现代通信技术 第２版 教学课件 ppt 作者 魏东兴 冯锡钰 主编 移动CH12

第十二章 移动通信基本技术,12.1 数字调制解调技术 12.2 扩频（SS）技术 12.3 组网技术 12.4 双工技术 12.5 抗衰落技术,本章主要内容,概述,无线通信技术的研究范畴主要包括： 调制技术及多址技术：研究频谱效率高、抗干扰能力强的数字调制技术和多址接入方式。 信源编码和信道编码技术：研究高效率的语音压缩编码方法和纠错能力强的差错控制编码方法。 信号接收技术：包括对抗信道衰落的分集接收和自适应均衡技术。 信息安全技术：包括无线接入用户的合法性鉴别和通信信息的加密。 空中无线接口：研究移动终端和基站之间的开放接口。 组网技术：研究高效灵活的组网方法，以实现频率资源再用、提高服务质量（QoS）。,移动通信必须采用无线通信技术,12.1 数字调制解调技术,1. 频谱利用率高。数字调制的频谱利用率是指在单位频带内能传输的信息比特率。提高频谱利用率(即频谱效率)的措施很多，但最基本的方法是采用窄带调制，减少信号所占带宽。要求频谱的主瓣窄，使主要能量集中在频带之内，而带外的剩余分量应尽可能低。 2. 对移动路径的适应能力强。移动通信环境以衰落、噪声、干扰为特点，包括多径瑞利衰落、频率选择性衰落、多普勒频移和障碍物阻挡的综合影响。因此，必须根据抗衰落和抗干扰能力来优选调制方案。 3. 能使用差分方式实现解调，易于接收。由于移动通信信道的衰落和时变特性，相干解调性能明显变差，而差分检测不需要载波恢复，能实现快速同步，获得好的误码性能。因而采用差分检测的数字调制方案被越来越多地应用于数字蜂窝移动通信系统。 4. 功率效率高。允许功率放大电路工作在非线性模式下，性能恶化轻，效率高。,12.1.1移动通信对数字调制的要求,12.1.2 恒包络调制技术,1、最小频移键控（MSK）,MSK调制电路（严格按时域表达式）,（12-8）,MSK解调电路,MSK的特点, 已调信号的包络是恒定的； 信号的频率相对中心频率的偏移严格等于1/(4TS)； 以载波相位为基准的信号相位在一个码元宽度内准确地线性变化/2； 在一个码元宽度的时域波形应包括1/4载波周期的整数倍； 在码元转换时刻的相位是连续的，没有相位的突变。,2、GMSK,由MSK派生而来：,高斯滤波器的单位冲激响应：,其传递函数 ：, 在接收端对GMSK已调信号解调既可以像FSK那样采用非相干解调，也可以像MSK那样采用相干解调。 它仍然是恒包络的信号波形， GMSK最显著的优点是其功率利用率和频带利用率都很高。,因而在目前的移动通信系统（如GSM）中获得了广泛应用。*,GMSK的特点,12.1.3 线性及恒包络混合调制方式,幅度相位联合键控方式（APK）,最常用QAM,M进制QAM已调信号的时域表达式: Y(t)=Amcos(ct)+Bmsin(ct) 0tT,16-QAM已调信号的相位路径,12.2 扩频（SS）技术,扩频方式有： 跳频扩频（FH-SS） 跳时扩频（TH-SS） 直接序列扩频（DS-SS） 习惯上将DS-SS系统称为CDMA系统,单用户来说，扩频技术的频带利用率是极低的. 但在多用户情况下，会大大提高频带利用率,12.2.1 基本原理,1. 理论依据SHANNON 信道容量公式,式中，B表示信道带宽；S/N为信道输出的信号噪声功率比；C为连续信道的信道容量。该式假设信道的噪声为高斯加性白噪声。, 信道带宽B越大，信道容量C 越大； 信噪比S/N越大，信道允许传输的信息量越大 S/N1时，C并不为0，表明信道仍有传输信息的能力，即在弱信号下仍然具有通信的可能； 因为高斯噪声是最恶劣的信道噪声干扰，所以对于其它类型的噪声来说，该公式仍然适用； 信道带宽B可与信噪比S/N互换，如果S/N太小，可通过提高B获得所需的信道容量C， 扩频通信正是利用了这个结论。,由SHANNON 公式得到的有关结论：,2、伪随机（PN）码,伪随机码又称为伪噪声码或伪随机序列，它是一组近似于随机产生的二进制序列。 在扩频系统中，通常使用PN码作为扩频地址码，用于区分用户的地址。,PN码应具备以下几个随机特征 均衡性，“1”和“0”等概，即：“0”、“1”的个数基本相等； 游程（Run-length）分布，数字序列中取值（“0”、“1”）相同的连在一起的元素合称为一个游程，PN码中游程长度为1的游程个数占游程总数的1/2，长度为2的游程个数占游程总数的1/4，长度为k的游程个数占游程总数的2-k，并且“0”游程和“1”游程各占游程总数的一半； 相关函数，具有周期性 移位特性 PN码移位后所得序列与原序列的相关函数为0，即满足正交特性。,m序列 Gold序列 M序列 沃尔什序列等,通常要求伪噪声序列满足以下性质： 容易产生； 既具有很大的自相关值，又具有很小的互相关值； 具有很长的周期； 很难由一段短的序列重构。,常用的PN序列,12.2.2 直接序列扩频（DS-SS）,DS-SS发射电路,扩频后已调信号的时域表达式,DS-SS接收机,DS-SS系统抑制窄带干扰的原理,12.2.3 跳频扩频（FH-SS）,FH-SS系统的扩频增益为： PG=WSS/B。 这里B仍定义为m(t)cos(2fct)的带宽。WSS为扩频信号的带宽。,12.3 组网技术,必须考虑功率利用率； 必须考虑频率利用率，以提高通信系统的容量,无线通信网按拓扑结构的不同可分为： 最简单无中心拓扑结构 有中心拓扑结构,12.3.1 概述,有中心拓扑网络结构,设一个无线基站作为中心站，各移动终端之间的通信必须通过基站控制接续完成。 优点： 当网络的终端数量增加时，通过中心基站的控制，可以保证网络的吞吐性能和时延性被控制在一定的范围内，而不会像无中心拓扑结构那样急剧恶化；另外网络中基站的布局方便，组网灵活。 缺点： 中心基站出现故障时，会造成系统的瘫痪。大型公众移动通信网主要采用有中心拓扑网络结构,12.3.2 区域覆盖方式,大区制是指只用一个基站覆盖整个通信区域的组网方式。 由于无线频率资源有限及电磁兼容等因素的限制，大区制所能容纳的用户数量是有限的。 大区制通常用于通信区域小、业务量低或单向广播式移动通信系统， 应用实例：无线寻呼系统等。,中心拓扑网络结构按照基站覆盖的区域可分为 大区制 小区制,将整个通信区域（服务区）划分为若干个小区，每一个小区设一个基站。 针对不同的服务区，小区制的结构可分为 带状网 蜂窝网。,小区制,1.带状网,带状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸等狭长区域,2. 蜂窝网,最早由AT&T的Bell实验室提出FIG,基本思想： 蜂窝小区覆盖和小功率发射。蜂窝组网放弃了点对点传输和广播覆盖模式，将一个移动通信服务区划分成许多以正六边形为基本几何形状的覆盖区域(蜂窝小区)。一个较低功率的发射机就可以服务一个小区，在较小的区域内可服务相当数量的终端。当蜂窝小区内用户数增加造成频道数不够时，可将原蜂窝小区分裂成更小的蜂窝小区。 频率再用。传播损耗可为蜂窝系统的基站工作频率提供足够的隔离度，在相隔一定距离的另一个基站可以重复使用同一组工作频率，这就是频率再用的思想。频率再用大大缓解了频率资源紧缺的矛盾，增加了用户数目或系统容量。实际上，蜂窝小区的频率再用就是频率资源的空分复用。 多信道共用。多信道共用技术利用移动信道占用的间断性，使许多移动终端能任意地、合理地选择信道，提高信道的利用率。 跟踪交换及中央控制。由于系统存在很多蜂窝小区，用户分散在各小区中，并且具有移动性，所以蜂窝系统必须具有位置登记、过区切换及漫游等跟踪交换功能，以实现大范围内不间断通信。 有线无线通信系统的互联。移动通信通过基站和交换机进入公众网，实现移动用户与市话用户、移动用户之间以及移动用户与长途用户之间的通信。,12.3.3 蜂窝网组网,同信道小区：频率再用系统中一定有若干小区使用相同的频率组。 区群：相邻小区不能使用相同信道，而且为了保证同信道小区之间有足够的距离，附近的若干小区都不能使用相同的信道。这些使用不同信道的小区组成一个区群。,区群的组成应满足两个条件： 一是区群之间可以邻接，且无空隙地进行覆盖； 二是邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等。,区群内的小区数目N：,i、j为正整数，按下述方式确定：如图12.3-2所示，自某一小区10出发，先沿六边形的各个边的垂线方向跨i个小区，然后向左(或向右)转60，再跨j个小区，这样就到达同信道小区10。在正六边形的六个方向上，可以找到六个相邻同信道小区，所有10小区之间的距离都相等。,1、同信道小区 FIG,2、系统容量计算,即：一个区群中的所有小区使用了系统的全部信道资源。如果在整个系统中，区群被再用了M次，则整个系统所能提供的总的双工信道数量，或称之为系统容量C为,设蜂窝系统总的双工信道数量为S，如果每个小区分配k个信道，kS，那么这S个信道应分配给一个区群中的N个小区使用，设每个小区所分配的信道数量相等，则一个区群中总的信道数为,在式（12-20）中，如果S不变，M增加，则系统总容量C就增加了，也就是说系统的容量C与区群中小区的数量N成反比，N越小，系统容量越大。,（12-20）,3、同信道干扰,同信道小区，一定存在同信道干扰或同频干扰。对热噪声的抑制可以通过加大发射机的发射功率，提高信噪比SNR来实现，而减小同信道干扰不能采用这个方法，因为提高发射功率，会加大对网络中同信道小区的干扰。抑制同信道干扰主要是通过将同信道小区分开一定的物理距离来实现。同信道小区之间的距离可由下式计算：,定义同信道再用比Q,Q值越大，同信道小区的相对距离越远，同频干扰也就越小，但是Q增加，根据上式，N值也会增加，从而导致系统容量C下降。所以在实际系统设计中必须兼顾同信道干扰和系统容量两个指标，将二者折衷考虑。,SIR或S/I信号干扰比,接收机接收的信号功率Pr与收发信机之间距离d有确定的关系：,式中，P0为靠近发射天线（与发射天线距离为d0）某一处于远区场的参考点接收的信号功率；n表示路径损耗指数，通常取值在24之间；d为收发信机之间的距离。,设i0为某小区周围同信道小区的数量，则可定义一部移动终端接收机输入端的S/I或SIR为,SIR的推导,设Di为第i个同信道干扰小区与接收机的距离，即在(12.3.7)式中：d=Di，接收机接收的同信道干扰Ii与(Di)n成正比。设各小区基站的发射功率相同，在同一系统中的路径损耗指数n相等，小区半径为R，则S/I可近似表示为：,现在只考虑距移动终端所在小区最近的同信道小区的干扰，它们与处于中心位置被干扰小区的距离相同，设为D并考虑(12.3.5)式，(12.3.8)式可简化为,4.小区的分裂,在用户密度高的区域减小小区面积 在用户密度低的区域适当增大小区面积。 微小区（Microcell）,5. 频率配置方式,(1) 分区分组配置法 分区分组配置法所遵循的原则是：尽量减小占用的总频段，以提高频率利用率；同一区群内不能使用相同的频率；小区内采用无三阶互调干扰的相容频率组，以避免互调干扰。给定的频段以等间隔划分为信道，按顺序分别给各频率值标明号码，按照三阶互调干扰为零的原则进行分组，将各频率组分配给各基站小区使用。 这种信道分配方法的出发点是避免三阶互调干扰，但未考虑在同一频率组中还应留出频率间隔，以防止可能会出现的邻道干扰，这是这种配置方法的一个缺陷。 (2) 等频距配置法 等频距配置法是按等频率间隔配置信道，只要频距足够大，就可以有效地避免邻道干扰。这样的频率配置可能正好满足产生互调干扰的频率关系，但正因为频距大，其它频率易于被接收机滤波器滤除而不易作用到非线性器件，从而避免了互调干扰的产生。,一是分区分组配置法； 二是等频距配置法。,动态调整频率分配方案 “动态配置法”随业务量的变化重新配置全部信道； “柔性配置法”准备若干备用信道，必要时提供给某个小区使用。,移动通信