3.2移动通信中的主要技术

1、第3章 移动通信系统 内容概要 3.1 移动通信简介 3.2 移动通信中的主要技术 3.3 蜂窝移动系统的组网技术 3.4 GSM蜂窝移动通信系统 3.5 GPRS系统 3.6 CDMA系统 3.7 第三代移动通信系统 3.8 第四代移动通信系统 3.2 移动通信中的主要技术 主要内容：主要内容： 3.2.1 多址接入技术多址接入技术 3.2.2 无线传输技术无线传输技术 3.2.1 多址接入技术 在移动通信中两个最核心的问题是如何克服信道与用户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。上一节着重分析了移动通信特点中信带来的两重动态特性。上一节着重分析了移动通信特点

2、中信 道的动态性，这一章节讨论用户动态性及其带来的一系列问道的动态性，这一章节讨论用户动态性及其带来的一系列问 题。题。 移动通信与固定式有线通信的最大差异在于移动通信与固定式有线通信的最大差异在于固定通信固定通信是是 静态静态的，而的，而移动通信移动通信是是动态动态的。为了满足多个移动用户同时的。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：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。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

3、技术来实现码分多址技术来实现码分多址CDMACDMA。 多址技术的基本概念 所谓所谓多址技术就是使多个用户接入并共享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同一个无线通信信道, , 以提高频谱利用率的技以提高频谱利用率的技 术。术。即把同一个无线信道按照时间、频率等进即把同一个无线信道按照时间、频率等进 行分割行分割, , 使不同的用户都能够在不同的分割段使不同的用户都能够在不同的分割段 中使用这一信道中使用这一信道, , 而又不会明显地感觉到他人而又不会明显地感觉到他人 的存在的存在, , 就好像自己在专用这一信道一样就好像自己在专用这一信道一样。占。占 用用不同的分割段就像是拥

4、有了不同的地址不同的分割段就像是拥有了不同的地址, , 使使 用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地 址。这就是多址技术址。这就是多址技术, , 亦称亦称多址接入技术多址接入技术。 多址技术的分类 多址技术可分为三类：多址技术可分为三类： 频分多址（频分多址（FDMAFDMA，Frequency Division Frequency Division Multiple AccessMultiple Access） 时分多址（时分多址（TDMATDMA，Time Division Multiple Time Division Multiple Acces

5、sAccess） 码分多址（码分多址（CDMACDMA，Code Division Multiple Code Division Multiple AccessAccess） 多址接入技术 多址划分从原理上看与固定通信中的信号多路复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用是一样的，实质上都属于信号的正交划分与设计 技术。技术。不同点不同点是多路复用的目的是区别多个通路，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同的用户地

6、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。之间互不干扰，信号之间必须满足正交特性。 FDMA FDMAFDMA: : 称为频分多址，即每个用户占用一个称为频分多址，即每个用户占用一个频道，其频道，其原理图如下：原理图如下： 理论上划分：理论上划分： 实际上的划分：实际上的划分： 图图. . 频分多址原理图频分多址原理图 在移动通信中最典型的频分多址方式有：北美：在移动通信中最典型的频分多址方式有：北美：800MHz800MHz的的AMPSAMPS体制；欧体制；欧 洲与我国

7、：洲与我国：900MHz900MHz的的TACSTACS体制。体制。 f F1 F2 Fn f F1F2Fn F1F2 Fn FDMA 第第一代移动通信是模拟式移动通信，都采用频分多址一代移动通信是模拟式移动通信，都采用频分多址FDMAFDMA方式，方式， 最典型的有北美的最典型的有北美的AMPSAMPS和欧洲及我国的和欧洲及我国的TACSTACS体制。下面以体制。下面以TACSTACS为为 例讨论例讨论FDMAFDMA方式方式： TACS多址划分多址划分 控制信道控制信道 890MHz915MHz935MHz960MHz 45MHz 上行（移动台至基站）下行（基站至移动台） 1 2 1000

8、 1 2 1000 25KHz25KHz FDMA FDMAFDMA的主要特点：的主要特点： 比较简单、容易实现，适用于模拟和数字比较简单、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以频道分离用户地址，每一频道传输一个模拟/ /数字话数字话 路路 对功控要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置对功控要求不严，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

9、工作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不宜在大容量的系统中使用 TDMA TDMATDMA: :时分多址，其时分多址，其原理图如下：原理图如下： 从理论上划分：从理论上划分： 实际上划分：实际上划分： 图图. . 时分多址原理图时分多址原理图 在移动通信中最典型的时分多址方式有：北美：在移动通信中最典型的时分多址方式有：北美：D-AMPSD-AMPS；欧洲与我国：；欧洲与我国：GSM-900GSM-900、DCS-1800DCS-1800、 phsphs；日本：日本：PDCPDC。 t T1 T2 Tn t T2Tn T1T2 Tn T1 TDMA 第二代移动通信是

10、数字式移动通信，它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多数国家采用的时分多址TDMATDMA方式，另方式，另 一类是北美等采用的码分多址一类是北美等采用的码分多址CDMACDMA方式，方式， 我国两类方式都有。这里先介绍最典型我国两类方式都有。这里先介绍最典型 的的TDMATDMA方式方式GSMGSM体制。体制。 TDMA 在在GSM中最多可以八个用户共享一个载波，而用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。户之间则采用不同时隙来传送自己的信号。GSM 一个一个TDM

11、A帧的结构图如下所示。帧的结构图如下所示。 GSM系统一个系统一个TDMA帧的结构帧的结构 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 TDMA TDMA的主要技术特点：的主要技术特点： 每每载波载波8 8个时隙信道，每个信道可提供一个数字话音个时隙信道，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用户，因此每个载波最多可提供8 8个用户。个用户。 突发脉冲序列传输。每个移动台发射是不连续的，只突发脉冲序列传输。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。是在规定的时隙内才发送脉冲序列。 传输开销大，传输开销大，GSMGSM的的TDMA

12、TDMA帧层次结构如帧层次结构如图所图所示，共分示，共分 为五个层次：时隙、为五个层次：时隙、TDMATDMA帧、复帧、超帧、超高帧，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。销就比较大，以致影响整体传输效率。 TDMA 012 2 0 4 7 012 5 0 01 2 5 012 2 5012 5 0 12305674 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 I

13、I T D M A 帧 四 类 时 隙 (突 发 ) 1 2 3 4 图图. GSM五层次帧结构五层次帧结构 TDMA GSM每个信道比每个信道比TACS宽宽8倍，传输速率达倍，传输速率达270.8Kbps，在，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的码元周期为的码元周期为3.7us，而繁华城区的多径时延扩展可，而繁华城区的多径时延扩展可 达达3us左右，已完全可以比拟。为了克服多径时延扩展，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。采用了自适应均衡技术，增加了设备的复

14、杂性。 GSM中由于每个载波可提供中由于每个载波可提供8个用户，这个用户，这8个用户由于时个用户由于时 分特性可以共用一套收、发设备，因此与分特性可以共用一套收、发设备，因此与 FDMA比较，比较， 减少了七倍的用户设备，降低了成本。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开放是指对新技术适应性比模拟的FDMA强。强。GSM的时的时 隙结构灵活，不仅可以适应不同数据速率隙结构灵活，不仅可以适应不同数据速率(一般指单个信一般指单个信 道速率低于道速率低于8倍的整数倍倍的整数倍

15、)的数据传送，还可以利用时隙的的数据传送，还可以利用时隙的 空闲省去双工器空闲省去双工器(利用时隙间切换利用时隙间切换)。 CDMA 它是第二代移动通信中的两种主要多址方它是第二代移动通信中的两种主要多址方 式中除式中除TDMA以外的另一种形式，最典型以外的另一种形式，最典型 的是的是IS-95。在第三代移动通信中，五种体。在第三代移动通信中，五种体 制中最主要的三种也是采用制中最主要的三种也是采用CDMA，它们，它们 是是FDD的的CDMA2000、FDD的的WCDMA， 与与TDD的的TD-SCDMA。 CDMA CDMA系统主要特点：系统主要特点： 每个基站只需一个射频系统每个基站只需一

16、个射频系统 小区内以小区内以CDMACDMA建立信道连接建立信道连接 每个码传输一路数字信号每个码传输一路数字信号 各用户共享频率和时间各用户共享频率和时间 是一个多址干扰受限系统是一个多址干扰受限系统 需要相当严格的功率控制需要相当严格的功率控制 需要定时同步需要定时同步 具有软容量具有软容量 具有软切换能力具有软切换能力 语音激活技术可扩大系统容量语音激活技术可扩大系统容量 抗衰落、抗多径能力强抗衰落、抗多径能力强 SDMA SDMA: Space Division Multiple Access空分复用接入，其其 原理图如下：原理图如下： 图图 空分多址原理图空分多址原理图 空分地址的实

17、现是利用无线的方向性波束，将服务区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 线可以看作是线可以看作是SDMA的一种基本实现方式。智能式自适应天线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。分方式。 SDMA 空分多址（空分多址（SDMASDMA）是一种新发展的多址技术，在由中）是一种新发展的多址技术，在由中 国提出的第三代移动通信标准国提出的第三代移动通

18、信标准TDTDSCDMASCDMA中就应用了中就应用了 SDMASDMA技术。技术。 应用应用SDMASDMA的优势是明显的：它可以提高天线增益，使的优势是明显的：它可以提高天线增益，使 得功率控制更加合理有效，显著地提升系统容量；此得功率控制更加合理有效，显著地提升系统容量；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降低对其他电子系统的干扰。 SDMASDMA实现的关键是智能天线技术，这也正是当前应用实现的关键是智能天线技术，这也正是当前应用 SDMASDMA的难点。特别是对于移动用户，由于移动无线信的难点。特别

19、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，捕获、识别与跟踪以及信道的辨识等算法极为复杂， 从而对从而对DSPDSP（数字信号处理）提出了极高的（数字信号处理）提出了极高的要求。要求。 OFDMA OFDMAOFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Orthogonal Frequency Division Multiple AccessAccess，正交频分多址）是第四代移动通信的核心技术，正交频分多址）是第四代移动通

20、信的核心技术， 典型代表是典型代表是LTELTE、WiMaxWiMax等移动通信体制。学术界与工业等移动通信体制。学术界与工业 界主流观点认为，只有界主流观点认为，只有OFDMAOFDMA才能够满足才能够满足ITUITU第四代移动第四代移动 通信标准通信标准IMT-AdvancedIMT-Advanced的技术要求。的技术要求。 OFDMAOFDMA系统中，整个信道带宽被划分为多个正交的子载系统中，整个信道带宽被划分为多个正交的子载 波，每个用户分配不同的子载波组用于承载业务数据。波，每个用户分配不同的子载波组用于承载业务数据。 一般的，一般的，OFDMAOFDMA的子载波映射方式有三种，集中

21、映射、的子载波映射方式有三种，集中映射、 分布映射与随机映射。分布映射与随机映射。 OFDMA 分布式映射将子载波划分为多组，每组子载波分别映射分布式映射将子载波划分为多组，每组子载波分别映射 为不同用户，因此每个用户的子载波均匀分布在整个信为不同用户，因此每个用户的子载波均匀分布在整个信 号带宽中；号带宽中； 集中映射则将一组连续子载波分配给同一个用户，因此集中映射则将一组连续子载波分配给同一个用户，因此 每个用户的信号在整个带宽中集中分布；每个用户的信号在整个带宽中集中分布； 随机映射按照某种随机规则，在系统可用子载波集合中，随机映射按照某种随机规则，在系统可用子载波集合中， 对用户的子载

22、波进行随机分配，因此用户信号随机分布对用户的子载波进行随机分配，因此用户信号随机分布 在整个带宽中。在整个带宽中。 OFDMA 这三种映射方式中，随机映射和分布式映射由于这三种映射方式中，随机映射和分布式映射由于 用户信号分布于整个系统带宽，因此能够获得频用户信号分布于整个系统带宽，因此能够获得频 率分集增益，性能要优于集中映射。率分集增益，性能要优于集中映射。 但后者实现简单，并且通过上层调度，可以弥补但后者实现简单，并且通过上层调度，可以弥补 分集增益的损失，因此实际的分集增益的损失，因此实际的LTELTE、WiMaxWiMax系统中，系统中， 主要采用集中映射方式。主要采用集中映射方式。

23、 OFDMA OFDMA OFDMA系统的主要干扰是相邻小区的同频干扰系统的主要干扰是相邻小区的同频干扰 (共道干扰共道干扰)。为了抑制同频干扰，小区间干扰协。为了抑制同频干扰，小区间干扰协 调是调是OFDMA系统的关键技术之一。系统的关键技术之一。 另外，同步技术、峰平比抑制技术、分组调度以另外，同步技术、峰平比抑制技术、分组调度以 及信道估计等，也都是及信道估计等，也都是OFDMA的核心技术，尤的核心技术，尤 其是其是MIMO技术与技术与OFDMA技术的组合技术的组合，已经成，已经成 为第四代移动通信体制的基石。为第四代移动通信体制的基石。 OFDMA OFDMA系统的容量既不同于系统的容

24、量既不同于CDMA的软容量，的软容量， 也不同于传统的也不同于传统的FDMA、TDMA的硬容量，可以的硬容量，可以 称之为动态容量。称之为动态容量。 由于现代信号处理与跨层优化技术的应用，物理由于现代信号处理与跨层优化技术的应用，物理 层的链路自适应与层的链路自适应与MAC层的分组调度技术相结合，层的分组调度技术相结合， 能够根据信道状态为能够根据信道状态为OFDMA用户动态分配无线用户动态分配无线 资源，自适应调整链路速率，从而有效提高了系资源，自适应调整链路速率，从而有效提高了系 统容量。统容量。 3.2.2 无线传输技术 1 1、调制技术、调制技术 调制：对信号源的编码信息进行处理，使其

25、变为适合信道传输形调制：对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合信道传输形 式的过程。式的过程。 基带信号：信号源编码信息含有直流分量和频率较低的交流分量。基带信号：信号源编码信息含有直流分量和频率较低的交流分量。 调制调制改变高频载波的幅度、相位或者频率使其随基带信号幅改变高频载波的幅度、相位或者频率使其随基带信号幅 度变化而变化度变化而变化 解调解调将基带信号从载波中提取出来以便预定的接受者处理和将基带信号从载波中提取出来以便预定的接受者处理和 理解理解 调制方式选择调制方式选择： 抗干扰抗干扰能力强、能适应快慢衰落信道、占用较小带宽、带外辐射能力强、能适应快慢衰落信道、占用较小带宽、带外

26、辐射小小 数字调制技术分类：数字调制技术分类： 按信号相位是否连续按信号相位是否连续相位连续的和相位不连续的相位连续的和相位不连续的 按信号包络是否恒定按信号包络是否恒定恒定包络和非恒定包络恒定包络和非恒定包络 数字调制技术要求：数字调制技术要求： 高带宽效率、高功率效率、低带外辐射、多多径衰落不敏感、恒定包络、高带宽效率、高功率效率、低带外辐射、多多径衰落不敏感、恒定包络、 低成本、易实现低成本、易实现等等 高斯滤波最小频移键控高斯滤波最小频移键控GMSKGMSK调制（调制（GSMGSM系统）系统） 正交频分复用调制正交频分复用调制OFDMOFDM（3G-4G3G-4G） 3.2.2 无线传

27、输技术 3.2.2 无线传输技术 2 2、分集技术、分集技术 通过两个或更多的接收支路（基站和移动台接收机）来补偿通过两个或更多的接收支路（基站和移动台接收机）来补偿 信道损耗，即分散传输和集中处理。信道损耗，即分散传输和集中处理。 分类：分类： 按信号传输方式按信号传输方式显分集和隐分集显分集和隐分集 按分集的目的按分集的目的宏分集和微分集宏分集和微分集 按涉及资源按涉及资源空间分集、频率分集、时间分级、极化分级空间分集、频率分集、时间分级、极化分级 3.2.2 无线传输技术 3 3、均衡技术、均衡技术 均衡均衡对信道均衡，即接收端的均衡器产生与信道相反的特对信道均衡，即接收端的均衡器产生与

28、信道相反的特 性，用来抵消信道的时变多经传播引起的码间干扰。性，用来抵消信道的时变多经传播引起的码间干扰。 分类：分类： 频域均衡频域均衡使总的传输满足无失真传输条件使总的传输满足无失真传输条件 时域均衡时域均衡使总的冲击响应满足无码间干扰的条件（数字通使总的冲击响应满足无码间干扰的条件（数字通 信）信） 3.2.2 无线传输技术 4 4、信道编码技术、信道编码技术 通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能。通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能。 发射机发射机在基带部分，使用信道编码器把一段数字序列映在基带部分，使用信道编码器把一段数字序列映 射成另一段包含更多数据

29、比特的码序列。射成另一段包含更多数据比特的码序列。 接收机接收机用信道编码来监测或纠正。用信道编码来监测或纠正。 分类：分类： 分组编码和卷积编码分组编码和卷积编码 3.2.2 无线传输技术 5 5、跳频技术、跳频技术 使用伪码随机设定频率合成器，使发射机的振荡频率在很使用伪码随机设定频率合成器，使发射机的振荡频率在很 宽的范围内不断地改变，从而使射频在一个很宽的范围内宽的范围内不断地改变，从而使射频在一个很宽的范围内 变化，形成一个宽带离散频谱。变化，形成一个宽带离散频谱。 优点：优点： 抗多径、抗同频干扰、抗衰落抗多径、抗同频干扰、抗衰落 3.2.2 无线传输技术 6 6、直接序列扩频技术

30、、直接序列扩频技术 直接序列扩频是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式，英直接序列扩频是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式，英 文全称文全称Direct Sequence Spread SpectrumDirect Sequence Spread Spectrum，简称直扩方式（，简称直扩方式（DSDS方方 式）。直接序列扩频通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的式）。直接序列扩频通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的 频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号 还原成原来的信号还原成原来的信号。 优点：优点：抗干扰能力强、抗多径干扰能力强、抗截获能力强、可同频工抗干扰能力强、抗多径干扰能力强、抗截获能力强、可同频工 作、便于实现多址通信、直扩通信速率高作、便于实现多址通信、直扩通信速率高 缺点：缺点：频道数减少