移动通信中的若干关键技术下课件.ppt

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1、（第二专题）移动通信中的若干关键技术（下）,提纲回顾,一、移动通信系统的构成二、推动移动通信技术进步的主要矛盾三、移动通信中的若干关键技术3.1 语言编码与压缩3.2 多址技术3.3 信道编码与交织 3.4 射频调制 3.5 功率控制技术 3.6 分集技术 3.7 多用户检测 3.8 多载波传输 3.9 智能天线四、移动通信系统的运行五、两项与移动通信密切相关的新技术 4.1 软件无线电 4.2 TURBO 码-信道编码的里程碑,3.4 射频调制作用:将经交织、扩频处理后待传送的信息码加载到某一指定频道的中心频率上。调制方式 a)模拟信号调制：AM（调幅）FM（调频）b)数字信号的基本调制方式

2、：ASK（幅度键控）FSK（移频键控制）PSK（移相键控制）用基本调制方式，可组合成复合调制和多进制调制。,3）GSM中的射频调制MSK与GMSK,MSK的数学表达式,瞬时频率,称符合上述参数条件的FSK为MSK,b)MSK的特点,在一个码元周期内的射频信号包含有1/4个载波周期的整数倍在码元转换时，射频信号的相位是连续的，无突变。MSK信号的功率谱密度较集中。,MSK,QPSK,c）GMSK,GSM参数：频道间隔=200KHZGMSK：将MSK信号，经一高斯滤波进一步压缩高频分量后输出，MSK特性不变，性能约损失1db，功率谱更集中。,d）GMSK的解调,由速率为 的时钟采样判决。,4）CD

3、MA中的调制器 CDMA的调制器包含二次调制：扩频调制和射频调制。BQM（平衡四相调制）在直扩（IS-95）系统中应用。BQM调制器,图15 BQM调制器,m(t)基带信号,x(t)至功放,SI(t)、SQ(t)扩频码 I、Q相移90度W0频道中心频率,DQM和CQM,DQM双四相调制CQM复四相调制,在BQM基础的改进,3.5功率控制技术CDMA走向实用化的关键,1)为什么CDMA必须有功率控制由于所有用户同时,且在同一频率上工作。手机基站（上行）距基站近达到基站的功率强距基站远弱在基站接收机中产生远近效应：近距离手机干扰基站对远距离手机信号的接收。b)基站手机(下行）距基站近手机接收的信号

4、强。距基站远弱，在手机中临近的基站将干扰手机对所处基站信号的接收。结论：如不对基站的发射功率与手机的发射功率实时控制，CDMA系统将不能正常工作。,2)功率控制准则 功率平衡准则 信号干扰比平衡准则a)功率平衡准则上行（手机基站）：指令各手机（无论远近），发射后到达基站的功率相等（调手机称之为反向功率控制）。下行（基站手机）：使各手机（无论远近）接收到基站送去的信号功率相等（调基站，称之为前向功率控制）。b)信号干扰比平衡准则（SIR）CDMA系统中，“噪声”主要来自手机之间与基站之间产生的干扰。依据“信号干扰比SIR”进行控制。上行：控制目标是达到在基站中各手机的信号与其它手机对其产生的干扰

5、比相等（调手机，称反向功控）下行：使各手机收到的基站送去的信号与其它基站的干扰信号比相等（调基站前向功控）。c)IS-95中实际使用的功率控制准则功率平衡准则易实现，但性能不及SIR；SIR在上行链路中，可能导致系统不稳定，因此：实际系统中多采用混合控制。IS95中的功控准则：改进型的SIR即：基于SIR算法，但控制的阈值由误帧率（FER）决定。,3）功率控制方法 a)集中式功控与分布式功控 集中式功率控制 在基站中进行。要求在每一时刻（时间间隔内）要计算出一个归一化 的链路增益矩阵。矩阵中的各元素，对应着在基站服务区中各手机在那一时刻应有的功率增益。问题：当小区用户多时，如何快速计算出链路的

6、增益矩阵？分布式功率控制 在手机中进行：估计SIR并依此控制手机自身的发射功率。同时，通知基站应送来的功率。评价：在IS-95中实际应用，相当有效。问题：当对SIR估计误差大时，系统性能会迅速下降。,b)开环功控与闭环功控 开环功控 仅根据接收的信号质量（无论手机或基站）而发出相应控制指令。无反馈。问题：收、发频率相差45MHZ，对快衰落而言，收、发信道是完全独立的，因此开环功控对快衰落无作用,但对慢衰落（手机移动到汽车内、房屋后等）作用良好。适应：在CDMA/TDD结合的体制中，开环功控可达到高精度。,基站对手机进行控制，并从手机送来的信号中获得反馈量。优 点：精度高 问 题：控制时延大当前

7、研究：新的闭环功控方法（自适应、自适应+模糊，神经网络法）,闭环控制,图19闭环功控,c)IS-95中的功率控制参数前向功控（基站执行）误差源：各手机信号的误帧率控制方式：慢速闭环方式 步长0.5db(12%),高负荷时降至6%。调节幅值：4db 6db控制指令传送信道：上行：插入（手机基站）的功率测量报告信息段；下行：放入（基站手机）的寻呼信道上的系统参数信息字段。控制算法：美国高通(Quaicomm)公司专利反向功控（手机执行）粗控：克服“阴影”、“角落”、阻档引起的慢衰落，调整范围大：24db 采用开环方式。精控:闭环方式 抑制快衰落，控制数据：800bit/s，每1.25ms调整一次

8、调整范围：24db控制算法与实现方案：QuaiComm专利,d)IMT-2000中的功率控制CDMA2000由IS-95平滑过渡，故其功控方案与IS-95基本一致。WCDMA由欧洲提出，功控实现方案与IS-95有较大差别。,1)主要分集方式 a)空间分集 多个天线接收，用在基站中 天线间距离 天线数N=24,3.6 分集技术抗衰落（抗多径）,(900MHZ,波长约35cm),.,b)频率分集 将发射信号调制到多个载波频率上传送，要求载波频差 GSM：800900MHZ频段，测得 c)发送分集,2)分集的合并技术,合并点：中频合并 视频合并,图21 空间分集合并,合并方式：最大比值合并增益Gi与

9、第i路的信噪比成线性关系，合并效果最佳。等增益合并选择式合并,3）Rake接收机一种隐分集方式a)作用 充分利用到达接收机的多径射频信号的各条径的能量。b)理论值 IS-95中扩频信号的带宽1.25MHZ,测得在900MHZ频段的多径时延，可提供Rake接收机分离的多径 实际上只达到利用4条的效果（4重分集）c)IS-95中的Rake接收 IS-95中在基站中的Rake接收非相干解调在手机中的Rake接收相干解调 工作过程 搜索多径，进行相位补偿后，合并相加 IS-95基站中的Rake接收框图,图22 IS-95基站中Rake接收总体框图,解调器1，2，4，相应于4条径，采用BQM（见图18）

10、平衡四相解调器方案，其输出已为视频信号，在视频完成多径合并。,搜索器与搜索策略Rake接收的重要部件 作用：找出4条最强的“径”，并完成相位补偿。搜索策略：相位偏移扫描试探法。4）发射分集空间分集效果最好手机无法实现。将手机的空间分集，移到基站发射分集 a)发送分集研究状况 理论上证明了多天线发射在衰落信道所能获得的增益与发射天线的数目成线性增长正研究将发射分集与编码、调制方式有机结合，组成时空卷积码，以最大限度地改善系统的传输质量。发射分集已用在 CDMA2000 1X 中（获3db增益）。,b)WCDMA建议的一种发送分集方案,混 合,发送天线1,发送天线2,天线1,分集导频,天线2,导频

11、,STTP编码,时钟,混合,交织,信道编码,数据,TPC,时钟,扩频码调制,图23 STTD发送分集原理图,TPC功率控制指令STTD一种将信息码分配给天线1和天线2的编码方案,5）编码分集,3.7 多用户检测1)多用户检测的作用减小用户间的多址干扰 在CDMA移动通信系统中,存在三类干扰：a)加性白噪声干扰危害产生分散独立误码抵抗措施采用有效的信道编码纠正差错。b)多径干扰危害引起突发差错（引起成片误码）抵抗措施：采用分集技术抗衰落（抗多径）在信道中采用交织编码技术c)用户间的多址干扰危害影响信道容量（用户数量）产生根源CDMA使用的扩频码之间的互相关系数不为零。,2)多用户检测的基本原理a

12、)多址干扰是由扩频码的结构带来的，是伪随机信号存在一定的 结构性规律，彼此不独立。b)扩频码有严格的数学描述规律，各码组之间的互相关函数都是 已知的。c)基于上述a，b，从理论上讲，利用多址干扰规律，来构造一种 最优的联合检测算法，称算法为多用户检测（1986年提出）,抵抗措施,选择好的扩频码,采用同步码分多址；采用功率控制技术，使各用户发射功率最小采用“空间滤波”：如划分扇区,使用智能天线采用多用户检测技术等,3)多用户检测的最优结构MLSD算法证明条件：白高斯噪声信道检测器结构：匹配滤波+最大似然比序列检测（MLSD算法）仿真实验结果：可达到与单用户检测几乎相同的性能。问题：运算量随用户数

13、N的增加成指数增长；须知道所有用户的扩频码、信号幅度、相位和多径时延。评价：该最优多用户检测器是无法实用的。,4)多用户检测的一般结构,3.8 多载波传输,1）多载波传输的思路及优缺点 a)思路,老技术新应用：等效于正交频分复用OFDM,b)优点：抗脉冲干扰能力比单载波系统高约11db。抗多径传播与频率选择性衰落的能力可大大增强。可增加系统的数据传送能力，相当频谱利用率可提高一倍。,缺点对定时和载波的频率稳定度要求比单载波系统要求严格对前置放大器的线性要求提高。,2）多载波系统应用情况 a)HDSL、ADSL高速数字环路、无线接入 b)数字音频广播（欧洲的DBA标准OFDM)c)高清晰度电视的

14、地面广播系统,3）多载波传输在移动通信系统中的应用与码分多址结合,图25 扩频系统的理想结构,b)多载波与CDMA的结合方式分类 1993年开始研究，有两类：,频域扩频MC-CDMA（OFDM-CDMA）时域扩频MCDS-CDMA MT-CDMA,a)扩频系统的理想结构,N c子载波数,T,载波数GMC与扩频码位数相等,MCDSCDMA（多载波直扩码分多址）,数据经相同的扩频码扩频后调制到,各子载波上,对频率间隔有要求,MTCDMA(多音频码分多址,数据,图28 MT-CDMA发送框图,串/并变换,c)多载波CDMA的研究热点自93年提出后研究火热：系统结构（降低复杂度）信号检测信道估计同步技

15、术降低峰值功率方法干扰消除技术等,3.9智能天线空分多址,1）提出背景在蜂窝移动通信中，采用将一个蜂房划分为三个扇区，可使一个小区内的用户容量提高3倍。,智能天线将小区内固定式的扇区划分，改进为将波形束跟踪每一个（或一小群用户），形成产生动态的能跟踪用户的天线波束（实现空分多址）,2）智能天线的优点减小或消除多用户干扰 增加移动通信系统的用户容量提高频谱利用率降低发射功率增大天线的覆盖范围等。,3）当前研究状况技术日趋成熟尚未达到实用化阶段,4）智能天线的基本原理a)预置多波束智能天线（多用于接收）预先设计了N个不同入射角方向的窄波 束，根据手机发送来的电波的来波方向，从中 选择一个最适合的窄

16、波束对准手机。b)自适应阵列自动跟踪式智能天线,W1，W2，WN自适应权值系数e(t)为误差信号自适应算法是智能天线的技术关键信号测量与处理计算来波的入射角,图中：,5）移动通信中的智能天线技术拟在3G中应用 智能天线 军事技术中的自适应阵列天线（雷达、声纳、抑制敌方强干扰）a)移动通信中智能天线的特点 天线跟踪的目标多 军10个移20个 移动通信信道环境恶劣：衰落信道变参信道。移动通信中干扰（多用户）为均匀分布（空间）,且干扰信号的强度与有用信号相比大体相当，无法用波束零点对付（而“军事”可用此方法）。b)智能天线的研究进展,欧洲 1995年开始现场试验 美国Array Com公司，采用四单

17、元或十二单元环形阵列，在无线本地环路上实验。结果：可使系统容量提高4倍。日本我国加紧研究，目标在TD-SCDMA中采用。评价：智能天线离实际应用（在移动通信中）已为期不远，它将大大改善移动通信系统的性能（加大容量，减小干扰，扩大服务区，提高可靠性。,四、移动通信系统的运行状态,待机状态（广州用户在北京）：广州用户A开机待机手机每12秒向本地基站发送SIM卡中的信息基站接收解码后送交换机交换机分析号码（知为广州用户，并知属何HLR）经七号信令网询问广州HLR，确定为合法用户后，将该用户数据存入VLR，同时通知HLR标记A用户在北京漫游，VLR中的数据随之更新。被叫状态；某用户呼叫A用户询问A用户

18、的归属HLR，HLR指示A用户的当前位置VLR呼叫经七号信令送达A当前的MSCMSC经VLR查A用户的基站服务区并向A发出呼叫。主叫状态：A用户 拨号经基站送达拜访MSCMSC查询VLR合法，经七号信令网向A的被叫所在地发出呼叫被叫查HLR指示被叫当前位置回送主叫MSC主叫重向被叫当前位置的MSC（VLR）发出呼叫MSC接收呼叫查VLR确定被叫所在基站向被叫振铃。,五、两项与移动通信密切相关的新技术,5.1软件无线电技术 电子信息系统的整体变革 1）通信技术的三次大变革第一次：从模拟到数字（已完成）第二次：从固定到移动（正在完成）第三次：从硬件主导产品到软件主导产品（将要发生）2）什么是软件无

19、线电？a)一般定义：将标准化、模块化的硬件功能单元以一定方式（例如通过总线）组 成一个通用硬件平台，再通过不同的软件加载，来实现不同类型的电子信息系统。评论：硬件平台是基础，软件是灵魂。,产生背景军事通信发展的需求通信产品研制与使用周期缩短：5060年代，30年目前1-2年通信产品的高科技含量不断提高，军费猛增现代战争为多兵种协同，不同的通信设备需互连互通。软件无线电是解决上述矛盾的最佳选择。民用通信产品发展的需求移动通信第一代到第二代10年第二代到第三代 56年通信体制多，不同体制要互连互通通信业务发展更新快通信必须全球化，但统一体制难软件无线电是解决民用通信矛盾的最佳选择,3）美国军用软件

20、无线电系统“SPERAKeasyI”,a)SPEAK easy I硬件功能模块,波形综合实现不同调制方式高速数字预处理实现不同调制信号解调数字信号处理还原业务数据,SPEAKeasy的软件系统 SPEAKeasy I完成多频段、多模式 现有15种以上美军军用电台的工作，实现了可编程业务数据处理；实现的调制方式有：单边带跳频/非跳频调制；幅度键控ASK，多重正交调幅MQAM；跳频/非跳频FSK、MSK、CPFSK（连续相位移动键控）；多相键控MPSK、相对移相二相与四相键控DPSK、QDPSK，参差四相键控OQPSK等；用软件实现了信息安全保密：包括传输过程加密，采用跳频和扩频技术，完成用户数据

21、比特流加密等。,d)SPEAK easy I上示范演示情况,时间：1994年8月 演示了四种标准无线电台的互连操作；演示了两种无线电台同时工作；演示了由网桥连接两个不同网，两个网上的所有用 户可以互相通信。当前正在进行SPEAK easyII 的开发 软件无线电目前的困难在宽带射频评论：实现软件无线电已为期不远3G拟采用软件无线电部分模块,5.2TURBO码信道编码的里程碑,1)Turbo码的基本结构a)Turbo码的提出 1993年两位法国教授C.Berrou,A.Glavieux 和缅甸籍博士研究生P.thitimajslwa在ICC国际会议上发表了他们的论文：“Near shannon

22、limit error-correcting coding and decoding:Turbo codes(1)”ICC93,P:1064-1074,1993 提出了“Turbo”编译码方案，介绍了模拟实验结果。,译码器,软输出译码器,软输出译码器,判决器,译码输出,解交织,解交织,检验序列Y1k,译码输入Xk,似然值L2k,交织,外信息Z2k,检验序列Y2k,似然值L1k,图33 Turbo译码框图,外信息Z2k,判决器采用最大似然判决软输出译码器计算似然比，采用软输入/软输出反馈的外信息Z1k、Z2k联系。仿真实验结果：Eb/N0.7db，256256交织，经18次迭代以后得Pe10-5

23、。,2）Turbo码优异性能的理论解译,a)完整的理论解释至今还是个迷 Turbo发明人未从理论的角度去探讨Turbo码而是从工程角度，从计算机仿真得出优异的接近Shannon极限的性能结论。b)Turbo码的优异性能绝非巧合，经后人无数重复性研究结论又获一再证明，并发现其巨大潜力。c)目前的初步解释 山农第二定理的证明条件：采用随机编、译码方式；编码长度L 译码采用最佳的最大似然译码,3）Turbo码的应用,使信道编码的理论与工程应用是入了新阶段在第三代移动通信系统标准3GPP中，已将Turbo码列入标准（确定了编译码电路的具体结构），用于传送数据。随着Turbo码的改进，实时传送语音的Tu

24、rbo即将产生。,结 束 语,1）从移动通信技术的提出到克服各种技术困难，到成熟应用、普及，可体察到科学技术的无穷生命力。其中，正确的理论是技术设备项目研发方向的指针。2）第三代移动通信设备的研究仍处在技术和各方利益竞争的高峰期，LAS-CDMA上海实验的成功，对通信理论的发展是一个重大贡献，并对今后产品研制带来重大影响。3）移动通信取代固定通信已成为了通信的主战场，而且还正处在兴旺发展的上升时期，3G尚未完成，又开始了4G的概念研究，无线接入、移动互联网等的发展走向值得关注。4）移动通信系统 的技术复杂，其设备几乎涵盖电子信息技术的所有方面。5）软件无线电”技术与网络的结合，将带来通信技术的又一次大变革。,第二专题结束 谢谢！,