移动通信重点讲解课件

移动通信课程复习一、码分多址一、码分多址CDMACDMA移动通信系统移动通信系统n扩频的概念扩频的概念nCDMACDMA码序列码序列n码分多址技术的特征码分多址技术的特征(p277-280)(p277-280)nCDMACDMA系统系统(IS-95)(IS-95)的无线传输的无线传输nRakeRake接收技术接收技术nFDMAFDMA、TDMATDMA、CDMACDMA系统容量分析系统容量分析 二、二、TDMATDMA数字蜂窝网数字蜂窝网n数字蜂窝移动通信网的区域结构数字蜂窝移动通信网的区域结构nTDMATDMA信道概念信道概念n数字化语音传输技术数字化语音传输技术nGSMGSM系统的控制与管理系统的控制与管理 鉴权与加密鉴权与加密 过区切换过区切换三、三、组网技术组网技术n多址技术多址技术n区域覆盖区域覆盖n信道（频率）配置信道（频率）配置n网络结构网络结构 包括移动台包括移动台,基站子系统基站子系统,网络子系统网络子系统 HLR,VLR,AUC HLR,VLR,AUCn越区切换越区切换n位置管理位置管理 四、四、抗衰落技术抗衰落技术n分集分集接收接收：n用来补偿衰落信道损耗用来补偿衰落信道损耗n分集合并的概念、分集方式、合并方式分集合并的概念、分集方式、合并方式n 均衡：均衡：n补偿时分信道中由于多径效应而产生的码补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰（间干扰（ISI）。）。n 信道编码：信道编码：n通过发送信息时加入冗余的数据位来改善通过发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能。通信链路的性能。n交织编码技术交织编码技术n把一个较长的突发差错离散成随机差错把一个较长的突发差错离散成随机差错五、五、调制解调调制解调n移动通信对数字调制和解调的要求n最小频移键控（MSK）n概念、MSK波形、相位轨迹图n高斯滤波的最小频移键控（GMSK）n概念n四相相移键控（QPSK）n概念、相位轨迹图n/4四相相移键控（/4-QPSK）n概念、相位轨迹图六、六、噪声与干扰噪声与干扰n在城市移动通信中不必考虑宇宙噪声,主要是受人为噪声的影响n车辆点火噪声n城市移动信道中主要的噪声源邻道干扰概念n同频道干扰概念，会计算同频道再用距离n互调干扰概念，会判断是否存在三阶互调干扰和邻道干扰n近端对远端比干扰、多址干扰概念七、七、移动信道中的电波传播n无线电波在自由空间的传播n光滑平地上的反射波n障碍物的影响与绕射损耗n移动信道的特征n传播路径和信号衰落n多径效应与瑞利衰落n多径时散与相关带宽n多径时延扩展产生的衰落效应扩频的概念扩频的概念n直接序列扩频（DS）通信n所谓直接序列扩频，就是直接用具有高速率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱，而接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始信息。扩频的概念扩频的概念n扩频处理增益扩频处理增益 n其中其中n在在Tb一定的情况下，若伪码速率越高，亦即一定的情况下，若伪码速率越高，亦即伪码宽度（码片宽度）伪码宽度（码片宽度）Tp越窄，则扩频处理越窄，则扩频处理增益越大。增益越大。nGp越大，抗干扰能力就越强。越大，抗干扰能力就越强。CDMACDMA码序列码序列n码序列的自相关性码序列的自相关性 n采用二进制的码序列采用二进制的码序列,长度长度(周期周期)为为P的码序列的码序列x的自相的自相关函数为关函数为:n相关系数相关系数:n相关系数最大值不超过相关系数最大值不超过1.CDMACDMA码序列码序列n码序列的互相关性码序列的互相关性 n采用二进制的码序列采用二进制的码序列,周期均为周期均为P的两个码序列的两个码序列x和和y,其其相关函数称为互相关函数相关函数称为互相关函数,为为:n互相关系数互相关系数:n理想情况理想情况:互相关系数互相关系数=0,两个码序列完全正交两个码序列完全正交.CDMACDMA码序列码序列_m序列nm序列序列_最长线性移位寄存器最长线性移位寄存器n组成组成n移位寄存器移位寄存器n模模2加法器加法器n反馈延迟线反馈延迟线n序列周期序列周期 P=2n-1,n为移位寄存器级数为移位寄存器级数n需要有全需要有全0检测电路和启动电路检测电路和启动电路,避免进入全避免进入全0状态状态nCDMA采用采用n=15 的短码序列和的短码序列和n=42的长码序列的长码序列CDMACDMA码序列码序列_m序列n产生原理产生原理D1D2D3Dn时钟脉冲输出C0=1Cn=1c1c2c3Cn-1ci:反馈系数.为1 表示参与反馈,为0表示无反馈连接ci以八进制表示,如n=5,ci=45-二进制为 1 0 0 1 0 1 c0 c1 c2 c3 c4 c5CDMACDMA码序列码序列_m序列n移位寄存器的反馈逻辑决定是否产生移位寄存器的反馈逻辑决定是否产生m序列序列n起始状态决定起始状态决定m序列的起始点序列的起始点n不同的反馈线产生不同的码序列不同的反馈线产生不同的码序列CDMACDMA码序列码序列_m序列nm序列的自相关函数序列的自相关函数n m序列的自相关系数在序列的自相关系数在=0=0处出现尖峰处出现尖峰,并以并以PTPTC C时间为周时间为周期重复出现期重复出现.n尖峰低宽尖峰低宽2T2TC CnT TC C越小越小,相关峰越尖锐相关峰越尖锐n周期周期P P越大越大,|-1/P|,|-1/P|就越小就越小,自自相关特性就越好相关特性就越好0-55-1/P12TCPP-1P+12TCn相关系数相关系数:三、CDMA码序列_ Walsh函数函数Walsh函数可以用Hadamard矩阵H表示，利用递推公式构成Walsh函数族。Hadamard矩阵H是由+1和-1元素构成的正交方阵。正交方阵：任意两行或两列都是正交的。三、CDMA码序列_ Walsh函数函数导频信道同步信道寻呼信道正向业务信道反向业务信道接入信道CDMA系统系统(IS-95)的无线传输的无线传输CDMA系统系统(IS-95)的无线传输的无线传输CDMA 前向信道导频信道同步信道寻呼信道寻呼信道业务信道业务信道业务信道业务信道 业务数据功率控制子信道W0W32W1W7W8W9W62W63125455CDMA反向信道接入信道接入信道1n业务信道1业务信道2业务信道55 用户地址长码业务数据CDMA系统系统(IS-95)的无线传输的无线传输IS-95IS-95系统扩频编码的设计：系统扩频编码的设计：采用采用3 3层结构层结构n底层是正交扩频编码，码长底层是正交扩频编码，码长6464，提供，提供CDMACDMA信道，不同的正交信道，不同的正交码作为不同的信道。码作为不同的信道。n第第2 2层是基站码，也是扩频编码，码长为层是基站码，也是扩频编码，码长为2 21515-1,-1,不同的基站使不同的基站使用具有不同相位状态的扩频码。用具有不同相位状态的扩频码。n第第3 3层是移动用户码，一个用户一个，各不相同，它是由相当层是移动用户码，一个用户一个，各不相同，它是由相当长的扩频码（长的扩频码（2 24040-1-12 24242-1-1）加上移动用户自身代码复合而成）加上移动用户自身代码复合而成的。的。n这这3 3层编码中，对通信特性影响最大的是底层正交扩频编码的层编码中，对通信特性影响最大的是底层正交扩频编码的选取。选取。RAKE接收机Path1Path2PathNc1(t)c1(t-1)c1(t-N-1)TbHold untilTb+NHold untilTb+NHold untilTb+NTbTb+1Tb+N-1decideMultipath has been treated as causing delayed versions of the signal to add to the system noise when the differential delay exceeds the chip time.Substantial performance improvement can occur by detecting each additional path separately,thereby enabling the signals to be combined例：两路RAKE接收机Downlink Multiuser with Two Equal Strength Pathst=0y(t)y(t-2tc)z(t)例：两路RAKE接收机Downlink Multiuser with Two Equal Strength Pathst=0z(t)c1(t)Tb2Tb3Tb4Tb5Tbt01100z(t)c1(t)01例：两路RAKE接收机Downlink Multiuser with Two Equal Strength Pathst=0z(t)c1(t-2Tc)Tb2Tb3Tb4Tb5Tbt01100z(t)c1(t-2Tc)2Tc例：两路RAKE接收机Bit 1Bit 2Bit 3 Bit 4 Bit 5Path1 integrator output+4+4-8+8+12Path2 integrator output+8-8-12-4+12Sum of integrator outputs12-4-20+4+24Detected bit values01100rDD1D2共道小区以某一小区为中心可分成许多层：第一层6个半径为D第二层6个半径为D1第三层6个半径为D2来自第一层共道小区的干扰最强可只考虑这6个共道小区所产生的干扰。小区半径为r，两个相邻共道小区的距离D=共道干扰抑制因子蜂窝系统的通信容量蜂窝系统的通信容量_FDMA C是信号功率，n0背景噪声功率（在此忽略）假如传播损耗与传播距离的4次方成比例，接收到的信号功率与第i个共道小区的干扰功率可分别为：C=Ar-4Ii=ADi-4A为比例常数蜂窝系统的通信容量蜂窝系统的通信容量_FDMA蜂窝系统的通信容量蜂窝系统的通信容量_FDMA令Di=D因所以当蜂窝系统的总频道数M=W/B（W为频段宽度，B为频道间隔）和区群小区数N确定后，每一小区的可用频道数:从上式可知：蜂窝系统可以分配给每个小区的信道数蜂窝系统可以分配给每个小区的信道数除了取决于总信道之外，还取决于要求的载干比。除了取决于总信道之外，还取决于要求的载干比。基站若采用定向天线把小区分成多扇区进行工作，可以减小系统中的共道干扰。提高系统的通信容量。蜂窝系统的通信容量蜂窝系统的通信容量_FDMA蜂窝系统的通信容量蜂窝系统的通信容量_TDMAnTDMA系统的频道宽度为B，而每一频道包含m个时隙，信道总数为M=mW/BnGSM系统容量蜂窝系统的通信容量蜂窝系统的通信容量_CDMA一般扩频通信系统的通信容量：Eb是信息的一比特能量，Rb是信息的比特率，I0是干扰的功率谱密度（每赫干扰功率），W是总频段宽度n个用户共用一个无线频道：（不加功率控制）或根据CDMA蜂窝系统的特征逐步修正其容量公式1话音激活期的影响令话音的占空比为d2扇区的作用令扇区数为G3邻近小区的干扰令信道再用效率为F 蜂窝系统的通信容量蜂窝系统的通信容量_CDMA几种蜂窝通信系统的通信容量的比较几种蜂窝通信系统的通信容量的比较模拟FDMATDMACDMA总频段宽度 1.25MHz1.25MHz1.25MHz频道间隔30kHz30kHz1.25MHz每载频时隙数33 信道数目41.7125每区群小区数74扇形分区数3通信容量（ch/cell）631.25120n小区：一个基站或该基站的一部分（扇形天线）所覆盖的区域n基站区：由一个基站的所有小区所覆盖的区域n位置区：移动台可以任意移动不需要进行位置更新的区域数字蜂窝移动通信网的区域结构数字蜂窝移动通信网的区域结构数字蜂窝移动通信网的区域结构数字蜂窝移动通信网的区域结构nMSC区：一个MSC所管辖的所有小区共同覆盖的区域n服务区：移动台可获得服务的区域，即PLMN、PSTN或ISDN用户无须知道移动台实际位置而可与之通信的区域。TDMATDMA信道概念信道概念 物理信道物理信道一个物理信道就为一个时隙一个物理信道就为一个时隙(TS)逻辑信道逻辑信道根根据据BTS与与MS之之间间传传递递的的信信息息种种类类的的不不同同而而定定义的不同逻辑信道。义的不同逻辑信道。这些逻辑信道映射到物理信道上传送。这些逻辑信道映射到物理信道上传送。从从BTS到到MS的的方方向向称称为为下下行行链链路路，相相反反的的方方向向称为上行链路。称为上行链路。逻辑信道逻辑信道逻辑信道又分为两大类，业务信道和控制信道。逻辑信道又分为两大类，业务信道和控制信道。业业务务信信道道（TCH）：用用于于传传送送编编码码后后的的话话音音或或用用户户数数据据，在在上上行行和和下下行行信信道道上上，点点对对点点（BTS对对一一个个MS，或反之）方式传播。或反之）方式传播。控控制制信信道道（CCH）：用用于于传传送送信信令令或或同同步步数数据据。根根据据所所需需完完成成的的功功能能又又把把控控制制信信道道定定义义成成广广播播、公公共及专用三种控制信道。共及专用三种控制信道。-独独立立专专用用控控制制信信道道（SDCCHSDCCH）：用用在在分分配配TCHTCH之之前前呼呼叫叫建建立立过过程程中中传传送送系系统统信信令令。例例如如登登记记和和鉴鉴权权在在此信道上进行。上行和下行信道，点对点方式传播。此信道上进行。上行和下行信道，点对点方式传播。-寻寻呼呼信信道道（PCHPCH）：用用于于寻寻呼呼（搜搜索索）MSMS。下下行行，点对多点方式传播。点对多点方式传播。-随机接入信道（随机接入信道（RACHRACH）：）：MSMS通过此信道申请分配通过此信道申请分配一个独立专用控制信道（一个独立专用控制信道（SDCCHSDCCH），可作为对寻呼的），可作为对寻呼的响应或响应或MSMS主叫登记时的接入。上行信道，点对点主叫登记时的接入。上行信道，点对点方式传播。方式传播。-允许接人信道（允许接人信道（AGCHAGCH）：用于为）：用于为MSMS分配一个独立分配一个独立专用控制信道（专用控制信道（SDCCHSDCCH）。下行信道，点对点方式传）。下行信道，点对点方式传播。播。逻辑信道逻辑信道数字化语音传输技术数字化语音传输技术自适应均衡自适应均衡:抗多径造成的时散现象抗多径造成的时散现象卷积码卷积码:纠随机错误纠随机错误交织交织:抗突发错误抗突发错误跳频跳频:提高抗干扰性能提高抗干扰性能,每帧改变频率每帧改变频率调制调制:GMSK:GMSK调制方式调制方式采用话音激活技术，进一步提高频谱利用采用话音激活技术，进一步提高频谱利用率。率。GSMGSM系统的控制与管理系统的控制与管理鉴权与加密鉴权与加密GSMGSM采取的安全措施：采取的安全措施：接入网路：对客户鉴权接入网路：对客户鉴权无线路径：对通信信息加密无线路径：对通信信息加密移动设备：设备识别移动设备：设备识别对用户识别码：用临时识别码保护对用户识别码：用临时识别码保护SIMSIM卡：用卡：用PINPIN码保护码保护 GSMGSM系统的控制与管理系统的控制与管理过区切换过区切换GSMGSM系统采用的是移动台辅助切换法。系统采用的是移动台辅助切换法。多址技术多址技术主要解决的问题是：多用户如何高效共享给定频谱资源。v频分多址（FDMA:Frequency Division Multiple Access)v时分多址（TDMA:Time Division Multiple Access）v码分多址（CDMA:Code Division Multiple Access）v空分多址（SDMA:Space Division Multiple Access）频分双工 FDD 上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上。时分双工 TDD（Time Division Duplex)上行链路和下行链路的帧分别在相同的频率上。v带状网v适用区域：公路、铁路、海岸等。v蜂窝网v适用区域：平面区域v小区形状：正六边形区域覆盖区域覆盖v蜂窝网区群的组成v不同信道的相邻小区组成一个区群，v相邻小区不能用相同的信道，v不同区群的小区才能进行信道再用。区域覆盖区域覆盖i,j为正整数v同信道小区的距离v频率复用模式频分复用是一个核心概念。频率复用模式的确定主要以同频干扰防护门限为依据。如果N太大，则每个小区中分得的频道数太少；如果N太小，每个小区频道数增加，但由于同频小区距离近而使同频干扰防护减少。区域覆盖区域覆盖v中心激励与顶点激励区域覆盖区域覆盖信道（频率）配置信道（频率）配置频率分配是频率复用的前提。有两个基本含义：v频道分组：根据移动网的需要将全部频道分成若干组；v频道指配：以固定或动态分配方法指配给蜂窝网的用户使用。一、固定信道分配方式 将某一组信道固定分配给某一基站，适用于移动台业务相对固定的情况。频率利用率不高。1.分区分组配置法2.等频距配置法信道（频率）配置信道（频率）配置二、动态信道分配方式 为了提高频率利用率，使信道的配置随移动通信业务量地理分布的变化而变化。有两种方法：1.动态配置法：2.随业务量的变化重新配置全部信道；3.2.柔性配置法：4.准备若干个信道，需要时提供给某小区使用。信道（频率）配置信道（频率）配置网络结构越区切换一、越区切换（Handover or Handoff)是指将当前正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程。该过程也称为自动链路转移ALT（Automatic Link Transfer)。越区切换的过程控制 有三种：（1）移动台控制的越区切换 DECT系统采用 （2）网络控制的越区切换 （3）移动台辅助的越区切换 IS-95和GSM采用越区切换时的信道分配 解决当呼叫要转换到新小区时，新小区如何分配信道，使得越区切换的概率尽量小。常采用的做法是：在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。越区切换分为两类：硬切换 在新的连接建立以前，先中断旧的连接。软切换 既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，当与新基站建立可靠连接后再中断旧链路。位置管理包括两个主要任务：1、位置登记 在移动台的实时位置信息已知的情况下，更新位置数据库（HLR和VLR）和认证移动台。2、呼叫传递 在有呼叫给移动台的情况下，根据HLR和VLR中可用的位置信息来定位移动台，分集接收技术n分集有两重含义:n分散传输:使接收端能获得多个统计独立,携带同一信息的衰落信号.n集中处理:接收端对收到的多个衰落特性互相互相独立独立（携带同一信息）的信号进行特定处理，以降低信号电平起伏，降低衰落的影响，提高灵敏度的办法。分集接收技术n分集按目的分可以为:n宏（macroscopic）分集n“多基站”分集,以克服长期衰落为目的的。n微（microscopic）分集n减小短期衰落影响.n空间分集n频率分集n时间分集n 场分量分集n 角度分集n 极化分集分集合并性能的分析与比较n选择性合并：n设备简单，n当分集重数3,信噪比改善缓慢n最大值合并:n设备较复杂n改善信噪比最多n等增益合并n在分集数M较小时，信噪比改善接近最大比合并n电路实现比最大比合并简单移动通信对数字调制和解调的要求n在瑞利衰落条件下，误码率要尽可能低；n发射频谱窄，带外辐射、邻道功率与载波功率之比小于-70dB;n同频复用的距离小；n高效率解调（如非相干解调），以降低移动台功耗，进一步缩小体积和成本；n能提供较高的传输速率；n易于集成。自由空间电波传播损耗nLfs是用在自由空间中增益GT=1的发射天线输出功率PT与增益GR=1的接收天线输入功率PR之比表示：以分贝表示：自由空间电波传播损耗 自由空间中的电波传播损耗(衰减)只与工作频率f和传播距离d有关.当f或d增大一倍时,衰减将分别增加6dB.光滑平地上的反射波n当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时,如果界面尺寸比电波波长大得多时,就会产生镜面反射.n在考虑地面对电波的反射时,按平面波处理,即电波在反射点的入射角等于反射角.d1d2光滑平地上的反射波n当两天线之间的距离d比天线高度ht和hr之和约大5倍时,它等于:在光滑平地面上电波传播时,接收功率与天线高度的平方成正比,与距离的4次方成反比光滑平地上的反射波自由空间中:n=2移动环境中,d15Km:n=56障碍物的影响与绕射损耗n绕射损耗:由障碍物引起的附加传播损耗n菲涅尔余隙:障碍物顶点P至直射线TR的距离xn规定:阻挡时,x为负,称为负余隙 视通时,x为正,称为正余隙PTRxPxTRd1d2障碍物的影响与绕射损耗障碍物对直射波传播基本没有影响直射波低于障碍物顶点,损耗急剧增加直射波从障碍物顶点擦过，附加约6dB损耗所以选择天线高度时,尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙参见p65,图3-4 绕射损耗与余隙关系,可知:移动信道的特征n移动通信中，移动台工作在城市建筑群和其它地形地物较为复杂的环境中，其传输信道的特性是随时随地变化的.移动信道是典型的随参信道传播路径和信号衰落反射:当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射,反射发生 于地球表面,建筑物和墙壁表面绕射:当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡 时发生绕射散射:当波穿行的介质中存在小于波长的物体且单位体积阻 挡体的个数非常巨大时,发生散射.散射产生于粗糙表面,小物体或其他不规则物体 在实际移动通信系统中,树叶,街道标志和灯柱等会引 起散射.传播路径和信号衰落在实际移动信道中,散射体很多,接收信号是由多个电波合成的.直射波、反射波或散射波在接收地点形成干涉场，使信号产生深度且快速的衰落由移动台不断运动，其信号的局部中值也会造成衰落，但变化较慢。局部中值d/mt/s多径效应与瑞利衰落n基站发射的信号:n移动台多普勒频移:vn接收天线的第i个信号:多径效应与瑞利衰落n接收天线的第i个信号:设N个信号的幅度和到达接收天线的方位角都是随机且统计独立,则多径效应与瑞利衰落n多径衰落的信号包络服从瑞利分布,多径衰落称为瑞利衰落nRayleigh分布是常见的用于描述平坦衰落信号或独立多径分量接收包络统计时变特性的一种分布模型.多径效应与瑞利衰落nRicean衰落 当存在一个主要的静态(非衰落)信号分量时,如视距传播,则多径衰落的信号包络分布服从Ricean分布.当主要分量减弱后,混合信号包络服从Rayleigh分布,即由Ricean分布变成Rayleigh分布.多径时散与相关带宽n多径时散:多径效应在时域上将造成数字信号波形展宽n一般用时延扩展表示多径时延散布程度 开阔地0.2s,郊区=0.5 s,市区=3.0 sn在数字通信系统中,延迟扩展将会引起码间干扰(ISI).因此在没有抗多径措施时,要求信号的传输速率Rb必须比1/低得多.多径时散与相关带宽n相关带宽Bc:多径效应在频域上将导致频率选择性衰落,即信道对不同频率成分有不同的响应.n信号的传输带宽应小于相干带宽 BsBc多径时延扩展产生的衰落效应n平坦衰落非频率选择性衰落(幅度变化信道)信号带宽时延扩展n频率选择性衰落:信道对不同频率成分有不同响应 信号带宽相干带宽 符号周期时延扩展