移动通信系统的基本处理技术(多址技术和信源编码)

重庆大学ChongqingUniversity12019年8月16日星期五移动通信系统第三章移动通信系统的基本处理技术重庆大学ChongqingUniversity22019年8月16日星期五第三章移动通信系统的基本处理技术主要内容：3.1多址技术3.2信源编码与数据压缩重庆大学ChongqingUniversity32019年8月16日星期五在移动通信中两个最核心的问题是如何克服信道与用户带来的两重动态特性。上一章着重分析了信道的动态性，这一章将讨论用户动态性及其带来的一系列问题。移动通信与固定式有线通信的最大差异在于固定通信是静态的，而移动通信是动态的。为了满足多个移动用户同时进行通信，必须解决以下两个问题，首先是动态寻址，其次是对多个地址的动态划分与识别。这就是所谓多址技术，在多址技术中重点研究的是利用扩频技术来实现码分多址CDMA。3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity42019年8月16日星期五多址技术的基本概念3.1多址技术所谓多址技术就是使多个用户接入并共享同一个无线通信信道,以提高频谱利用率的技术。即把同一个无线信道按照时间、频率等进行分割,使不同的用户都能够在不同的分割段中使用这一信道,而又不会明显地感觉到他人的存在,就好像自己在专用这一信道一样。占用不同的分割段就像是拥有了不同的地址,使用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地址。这就是多址技术,亦称多址接入技术。在蜂窝移动通信系统中,多个移动用户要同时通过一个基站和其他移动用户进行通信,就必须对基站和不同的移动用户发出的信号赋予不同的特征,使基站能从众多移动用户的信号中区分出是哪一个移动用户发来的信号,同时各个移动用户又能够识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的。重庆大学ChongqingUniversity52019年8月16日星期五3.1.1多址接入基本原理多址划分从原理上看与固定通信中的信号多路复用是一样的，实质上都属于信号的正交划分与设计技术。不同点是多路复用的目的是区别多个通路，通常是在基带和中频上实现，而多址划分是区分不同的用户地址，通常需要利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态的用户地址，同时为了实现多址信号之间互不干扰，信号之间必须满足正交特性。3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity62019年8月16日星期五•FDMA:称为频分多址，即每个用户占用一个频道其原理图如下：•理论上划分：•实际上的划分：•图.频分多址原理图•在移动通信中最典型的频分多址方式有：北美：800MHz的AMPS体制；欧洲与我国：900MHz的TACS体制。fΔF1ΔF2ΔFnfΔF1ΔF2ΔFnΔFΔ1ΔFΔ2ΔFΔn3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity72019年8月16日星期五•TDMA:当时，称为时分多址TDMA,其原理图如下：•从理论上划分：•实际上划分：•图.时分多址原理图•在移动通信中最典型的时分多址方式有：北美：D-AMPS；欧洲与我国：GSM-900、DCS-1800；日本：PDC。tΔT1ΔT2ΔTntΔT2ΔTnΔTΔ1ΔTΔ2ΔTΔnΔT13.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity82019年8月16日星期五•CDMA：当时,称为时分多址CDMA，它有两种主要形式：•直扩码分DS-CDMA：多用于商用系统，其原理图如下：直扩码分原理图•CDMA与FDMA、TDMA划分形式不一样，FDMA与TDMA属于一维(频域或时域)划分，CDMA则属于二维(时、频域)划分。CDMA中所有用户占有同一时隙、同一频段，区分用户的特征是用户地址码的相关特性。•FDMA、TDMA的地址划分是基于简单的非此即彼、非共享型，即两个以上用户不可能同时占有同一频段(或时隙)，CDMA的地址划分是基于特征，是相容的，即两个以上用户可以同时占有同一频段、同一时隙，是共享型的，其条件是只要它们具有可分离的各自特征(码的相关特性)即可。ftFT3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity92019年8月16日星期五•在移动通信中最典型的码分多址方式有：第二代的窄带CDMA系统：IS-95体制；第三代的CDMA2000体制；第三代的WCDMA体制。3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity102019年8月16日星期五•SDMA:当时,称它为空分多址SDMA，其原理图如下：•图3.6空分多址原理图•空分地址的实现是利用无线的方向性波束，将服务区(小区内)划分为不同的子空间进行空间正交隔离。移动通信中的扇区天线可以看作是SDMA的一种基本实现方式。智能式自适应天线是将来移动通信中准备采用的一项新的关键技术，是典型的空分方式。3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity112019年8月16日星期五•除了上述基于物理层的时分、频分、码分与空分多址接入方式以外，还有一种基于网络层的网络协议的分组无线电(PR)ALOHA随机多址接入协议方式。ALOHA多址接入不同于前面介绍的时分、频分与码分的多址接入方式，它实际上是一种自由竞争式的随机接入方式，是以网络协议的形式来实现的。ALOHA原本是夏威夷俚语，用于对人到达或离开时致意的问候语。1968年夏威夷大学将解决夏威夷群岛之间数据通信的一项研究计划命名为ALOHA。3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity122019年8月16日星期五3.1.2移动通信中的典型多址接入方式•1.FDMA•第一代移动通信是模拟式移动通信，都采用频分多址FDMA方式，最典型的有北美的AMPS和欧洲及我国的TACS体制。下面以TACS为例讨论FDMA方式：TACS多址划分控制信道控制信道890MHz915MHz935MHz960MHz45MHz上行（移动台至基站）下行（基站至移动台）12100012100025KHz25KHz3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity132019年8月16日星期五•TACS的总可用频段：(与GSM频段相同)上行：890~915MHz，占用25MHz；下行：935~960MHz，占用25MHz。TACS采用频率双向双工FDD方式。收/发频段间距为45MHz，以防止发送的强信号对接收的弱信号的影响。每个话音信道占用25KHz频带，采用窄带调频方式。TACS系统可以支持的信道数为：•其中，为TACS的可用频段带宽，为信道(话音)带宽。633225102101010002510SCBBNB保护SBCB3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity142019年8月16日星期五FDMA的主要特点：•比较简单、容易实现，适用于模拟和数字•是以频率复用为基础的蜂窝结构，以频带划分各种小区•需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限系统•以频道分离用户地址，每一频道传输一个模拟/数字话路•对功控要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置•基站是多部不同载波频率发射机同时工作•不宜在大容量的系统中使用3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity152019年8月16日星期五•互调干扰–概念：指系统内由于非线性器件(功率放大器)产生的各种组合频率成分落入本频道接收机通带内造成对有用信号的干扰。–解决办法：减小产生互调干扰的条件，尽可能提高系统的线性程度，并选用无互调的频率集(频率规划)•邻信道干扰–概念：指相邻信道信号中存在的寄生辐射落入本频道带内造成对有用信号的干扰–原因：带外抑制不够，非线性器件产生寄生辐射–解决方法：规定收发信机的技术指标，即规定发射机的寄生辐射和接收机的中频选择性，还可采用加大频道间的隔离度。3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity162019年8月16日星期五2.TDMA•第二代移动通信是数字式移动通信，它主要采用两类多址方式：一类是欧洲大多数国家采用的时分多址TDMA方式，另一类是北美等采用的码分多址CDMA方式，我国两类方式都有。这里先介绍最典型的TDMA方式GSM体制。3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity172019年8月16日星期五•在GSM中最多可以八个用户共享一个载波，而用户之间则采用不同时隙来传送自己的信号。GSM一个TDMA帧的结构图如下所示。GSM系统一个TDMA帧的结构帧头帧尾信息时隙1时隙2时隙3时隙8尾比特同步信息比特保护比特3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity182019年8月16日星期五•GSM系统的时隙结构可划分为四种类型：常规突发序列、频率校正突发序列、同步突发序列、接入突发序列。GSM采用频率双向双工FDD方式，上、下行频段(发、收)间隔为45MHz，每个话音信道占用200kHz，采用GMSK调制。GSM系统总共可提供频点数为：而每个频点提供8个时隙，因此GSM总共可提供的时分信道数为：2251000(200)8MHzNKHz125125200MHzNKHz3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity192019年8月16日星期五•TDMA的主要技术特点：每载波8个时隙信道，每个信道可提供一个数字话音用户，因此每个载波最多可提供8个用户。突发脉冲序列传输。每个移动台发射是不连续的，只是在规定的时隙内才发送脉冲序列。传输开销大，GSM的TDMA帧层次结构如图3.9所示，共分为五个层次：时隙、TDMA帧、复帧、超帧、超高帧，每个层次都需占用一些非信息位的开销，这样总的开销就比较大，以致影响整体传输效率。3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity202019年8月16日星期五3.1多址技术012……2047012……5001……25012……25012……5012305674常规突发序列频率校正突发序列同步突发序列接入突发序列超高频超频I超频II复帧I复帧IITDMA帧四类时隙(突发)1234图.GSM五层次帧结构重庆大学ChongqingUniversity212019年8月16日星期五•GSM每个信道比TACS宽8倍，传输速率达270.8Kbps，在这个速率上就不能不考虑多径传输时延扩展的影响。因为GSM的码元周期为3.7us，而繁华城区的多径时延扩展可达3us左右，已完全可以比拟。为了克服多径时延扩展，GSM采用了自适应均衡技术，增加了设备的复杂性。•GSM中由于每个载波可提供8个用户，这8个用户由于时分特性可以共用一套收、发设备，因此与FDMA比较，减少了七倍的用户设备，降低了成本。•GSM是数字式移动通信，它对新技术是开放的，这里的开放是指对新技术适应性比模拟的FDMA强。GSM的时隙结构灵活，不仅可以适应不同数据速率(一般指单个信道速率低于8倍的整数倍)的数据传送，还可以利用时隙的空闲省去双工器(利用时隙间切换)。3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity222019年8月16日星期五3.CDMA•它是第二代移动通信中的两种主要多址方式中除TDMA以外的另一种形式，最典型的是IS-95。在第三代移动通信中，五种体制中最主要的三种也是采用CDMA，它们是FDD的CDMA2000、FDD的WCDMA，与TDD的TD-SCDMA。3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity232019年8月16日星期五•我们以IS-95体制中的码分多址方式来说明。在IS-95中，一个基站共有64个信道，采用正交的Walsh函数来划分信道，在完全同步的情况下，64个Walsh函数是完全正交的。下行(前向)信道配置如下图所示。IS-95下行(前向)信道配置•64个信道中一个导频信道，一个同步信道，七个寻呼信道，其余五十五个为业务信道。导频信道W0同步信道W32寻呼信道W1寻呼信道W7业务信道W8业务信道W62业务信道W63下行CDMA信道1.25MHz,基站发送3.1多址技术重庆大学ChongqingUniversity242019