4-移动通信的基本技术

移动通信技术—基本原理课程结构概述1移动通信的电波传输2移动通信的干扰和噪声3移动通信的基本技术4移动通信的组网技术54.1多址接入技术4.2语音编码技术4.3信道编码和交织技术4.4数字调制技术4.5常用的抗衰落、抗干扰技术4.移动通信的基本技术移动通信系统如何区分不同的用户、不同的基站呢对不同用户台和基站发出的信号赋予不同特征多址技术4.1多址接入技术频分多址FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）时分多址TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）码分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）空分多址SDMA（SpatialDivisionMultipleAccess）4.1多址接入技术FDMA：是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道，因此一个频道称为一个信道，不同的用户靠频率来区分。4.1多址接入技术特点：信号功率被集中起来传输，来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制。因此滤波器的选择性非常重要。代表：第一代模拟通信系统FDMAf=25kHzTDMA：是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，信号根据一定分配原则在预定的时隙（TS）中传输，因此一个时隙称为一个信道。4.1多址接入技术特点：移动台到基站的距离是随机的变化，到达基站的信号传输时延是不固定的，所以系统同步非常关键。代表：第二代蜂窝通信系统——GSM系统FDMA+TDMAf=200kHzTS0~TS7CDMA：每一移动台被分配一个彼此互不相关的随机的码序列，这种随机码满足正交或者准正交，因此每一个地址码称为一个信道。4.1多址接入技术特点：所有不同的移动台共占同一频率。代表：IS-95CDMA网络，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系统的优点：良好的多址能力，系统内不同用户（基站、信道等）占用相同的频率，靠彼此互不相关的地址码序列来区分采用扩频技术，良好的抗干扰、抗衰落能力系统容量大，由于是自扰系统，具备软容量能够实现软切换，减小掉话率发射功率小（扩频技术扩展了信号带宽，使信号的功率谱密度大大降低），绿色环保续航时间久由于采用扩频技术，安全性能高与窄带信号的兼容性好4.1多址接入技术GSM系统中MS语音信号处理过程移动台的语音信号处理过程目的为了提高数字信号的有效性以及使模拟信号数字化，并采用有效的编码方式及对信息数据率的压缩，力求以尽可能低的比特率传输与原信号质量相当的信号，这样就可以在有限的带宽范围内容纳更多的用户，提高系统容量。可行性通过算法和技术进行信号的重建。利用人耳对声音感知的生理特性来进一步压缩数据率。采用多种编码方式对数据率进行压缩。4.2移动通信系统中的信源编码实用语音编码技术波形编码：依据语音信号的时域波形来进行编码，其目的在于尽可能精确地再现原来的语音波形。（PCM、ΔM、SBC、ATC）声源（参量）编码：将语音信息用特定的声源模型表示。仅对语音特征参数进行编码传输因此比特率很低。声源编码的设备称为声码器，如LPC声码器、余弦声码器。混合编码：把波形编码的高质量和声码器的高效压缩性融为一体，尤其在16bit/s～8kbit/s范围内达到良好的语音质量。有线系统：脉冲编码调制（PCM）64kbit/sGSM：规则脉冲激励长期性预测（RPE-LTP）13kbit/sCDMA：码激励线性预测编码（CELP）8kbit/s4.2语音编码技术4.2语音编码技术GSM系统中MS语音信号处理过程移动台的语音信号处理过程信道编码的目的：提高数字信号的抗干扰、抗衰落能力，使在信道中传输的数字信号本身具有一定的误码判断能力或纠错能力，提高信号传输的可靠性。信源编码去除冗余成分实现数据压缩信道编码添加冗余成分改善链路的性能信道编码的种类：按纠错检错能力：检错码、纠错码、纠删码按检验关系：线性码和非线性码按约束关系：分组码与卷积码4.3信道编码和交织技术分组码：分组码的实现是将信息序列分组后再单独进行编码，任意码组的监督码元只与本码组的信息码元有关。卷积码：卷积码可以说是特殊的分组码，因为它的监督码元不仅与本组的信息码元有关，而且还与前若干组的信息码元有关。这种码的纠错能力强，不仅可纠正随机差错，而且可纠正突发差错。码元分组是信道编码的基本形式！！4.3信道编码和交织技术编码中的一些概念码字：一组码元，常称为码字(codeword)。码距：在两个码字之间相应的码位上有着不相同的码元的位数之和。约束长度：如果监督码组与前面的N个信息码组都有关系，则称约束长度为N。编码效率：k/nFEC：前向纠错4.3信道编码和交织技术实例：GSM系统的编码4.3信道编码和交织技术无线系统中常见的两类误码：随机性误码：它是单个码元错误，并且随机地发生，主要由噪声引起；突发性误码：长串连续的块状误码！！！主要是由于衰落或阴影造成的。祸不单行啊，怎么办4.3信道编码和交织技术GSM系统中MS语音信号处理过程移动台的语音信号处理过程4.3信道编码和交织技术MRCU原始信息：MOTOROLACELLULAR…OOELTLLAOALRMOTOROLACELLULARMOTOROLACELLULAR空中信息：MRCUOOELTLLAOALR…交织编码交织解码解码信息：MOTOROLACELLULAR…MRCUOOELTLLAOALR交织实例（无错）：MRCU原始信息：MOTOROLACELLULAR…OOELTLLAOALRMOTOROLACELLULARMOTOROLACELLULAR空中信息：MRCUOOELTLLAOALR…交织编码交织解码解码信息：MOTOROLACELLULAR…MRCUOOELTLLAOALR4.3信道编码和交织技术交织实例（出错）：GSM的交织（隐时间分集）4.3信道编码和交织技术GSM系统中MS语音信号处理过程移动台的语音信号处理过程数字移动通信中调制方式的选择需满足三大条件：可靠性：即抗干扰性能，选择具有低误比特率的调制方式，其功率谱密度集中于主瓣内；有效性：它主要体现在选取频谱有效的调制方式上，特别是多进制调制；工程上成本低且易于实现：它主要体现在恒包络与峰平比的性能上。4.4数字调制技术两种基带信号的符号数字通信的目的就是把数字信息，即0或1的信息如何准确而迅速地传输到对方。系统用语音编码、信道编码等技术把话音变换为0与1的二值信息。然后用相应的符号（波形）表示0与1。4.4数字调制技术基带信号与频带信号无线传输的基本：通过调制把基带信号能量的大部分转移到正弦高频分量上，以电波形式发射出去。信号的频谱分析一个脉冲波是多种频率不同正弦波的合成。用正弦波组合表示任意波形时。4.4数字调制技术4.4数字调制技术ASK频谱的形状a）基带信号的时间波形b）调制信号的频谱a）3dB等效带宽b)等效噪声带宽调制的原因及调制信号带宽的定义4.4数字调制技术数字调制恒定包络不恒定包络ASK（幅度键控）QAM（正交幅度）MQAMFSK（移频键控）PSK（移相键控非连续相位路径）CPM（连续相位调制）BFSKMFSKBPSKQPSKMPSKMSKGMSKTFM（平滑调频）OQPSKπ/4-QPSKDQPSKMASK基本的幅度、角度调制1011100基带信号2ASK2DPSK2PSK2FSK4.4数字调制技术01234567891011121314-12-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2-1Eb/N0(dB)BER2ASK2FSK2PSK采用理想的相干解调方式的误比特率4.4数字调制技术MSK与FSK对比4.4数字调制技术GMSK与MSK对比4.4数字调制技术数字相位调制QPSK与OQPSK需考虑的指标：频谱效率功率谱旁瓣相位跳变4.4数字调制技术正交振幅调制通过相位和振幅的联合控制，可以得到更高频谱效率的调制方式，从而可在限定的频带内传输更高速率的数据。这对于利用窄带实现高速数字传输是有效的。然而，这种方式容易受衰落的影响。4.4数字调制技术各数字调制方式的频带利用率及BER性能4.4数字调制技术CDMA系统使用的调制技术：IS-95CDMA系统:前向信道--BPSK反向信道--OQPSKCDMA20001X系统:前向信道--QPSK反向信道—OQPSKWCDMA系统前向信道—QPSK，以后引入16QAM反向信道--BPSK其他系统使用的调制方式：GSM系统：GMSKGPRS系统：GMSKEDGE系统：8PSK4.4数字调制技术GSM系统中MS语音信号处理过程移动台的语音信号处理过程1、分集接收的概念定义：利用多条传输相同信息且具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径，然后将这多个信号按一定的规则进行合并，使实际接收到的信号具有较大的能量、较小的电平起伏，以减小各种衰落对接收性能的影响，改善传输性能。分集接收包含有两重含义：分散传输：使接收端能够获得多个携带同一信息但统计独立的衰落信号；集中处理：即把接收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并（或选择），从而降低衰落的影响，改善系统的接收性能。4.5.1分集技术2、分集方式隐分集是指分集作用隐含在传输信号中，在接收端利用信号处理技术实现的分集。它包括交织编码技术，跳频技术，直扩技术等，一般用在数字移动通信系统中。显分集指的是构成明显分集信号的传输方式，多指利用多副天线接收信号的分集方式。按照分集的目的即为了减小慢衰落还是快衰落的影响，又把显分集分为宏（macroscopic）分集和微（microscopic）分集两种。4.5.1分集技术宏分集（多基站分集）：用于蜂窝通信克服慢衰落。慢衰落是由阴影区引起的，具体做法是把多个基站设置在不同的地理位置上和方向上，并同时和小区内的移动台进行通信。利用了在各个方向上的信号传播不同时出现严重慢衰落。4.5.1分集技术微分集是以减小即快衰落为目的，应用于各种无线通信系统。快衰落是由移动台附近地物的复杂反射引起的，通常导致小距离范围内信号的深度衰落。按照路径的选择方法不同，微分集又可分为空间分集、频率分集、时间分集、极化分集和角度分集等多种。4.5.1分集技术1）空间分集(spacediversity)理论依据：空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。具体做法：可采用一副发射天线，多副接收天线的方式。分集的支路数m为2~4重。天线间水平间隔效果远比垂直间隔好。通过统计分析和实际建设的环境决定接收天线间距d的选取。发射天线发射端接收天线1接收端分集接收d接收天线2接收天线………4.5.1分集技术2）极化分集(polarizationdiversity)理论依据：两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号具有不相关的衰落特性。具体实现：在发射端装上垂直/水平极化天线或45度极化天线，就可得到两路衰落特性不相关的信号。极化分集实际上是空间分集的特殊情况——分集支路只有两路且相互正交。特点：结构比较紧凑，采用双工器只需一副收发合一的天线。其缺点是通过电桥等器件将发射功率分配到两副天线上时有3dB的信号功率损失。4.5.1分集技术空间分集与极化分集的对比4.5.1分集技术3）角度分集(anglediversity)理论依据：由于地形地貌和建筑物等环境因素的影响，到达接收端的不同路径的信号可能来自于不同的方向（角度），这些信号具有不相关性。具体做法：在接收端采用定向天线，接收并合并信号。由于高频信号方向性强，角度分集在较高频率时更容易实现。角度分集实际上是空间分集的特殊情况。4.5.1分集技术4）频率分集(frequencydiversity)理论依据：相干带宽指的是频带最大带宽，在此带宽内，两个信号的传输系数的统计特性是强相关的，但当两个频率之间的间隔超