第四章 移动通信网络的典型技术应用教材

1、第四章移动通信网络的典型技术应用移动通信概述电子工程学院2学习目标n频分多址接入n时分多址接入n码分多址接入n正交频分多址接入n资源再用手段n影响通话质量的若干因素移动通信概述电子工程学院3频分多址接入n典型系统nGSM网络移动通信概述电子工程学院4频分多址接入nGSM网络中n总带宽为25 MHzn每条子频带为200 KHzn频域共有125条物理信道n只有124条可用信道2信道1 信道N信道1 信道N收发间隔 信道带宽功率时间移动台收（基站发）移动台发（基站收）图41FDMA示意图移动通信概述电子工程学院6时分多址接入n典型系统nGSM网络移动通信概述电子工程学院7nGSM网络中n时间被分割成

2、周期性的TDMA帧n每一TDMA帧再分割成若干个时隙TS (Time Slot)，使得多个用户可以在同一频率进行通信时分多址接入图42TDMA示意图移动通信概述电子工程学院9在GSM网络中，每个载频被分割成时隙，每个时隙为在时隙中传输的信息被称为突发(burst)。同一个载频上，个时隙组成一个TDMA帧，msTslot5769. 0msTTslotTDMA6152. 48时分多址接入移动通信概述电子工程学院10nTDMA系统中，时隙设计需考虑n控制和信令信息的传输n多径传播的影响n系统的同步时分多址接入移动通信概述电子工程学院11n应采取的措施n在每个时隙中，专门划出部分比特用于控制和信令信息

3、的传输n在时隙中插入自适应均衡器所需的训练序列，来克服多径传播引起的码间干扰n在上行链路的每个时隙中预留一定的保护间隔，防止两个连续的时隙出现重叠n在每个时隙中插入传输同步序列时分多址接入移动通信概述电子工程学院12n典型系统n窄带CDMA网络n宽带CDMA网络n码分多址接入移动通信概述电子工程学院13n各个移动台使用由系统分配的、特殊的、不同的码型n每一个比特时间划分为m个短的间隔，称为码片(chip)码分多址接入移动通信概述电子工程学院14n每个移动台被指派一个唯一的m bit码片序列。n如发送1，发送自己的m bit 码片序列n如发送0，发送该码片序列的二进制反码nS 站的 8 bit

4、码片序列是 00011011。n发送1时，就发送序列 00011011，n发送0时，就发送序列 11100100。nS 站的码片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 码分多址接入移动通信概述电子工程学院15n每个移动台分配的码片序列必须各不相同n还必须互相正交(orthogonal)码分多址接入移动通信概述电子工程学院16n假设向量S表示移动台S的码片向量，令T 表示其他任意站的码片向量n两个不同移动台的码片序列正交，即向量 S和T的规格化内积(inner product)为0 码片序列的正交关系011miiiTSmTS(4-1)移动通信概述电子工程学院17n令向量S为(1 1 1

5、 +1 +1 1 +1 +1)，向量T为(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)n把向量S和T的各分量值代入式(4-1)就可知两个码片序列是正交的码片序列的正交关系移动通信概述电子工程学院18n任何一个码片向量和该码片向量自己的规格化内积都是1n一个码片向量和该码片反码的向量的规格化内积值是1 码片序列的正交关系mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS移动通信概述电子工程学院19CDMA工作原理S 站的码片序列 S S110ttttttm 个码片tS 站发送的信号 S Sx xT 站发送的信号 T Tx x总的发送信号 S Sx x + T Tx x规格化内积 S S S

6、 Sx x规格化内积 S S T Tx x数据码元比特发送端接收端图43CDMA示意图移动通信概述电子工程学院20OFDMA工作原理nOrthogonal Frequency Division Multiple Accessn正交频分多址接入nOFDM+FDMA+TDMA技术相结合的多址接入方式n应用于WiMAX (IEEE 802.16e)、4G网络移动通信概述电子工程学院21OFDMA工作原理n在频域内将给定信道分成许多个正交子信道n每个子信道上使用一个子载波进行调制n各子载波并行传输n数据先进行串并变换，再将并行信号分别进行调制并合并成一个OFDM符号图44OFDMA示意图移动通信概述电

7、子工程学院23OFDMA特点n各子载波相互正交，扩频调制后的频谱可以相互重叠n减少了载波间的相互干扰n提高了频谱利用率n很好地抵抗频率选择性衰落移动通信概述电子工程学院24无线信道要解决的问题n自由空间的传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区域的覆盖，通过合理的设计就可以消除这种不利影响n在无线通信系统中，重点要解决时间选择性衰落和频率选择 性 衰 落 。 采 用OFDM技术可以很好的解决这两种衰落对无线信道传输造成的不利影响移动通信概述电子工程学院25OFDMn正交频分复用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一种多载波传输方式移动通

8、信概述电子工程学院26OFDM实现原理nOFDM技术中各个子载波之间相互正交且相互重叠，可以最大限度地利用频谱资源nOFDM是一种多载波并行调制方式，将符号周期扩大为原来的N倍，从而提高了抗多径衰落的能力nOFDM可以通过IFFT (快速傅立叶反变换)和FFT (快速傅立叶变换)分别实现OFDM的调制和解调图45OFDM原理图移动通信概述电子工程学院28OFDM的关键技术n保护间隔GI (Guarding Interval)n循环前缀CP (Cyclic Prefix)n同步技术n信道估计n降峰均比技术移动通信概述电子工程学院29保护间隔路径路径2路径1的第二个符号和路径2的第一个符号形成干扰

9、 路径路径1多径效应将引起符号间干扰ISI (Inter-Symbol Interference) 移动通信概述电子工程学院30保护间隔保护间隔GI (Guarding Interval)路径路径2路径路径 1保护间隔保护间隔n加入保护间隔避免符号间干扰n当保护间隔的长度超过信道最大延迟，一个符号的多径分量不会干扰下一个符号 移动通信概述电子工程学院31保护间隔子载波子载波 1带有时延的子载波带有时延的子载波 2保护间隔保护间隔OFDM信号的积分区间信号的积分区间子载波子载波 2对子载波对子载波1带来的带来的ICI干扰干扰n引入保护间隔后，积分区间内不再具有整数个子载波，子载波间的正交性被破坏

10、，两个子载波之间会产生载波间的干扰 ICI (Inter-Channel Interference) 移动通信概述电子工程学院32循环前缀幅度保护间隔保护间隔FFT 积分时长积分时长 OFDM 符号长度符号长度n循环前缀是此符号后一段样点值的重复，加入循环前缀的目的是不破坏子载波间的正交性； n只要每个路径的时延小于保护间隔，FFT的积分时间长度就可以包含整数个多径子载波波形。循环前缀CP (Cyclic Prefix)循环前缀循环前缀时间移动通信概述电子工程学院33同步技术nOFDM系统要求n载波同步n实现接收信号的相干解调n样值同步n使接收端的取样时刻与发送端完全一致n符号同步n区分每个O

11、FDM符号块的边界，因为每个OFDM符号块包含N个样值n与单载波系统相比，OFDM系统对同步精度的要求更高，同步偏差会在OFDM系统中引起ISI及ICI图46OFDM原理图移动通信概述电子工程学院35信道估计n目的n受信道的影响，信号在信道传输过程中可能会出现失真，因此必须在接收端进行信道估测，把信道的影响估计出来，达到对信号进行精确还原的目的n加入循环前缀后的OFDM系统可等效为N个独立的并行子信道n如果不考虑信道噪声，个子信道上的接收信号等于各自子信道上的发送信号与信道的频谱特性的乘积n如果通过估计方法预先获知信道的频谱特性，将各子信道上的接收信号与信道的频谱特性相除，即可实现接收信号的正

12、确解调。移动通信概述电子工程学院36信道估计n常见的信道估计方法n基于导频信道n基于导频符号(参考信号)n多载波系统具有时频二维结构，因此采用导频符号的辅助信道估计更灵活移动通信概述电子工程学院37导频符号辅助方法n在发送端的信号中某些固定位置插入一些已知的符号和序列(训练序列)，在接收端利用这些导频符号和导频序列按照某些算法进行信道估计n多载波系统中，通常在时间轴和频率轴两个方向同时插入导频符号，在接收端提取导频符号估计信道传输函数Normal CP下单天下单天线口的导频图样线口的导频图样Normal CP下两天下两天线口的导频图样线口的导频图样图47OFDM原理图移动通信概述电子工程学院3

13、9降峰均比技术n时域上，OFDM信号是路正交子载波信号的叠加，当这路信号按相同极性同时取最大值时，OFDM信号将产生最大的峰值n该峰值信号的功率与信号的平均功率之比，称为峰值平均功率比，简称峰均比(PAPR)n在OFDM系统中，PAPR与有关，越大，PAPR的值越大n=1024时，PAPR可达30dBn大的PAPR值，对发送端的功率放大器的线性度要求很高，并降低功放效率移动通信概述电子工程学院40降峰均比技术nOFDM系统中采用了信号预畸变技术降低峰均比n实现原理n在信号被送到放大器之前，首先经过非线性处理，对有较大峰均比的信号进行预畸变，使其不会超出放大器的动态变化范围，从而避免过大的峰均比

14、出现n实现手段n限幅n压缩扩张移动通信概述电子工程学院41限幅n作用n信号经过非线性部件之前进行限幅，可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值n导致的问题n会对系统造成自身干扰n会导致带外辐射功率值的增加n解决方法n利用其他非矩形窗函数对OFDM符号进行时域加窗图48对OFDM信号时域加窗移动通信概述电子工程学院43压缩扩张n把大功率发射信号压缩，而把小功率发射信号进行放大，从而可以使得发射信号的平均功率相对保持不变。移动通信概述电子工程学院45资源再用n蜂窝小区n在移动通信中，被一个基站覆盖的地理范围移动通信概述电子工程学院46n典型的六边型模式n区群(motif)n包含了一组信道的、最小的蜂

15、窝小区群n规范中建议n一个区群中，信道(同一频率)仅仅只能出现一次n频率再用距离：两个使用同一频率的发射机间的最小距离区群移动通信概述电子工程学院47n组成区群的条件n区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖n邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等区群111111111112222224444444444333333图45N=4的区群移动通信概述电子工程学院49n载干比：C/(I+N)nC：收到的信号功率nI：同频干扰和邻频干扰nN：接收机系统本身的噪声n载干比门限值越小，频率再用距离就越小，区群就越小。区群移动通信概述电子工程学院50n同频小区的再用距离：式中，N为区群中的小

16、区数，R为小区的外接圆半径。RND3区群(4-2)11111111111图46再用距离DR相对于一个蜂窝小区来说，和它使用同频的蜂窝小区的中心都位于一个同心圆上。移动通信概述电子工程学院52定向天线n在移动通信网络中，可采用每个天线覆盖一个蜂窝小区。n每个基站收发器BTS (Base Transceiver Station)采用三副120扇形辐射的定向天线。n这三副天线在逻辑上由同一个BSC管理，它们使用不同的频率。图47GSM中定向天线的应用GSM中常见的最小区群移动通信概述电子工程学院54影响通信质量的因素n一个网络允许5%10%的手机的接收电平低于系统规定的门限值。nGSM规范中规定保证

17、正常运作的C/I值为9 dB，最小的区群所含小区数等于9。图48C/I值和区群大小的关系xP(C/Ix dB)假设阴影效应带来的衰减为7 dB和取值3.5移动通信概述电子工程学院56影响通信质量的因素n电磁波的传播是开放式的n外界电磁干扰的影响比接收机自身噪声的影响要大得多n必须同时考虑噪声和干扰的影响移动通信概述电子工程学院57影响通信质量的因素n系统的C/(I+N)通信质量，但是C/(I+N)与发射功率无关。n必 须 考 虑 C / I ( 无 噪 声 时 ) 和 E c / N o (Ec/NoC/N) (无干扰时) ，还有各自对应的安全间隔功率。nEc：每个bit的能量nNo：噪声频谱密度移动通信概述电子工程学院58小区门限C/(I+N) 9dB5dB3dB安全间隔C/I=9dBEc/N0=dB门限影响通信质量的因素移动通信概述电子工程学院59影响通信质量的因素n必须考虑相邻信道的影响nGSM规范中，建议运营商在该门限值的基础上加一个安全间隔值ACS (Adjacent Channel