《第三代移动通信讲义3》-精选课件（公开PPT）

移动通信新技术-CDMA,第1章 移动通信信道与移动用户 第2章 多址技术与扩频通信 第3章 IS-95码分多址系统 第4章 （3G）移动通信系统IMT-2000 简介,吴老师：这章的内容因为在GSM课程里我们已经做了录象，所以这部分不需要重复讲授了。 是否有不一样的地方？,下一页<>,上一页>>,2.1 多址技术的基本概念,目的 原理 实现方式 典型范例,上一页>>,下一页>>,-目的-,由于移动用户在不断的随机移动，建立它们之间的通信，首先必须引入区分与识别动态用户地址的多址技术。,下一页>>,上一页>>,-原理-,与固定式通信中的信号复用技术相同，实质上都是属于信号正交划分与设计技术。 不同点是信号复用目的在于区分多路，多址技术目的是区分多个动态地址。 复用技术通常在中频或基带实现； 多址技术必须在射频实现，它利用射频幅射的电波寻找动态的移动地址。,上一页>>,下一页>>,-实现方式-,正交信号的正交划分与设计，具体是通过信号的正交参量i（i=1,2,n）的划分来实现的。 （1）在发送端：设计一组相互正交的信号参量 其中： :为第 i 个用户地址的信号； :为第 i 个用户信号 的正交参量； :为第 i 个用户地址的保护区。,下一页>>,上一页>>,（2.1） （2.2）,-实现方式- （续）,式（2.1）是理论上表达式; 式（2.2）则是考虑到实际情况后的实际划分表达式。 而且，正交参量应满足,上一页>>,下一页>>,-实现方式- （续）,（2）在接收端：设计一个正交信号识别器。 如图2.1所示。 图2.1 正交信号识别器原理图,下一页>>,上一页>>,-典型范例-,当i=Fi时，称为频分多址FDMA。 如图2.2所示。 图2.2 频分多址原理图,上一页>>,下一页>>,-典型范例- （续）,在移动通信中，最典型的频分多址方式有： 北美：800MHz的AMPS体制； 欧洲与我国：900MHz的TACS体制。,下一页>>,上一页>>,-典型范例- （续）,当i=Ti时，称为时分多址TDMA。 如图2.3所示。 图2.3 时分多址原理图,上一页>>,下一页>>,-典型范例- （续）,在移动通信中，最典型的时分多址方式有： GSM900，它是欧洲与我国等采用的体制； D-AMPS，它是北美等采用的体制； PDC，它是日本采用的体制。,下一页>>,上一页>>,-典型范例- （续）,当i=ci时，称为码分多址CDMA。 它有两种主要形式： 直扩码分DS-CDMA：多用于民用； 时频编码、跳频等：多用于军事。 对于直扩码分多址DS-CDMA形式如图2.4所示。 图2.4 直扩码分多址原理图,上一页>>,下一页>>,-典型范例- （续）,CDMA与FDMA，TDMA划分形式不一样 频分FDMA与时分TDMA均属于一维多址划分； 码分多址CDMA是属于时频二维域上的划分。 CDMA的所有用户均占有同一整个频段F与同一整个时隙T，而划分不同地址的正交参量既不是频段也不是时隙，而是不同地址信号码组的自相关与互相关函数，具体实现将在后面介绍。,下一页>>,上一页>>,-典型范例- （续）,另一种码分形式为时频编码或称跳频，如图2.5所示。 图2.5 时频编码扩频多址原理图,上一页>>,下一页>>,-典型范例- （续）,在时频编码或跳频方式中，它将整个时域T划分为若干个子时域Ti（i=1,2,，n），同样又将整个频段F划分为若干个子频段Fi（i=1,2,，n）。 然而每个用户在不同的时隙占用不同的频段 即在时频二维的子区域内跳动，称为时频编码。 或者可以看作按时间顺序在不同频段上跳动，称为跳频。,下一页>>,上一页>>,2.2 扩频通信的基本概念,扩频码分多址是数字移动通信中的一种多址接入方式，特别是在第三代移动通信中，它已成为最主要的多址接入方式。 扩频通信确切地说称为扩谱通信更为恰当，因为被扩展的是信号频谱带宽，不过习惯上均称为扩频，它是一类宽带通信系统。 它的主要特征是：扩频前的信息码元带宽远小于扩频后的扩频码序列（chip）的带宽。,上一页>>,下一页>>,2.2 扩频通信的基本概念（续）,窄带和宽带通信系统 扩频通信的基本原理 直扩式码分多址DS-CDMA 跳频 直扩系统的主要技术指标,上一页>>,下一页>>,下一页>>,-窄带和宽带通信系统-,定义：设R为待传送信息码元速率，T为信息码元的持续时间，F为传送信号扩频码序列（chip）所占用的带宽。 若RT=FT1时，即当R=F，或者F=2R时，称为一般窄带通信系统，在通常数字通信系统中，移频、移相均属窄带通信系统。 若F >> R，即 =10106（1060 dB），则称该系统为宽带通信系统。 宽带通信系统是窄带系统通过扩频方式来实现的。 码分多址CDMA就是一类典型的扩频宽带通信系统。,上一页>>,下一页>>,-扩频通信的基本原理-,由通信原理与信息论中的著名Shannon公式C=FTlg（1+ ）（见图2.6）。 公式中： F：限频带宽； T：限时时隙，一般在通信原理中取T=1； ：为功率信噪比； C：信道容量。 图2.6 信道容量C的直观图示,上一页>>,下一页>>,-扩频通信的基本原理- （续）,这一公式指出一个限时（T）限频（F）限功率（S）的连续白色高斯信道。 其信道容量可以形象的用3个主要信号参量所决定的体积来表示。,上一页>>,下一页>>,-扩频通信的基本原理- （续）,3个参量F、T与lg（1+ ）所构成体积，当容积C不变时，具有“可塑性”。即3个参量之间可以互换。 这一辩证关系实质性的揭示，为众多新型通信体制的建立打开了创新之门。 扩频通信就是其中最典型的一个实例。 在移动通信中，信噪比 是最主要的矛盾，为了提高信噪比，可以不惜一切手段。 其中Shannon公式指出：可以采用频带F来换取信噪比，即当C不变时，增加频带F可以降低接收机接收的信噪门限值lg（1+ ）。 这就是扩频通信的基本原理，即用频带换取信噪比。,上一页>>,下一页>>,-直扩式码分多址DS-CDMA-,下面以一个最简单的7位m序列为例，按照m序列定义：m=7=2n-1=23-1，即它可以由最简单的三级移位寄存器产生7位的m序列的伪随机码序列： 1 -1 -1 1 -1。 其扩频前、后波形图如图2.7所示。 图2.7 扩频波形原理图,上一页>>,下一页>>,-直扩式码分多址DS-CDMA- （续）,在不考虑多径影响时，假如我们取此m序列七位码元的不同移位（向左移）构成7个不同用户的地址码，这时，信道假设为理想无多径信道，则有：,上一页>>,下一页>>,-直扩式码分多址DS-CDMA - （续）,显然，移至八位以上就产生循环重复即c1=c8，c2=c9。故该伪随机码周期为7。 扩频后速率提高了七倍或者说频带增大了七倍，对于理想无多径信道扩频后，通过扩频码移位可提供7个不同用户，其有效性没有降低。,上一页>>,下一页>>,-直扩式码分多址DS-CDMA - - （续）,这时可利用DS-CDMA的m序列自相关特性来区分与识别用户多址。 上述七位m序列扩频码的自相关函数如图2.8所示。 图2.8 m=7=23-1序列的自相关函数图,上一页>>,下一页>>,-直扩式码分多址DS-CDMA（续）,由上述相关函数图形可见 只有当发端、收端是同一用户地址码时（即时间移位对齐时），自相关函数输出最大为7； 当收、发不是同一用户地址码时（即时间移位错开一至六位时），其自相关函数输出均为-1。 因此利用这一自相关特性可以实现在移动通信多址接入技术中，寻找属于自己用户的地址。 这时，从抗干扰看，通过扩频码移位对齐后，七倍扩频码（chip）信号能量通过相关运算能集中到对齐位的某一个扩频码（chip）上，与扩频前相比，其抗干扰性增大七倍以上。,上一页>>,下一页>>,-直扩式码分多址DS-CDMA - （续）,DS-CDMA系统实现框图如图2.9所示。 图2.9 系统发、收端实现框图 它与传统的通信系统相比较 发端多了扩频调制； 收端多了扩频解扩。,上一页>>,下一页>>,-跳频-,跳频是将待传送码元的载波分量随着时间顺序受一个伪随机序列控制而随机跳动。 下面给出一个6个时隙7个载波跳频系统， 如图2.10所示。 图2.10 跳频原理图,上一页>>,下一页>>,-跳频- （续）,跳频的具体实现方框图如图2.11所示。 图2.11 跳频、发、收端实现框图 跳频体制，抗人为干扰能力强，保密，但实现较复杂。 因此多用于军事通信中。 另外还有其他类似的跳时、时频相调制以及各类混合体制等。,上一页>>,下一页>>,-直扩系统的主要技术指标-,处理增益G 它表示扩频系统解扩后信噪比改善程度； 另有两类等效定义： 表示发送端码元扩展的倍数 信号带宽扩展的倍数； 它可用下列公式表示 其中：RPN、R分别表示伪码速率和信息码速率； ：FPN、B分别表示伪码带宽与信息码带宽。,上一页>>,下一页>>,-直扩系统的主要技术指标- （续）,干扰容限M 它表示在正常工作的条件下，接收机输入端所能承受的干扰比信号高出的分贝数值： 其中：Ls为实际传输路径损耗（dB） M值直观反映了扩频系统接收机所允许的干扰最大强度值（用分贝表示）。,上一页>>,下一页>>,-直扩系统的主要技术指标- （续）,例：某扩频系统 若已知：G=21dB，Ls=5dB，10lg( )out=6dB 则有：M=21-5-6=10dB 它说明该扩频系统最大承受干扰为10dB，即允许最大干扰比信号强10倍。,上一页>>,下一页>>,2.3 扩频通信的主要优缺点,主要优点 主要缺点,上一页>>,下一页>>,-主要优点-,抗干扰能力强且G越大；抗干扰能力越强，抗白噪声、抗单频窄带干扰、抗人为干扰、抗跟踪干扰、抗宽带的等效白噪声的多址与多径干扰能力都很强。 扩频系统抗干扰性强的物理解释：对于数字通信系统，则 可见： 误码率Pe与功率信噪比 及信号基数FT成反比。 且当Pe不变时， 。 所以当FT=10106时，在保证一定Pe时，可以实现在很低的 值下进行通信，即允许很强的干扰。,上一页>>,下一页>>,-主要优点- （续）,保密性能强 无论是直扩还是跳频，扩频后其频谱均为近似白噪声，因此具有良好的保密性能。 同时对于数字化用户，还可以进一步进行数字式用户加密。 低功率谱密度 由于扩频属于宽带系统，频带越宽，功率谱密度就越低，因此它具有良好的隐蔽性能。 且对其他通信系统及对人体的干扰与影响也小。,上一页>>,下一页>>,-主要优点- （续）,易于实现大容量多址通信 时频二维地址划分使潜在地址数增大。 抗干扰能力强与低功率密度对于干扰受限系统，将允许接纳更多的用户数。 易于实现精确定时与测距 因此被广泛用于雷达、导航、通信、测距等系统。 适合于变参信道的无线通信 扩频系统易于实现多种形式分集接收并提高抗干扰性。,上一页>>,下一页>>,-主要缺点-,占用信号频带宽 扩频后的码序列（chip）带宽远大于扩频前的信息序列带宽。 系统实现复杂。 在时变信道中实现同步较为困难。 目前受寻找地址码数量上的限制，实现大容量通信仍存在一定困难。,上一页>>,下一页>>,第3章 IS-95码分多址系统,IS-95 CDMA体制简介 IS-95中的RAKE接收技术 IS-95中的功率控制 IS-95中的切换技术 IS-95中的网络结构,上一页>>,下一页>>,3.1 IS-95 CDMA体制简介,美国QUALCOMM公司研制的IS-95CDMA体制是一类直扩码分多址（DS-CDMA）的蜂窝通信系统。也是世界上第一个民用的码分多址CDMA蜂窝通信系统。 下面将简要介绍IS-95，主要介绍多址技术、可靠性（抗干扰性）、有效性（系统容量）。,上一页>>,下一页>>,3.1