移动通信原理及WCDMA技术特点(无线部分)

1、移动通信基础知识及WCDMA技术特点1 1、移、移动动通信系通信系统统的的发发展展2 2、无、无线线接入原理接入原理第一代模拟蜂窝移动通信系统第一代模拟蜂窝移动通信系统历史回顾：1978年，美国的贝尔实验室成功开发了AMPS（Advance Mobile Phone Service）系统，实现了真正意义上的可以随时随地通信的大容量的蜂窝移动通信系统。1987年，中国首个TACS制式模拟移动电话系统建成商用，之后AMPS也曾被引入中国。主要标准：美国的AMPS、欧洲的TACS、英国的ETACS、欧洲的NMT-450和NMT-900、日本的NTT和JTACS/NTACS主要特点： 用户的接入方式采

2、用频分多址（FDMA），当一个呼叫建立后，该用户在其呼叫结束以前一直占用一个频段 调制方式：FM 业务的种类单一，主要是话音业务 系统的保密性较差 频谱效率较低，有限频谱资源和无限用户 容量之间的矛盾十分突出历史回顾历史回顾：1992年，第一个数字蜂窝移动通信系统欧洲的GSM（Global System for Mobile Communication）网络在欧洲开始铺设，由于其优越的性能，在全球范围内以惊人的速度得以扩张，目前已是全球最大的蜂窝通信系统。1993年，中国的第一个全数字移动电话年，中国的第一个全数字移动电话GSM系统建成开通，系统建成开通，之后中国电信和中国联通都采用了之后中国

3、电信和中国联通都采用了GSM。主要特点主要特点： 微蜂窝小区结构 数字化技术-语音信号数字化 新的调制方式-GMSK、QPSK等 FDMA/TDMA 频谱利用率高，系统容量大 便于实现通信安全保密 3G的主要特点的主要特点：v 1 1、支持移动多媒体业务、支持移动多媒体业务 2 2、宽带、宽带CDMA技术技术v 3 3、 高频谱效率高频谱效率 4 4、 FDMA/TDMA/CDMAv 5 5、 从电路交换到分组交换从电路交换到分组交换 6 6、 从媒体从媒体(media) 到到 多媒体多媒体(Multi-media) 7、 高保密性高保密性v 8 8、全球范围无缝漫游系统、全球范围无缝漫游系统

4、 9 9、 微蜂窝结构微蜂窝结构 3G的主流技术的主流技术：v WCDMAv cdma2000v TD-SCDMA1、无线电波的基本传播机制2、无线电波传输的特点及存在问题3、无线电波传输存在问题的解决方法4、多址技术5、蜂窝移动通信的基本概念1.2.1 无线电波的基本传拨机制无线电波的基本传拨机制 1.2.2无线电波传输的特点及存在问题无线电波传输无线电波传输的特点及存在问题： 1、路径损耗 2、阴影效应 3、多径衰落（瑞利衰落和时间色散） 4、时间色散v 移动通信环境下场强变化剧烈v 场强变化的平均值随距离增加而衰减v 场强特性曲线的中值呈慢速变化（慢衰落）v 场强特性曲线的瞬时值呈快速变

5、化（快衰落） 接收信道统计分析曲线多径传播导致瑞利衰落和时间色散采用分集接收技术和跳频克服衰落010101 010101时间色散1.2.3 无线电波传输存在问题的解决方法1、信道编码2、交织3、天线分集（空间和极化分集）4、自适应均衡5、跳频 作用：克服无线信道中传输过程的误码。可以纠正随机性的差错 由于在GSM系统中的无线信道为变参信道，传输时的误码较为严重，采用信道编码能够检出和校正接收比特流中的差错，克服无线信道的高误码缺点。信道编码的纠错和检错原理可以从下面简单的例子看出：发 添加比特 接收比特0 000 0001或1110 纠一位错1 111 0011或1100 检两位错信道编码信道

6、编码假定要发送的信息是一个“0”或是一个“1”。为了提高保护能力，以这样简单的方式添加3个比特，对于每一个比特（0或1），只有一个有效的编码组（0000或1111）。如果收到的不是0000或1111，就说明传输期间出现了差错，差错的情况有三种，错一个比特、错二个比特和错三或四个比特。由图例可见，错一个比特可以校正；错二个比特时不能够校正，但能够检出；错三或四个比特才发生误码。所以，这个简单的编码方式能够校正一个差错和检出二个差错。由此例可见信道编码可以纠错和检错。 在实际应用中，比特差错经常成串发生。这是由于持续时间较长的衰落谷点会影响到几个连续的比特。而信道编码仅在检测和校正单个差错和不太长

7、的差错串时才是最有效的。采用交织技术，即是将码流以非连续的方式发送出去，使成串的比特差错能够被间隔开来，再由信道编码进行纠错和检错。交织可以纠正突发性差错12341 2 3 41122 3 411121324212334313334414344413 4消息分组交织后消息分组去交织消息分组交织交织空间分集主要改善慢衰落。 GSM中的实现分集的方法是使用两个接收天线，它们受到的衰落影响是不相关的。它们两者在某一时该经受某很深衰落点影响的可能性很小。利用两付接收天线来接收信号，它们独立接收同一信号，并因此受到衰落包络的不同影响，两路信号进入接收机中，接收机对它们进行选择性丢弃。在900MHz频段，

8、天线间距5米6米，可得到6dB左右的增益。在1800MHz频段，由于波长较短，所以天线间距可以缩短。空间分集可以减轻衰落现象。天线（空间）分集接收天线（空间）分集接收极化分极：*极化天线增益=空间分集增益（有极化损耗，在室内和车内差不多）*在干扰限制的环境下，双极化分集比空间分集优越（相关性小）*+/-45度的极化比垂直极化天线要有1.5dB的额外损耗*双极化天线的隔离度为30dB双极化天线：双极化天线： 用于消除时间色散，当出现反射信号时，移动台收到的可能是直射信号和反射信号，按一比特1.1公里计算，两种信号的路径差距是1.1公里时，移动台收到的可能是两个比特，如0和1，这时移动台无法取舍。

9、 假设基站的发信序列为A（t），无线信道的规律为G（t），移动台的接收到的序列为B（t）。如果我们知道了无线信道的规律G（t），并且知道移动台的接收序列B（t），那么可以计算出基站的发信序列A（t）。 基站的发信序列A经无线信道的传输后到达移动台，移动台所接收的序列为B，B序列中的26个训练比特被提出来后经相关器的计算形成信道模型的控制参数去控制信道模型，使道模型与实际的无线信道相似，然后码发生器产生可能出现的基站发信序列经信道模型后与接收到的实际接收序列相比较，经比较后，差值最小的码发生器所产生的序列作为接收到的数据输出。均衡器均衡器无线信道A(t)G(t)B(t)传播模型最小值原则接收码输

10、出接收码输出信道模型相关器3 57 1 26313？1 26？31比较57RBS基站发信序列 M移动台接收序列 N移动台码发生器 瑞利衰落的衰落图形是与频率相关的，即衰落谷点将因频率不同而发生在不同的地点。这样如果在呼叫期间，让载波频率在几个频率点上变化，并假定只在一个频率上有一衰落谷点，那么仅会损失呼叫的一小部分，而采用复杂的信号处理过程能重新恢复全部信息内容。这种方法称为跳频。跳频主要改善上下行快衰落。 在呼叫期间，载波频率在几个频率上变化，以克服瑞利衰落。因瑞利衰落谷点只是对某一个频点有效，对另一个频点无效。结论 从用户角度来看，跳频改善了话音质量，从运营者角度看，跳频提供以下好处： 1

11、、提供一个可靠的可预测的无线环境 2、向用户提供更稳定的话音质量 3、减少小区范围，采用更紧凑的频率复用方案增加容量。跳频的作用：跳频的作用：1）克服衰落）克服衰落 2）干扰平均）干扰平均跳频跳频分类分类：频分多址 (FDMA)-按频道划分用户，频带独享，时间共享时分多址 (TDMA)-按时隙划分用户，时隙独享，频率共享码分多址 (CDMA)-按码型划分用户，时隙/频率共享空分多址 (SDMA)-按空间角度划分用户，频率/时隙/码型共享含义含义：每个用户占用一个频率 用户识别用户识别：频道号特点特点：1、简单，容易实现，适用于模拟和数字信号。2、以频率复用为基础，以频带划分各种小区。3、需要严

12、格的频率规划，是频率受限和干扰受限系统。4、以频道区分用户地址，一个频道传输一路模拟/数字话路。5、对功控的要求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置。6、基站由多部不同载波频率的发射机同时工作。7、不适宜大容量系统使用应用：应用：模拟/数字蜂窝移动通信系统。PowerFrequencyTimeFDMA含义含义：每个用户占用一个时隙 用户识别用户识别：时隙特点特点：1、以频率复用为基础，小区内以时隙区分用户。2、每个时隙传输一路数字信号，软件对时隙动态配置。3、系统要求严格的系统定时同步4、对功控的要求不严。5、是时隙受限和干扰受限系统。6、TDD模式下，上下型信道信息可以共享应用：应用：GS

13、M系统FrequencyPowerTimeFDMA/TDMA含义含义：每个用户使用一个码型，频率/时间共享用户识别用户识别：码型特点特点：1、每个基站只需一个射频系统。2、 每个码传输一路数字信号。 3、每个用户共享时间和频率。4、是一个多址干扰受限系统。 5、需要严格的功率控制。6、需要定时同步。 7、软容量、软切换，系统容量大。8、抗衰落、抗多径能力强。应用：应用：IS-95 CDMA系统、cdma2000系统、WCDMA系统FrequencyCDMAPowerTime依靠智能天线实现依靠智能天线实现v 蜂窝系统蜂窝系统-“-“小区制小区制”系统系统 - - 将所要覆盖的地区划分为若干个小

14、区，每个小区的半径可视用户的分布密将所要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密 度在度在1-101-10kmkm左右左右, ,在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。 - “ - “频率复用频率复用”的概念的概念 - - 特点：用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧且电池使特点：用户容量大，服务性能较好，频谱利用率较高，用户终端小巧且电池使用时间长，辐射小等用时间长，辐射小等 - - 问题：系统复杂，越区切换，漫游，位置登记；更新和管理以及系统鉴权等问题：系统复杂，越区切换，漫游，位置登记；更新和管理以

15、及系统鉴权等v 蜂窝分类蜂窝分类 - - 宏蜂窝宏蜂窝 ( (Macro-cell) 2-20kmMacro-cell) 2-20km - - 微蜂窝微蜂窝 ( (Micro-cell) 0.4Micro-cell) 0.42 km2 km - - 微微蜂窝微微蜂窝 ( (Pico-cell) 400mPico-cell) 400m - - 分层蜂窝分层蜂窝 ( (由多种蜂窝组成由多种蜂窝组成) )1、天线的概念2、振子3、带宽4、极化5、隔离6、定向7、馈线1、把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间、把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间2、收集无线电波并产生电信号、收集无线

16、电波并产生电信号将传输线中的高频电磁能将传输线中的高频电磁能 转成为自由空间的电磁波，转成为自由空间的电磁波，或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频或反之将自由空间中的电磁波转化为传输线中的高频电磁能。电磁能。天线的概念：天线的概念： 导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能导线载有交变电流时，就可以形成电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长短和形状有关力与导线的长短和形状有关. .如果导线位置如由于两导线的距离如果导线位置如由于两导线的距离很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很很近，且两导线所产生的感应电动势几乎可以抵消，因而辐射很微弱。如果将两导线张开，这

17、时由于两导线的电流方向相同，由微弱。如果将两导线张开，这时由于两导线的电流方向相同，由两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的两导线所产生的感应电动势方向相同，因而辐射较强。当导线的长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱长度远小于波长时，导线的电流很小，辐射很微弱. . 当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就当导线的长度增大到可与波长相比拟时，导线上的电流就大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐大大增加，因而就能形成较强的辐射。通常将上述能产生显著辐射的直导线称为振子。射的直导线称为振子。 无论是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率无论

18、是发射天线还是接收天线，它们总是在一定的频率范围内工作的。通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最范围内工作的。通常，工作在中心频率时天线所能输送的功率最大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线大，偏离中心频率时它所输送的功率都将减小，据此可定义天线的频率带宽。的频率带宽。 在移动通信系统中，指在规定的驻波比下天线的工作频在移动通信系统中，指在规定的驻波比下天线的工作频带宽度。具体的说，就是当天线的输入驻波比带宽度。具体的说，就是当天线的输入驻波比1.51.5时，天线的时，天线的工作带宽。工作带宽。 当天线的工作波长不是最佳时天线性能要下降，在天线当天线的工作波长不是最佳时天

19、线性能要下降，在天线工作频带内工作频带内,天线性能下降不多天线性能下降不多,仍然是可以接受的。仍然是可以接受的。无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，我们就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波极化波。 如果电波在传播过程中电场的方向是旋转

20、的，就叫作椭圆极如果电波在传播过程中电场的方向是旋转的，就叫作椭圆极化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就化波。旋转过程中，如果电场的幅度，即大小保持不变，我们就叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极叫它为圆极化波。向传播方向看去顺时针方向旋转的叫右旋圆极化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。化波，反时针方向旋转的叫做左旋圆极化波。 垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化垂直极化波要用具有垂直极化特性的天线来接收；水平极化波要用具有水平极化特性的天线来接收；波要用具有水平极化特性的天线来接收； 右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；

21、而左右旋圆极化波要用具有右旋圆极化特性的天线来接收；而左旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极旋圆极化波要用具有左旋圆极化特性的天线来接收。当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；即只能接收到来波的一半能量； 当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致

22、时，在接当来波的极化方向与接收天线的极化方向不一致时，在接收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任收过程中通常都要产生极化损失，例如：当用圆极化天线接收任一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生一线极化波，或用线极化天线接收任一圆极化波时，都要产生分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量；分贝的极化损失，即只能接收到来波的一半能量； 当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波当接收天线的极化方向（例如水平或右旋圆极化）与来波的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线的极化方向（相应为垂直或左旋圆极化）完全正交时，接收天线也就完全接收不到来波

23、的能量，这时称来波与接收天线极化是隔也就完全接收不到来波的能量，这时称来波与接收天线极化是隔离的。离的。形成定向辐射的原理：形成定向辐射的原理：反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线。反射面放在阵列的一边构成扇形覆盖天线。 “全向阵全向阵” 例如在接收机中为例如在接收机中为4mW功率功率 (顶视)天线天线“扇形覆盖天线扇形覆盖天线 ”将在接收机中有将在接收机中有8mW功率功率 连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称连接天线和发射（或接收）机输出（或输入）端的导线称为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。为传输线或馈线。传输线的主要任务是有效地传输信号能量。 因此它应能将

24、天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输因此它应能将天线接收的信号以最小的损耗传送到接收机输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，或将发射机发出的信号以最小的损耗传送到发射天线的输入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求入端，同时它本身不应拾取或产生杂散干扰信号。这样，就要求传输线必须屏蔽或平衡。传输线必须屏蔽或平衡。 2.2 智能天线原名自适应天线阵列（Adaptive Antenna Array）最初应用于雷达、声纳、军事方面，主要用来完成空间滤波和定位，相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。移动通信研究者给应用于移动通信的自适应天线阵起了一个较吸

25、引人的名字：智能天线，英文名为smart antenna或intelligent antenna。智能天线的概念由多个天线单元组成，每一个天线后接一个加权器（即乘以某一个系数，这个系数通常是复数，既调节幅度又调节相位，），最后用相加器进行合并。这种结构的智能天线只能完成空域处理，同时具有空域、时域处理能力的智能天线在结构上相对复杂些，每个天线后接的是一个延时抽头加权网（结构上与时域FIR均衡器相同）。自适应或智能的主要含义是指这些加权系数可以恰当改变、自适应调整。智能天线的基本结构智能天线智能天线。1）不仅能同时形成多个窄波束。2）每个波束可以自动跟踪每个用户。3）对于干扰信号天线自动形成零陷

26、点，使干扰信号、 不能被天线所接收。4）每个独立波束相互不相干，彼此正交。空间谱就是指信号的空间来向角，智能天线具有空间谱管理功能。 空间谱管理的含义：对空间谱进行滤波，对某些来向角的信空间谱管理的含义：对空间谱进行滤波，对某些来向角的信号进行加强，而对某些来向角的信号进行抑制号进行加强，而对某些来向角的信号进行抑制1. SMART antenna能够更有效地利用频率资源。 移动通信目前急待解决的问题：移动通信目前急待解决的问题： 用户数量的急增。业务内容的扩充， 解决此问题的办法：解决此问题的办法： 开发新的频率资源 提高现用频率的利用效率 蜂窝状小区结构解决空间频率复用蜂窝状小区结构解决空

27、间频率复用 TD、CD、FD也都是为解决提高频率利用效率的措施， 现在再加上一个SD技术。. SD技术对FDMA系统就是为每个载频提供一个波束；. SD技术对TDMA系统就是为每个时隙提供一个波束：. SD技术对CDMA系统就是为每个码道提供一个波束。 据初步估计，据初步估计，SDSD技术可使网络容量提高技术可使网络容量提高4 46 6倍。倍。智能天线的特点智能天线的特点2. 改善通信信号质量，降低整个移动通信系统的成本。 改善了信干比，改善了通信质量。 降低了收、发功率。 减少了总台服务当中基站的数目。 基于上述因素，国际电联确定SD技术为第三代移动通信标准中的可选技术。 1、 3G 概述

28、2、WCDMA无线部分的关键技术 3、 WCDMA无线网络规划3G 概述频道的划分 我国3G频道的划分： 主要工作频段： FDD方式：19201980MHZ/21102170MHZ TDD方式：18801920MHZ/20102025MHZ 补充工作频段： FDD方式：17551785MHZ/18501880MHZ TDD方式：23002400MHZ3G 的主流技术 WCDMA CDMA2000 TD-SCDMAWCDMA的优点WCDMA的优点： 1、 规模效应大，获得3G牌照的大多数运营商选择了WCDMA。 2、WCDMA核心网部分已有R4软交换的商用产品，向全IP网 络演进的路线明确。 3

29、、WCDMA可以采用异步或同步方式，风险小。1、多址技术2、调制、纠错编码技术3、功率控制技术4、软切换技术5、RAKE接受机6、智能天线7、软件无线电3G技术方案已基本统一到CDMA技术上。在CDMA系统中，移动台和基站之间采用码分多址方式进行连接。完全区别于传统的信号调制方式，信号可以在频率、时间和空间上互相叠加。3G用码字区分信道，码字长度不同，信道提供的速率就不同，所需的功率也不同。WCDMA 码分复用码分复用11111111113626221457WCDMA 频率复用频率复用调制、纠错编码技术大容量和高质量是无线通信的两个主要目标，选用的调制制度和信道编码方法非常重要。WCDMA中采

30、用LGMSK调制技术。WCDMA中采用Turbo编码进行卷积。Turbo码是一种比较新的信道编码技术，这种编码方式具有接近理论极限的优越性能。Turbo编码具有优越的纠错性能，对发射功率的要求不高，增加系统的容量。基站的覆盖范围随着用户的变化而变化。Mpole Path loss语音业务高速数据业务WCDMA支持从64Kb/s到384Kb/s不同速率的数据业务，不同速率的连接需要消耗不同的大小的功率，这就导致了系统中不同速率业务的覆盖范围是不一样的。一般来讲，速率越大，其覆盖范围越小，速率越小，覆盖范围越大。低速数据业务目的：为了克服WCDMA系统的远近效应，需要动态范围很高dB的功率控制。基

31、本原则：在可接受的信号质量下，功率控制到最小。上行链路功率控制方式分为开环和闭环两种。开环功率控制主要用于克服距离衰减。闭环功率控制主要用于克服多普勒效应产生的衰减，以保证基站接受到的移动台信号具有相同的功率。下行链路主要采用插入功率子信道实现前向的闭环功控。开环功控：从信道中测量干扰条件并调整发射功率，以达到期望的误帧率。当手机首次接入网络时，需要估计一个初始发射功率。通过比较受到的CPICH功率和从BCH信道解码后得到的数值，手机就可以计算出路径损耗，从而得到估计发射电平。CPICH：公共导频信道。BCH：广播信道。RACH/FACH：接入信道。闭环功控-内环：目的是调整UE的发射功率，使

32、基站接受到的上行链路的SIR值保持在一个给定的目标值SIR附近。内环功率控制的具体过程是基站对上行链路进行测量，得到信噪比估计值SIRest，然后根据以下规则产生TPC命令：如果SIRest 大于SIRtarget，则要求增加发射功率；反之，要求降低发射功率。闭环功控-外环： 由于实际的环境在不断变化，能满足链路质量要求的最低SIR门限会在一定范围内不断变化，因此需要加入外环功控来自适应地调整SIR门限值。RNC外环功率控制IF quality target增加SIR目标值快速功率控制IF SIR SIR目标值发射“功率上升”命令切换硬切换：移动台在不同频率或不同系统间的切换。先断后连。软切换：移动台在同一频率不同基站间的切换。先连后断。更软切换：移动台在同一基站不同小区间的切换。更软切换软切换在无线系统中，系统的性能和容量很大程度上取决所使用的接受机算法。RAKE接受机是CDMA系统设计的分集相干扩频接受器。可对多个携带相同信息且衰落特性相互独立的单经信号进行相位校正并进行最大比合并处理，从而达到克服多经衰落，提高接受信号与干扰比的目的。实际的CDMA系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。通过接受带有确知信息的导频信号，可以对多经信号的幅度和相位进行估计，从而使多经分析和相干接受成为可能。 智能天线配合功率控制技术，可大大提高网络容量和减少系统的远近效