3G移动通信系统概述――第1章 移动通信概述

第1章移动通信概述1.1移动通信发展历史1.2蜂窝移动通信的基本概念1.3无线传播环境1.4移动通信的信号传输处理技术1.5扩频技术本章内容移动通信发展历史蜂窝移动通信的基本概念无线传播环境移动通信的信号传输处理技术扩频技术本章重点蜂窝移动通信的基本概念无线传播环境移动通信的信号传输处理技术扩频技术学习本章目的和要求了解移动通信发展历史熟悉蜂窝移动通信的基本概念了解无线传播环境了解移动通信的信号传输处理技术和扩频技术1.1移动通信发展历史1．公用汽车电话2．第一代模拟蜂窝移动通信3．第二代数字蜂窝移动通信（1）GSM（2）IS-95CDMA4．第三代蜂窝移动通信系统及其标准化表1-1ITU-R对第三代移动通信的基本要求双工方式应用情景FDD系统TDD系统地面高速移动终端500km/h的移动速度下提供144kbit/s的数据传输速率终端120km/h的移动速度下提供144kbit/s的数据速率地面中、低速移动终端中、低速的移动速度下提供384kbit/s的数据传输速率终端中、低速的移动速度下提供384kbit/s的数据速率地面步行、室内固定用户终端步行的移动速度或固定不移动提供2Mbit/s的数据传送速率终端步行的移动速度或固定不移动提供2Mbit/s的数据传送速率其中，基于CDMA技术的有：（1）IMT－2000CDMADS，对应WCDMA；（2）IMT－2000CDMAMC，对应CDMA2000；（3）IMT－2000CDMATDD，对应TD-SCDMA。基于TDMA技术的有：（1）IMT－2000TDMASC，对应UWC136；（2）IMT－2000TDMAMC，对应DECT。图1-1IMT-2000地面无线接口标准表1-2三种主流3G标准的比较CDMA2000WCDMATD-SCDMA载频带宽频率对，1.25/3.75MHz频率对，5MHz单频段，1.6MHz多址方式DS-CDMA/MC-CDMADS-CDMATDMA/DS-CDMA频率重用率111码片速率1.2288/3.6864Mchip/s3.84Mchip/s1.28Mchip/s信道编码卷积码，Turbo码卷积码，Turbo码卷积码，Turbo码扩频码Walsh码，伪随机码OVSFOVSF物理层扩频因子4-2564-2561，2，4，8，16调制方式下行：QPSK，上行：BPSK下行：QPSK，上行：HPSKQPSK，8-PSK（可选）帧长20ms10ms10ms（分为两个子帧）每帧时隙数不分时隙157（6个业务时隙）最大数据速率（理论值）2.4Mbit/s（1xEV-DO）2Mbit/s2Mbit/s功率控制开环功控，快速闭环功控（800Hz）开环功控，快速闭环功控（1600Hz）开环功控，快速闭环功控（200Hz）接收机RakeRake联合检测（移动台：Rake）基站间同步GPS同步异步同步图1-23G标准演进图如图1-2所示，目前对于3G的每个标准都有一套方案将2G网络升级到3G，并且尽力满足前、后向兼容，演进路线如下：（1）向CDMA2000可能的演进路线是IS-95（或CDMAOne）→CDMA20001x（CDMA2000单载波系统）→CDMA20003x（CDMA2000三载波系统）；（2）向WCDMA可能的演进路线是GSM→GPRS（→EDGE）→WCDMA，并且为了进一步强化系统，实现更高的数据速率，在WCDMAR5规范中推出HSDPA作为未来的演进方向；（3）向TD-SCDMA的演进路线尚不明朗，可能基于GSM网、MAP网实现平滑过渡，同时也兼容ANSI-41向3G过渡。1.2蜂窝移动通信的基本概念1.2.1频率复用1.2.2小区分裂1.2.3越区切换蜂窝移动通信网络以小功率发射机来覆盖较小区域，这样的小区域称为蜂窝的小区（Cell），如图1-3所示，以许多小区拼合覆盖整个服务区。图1-3蜂窝移动通信网络系统图例1.2.1频率复用图1-4蜂窝频率复用思想图解1.2.2小区分裂一般说，小区越小（频率组不变），单位面积可容纳的用户数越多，即系统的频率利用率越高。由此可以设想，当用户数增加并达到每个小区所能提供服务的最大数量时，如果把小区分割成更小的蜂窝状区域，并使用相同的频率复用模式，那么分裂后的新小区能支持和原小区同样数量的用户，也就提高了系统单位面积可服务的用户数。而且一旦新的小区所能支持的用户数量又达到饱和，还可将这些小区进一步分裂，以适应持续增长的业务需求，这种过程称为小区分裂，是蜂窝移动系统在运行过程中为适应用户数持续增长而逐步提高其容量的独特方式。1.2.3越区切换越区切换（handover）是蜂窝移动通信系统的另一关键技术。将服务区域划分成小区所带来的一个很自然的问题是并非所有的移动中通话都能在单个小区内完成，例如，一辆快速行驶的汽车在一次通话中可能通过若干小区。移动台在小区范围内以所分配频率与基站建立无线链路，通过基站连接到移动交换中心，然后再连接到有线电话用户或其他小区的移动用户。当移动台从一个小区进入相邻小区时，由于工作频率和接续服务改变，需要在通话过程中将移动台的工作频率和接续控制自其离开的小区交换给正在进入的小区，这个过程就称为越区切换。1.3无线传播环境1.3.1电磁波的基本传播机制1.3.2移动无线信道基站天线与移动终端天线之间的传播路径，称为无线移动信道，如图1-5所示。图1-5无线移动信道基站与移动终端之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物（如建筑物、山脉、树叶等）。因而，无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性，特别难以分析。无线移动信道是制约通信质量的主要因素，也是研究各种技术的主要推动力。移动信道的建模对于整个移动通信系统仿真的正确性和可靠性具有举足轻重的意义。无线信道按视距分可分为视距信道和非视距信道。视距信道认为信号主要是直射传播，即存在可视分量（LOS），如卫星传播。而非视距信道是由非直射传播（NLOS）所引起的，非直射传播包括信号的地面绕射、对流层散射和反射。1.3.1电磁波的基本传播机制电磁波传播的机制是多种多样的，但总体上可以归结为直射、反射、绕射和散射，如图1-6和图1-7所示。下面简要介绍这4种机制。图1-6电磁波的直射、反射、散射图1-7电磁波的绕射1.3.2移动无线信道由于地理环境的复杂多样性、用户移动的随机性以及多径传播，移动通信系统的信道十分复杂。人们通过长期的实际观测和理论分析，建立了基站与移动台间的无线信道的统计模型。对传播模型的研究，传统上集中于预测给定范围内平均接收场强和估计特定位置附近场强的变化。大尺度传播模型用于预测平均场强，估计无线覆盖范围，描述的是发射机与接收机之间（Y-R）长距离（几百米或几千米）上的场强变化。小尺度衰落模型用于描述短距离（几个波长）或短时间（秒级内的）接收场强的快速波动。大尺度衰落表征了由于移动台经过较大距离的运动而引起的平均接收信号功率衰减或者说损耗。受发射机与接收机之间的显著地形特征影响（如小山丘、森林、广告牌、建筑群等），接收信号幅度缓慢变化，即平均接收信号场强中值在长时间内的缓慢变化，因此大尺度衰落也称为慢衰落。1．大尺度衰落大尺度衰落主要受路径损耗和阴影衰落的影响。路径损耗指电波在自由空间内的传播损耗，单位为dB的正值，定义为有效发射功率和接收功率之间的差值，可以包括也可以不包括天线增益。包括天线增益时，自由空间路径损耗为ttr22r(dB)10lg10lg[]4πPGGPLPd不包括天线增益时，设定天线具有单位增益，路径损耗为2t22r(dB)10lg10lg[]4πPPLPd移动台在移动时，除了接收信号场强中值随位置和时间发生慢衰落，信号振幅在数个波长以内还有迅速变化，这种衰落称为小尺度衰落。其导致在短距离（几个波长）或短时间（秒级）内，接收端信号幅度和相位急剧变化，接收信号的场强快速波动，变化范围可达数十dB。导致小尺度衰落有两种机理：一种是信号多径传播造成的，一种是多普勒效应引起的。2．小尺度衰落1.4移动通信的信号传输处理技术1.4.1信源编码（语音编码）1.4.2信道编码（卷积编码、Turbo编码）1.4.3交织技术1.4.4调制技术图1-9所示为数字移动通信系统的基本组成框图。表示信号由信源到信宿经过的各种处理，信源输出信息经由信源编码、信道编码及调制后发出，经由无线信道被接收端接收，再经过解调及信道解码、信源解码还原为原始信息。图1-8数字移动通信系统的基本组成1.4.1信源编码（语音编码）在移动通信系统中，只有在低速率语音编码情况下，数字调制方案才有助于提高语音业务的频谱效率。为了使语音编码有实用性，语音编码需要满足以下几点要求：（1）编码速率低，语音质量好；（2）抗噪声干扰和抗误码的能力强；（3）编译码延时小；（4）编译码器复杂度低，便于大规模集成；（5）功耗小，以便应用于手持机。1.4.2信道编码（卷积编码、Turbo编码）图1-9纠错码分类卷积码用于误码率（BER）=10−3级别的业务，如传统语音业务。卷积编码中，本组的编码不仅与当前输入的k个信息有关，而且还与前m个时刻的输入信息有关，与分组码有很大不同。卷积码的纠错能力随着m的增加而增加，而差错率随着m的增加而指数下降。在编码效率与设备复杂性相同的前提下，卷积码的性能优于分组码，因此成为扩频码分多址系统广泛采用的纠错方案。1．卷积码Turbo码用于误码率（BER）=10−3～10−6的业务中，它由两个递归系统卷积码（RSC码）和一个交织器构成。Turbo码译码器是一类具有反馈结构的伪随机译码器，利用两个子译码器之间信息的往复递归调用，来加强后验概率对数似然比，提高判决可靠性，这种算法也被称为MAP算法。2．Turbo码Turbo译码器是一种流水线结构，由于交织器的存在，两个递归系统卷积码的子编码器的输出不具有相关性，从而可以互相利用对方提供的先验信息（extrinsicinformation），通过反复迭代而获得优越的译码性能。Turbo译码每次先要输入一个数据块，然后逐位译出数据。和其他信道编码方案相比，Turbo码的性能有两大特点：一是随着迭代次数的增加，误码率迅速减小，同时误码率下降的速度变缓；二是随着信噪比的增加误码率逐渐减小，当信噪比增加到一定程度时，误码率下降变缓，即所谓的地板（floor）效应。另外Turbo码计算量大，译码算法相对复杂；交织和级联译码使其具有较大的译码时延，这限制了它在某些对时延要求较高的通信系统中的应用。1.4.3交织技术交织技术是为了抵抗无线信道的噪声以及衰落的影响而采取的时间分集技术，它在接收技术中具有重要的作用。我们在编码过程中采用交织算法是为了对信息流进行纠错控制。在移动通信中，选择合适的纠错控制算法既要考虑可能发生的错误数，又要考虑错误在数据中的分布。众所周知，大多数错误的产生既不是随机无关，也不是明确的单个突发。交织技术正是把一个较长的突发差错离散成随机差错，再利用纠正随机差错的编码技术消除随机差错，降低对码组设计的要求。采用交织技术使成群错误趋向更随机的分布，改善了码组的误码率性能。研究结果表明，交织技术在移动通信中的应用使纠错和检错都获得了进一步改善。图1-10所示为交织原理示意图。交织就是用某种一一对应的确定性方法重新排列二进制和非二进制序列的顺序的过程。它的逆过程——解交织是将交织后的序列还原回原来的顺序。在发送某个序列的符号以前，来自若干个码字的符号被交织。然后当一个错误突发出现时，这些错误被分散在若干被交织的码字上，这样只需一个相对简单的编译码方案就可还原原来的符号序列。图1-10交织原理示意图在通信技术的应用中，交织一般与纠错技术结合使用。交织在时间上把码字分离开来，降低信道的记忆（关联）程度。WCDMA基带处理流程中用到三种交织类型，即帧间交织、帧内交织、Turbo编码的内部交织。1.4.4调制技术图1-11数字调制技术1.5扩频技术1.5.1扩频通信概述1.5.2扩频通信系统的种类1.5.3扩