4-移动通信的基本技术

移动通信技术

—基本原理课程结构概述1移动通信的电波传输2移动通信的干扰和噪声3移动通信的基本技术4移动通信的组网技术54.1多址接入技术4.2语音编码技术4.3信道编码和交织技术4.4数字调制技术4.5常用的抗衰落、抗干扰技术4.移动通信的基本技术移动通信系统如何区分不同的用户、不同的基站呢对不同用户台和基站发出的信号赋予不同特征多址技术4.1多址接入技术频分多址FDMA（FrequencyDivisionMultipleAccess）时分多址TDMA（TimeDivisionMultipleAccess）码分多址CDMA（CodeDivisionMultipleAccess）空分多址SDMA（SpatialDivisionMultipleAccess）4.1多址接入技术FDMA：是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道，因此一个频道称为一个信道，不同的用户靠频率来区分。4.1多址接入技术特点：

信号功率被集中起来传输，来自邻近信道的干扰用带通滤波器限制。因此滤波器的选择性非常重要。代表：第一代模拟通信系统FDMA

f=25kHzTDMA：是把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙，信号根据一定分配原则在预定的时隙（TS）中传输，因此一个时隙称为一个信道。4.1多址接入技术特点：

移动台到基站的距离是随机的变化，到达基站的信号传输时延是不固定的，所以系统同步非常关键。代表：第二代蜂窝通信系统——GSM系统FDMA+TDMA

f=200kHzTS0~TS7CDMA：每一移动台被分配一个彼此互不相关的随机的码序列，这种随机码满足正交或者准正交，因此每一个地址码称为一个信道。4.1多址接入技术特点：

所有不同的移动台共占同一频率。代表：IS-95CDMA网络，以及3G等FDMA+CDMA（IS-95）

f=1.25MHz（IS-95CDMA）

f=1.25MHz（CDMA2000）

f=5MHz（WCDMA）

f=1.6MHz（TD-SCDMA）CDMA系统的优点：良好的多址能力，系统内不同用户（基站、信道等）占用相同的频率，靠彼此互不相关的地址码序列来区分采用扩频技术，良好的抗干扰、抗衰落能力系统容量大，由于是自扰系统，具备软容量能够实现软切换，减小掉话率发射功率小（扩频技术扩展了信号带宽，使信号的功率谱密度大大降低），绿色环保续航时间久由于采用扩频技术，安全性能高与窄带信号的兼容性好

4.1多址接入技术GSM系统中MS语音信号处理过程移动台的语音信号处理过程目的

为了提高数字信号的有效性以及使模拟信号数字化，并采用有效的编码方式及对信息数据率的压缩，力求以尽可能低的比特率传输与原信号质量相当的信号，这样就可以在有限的带宽范围内容纳更多的用户，提高系统容量。可行性通过算法和技术进行信号的重建。利用人耳对声音感知的生理特性来进一步压缩数据率。采用多种编码方式对数据率进行压缩。4.2移动通信系统中的信源编码实用语音编码技术波形编码：依据语音信号的时域波形来进行编码，其目的在于尽可能精确地再现原来的语音波形。（PCM、ΔM、SBC、ATC）声源（参量）编码：将语音信息用特定的声源模型表示。仅对语音特征参数进行编码传输因此比特率很低。声源编码的设备称为声码器，如LPC声码器、余弦声码器。混合编码：把波形编码的高质量和声码器的高效压缩性融为一体，尤其在16bit/s～8kbit/s范围内达到良好的语音质量。有线系统：脉冲编码调制（PCM）64kbit/sGSM：规则脉冲激励长期性预测（RPE-LTP）13kbit/sCDMA：码激励线性预测编码（CELP）8kbit/s4.2语音编码技术4.2语音编码技术GSM系统中MS语音信号处理过程移动台的语音信号处理过程信道编码的目的：提高数字信号的抗干扰、抗衰落能力，使在信道中传输的数字信号本身具有一定的误码判断能力或纠错能力，提高信号传输的可靠性。信源编码

去除冗余成分

实现数据压缩信道编码

添加冗余成分

改善链路的性能信道编码的种类：按纠错检错能力：检错码、纠错码、纠删码按检验关系：线性码和非线性码按约束关系：分组码与卷积码4.3信道编码和交织技术分组码：分组码的实现是将信息序列分组后再单独进行编码，任意码组的监督码元只与本码组的信息码元有关。卷积码：卷积码可以说是特殊的分组码，因为它的监督码元不仅与本组的信息码元有关，而且还与前若干组的信息码元有关。这种码的纠错能力强，不仅可纠正随机差错，而且可纠正突发差错。码元分组是信道编码的基本形式！！4.3信道编码和交织技术编码中的一些概念码字：一组码元，常称为码字(codeword)。码距：在两个码字之间相应的码位上有着不相同的码元的位数之和。约束长度：如果监督码组与前面的N个信息码组都有关系，则称约束长度为N。编码效率：

k/nFEC：前向纠错4.3信道编码和交织技术实例：GSM系统的编码4.3信道编码和交织技术无线系统中常见的两类误码：随机性误码：它是单个码元错误，并且随机地发生，主要由噪声引起；突发性误码：长串连续的块状误码！！！主要是由于衰落或阴影造成的。祸不单行啊，怎么办4.3信道编码和交织技术GSM系统中MS语音信号处理过程移动台的语音信号处理过程4.3信道编码和交织技术MRCU原始信息：MOTOROLACELLULAR…OOELTLLAOALRMOTOROLACELLULARMOTOROLACELLULAR空中信息：MRCUOOELTLLAOALR…交织编码交织解码解码信息：MOTOROLACELLULAR…MRCUOOELTLLAOALR交织实例（无错）：MRCU原始信息：MOTOROLACELLULAR…OOELTLLAOALRMOTOROLACELLULARMOTOROLACELLULAR空中信息：MRCUOOELTLLAOALR…交织编码交织解码解码信息：MOTOROLACELLULAR…MRCUOOELTLLAOALR4.3信道编码和交织技术交织实例（出错）：GSM的交织（隐时间分集）4.3信道编码和交织技术GSM系统中MS语音信号处理过程移动台的语音信号处理过程数字移动通信中调制方式的选择需满足三大条件：可靠性：即抗干扰性能，选择具有低误比特率的调制方式，其功率谱密度集中于主瓣内；有效性：它主要体现在选取频谱有效的调制方式上，特别是多进制调制；工程上成本低且易于实现：它主要体现在恒包络与峰平比的性能上。4.4数字调制技术两种基带信号的符号数字通信的目的就是把数字信息，即0或1的信息如何准确而迅速地传输到对方。系统用语音编码、信道编码等技术把话音变换为0与1的二值信息。然后用相应的符号（波形）表示0与1。4.4数字调制技术基带信号与频带信号无线传输的基本：通过调制把基带信号能量的大部分转移到正弦高频分量上，以电波形式发射出去。信号的频谱分析一个脉冲波是多种频率不同正弦波的合成。用正弦波组合表示任意波形时。4.4数字调制技术4.4数字调制技术ASK频谱的形状a）基带信号的时间波形b）调制信号的频谱a）3dB等效带宽b)等效噪声带宽调制的原因及调制信号带宽的定义4.4数字调制技术数字调制恒定包络不恒定包络ASK（幅度键控）QAM（正交幅度）MQAMFSK（移频键控）PSK（移相键控非连续相位路径）CPM（连续相位调制）BFSKMFSKBPSKQPSKMPSKMSKGMSKTFM（平滑调频）OQPSKπ/4-QPSKDQPSKMASK基本的幅度、角度调制4.4数字调制技术采用理想的相干解调方式的误比特率4.4数字调制技术MSK与FSK对比4.4数字调制技术GMSK与MSK对比4.4数字调制技术数字相位调制QPSK与OQPSK需考虑的指标：频谱效率功率谱旁瓣相位跳变4.4数字调制技术正交振幅调制通过相位和振幅的联合控制，可以得到更高频谱效率的调制方式，从而可在限定的频带内传输更高速率的数据。这对于利用窄带实现高速数字传输是有效的。然而，这种方式容易受衰落的影响。4.4数字调制技术各数字调制方式的频带利用率及BER性能4.4数字调制技术CDMA系统使用的调制技术：IS-95CDMA系统:前向信道--BPSK反向信道--OQPSKCDMA20001X系统:前向信道--QPSK反向信道—OQPSKWCDMA系统前向信道—QPSK，以后引入16QAM反向信道--BPSK其他系统使用的调制方式：GSM系统：GMSKGPRS系统：GMSKEDGE系统：8PSK4.4数字调制技术GSM系统中MS语音信号处理过程移动台的语音信号处理过程1、分集接收的概念定义：利用多条传输相同信息且具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性的信号路径，然后将这多个信号按一定的规则进行合并，使实际接收到的信号具有较大的能量、较小的电平起伏，以减小各种衰落对接收性能的影响，改善传输性能。分集接收包含有两重含义：分散传输：使接收端能够获得多个携带同一信息但统计独立的衰落信号；集中处理：即把接收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并（或选择），从而降低衰落的影响，改善系统的接收性能。4.5.1分集技术2、分集方式

隐分集是指分集作用隐含在传输信号中，在接收端利用信号处理技术实现的分集。它包括交织编码技术，跳频技术，直扩技术等，一般用在数字移动通信系统中。

显分集指的是构成明显分集信号的传输方式，多指利用多副天线接收信号的分集方式。

按照分集的目的即为了减小慢衰落还是快衰落的影响，又把显分集分为宏（macroscopic）分集和微（microscopic）分集两种。4.5.1分集技术宏分集（多基站分集）：用于蜂窝通信克服慢衰落。慢衰落是由阴影区引起的，具体做法是把多个基站设置在不同的地理位置上和方向上，并同时和小区内的移动台进行通信。利用了在各个方向上的信号传播不同时出现严重慢衰落。4.5.1分集技术

微分集是以减小即快衰落为目的，应用于各种无线通信系统。快衰落是由移动台附近地物的复杂反射引起的，通常导致小距离范围内信号的深度衰落。按照路径的选择方法不同，微分集又可分为空间分集、频率分集、时间分集、极化分集和角度分集等多种。4.5.1分集技术1）

空间分集(spacediversity)理论依据：空间距离越大，多径传播的差异就越大，所接收场强的相关性就越小。具体做法：可采用一副发射天线，多副接收天线的方式。分集的支路数m为2~4重。天线间水平间隔效果远比垂直间隔好。通过统计分析和实际建设的环境决定接收天线间距d的选取。4.5.1分集技术2）

极化分集(polarizationdiversity)理论依据：两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号具有不相关的衰落特性。具体实现：在发射端装上垂直/水平极化天线或45度极化天线，就可得到两路衰落特性不相关的信号。极化分集实际上是空间分集的特殊情况——分集支路只有两路且相互正交。特点：结构比较紧凑，采用双工器只需一副收发合一的天线。其缺点是通过电桥等器件将发射功率分配到两副天线上时有3dB的信号功率损失。4.5.1分集技术空间分集与极化分集的对比4.5.1分集技术3）

角度分集(anglediversity)理论依据：由于地形地貌和建筑物等环境因素的影响，到达接收端的不同路径的信号可能来自于不同的方向（角度），这些信号具有不相关性。具体做法：在接收端采用定向天线，接收并合并信号。由于高频信号方向性强，角度分集在较高频率时更容易实现。

角度分集实际上是空间分集的特殊情况。4.5.1分集技术4）

频率分集(frequencydiversity)理论依据：相干带宽指的是频带最大带宽，在此带宽内，两个信号的传输系数的统计特性是强相关的，但当两个频率之间的间隔超过相干带宽时就不相关了。具体做法：在发射端将信息用频率间隔大于相干带宽的不同载频发射，在接收端可得到衰落特性互不相关的信号，从而减小信号的衰落影响，提高通信质量。如采用扩频的CDMA系统。特点：缺点要占用更多的频谱资源，在发射端需要多部发射机和独立的接收机来接收信号，设备复杂不经济。4.5.1分集技术5）

时间分集(timediversity)理论依据：将信号在时间上相隔ΔT重复发送（m次），ΔT大于信道的相干时间，

就能保证信号衰落的不相关性，

从而在接收端得到条独立的分集支路。典型应用：RAKE接收，有利于克服移动通信中由多卜勒效应引起的信号衰落现象。由于相干时间与移动台速度成反比，因此移动台相对静止时，时间分集没有用处。4.5.1分集技术3、合并方式

接收端收到M（M≥2）个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。一般均使用线性合并器，把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出。假设M个输入信号电压为r1（t），r2（t），…，rM（t），则合并器输出电压r（t）为

式中，ak为第k个信号的加权系数。4.5.1分集技术

选择不同的加权系数，则可以对分散的信号进行合并通常有以下几种方法：

（1）最佳选择式：通过逻辑电路选择具有最高基带信噪比(SNR)的基带信号作为输出，其实现容易由于未被选择的支路信号弃之不用，抗衰落性能一般。4.5.1分集技术（2）最大比值合并：是一种最佳合并方式。该方式控制各支路增益，使它们分别与本支路的信噪比成正比，即根据各支路的信噪比来设置增益值，然后再相加以获得接收信号。4.5.1分集技术（3）等增益相加式：把几个分散信号以相同的支路增益直接相加的结果作为接收信号。合并方式实现比较简单，其性能接近于最大比值合并。

4.5.1分集技术（4）也称为扫描式分集(scanningdiversity)，其优点是仅使用一套接收设备。该方式监视接收信号的瞬时包络，当本支路的瞬时包络低于预定门限时，将天线开关置于另一个支路上。4.5.1分集技术（5）合并方式性能比较

等增益合并的各种性能与最大比值合并相比低得不多，但从电路实现上看，较最大比值合并简单，尤其是加权系数的调整，前者远较后者简单，因此等增益合并是一种较实用的方式，当分集重数不多时，选择式合并方式仍然是可取的。a、最大比合并b、等增益合并c、选择式合并分集合并后的平均信噪比改善程度4.5.1分集技术4、分集系统的性能分集接收之后，误码率将会得到改善，右图是速率为16kbit/s的GMSK（BbTb=0.25）信号的实验结果。结论：使用选择分集后，在同样误码率的条件下，需要的载噪比(中值)降低，因此，基站一般采用二重分集接收，约10的dB好处。4.5.1分集技术窄带调制技术：在保证一定的误码率性能的条件下，使已调信号尽量占用较窄的传输带宽，以提高频带利用率。扩频调制技术：使已调信号占有很宽的频带，通常它所占用的带宽要比要求的最小信号带宽大好几个数量级。扩频通信（SpreadSpectrumCommunication）包含的意义：信号的频谱被大大地展宽采用互不相关的扩频码序列进行调制来展宽信号频谱在接收端用同样的码序列利用相关性解调来解扩

4.5.2扩频、跳频技术以直扩为例说明扩频过程4.5.2扩频、跳频技术扩频通信的优点1.提高了频率利用率。2.抗干扰性强，误码率低3.隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小4.可以实现码分多址5.抗多径干扰6.适合数字话音和数据传输，

以及开展多种通信业务7.安装简便，易于维护8.能精确地定时和测距4.5.2扩频、跳频技术跳频、扩频调制技术-几个概念定频通信：载波频率固定，都是在指定的频率上进行通信，易受干扰。跳频系统：载波频率不固定，在给定的一个频率范围内伪随机地跳变，跳变模式由一个伪随机码（PN码）控制。4.5.2扩频、跳频技术跳频图案：跳频通信中载波频率改变的规律，叫作跳频图案。跳频集（hopset）：系统所有可能的载波频率的集合。瞬时带宽：跳变集中某一频率单独工作所占用的带宽。总跳频带宽：在跳频中可能跨越的最大频谱宽度。跳变的速率：快跳频（F-FH）和慢跳频（S-FH）4.5.2扩频、跳频技术抗多径衰落要求跳频信号驻留时间小于多径延迟时间差，跳频速度快，实现难度大。抗同道干扰利用跳频技术构成准正交跳频网，使同频干扰离散化，减少同频干扰的重合次数，从而减少同频干扰的影响。抗频率选择性衰落跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留时间内的信号相互独立。

直扩系统是依靠频谱的扩展和解扩处理提高信噪比的，跳频则是依靠躲避干扰来达到提高信噪比的。跳频如何提高信噪比，改善系统性能？与一般的扩频通信的改善又有什么区别？4.5.2扩频、跳频技术快跳频：一位符号在多个跳频载波上传输，具有频率分集和时间分集。慢跳频：在一跳驻留时间内传输多个符号，慢跳频技术与交织编码技术相结合，构成具有时间分集和频率分集作用的隐分集。跳频在GSM系统中的应用

GSM系统采用的是慢跳频，每秒217跳，每跳约1.2kbit。一个MS在一个时隙内用固定频率发送或接收信号，在必要时，在一个时隙后跳到另一个频道的下一个TDMA帧中，即GSM的跳频是在两个时隙之间实现的。为了保证系统的正常工作，要求跳频在1ms之内完成。同一小区内，BS和MS将同时发生跳频。GSM的CCCH信道是不用跳频的。4.5.2扩频、跳频技术直接序列扩频技术直扩技术抗多径（利用相关时间特性）IS-95的CDMA系统，码片速率1.2288Mcps，因此可抗1μs的多径干扰通过多径信号的分离与合并时，构成RAKE接收机，实现时间分集直扩技术抗干扰直扩的自相关特性抗干扰，其抗干扰的能力可用直接序列扩频处理增益来表征。直扩技术抗频率选择性衰落（利用相关带宽特性）扩频后带宽远大于信道相关带宽时而起到频率分集的作用4.5.2扩频、跳频技术GSM系统中MS语音信号处理过程移动台的语音信号处理过程定义：均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播