移动通信中的若干关键技术)

1、1（第二专题）（第二专题）移动通信中的若干关键技术移动通信中的若干关键技术（上) 2本讲目的：本讲目的： 了解当前通信理论和技术的发展水了解当前通信理论和技术的发展水平平 3G 3G是通信理论与技术水平的集中是通信理论与技术水平的集中体现体现3 1. 移动通信发展史移动通信发展史 1897年：年： M.马可尼发明无线通讯马可尼发明无线通讯固定站固定站 拖船拖船 1946年：年： 车载移动通信车载移动通信F：3040MHz（美）美） 1960-1970年：小容量、大区制移动电话年：小容量、大区制移动电话F：150450MHz（美、法、德、英）美、法、德、英） 1978年：年： 模拟蜂窝（模拟蜂窝

2、（Amps）（第一代）（第一代） F：450M频段、频段、900M频段（美、欧、日）频段（美、欧、日） 1991年：年： GSM系统投入商用（欧）系统投入商用（欧） 1995年：年： CDMA IS-95商用（美）商用（美）（第二代）（第二代）18海里海里4一、移动通信系统的构成二、推动移动通信技术进步的主要矛盾三、移动通信中的若干关键技术 3.1 语言编码与压缩 3.2 多址技术 3.3 信道编码与交织 3.4 射频调制 3.5 功率控制技术 3.6 分集技术 3.7 多用户检测 3.8 多载波传输 3.9 智能天线四、两项与移动通信密切相关的新技术 4.1 软件无线电 4.2 TURBO

3、码 -信道编码的里程碑五、移动通信系统的运行本讲提纲本讲提纲5三大部分：三大部分： 手机（移动台）手机（移动台） 基站：（天线、无线电信号的接收、发射设备及基站控制器等）基站：（天线、无线电信号的接收、发射设备及基站控制器等）交换网络（移动交换机、跨地区间的中继传送设备等）交换网络（移动交换机、跨地区间的中继传送设备等）一、移动通信系统的构成一、移动通信系统的构成6基基站站交换网交换网络络基基站站基基站站信道信道图图1 系统构成系统构成至长途中继7可靠性可靠性 信道环境恶劣信道环境恶劣大容量大容量 频率资源有限频率资源有限二、推动移动通信技术进步的主要矛盾二、推动移动通信技术进步的主要矛盾81

4、）资源）资源GSM900兆频段：兆频段：880915MHz（手机发手机发 基站收），基站收），F=25MF=25M935960MHz（基站发基站发 手机收），手机收），（125125个频道）个频道）GSM1800兆频段：兆频段：17101785MHz（手机发手机发 基站收），基站收）， F=25MF=25M 18051880MHz（基站发基站发 手机收），手机收），（375375个频道）个频道）CDMA800兆频段：兆频段：824849MHz（手机发手机发 基站收）基站收）, F=25MF=25M869894MHz（基站发基站发 手机收）手机收）IMT2000（第三代）：第三代）：188520

5、25MHz（手机发手机发 基站收）基站收）, F=140MF=140M21102200MHz（基站发基站发 手机收）手机收）, F=90MF=90MGSM系统相临基站的工作频道必须隔开系统相临基站的工作频道必须隔开CDMA系统相临基站可工作于同一频道系统相临基站可工作于同一频道2.1 我国移动通信系统的频率我国移动通信系统的频率1）资源资源9a) 减小蜂窝尺寸减小蜂窝尺寸大蜂窝（大蜂窝（nkm） 小蜂窝（小蜂窝（n百米）百米） 微小蜂窝（微小蜂窝（n十米十米）b) 降低语音数据率降低语音数据率64kb/s 固定电话（固定电话（PCM）13kb/s GSM（规则脉冲激励型线性预测编码）规则脉冲激

6、励型线性预测编码）（4.8kb/s）2) 频率资源有限与大容量矛盾解决方案：频率资源有限与大容量矛盾解决方案：10克服恶劣的信道环境，获得通信的高可靠克服恶劣的信道环境，获得通信的高可靠推动移动通信技术进步的关键因素推动移动通信技术进步的关键因素2.2 移动通信的信道环境特征移动通信的信道环境特征11传播机制与频率的关系：传播机制与频率的关系：长波（长波（520KHz以下以下）地波地波中波（中波（5351605KHz）地波地波短波（短波（1605KHz30MHz）天波（电离层反射）天波（电离层反射）超短波（超短波（30700MHz）微波（微波（700以上）以上）直射、反射、绕射、散射直射、反射

7、、绕射、散射移动通信的电波传播：移动通信的电波传播：直射直射反射反射散射散射绕射绕射图图3 电波传播模型电波传播模型天线天线基站基站散散射射体体1）移动通信的电波传播机制）移动通信的电波传播机制120 05 5101015152020252530301 17 71313191925253131373743434949555561616767737379798585多径多径慢衰落（几秒以上慢衰落（几秒以上几小时）几小时）快衰落（几快衰落（几Hz左右左右）当代移动通信系统是众多通信最新技术的集成，目的是对付衰落信道，当代移动通信系统是众多通信最新技术的集成，目的是对付衰落信道，实现高可靠和大容量。

8、实现高可靠和大容量。图图4 接收信号波形接收信号波形2）移动通信的接收信号特征）移动通信的接收信号特征13三、移动通信中的若干关键技术三、移动通信中的若干关键技术141）PCM编码编码数据率：数据率：64kb/s未经压缩（采样频率未经压缩（采样频率8KHz，8比特量化比特量化）压缩语音数据率的目的是使一个标准压缩语音数据率的目的是使一个标准PCM信道中能容纳多个信道中能容纳多个用户，达到扩大系统容量。用户，达到扩大系统容量。3.1 语音编码与压缩语音编码与压缩1）PCM编码编码15采用新的语音编码方法，实现语音数据率的压缩采用新的语音编码方法，实现语音数据率的压缩a) 波形编码波形编码话音质量

9、达到电话网要求（信话音质量达到电话网要求（信/噪比噪比=26db）理论极限速率理论极限速率=16kb/s（由信息论信源函数理论推导）由信息论信源函数理论推导）b) 参量编码参量编码理论极限：以英语为例，其音素参量有理论极限：以英语为例，其音素参量有128256个，按照通常的讲话个，按照通常的讲话速率，每秒发出速率，每秒发出10个音素。因此话音数据率的最低极限：个音素。因此话音数据率的最低极限：log2(128)10=70bit/s 至至 log2(256)10=80bit/sc) 混合编码混合编码以参量编码为基础以参量编码为基础+有限波形编码算法有限波形编码算法 达到相对低数据率，良好达到相对

10、低数据率，良好可懂度可懂度2）压缩方法）压缩方法16 指标指标 参数参数编码方法编码方法比特率比特率（kb/s）复杂度复杂度（MIPS）时延时延（ms）质量质量（mos）PCM640.0104.3自适应差分增量编码自适应差分增量编码320.104.1自适应子带编码自适应子带编码161254多脉冲线性预测法多脉冲线性预测法810353.5随机激励线性预测随机激励线性预测4100353.5线性预测声码器线性预测声码器21353.1表表1 几种语音编码方法比较表几种语音编码方法比较表注：注： MIPS百万条指令百万条指令/秒秒 ms豪秒豪秒 mosCCITT建议的五级评价评分标准建议的五级评价评分标

11、准3）几种编码方案的性能比较）几种编码方案的性能比较17a) 方案：方案：QCELP方案（码激励线性预测的可变速率混合编方案（码激励线性预测的可变速率混合编码）码）可变速率传输：分可变速率传输：分9.6kb/s，4.8kb/s，2.4kb/s，1.2kb/s 4档速率档速率根据信根据信/噪比背景改变速率。噪比背景改变速率。4）IS-95 CDMA中的语音编码中的语音编码a) 方案方案18伪随机信号矢量矢量码表音调合成滤波线性预测编码滤波自适应滤波 增益 控制合成语音输出语音参数1,2,. 12音调参数L、b增益G其他码速:9.6kb/s4.8kb/s2.4kb/sT激励图图5 QCELP方案图

12、方案图1.2kb/s清/浊b) QCELP实现原理：实现原理：19 首先对模拟话音按首先对模拟话音按8KHz采样采样 将采样按每将采样按每20ms划分为一个话音帧（含划分为一个话音帧（含160个采样点）个采样点） 分析这分析这160个采样点生成个采样点生成3个参数矢量个参数矢量语音参数：语音参数： 1 1,2 2, ,1212（20ms20ms更新一次更新一次）音调参数：音调参数：L L、b b码表参数：码表参数：T T系统发送的是参数：系统发送的是参数：1 1,2 2, ,1212；L L、b b；T T；G G 共计共计1616个个手机中根据参数生成语音手机中根据参数生成语音依速率调整更新

13、快慢依速率调整更新快慢c) 实现流程实现流程20在同一信道中，准许多个用户同时通信的技术，在同一信道中，准许多个用户同时通信的技术，在移动通信中称为多址技术。在移动通信中称为多址技术。3.2 多址技术多址技术21多址方式只有三种：频分（多址方式只有三种：频分（FDMA），），时分（时分（TDMA），），码分（码分（CDMA）。）。FDMA模拟移动通信中采用（第一代）模拟移动通信中采用（第一代）TDMAGSM 体制体制CDMAIS-95CDMATMT2000 （第三代）第三代）TD-SCDMA码分多址与时分多址的组合方案，码分多址与时分多址的组合方案，“S”表示同步表示同步（第二代）（第二代）T

14、FCT1 T2 . Tn图图6 多址三维正交示意多址三维正交示意FnF2F1C1C2Cn1）多址方式）多址方式22a）特点特点 不同用户可以使用同一频率（不同用户可以使用同一频率（F）、同一时间（）、同一时间（T），仅使用不同的），仅使用不同的 码码字字来替换不同用户来替换不同用户的的数据：数据：“1”和和“0”，不同码字代表不同码字代表不同用户。不同用户。例如：例如： CDMA又称扩频通信又称扩频通信“1”用户用户1 1001010 C1（t）“1”用户用户2 0110101 C2（t）条件：条件： C1（t）与与C2（t）互不相关（正交），即互不相关（正交），即0dt) t (C) t (

15、C21 用户用户1用户用户2片码（扩频码）片码（扩频码）T“1”“0”2）码分多址（）码分多址（CDMA）a）特点特点23 信号的频谱大大展宽（信号的频谱大大展宽（FF1/T1/T， Fe Fen/T n/T ）（）（n填充码的个数），填充码的个数）， 系统的抗干扰性大大增强，可使信噪比提高系统的抗干扰性大大增强，可使信噪比提高n倍。倍。IS95片码：片码：1.2288Mb/SIMT2000片码：片码：3.84Mb/S理论基础：信息论中山农信道容量定理理论基础：信息论中山农信道容量定理 C = F log2（1+S/N）式中：式中： C单位单位bit/s，信道每秒传送信号的数据率信道每秒传送信

16、号的数据率 F单位单位HZ，信号所占带宽信号所占带宽 S/N信号信号/噪声功率比噪声功率比推理：当推理：当C一定，传送的信号所占带宽越宽，则容许的一定，传送的信号所占带宽越宽，则容许的S/N信噪比可以越低。信噪比可以越低。 b）CDMA的关键技术的关键技术24 寻找扩频码寻找扩频码CN（t）要求：（要求：（1） C1（t）, C2（t）, Ci（t）CN（t） N越大越好，以容纳更多用户越大越好，以容纳更多用户 （2）它们之间的互相关函数）它们之间的互相关函数 0（越小越好）（越小越好） （实际上（实际上0，而形成用户间的干扰），而形成用户间的干扰）（3）发送端容易产生）发送端容易产生（4）接

17、收端容易捕捉并与之同步，此为）接收端容易捕捉并与之同步，此为CDMA研究的一个重要方面研究的一个重要方面dt)t (C) t (C)( Ipi 25 LasCDMA宣称找到了构造大容量，而且完全不相关的宣称找到了构造大容量，而且完全不相关的CN（t）扩频码的方法，扩频码的方法，又称又称TDLAS技术，两级扩频编码技术，两级扩频编码优点：优点：（1）消除原）消除原CDMA系统用户间的干扰，以构造出干扰不受限的系统用户间的干扰，以构造出干扰不受限的CDMA系统。系统。（2）简化系统，使原）简化系统，使原CDMA系统中用于对抗用户间干扰的措施成为无必要。系统中用于对抗用户间干扰的措施成为无必要。 （

18、宣称无需复杂功率控制、无需智能天线、无需软切换、无需多用户（宣称无需复杂功率控制、无需智能天线、无需软切换、无需多用户 检测等）检测等）CN1（t）CN2（t）LasCDMA信号信号扩频信号扩频信号LALS26 信道多址与基站多址信道多址与基站多址信道多址信道多址采用采用64位位walsh码，分别分配给码，分别分配给64个信道个信道 1个导频信道个导频信道W0 1个同步信道个同步信道0，1相间的相间的W32 7个寻呼信道个寻呼信道W1W755个业务信道个业务信道W8W31； W33W63；基站多址码基站多址码采用采用 m=215-1 的的15位简单伪随机序列，前加位简单伪随机序列，前加15个个

19、0偏置。偏置。 跳频与跳时跳频与跳时271）信道编码的定位）信道编码的定位图图7 CDMA系统信号流程系统信号流程3.3 信道编码与交织编码信道编码与交织编码1）信道编码的定位）信道编码的定位扩频扩频调制调制信道信道编码编码交织交织编码编码射频射频调制调制射频射频解调解调去去交织交织信道信道解码解码解解扩扩数据数据码码数据数据码码信令信令信令信令28信道编码的作用信道编码的作用抗由一切信道传输原因所引起的误码，完成对分散独立误码的纠错。抗由一切信道传输原因所引起的误码，完成对分散独立误码的纠错。交织编码的作用交织编码的作用抗信道产生的实发错误（成片的误码），使移动通信的信道变成随机抗信道产生的

20、实发错误（成片的误码），使移动通信的信道变成随机独立差错信道（噪声信道）。即：将信道引起的成片误码改造为分散独立差错信道（噪声信道）。即：将信道引起的成片误码改造为分散独立误码。独立误码。2）在系统中的作用）在系统中的作用29a) 思路思路增加监督（校验）码元，发现或纠正信息码元的错误。增加监督（校验）码元，发现或纠正信息码元的错误。b) 研究目标研究目标以最少监督码元为代价获取对信息码元最高的检错和纠错能力。以最少监督码元为代价获取对信息码元最高的检错和纠错能力。c) 信道编码的种类信道编码的种类按照加入监督码元的规律或监督码元实现检错、纠错的算法，按照加入监督码元的规律或监督码元实现检错、

21、纠错的算法，可分为：线性编码（线性分组码、循环码等）；可分为：线性编码（线性分组码、循环码等）； 非线性编码（如卷积码等）。非线性编码（如卷积码等）。信息码信息码监督码监督码信息码信息码监督码监督码3）信道编码）信道编码30a) 所有信道编码要服从严格的数学关系。所有信道编码要服从严格的数学关系。b) 例例BCH码、码、RS码、码、Fire码码c) 线性分组码线性分组码（7，3）码（可纠正一个错误）码（可纠正一个错误）码长码长 7位位信息位信息位 3位位监督位监督位 4位位C=（C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6）4）线性分组码）线性分组码31编码方程编码方程C0=U0C1=U1C2=U

22、2C3=U0 U2C4=U0 U1 U2C5=U0 U1C6=U1 U2数学表达式数学表达式C=（C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6） 1 0 0 1 1 1 0 =（U0 U1 U2） 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 U G=（I Q）生成矩阵）生成矩阵 =UG信息位信息位监督位监督位 模模2 加加:（0 0=0，0 1=1，1 0=1，1 1=0 ）32监督方程监督方程将监督方程写成另一形式将监督方程写成另一形式C3=U0 U2=C0 C2 C0 C1 C3 =0C4=U0 U1 U2 =C0 C1 C2 C0 C1 C3 C4=0C5=U0 U1 =C0 C

23、1 C0 C1 C5 =0C6=U1 U2 =C1 C2 C1 C2 C6 =0数学表达式数学表达式 C0 C1 1 0 1 1 0 0 0 C2 0 1 1 1 0 1 0 0 C3 = 0 1 1 0 0 0 1 0 C4 0 1 1 1 0 0 0 1 C5 0 C6H CT 0T 即即 H CT = OT个个 H监督矩阵监督矩阵 4个监督方程，一个错仍可求解出个监督方程，一个错仍可求解出U0 U1 U2 三三个码个码元元33d) 评价：上述（评价：上述（7，3）线性分组码运算简单，易实现，但效率不高线性分组码运算简单，易实现，但效率不高e) 改进型改进型BCH码（二元循环码）码（二元循

24、环码）BCH（15，5）可纠正可纠正3个随机独立差错个随机独立差错RS码（非二进制）码（非二进制）RS（15，9）可纠正可纠正3个错误（非二进制）个错误（非二进制） （60，36）二进制码）二进制码Fire码码F（276，265）能纠正长度能纠正长度 5个码元的独立错误个码元的独立错误34a) 特点特点 不对输入分组，只是对输入进行一种特定卷积运算。不对输入分组，只是对输入进行一种特定卷积运算。 有记忆，如（有记忆，如（n, k, m）卷积编码器卷积编码器即在任一时刻编码输入即在任一时刻编码输入第第k个码元，个码元，其其输出输出n个码元个码元不仅与不仅与第第k个码元有关，个码元有关，而且与卷积

25、编码器中记忆的而且与卷积编码器中记忆的第第k个码元之前的个码元之前的m个码元有关。个码元有关。卷积卷积编码编码（最（最大延大延时时m）并并/串串转转换换编码输出编码输出C信息码信息码k并并/串串转转换换U1U2UkC1C2Cnn5）卷积码）卷积码a) 特点特点35最简单的（最简单的（2，1，2）卷积编码器的原理图：）卷积编码器的原理图：图图9 （2，1，2）卷积编码）卷积编码2 2级级延延时时输输入入输输出出信息码信息码输入输入编码输出编码输出C寄存器寄存器寄存器寄存器并并/串串121236 离散卷积法离散卷积法 生成矩阵法生成矩阵法 码多项式法码多项式法 状态图法状态图法 树图法树图法 格图

26、法格图法b) 分析描述分析描述37维特比（维特比（Viterbi）译码译码理论基础理论基础最大后验概率准则最大后验概率准则判决依据判决依据平均误码率平均误码率Pe 最小最小 软判决译码软判决译码理论基础理论基础最大似然比准则最大似然比准则根据概率论根据概率论 后验概率后验概率P（Y/C）似然比似然比 最大后验概率与最大似然比等效最大后验概率与最大似然比等效软判决与软判决与Viterbi等效等效 优点：软判决可实现多电平，因而解码更有效。优点：软判决可实现多电平，因而解码更有效。 P(Y)P(C)P(Y/C)C/YP c) 卷积编码的解码卷积编码的解码38下行（基站下行（基站 手机）为同步码分多

27、址，采用（手机）为同步码分多址，采用（2，1，8）卷积码：卷积码：1个输入器，个输入器，2个输出端，个输出端，8个移位寄存器个移位寄存器ABCDEFGH并并/串串输输入入码码1输输出出码码C12A、B、C、DH寄存器寄存器图图10 IS-95基站用（基站用（2，1，8）卷积编码器）卷积编码器d) IS-95中的卷积编码器中的卷积编码器39d) IS-95中的卷积编码器中的卷积编码器上行（手机上行（手机 基站）为异步码分（基站）为异步码分（3，1，8）卷积编码）卷积编码输入码输入码1ABCDEFGH并并/串串输输出出码码123图图11 IS-95手机用（手机用（3，1，8）卷积编码器）卷积编码器

28、40a) 理论背景理论背景山农第二定理（山农第二定理（1948年）：年）：只要信道中实际传输的数据速率只要信道中实际传输的数据速率RC（C表示信道容量），表示信道容量），就可以在信道中实现无差错解码。就可以在信道中实现无差错解码。定理证明条件：定理证明条件： 采用随机编译码方式采用随机编译码方式 码的长度码的长度L 译码采用最佳的最大后验概率译码译码采用最佳的最大后验概率译码6）级联码）级联码a) 理论背景理论背景41 优点：优点：增加编译码长度，而较少增加复杂性增加编译码长度，而较少增加复杂性 实现实现 (n, k) = ( n1, k1) , ( n2, k2 ) = n1x n2 , k

29、1x k2 n=n1xn2 , k=k1xk2内编码内编码( n1, k1)外编码外编码( n2, k2) 信信 道道内译码内译码( n1, k1)外译码外译码( n2, k2)噪声噪声图图12 级联码示意图级联码示意图外码外码一般采用卷积码一般采用卷积码内码内码一般采用一般采用RS码码 b) 级联码是增加编译码长度的有效方法级联码是增加编译码长度的有效方法42 实例实例美国宇航局美国宇航局NASA1984年将其用于太空遥测数据传输：年将其用于太空遥测数据传输：内码内码（2，1，7）卷积码）卷积码外码外码（255，223）RS码码 性能：性能：S/N=2.53dB，条件下，误码率条件下，误码率

30、Pe 10-6 其应用实例其应用实例表表2 性能表性能表内内码码 外外码码 Pe 10-6条条件件下下的的 S/N（db） (4,1,5) (255,223) 0.91 (5,1,15) (1023,959) 0.50 (6,1,15) (1023,959) 0.42 (6,1,14) (255,223) 0.63 0 . 5 0 43信道编码信道编码纠正随机差错纠正随机差错衰落信道衰落信道产生实发差错（连续一片误码）产生实发差错（连续一片误码） 由交织编码克服由交织编码克服7）交织编码）交织编码44矩阵变换矩阵变换设待发送信号为设待发送信号为 X X ， X X =（X1, X2, X25）

31、列写入行读出列写入行读出 X1 X6 X11 X16 X21 X2 X7 X12 X17 X22 A1= X3 X8 X13 X18 X23 X4 X9 X14 X19 X24 X5 X10 X15 X20 X25输出输出X X X X =（X1, X6, X11, X16, X21, X2, X25）当当 X X 在信道中传输，在发生一片错码后，经反交织后，成片错码就分散了。在信道中传输，在发生一片错码后，经反交织后，成片错码就分散了。 优缺点优缺点优点：简单优点：简单缺点：带来时延缺点：带来时延可能将分散差错可能将分散差错 成片差错成片差错a) 交织编码原理交织编码原理45 卷积交织编码卷积交织编码可减小一半的时延，抗突发差错能力不变。可减小一半的时延，抗突发差错能力不变。 随机交织编码随机交织编码将数据经伪随机排序后存储，再从存储器中读出。将数据经伪随机排序后存储，再从存储器中读出。b) 改进型交织编码改进型交织编码46 GSM系统中的交织编码器系统中的交织编码器交织在语音编码后进行交织在语音编码后进行45670123456701231141141141141141141