移动通信第二章

本次课的内容1.复习移动通信系统的组成及复用方式2.移动通信的频段使用，掌握不同阶段使用的频段3.移动通信系统中不同多址方式的频谱效率了解不同系统每个信道的间隔4.其他常用技术：掌握每种技术的功能及其实现5.移动通信的发展，了解发展过程1.3移动通信系统的组成1.移动通信系统按其经营方式或用户性质可分为专用移动通信系统（专网）和公共移动通信系统（公网）。2.公共移动通信系统，即蜂窝移动通信系统的基本系统结构如图1所示。一个交换区由一个移动交换中心MSC（MobileServiceSwitchingCentre）、一个或若干个归属位置寄存器HLR（HomeLocationRegister）和访问者位置寄存器VLR（VisitorLocationRegister)，有时几个MSC合用一个VLR、设备识别寄存器EIR（EquipmentIdentityRegister）、鉴权中心AuC（AuthenticationCentre）、操作维护中心OMC（OperationandMaintenanceCentre）、基站BS（BaseStation）和移动台MS（MobileStation）等功能实体组成。图1蜂窝移动通信系统的基本结构MSC对位于其服务区内的MS进行交换和控制，同时提供移动网与固定公众电信网的接口。MSC是移动网的核心。作为交换设备，MSC具有完成呼叫接续与控制的功能，这点与固定网交换中心相同。作为移动交换中心，MSC又具有无线资源管理和移动性管理等功能，例如移动台位置登记与更新、越区切换等。为了建立从固定网至某个移动台的呼叫路由，固定网就近进入关口MSC（GMSC），由该GMSC查询有关的HLR，并建立至移动台当前所属的MSC的呼叫路由。HLR是用于移动用户管理的数据库。每个移动用户必须在某个HLR中登记注册。HLR所存储的用户信息分为两类：一类是有关用户参数的信息，例如用户类别，向用户所提供的服务，用户的各种号码、识别码以及用户的保密参数等；另一类是有关用户当前位置的信息，例如移动台漫游号码、VLR地址等，用于建立至移动台的呼叫路由。VLR是存储用户位置信息的动态数据库。当漫游用户进入某个MSC区域时，必须向该MSC相关的VLR登记，并被分配一个移动用户漫游号（MSRN），在VLR中建立该用户的有关信息，其中包括移动用户识别码（MSI）、移动用户漫游号（MSRN），所在位置区的标志以及向用户提供的服务等参数，这些信息是从相应的HLR中传递过来的。MSC在处理入网、出网呼叫时需要查询VLR中的有关信息。一个VLR可以负责一个或若干个MSC区域。EIR是存储有关移动台设备参数的数据库。EIR实现对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。1.5多址方式1.5.1移动通信系统中的多址方式（1）FDMA。当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的AMPS和英国的TACS。在我国AMPS和TACS这两种制式都有应用，但TACS占绝大多数。所谓FDMA，就是在频域中一个相对窄带信道里，信号功率被集中起来传输，不同信号被分配到不同频率的信道里，发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制，这样在规定的窄带里只能通过有用信号的能量，而任何其他频率的信号被排斥在外。模拟的FMFDMA。（2）TDMA。当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的DAMPS和欧洲的GSM，在我国这两种制式也都有应用，但GSM占绝大多数。所谓TDMA，就是一个信道由一连串周期性的时隙构成。不同信号的能量被分配到不同的时隙里，利用定时选通来限制邻近信道的干扰，从而只让在规定时隙中有用的信号能量通过。实际上，现在使用的TDMA蜂窝系统都是FDMA和TDMA的组合，如美国TIA建议的DAMPS数字蜂窝系统就是先使用了30kHz的频分信道，再把它分成6个时隙进行TDMA传输。（3）CDMA。当前应用这种多址方式的主要蜂窝系统有北美的IS-95CDMA系统。所谓CDMA，就是每一个信号被分配一个伪随机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的伪随机序列里。在接收机里，信号用相关器加以分离，这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱，凡不符合该用户二进制序列的信号，其带宽就不被压缩。结果只有有用信号的信息才被识别和提取出来。（4）SDMA。它是一种较新的多址技术，在由中国提出的第三代移动通信（3G）标准TD-SCDMA中就应用了SDMA技术。空分多址的原理如图1-5（d）所示。SDMA实现的核心技术是智能天线的应用，理想情况下它要求天线给每个用户分配一个点波束，这样根据用户的空间位置就可以区分每个用户的无线信号。换句话说，处于不同位置的用户可以在同一时间使用同一频率和同一码型，而不会相互干扰。实际上，SDMA通常都不是独立使用的，而是与其他多址方式(如FDMA、TDMA和CDMA等)结合使用。也就是说，对于处于同一波束内的不同用户再用这些多址方式加以区分。SDMA的优势是明显的：它可以提高天线增益，使得功率控制更加合理有效，显著地提升了系统容量；此外，一方面可以削弱来自外界的干扰，另一方面还可以降低对其他电子系统的干扰。SDMA实现的关键是智能天线技术，这也正是当前应用SDMA的难点。特别是对于移动用户，由于移动无线信道的复杂性，使得智能天线中关于多用户信号的动态捕获、识别与跟踪以及信道的辨识等算法极为复杂，从而对DSP（数字信号处理）提出了极高的要求，对于当前的技术水平是个严峻的挑战。所以，虽然人们对于智能天线的研究已经取得了不少鼓舞人心的进展，但由于存在上述一些目前难以克服的问题而未得到广泛应用。但可以预见，由于SDMA的诸多优点，SDMA的推广是必然的。图1-5多址方式示意图（a）FDMA的频段划分方法；(b)TDMA示意图；(c)FH－CDMA和DS－CDMA示意图；(d)空分多址示意图1.4移动通信系统的频段使用早期的移动通信主要使用VHF和UHF频段，其主要原因有以下三点:(1)VHF/UHF频段较适合移动通信。(2)天线较短，便于携带和移动。(3)抗干扰能力强。目前，大容量移动通信系统均使用800MHz频段(CDMA)，900MHz频段(AMPS、TACS、GSM)，并开始使用1800MHz频段(GSM1800)，该频段用于微蜂窝(Microcell)系统。“三频”就是包含3个工作频率，这三个工作频率就是GSM900Mhz、DCS1800Mhz以及PCS1900Mhz,PCS1900兆网，是北美地区（美国、加拿大）及欧洲国家通信网络领域普遍使用的网段allocationtableofradiofrequency第三代移动通信使用2000MHz,WLAN网使用2.4G及5.8G第三代移动通信的三种制式:CDMA2000，WCDMA,TD-SCDMACDMA2000，也称为CDMAMulti-Carrier，由美国高通北美公司为主导提出，韩国现在成为该标准的主导者。WCDMA，全称为WidebandCDMA，是欧洲提出的宽带CDMA技术，它与日本提出的宽带CDMA技术基本相同TD-SCDMA，TimeDivision-SynchronousCDMA(时分同步CDMA)，该标准是由中国大陆独自制定的3G标准1.5.2移动通信系统中不同多址方式的频谱效率在FDMA蜂窝系统中，1.频谱效率取决于每赫兹带宽信息比特率和频率复用系数。2.频率复用系数是表示相同频率是如何被复用的数目。3.载干比（C/Icarrier/interference）美国模拟蜂窝系统AMPS,调制效率为每30kHz一条话路。由于干扰，同一频率不能在每一小区中重复作用。为提供可靠的通话质量，载干比需要18dB或更高。根据推算和经验表明，在大多数情况下，这个C/I值需要在频率复用系数为1/7时才能达到。因此,得到的结论是：每个小区中必须占用210kHz的频谱才有一条话路。通过减小小区面积增加小区数，虽然从理论上能取得任意高的话路容量，但需要增加设备费用。此外，由于小区覆盖范围减小，也增加了基站间的切换次数。切换次数的增加将导致两个坏处：一是容易掉话；二是加重了交换机的负担。TDMA频谱效率的计算基本上和FDMA相同。由于目前被认可的频率复用准则和模拟系统相似，我们可以算出对于DAMPS，每个小区必须占用70kHz的频谱才有一条话路。换句话说，它的容量是模拟AMPS的三倍。同样可以算出，GSM的系统容量约是模拟TACS的两倍。CDMA频谱效率的算法和上面两种制式不大相同，因为上面两种制式每条话路占用的频谱宽度是一定的，只要频率复用系数一定，每个小区的话路容量就确定下来。而CDMA是通过不同的地址码来区分用户的，所有用户都共用一个频率。决定CDMA系统容量的主要参数有处理增益、所需的Eb/N0值、话音激活系数、频率复用效率和扇区数目等。而且即使上述参数都确定，容量还要受具体的地理环境、背景噪声和外部干扰等条件的影响。所以，在CDMA中，每条话路所需占用的频谱宽度是不确定的。通过试验和理论计算，IS-95CDMA的容量可达到AMPS的8至10倍，即每个小区中只占用20kHz的频谱就可有一条话路。目前的CDMA蜂窝系统实际上也都是FDMA和CDMA的组合。因为处在同一载频的CDMA用户共用同一频率，所以它的频率复用系数可以被看作是1，但由于受邻近小区中用户的干扰的影响，CDMA实际的频率复用系数应为2/3。CDMA系统的高容量很大一部分因素是由于它的频率复用系数远远超过其他制式的蜂窝系统，另外一个主要因素是它使用了话音激活技术。1.6其他常用技术移动通信系统需要利用信号处理技术来改进恶劣无线电传播环境中的链路性能。均衡、分集和信道编码这三种技术，可以用来改进小尺度时间、空间中接收信号的质量和链路性能。它们既可以单独使用，又可以组合使用。一：均衡技术1.均衡技术可以补偿时分信道中由于多径效应产生的符号间干扰（ISI）。如果调制带宽超过了无线信道的相干带宽，将会产生符号间干扰，并且调制脉冲将会产生时域扩展，从而进入相邻符号。而接收机的均衡器可对信道中的幅度和延迟进行补偿。由于无线信道的未知性和时变性，因此均衡器需要是自适应的。2.均衡技术中主要是均衡器，均衡器必须能够实时地跟踪移动通信信道的时变特性，因此这种均衡器又称为自适应均衡器。3.自适应均衡器一般包括两种工作模式，即训练模式和跟踪模式。其工作过程如下：发射机发射一个已知的、定长的训练序列，以便接收机中的均衡器可以调整到恰当的设计，使BER最小。典型的训练序列是一个二进制的伪随机信号或是一串预先指定的数据比特，而紧跟在训练序列之后被传送的是用户数据。接收机中的自适应均衡器将通过递归算法来评估信道特性，并且修正滤波器系数，以对多径造成的失真做出补偿。在设计训练序列时，要求做到即使在最差的信道条件下，均衡器也能通过这个序列获得恰当的滤波系数。这样就可以在训练序列执行完之后，使得均衡器的滤波系数已经接近最佳值。而在接收用户数据时，均衡器的自适应算法就可以跟踪不断变化的信道。这样处理的结果就是：自适应滤波器将不断改变其滤波特性。当均衡器得到很好的训练后，就说它已经收敛二.分集技术1.分集技术是另外一种用来补偿信道衰落的技术，它通常使用两个或多个接收天线来实现。演进中的3G通用空中接口也利用了发射分集技术，基站通过空间分开的天线或频率发送多份信号的副本。同均衡器一样，分集技术改善了无线通信链路的质量，而且不用改变通用空中接口或者增加发射功率或者带宽。1.6.22.分集的概念是：如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，那么另一条相对独立的路径中可能包含着较强的信号。因此，接收机可以在多径信号中选择两个或两个以上的信号进行合并，这样做的好处是它在接收机中的瞬时信噪比和平均信噪比都有所提高，并且通常可以提高20～30dB。分集技术是通过寻找无线传播环境中的独立（或至少是高度不相关的）多径信号来实现的。3.分集方案分为两种：一种称为“宏观分集方案”；另一种称为“微观分集方案”。宏观分集方案用于合并两个或多个长时限对数正态信号，这些信号是