移动通信系统第6章.ppt

第六章第六章 数字移动通信主要技术数字移动通信主要技术核心技术：多址联接技术、语音编码、调制技术、信道核心技术：多址联接技术、语音编码、调制技术、信道 编码、交织技术、分集接收技术、功率控制编码、交织技术、分集接收技术、功率控制 技术等一一. 多址联接技术多址联接技术1. 什么叫多址通信、多址联接技术？什么叫多址通信、多址联接技术？ 许多移动用户共用一个宽带信道即其中任意两用户许多移动用户共用一个宽带信道即其中任意两用户通过在射频信道上的复用即共用一个载频，从而建立各自通过在射频信道上的复用即共用一个载频，从而建立各自的信道，实现相互通信，不影响其他用户的通信方式的信道，实现相互通信，不影响其他用户的通信方式为了实现多址通信所采用的技术措施叫多址联接技术为了实现多址通信所采用的技术措施叫多址联接技术2. 多址联接技术实现的条件多址联接技术实现的条件 多址技术是建立在信号可以分割的理论上的，它包括多址技术是建立在信号可以分割的理论上的，它包括在发射端信号的复合，接收端信号的在发射端信号的复合，接收端信号的有效分离有效分离。

1 保证接收端信号的有效分离的条件是：确保已混合的保证接收端信号的有效分离的条件是：确保已混合的信号内的各个已调信号必须信号内的各个已调信号必须相互线性无关相互线性无关，且，且相互正交相互正交线性无关：指各个已调信号在信道中互相叠加时不会发生线性无关：指各个已调信号在信道中互相叠加时不会发生 相互抵消而使得接收端所需信号为零相互抵消而使得接收端所需信号为零相互正交：表示信号仅与本信号点积时有输出，而与其他相互正交：表示信号仅与本信号点积时有输出，而与其他 信号点积时输出为零信号点积时输出为零3. 实现多址技术的主要方式实现多址技术的主要方式 常见的有频分多址（常见的有频分多址（FDMA）、时分多址（）、时分多址（TDMA）、）、码分多址（码分多址（CDMA）及它们的混合应用及它们的混合应用24.频分多址（频分多址（FDMA））1）定义：将移动通信频段宽度等间隔地划分为）定义：将移动通信频段宽度等间隔地划分为N个互不个互不 重叠的信道移动台发出的信号调制到频带内重叠的信道。

移动台发出的信号调制到频带内 不同的信道载频上，基站根据载频频率的不同不同的信道载频上，基站根据载频频率的不同 来识别发射地址，从而完成多址联接来识别发射地址，从而完成多址联接满足条件：满足条件： FDMA是以不同的频率信道来实现通信是以不同的频率信道来实现通信32）） FDMA的主要特点的主要特点5. 时分多址（时分多址（TDMA））1）定义：在一个无线频道上，按时间分割为若干个时隙，）定义：在一个无线频道上，按时间分割为若干个时隙， 每个业务信道占用一个时隙，在规定的时隙内每个业务信道占用一个时隙，在规定的时隙内 收、发信号的多址方式收、发信号的多址方式满足条件：满足条件：TDMA是以不同的时隙实现通信是以不同的时隙实现通信42）基站与移动台之间的信号传输）基站与移动台之间的信号传输 基站基站  移动台：连续的移动台：连续的TDM信号信号 移动台移动台  基站基站 ：突发信号（不连续）：突发信号（不连续）3））TDMA方式特点方式特点6. 码分多址（码分多址（CDMA））1）定义：每个用户收、发信机具有特定的地址码，利用）定义：每个用户收、发信机具有特定的地址码，利用 公共频道传输各自所需的信息的方式。

公共频道传输各自所需的信息的方式满足条件：满足条件：5CDMA是以不同的代码序列来实现通信是以不同的代码序列来实现通信2）实现）实现CDMA的必要条件（的必要条件（P181））3）扩频多址方式原理）扩频多址方式原理 见图见图 6-46111000 0000 0000 0 0000 00 0 00111 1 111 1 11 111 1 1111 1 1 11 11100RsRcR0A点： Rs 1 0 1 1PN： Rc 101110 010111 0110011 011101B点: R0 010001 010111 1001100 100010R0是Rs的6倍74））CDMA特点特点7. 三种系统容量比较三种系统容量比较1)系统容量的定义：多指能容纳的用户总数、系统最大系统容量的定义：多指能容纳的用户总数、系统最大容纳的信道数或系统输入话务量（爱尔兰）容纳的信道数或系统输入话务量（爱尔兰）2）无线容量的）无线容量的m计算计算 B = 1.25MHz m = B / Nf a））模拟模拟TACS系统（系统（FDMA）） 信道间隔信道间隔 25KHz MHz / 25KHz = 50 簇内小区数簇内小区数 N = 7 系统容量系统容量 mFDMA = 50 / 7 = 7.1 （信道（信道/小区）小区）8b）数字）数字GSM系统，采用系统，采用TDMA方式方式 信道间隔信道间隔 200kHz 每载频时隙数每载频时隙数 8 MHz / 200 KHz ））8 = 50 簇内小区数簇内小区数 N = 4 系统容量系统容量 mTDMA = 50 / 4= 12.5 （信道（信道/小区）小区）c）数字）数字CDMA系统，采用系统，采用CDMA方式方式 Bs ——扩频解调输出扩频解调输出LPF的带宽的带宽 Bw ——系统扩频信号的发信带宽系统扩频信号的发信带宽9当系统满足要求的当系统满足要求的C/I 时，时，将将 C/I 代入式（代入式（6-1）可得：）可得：当：当：BW = 1.25MHz , RS = 8kb/s , Eb/N0 = 7dB m = 32.25 (信道信道/小区）小区）10考虑实际影响因素后，容量计算要做相应修正：考虑实际影响因素后，容量计算要做相应修正：I）采用话音激活技术提高了系统容量）采用话音激活技术提高了系统容量式中式中 d II）利用扇形划分提高系统容量）利用扇形划分提高系统容量式中式中GIII）邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响）邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响式中式中F11蜂窝系统容量比较说明：蜂窝系统容量比较说明：1））m涉及因素较多，主要与信道间隔涉及因素较多，主要与信道间隔 f和频率复用系数和频率复用系数N 密切相关。

信道间隔与发送带宽、抗干扰能力有关，而密切相关信道间隔与发送带宽、抗干扰能力有关，而 复用系数与抗同频干扰能力有关，而抗干扰能力最终可复用系数与抗同频干扰能力有关，而抗干扰能力最终可 归结为与话音编码、信道编码、交织和调制相关归结为与话音编码、信道编码、交织和调制相关2）移动通信中，）移动通信中，C/I是最主要的矛盾，为了提高是最主要的矛盾，为了提高C/I可以不可以不 惜一切手段，如扩频通信是以频带换取惜一切手段，如扩频通信是以频带换取C/I FDMA、、TDMA、、CDMA中中C/I要求越来越小，说明要求越来越小，说明 抗干扰性能越来越强抗干扰性能越来越强12二二. 话音编码（信源编码）话音编码（信源编码）1. 定义定义 数字通信系统中，必须将模拟话音信号转换为适于数字通信系统中，必须将模拟话音信号转换为适于数字系统中传输的数字信号的过程数字系统中传输的数字信号的过程2 . 衡量话音编码器的主要指标衡量话音编码器的主要指标 1）比特率（）比特率（bit/s) 比特率比特率  压缩率压缩率  有效性有效性  话音质量话音质量  2）质量）质量 MOS评分评分 3）复杂度）复杂度 DSP 4）处理时延）处理时延 复杂度越大，运算时间越长，处理时延越大。

复杂度越大，运算时间越长，处理时延越大133. 类型类型 1）波形编码器）波形编码器 根据话音信号的波形，采取抽样、量化、编码其逼根据话音信号的波形，采取抽样、量化、编码其逼真程度好、速率高、但占用带宽大，不适于直接用于移动真程度好、速率高、但占用带宽大，不适于直接用于移动通信如：如：PCM64kb/s, ADPCM32kb/s2）声源编码器）声源编码器 在发端提取产生话音信号的特征参数，在收端由编码在发端提取产生话音信号的特征参数，在收端由编码参数重新获得话音参数重新获得话音 比特速率可以压缩的很低，但语音质量较差比特速率可以压缩的很低，但语音质量较差3）混合编码）混合编码 综合波形编码和声源编码方式形成的编码器综合波形编码和声源编码方式形成的编码器适于编码速率中等的场合（适于移动通信）适于编码速率中等的场合（适于移动通信） RPE-LTP GSM CELP/VCELP CDMA14三三. 数字调制解调技术数字调制解调技术 调制是为了使信号特性与信道特性匹配。

调制是为了使信号特性与信道特性匹配1. 调制、解调的主要功能调制、解调的主要功能1）频谱搬移）频谱搬移2）抗干扰，即功率效率（系统可靠性））抗干扰，即功率效率（系统可靠性）3）提高系统有效性，即频谱带宽效率）提高系统有效性，即频谱带宽效率2. 窄带数字调制窄带数字调制3. 主要调制方式主要调制方式1）线性调制技术）线性调制技术 QPSK、、MPSK、、MQAM等等2）非线性（恒包络）调制技术）非线性（恒包络）调制技术 FSK、、MSK、、GMSK等等自学：自学：QPSK和和OQPSK的比较、的比较、GMSK15四四. 信道编码信道编码1. 数字在传输中发生的主要错误数字在传输中发生的主要错误随机错误：每个码元错误概率与前后码元无关，是独立随机错误：每个码元错误概率与前后码元无关，是独立 错误突发错误：一个码元错误往往影响前后码元的错误概率突发错误：一个码元错误往往影响前后码元的错误概率2. 信道编码定义信道编码定义 对一个具有确定长度的数字信号序列对一个具有确定长度的数字信号序列m，人为地按一，人为地按一定规则加进非信息数字序列，以构成一个码字，然后经定规则加进非信息数字序列，以构成一个码字，然后经调制器变换为适合信道传输的信号的过程。

调制器变换为适合信道传输的信号的过程3. 功能功能 显著改善数字信息在数字移动变参信道传输过程中显著改善数字信息在数字移动变参信道传输过程中由于各种噪声和干扰而造成的误码，提高系统的可靠性由于各种噪声和干扰而造成的误码，提高系统的可靠性164. 差错控制的三种方式差错控制的三种方式a）前向纠错（）前向纠错（FEC））——自动纠错自动纠错 发端发送具有纠错性能的码，如果在传输过程中产生发端发送具有纠错性能的码，如果在传输过程中产生的错误属于该纠错码能纠的类型，则收端译码器不仅能检的错误属于该纠错码能纠的类型，则收端译码器不仅能检错，而且能自动纠错错，而且能自动纠错在移动通信系统中，几乎都采用在移动通信系统中，几乎都采用FEC方法实现方法方法实现方法:I）线性分组码）线性分组码 BCH、、FIRE、、RSII）非线性码）非线性码 卷积码（纠随机错误）卷积码（纠随机错误）b）反馈重传（）反馈重传（ARQ）） 经收端译码后，如发现传输有错，则通知发端重发接经收端译码后，如发现传输有错，则通知发端重发接收端认为错误的信息，直到收端认可为止收端认为错误的信息，直到收端认可为止。

c）混合纠错）混合纠错 综合应用前两种综合应用前两种17五五. 交织技术交织技术1. 功能功能 针对移动信道的干扰、衰落等往往产生较长的突发针对移动信道的干扰、衰落等往往产生较长的突发错误情况，采用交织技术以使误码离散化，致使突发差错误情况，采用交织技术以使误码离散化，致使突发差错信道变为离散差错信道，利用接收端纠正随机离散差错信道变为离散差错信道，利用接收端纠正随机离散差错功能，就可以改善整个数据序列传输质量错功能，就可以改善整个数据序列传输质量2. 实现方法（交织原理）实现方法（交织原理） P25518例：例：11010，，10110，，10111，，01011，，11101，，11111 发信发信 按行读入按行读入 11010 交织交织 10110 10111 01011 11101 11111按列读出：按列读出：111011，，100111，，0110110，，111101，，001111受突发干扰：受突发干扰： 111011，，100111，，0110110 ，，000010，，001111 按列读入按列读入 11000 10100 收信收信 10101 去交织去交织 01001 11111 11101按行读出：按行读出：11000，，10100，，10101，，01001，，11111，，1110119六六. 分集接收技术分集接收技术1. 功能功能 分集接收是利用系统接收两个或两个以上输入信号，分集接收是利用系统接收两个或两个以上输入信号，由于这些信号具有互不相关的随机衰落特性，通过接收处由于这些信号具有互不相关的随机衰落特性，通过接收处理后，达到克服瑞利衰落的目的。

理后，达到克服瑞利衰落的目的2. 显分集接收显分集接收1）空间分集）空间分集a）定义）定义 利用不同接收点收到的信号衰落的独立性，实现抗衰利用不同接收点收到的信号衰落的独立性，实现抗衰落的功能落的功能 空间略有变动，就可以出现较大的场强变动空间的空间略有变动，就可以出现较大的场强变动空间的间距越大，多径传播的差异就越大，所以场强的相关性就间距越大，多径传播的差异就越大，所以场强的相关性就越小由于深衰落难得同时发生，在这种情况下，分集便越小由于深衰落难得同时发生，在这种情况下，分集便能把衰落效应降到最小能把衰落效应降到最小b）结构）结构 发端一付天线，收端发端一付天线，收端N付天线，间距付天线，间距D（（D   /  ））20c ）性能）性能 分集增益正比于分集的数量分集增益正比于分集的数量N，但改善的程度随，但改善的程度随N的增加逐步减小工程上要在性能与复杂性之间折衷，的增加逐步减小工程上要在性能与复杂性之间折衷，所以，一般取所以，一般取N=2~4GSM系统采用此种分集技术系统采用此种分集技术2）频率分集）频率分集a）定义）定义 基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的基于在信道相干带宽之外的频率上不会出现同样的衰落。

发端以两个不同频率同时发送同一个信息，而收衰落发端以两个不同频率同时发送同一个信息，而收端分别予以接收合并，使其输出较强的有用信号端分别予以接收合并，使其输出较强的有用信号b）性能）性能 要求两信号频率应大于相干带宽要求两信号频率应大于相干带宽BC，这时两信号分别，这时两信号分别衰落，互不相关衰落，互不相关 市区市区BC >50kHz，郊区，郊区BC >300kHz 由于其频谱利用率低，一般适用于特殊业务由于其频谱利用率低，一般适用于特殊业务213）时间分集）时间分集a）定义）定义 发端在不同的时隙发射相同的信息，以便在收端产生发端在不同的时隙发射相同的信息，以便在收端产生产生两个以上不相关的衰落信号，然后接收合并取得较强产生两个以上不相关的衰落信号，然后接收合并取得较强的有用信号的有用信号 b）性能）性能 在窄带系统中，时间分集无助于减小衰落，因为移动在窄带系统中，时间分集无助于减小衰落，因为移动台受深衰落时，每个时隙均一样所以窄带用空间分集）台受深衰落时，每个时隙均一样所以窄带用空间分集） 宽带系统中采用宽带系统中采用RAKE接收，即将多径信号视为时间不接收，即将多径信号视为时间不同的信号回波，可经过同相处理后进行分集合成，以增加有同的信号回波，可经过同相处理后进行分集合成，以增加有用信号达到抗多径衰落的目的。

用信号达到抗多径衰落的目的3. 隐分集接收隐分集接收 利用信号设计技术将分集作用隐含在被传输的信号之中利用信号设计技术将分集作用隐含在被传输的信号之中称为隐分集最典型就是多径分集的称为隐分集最典型就是多径分集的RAKE接收 CDMA系统采用系统采用RAKE接收，也用到空间、频率分集接收，也用到空间、频率分集22七七. 合并技术合并技术 分集接收，从不同的分集接收，从不同的N个独立支路所获得的信号，通个独立支路所获得的信号，通过不同形式的合并来获得分集增益达到抗衰落目的过不同形式的合并来获得分集增益达到抗衰落目的四种方法：（图四种方法：（图6-52））1）选择合并）选择合并2）开关合并）开关合并3）最大比值合并）最大比值合并4）等增益合并）等增益合并23八八. 功率控制技术功率控制技术 1. 功率控制准则功率控制准则 1）功率平衡准则：在接收端收到的有用信号功率相等功率平衡准则：在接收端收到的有用信号功率相等 2）信号干扰比）信号干扰比SIR平衡准则：接收到的平衡准则：接收到的SIR相等 在上行链路，干扰来自同一小区，接收功率相等，在上行链路，干扰来自同一小区，接收功率相等，两两准则等效准则等效。

而下行链路，干扰不仅仅局限于单个小区，由而下行链路，干扰不仅仅局限于单个小区，由于干扰不同，即使接收功率相等，于干扰不同，即使接收功率相等，SIR 也会不同，此时不也会不同，此时不等效 功率平衡准则的功控易于实现，但性能上不如基于功率平衡准则的功控易于实现，但性能上不如基于SIR平衡准则但平衡准则但SIR平衡准则易导致正反馈，使系统失去平衡准则易导致正反馈，使系统失去稳定性242. 功控方法功控方法1）反向功控与前向功控）反向功控与前向功控反向功控反向功控：上行链路的功控用来控制移动台的发射功率，：上行链路的功控用来控制移动台的发射功率，使使BS收到的所有收到的所有MS的信号功率或的信号功率或SIR相等；使各用户间相相等；使各用户间相互干扰最小，以达到克服互干扰最小，以达到克服“远近效应远近效应”的目的同时节省能量的目的同时节省能量延长电池寿命延长电池寿命前向功控：前向功控：下行链路的功控用来控制下行链路的功控用来控制BS的发射功率，使的发射功率，使所有所有MS在小区的任何位置收的功率或在小区的任何位置收的功率或SIR基本相等基本相等2）开环功控与闭环功控（反向））开环功控与闭环功控（反向）开环功控：开环功控：MS根据接收功率的变化对信道的衰落特性进行根据接收功率的变化对信道的衰落特性进行估计，调整移动台的发射功率，补偿路径损耗中大的突发估计，调整移动台的发射功率，补偿路径损耗中大的突发衰落。

缺点：不精确，是粗糙的估计缺点：不精确，是粗糙的估计闭环功控闭环功控：：BS据收到的信号（上行）强弱（与标准相比），据收到的信号（上行）强弱（与标准相比），产生功控命令产生功控命令MS据此命令来提升或降低发射功率的一个据此命令来提升或降低发射功率的一个固定量，以保证固定量，以保证BS收到的收到的SIR基本相等优点：控制精确，基本相等优点：控制精确，用于满足传输质量用于满足传输质量25外环功控：外环功控：确定闭环精控中的门限值将确定闭环精控中的门限值将MS发射功率的发射功率的调整与通话质量联系起来，据实际调整与通话质量联系起来，据实际SIR或误帧率来动态决或误帧率来动态决定接收定接收SIR门限外环功控使闭环控制更完善外环功控使闭环控制更完善3）开环功控与闭环功控（前向））开环功控与闭环功控（前向）开环功控开环功控：：BS根据接收到的根据接收到的MS的功率对信道的衰落特性的功率对信道的衰落特性进行估计，调整各业务台的发射功率，进行估计，调整各业务台的发射功率，闭环功控：闭环功控：基站和移动台相结合，动态改变功率基站和移动台相结合，动态改变功率MS监监测到前向信道的帧质量向测到前向信道的帧质量向BS报告，报告，BS将此与阈值比较，将此与阈值比较，确定如何调整（增加或减少发射功率）。

确定如何调整（增加或减少发射功率）26 总总 结结27作业：作业：1. 数字在传输中发生的主要错误有哪些？数字在传输中发生的主要错误有哪些？GSM系统分别采系统分别采 取什么措施来纠错的？取什么措施来纠错的？2. GSM采用什么样的信源编码方案？其性能如何？采用什么样的信源编码方案？其性能如何？MHz，分别计算，分别计算TACS（（N=7）、）、 GSM（（N=4）和）和IS-95CDMA（（RS=9.6kb/s、、Eb/N0=7dB、、 d=0.35、、G=2.55、、F=0.6)的系统容量的系统容量4. 用速率为用速率为3. 6Mb/s的的PN序列直接扩频，扩频信号带宽是序列直接扩频，扩频信号带宽是多少？若信息速率为多少？若信息速率为8kb/s，则系统扩频增益是多少？，则系统扩频增益是多少？28。