移动通信系统原理

1、移动通信基本原理移动通信基本原理武武 汉汉 邮邮 电电 科科 学学 研研 究究 院院武汉虹信通信技术有限责任公司武汉虹信通信技术有限责任公司 主要内容 通信概述移动通信系统特点定义通信：由一个地方向另一个地方传递和交换信息信息：Voice, Data, Video, Multimedia模型通信系统模型信源：Voice, Data, Video, Multimedia分类通信的分类（不同的视角）按传输媒介不同：有线和无线通信按工作频段不同：长波、中波、微波、远红外线通信按信号特征：模拟信号和数字信号通信按通信方式不同：单工、双工、半双工（准双工）通信按信号复用方式不同：FDMA、TDMA、CD

2、MA按通信的调制方式不同：线性调制、非线性调制、数字调制等通信网 通信网是有一定数量的结点（包括终端设备和交换设备）和连接点的传输链路相互有机地组合在一起，以实现两个或多个规定点间信息传输的通信体系。构成要素：终端设备、传输链路和交换设备终端设备终端设备是用户与通信网之间的接口设备。包括信源、信宿与变换器、反变换器的一部分传输链路传输链路是信息的传输通道，是连接网路节点的媒介。交换设备构成通信网的核心要素。交换方式：电路交换方式和存储转发方式。功能分类业务网按功能分：用户接入网、交换网和传输网支撑网支撑网信令网只传送信令的网络，实现网络结点之间（包括交换局、网络管理中心）信令的传输和转接。同步

3、网实现数字交换局之间、数字交换局和传输设备之间的信号时钟同步。管理网实时或近实地监测点心网络的运行，必要时采取控制措施。电信服务项目一项公共服务并不能引起用户的兴趣， 除非它：满足实际需求; 用得起; 广泛的传播 (已经吸引了很多用户); 易于使用 (提供方便的处理手段和快速响应时间); 稳定和高可用性趋势电信网发展趋势:终端移动性 (无线接入); 个人和服务的移动性 (个人通信); 按需分配带宽 (增加透明度，更强灵活性); 多媒体(更加透明); 更强大用户接口 (友好的用户界面); 增值服务 (消息, 检索等); 高度集成。 移动通信系统基础基本概念移动通信的特点无线传播特性和多址方式干扰

4、和频率复用移动通信的发展CDMA简介整体结构区别PSTNPLMN由上可见：由上可见：PSTNPSTN涵括了涵括了PLMNPLMN基础概念基本概念移动通信：指通信双方或至少有一方在运动中进行信息交换。移动通信网：由若干个移动用户构成一个系统，系统内的用户可以在无线电波覆盖范围内的任何地方相互通信。移动通信特点移动通信特点：移动通信的传输信道必须使用无线电波信道传输特性较复杂，不稳定所用的无线电频率有限移动通信综合了各种通信技术对设备要求苛刻有线信道有线系统OK!OK!无线信道衰减无线系统（Path loss）阴影衰落不仅仅这些慢衰落：由于地形起伏和沿途建筑慢衰落：由于地形起伏和沿途建筑物的不一引

5、起，也称为阴影衰落物的不一引起，也称为阴影衰落。也不仅仅这些快衰落：多径衰落，快衰落：多径衰落，衰落深度严重时达到衰落深度严重时达到2030dB。多普勒频移还有这些多普勒频移多普勒频移VRFfff接收一般可忽略此项，一般可忽略此项，除非移动速度非常除非移动速度非常快快从图从图中中可以看出当可以看出当MS的速度为的速度为100km/h时相对频率变化时相对频率变化为为0.19ppm ，对于对于900M频率偏差为频率偏差为171Hz ，对于对于1800M频率偏差为频率偏差为342Hz。GSM规范规定：规范规定：MS载波频率应该精确到载波频率应该精确到0.1ppm，或者，或者比较从比较从BTS接受到的

6、信令精确到接受到的信令精确到0.1ppm（这些信令由于（这些信令由于多普勒频移将会有明显频率误差）多普勒频移将会有明显频率误差） 实际场强结果：远近效应远近效应：无线系统中，两个离接收机距离远近相差很大时，接收到的大信号对小信号的压制。多址技术频分多址：系统分配给每一通信用户一个唯一的频段或（物理）信道。时分多址：系统把无线频谱按时隙划分，并且在每一个时隙仅允许一个用户，要么接收要么发射。FDMA的非线性效应：许多信道在基站共享一个天线，天线前的射频器件工作是非线性的，导致频域的信号扩展，干扰相邻信道；产生交调(IM)频率，造成对邻近业务的干扰。多址方式频分多址 调制技术和信道间隔调制技术和信

7、道间隔 在GSM中每个载波被分配200KHz的带宽。实际上发射的GSM载波带宽远远高于200KHz。所以信号会交叠进临近的频道。干扰邻道干扰相邻或者相近频道之间的干扰调频信号含有无穷多个边频分量，其中某些边频分量落入邻道接受机的通带内，就会造成邻道干扰。共道干扰由相同频率的无用信号所造成的干扰同波段复用距离射频保护比：为保证接受机输入端信号与同波道干扰之比大于某一数值，这一数值称作射频保护比TDMA时分多址时延码间干扰：数字系统特有的现象。GSM系统中的TA值是专门为了防止这种干扰而设定的。CDMA码分多址频率复用最早由贝尔实验室发明目的：使有限的频谱满足无限容量需求几个概念：覆盖模型、大区制

8、、小区制、载噪比、小区分裂覆盖模型：六边形全向天线：实际覆盖范围为不规则圆形。需要一个规则的小区形状来用于系统设计。理想：没有间隙或没有重叠的覆盖整张地图三种形状满足可能：正方形、正三角形、六边形，最远点确定，六边形是三种形状中面积最大的。可用最小的小区数覆盖整个地图。大区制一个基站覆盖整个城市一个基站覆盖整个城市通信质量差频率利用率低系统容量小小区制使用特定频率覆盖范围控使用特定频率覆盖范围控制在一定面积范围内制在一定面积范围内这个面积叫做小区达到频率的再用系统容量大增载噪比载波噪声比：载波噪声比：Carrier to Interference ratio载波信号是已经调制后的信号小区分裂全

9、向小区：频率复用小区分裂：复用距离更小第二代数字蜂窝移动通信系统为了克服第一代蜂窝移动系统的局限性，北美、欧洲、日本自80年代中期相继为第二代蜂窝系统制定了三种不同的标准北美IS-54（扩容，数模兼容）欧洲GSM（统一制式）日本JDC（向北美靠拢，数模并存互通）欧洲、北美两强对峙，最具典型特点的是GSM和CDMA系统GSM（Global System for Mobile)1982年6月欧洲邮电管理委员会（CEPT）组建了移动通信特别小组GSM，研制泛欧移动通信标准目标：泛欧漫游，与ISDN互联，提供不同业务1988年提出主要建议和标准1991年7月多址方式为TDMA的GSM系统开始商用CDM

10、A（Code Division Multiple Access)1990年CTIA和TIA制定了TDMA制式的 IS-54标准1992年Qualcomm(高通）公司提出 CDMA的数字蜂窝通信系统的建议和标准1993年被CTLA和TLA批准为中期标准 IS-951996年CDMA系统投入运营扩频通信的概念定义：扩频技术是把信息的频率展宽进行传输的技术。目的：容量需求，据香农公式：直接序列扩频（DS）扩频的优越性p抗干扰能力增强p隐蔽性好p可实现码分多址技术)/)(1 (log02sbitNSBC关于扩频码（PN码） 伪随机序列 理想扩频码的特性：p有尖锐的自相关特性p处处为零的互相关性p扩频序

11、列中0、1个数相等p足够多的扩频码 目前常用的扩频序列pM序列pGold（戈尔德）序列1.Walsh序列扩频技术扩频技术的主要特征 使用码速率比发送信息数据速率高的多的伪随机编码，扩展作为基带信号的信息数据频谱，使之成为具有极低功率谱密度的宽带信号具体方法 把无线电信号的码元或符号用扩频码填充（相乘），且不同用户的信号用互相正交的码序列填充。这样的信号在同一载波上发射，接收只用与发射相同的码序列进行相关接收。扩频码示意CDMA系统特点大容量干扰受限系统远近效应高质量服务保密频率规划简单CDMA的关键技术功率控制p反向开环功率控制p反向闭环功率控制p前向功率控制地址码的选择软切换分集技术语音编码

12、信道调制1.天线技术功率控制关键技术的核心功率控制的概念远近效应CDMA是一个自干扰系统反向开环功率控制移动台根据在小区中接收功率的变化，迅速调节移动台发射功率。反向闭环功率控制前向功率控制地址码的选择地址码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能地址码提供的码序列应接近白噪声特性，同时编码方案简单，保证具有较快的同步建立速度长度为215 的PN序列 用于区分不同的基站信号长度为2421 的PN序列 在前向信道用于信号的保密，在反向信道用于区分不同的移动台Walsh序列： 在前向信道用于区分同一基站的不同信道，在反向信道中用于对信号进行正交调整。软切换所谓三软切换就

13、是当移动台需要跟一个新的基站通信时，并不先中断与原基站的联系。软切换只能在相同频率的CDMA信道间进行，它在两个基站覆盖区的交界处起到乐业务信道分集的作用软切换可以大大减少掉话，保证通信的可靠性CDMA系统中支持四种类型的切换：硬切换、软切换、更软切换、CDMA到模拟切换。分集技术分集技术是指系统能同时接收两个或更多个输入信号，这些输入信号的衰落互不相关。系统分别解调这些信号然后将它们相加，这样可以接收到更多的有用信号，克服衰落。分集技术包括空间分集、时间分集和频率分集。CDMA协调综合利用分集技术来抵抗衰落对信号的影响，获得高质量的通信性能。语音编码编码与解码语音编码的目标是既能维持一定的语

14、音质量，又能较大程度的降低数据量。包括波形编码和声源编码。自适应多速率（AMR）语音编码： AMR语音编码器的采用允许系统根据信道的情况在总的信道传输速率不变的情况下，改变信源和信道的编码速率，达到高的频谱利用率。CDMA的信道调制前向CDMA信道结构：导频信道、同步信道、寻呼信道（最多7个）和若干业务信道。在IS-95中每个基站有64个信道。反向CDMA信道结构：只有反向业务信道和接入信道。天线技术阵列天线 多对振子组合构成天线阵。它们能形成不同指向，不同辐射波束宽度的天线波束方向图。智能天线 是通过反馈控制去自动调节自身天线波束成型模型的自适应天线阵。天线技术智能天线的优越性p提高了基站接收机的灵敏度p提高了基站发射机的等效发射功率p降低了系统的干扰p增加CDMA系统容量p改进了小区的覆盖1.降低了天线基站的成本GSM手机与CDMA手机的比较辐射承载业务服务质量待机时间漫游能力机卡分离问题价格宽带CDMA方案欧洲的爱立信公司提出的WCDMA北美Lucent,Motorola,