数字移动通信的关键技术.ppt

1,移动通信的关键技术,2,第四章 移动通信的关键技术,4.1扩频调制技术(p101)4.2抗衰落技术(p111)4.3 多址接入技术(p135、p148),3,4.1 扩频通信技术 p.101,4.1.1 扩频通信的基本概念4.1.2 扩频通信系统的分类4.1.3 扩频通信的重要参数4.1.4 扩频码序列,4,扩频通信的基本概念,扩频通信是一种宽带传输方式，用于传输信息的信号带宽远大于信息本身带宽（GSM采用窄带数字调制GMSK p.95）频带的扩展是由独立于信息的扩频码来实现 接收端用同步接收实现解扩和数据恢复 扩频通信的理论基础是“信息论”,5,扩频通信的基本概念,香农公式得出的结论：对于给定信息传输速率，可以用不同的带宽和信噪比的组合来传输。即，信噪比和信道带宽可以互换。扩频系统正是利用这一理论，将信道带宽扩展许多倍，以换取信噪比上的好处，增强了系统的抗干扰能力。,6,扩频通信的主要特点,抗干扰能力强。DS系统依靠扩展频谱和解扩处理来提高信噪比；FH系统依靠躲避干扰达到提高信噪比之目的保密性好具有抗衰落、抗多径能力具有多址能力，易于实现码分多址,7,典型的扩频通信系统模型,8,4.1.2 扩频通信系统的分类,9,4.1.2 扩频通信系统的分类,DS-SSDirect Sequence Spread Spectrum 采用高速率扩频码在发送端进行扩频，将信息直接扩展到宽频带中，接收端用相同的码序列进行解扩，恢复原始信息。,10,FH-SSFrequency Hopping Spread Spectrum用伪随机序列控制发射信号频率的跳变，其跳变顺序预先规定好快跳频：跳变速率大于或接近于符号速率慢跳频：跳变速率低于符号速率 TH-SSTime Hopping Spread Spectrum 用伪随机序列控制信号的发射时间和发射时间的长短,4.1.2 扩频通信系统的分类,11,4.1.2 扩频通信系统的分类,12,DS-CDMA系统模型,13,4.1.3 扩频通信的重要参数,扩频增益：,扩频带宽,信息带宽,表示扩频系统信噪比改善的程度；体现了系统的抗干扰能力,扩频码速率,信息速率,14,4.1.4 码序列 p.135,扩频码的要求数量足够多具有很好的正交性 自相关性 互相关性 近似白噪声的谱密度 常用的扩频码 伪随机序列PN Gold序列 沃而什序列walsh,15,第四章 移动通信的关键技术,4.1 扩频通信技术4.2抗衰落技术 4.3 多址接入技术,分集技术均衡技术,16,分集技术,目的：抗衰落，提高系统的可靠性途径：对无线传播环境中独立的多径信号进行处理，以达到提高通信质量的目的发射分集发射端将信号以相互正交的方式发射出去（正交发射分集OTD，空时扩展发射分集STS，3G系统使用）接收分集接收端对来自不同路径（不相关）的信号进行处理，获取分集增益,17,分集接收技术,1）分集接收的基本概念研究如何充分利用传输中的多径信号能量，在不增加发射功率或信道带宽的情况下提高系统的可靠性。接收相互独立的多径信号,通过合并技术获得分集增益，从而减小衰落信号的起伏程度,18,分集接收技术原理,多径接收,多径合并,空 域时 域频 域,最大比值合并等增益合并选择合并,多径传输,19,分集接收技术 p.115,2）分集接收类型 空间分集利用不同方位接收信号衰落的独立性，采用多个接收天线（间距d）频率分集将发送信息分别调制到不同的载频上（间隔大于信道相关带宽）时间分集将发送信息每隔一定时间间隔（大于信道相关时间）重复发送3）分集接收技术的应用,20,分集合并技术,选择式合并SC将多根天线的接收信号比较后选取最高信噪比的一路输出，其性能与平均信噪比有关 最大比合并MRC对各分支信号进行调相、加权，使合并输出的信噪比最大 等增益合并EGC与MRC方法类似，仅个分支信号的加权系数均为1分集接收性能：MRC EGC SC分集增益随分集之路数的增加呈线性递增,21,分集合并性能,22,RAKE接收机,分集支路的形成与合并 如何合并?第一路径准则FP 最强路径准则LP 检测后积分准则（PDI）等增益合并准则（EGC）最大比合并准则（MPC）自适应合并准则 具体采用何种准则应依电波传播环境、系统性能要求等而定。,23,RAKE接收机原理(The Principle of RAKE Receiver)基本原理：对每个路径使用一个相关接收机，各相关接收机与被接收信号的一个延迟形式相关，然后对每个相关器的输出进行进行加权，并把加权后的输出相加合成一个输出，以提供优于单路相关器的信号检测，然后在此基础上进行解调和判决。形状类似于农用工具耙子而得名，RAKE。,RAKE接收机,24,RAKE接收机典型结构,25,RAKE接收机原理原理说明 设两条路径信号等强度，第二条路径相对于第一条路径延时为2Tc，解调后的扩频信号r(t)为,由图可见，等增益合并时，移动用户A利用两个路径接收的数据为：,可见：求和后判决正确地恢复了数据b(t)，即10011的信息数据流。假设未采用RAKE接收，只利用路径1的积分器输出，进行判决则b(t)为11011。,RAKE接收机,26,RAKE接收机原理 RAKE接收机的几种形式检测后积分（PDI，Post Detection Integration）多径接收机,当多径时延未知时，最简单的多径分集方式是采用检波，后积分的方法既在接收机检测器后面设置一个积分时间等于多径扩展tM秒的积分器，如下图所示：,PDI接收机的优点是实现起来比较简单，但存在一个约束条件，即tM不能大于码元宽度Tc，否则多径分量会落到相邻码元中而造成码间干扰。,RAKE接收机,27,RAKE接收机原理(The Principle of RAKE Receiver)RAKE接收机的几种形式具有信道参数测量的DPSK RAKE接收机,为了获得信道参数，可采用探测信号，探测信号可以是专门的信号（训练序列），也可以使数据信号本身，接收机通过接收探测信号来估计信道参数ak和tk,下图给出了具有信道参量的RAKE接收机的结构。,RAKE接收机,28,RAKE接收机原理(The Principle of RAKE Receiver)RAKE接收机的几种形式具有信道参数测量的DPSK DRAKE接收机,当RAKE接收机采用等增益合并准则时，则称之为DPSK DRAKE接收机，其结构下图所示。图中的估值由信道估计器获得，并用来控制横向滤波器的抽头时延。横向滤波器采用相同的抽头加权系数。,RAKE接收机,29,RAKE接收机原理(The Principle of RAKE Receiver)RAKE接收机的几种形式并行相关RAKE接收机,并行相关RAKE接收机的原理如图所示，图中的搜索器的作用是搜索所有多径，估计出多径的相位、到达时刻和强度参数，并从中选出三路最强的多径信号供相关器作相关处理，然后再合并。,对于IS-95CDMA系统，基站中的RAKE接收机有4个并行相关器和2个搜索相关器组成，基站接收机无法得到多径信号的相位信息，一般采用非相关最大比值合并准则；而移动台中的RAKE接收机有3个并行相关器和一个搜索相关器组成，它可利用基站发送的导频信号估计出多径信号的相位、到达时刻和强度参数。,RAKE接收机,30,4.2.2 信道均衡技术,适用条件：多径信号不可分离（相关）,且时延扩展远小于符号宽度 均衡原理：均衡器特性与信道特性相反且能自动适应信道的变化(自适应均衡)，以抵消时变信道多径传播引起的码间干扰（即信道的频率和时间的选择性）。均衡类型频域均衡总的传输函数（信道和均衡器传输函数）满足无失真传输条件，模拟系统用时域均衡总的冲激响应满足无码间干扰条件，数字系统用 均衡器常被放在接收机的基带或中频部分实现,31,通信系统结构框图中的自适应均衡器理论分析,如果x(t)是原始基带号，f(t)是等效的基带冲激响应，即综合反映了发射机、信道和接收机的射频、中频部分的总的传输特性，那么均衡器收到的信号可以被表示成：,（1）,其中nb(t)是均衡器输入端的等效基带噪声。如果均衡器的冲激响应是heq(t)，则均衡器的输出为：,（2）,其中，g(t)是发射机、信道、接收机的射频、中频部分和均衡器四者的等效冲激响应。,4.2.2 信道均衡技术,32,通信系统结构框图中的自适应均衡器理论分析,均衡器的期望输出值为原始信息x(t)。假定nb(t)=0，则g(t)必须满足下式：,（3）,均衡器的目的就是实现式(3)，其频域表达式如下：,（4）,其中，Heq(f)和F(f)分别是heq(t)和f(t)所对应的傅里叶变换。式（4）的物理意义：将经过信道后的信号中频率衰落大的频谱部分进行增强，衰落小的部分进行削弱，以使所收到频谱的各部分衰落趋于平坦，相位趋于线性。=均衡器实际上是传输信道的反向滤波器。,4.2.2 信道均衡技术,33,均衡准则与算法(Equalization Criterions and Algorithms)均衡准则(根据符号间干扰为最小来获得加权系数Ck)最小峰值失真准则：使干扰的峰值最小，消除取样点的符号干扰。最小均方误差准则：使均衡器期望输出值dk与实际输出值 的误差ek=dk-的均方值最小，使输出趋于理想的响应。均衡算法的基本概念(如何调节加权系数以实现均衡的方法)指标（收敛速度、失调、计算复杂度、数值特性等等）确定均衡器系数的问题可以归结为如下数学问题：设有M个变量C1，C2，C3，CM，而代价函数D是这些变量的函数，要求求出最佳值的C1，C2，C3，CM，使D达到最小。其中，C1，C2，C3，CM为抽头系数；代价函数D是算法所依据的准则。对上述问题，通常的求解算法是将D对Ci求导数，使导数为0，从而得到最佳Ci值的计算公式。,4.2.2 信道均衡技术,34,均衡准则与算法(Equalization Criterions and Algorithms)自适应均衡算法的基本概念可以归结为如下数学问题：通常的求解算法是将代价函数D对Ci求导数，使导数为0，从而得到最佳Ci值和Ci的迭代公式，用于更新抽头系数。例如，最小均方（LMS）算法通过下列叠代操作来寻找最优的或接近最优的加权值：,新权重=原先权重+常数*预测误差*当前输入向量其中 预测误差=期望输出值-实际预测输出值,（10a）,（10b）,最常用的代价函数是期望输出与实际输出之间的均方差 通常要通过训练序列来调整均衡器权重（即抽头系数）,4.2.2 信道均衡技术,35,均衡技术分类(Survey of Equalization Techniques)按均衡器传递函数分为线性均衡非线性均衡按均衡器结构分为横向格型横向信道预测按均衡器权重更新依据LMSRLS均衡器分类图示（下页）,4.2.2 信道均衡技术,36,4.2.2 信道均衡技术,37,第四章 移动通信的关键技术,4.1抗衰落技术4.2扩频通信技术4.3 多址接入技术,38,4.3 多址接入技术 p.130,多址接入的概念各用户信号在射频波道上的复用，互不影响支持多址接入的基础信号的正交分割各用户发射信号按某种参量相互正交接收端具有信号识别能力，能从混合信号中分离出相应的信号,39,信号按某种参量相互正交参量1频率，FDMA参量2时间，TDMA参量3码字，CDMA参量4空间，SDMA,4.3 多址接入技术的分类与特点,40,41,FDMA 多址技术的特点,用于模拟蜂窝系统，也可用于数字系统每个载频同时只允许一对用户通信，频率利用率低，系统容量小频率规划复杂基站复杂庞大，成本高,42,43,TDMA 多址技术的特点,只能用于数字系统每个载频同时可允许N对用户通信，频率利用率提高频率规划简单成本低系统需要严格的同步与定时,44,C1,C2,C3,C4,45,系统容量大（采用了频率复用、话音激活、软切换等技术）具有软容量特性（干扰受限系统）抗干扰、抗多径性能强（扩频、多种分集）软切换保密性能好,CDMA 多址技术的特点,46,PN码长度（周期）2n1,不同抽头系数，其m序列结构不同,mi,mj,有2n1个非零状态，即有2n1个不同初始状态的m序列，这些m序列的相位偏移不同,伪随机PN序列m序列,47,m序列的相关性自相关函数图,P,0,P1,P1,1,1,1,1,1/P,-/Tc,当 0 或P时，出现峰值，二值特性。相关检测就是利用这一特性，在“有”或“无”相关函数值的基础上识别信号自相关系数 越大越好,48,m序列的相关性互相关,互相关性（越小越好）具有多值特性,这三个值被称为理想三值，满足这一特性的m序列对称为m序列优选对,49,PN码序列Gold序列,是一种基于m序列优选对的码序列生成：由优选对的两个m序列逐位模2加得到性质：产生的序列数多，可达 2n1互相关函数值低于m序列优选对互相关函数自相关函数在 等于0时与m序列相同,50,Walsh码序列,是一种代数码，由2N阶walsh码的递推矩阵（哈达码矩阵）生成。Walsh码具有理想的同步正交性能，即 Ra(0)=1 及 Rc(0)=0。非同步时，正交性不理想。码组数等于码的长度（位数）。3G系统中采用变长walsh序列，以适应多速率业务的需求,51,变长Walsh码的生成,同一棵walsh树上的根walsh码与子walsh码不正交，不能同时分配给同一小区的不同信道进行扩频。变长walsh码的应用必须进行合理分配。,52,Gold序列发生器,n级m序列发生器,n级m序列发生器,m2,m1,Gold码序列,时钟,m1、m2是周期相同的优选对,53,Walsh Code 生成及特性,W0W1W2W3W4W5W6W7,88阵列，8个Walsh Code每个码8位chip,IS-95中Walsh Code为6464阵列共有64个码字，W0W63 每个码64位chip,54,多址技术与系统容量 p.148,系统容量（无线容量m）定义：给定频率资源后单位面积的无线信道数,FDMA系统容量：,（信道数/小区）,TDMA系统容量：,（信道数/小区）,在相同的频率资源下，不同的多址方式系统容量不同。CDMATDMAFDMA,举例,55,CDMA系统容量：该系统中所有小区使用相同的频率，信道是由不同的扩频码来区分，每个用户一个扩频码。则系统容量m就是用户数M。,（信道数/小区）,多址技术与系统容量,56,m=M=1+,CDMA系统中对容量的影响因素有（减少干扰可增加容量）：话音激活量（称话音占空比）d（d1）扇区划分因子G的影响频率复用效率F（F1）的影响,(信道数/小区),G,F,举例,多址技术与系统容量,57,例：系统容量比较（FDMA、TDMA）,问题：已知Bw=1.25MHz，N=4；计算AMPS系统和D-AMPS系统的容量。解：mF 信道/小区 mT mF3 31.25信道/小区,58,例：系统容量比较（CDMA）,问题：频道带宽不变Bw=1.25MHz，用户信息带宽Bc=10KHz,当Eb/N0=7dB,d=0.35,G=2.55,F=0.6时，计算IS-95的系统容量。解：mC,用户/小区,59,思考题,1、分集技术的类型有哪些？分集技术的作用是什么？GSM系统和IS-95系统中分别使用了何种分集技术？它们是如何实现的？2、说明DS和FH的抗干扰原理,60,作业,第四章 P110 4-13 4-14第五章 P128 5-1 5-7第六章 P152 6-15,