代移动通信主要技术标准.ppt

第二十二讲 第三代移动通信的主要技术,主要内容,高效率的编译码技术功率控制多用户检测技术智能天线,高效率的编译码技术 从源数据角度来看,3G包括各类话音、图像的数字压缩技术。诸如各类单路、低时延、低比特率的话音压缩、编码技术和基于MPEG-1、MPEG-2、H.261-H.263、H.324、MPEG-4至MPEG-7算法,实施覆盖HDTV至甚低比特率(64 kb/s)的高质量数字图像压缩技术。3G的语音编码技术主要有两种:8 kb/s和13 kb/s的码本激励线性预测编码(CELP)。其中,8 kb/s的全质量语音编码技术已经达到GSM系统的13 kb/s的话音水平甚至更好;而13 kb/s的语音编码已达到有线长途话音水平。CELP采用与脉冲激励线性预测编码相同的原理,只是将脉冲位置和幅度用一个矢量码表代替。,此外,信道编译码技术是第三代移动通信的一项核心技术。这是因为，虽然第三代移动通信采用的扩频技术有利于克服多径衰落以提供高质量的传输信道,但扩频技术存在潜在的频谱效率低的问题,而一般的编码技术也是通过牺牲频谱利用率来换取功率利用率的,因此,3G系统中必须采用高效的信道编译码技术来进一步改善通信质量。综合来讲,现代无线通信系统对于信道编译码技术的要求是:选择效率高、编码增益高、时延性能好、译码算法较简单、存储量较小、溢出概率小,对同步要求不是很高,适合于衰落信道传送、易于实现。,在第三代移动通信系统的主要提案中(包括WCDMA和CDMA 2000等),除了采用与IS-95 CDMA系统相类似的卷积编码技术和交织技术之外,还建议采用Turbo编码技术及RS卷积级联码技术。在此,仅对各种技术的特点加以简要介绍,具体请参见其他资料。(1)卷积码具有记忆能力,可用维特比译码,具有很高的编码增益。(2)交织技术的特点是能将码字中的长连错误转化成每个纠错码字里只有一个或两个错误,这样有利于对付信道传输中由于突发性干扰而引起的长连串错误,交织不会引入冗余码,所以也就不会降低频谱利用率。,(3)Turbo编码器主要由两个系统递归卷积编码器、一个交织器及删除器等构成。由于两个卷积编码器是并行的关系,因此这样产生的Turbo码也称为并行级联Turbo码。Turbo编码器构成的原理框图如图(a)所示。相应地,Turbo解码器主要由两个软输入/输出译码器、同编译器相关的交织器及去交织器构成。其构成的原理框图如图(b)所示。虽然目前尚未得到严格的Turbo编码理论性能分析结果,但从计算机仿真结果来看,在交织器长度大于1000、软判决输出卷积解码采用标准的最大后验概率(MAP)算法条件下,其性能比约束长度为9的卷积码能提高12.5 dB。,Turbo编/解码器(a)Turbo编码器；(b)Turbo解码器,功率控制,功率控制(Power Control)技术是CDMA系统的一项核心技术。可以说,CDMA技术的成功在很大程度上要依赖于功率控制技术的成功应用。所谓功率控制就是要根据具体情况,动态调整发射机的功率。这里的发射机可以指基站的发射机,也可以指移动台的发射机,但主要还是指后者。也就是说,CDMA中上、下行链路的功率控制是彼此独立的,但更侧重于上行链路。具体来讲,功率控制主要是限制和优化来自每个用户发射机的发射功率,一方面使其到达基站接收机的平均功率都相等;另一方面,在保证通信质量的前提下,将发射机功率尽可能地调至最小。,1)上行开环功率控制 上行指的是由BS到MS的方向。上行开环功率控制仅由移动台进行,基站并不参与。开环功率控制用于确定用户的初始发射功率,或用户接收功率发生突变时的发射功率的调节。其基本原理(如图5-18所示)是移动台先测量接收到的基站功率的大小,然后根据接收的功率值,估计前向传输路径的损耗,遵循一定的准则,以调整自身的发射功率。,开环功率控制,2)上行闭环功率控制,闭环功率控制,闭环功率控制对于补偿由于快瑞利衰落而造成的功率波动很有作用,因而能够使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正,以使移动台保持最理想的发射功率。可以说,反向信道闭环功率控制是对开环功率控制的有效补充。,闭环功率控制有内环和外环之分。内部环路的前提假设就是存在一个预先确定的用于判断增加功率和降低功率的SNR门限。因为我们始终在试图保持一个可以接受的FER，并且在一个移动环境中在FER和Eb/N0之间没有一一对应的关系。所以不得不动态调整Eb/N0门限以保证在信道环境不断变化的情况下,保持一个可接受的FER来维持通信质量的不变。Eb/N0门限的调整(由内环功率控制使用的)被引用为闭环功率控制的外部环路(如图所示)。在设置服务质量目标值的过程中,该目标值既不能太低,也不能太高。服务质量目标值太低不满足业务需求,而服务质量目标值太高会造成大量的资源浪费,降低整个系统的容量。所以外环功率控制是无线资源控制的重要组成部分,与快速功率控制联系密切,其功率控制一般为每秒50次。,闭环功率控制的内环和外环,最后,介绍一下在软切换中的闭环功率控制。在软切换过程中,移动台从两个或三个基站接收到业务信息帧,并且在这些业务信道上也许会与功率控制命令发生矛盾(即一个基站可能告诉移动台增加功率,而另一个基站告诉移动台降低功率)。在这些情况中,移动台遵循的原则是:假如一个基站命令移动台降低功率,则移动台将会降低功率。当所有涉及软切换的基站都命令增加功率时,移动台才会增加功率。,3)下行开环功率控制 在CDMA系统中,移动台必须向基站反馈报告下行链路的质量。移动台连续地监视下行链路的FER,并且在一条被称作功率测量报告信息(PMRM)中向基站报告这个FER的反馈。它可以用两种方式发送这个报告:一种方式是移动台周期性地报告PMRM,而另一种是仅仅当FER超过一个特定的门限时移动台才报告PMRM。基站知道了下行链路的质量后,则会调整对那个相应移动台的发射功率。为了实现快速和自适应的功率控制算法,在下行链路中也可以插入专门的子信道以实现下行链路的闭环功率控制。,多用户检测技术 在CDMA移动通信系统中,存在着两种比较严重的干扰问题:一是由于不同的用户同时共享同一频段的带宽(各个用户之间由于其对应的地址码之间存在相关性,不能完全正交)而产生的多址干扰(MAI,Multiple Access Interference);二是由于信道特性的不理想而引起的符号间干扰(ISI,InterSymbol Interference)。传统的CDMA接收机,如匹配滤波器和RAKE接收机,大都采用的是单用户检测(Single User Detection)技术,对各个用户信息的接收都是相互独立进行的。也就是说,都是把除有用信号外的信号作为干扰来处理,而没有充分利用接收信号中的有用信息,如确知的用户信道码,各用户的信道估计等,因而导致接收信噪比严重恶化,系统容量也随之下降。,1.基本概念 多用户检测(MUD,MultiUser Detection)又称联合检测(JD,Joint Detection)或干扰消除。其基本思想是把所有用户的信号都当作有用信号,而不是当作干扰信号来对待。要充分利用多址干扰信号的结构特征和其中包含的用户间的互相关信息,通过各种算法来估计干扰,最终达到降低或消除干扰的目的。多用户检测技术是抑制多址干扰技术中最有潜力的一种方法,并已经成为第三代移动通信标准中倡导的关键技术之一。,2.分类 多用户信号检测技术中的最佳方法是最大似然序列(MLSE)检测,这已经在理论上被证实。但是,由于它算法过于复杂,实现起来非常困难,因而实际应用的可能性不大。近年来,人们研究出了各种的次优化方法,力求在保证一定性能的条件下将实现的复杂度降低到工程上可以接受的程度。多用户检测方法分类图如图所示。,多用户检测方法分类图,由图可见,这些次优化方法大体可以分为两类:线性和非线性。线性的方法又包括去相关(简称DEC)多用户检测、最小均方误差多用户检测(MMSE)和多项式展开(PE)多用户检测等;非线性方法又包括判决反馈多用户检测、多级检测、连续干扰抵消(包括串行SIC和并行PIC)的多用户检测和基于神经网络的多用户检测等。线性多用户检测方法的基本思想是使接收信号先通过传统的检测器,然后进行线性的映射(变换)以消除不同用户间的相关性,最终降低或消除多址干扰。,3.优点(1)提高了带宽利用率,抑制了多径干扰。(2)消除或减轻了远近效应,降低了对功控高度精度的要求,可简化功控。(3)弥补了扩频码互相关性不理想造成的影响。(4)减小了发射功率,延长了移动台电池的使用时间,同时也减小了移动台的电磁辐射。(5)改善了系统性能,提高了系统容量,增大了小区覆盖范围。,4.局限性(1)它只是消除了小区内的干扰,而对小区间的干扰还是无法消除。(2)算法非常复杂,尤其是在下行链路上,大大增加了移动台的接收设备的复杂度。尽管如此,相信多用户检测技术的局限性会是暂时的,随着数字信号处理技术和微电子技术的发展,降低复杂性的多用户检测技术必将在第三代移动通信系统中得到广泛的应用。,智能天线 1.产生及发展 智能天线技术在20世纪60年代就已经出现,最初应用于雷达、声纳及军事通信领域。由于价格等因素,智能天线一直未能普及到其他通信领域。20世纪90年代初,微计算器和数字信号处理(DSP)技术开始飞速发展,DSP芯片的处理能力日益提高,且价格也逐渐能够为现代通信系统所接受。同时,利用数字技术在基带形成天线波束成为可能,以此代替模拟电路形成天线波束方法,提高了天线系统的可靠性与灵活程度,这就为智能天线技术在移动通信的应用提供了可能。另一方面,移动通信频谱资源日益紧张,多址干扰(MAI)、同信道干扰(CCI)以及多径衰落日益成为影响移动通信系统性能的主要问题。而智能天线是解决频率资源匮乏的有效途径,也是消除各种干扰、提高系统容量和通信质量的重要手段。,2.基本分类 1)多波束智能天线 多波束智能天线主要采用的是波束转换技术(Switched Beam Technology),因此,也称为波束转换天线(Switched Beam Antennas)。它是在把用户区进行分区(扇区)的基础上,使天线的每个波束固定指向不同的分区,使用多个并行波束就能覆盖整个用户区,从而形成了形状基本不变的天线方向图。当用户在小区中移动时,根据测量各个波束的信号强度来跟踪移动用户,并能在移动用户移动时适当地转换波束,使接收信号最强,同时较好地抑制了干扰,提高了服务质量。可以说,多波束天线是介于扇形定向天线与自适应智能天线之间的一种技术。,多波束智能天线示意图,与自适应智能天线相比,多波束智能天线具有结构简单、响应速度快等优点。更主要的是,上行链路的同一波束也可用于下行链路,从而在下行链路上也能提供增益。但是由于它的波束不是任意指向的,而只能对当前传输环境进行部分匹配，因此当用户不在固定波束的中心处,而处于波束边缘时,且干扰信号处于波束中心时,接收效果最差,所以多波束天线不能实现信号的最佳接收。这种多波束智能天线主要在模拟移动通信系统中应用。多波束天线中值得研究的有以下内容:如何划分空域,即确定波束的问题,包括数目和形状;挑选波束的准则;波束跟踪的实现(主要指的是实现快速搜索算法等);波束切换与自适应波束成型的理论关系等。,2)自适应智能天线 自适应智能天线原名叫自适应天线阵列(AAA，Adaptive Antenna Array),是一种安装在基站现场的双向(既可接收又可发送)天线。它基于自适应天线原理,采用现代自适应空间数字处理技术(Adaptive Spatial Digital Processing Technology),通过选择合适的自适应算法,利用天线阵的波束赋形技术动态地形成多个独立的高增益窄波束,使天线主波束对准用户信号到达方向,同时旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向,以增强有用信号、减少甚至抵消干扰信号,提高接收信号的载干比,同时增加系统的容量和频谱效率。从空分多址(SDMA)技术角度来说,它是利用信号在传输方向上的差别,将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来,从而最大限度地利用有限的信道资源,增加系统的容量和提高频谱效率。,从双向天线的角度来讲,智能天线包括两个重要组成部分:一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角(DOA)估计,并进行空间滤波,抑制其他移动台的干扰。二是对基站发送信号进行波束形成,使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台,从而降低发射功率,减少对其他移动台的干扰。,与多波束智能天线相比,自适应智能天线具有无限个可随时间调整的方向图(不同的天线波束构成方式即形成一个不同的方向图),可以有效地跟踪、锁定各种类型的信号,可得到最大的信噪比,实现信号的最佳接收，但这只是理论计算的结论。实际上,由于目前数字处理技术的各种算法均存在着所需数据量、计算量大,信道模型简单,收敛速度较慢,在某些情况下甚至可能出现错误收敛等缺点,因此当应用于干扰较多、多径严重的实际信道,特别是快速变化的实际信道时,很难对某一用户进行实时跟踪。相信随着各项相关技术的改进,自适应智能天线将会在实际的移动通信系统中,尤其是在第三代移动通信系统中大有作为。后面,我们所讲的智能天线均指的是自适应智能天线。,3.优点及问题1)智能天线技术的优点提高了基站接收机的灵敏度。(2)提高了基站发射机的等效发射功率。(3)降低了系统的干扰,增加了CDMA系统的容量。(4)改进了小区的覆盖,并提高了频谱利用率。(5)降低了无线基站的成本。(6)实现移动台定位。,2)智能天线技术存在的问题 全向波束和赋形波束。(2)共享下行信道及不连续发射。(3)智能天线的校准。(4)帧结构及有关物理层技术。(5)智能天线和其他抗干扰技术的结合。(6)波束赋形的速度问题。(7)设备复杂性的考虑。,