第2章移动通信基本技术及原理ppt课件.ppt
第2章 移动通信基本技术及原理,2.1 电波传播特性与信道建模技术,移动信道是一个时变的随参信道，这是由于一方面移动通信双方都有可能处于高速移动状态，另一方面移动通信收发信机之间的传播环境处于动态变化中，最终使无线传播路径复杂多变，整个无线信道参数处于时变状态。移动通信中的各类新技术，都是针对移动信道的动态时变特性，为解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性的基本指标而设计的。因此，分析移动信道的特点是解决移动通信关键技术的前提，也是产生移动通信中各类新技术的源泉 。,2.1.1无线电波传播特性,无线电波传播有天波、地波、视距传播等主要方式，而在移动通信系统中，由于受到不同的环境影响，如城区的高层建筑、郊区的山体、其他电磁辐射影响等干扰，使得无线电波传播出现明显的多径效应，引起多径衰落。,移动环境下信号场强实测,场强,位置,发射机天线发出的无线电波，可由不同的路径到达接收机，当频率f30MHz时，典型的传播通路如图2-1所示。直射、反射、绕射是主要形式，有时穿透直射波与散射波的影响也需要适当考虑。,图2-1 无线传播路径,对无线电波传播模型的研究，传统上集中于距发射机一定距离处平均接收信号场强的预测，以及特定位置附近信号场强的变化。对于预测平均信号场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述的是发射机与接收机之间长距离（T-R）长距离（几百米或是几千米）上的信号场强变化，所以称为大尺度传播模型；另一方面，描述无线电信号在短距离或短时间传播后其幅度、相位或多径时延快速变化的称为小尺度衰落传播模型。当移动台在极小范围内移动时，可能引起瞬时接收场强的快速波动，即小尺度衰落，其原因是接收信号由不同方向信号合成。小尺度衰落也称为快衰落。由于小尺度衰落变化速度较快，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。这种衰落是由于同一传播信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干扰所引起的。,大尺度衰落与小尺度衰落,2.1.2 移动信道特征,1传播特征 传播的开放性。无线信道都是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输的。它不同于固定的有线通信，是基于全封闭式的传输线来实现信息传输的。 接收环境的复杂性。接收点地理环境的复杂多样，一般可将接收点地理环境分为高楼林立的城市繁华区、以一般性建筑为主的近郊区、以山区和湖泊等为主的农村及远郊区。 通信用户的随机移动性。用户通信一般有3种状态：准静态的室内用户通信、慢速步行用户通信、高速车载用户通信。,3种损耗, 路径损耗：即电波在空间中传播产生的损耗。它反映出电波在宏观范围内的空间距离上接收信号电平平均值的变化趋势。 慢衰落损耗：主要是指电波在传播路径上受到建筑物等阻挡所产生阴影效应时的损耗。它反映出电波在中等范围内的接收信号点评平均值起伏变化趋势。 快衰落损耗：它是反映微观小范围接收电平平均值的起伏变化趋势。其电平幅度分布一般遵从瑞利分布、莱斯分布和纳卡伽米分布，变化速度比慢衰落快，因此称为快衰落。快衰落还可分为：空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。,4种效应, 阴影效应：由于大型建筑物和其他物体遮挡，在电波传播的接收区域产生传播半盲区。 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也在随机的变化，若各种移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近的信号强，反之则弱。 多径效应：由于接收者所处地理环境复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，而且它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样。所接收到的信号实际上是各路径信号的矢量和。多径效应是移动信道中较主要干扰。 多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移动中，比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只在高速车载通信时出现。,2主要快衰落,图2-3 空间选择性衰落信道原理图,图2-4 频率选择性衰落信道原理图,图2-5 时间选择性衰落信道原理图,3多普勒频移,无线电波从源S出发，在X点与Y点分别被移动台接收时所走的路径差为,在这里t是移动台从X运动到Y所需的时间，是X和Y与入射波的夹角。由于源端距离很远，可以假设X、Y处的是相同的。所以，由路径差造成的接收信号相位变化值为,由此可以得出频率变化值，即多普勒频移fd为,图2-6 多普勒效应示意图,2.1.3移动信道建模技术,移动通信信道模型作为推动整个移动通信发展的关键技术之一，也是移动无线系统设计中关键点与难点。国内外都对它做了大量的研究，并得到了一些成果，已建立的移动信道模型从建模方法上分为几何模型、经验模型与概率模型3类（参见8.3节），从研究角度分为空域模型、时域模型和时空域模型3类。在移动通信发展初期，接收天线大都只考虑接收信号的平均功率，对信道模型，对其研究时主要是考虑电磁波在传播过程中的损耗，以便预测基站的无线覆盖范围，用于频率规划设计。随移动通信业务的迅猛发展，用户数量急剧增加，要求移动通信在有限的频率资源上极大地提高系统容量，于是便引进了分析接收信号幅度分布情况（即衰落分布情况）、多普勒频移情况，模型要能更多地描述传播信道的空时特性，以便寻找更多的应对措施（新技术）以提高移动通信质量，并扩大其通信能力。,2.2 多址技术,为什么研究多址技术2.2.1多址方式 从本质上讲，多址技术是研究如何将有限的通信资源在多个用户之间进行有效的切割与分配，在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统容量的一门技术。 多址技术把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒介，实现各用户之间通信，因此，多址技术又称为“多址连接”技术。 多址技术与通信中的信号多路复用是一样的，实质上都属于信号的正交划分与设计技术。不同点是多路复用的目的是区别多个通路，通常是在基带和中频上实现的，而多址技术是区分不同的用户地址，通常需要利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态用户地址，同时为了实现多址信号之间不相互干扰，信号之间必须满足正交特性。 移动通信中常用的多址技术有3类，即FDMA、TDMA、CDMA，实际中也常用到这3种基本多址方式的混合多址方式。,FDMA,在频分多址通信网络中，将可使用的频段按一定的频率间隔（如25kHz或30kHz）分割成多个频道。众多的移动台共享整个频段，根据按需分配的原则，不同的移动用户占用不同的频道。各个移动台的信号在频谱上互不重叠，其宽度能传输一路话音信息，而相邻频道之间无明显干扰。为了实现双工通信，信号的发射与接收就使用不同的频率（称之为频分双工）。收发频率之间有一定的间隔，以防同一部电台的发射机对接收机的干扰。这样，在频分多址中，每个用户在通信时要用一对频率（称之为一对信道）。（频道划分，频带独享，时间共享） 用户地址：频道号,FDMA,TDMA,（时隙划分，时隙独享，频率共享） 用户地址：时隙号,CDMA,（码型划分，时隙、频率共享） 用户地址：码型,3种多址的比较,其他多址技术,在3G系统中，为进一步扩展容量，也辅助使用SDMA（空分多址）技术，当然它需要智能天线技术的支持。在蜂窝系统中，随着数据业务需求日益增长，另一类随机多址方式如ALOHA和CSMA等也得到了广泛应用。4G系统中，使用了OFDMA多址等多址接入技术。而之后移动通信系统研究中将FBMC（基于滤波器组的多载波）等先进多址技术纳入考虑。5G通信系统中将考虑采用非正交多址技术（NOMA），其基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除（SIC）接收机实现正确解调。虽然采用SIC技术的接收机复杂度有一定的提高，但是可以很好的提高频谱效率。用提高接收机的复杂度来换取频谱效率，这就是NOMA技术的本质。还可采用射束分割（BDMA）多址技术。当基站与移动台之间产生通信连接时，一个正交的射束就会被分配给每一个移动台。目前的射束分割多址技术主要内容是根据移动台的位置，将一个天线射束分割，并允许移动台提供多个信道，这样会有效地提高系统的容量。,SDMA：基站的智能天线形成多个波束覆盖整个小区。 很少的相交，所以可采用相同的频率，相同的时隙等。,2.2.2 扩频通信,1扩频通信系统类型,图2-9 扩频通信原理框图,扩频通信与普通的数字通信比较，多了扩频调制和解调部分。按照扩展频谱的方式不同，目前的扩频通信系统可分为：直接序列（DS）扩展、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频（chirp）以及这几种方式的组合。,图2-10 直接序列扩频示意图,2伪随机序列,二进制m 序列是一种重要的伪随机序列，有优良的自相关特性，有时称为伪噪声（PN）序列。m序列具有周期性，易于产生和复制，但其随机性接近于噪声和随机序列。m序列在扩频通信及码分多址中有着广泛的应用，并且在m序列基础上还能构成其他码序列。m序列是最长线性移位寄存器的简称，即由多级移位寄存器或其延迟原件通过线性反馈产生的最长序列。扩频通信中常用的码序列除了m序列之外，还有M序列、Gold序列、R-S码等，在CDMA移动通信中还使用相互正交的Walsh函数,Gold序列,Gold序列的周期互相关性比m序列更好。Gold序列是由m序列“优选对”组成的。所谓优选对是指m序列中互相关值为-1,-t(n),t(n)-2的一队序列，其中,例如，若n=10，则t(10)=26+1=65，周期互相关性的三个取值为-1,-65,63。因此，这样的m序列的最大互相关Rc,max=65，而由10级具有不同反馈连接的移位寄存器产生的60种可能的m序列族的峰值互相关性却是383，是65的近6倍。,M序列,M序列也是由反馈移位寄存器产生的，是一种非线性反馈移位寄存器序列，其长度为2n，达到了n级反馈移位寄存器能够得到的最长周期，因而也称为全长序列。M序列与m序列相比，在级数n相同的条件下，能得到更多的序列。,表2-1 M序列与m序列数目比较,2.3 调制技术,移动通信对调制技术的要求: 调制频谱的旁瓣应该尽量小，避免对邻近信道的干扰。 调制频谱效率高，即要求单位带宽传送的比特速率高。 能适应瑞利衰落信道，抗衰落性能好。即在瑞利衰落环境中，达到规定的误码率要求，解调时所需的信噪比低。 调制和解调的电路容易实现 。,2.3.1 基本数字调制技术,目前移动通信系统的常用调制方式有以BPSK、QPSK、OQPSK和/4QPSK等为代表的线性调制和以MSK、TFM和GMSK等为代表的恒包络调制；也考虑综合利用线性调制技术和恒包络技术的多载波调制方式，主要有多电平PSK、QAM等。而在较先进的移动通信系统中还使用了OFDM调制来提高频率利用率。以前，人们认为移动通信中应主要采取恒包络调制，以减少衰落信道对振幅的影响。但实用化的线性高功放在1986年取得了突破性的进展后，人们又重新对简单易行的BPSK 和QPSK等线性调制方式予以重视，并在它们的基础上改善峰均比以提高频谱利用率，改进的调制方式有：OQPSK CQPSK和HPSK等。同样，以前认为采用多进制调制会使误码率升高，导致接收时需要更高的信噪比，因此不倾向在移动通信中使用这种调制方式；但随着移动通信中传输数据速率的提高，频带利用率要求提高，更多的移动通信系统考虑采用这一类调制方式，并采用更好的信道编码技术，减少误码率，从而克服其自身缺点。,2数字相位调制,1）二进制绝对移相键控和相对移相键控 二进制绝对移相键控（2PSK）利用载波的初始相位“0”或“”来表示信号“1”或“0”，在解调时只能用相干解调方法，利用相干载波来恢复调制信号。如果解调时载波的相位发生变化，如由0相位变为相位或反之，则在恢复信号过程中，就会发生误判现象。 二进制差分相移键控简称为二相相对调相（2DPSK）。它不是利用载波相位的绝对数值传送数字信息，而是用前后码元的相对载波相位值传送数字信息，其中，相对载波相位是指本码元初相与前一码元初相之差。,2）正交移相键控（QPSK）,图2-12 直接调相法产生QPSK（4PSK）信号原理框图,图2-13 QPSK的相干解调原理框图,2.3.2/4DQPSK调制,/4DQPSK调制是一种正交差分相移键控调制，它的最大相位跳变值介于OQPSK和QPSK之间。QPSK最大相位跳变值为180，而QPSK调制的最大相位跳变值为90，/4DQPSK调制则为135，这种方法是之前两种方法的折中，一方面它保持了信号包络基本不变的特性，降低了对于射频器件的工艺要求；另一方面它可以采用非相干解调，从而简化了接收机的复杂程度。但采用差分解调方法，其性能比相干解调的QPSK要差，可采用Viterbi算法来实现检测。,/4DQPSK的调制方式可表示为,式中,，,表2-2 /4DQPSK信号相位映射,图2-14 /4DQPSK调制星座图,2.3.3 GMSK调制,MSK调制是一种恒包络调制，这是因为MSK是属于二进制连续相位移频键控(CPFSK)的一种特殊的情况，它不存在相位跃变点，因此在限带系统中，能保持恒包络特性。恒包络调制可提供以下优点：极低的旁瓣能量；可使用高效率的丙类高功率放大器；容易恢复用于相干解调的载波；已调信号峰均比低。,图2-15 GMSK信号的不同BT值的射频功率谱,图2-16 采用直接FM构成的GMSK发射机的框图,图2-17 GMSK正交相干检测器框图,2.3.4 多进制调制,多进制数字调制具有以下几个特点。 在码元速率（传码率）相同条件下，可以提高信息速率（传信率），使系统频带利用率增大。码元速率相同时，M进制数字调制系统的信息速率是二进制的log2M倍。在实际应用中，通常取M=2k，k为大于1的正整数。 在信息速率相同条件下，可以降低码元速率，以提高传输的可靠性。信息速率相同时，M进制的码元宽度是二进制的log2M倍，这样可以增加每个码元的能量，并能减小码间串扰影响等。,2.3.5 OFDM调制,1OFDM消除码间串扰 OFDM技术提供了让数据以较高的速率在较大延迟的信道上传输的另一种途径。其基本原理是将高速的数据路分接为多路并行的低速数据流，在多个正交载波上同时进行传输，对于低速并行的子载波而言，由于符号周期展宽，多径效应造成时延扩展变小。当每个OFDM符号中插入一定的保护时间后，其码间串扰就可以忽略了。一个OFDM信号由频率间隔为f的N个子载波构成，因此系统总带宽B被分成N个等距离的子信道，所有子载波在一个间隔长度Ts=1/f的时间内相互正交。第k个子载波信号用函数 ，k=1,2,，N-1来描述。保护间隔的作用是为了避免多径信道上产生的码间串扰。只要保护时间大于多径时延扩展，则一个符号的多径分量不会干扰相邻符号。,图2-18 保护时间内发送全0信号由于多径效应造成的子载波间干扰,图2-19 OFDM符号的循环前缀结构,2OFDM对抗频率选择性衰落,图2-20 OFDM技术节省带宽示意图,3OFDM系统基本模型,图2-21 OFDM系统框图,2.4 抗衰落、抗干扰技术,移动通信系统中由于多径衰落和多普勒频移的影响，移动无线信道及其易变。这些影响对于任何调制技术来说都会产生很强的负面效应。为了克服这些衰落，传统的方法有分集接收、均衡技术和信道编码技术。,2.4.1 分集技术,分集接收就是为了克服各种衰落，提高无线传输系统性能而发展起来的一项重要技术。分集接收的基本思想是：将接收到的多径信号分离成不相干（独立）的多路信号，然后将这些多路信号的能量按照一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，从而提高接收端的信噪功率比。 分集的种类繁多，按分集目的可以分为宏观分集和微观分集；按信号传输方式可以分为显分集和隐分集；按获取多路信号的方式又可以分为时间分集、频率分集和空间分集；空间分集还包括接收分集、发射分集、角度分集和极化分集等。,图2-22 空间分集原理图,2合并技术,合并技术通常是应用在空间分集中的。在接收端取得N条相互独立的支路信号以后，可以通过合并技术来得到分集增益。根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为检测前合并技术和检测后合并技术。,1）最大比值合并（MRC）,图2-23 最大比值合并原理图,2）等增益合并（EGC）,若在最大比值合并中，取 1，当，N，即为等增益合并。等增益合并实现比较简单。,3）选择式合并（SC）,图2-24 选择式合并原理图,3种主要合并方式的性能比较,a：最大比值合并b：等增益合并 c：选择式合并,图2-25 3种合并方式平均信噪比的改善程度,2.4.2 均衡技术,均衡器分类 频域均衡，它主要从频域角度来满足无失真传输条件，它是通过分别校正系统的幅频特性和群时延特性来实现的。主要用于早期的固定式有线传输网络中。 时域均衡，它主要从时间响应考虑以使包含均衡器在内的整个系统的冲击响应满足理想的无码间串扰的条件。目前广泛利用横向滤波器来实现，它可以根据信道的特性的变化而不断的进行调整，实现比频域方便，性能一般也比频域好，故得到广泛的应用。一般满足条件Tbm，必须使用自适应均衡技术。,图2-26 时域均衡器的分类示意图,2.4.3 信道编码技术,从结构和规律上可分为两类。 线性码：监督关系方程是线性方程的信道编码，目前大部分应用的信道编码属于线性码，如线性分组码、线性卷积码。 非线性码：一切监督关系方程不满足线性规律的信道编码均称为非线性码。从功能上可以分为3类。 只有检错功能的检错码，如循环冗余校验CRC码、自动请求重传ARQ。 具有自动纠错功能的纠错码，如循环码中的BCH码、RS码及卷积码、级联码、Turbo码等。 既能检错又能纠错的信道编码，最典型是HARQ（混合ARQ）。,1线性分组码,它又称为代数编码，一般是按照代数规律构造的。线性分组码中的分组是指编码方法是按信息分组来进行的，而线性则是指编码规律即监督位（校验位）与信息位之间的关系遵从线性规律。线性分组码一般可记为（n，m）码，即m位信息码元为一个分组，编成n位码元长度的码组，而n-m位为监督码元长度。,以最简单的（7，3）线性分组码为例,编码的线性方程组,G为生成矩阵，可见，由信息码组与生成矩阵即可生成码字。监督矩阵H可表示输出码组中信息位与监督位的对应关系，满足 其中， 是H的转置， 表示0向量。,2）循环码的生成多项式和监督多项式,2卷积码,卷积码是一类具有记忆的非分组码，卷积码一般可以表示为（n，k，m）码。其中，k表示编码器输入端信息数据位，n表示编码器输出端码元数，而m表示编码器中寄存器的级数。从编码器输入端看，卷积码仍然是每k位数据一组，分组输入，从输出端看，卷积码是非分组的，它输出的n位码元不仅与当时输入的k位数据有关，而且还进一步与编码器中寄存器以前分组的m位输入数据有关。所以它是一个有记忆的非分组码。卷积码的典型结构可看作是一个有k个输入端，且具有m节寄存器构成的一个有限状态，或有记忆系统，也可看作一个有记忆的时序网络。它的典型编码器结构如图2-27所示。卷积码的描述可分为两大类：解析法，它可以直接用数学公式直接表达，包括离散卷积法、生成矩阵法、码生成多项式法；图形法，包括状态图、树图及格图（篱笆图）。卷积码的译码既可以用与分组码类似的代数译码方法，也可以采用概率译码方法，两类方法中概率方法更常用。而且在概率译码方法中，最常用的是具有最大似然特性的Viterbi译码算法。,图2-27典型卷积编码器结构图,3级联码,图2-28 两级串联级联码的结构图,4Turbo码,图2-29 Turbo码编码器结构,图2-30 Turbo码译码器结构,5交织编码,交织编码的作用是改造信道，其实现方式有很多，有块交织、帧交织、随机交织、混合交织等。这里将以最简单的块交织为例来说明其实现的基本原理，图2-31是其实现框图。,图2-31 块交织实现框图,假设在突发信道中受到两个突发干扰：第一个干扰影响3位，即产生于x1至x9；第二个突发信号干扰4位，即产生于x11至x8。则突发信道的输出端的输出信号X1可表示为：,经过去交织存储器去交织以后的输出信号为X4，则X4为,2.5 信源编码与数据压缩,信源编码主要是利用信源的统计特性，借助信源相关性，去掉信源冗余信息，从而达到压缩信源输出的信息率，提高系统有效性的目的。移动通信中从第二代数字式移动通信系统开始，就应用了信源编码技术。第二代移动通信主要是语音业务，所以信源编码主要是指语音压缩编码。第三代、第四代移动通信系统则除语音业务外还有大量的数据业务，包括图像、视频以及其他多媒体信息的处理，所以其信源编码还包括了多媒体信息的压缩技术等内容。,2.5.1 语音压缩编码,语音编码技术有多种，归纳起来大致可分为3类，即波形编码、参量编码和混合编码。,图2-32 ADPCM编码器原理框图,图2-33 ADPCM译码器原理框图,2参量编码,图2-34 声码器编译码器结构图,3混合编码,当前，由参量编码与波形编码相结合的混合编码的编码器正在得到人们较大的关注。这种编码器既具备了声码器的特点（利用语音生成模型提取语音参数），又具备了波形编码的特点（优化激励信号，使其与输入语音波形相匹配），同时还可利用感知加权最小均方误差的准则使编码器成为一个闭环优化的系统，从而能在较低的比特率上获得较高的语音质量。例如，多脉冲激励线性预测（MPLPC或MPC）编码、正规脉冲激励线性预测（RPE-LPC）编码和码激励线性预测（CELP）编码都属于这一类，这种编码方式能在416Kbps的中低编码的速率上得到高质量的重建语音。实现混合编码的基本思想是以参量编码原理，特别是以LPC原理为基础，保留参量编码低速率的优点，并适当的吸收波形编码中能部分反应波形个性特征的因素，重点改善自然度性能。,几种语音编码方案性能比较,4语音编码质量指标,1）数据比特率 2）语音质量 度量语音质量比较困难。其度量方法在于主观和客观两个角度，客观度量可以采用信噪比、误码率和误帧率等指标，相对来说比较简单、可行。但主观度量就没有那么简单，采用主观度量并且以它为主，是因为接受语音的是人耳，所以语音质量主要是由人来主观判断。3）复杂度与处理时延,表2-4 各类语音编码方案MOS评分表,表2-5 几种语音编码器的参数性能比较,2.5.2移动通信中的语音编码,图2-36 RPE-LTP编码器原理框图,GSM系统,图2-37 RPE-LTP译码码器原理框图,IS-95系统的QCELP声码器,图2-38 QCELP编码原理图,CDMA2000系统的EVRC声码器,图2-39 EVRC编码器结构图,WCDMA中的AMR声码器,图2-40 AMR编码器结构,2.5.3 图像压缩编码,表2-7 各类图像压缩标准性能,目前视频压缩编码大致可以分为两代，第一代视频压缩编码包括JPEG、MPEG-1、MPEG-2、H.261、H.263等；第二代视频压缩编码包括JPEG2000、MPEG-4、MPEG-7、H.264等。两类压缩编码的主要差异在于：第一代视频编码是以图像信源的客观统计特性为主要依据；第二代视频编码是在图像信源客观统计的特性基础上，重点考虑用户对象的主观特性和图像的瞬时特性。第一代视频编码是以图像的像素、像素块、像素帧为信息处理的基本单元；第二代视频编码则是以主观要求的音频/视频的分解对象为信息处理的基本单元，如背景、人脸及声/乐/文字组合等。第二代视频编码的另一个突出特点是可根据用户的需求实现不同的功能和提供不同性能的质量要求，具有交互性、可选择性和可编程性等面向用户的操作特性。,
