阵的逆矩阵和哈达玛矩阵本身成比例，比例因子为1/N，即。THH11NHH（5）正交可变速率扩频增益（OVSF）码OVSF码与Walsh序列码很相似，不同长度的码字很容易产生。由简单的电路就可以生成各种长度的码字。它们可以排成如图2-12所示的码树结构。图2-12OV