移动通信概述教学.ppt

第一章 移动通信概述,先导案例1.1 移动通信的特点1.2 移动通信的工作方式1.3 移动通信系统的基本组成1.4 移动通信系统的发展历程1.5 移动通信的基本技术1.6 移动通信的产业链,先导案例,随着社会的快速发展，人们要求在移动中与别人进行语音、视频、图像、数据等信息的有效、可靠和安全地通信，实现这种方式的通信系统称为移动通信系统，系统的基本构成如图1-1所示，系统内的数据传输和处理流程如图1-2所示与有线通信系统相比，移动通信系统有什么特点?采用什么方式?信号处理采用哪些技术?如何组网?掌握这些概念对于了解移动通信有十分重要的意义。,下一页,返回,1.1 移动通信的特点,移动通信属于无线通信，通信终端设备是可移动的，传输信号以电磁波的形式在空间进行传输，传输线路不再固定。因为传输线路的开放性，移动通信的通话质量不如有线通信好，但移动通信带给人们生产和生活上的方便足以弥补其缺陷，加之随着移动通信技术的发展，其通信质量也不断提高，手机已成为人们生活的一部分。我国目前拥有全世界最多的移动用户，拥有覆盖范围广、最大的移动通信网，手机产量约占全球的1/3，是名副其实的手机生产大国。与其他通信方式相比，移动通信具有自身的特点。,下一页,返回,1.1 移动通信的特点,1.电波传输条件恶劣，存在严重的多径衰落现象由于移动用户的通信地点可能处在高楼林立的城市中心繁华区、以一般性建筑物为主的近郊小城镇区和以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区三类典型区域，这会导致电磁波的传播由于受到地形、各种地物的影响而产生绕射、发射和散射，使得到达接收端的信号是多路的合成，合成信号的幅度、相位和到达时间随机变化，从而严重影响通信的质量。这就是所谓的多径衰落现象，如图1-3所示在移动通信系统中，采用分集接收技术抗多径衰落。,上一页,下一页,返回,1.1 移动通信的特点,2.具有多普勒效应 由于移动用户可能在高速车载的运动中进行，当运动速度达到70 km/h，接收信号的频率随着速度和入射角而变化，使接收信号的电平起伏变化，即出现多普勒效应。在移动通信系统中，使用锁相环技术可以降低多普勒效应带来的信号不稳定的影响。,上一页,下一页,返回,1.1 移动通信的特点,3.存在远近效应 由于移动用户和接收设备的距离是随机变化的，当距离近时接收信号强，当距离远时接收信号弱，距离的变化会使接收信号的电平起伏变化;另外，由于通信系统是在强干扰下工作的，如果距离近处的信号是干扰信号，则在接收端会发生强干扰信号压制远处弱有用信号的现象。上述的两种情况统称为远近效应。解决远近效应的技术是功率控制技术。4.用户经常移动 由于移动用户在通信区域内是随机运动的，为了实现实时可靠的通信，要求移动通信系统必须具有位置登记、越区切换及漫游访问等跟踪交换技术。,上一页,返回,1.1 移动通信的特点,5.组网方式灵活 由于通信环境的复杂，信号接收地点可能是繁华的市区，也可能是空旷的郊外或海域，所以移动通信的组网方式根据地形地貌灵活多样，如在用户密度不大的地区采用大区制，在繁华的市区采用小区制，而小区制移动通信网又分为带状服务区和面状服务区。,上一页,返回,1.2 移动通信的工作方式,按照通话的状态和频率使用的方法，移动通信可分为三种工作方式:单工、双工和半双工三种通信方式。1.单工通信方式所谓单工通信，是指通信双方交替进行收信和发信的通信方式，发送时不接收，接收时不发送。单工通信常用于点到点的通信，如图1-4所示。根据收发频率的异同，单工通信可分为同频单工和异频单工。,下一页,返回,1.2 移动通信的工作方式,(1)同频单工 同频单工是指通信的双方在相同频率f:上由收/发信机轮流工作。通话的操作采用“按一讲”方式。平时，双方的接收机均处于守听状态，如果A方需要发话，可按压“按-讲”开关，关掉自己的接收机，使其发射机工作，这时由于B方接收机处于守听状态，即可实现由A至B的通话;同理，也可实现由B至A的通话。在该方式中，同一部电台(如A方)的收发信机是交替工作的，故收发信机可使用同一副天线，而不需要使用天线共用器。这种工作方式，设备简单，功耗小，但操作不便。如果配合不好，双方的通话就会出现断断续续的现象。此外，若在同一地区多部电台使用相邻的频率，相距较近的电台间将产生严重的干扰。,上一页,下一页,返回,1.2 移动通信的工作方式,(2)异频单工 异频单工是指通信双方的收/发信机轮流工作，且工作在两个不同的频率f1和f2上，而操作仍采用“按一讲”方式，如图1-5所示。在移动通信中，基地站和移动台收、发使用两个频率实现双向通信，这两个频率通常称为一个信道若基地站设置多部发射机和多部接收机且同时工作，则可将接收机设在某一频率上，而将发射机设置在另一频率上，只要这两个频率有足够频差（或者称频距），借助于滤波器等选频器件就能排除发射机对接收机的干扰。,上一页,下一页,返回,1.2 移动通信的工作方式,2.半双工通信方式 半双工通信方式是指通信的双方有一方(如A方)使用双工方式，即收/发信机同时工作，且使用两个不同的频率f1和f2;而另一方(如B方)则采用双频单工方式，即收/发信机交替工作，如图1-6所示。平时，B方是处于守听状态，仅在发话时才按压“按一讲”开关，切断收信机使发信机工作。其优点是:设备简单、功耗小、克服了通话断断续续的现象，但操作仍不太方便。所以半双工通信方式主要用于专业移动通信系统中，如汽车调度等。,上一页,下一页,返回,1.2 移动通信的工作方式,3.双工通信方式 双工通信方式指通信的双方、收/发信机均同时工作，即任一方在发话的同时，也能收听到对方的话音，无需“按一讲”开关，与普通市内电话的使用情况类似，操作方便，如图1-7所示。但是采用这种方式，在使用过程中，不管是否发话，发射机总是工作的，故电能消耗大。这一点对以电池为能源的移动台是很不利的。为此，在某些系统中，移动台的发射机仅在发话时才工作，而移动台接收机总是工作的，通常称这种系统为准双工系统，它可以和双工系统相兼容，目前，这种工作方式在移动通信系统中获得了广泛的应用。,上一页,返回,1.3 移动通信系统的基本组成,1.移动通信系统的基本组成 移动通信网络一般由移动台(MS)、基站(BS)、移动业务交换中心(MSC)及与市话网(PSTN)相连的中继线等组成，如图1-1所示。(1)移动台 移动台(MS)是公用移动通信网中移动用户使用的设备，也是用户能够接触的整个系统中的唯一设备，它可以为车载型、便携型和手持型。移动台提供两个接口，一个是接入系统的无线接口，另一个是使用者之间的接口，对于手机用户来讲用户接口指的是按键和显示屏。,下一页,返回,1.3 移动通信系统的基本组成,(2)基站 基站(BS)通过无线接口直接与移动台相连，在移动台和网络之间提供一个双向的无线链路(信道)，负责无线信号的收发与无线资源管理，实现移动用户间或移动用户与固定网用户间的通信连接。基站本身只起转发作用，如何移动用户(移动台)要通信，需将信息发给基站，再由基站转发给另一移动台。每个基站都有一个服务区，即无线电波的覆盖范围，服务区的大小是由基站的天线高度和发射功率决定。下面我们来对移动通信中常用的无线信道进行定义。信道是通信网络传递信息的通道。移动通信网的无线信道是移动台与基站间的一条双向传输通道。如果信号是移动台发，基站收，移动台到基站的无线链路称为上行链路(上行通道);如果信号是基站发，移动台收，基站到移动台的无线链路称为下行链路(下行信道)。,上一页,下一页,返回,1.3 移动通信系统的基本组成,(3)移动业务交换中心 移动业务交换中心(MSC)是整个系统的核心，提供交换功能及面向系统其他功能实体和固定网的接口功能，它对移动用户与移动用户之间通信、移动用户与固定网络用户之间通信起着交换、连接与集中控制管理的作用。,上一页,返回,1.4 移动通信系统的发展历程,现代通信技术的发展始于20世纪20年代，是20世纪的重大成就之一。在不到100年的时间中，随着计算机和通信技术的发展，移动通信也得到了巨大的发展，其发展速度令人惊叹。移动通信已成为人们生活的一部分，移动用户的数量与日俱增。移动通信系统的发展主要是围绕如何解决有限的频率资源与不断增长的通信容量和业务范围之间的矛盾而发展的，其发展历程如图1-8所示。,上一页,下一页,返回,1.4 移动通信系统的发展历程,1.第一代模拟蜂窝移动通信系统(1G)1978年贝尔实验室研制成功采用频分多址技术的模拟蜂窝移动通信系统，从此以后至20世纪80年代中期，逐渐形成了以北欧的NMT、北美的AMPS、英国的TAGS等几种典型的模拟蜂窝移动通信系统，统称为第一代(1G)移动通信系统。1G系统的主要缺点是;频谱利用率低，容量有限，系统扩容困难;制式太多，互不兼容，不利于用户实现国际漫游，限制了用户覆盖面;不能与 ISDN兼容，提供的业务种类受限制，不能传输数据信息;保密性差，以及移动终端要进一步实现小型化、低功耗、低价格的难度都较大。,上一页,下一页,返回,1.4 移动通信系统的发展历程,我国在1986年投资建设模拟蜂窝式公用移动通信网，引进了美国MOTOROLA公司的900 MHz TAGS标准的模拟蜂窝移动通信系统(A网)和瑞典ERICSSON的公司900 MHz TAGS标准的模拟蜂窝移动通信系统(B网)。1987年11月，广东正式开通了移动电话业务，移动电话用户实现了“零”的突破。1996年实现了A网、B网的互联自动漫游。2001年，我国模拟网关闭。,上一页,下一页,返回,1.4 移动通信系统的发展历程,2.第二代(2G)移动通信系统 20世纪80年代中期至20世纪末，是第二代(2G)移动通信系统数字式蜂窝移动通信系统发展和成熟阶段，推出了以欧洲的时分多址GSM系统和北美的码分多址IS-95CDMA系统为代表的数字式蜂窝移动通信系统，GSM系统的主要使用频段为900 MHz和1 800 MHz，分别称作GSM900和DCS1800，一般在900 MHz频段无法满足用户容量需求时，会启用1 800 MHz频段。IS-95系统的使用频段主要为800 MHz数字式蜂窝移动通信不但能克服模拟通信的一些弱点，还能提供数字语音业务和最高速率为9.6 kbit/s的电路交换数据业务，并与综合业务数字网(ISDN)相兼容。GPRS可以提供最高速率为171.2kbit/s的分组交换数据业务。,上一页,下一页,返回,1.4 移动通信系统的发展历程,20世纪末欧洲电信标准协会(ETSI)推出了GPRS通用分组无线业务。GPRS是在现有第二代移动通信GSM系统上发展出来的分组交换系统，是GSM系统的升级版，GPRS系统与GSM系统工作频率是一样的，允分利用了GSM系统中的设备，只是在GSM系统的基础之上增加了一些硬件设备和软件升级，为GSM系统向第三代(3G)移动通信系统提供了过渡性的网络平台，所以GPRS系统被称作2.5G移动通信系统。GPRS可以提供最高速率为171.2kbit/s的分组交换数据业务。,上一页,下一页,返回,1.4 移动通信系统的发展历程,我国的数字蜂窝移动通信网的大力发展是从20世纪末开始的。1994年，中国联通率先开始建设数字蜂窝移动通信网。1994年底，广东首先开通GSM数字移动电话网(俗称G网)。G网工作频率是900 MHz，为了满足不断增长的通信容量，后来又建设了DCS1800移动通信系统的网(即D网)。D网采用的是GSM900标准，不同的是工作频率为1 800 MHz,使用双频手机就可以在G网和D网中漫游通话。在2000年中国联通启动了CDMA移动电话网(即C网)建设。2004年出现了GSM/CDMA双模手机，双模手机用户可以自由选择使用G网和C网进行通信。,上一页,下一页,返回,1.4 移动通信系统的发展历程,目前我国应用的移动通信网主要是G网(主要运营商是中国移动与中国联通)和C网(主要由中国联通运营)。2001年，中国移动开通GPRS业务，标志着中国无线通信进入2.5 G时代。经过短短20年的发展，我国已成为全球移动通信用户最多的国家，中国移动不仅是中国规模最大的移动通信运营商，也是拥有全球最大网络规模和用户规模的移动通信运营商。,上一页,下一页,返回,1.4 移动通信系统的发展历程,3.第三代(3G)移动通信系统 由于第二代(2G)移动通信系统难以提供高速数据业务，无法实现全球覆盖和国际漫游，所以第三代(3G)移动通信系统从20世纪80年代开始研发时就成为通信技术的一大亮点。第三代(3G)移动通信系统可同时提供高质量的语音业务，最高传输速率为2Mbit/s数据、图像业务，同时支持多媒体业务;能够全球无线漫游。21世纪，第三代(3G)移动通信系统进入快速发展时期，其中最具有代表性的是基于GSM技术的欧洲与日本提出的WCDNIA、北美提出的基于IS-95 CDMA技术的CDMA2000和我国提出的TD-SCDMA。2001年我国启动了3G技术的试验，在2006年我国将CDMA2000,WCDMA及TD-SCDMA颁布为中国通信行业标准，并进行了大规模的3G网络试验。,上一页,返回,1.4 移动通信系统的发展历程,在3G技术之后，人们又开始研发4G,5G技术。固定网、移动网、计算机网络、广播电视网的融合成为发展的大趋势，以IP为基础的移动互联网业务将是未来的主流业务。,上一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,在移动通信中，由于传输信道和通信用户是动态的，不固定的，所以，各种移动通信技术是围绕着如何适应信道和用户的动态特性而发展的，主要的移动通信技术包括信号处理技术和组网技术。1.5.1 移动通信的信号处理技术 移动通信系统信号传输和处理的流程图如图1-2所示，由信源(话音)编解码、信道编码与解码、数字调制与解调和无线信道5个单元组成。,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,1.话音编码技术 信源编码的主要作用是将信源送出的模拟信号取样、量化、编码，并对编码后的信号去掉信源多余的冗余信息，以达到压缩信源信息率，降低信号的传输速率、缩小信号带宽，从而提高通信的有效性。常用信源编码的方法有波形编码、参量编码和混合编码三种技术。,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,(1)波形编码 波形编码是利用A/D变换技术，通过对模拟的输入信号波形进行采样、量化，然后用二进制码表示出来的编码方式。因为波形编码能够在接收端精确再现信源模拟信号的波形，得到质量较好的信号，因而被经常采用。这种技术包括脉冲编码调制(PC M)、脉码增量调制(DPCM)和自适应增量调制(ADPCM)PC M是基本的波形编码方法，具体步骤是对输入的信号抽样、量化和编码，输出的PC M信号的数码率为64 kbit/s。图1-9是PC M抽样、量化和编码的示意图。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,DPCM是对相邻抽样值的差值序列进行量化编码的方法，DPCM是在PCM的基础上发展起来的，但和PC M相比，因为是对相对较小的差值序列进行量化编码，所以每秒传输的码元数(或数码率)可以降低，从而提高了传输效率 ADPCM是在DPCM的基础上，再采用自适应量化功能，把自适应技术和差分脉冲编码调制结合起来的波形编码技术，可在保证通信质量的基础上，进一步压缩数码率。ADPCM技术使信号的数码率降为32 kbit/s，传输效率提高了一倍。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,(2)参量编码 参量编码不是直接对语音波形进行编码，而是在发送端直接提取模拟信号的一些特征参量，并对这些参量进行编码的一种方式。参量编码的数码率比波形编码低，数码率常在4.8 kbit/s以下，但接收端重建的信号质量不好，有明显的失真，因为在接收端收到的信号是根据发送的特征参量人工合成得到的，实现参量编量的系统称为声码器。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,(3)混合编码 混合编码是波形编码技术和参量编码技术的混合，在参量编码技术的基础上附有一些波形编码的特征，吸取波形编码的高质量与参量编码的低速率的优点。混合编码是通信系统使用最多的编码技术。目前混合编码的改进方法有很多种，GSM系统、IS-95CDMA,WCDMA和CDMr12000系统就采用改进的混合编码技术，如GSM系统采用的是规则脉冲长期预测混合编码(RPE-LTP),IS-95CDMA,WCDMA和CDMr12000系统则采用了受激线性预测混合编码(QCELP)。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,2.信道编码技术 信道编码主要包括纠错编码和交织编码技术，主要目的是提高通信的可靠性。纠错编码的作用是检测和纠正信息在传输过程中的随机差错。基本方法是根据一定的校验关系在发送端的信息码元中加入一些监督码元，在接收端根据信息码元和监督码元之间建立的这种校验关系来检错和纠错，从而提高数字信号传输的可靠性，降低误码率。由于监督码元的加入，增加了信号的冗余度，即可靠性的提高是以带宽为代价的，所以纠错编码技术的目的是如何以最少的监督码元，获得最大的纠错和检错能力。常用纠错编码技术有奇偶效验码、卷积码和Turbo码。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,上面所述的所有纠错编码都是用来纠正随机错误的，但在实际通信系统中常常存在突发性错误。突发错误一般是一个错误序列。纠正突发错误通常采用交织编码。交织编码的基本思路是，将i个能纠t个错的分组码(n,k)的中的码元比特排列成i行n列的方阵。每个码元比特记作B(i,n)。如图1-10所示，交织前如果遇到连续了个比特的突发错误(用阴影方块表示)，且jt，对其中的连续两个码组而言，错误数已远远大于纠错能力t，因而无法正确对出错码组进行纠错。交织后，总的比特数不变，传输次序由原来的B(1,1),B(1，2)，B(1，3)B(1，n)，B(2，1)，B(2，2)，B(2，3)B(2，n)，B(i,1),B(i,3),B(i,3).B(i,n)转变为B(1,1),B(2,1),B(3,1).B(i，1)，B(1，2)，B(2，2)，B(3，2)B(i，2)B1，n)，B(2，n)，B(3，n)，.B(i,n)的次序。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,此时因干扰或衰落引起的突发错误图样正好落在分组码的纠错能力范围内。通常把码组数i称为交织度，用这种方法构造的码称为交织码。使用交织编码的好处是提高了抗突发错误的能力但不增加新的监督码元，从而不会降低编码效率。理论上交织度i越大，抗突发错误的能力就越强，但是要求译码器的暂存区就越大，而且译码延时也相应加大因此，实际系统中会根据设计成本和系统的延时要求选取合适的i。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,3.数字调制技术 数字调制，即用数字信号来调制某一较高频率的正弦波，使已调信号能通过带限信道传输。其主要作用是:第一，频谱搬移，即将传送信息的基带信号搬移到相应频段的信道上传输，以解决信源信号通过天线转化为电磁波发送到自由空间;第二，为了提高频带的利用率，即单位频带内传送尽可能高的信息率。移动通信系统采用数字调制技术都是在基本数字调制技术的基础上进行改进的。(1)基本的数字调制技术 根据所控制的高频正弦波载波信号的参数不同，基本的数字调制技术可分为频移键控(FSK)调制、相移键控(PSK)调制和振幅键控(ASK)调制三类,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,频移键控(FSK)调制。频移键控(FSK)调制是指数字基带信号控制的是载波的频率。若基带信号是二进制信号，“1”和“0”分别用两个不同载波频率的正弦载波来传送，而载波振幅不变，则频移键控记为2FSK，如图1-11所示。若基带信号是多进制信号，则频移键控记为MFSK。相移键控(PSK)调制。相移键控(PSK)调制是指数字基带信号控制的是载波的相位，若基带信号是二进制信号，则相移键控记为2PSK，若基带信号是多进制信号，则相移键控记为MPSk。2PSK又分为绝对相移键控(2BPSK)和相对相移键控(2 DPSK)。绝对相移键控(2BPSK)调制方法是:调制后的正弦载波相位按照基带信号1”和“0”变换而对应变化，当基带信号为“1”时，调制后的正弦波相位为。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,当基带信号为“0”时，调制后的正弦波相位为，其振幅和频率保持不变;相对相移键控(2 DPSK)调制方法是:2DPSK调制后的正弦载波相位，即当基带信号为“1”时，调制后的载波相位和前一个载波信号的相位反相(为)，当基带信号为“0”时，调制后的载波相位和前一个载波信号的相位相反同相(为0)，其振幅和频率也保持不变。两种调制方法的波形如图1-12所示。2BPSK在解调时存在相位模糊问题，2DPSK不存在2BPSK的相位模糊问题。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,振幅键控(ASK)调制振幅键控(ASK)调制是指基带数字信号控制的是载波的振幅，正弦载波的幅度随着调制信号的变化而变化，而其相位和频率保持不变。若基带信号是二进制信号，则振幅键控记为2ASK振幅键控(ASK)调制原理方框图及其波形如图1-13所示;若基带信号是多进制信号，则振幅键控记为MASK。上述三种调制方式中，绝对相移键控(BPSK)的频谱利用率最高，抗干扰性能最好，所以移动通信中的调制方式多数是在BPSK的基础上改进的。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,(2)改进的数字调制技术 最小频移键控调制(MSK)。在实际应用中需要调制信号包络波动小，高频分量小，邻道辐射低。如果调制信号在码元转换时刻信号相位是不连续的、突变的，就会使得系统产生较大的带外辐射，如果采用滤波器去抑制，又会使得信号包络波动变大，对信道的线性度要求会变高，工程上不易实现。最小频移键控(MSK)调制可以有效地解决上述矛盾。最小频移键控(MSK)的调制信号相位不存在突变点，在码元转换时刻是保持连续的，且信号包络波动小。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,图1-14所示为实现MSK调制的方框图。其工作过程是:将输入的基带信号进行差分编码后，经串/并转换电路，将其分成I,Q两路信号，并相互交错一个码元宽度Tb，再用加权函数cos(t/2 Tb)和sin cos(t/2 Tb)分别对I,Q两路信号加权，最后将两路信号分别对正交载波cosWct和sinWct进行调制，将所得到的两路已调信号相加，通过带通滤波器，就得到MSK信号MSK解调可采用相干、非相干两种方式。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,虽然MSK信号相位不存在突变点，但相位却呈折线变化，使MSK信号的带外邻道辐射相对较大，影响了频谱利用效率，所以在MSK基础上产生了GMSK调制方法 高斯滤波最小移频键控调制(GMSK)。高斯滤波最小移频键控GMSK调制的基本原理是在MSK调制器之前加入一个高斯低通滤波器，进一步抑制高频分量，使基带信号变成高斯脉冲信号后再进行MSK调制。所以，GMSK的抗干扰性能与最优的BPSK差不多，对高功率放大器的线性度要求低，因而得到了广泛的应用，GSM系统采用的是GMSK调制。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,正交相移键控调制(QPSK)。在1986年后，由于实用线性高功率放大器取得了突飞猛进的发展，使得线性调制技术在移动通信中得到实际应用。这类调制技术频谱利用率较高，但对调制器和功率放大器的线性要求非常高。目前移动通信系统采用的线性调制技术都是在BPSK和QPSK的基础上发展起来的。正交相移键控(QPSK)调制，也称作四相相移键控。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,QPSK调制的基本信号是四进制信号，即00,01,10,11，对应于载波的4种不同相位。QPSK信号常用的产生方法有相位选择和直接调相两种。相位选择法原理框图如图1-15所示。图中，四相载波发生器产生QPSK信号所需的4种不同相位的载波，输入的二进制数码经串/并变换器输出双比特码元。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,QPSK调制也可看成是两路信号同时进行BPSK调制，只是两路的载波cosWct和sinWct相互正交，其原理框图如图1-16所示，波形见图1-17,输入的基带信号经串/并转换电路，将其分成I,Q两路信号，将两路信号分别用正交载波cosWct和sinWct进行BPSK调制，将所得到的两路已调信号相加，通过带通滤波器，就得到QPSK信号。由于QPS K的I,Q两路数据流在时间上是一致的(即码元的沿是对齐的)，当两路数据同时改变极性时(I,Q两路码元同时转换)，QPSK信号的相位将发生180。跳变。这种相位跳变会导致信号的包络在瞬间通过零点，引起包络起伏。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,交错正交(或四相)相移键控(OQPSK)。为了进一步减小QPSK已调波的相位突变值，降低已调信号的包络波动，在QPSK基础上提出了改进的交错正交(或四相)相移键控(OQPSK)调制。OQPSK调制框图如图1-18所示，波形见图1-19。OQPSI调制是将输入的基带信号经串/并转换电路，将其分成I,Q两路信号，并使其在时间上相互错开一个码元间隔，然后再对两路信号进行正交BPSK调制，叠加成为 0QPSK信号。由于0QPSK调制将两路信号在时间上错开一个码元的时间(Tb)进行调制，不会发生像QPSK两路数据同时改变极性的现象，每次只有一路码元可能发生极性翻转，因此，OQPSK信号相位最大突变90，不会出现180的相位跳变。OQPSK频谱特性比QPSK好，其信号包络起伏比QPSK信号小，故OQPSK性能优于QPSK。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,/4差分四相移相键控(/4-DQPSK)调制。QPSK调制是在移动通信上获得较多应用的一种调制，也是一种正交相移键控调制技术，/4-DQPSK信号最大相位突变介于OQPSK和QPSK之间为 135，所以其包络起伏比QPSK小但比OQPSK大，但/4-DQPSK最大的优势在于它能够非相干解调，而OQPSK和QPSK最大的缺点是只能采用相干解调，这使得/4-DQPSK接收设备大大简化。/4-DQPSK调制过程和QPSK相比多了一个差分相位编码电路，/4-DQPSK调制方框图如图1-20所示。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,1.5.2 移动通信的组网技术 由若干个移动通信系统互联就构成移动通信网络，移动通信组网的基本技术主要包括多址技术、服务区规划技术和多信道共用技术。1.多址技术 在一个无线小区中，如何使一个基站能容纳更多的用户同时和其他用户进行通信?又如何使基站能从众多用户台的信号中区分出是哪一个用户台发出来的信号，而各用户台又能识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的信号?解决这个问题的办法称为多址技术。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,常用的多址方式有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和码分多址(QDMA)。对于移动通信系统而言，由于用户数和通信业务量激增，一个突出的问题是在频率资源有限的条件下，如何提高通信系统的容量。由于多址方式直接影响到通信系统的容量，所以一个移动通信系统选用什么类型的多址技术直接关系到移动通信系统容量的大小。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,(1)频分多址(FDMA)。在移动通信系统中，频分多址是把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的互不重叠的频道，分配给不同的用户使用。这些频道互不重叠，其宽度能传输一路话音信息，而在相邻频道之间无明显的干扰。频分多址系统的工作示意图如图1-21所示。由图可见，系统的基站必须同时发射和接收多个不同频率的信号。任意两个移动用户之间进行通信时都必须经过基站中转:因而要占用一对频道，一个用作上行(反向)信道，一个用作下行(前向)信道，才能实现双工通信不过，移动台在通信时所占用的信道并不是固定的，通常是在通信建立阶段由系统控制中心临时分配的，通信结束后移动台将退回占用的信道，这些信道又可以重新分配给其他用户使用。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,FDMA的频道分割如图1-22所示。上行信道占有较低的频带，下行信道占有较高的频带，中间为保护频带。为了在有限的频谱中增加信道数量，希望频道间隔越窄越好，FDMA信道的相对带宽较窄(25 kHz或30 kHz)，但在频道之间必须留有足够的保护间隙Fg，同时，在接收设备中使用带通滤波器，限制邻近频道间的干扰。FDMA技术的缺点是:基站需要多部不同载波频率的发射机同时工作，设备复杂;系统中存在多个频率的信号，容易产生信道间的互调干扰，因此通信质量较差，保密性较差;因为频道数量是有限的，所以系统容量小，不能容纳较多的用户FDMA主要用于模拟蜂窝移动系统中，在数字蜂窝移动系统中，更多采用的是TDMA和CDMA。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,(2)时分多址(TDMA)。时分多址(TDMA)技术是在一个载波频率上把时间分割成周期性的帧，每一帧再分割成若干个时隙(无论帧或时隙都是互不重叠的)，每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户，在时隙内传送的信号叫做突发(bust)，不同通信系统的帧结构好帧长度是不一样的，GSM系统采用的是TDMA技术.其帧长为4.6 ms如图1-23所示。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,图1-24所示为TDMA通信系统的工作示意图。每次通信时，每个用户在每帧内在指定的时隙按顺序向基站发射信号，基站在相应的时隙中接受给它的信号;同样，基站在指定的时隙按顺序向不同用户发射信号，用户只要按照顺序在相应的时隙中接收发给它的信号，就能从众多的信号中把发给它的信号区分出来，为了正确识别并接收信号，同时保证各用户发射的信号不会在基站发生重叠或混淆，TDMA通信系统设备必须有精确的定时和同步。TD-MA和FDMA通信系统相比，TDMA通信系统在同样的频道数下，能容纳更多的用户，频率利用率高;每个用户占用不同的时隙进行通信，用户间不会串扰，基站只需一部收发信机，互调干扰小，并且对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配更容易经济，便于动态分配信道。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,(3)码分多址(CDMA)。码分多址(CDMA)是指不同的移动台的识别不是靠频率不同或时隙不同，而是用各自不同的独特的随机的地址码序列来区分，地址码序列彼此正交互不相关，或相关性很小。在这样一个信道中，可容纳比TDMA还要多的用户数。图1-25是码分多址(CDMA)通信系统示意图，其基本工作原理如下:在码分多址通信系统中，利用自相关性很强而互相关值为。或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相乘(或模2加)后进行合成，经过相应的信道传输后，在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对接收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码一致的信号选出，把不一致的信号除掉(这个过程称之为相关检测)。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,例如，图1-25中d1 dN、分别是N个用户的信息数据，其对应的地址码分别W1WN，为了简明起见，假定系统有4个用户(即N=4)，各自的地址码为:,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,假设在某一时刻用户信息数据分别为:与式(1-1)和式(1-2)相应的波形如图1-26。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,与各自对应的地址码相乘后的波形S1 S4如图1-26所示。在接收端，当系统处于同步状态和忽略噪声时，在接收机中解调输出R端的波形是S1 S4的叠加，如果欲接收某一用户(例如用户2)的信息数据，本地产生的地址码应与该用户的地址码相同(Wk=W2)。并且用此地址码与解调输出R端的波形相乘，再送入积分电路，然后经过采样判决电路得到相应的信息数据。如果本地产生的地址码与用户2的地址码相同(即Wk=W2)，经过相乘、积分电路后，产生的波形J1J4如图1-26所示，即:,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,也就是在采样、判决电路前的信号是:0、-1、0、0。此时，虽然解调输出R端的波形是S1S4叠加，但是，因为要接收的用户2的信息数据，本地产生地址码与用户2的地址码相同，经过相关检测后，用户1,3,4所发射的信号加到采样、判决电路前的信号是0，对信号的采样、判决没有影响。采样、判决电路的输出信号是J2=-1，也就是用户2所发送的信息数据。如果要接收用户3的信息数据，本地产生的地址码应与用户3的地址码相同(Wk=W3)，经过相乘、积分电路后，产生的数据J1J4为:J1=0，J2=0，J3=1，J4=0,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,也就是在采样、判决电路前的信号是0、0,1,0。此时，虽然解调输出R端的波形是S1S4叠加，但是要接收的用户3的信息数据，本地产生的地址码与用户3的地址码相同，经过相关检测后，用户1,2,4所发射的信号加到采样、判决电路前的信号是。，对信号的采样没有影响。采样、判决电路的输出信号是J3=1，也就是用户3所发送的信息数据。如果要接收用户1,4的信息数据，其工作原理与上述相同。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,以上是通过一个简单例子，简要叙述了码分多址通信系统的工作原理。实际上，码分多址移动通信系统并不是这样简单的，而是复杂得多:一是要有足够多的自相关性和互相关性良好的地址码，这是“码分”的基础;二是在码分多址通信系统中的各接收端，必然产生与发送端码型和相位均一致的本地地址码(简称本地码)，这是“码分”最主要的环节;三是由于码分多址通信系统中的特点，即网内所有用户使用同一载波，各个用户可以同时发送或接收信号，这样在接收机的输入信号干扰比将远小于1(负若干dB)，这是传统的调制解调方式无能为力的。为了把各用户之间的相互干扰降到最低程度，并且使各个用户的信号占用相同的带宽，码分系统必须与打一展频谱技术相结合，使在信道上传输的信号所占频带极大展宽(一般达百倍以上)，为接收端分离信号完成实质性的准备。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,比较上述的三种多址方式，如图1-27所示。CDMA码分多址技术的频谱利用率最高，所能提供的容量最大，它代表了多址技术的发展方;TDMA时分多址技术，目前技术比较成熟，应用较为广泛;FDMA频分多址技术，由于频谱利用率低，逐渐被TDMA和CDMA所取代，实际中最常用到的是这三种多址方式的混合多址方式，如WCDMA系统采用FD-MA/CDMA的混合应用;而TD-SCDMA系统采用的是TDMA/CDMA的混合应用。2.移动通信系统的服务区规划(1)服务区的制式 根据移动通信系统的服务区覆盖方式的不同可将移动通信系统的服务区划分为:大区制和小区制。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,大区制。大区制是指在一个服务区域(一个城市或一个地区)内只设置一个基站，由它负责这个地区移动通信的联络和控制通常基站天线架设较高，发射机输出功率也比较大(25200W),覆盖区域半径一般为2550km，用户容量一般为几十至几百个，如图1-28所示。这种方式的优点是组网简单、投资少，一般在用户密度不大或业务量较少的区域使用，因为服务区域内的频率不能重复使用，无法满足大容量通信的要求。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,小区制。小区制是指将整个服务区划分成若干个单位区群，每个区群由若干个无线小区组成，如图1-29所示。每个无线小区分别设置一个基站，由它负责本区移动通信的联络和控制。其基本思想是用许多的小功率发射机(小覆盖区域)来代替单个大功率发射机(大覆盖区域)。每个无线小区设置一个发射功率为510 W的小功率基站，覆盖半径一般为520 km。每个单位无线区群分配一组频率，在每个单位区群中，每个无线小区使用一组频道，邻近无线小区使用不同的频道。而在不同的无线区群中，频率可以重复使用，即同频复用。,上一页,下一页,返回,1.5 移动通信的基本技术,这样在整个服务区内，同一组频道