3G移动通信技术.ppt

第六届全国信息技术应用水平大赛,教育部教育管理信息中心,移动通信概述移动通信电波传播与传播预测模型移动通信中的信源编码与调制解调抗衰落和链路性能增强技术蜂窝组网技术GSM及其增强移动通信系统第三代移动通系统及其增强技术移动通信网络优化,1.1.1 移动通信的定义,所谓移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通信方式。移动通信是个人通信的初级阶段，最终将实现用各种可能的网络技术实现任何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的信息交换。,移动通信的特点,1.移动通信利用无线电波进行信息传输；2.移动通信在强干扰环境下工作；3.通信容量有限4.通信系统复杂；5.对移动台要求高。,移动通信的发展,第一代（1G）模拟蜂窝移动通信系统第二代（2G）数字蜂窝移动通信系统第三代（3G）IMT2000第四代（4G）IMT-Advanced,第一代（1G）模拟蜂窝移动通信系统,第一代蜂窝移动通信采用的空中接入方式为频分多址接入方式，即所谓的FDMA方式。其传输的无线信号是模拟量，因为人们称此时的移动通信系统为模拟通信系统，也称为第一代移动通信系统（1G）。,第一代（1G）模拟蜂窝移动通信系统,现存的比较实用，且容量较大的系统主要有：1）北美的AMPS；2）北欧的NMT；3）英国的TACS；其工作频带都在450MHz和900MHz附近，载频间隔在30kHz以下。,第一代（1G）模拟蜂窝移动通信系统,我国在1986年投资建设模拟蜂窝公用移动通信网，引进了美国MOTOROLA公司的900MHz的TACS标准的模拟蜂窝移动通信系统（A网）和瑞典ERICSSON公司的900MHzTACS标准的模拟蜂窝移动通信系统（B网）。2001年，我国的模拟网关闭。,第二代（2G）数字蜂窝移动通信系统,由于TACS等模拟制式存在各种缺点，90年代开发出了以数字传输、时分多址和窄带码分多址为主体的移动通信系统，称之为第二代移动通信系统（2G），其代表产品分为两类：GSMN_CDMA,第二代（2G）数字蜂窝移动通信系统,GSM空中接口采用时分多址的接入方式，到目前为止是全世界最大的移动网，已经遍及全世界，即所谓的“全球通”。GSM使用的主要频段为900MHz和1800MHz，分别称作GSM900和DCS1800。,第二代（2G）数字蜂窝移动通信系统,N-CDMA空中接口采用码分多址的接入方式，主要是美国高通公司为首研制的IS-95的N-CDMA。,第三代（3G）IMT2000,随着科学技术和和通信业务的发展，需要一个综合现有移动通信电话系统功能和提供多种服务的综合业务系统。国际电联提出了第三代移动通信系统，即IMT-2000。当前3G技术标准主要有3个：欧洲的WCDMA、北美的CDMA2000和中国的TD-SCDMA。,第四代（4G）IMT-Advanced,移动通信进一步演进方向是IMT-Advanced或称4G，无论是LTE、UMB还是802.16m，向后再演进都是向IMT-Advanced演进。严格地说，目前对4G还没有一个权威的定义，它还处于研发阶段。,第四代（4G）IMT-Advanced,归纳起来，4G是一个可称为宽带接入和分布式的网络，在4G的网络结构将是一个采用全IP的网络结构。,移动通信的工作方式,按照通话的状态和频率的使用方法，可将移动通信的工作方式分成不同种类，有单向和双向、单工和双工。下面介绍几种常用的工作方式。,移动通信的工作方式,1.单工通信所谓单工通信是指通信双方电台交替地进行授信和发信。根据通信双方是否使用相同的频率，单工制又分为同频单工和双频单工。单工通信通常用于点到点的通信。单工制一般适用于专业性强的通信系统。,移动通信的工作方式,2.双工通信双工通信是指通信双方，收发信机均同时工作，即任一方讲话时，都可以听到对方的话音。双工通信一班使用一对频道，以实施频分双工工作方式，在移动通信系统中得到了广泛的应用。,移动通信的工作方式,3.半双工通信半双工制是指通信双方，有一方使用双工方式，而另一方采用双频单工方式。这种方式在移动通信中一般移动台采用单工方式，而基站采用双工方式。其主要用于专业移动通信系统中。,移动通信的工作方式,4.移动中继方式为了增加通信距离，可加设中继站。两个移动台之间一般采用一次中继转接。中继通道又分单工中继和双工中继两种基本方式。单工方式的中继只需一套收发信机，采用全向天线。双工方式的中继站需要两套收发信机，并往往采用两幅定向天线，对准中继方向。,移动通信概述移动通信电波传播与传播预测模型移动通信中的信源编码与调制解调抗衰落和链路性能增强技术蜂窝组网技术GSM及其增强移动通信系统第三代移动通系统及其增强技术移动通信网络优化,电波传播的基本特性,移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性，掌握移动通信电波传播特性对移动通信技术的研究具有十分重要的意义。移动通信的信道是指基站天线、移动用户天线和两副天线之间的传播路径。,电波传播的基本特性,移动信道的基本特性就是衰落特性。这种衰落特性取决于无线电波的传播环境，不同的传播环境，其传播特性也不尽相同。总体来说，无线电波在移动通信中传播的主要传播方式有：直射、反射、绕射和散射以及他们的合成。,电波传播的基本特性,移动信道是一种时变信道。衰落一般表现为：随信号传播距离变化而导致的传播损耗和弥散。阴影衰落多径衰落多普勒频移,电波传播的基本特性,阴影衰落：由于传播环境中地形起伏等对电磁波的遮蔽引起的衰落。多径衰落：无线电波在传播路径上受地形地物的作用产生反射、绕射和散射，使到达接收的信号是从多条路径来的多个信号的叠加所引起的衰落。多普勒频移：移动台在传播径向方向的运动导致接收信号在频域的扩展。,电波传播的基本特性,在分析研究无线信道时，尝尝将无线信道分为大尺度传播模型和小尺度传播模型两种。这两种衰落并不是独立的，在同一个无线信道中既存在大尺度衰落，也存在小尺度衰落。,电波传播的基本特性,大尺度模型用于描述发射机与接收机之间的长距离上的信号强度的变化。大尺度衰落是由阴影效应引起的，其衰落变化具有对数正态分布的特征，衰落主要影响无线区的覆盖。,电波传播的基本特性,小尺度模型用于描述短距离或短时间内信号强度的快速变化。小尺度衰落主要由多径产生，严重影响信号传输质量，且不可避免，只能采用抗衰落技术来减少其影响。,电波传播特性的研究,研究无线移动传播环境的基本方法有：1）理论分析；2）现场电波传播实测方法。根据研究的结果，可以1）建立传播预测模型；2）为实现信道仿真提供基础。,自由空间的电波传播,自由空间是理想的传播环境，它是不吸收电磁能量的介质。自由空间的传播损耗是球面波在传播过程中，随着传播距离的增大，电磁能量在扩散过程中引起的球面波扩散损耗。电波的自由空间传播损耗是与距离的平方成正比的。,三种基本电波传播机制,1.反射反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁波遇到比起波长大得多的物体时就会发生反射。反射是产生多径衰落的主要因素。,三种基本电波传播机制,2.绕射当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射。3.散射散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。,阴影衰落的基本特性,阴影衰落是移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应。阴影衰落又称为慢衰落。,多径衰落的基本特性,移动无线信道的主要特征是多径传播。多径传播引起的多径衰落属于小尺度衰落。多径衰落的基本特性表现在信号幅度的衰落和时延扩展。,多径衰落的基本特性,从空间角度，接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落，表现为较快的幅度变化。从时间角度考虑，多个路径的信号到达接收机的时间不同。接收的信号不仅包括发送的信号，还包括其各个时延信号，导致接收信号脉冲宽度扩展。,多径衰落的基本特性,模拟移动通信系统主要考虑多径效应引起的接收信号的幅度变化。数字移动通信系统主要考虑多径效应引起的脉冲信号的时延扩展。,多普勒频移,当移动体在x轴以速度v移动时就会引起多普勒频率漂移。多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关。,多径信道模型,通常信道可以看成作用于信号上的一个滤波器，因此可通过分析滤波器的冲激响应和传递函数得到多径信道的特性。,描述多径信道的主要参数,由于多径环境和移动台运动等因素的影响，移动信道对传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。通常用功率在时间、频率以及角度上的分步来描述这种色散，即：用功率延迟分布描述信道在时间上的色散；用多普勒功率谱密度描述信道在频率上的色散；用角度谱描述信道在角度上的色散。,时间色散参数和相关带宽,时间色散参数是用平均附加时延和时延扩展以及最大附加时延扩展来描述的，这些参数是由功率延迟分布来定义的。在市区环境中常将功率延迟分布近似为指数分布。,时间色散参数和相关带宽,与时延扩展有关的另一个重要的概念是相关带宽。相关带宽内的两个信号是相关的。根据衰落与频率的关系，将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落（平坦衰落）。,时间色散参数和相关带宽,频率选择性衰落是指传输信道对信号的不同频率成分有不同的随机响应，信号中不同频率分量不一致，引起信号波形失真。非频率选择性衰落是指信号经过传输信道后，各频率分量的衰落是相关的具有一致性，衰落波形不失真。,时间色散参数和相关带宽,当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落。当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。,频率色散参数和相关时间,频率色散参数是用多普勒扩展来描述的，而相关时间是与多普勒扩展相对应的参数。多普勒扩展是由移动台与基站间相对运动引起的，或是由信道路径中的物体运动引起的。相关时间使信道冲激响应维持不变时间间隔的统计平均值。,频率色散参数和相关时间,在相关时间内的两个到达信号具有很强的相关性。一般称由于多普勒效应引起的在时域产生的选择性衰落为时间选择性衰落。时间选择性衰落对数字信号误码影响明显，因此要求基带信号的码元速率远大于信道相关时间的倒数。,角度色散和相关距离,无线通信中移动台和基站周围的色散环境不同，使得多天线系统各种不同位置的天线经历的衰落不同，从而产生了角度色散，即空间选择性衰落。角度扩展和相关距离是描述空间选择性衰落的两个主要参数。,多径信道的统计分析,多径信道的统计分析主要讨论多径信道的包络统计特性。一般而言，接收信号的包络根据不同的无线环境服从瑞利分布和莱斯分布。另外，还有一个具有参数m的Nakagami-m分布，参数m取不同的值时对应的分布也不同。,莱斯分布,莱斯分布适用于一条路径明显强于其他多径的情况，但并不意味着这条径就是直射径。在非直射系统中，如果源自某一个散射体路径的信号功率特别强，信号的衰落也会服从莱斯分布。,瑞利分布,瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接受包络统计时变特性的一种分布类型。当主信号减弱到与其他多径信号分量的功率一样，即没有视距信号时，混合信号的包络服从瑞利分布。当接收信号中没有主导分量时，莱斯分布就转变为瑞利分布。,Nakagami-m分布,Nakagami-m分布是通过基于场测试的试验方法，用曲线拟合达到近似分布。当m=1时，Nakagami-m分布称为瑞利分布；当m较大时，Nakagami-m分布接近高斯分布。,多径衰落信道的分类,移动无线信道中的时间色散和频率色散可能产生4中衰落效应:由时间色散导致发送信号产生的平坦衰落和频率选择性衰落；根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，也就是频率色散引起的信号失真，可将信道分为快衰落和慢衰落。,多径衰落信道的分类,如果信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定增益和线性相关，则接受信号会经历平坦衰落。在平坦衰落情况下，信道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。,多径衰落信道的分类,对于频率选择性衰落，发送信号的带宽大于信道的相关带宽，不同频率获得不同的增益。,多径衰落信道的分类,当信道的相关时间比发送信号的周期短，且基带信号的带宽小于多普勒扩展时，信道冲激响应在符号周期内变化很快，产生快衰落。当信道的相关时间远远大于发送信号的周期，且基带信号的带宽远远大于多普勒扩展时，信道冲激响应变化比要传送的信号码元周期低很多，可认为信道时慢衰落信道。,多径衰落信道的分类,移动台的移动速度及基带信号的发送速率决定了信号是经历快衰落还是慢衰落。,多径衰落信道的分类,当考虑角度扩展时，会有角度色散，即空间选择衰落。根据信道是否考虑了空间选择性，把信道分为标量信道和矢量信道。标量信道只考虑时间和变频的二维信息信道；而矢量信道考虑了时间、频率和空间的三维信息信道。,衰落特征的特征量,通常用衰落率、电平交叉率、平均衰落周期及衰落持续时间等特征量表示信道的衰落特性。1.衰落速率和衰落深度2.电平通过率和平均衰落持续时间,衰落速率和衰落深度,衰落率，定义为信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数。简单地说，衰落率就是信号包络衰落的速率。衰落率与发射频率、移动台行进速度和方向以及多径传播的路径数有关。当移动台行进方向朝着或背着电波传播方向时，衰落最快。频率越高，速度越快，平均衰落速率越大。衰落深度是信号的有效值与该次衰落的信号最小值的差值。,电平通过率和平均衰落持续时间,电平通过率，定义为信号包络单位时间内以正斜率通过某一规定电平值R的平均次数，描述衰落次数的统计规律。衰落率是与衰落深度有关的。深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生的相当频繁。电平通过率定量描述这一特征。衰落率只是电平通过率的一个特例。电平通过率是随机变量，通常用平均电平通过率来描述。,电平通过率和平均衰落持续时间,平均衰落持续时间，定义为信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比。由于衰落是随机发生的，所以只能给出平均衰落持续时间。,电波传播损耗预测模型,研究目的：设计无线通信网络时，可以很好地掌握基站周围所有地点接收信号的平均强度及其变化特点，以便为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础。分类室外传播模型、室内传播模型,室外传播模型,常用的几种电波传播损耗预测模型有：Okumura-Hata模型COST-231模型CCIR模型LEE模型COST-231 WI模型,Okumura-Hata模型,Okumura-Hata模型时根据测试数据统计分析得出的经验公式，应用频率在1501500MHz之间，适用于小区半径大于1km的宏蜂窝系统，基站有效天线高度在30m到200m之间，移动台有效天线高度在1m到10m之间。,COST-231 Hata模型,COST-231 Hata模型是COST工作委员会开发的Hata模型的扩展版本，应用频率在15002000MHz，适用于小区半径大于1km的宏蜂窝系统，发射有效天线在30m到200m之间，接收有效天线高度在1m到10m之间。COST-231 Hata模型和Okumura-Hata模型主要的区别是频率衰减的系数不同。,CCIR模型,CCIR给出了反映自由空间路径损耗的地形引入的路径损耗联合效果的经验公式。,LEE模型,LEE模型应用广泛，主要原因是模型中的主要参数易于根据测量值调整，适合本地无线传播环境，模型准确性大大提高。另外，路径损耗预测算法简单，计算速度快。LEE模型不仅给出了宏蜂窝模型，还给出了微蜂窝模型；还考虑视距传播和非视距传播两种情况。,COST-231 WI模型,COST-231 WI模型广泛地用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境。COST-231 WI模型考虑视距传播和非视距传播两种情况路径损耗的近似计算。,室内传播模型,室内的无线传播同样受到反射、绕射、散射3种主要传播方式的影响，但与室外传播环境相比，条件却大大不同。影响室内传播的因素主要是建筑物的布局、建筑材料和建筑类型等。,室内传播模型,室内传播模型主要有：1）对数距离路径损耗模型；2）Ericsson多重断点模型；3）衰减因子模型。,传播模型校正,一般传播模型校正分以下3步进行：1）数据准备2）路测数据后处理3）模型校正,传播模型校正,1）数据准备设计测试方案，进行车载路测，并记录收集本地的测试信号的场强数据。2）路测数据后处理对车在测试数据进行后处理，得到可用于传播模型中各个函数的系数，是模型的预测值和实测值的误差最小。,传播模型校正,3）模型校正根据后处理得到的路径损耗数据，校正原有的传播模型中各个函数的系数，使模型的预测值和实测值的误差最小。,移动通信概述移动通信电波传播与传播预测模型移动通信中的信源编码与调制解调抗衰落和链路性能增强技术蜂窝组网技术GSM及其增强移动通信系统第三代移动通系统及其增强技术移动通信网络优化,信源编码,通常对于一个数字通信系统而言，信源编码位于从信源到信宿的长个传输链路中的第一个环境，其基本目的就是压缩信源产生的冗余信息，降低传递不必要信息的开销，从而提高整个传输链路的有效性。移动通信中的信源编码，除了考虑保障有效性外，还会涉及与系统覆盖和质量的相互平衡。,2G/3G系统中的话音信源编码,2G/3G系统的话音心愿编码的基本原理是相同的，都采用了矢量量化和参数编码的方法。IS-95中的变速率码激励线性预测编码（CELP）GPRS/WCDMA中的自适应多速率编码（AMR）CDMA2000演进系统中的可选择模式语声编码（SMV）,IS-95中的变速率码激励线性预测编码（CELP）,IS-95中的CELP技术通过4个等级的变速率编码实现话音激活。这种变速率编码技术从总体上减少了约一半系统中的干扰，增加了系统中同时通话的用户数，提高了系统整体容量。通常，这种变速率技术要求手段能够对当前的速率进行盲检测，而发端不再额外发送指示速率等级的信息。,GPRS/WCDMA中的自适应多速率编码（AMR）,AMR的核心原理和IS-95中的码激励线性预测基本相同，其主要目标是满足基本的话音通信需要，以变速率的费力提升方式传输。AMR的基本原理是根据环境或应用需求的变化动态调整编码速率。此外，在使用者不讲话的时候则降低编码速率以节省带宽和功耗，同时降低对其他用户的干扰。,CDMA2000演进系统中的可选择模式语声编码（SMV）,SMV用于CDMA2000演进系统中，其基本原理与前述两种原理基本相同，它也是可变速率的。不同的是，SMV允许有4种模式共系统侧选择，不同的模式实现不同程度的话音质量和平均速率的折中，通过调整不同等级速率所占的比例实现不同的模式，从而调整平均数据速率。,3G系统中的视频信源编码H.264,3G中的视频通信业务可分为三类分组交换会话业务（PCS）分组交换流媒体业务（PSS）多媒体信息业务（MMS）。视频通信业务采用H.264/AVC视频压缩标准，它从某种程度上可以看做是MPEGDE扩展。,调制解调技术,调制就是对消息源信息进行编码的过程，其目的就是使携带信息的信号与信道特性相匹配以及有效地利用信道。,调制解调技术,由于移动信道存在的多径衰落、多普勒频率扩展都会对信号传输的可靠性产生影响。另外，日益增加的用户数目，无线信道频谱的拥挤，要求系统有比较高的频谱效率，即在有限的频率资源情况下，应尽可能地多容纳用户。,调制解调技术,所有这些因素对调制方式的选择都有重大的影响，主要表现在以下几个方面：1.频带利用率2.功率效率3.已调信号恒包络4.易于解调5.带外辐射,相位连续的FSK,在相同的调制指数h情况下，相位连续的2FSK信号的带宽要比一般的2FSK带宽窄。这就意味着CPFSK的频带效率要高于2FSK，所以，在移动通信系统中的2FSK调制常常采用相位连续的调制方式。,相位连续的FSK,另外，随着调制指数h的增加，信号的带宽也在增加。从频带效率考虑，调制指数h不宜太大，但过小又因两个信号频率过于接近而不利于信号的检测。所以应当从他们的相关系数以及信号的带宽综合考虑。,最小频移键控MSK,MSK信号比一般的2FSK信号有更高的带宽效率，但旁瓣的辐射功率仍然很大。在移动通信中，可以用低通滤波器滤去其高频分量，以减少已调信号的带外辐射。,高斯最小频移键控,MSK引入高斯滤波器后使已调信号的频谱变窄。高斯低通滤波器的通带越窄，GMSK信号的频谱就越窄。GMSK信号具有恒定包络特性，功率效率高，可用非线性功率放大器和非相干检测，但频谱效率还不够高。,二相调制BPSK,BPSK信号是一种线性调制，频带效率只有1/2；具有较大的副瓣，副瓣的总功率约占信号总功率的10%，带外辐射严重。,四相调制QPSK,QPSK信号比BPSK信号的频带效率高出一倍，但当基带信号的波形是方波序列时，它含有较丰富的高频分量。所以已调信号功率谱的副瓣仍然很大。实际中可以通过具有升余弦特性的低通滤波器减小已调信号的副瓣。,四相调制QPSK,当基带信号为方波脉冲时，QPSK信号具有恒定包络特性。当基带信号是经过升余弦滤波器形成的时，QPSK信号的包络也不再恒定。,偏移QPSK（OQPSK）,OQPSK的包络变化幅度要比QPSK的小许多，且没有包络零点。OQPSK信号别的功率谱和QPSK相同，因此具有相同的带宽效率。与QPSK相比，OQPSK信号对放大器的非线性不那么敏感，信号的动态范围较小。因此可以由较高的功率效率的同时不会引起副瓣功率显著的增加。在CDMA/IS-95系统中，移动台就使用OQPSK向基站发送信号。,/4-QPSK(/4-DQPSK),/4-DQPSK为了抑制副瓣的带外辐射，在进行载波之前用升余弦特性低通滤波器进行限带，结果信号失去恒包络特性而呈现波动。/4-DQPSK的功率谱和QPSK一样，因此具有相同的带宽。/4-DQPSK信号的信息完全包含在相位差 之中，易于用硬件实现非相干差分检波。,高阶调制,如果把M个能量有限的信号映射到N为的矢量空间上，空间中的M个映射点称作星座点，矢量空间称作信号空间。在矢量空间中可以很容易地描述衡量误码性能的两个指标：信号之间的互相关系数和欧氏距离。符号之间的的相关性越大，欧氏距离就越小，那么误码性能就越差。一般来说，调制阶数越高，欧氏距离就越小。,高阶调制,M进制的数字调制，一般可以分为MASK、MPSK、MQAM和MFSK，他们属于无记忆的线性调制。如果结合到信号的矢量空间表示，可以理解为不同的调制方式是因为采用了不同的正交函数集。,一般认为在阶数M8时为高阶调制。MASK、MQAM、MPSK这3种调制方式在信息速率和M值相同的情况下，频谱利用率是相同的。由于MPSK的抗噪声性能优于MASK，所以2PSK、QPSK获得了广泛的应用。ASK信号对载波的幅度进行调制，所以不适合衰落信道。,高阶调制,在M8时MQAM的抗噪声性能由于MPSK，所以阶数更高的调制一般采用的是QAM形式。在传输高速数据时一般使用的是8PSK、16QAM、32QAM、64QAM等形式。而MFSK采用的是用带宽的增加来换取无码性能的提升，这种方式牺牲了很大的带宽因而不适于无线通信。,高阶调制,高阶调制在高速数据传输系统中应用时相当多的。在未来的移动通信的发展中，高阶调制也必然是一种提高频谱利用率的有力措施。TD-SCDMA采用了比较低阶的QPSK的调制方案；WCDMA采用了低阶的上行BPSK方式和下行QPSK方式。,高阶调制,多径传播环境下，当信号的带宽大于信道的相关带宽时，就会使所传输的信号产生频率选择性衰落，在时域上表现为脉冲波形的重叠即产生码间干扰。在一般的串行数据系统，每个数据符号都完全占用信道可用带宽。由于瑞利衰落的突发性，一连几个比特往往在信号衰落期间被完全破坏而丢失。,正交频分复用,正交频分复用,采用并行系统中，把N个串行码元变换为N个并行的码元，分别调制这N个自信道载波进行同步传输，这就是频分复用。,正交频分复用,在并行的频分复用系统中各个子信道的频谱不重叠，且相邻的自信道之间有足够的保护间隔以便在接收机用滤波器把这些子信道分离出来。但是如果子载波的间隔等于并行码元长度的倒数和使用相干检测，采用子载波的频谱重叠可以使并行系统获得更高的带宽效率，这就是正交频分复用。,移动通信概述移动通信电波传播与传播预测模型移动通信中的信源编码与调制解调抗衰落和链路性能增强技术蜂窝组网技术GSM及其增强移动通信系统第三代移动通系统及其增强技术移动通信网络优化,分集技术,在移动环境中，通过不同途径所接收到的多个信号其衰落情况时不同的、衰落独立的。综合利用各信号分量就有可能明显地改善接收信号的质量，这就是分集接收的基本思想。分集接收的代价是增加了接收机的复杂度，但它可以提高通信的可靠性，因此被广泛用于移动通信。,分集技术,移动无线信号的衰落包括了两个方面：一个来自因地形地物造成的阴影衰落，它使接收的信号平均功率再一个比较长的空间（或时间）区间内发生波动，这是一种宏观的信号衰落；多径传播使得再一个短距离上（或一段时间内）信号强度发生急剧的变化（但信号的平均功率不变），这是一种微观衰落。,分集技术,针对这两种不同的衰落，常用的分级技术分为宏观分集；微观分集。,分集技术,分集技术对信号的处理包含两个过程：获得M个相互独立的多径信号分量；对获得的多径分量进行处理以获得信噪比的改善，这就是合并技术。,宏观分集,为了消除由于阴影区域的信号衰落，可以在两个不同的地点设置两个基站。这两个基站可以同时接收移动台的信号。由于这两个基站接收天线相距甚远，所接收到的信号的衰落是相互独立、互不相关的。用这样的方法我们获得两个衰落独立、携带同一信息的信号。,宏观分集,宏观分集所设置的基站数可以不止一个，视需要而定。宏观分集也称作多基站分集。,微观分集,若在一个局部地区（一个短距离上）接收移动无线信号，信号衰落所呈现的独立性是多方面的，如时间、频率、空间、角度，以及携带信息的电磁波极化方向等等。,微观分集,利用这些特点采用相应的方法可以得到来自同一发射机的衰落独立的多个信号，这就有多种不同的微观分集技术：时间分集频率分集空间分集,时间分集,在移动环境中，信道的特性随时间变化。当移动的时间足够长（或移动的距离足够大），大于信道的相关时间，则这两个时刻（或地点）无线信道衰落特性是不同的，可以认为是独立的。,时间分集,时间分集在不同的时间段发送同一信息，接收端则在不同的时间段接收这些衰落独立的信号。若信号发送M次，则接收机重复使用以接收M个衰落独立的信号，此时成系统为M重时间分集系统。值的注意的是，当移动速度为零时，想干事件为无穷大，时间分集不起作用。,频率分集,在无线信道中，若两个载波的间隔大于信道的想干带宽，则这两个载波信号的衰落是相互独立的。为了获得多个频率分集信号，直接在多个载波上传输统一信息，这样所需要的带宽就很宽。,频率分集,在实际的应用中，一种实现频率分集的方法是采用跳频扩频技术，即把调制符号在频率快速改变的多个载波上发送。采用跳频方式的频率分集很适合于采用TDMA接入方式的数字移动通信系统。数字蜂窝移动电话系统GSM在业务密集的地区常常采用跳频技术，以改善信号的质量。,空间分集,由于多径传播的结果，在移动信道中不同的地点信号的衰落情况是不同的。在相隔足够大的距离上，信号的衰落是相互独立的。若在此距离上设置两副接收天线，则它们所接收到的来自同一发射机发射的信号认为是不相关的。这种分集方式称为天线分集。,分级的合并方式及性能,分集在获得多个衰落独立的信号后，需要对它们进行合并处理。信号合并的目的就是要使它的信噪比有所改善。分集的效果常用分级改善因子或分集增益来描述，也可以用中断概率来描述。,选择合并,这是所有合并方法中最简单的一种。在所接收的多路信号中，合并器选择信噪比最高的一路输出。这种选择可以在解调前进行，也可以在解调后进行。,最大比值合并,最大比值合并把个支路信号加权后合并。在信号合并前对各路载波相位进行调整并使之同相，然后相加。每一个支路的加权系数和该支路信号幅度成正比，和噪声功率成反比。,等增益合并,在三种合并方式中，最大比值合并有最好的性能，但它要求有准确的家去按系数，实现的电路比较复杂。等增益合并的性能虽然比最大比值性能差，但实现起来要容易得多。等增益合并器的各个加权系数均为1。,合并性能分析,接收信号信噪比的改善随着分集重数的增加而增加。在M=23时，增加很快，M3，改善的速度放慢，特别是选择合并。考虑到随着M的增加，电路复杂程度也增加，实际的分集重数一般最高为34。,合并性能分析,在3种合并方式中：最大比值合并改善最多其次是等增益合并最差是选择式合并,分组码,分组码概念二进制分组码编码器的输入是一个长度为k的信息矢量，通过一个线性变换，输出一个长度等于n的码字C。,分组码,分组码的例子1）汉明码是最早的纠正一个错误的线性码。由于他的编码简单，在通信和数据存储系统有广泛的应用。2）如果(n,k)线性分组码的每个码字经过任意循环移位后仍然是一个分组码的码字，则称该码为循环码。循环码特别适合误码检测，在实际应用中许多用于误码检测的码都属于循环码。,分组码,分组码在移动通信中的应用例子在CDMA蜂窝移动通信的系统中，业务信道、前向链路的同步信道、寻呼信道等都使用了CRC编码。在GSM系统中，话音信息、控制信息和同步信息在传输过程中都是用了CRC码；控制信道中的广播信道、寻呼信道以及随路信道还是用截断循环码。,卷积码,卷积码编码器对输入的数据里每次1比特或k比特进行编码，输出n个编码符号。但输出分支码字的每个码元不仅和此时可输入的k个信息有关，也和前m个连续时刻输入的信息元有关。通常卷积码表示为(n，k，m)，编码率r=k/n。,卷积码,在GSM系统中卷积码得到广泛的应用。全速率业务信道和控制信道采用了(2，1，4)卷积编码。在CDMA/IS-95系统中，前向和反向信道都是用了约束长度K=9的编码器。,Turbo码,Turbo码又称并行级联卷积码，它将卷积码和随机交织器结合在一起，采用软输出迭代译码来逼近最大似然译码。第三代移动通信系统都把Turbo码作为高速数据传输使用的信道编码。,均衡技术,在数字传输系统中，由于实际信道的传输特性并非理想，冲击响应的波形失真造成码间干扰从而造成信息比特的误判。为了提高信息传输的可靠性，采用信道均衡技术。由于从时间响应考虑，这种技术就称为时域均衡。,均衡技术,均衡器的作用就是把有码间干扰的接收序列变换为无码间干扰的序列。均衡器是信道的逆滤波，最基本的线性均衡器结构就是横向滤波器。由于实际信道参数是随时间变化的，均衡器的系数必须随时调整。线性均衡器一般用在信道失真不大的场合。要使均衡器在失真严重的信道上有较好的抗噪声性能，可以采用非线性均衡器。,均衡技术,在移动通信系统中，尤其是在移动状态下进行通信，所使用的信道其传输特性每时每刻都在发生变化，而且传输特性十分不理想。因此实际的传输系统要求均衡器能够基于对信道特性的测量随时调整自己的系数，以适应信道特性的变化。自适应均衡器就具有这样的能力。,均衡技术,接收端需要对信道特性进行测量。自适应均衡器工作在两种模式：训练模式和跟踪模式。在发送数据之前，发送端发送训练序列，接收端根据接收到的训练序列和本地产生的训练序列的差值将均衡器参数调整到最佳。训练模式结束后，发送端发送数据，均衡器转入跟踪模式,均衡技术,时分多址的无线系统发送数据常是以固定实习长度定时发送数据的，特别适合使用自适应均衡技术。GSM移动通信系统设计了不同的训练序列分别用于不同的逻辑信道的时隙。,扩频通信,扩频通信最突出的优点是它的抗干扰能力和通信的隐蔽性，它最初用于军事通信，后来由于它的高的频谱效率带来的高经济效益而被应用到民用通信上来。,伪噪声序列,伪噪声序列具有类似随机噪声的一些统计特性，但和真正的随机信号不同，它可以重复产生和处理。PN序列有多重，其中最基本最常用的一种是最长线性反馈一维寄存器蓄力，也称作m序列。通常由反馈移位寄存器产生。,扩频通信原理,直接序列扩频通信系统中，扩展数据信号带宽的一个方法使用一个PN序列和它相乘。直接序列扩频系统在发送端直接用高码率的扩频码去展宽数据信号的频谱，而在接收端则用同样的扩频序列进行解扩，把扩频信号还原为原始的窄带信号。,扩频通信原理,扩频后的信号带宽比原理的扩展了N倍，功率谱密度下降到1/N。扩频码与所传输的信息数据无关，和一般的正弦载波信号一样，不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅是起扩展信号频谱带宽的作用。,扩频通信原理,与一般的窄带传输系统比较，扩频信号的一种重要特点就是抗窄带干扰的能力。扩频信号对窄带干扰的抑制作用在于接收机对信号解扩的同时，对干扰信号进行扩频。这大大降低了干扰信号的功率谱密度。扩频后的干扰和载波相乘、积分大大消弱了其对信号的干扰。,抗多径干扰和RAKE接收机,在扩频通信系统中，利用PN序列的尖锐的自相关特性和很高的码片速率可以克服多径传播造成的干扰。因为，只有与本地相关器扩频码同步的这一多径信号分量可以被解调，而抑制了其他不同步的多径分量的干扰。也就是在混叠的多径信号中，可以单独分离出与本地扩频码同步的多径分量。,抗多径干扰和RAKE接收机,多径传输给信号的接收造成干扰，利用扩频码的良好自相关特性，可以很好地抑制干扰，特别是多径时延大于扩频码的码片的时候。这些先后到达接收机的信号都携带相同的信息，都具有能量。RAKE接收机就是给接收到的多径信号的每一个分量经适当时延后再输出端对齐，然后按照某种方法合并以增加信号的能量改善信噪比。,跳频扩频通信系统,所谓跳频扩频就是使窄带数字已调信号载波频率再一个很宽的频率范围内随时间跳变，跳变的规律称为跳频图案。跳频信号的数字调制方式，一般采用FSK方式。,跳频扩频通信系统,和直扩系统不同，调频系统没有分散窄带干扰信号功率谱密度的能力，而是利用调频序列的随机性和大量的频率点，使得它和干扰信号的娥频率发生冲突的概率大大减小，即跳频是靠躲避干扰来获得抗干扰的能力。,跳频扩频通信系统,GSM系统在业务量大干扰大的情况下常常采用跳频。跳频起着频率分集的作用。GSM采用每帧改变频率的方法，这属于慢跳频。GSM系统允许使用64中不同的跳频序列。,多天线技术,MIMO技术是在发送端和接收端均采用多根天线易增强系统的抗噪声性能。MIMO信道被换为r个相互独立的子信道的叠加，因此它的信道容量也可以由独立自信道的信道容量叠加得到。研究表明，随着天线间相关性的增强，MIMO的信道容量是逐渐降低的。,多天线技术,根据各根天线上发送信息的差别，MIMO可以分为发射分集技术和空间复用技术。发射分集技术指的是在不同的天线上发射包含同样信息的信号，达到空间分集的效果，从而跟分集接收一样能够起到抗衰落的作用。空间复用技术在不同的天线上发射不同的信息，获得空间复用增益，从而大大提高系统的容量和频谱利用率。,空时编码,空时编码是无线通信的一种新的编码和信号处理技术，它使用多个发射和接收天线进行信息的发射与接收，可以大大改善无线通信系统的可靠性。空时编码在不同天线发射信号之间引入时域和空域相关，使得在接收端可以进行分集接收。,空时分组码（STBC）,空时分组码是通过采用两个发射天线和一个接收天线的系统得到采用一个发射天线两个接收天线系统同样的分集增益。虽然分组码提供了发射分集增益，但并没有提供相关的编码增益。一般情况下，空时分组码提供分集增益，而使用外信道编码提供编码增益。,空时格码（STTC）,空时格码的编码过程将调制、编码以及收发分集联合优化，采用格型图编码，其某个时刻天线上所发射的符号是由当前输入符号的编码器的状态决定的。空时格码比空时分组码有更好的性能，编译码的复杂度也高。,分层空时码（LST）,分层空时码描述了空时多维信号的发送结构，并且还可以和不同的编码方式级联。最著名的是垂直结构的空时码，它将信源数据先分为多个子数据流，然后对这些子数据流进行独立的信道编码和调制，并在不同的天线上发送。,链路自适应技术,由于无线信道具有很强的时变特性，对于非自适应系统需要留出一定的链路余量来应付信道恶劣的情况。自适应技术在物理层、链路层和网络层都使用。物理层自适应技术包括自适应调制编码（AMC）、功率控制、速率控制、错误控制等。HARQ是链路层的自适应技术。网络层的自适应技术包括跨层协作。,链路自适应技术,自适应技术是通过在接收端进行信道估计，并把信道的情况反馈到发送端。发送端就可以根据信道的情况灵活地调整发送参