移动通信技术现状及分集技术的分析仿真-移动通信三级项目报告.doc

汕汕 头头 大大 学学 工工 学学 院院 三级项目报告 课程名称：课程名称： 移动通信技术_ 课程设计题目：课程设计题目： _移动通信技术现状及分集技术的分析仿真_ 指导教师：指导教师： 姜永权姜永权_ 系系 别：别： 电子工程系电子工程系 专专 业：业： 学学 号：号： 姓姓 名：名： _ 合合 作作 者：者：_ 完成时间：完成时间： 2012 年年 6 月月 9 日至日至 6 月月 15 日日 成绩：成绩： _ 评阅人：评阅人：_ 摘要摘要 本报告主要分析了移动通信技术的发展过程以及现状，包括1G、2G、2.5G 、2.75G和3G通信技术的工作原理以及关键技术、性能等。分析与仿真部分主要 移动通信系统中的分集技术的算法与实现。 关键词：移动通信，通信技术，分集技术，仿真。 1 1移动通信发展现状概述移动通信发展现状概述 当今的社会已经进入了一个信息化的社会，没有信息的传递和交流，人 们就无法适应现代化的快节奏的生活和工作。人们期望随时随地，及时可靠 ，不受时空限制地进行信息交流，提高工作的效率和经济效益。 移动通信可以说从无线电发明之日就产生了。1897年，马可尼所完成的 无线通信实验就是在固定站与一艘拖船之间进行的。而蜂窝移动通信的发展 是在二十世纪七十年代中期以后的事。移动通信综合利用了有线、无线的传 输方式，为人们提供了一种快速便捷的通讯手段。由于电子技术，尤其是半 导体，集成电路及计算机技术的发展，以及市场的推动，使物美价廉、轻便 可靠、性能优越的移动通信设备成为可能。现代的移动通信发展至今，主要 走过了两代，而第三代现在正处于紧张的研制阶段，部分厂家已经推出实验 产品。 随着社会、经济的发展，移动通信得到了越来越广泛的应用。在我国， 移动通信技术的起步虽晚，但是发展极其迅速。自从20世纪90年代以来，很 多国家对移动通信的需求量经历了指数级的增长，我国也不例外，而且这种 需求量还将持续下去。如今经济全球化与信息网络化的快速推进，现有的移 动网络已经很难满足移动业务发展的需要，为适应发展，对现有的移动通信 技术进行改进就越来越迫切，一方面要求尽可能丰富的移动业务满足移动用 户不断增长的业务需求；另一方面要求通过采用新技术，不断提高系统的容 量，以支持不断增长的移动用户的数量，移动通信技术正是在这两种需求的 驱动下不断发展的。 移动通信的发展历程经历了1G、2G、2.5G、2.75G和现今相对较成熟的3G通 信技术，已经使整个世界发生了翻天覆地的变化。下面分别对这几种通信技 术的工作原理和关键技术以及性能特点进行分析。 2 21G1G通信技术通信技术 1G通信技术即第一代移动通信技术，是指最初的模拟、仅限语音的蜂窝 电话标准，制定于上世纪80年代。Nordic移动电话（NMT）就是这样一种标 准，应用于 Nordic国家、东欧以及俄罗斯。其它还包括美国的高级移动电话系统（AMPS ），英国的总访问通信系统（TACS）以及日本的JTAGS，西德的 C- Netz，法国的Radiocom 2000和意大利的RTMI。 1G通信的关键技术是FDMA - 模拟技术和频分多址技术，属于区域性的移动通信，其技术特点是容量有限 、制式太多、互不兼容、保密性差、通话质量不高、不能提供数据业务和不 能提供自动漫游等。 FDMA是数据通信中的一种技术，即不同的用户分配在 时隙相同而频率不同的信道上。按照这种技术，把在频分多路传输系统中集 中控制的频段根据要求分配给用户。同固定分配系统相比，频分多址使通道 容量可根据要求动态地进行交换。 在FDMA系统中，分配给用户一个信道，即一对频谱，一个频谱用作前向信道 即基站向移动台方向的信道，另一个则用作反向信道即移动台向基站方向的 信道。这种通信系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号，任意 两个移动用户之间进行通信都必须经过基站的中转，因而必须同时占用2个 信道(2对频谱)才能实现双工通信。以往的模拟通信系统一律采用FDMA，频 分多址(FDMA)是采用调频的多址技术。业务信道在不同的频段分配给不同的 用户，如TACS系统、AMPS系统等。频分多址是把通信系统的总频段划分成若 干个等间隔的频道(也称信道)分配给不同的用户使用，这些频道互不交叠， 其宽度应能传输一路数字话音信息，而在相邻频道之间无明显的串扰。1G无 线系统在设计上只能传输语音流量，并受到网络容量的限制，该技术在世界 上基本已被淘汰。 FDMA (1G-第1代移动通信技术) 3 32G2G通信技术通信技术 为了解决由于采用不同模拟蜂窝系统造成互不兼容无法漫游服务的问题 ，1982年北欧四国向欧洲邮电行政大会提交了一份建议书，要求制定900MHz 频段的欧洲公共电信业务规范，建立全欧统一的蜂窝网移动通信系统。同年 成立了欧洲移动通信特别小组，简称GSM（Group Special Mobile）.第二代移动通信数字无线标准主要有：GSM，D-AMPS，PDC和IS- 95CDMA等。 与第一代模拟蜂窝移动通信相比,第二代移动通信系统采用了数字化,具 有保密性强,频谱利用率高,能提供丰富的业务,标准化程度高等特点,使得移 动通信得到了空前的发展,从过去的补充地位跃居通信的主导地位.我国目前 应用的第二代蜂窝系统为欧洲的GSM系统以及北美的窄带CDMA系统，网络运 营商运用的主要是GSM系统，现在中国联通的CDMA系统经过几年的发展也初 具规模。2G通信的关键技术在于数字语音传输技术，即GSM，特点是保密性 强、频谱利用率高、能提供丰富的业务、标准化程度高等。 31 时分多址（时分多址（TDMA）系统特性）系统特性 GSM系统采用时分多址（TDMA）技术，这种技术在频率时间关系上形成 一个矩阵，而每一信道对应于其频率时间矩阵上的一个点，在基站系统的控 制和分配下，可为任一移动用户提供电话或非话数据业务。 TDMA系统具有如下特性： 1）每载波多路。TDMA系统是一个时分复用系统，如GSM数字系统中每载 波含8个时隙，即8个业务信道。随着技术的发展，半速率业务信道的出 现使其设计能力还可翻一倍。 2）突发脉冲序列传输。移动台信号功率的发射是不连续的，仅在规定的时 隙内发射脉冲序列；或者说，在任何给定的瞬间，占有同一载频而进行 通话中的移动台仅有一台在发射信号。 3）传输速率和自适应均衡。TDMA系统中，如果每载波含有的时隙多，则 频率间隔宽，传输速率高。当码元持续时间与时延扩展量相当时，务必 采用自适应均衡技术。例如当GSM系统传输速率达271kbit/s时，二进制 射频数字调制方式码元宽度为3.7s。而城市移动通信的时延扩展通常 是3s，郊区为0.3s。随着小区半径扩大和地形地物等因素还有可能 增大时延扩展量，因此在GSM系统中采用了自适应均衡器，以获得16s 的抗时延扩展能力。 4）传输开销大。TDMA系统分成时隙传输，使得收信机在每一突发脉冲序 列上都需要重新获得同步。同时，为了把一个时隙和另一个时隙分开， 防护时间也是必须的，因此，TDMA系统通常比FDMA系统需要更多的 传输开销。 5）先进的开放的技术规范。许多改进可以通过改变软件的方式实现，对于 昂贵的无线设备只有很小的影响。例如话音编码算法的改进而降低比特 率时，TDMA系统的信道更容易重新配置以接纳新技术。另外，如GSM 技术规范采用开放互联模式，对于不同供货厂商的互联互通有共同的制 约因素，有利于形成一种既竞争又互相促进的机制。这也是GSM系统能 够迅速在全球扩展的一个重要原因。 6）共用设备的成本低。由于每一载波可为多个用户提供业务，所以TDMA 系统共用设备的每用户平均成本与FDMA系统相比是大大地降低了。 7）有利于大规模集成。由于TDMA系统移动台的收发是在各自不同的时隙 内进行的，因此可以不使用双工器，既节约了成本，又减小了体积。而 大量和复杂的数字信号处理又刺激了大规模集成电路的发展。从而再次 促使了移动台制造成本的降低。 3.2 码分多址（码分多址（CDMA）系统特性）系统特性 （一）（一）CDMA系统一般原理系统一般原理 码分多址接续的基础是使用一组正交（或准正交）的伪随机噪声（PN） 序列（简称伪码）通过相关处理实现多用户共享频率资源和同时入网接续的 功能。 码分多址采用扩频技术。扩频技术的概念就是把原始信息的带宽变换成 带宽宽得多的类噪声信号。 扩频的含义是：假定一基带数据流的速率是Rb bit/s，发信系统将此数据变换为Bc带宽的传输信号。若BcRb（通常达2 3个数量级），且扩展编码序列与原始信号不相关，则认为信号获得了频谱 扩散。 接收机输入端的载干比为： （31） b c o b c b o b R B I E B R I E I C 在FDMA或TDMA系统中，RbBc，Eb/Io总是大于1，因此C/I1为正的分 贝数。而在CDMA系统中，BcRb。因此C/I0.5; data2=2.*data1-1; %* Attenuation Calculation * %* rayleigh channel * code_rate=1; E=1; sigma=E/sqrt(2*SNR*code_rate); n =randn(1,nd) + j*randn(1,nd); h1 =1/sqrt(2)*randn(1,nd) + j*randn(1,nd); % Rayleigh channel data41=data2.*h1+sigma.*n; h11=conj(h1)./abs(h1); %注释： data411 = data41.*h11; %注释： %* n =randn(1,nd) + j*randn(1,nd); h2 =1/sqrt(2)*randn(1,nd) + j*randn(1,nd); % Rayleigh channel data42=data2.*h2+sigma.*n; h22=conj(h2)./abs(h2); data422 =data42.*h22; %* data4=data411+data422; %注释： %* BPSK Demodulation * demodata1=data4 0; %* Bit Error Rate (BER) * noe2=sum(abs(data1-demodata1); nod2=length(data1); noe=noe+noe2; nod=nod+nod2; end %* Output result * ber1(snr_num) = noe/nod end; %* end of file * figure; semilogy(snr_in_dB,ber1,O-); hold on semilogy(snr_in_dB,0.5*erfc(sqrt(2*10.(snr_in_dB/10)/sqrt(2),+-); hold on semilogy(snr_in_dB,0.5.*(1-sqrt(10.(snr_in_dB/10)./(10.(snr_in_dB/10)+1),-); ylabel(BER); xlabel(E_b/N_0 dB); legend(simulation BPSK EGC L=2,theory gngauss BPSK,theory reyleigh ); grid on; 图7.2如下： % bpsk.m % Simulation program to realize BPSK transmission system %* Preparation part * nd = 10000; % Number of symbols that simulates in each loop snr_in_dB=0:15 ; ber=zeros(1,length(snr_in_dB); for snr_num=1:length(snr_in_dB) SNR=exp(snr_in_dB(snr_num)*log(10)/10); %* START CALCULATION * nloop=100; % Number of simulation loops noe = 0; % Number of error data nod = 0; % Number of transmitted data for iii=1:nloop %* Data generation * data1=rand(1,nd)0.5; data2=2.*data1-1; %* Attenuation Calculation * %* rayleigh channel * code_rate=1; E=1; sigma=E/sqrt(2*SNR*code_rate); n =randn(1,nd) + j*randn(1,nd); h1 =1/sqrt(2)*randn(1,nd) + j*randn(1,nd); % Rayleigh channel data41=data2.*h1+sigma.*n; h11=conj(h1); %注释： data411 = data41.*h11; %注释： %* n =randn(1,nd) + j*randn(1,nd); h2 =1/sqrt(2)*randn(1,nd) + j*randn(1,nd); % Rayleigh channel data42=data2.*h2+sigma.*n; h22=conj(h2); data422 =data42.*h22; %* data4=data411+data422;% 注释： %* BPSK Demodulation * demodata1=data4 0; %* Bit Error Rate (BER) * noe2=sum(abs(data1-demodata1); nod2=length(data1); noe=noe+noe2; nod=nod+nod2; end %* Output result * ber(snr_num) = noe/nod end; %* end of file * figure; semilogy(snr_in_dB,ber,O-); hold on semilogy(snr_in_dB,0.5*erfc(sqrt(2*10.(snr_in_dB/10)/sqrt(2),+-); hold on semilogy(snr_in_dB,0.5.*(1-sqrt(10.(snr_in_dB/10)./(10.(snr_in_dB/10)+1),-); ylabel(BER); xlabel(E_b/N_0 dB); legend(simulation BPSK MRC L=2,theory gngauss BPSK,theory reyleigh ); grid on; 图7.3如下： % close all; % clear all; % clc snr_in_dB=0:15; for k=1:length(snr_in_dB) N=10000; E=1; SNR=10(snr_in_dB(k)/10); sigma=E/sqrt(2*SNR); for i=1:N a=rand; if(a0.5 b=1; else b=-1; end h1=randn; h2=randn; n1=randn; n2=randn; s1=snr*abs(h1)*b+n1*h1/abs(h1); s2=snr*abs(h2)*b+n2*h2/abs(h2); S=s1+s2; if S0; z=1; else z=-1; end if z=b err=err+1; end end ber=err/10000 我们把A依次输入1到15，可以得到15个运行结果，利用以下程序可以画出曲线图： x=1:1:15; y=0.1553,0.1478,0.1316,0.1295,0.1166,0.1074,0.0941,0.0896,0.0863,0.0777,0.0733,0.0586,0.05 51,0.0523,0.0489; semilogy(x,y) 图7.6如下： 4根接收天线时 A=1; err=0; snr=sqrt(10(A/20); for k=1:10000 s=rand; if s0.5 b=1; else b=-1; end h1=randn; h2=randn; h3=randn; h4=randn; n1=randn; n2=randn; n3=randn; n4=randn; s1=snr*abs(h1)*b+n1*h1/abs(h1); s2=snr*abs(h2)*b+n2*h2/abs(h2); s3=snr*abs(h3)*b+n3*h3/abs(h3); s4=snr*abs(h4)*b+n4*h4/abs(h4); S=s1+s2+s3+s4; if S0; z=1; else z=-1; end if z=b err=err+1; end end ber=err/10000 我们把A依次输入1到15，可以得到15个运行结果，利用以下程序可以画出曲线图： x=1:1:1