移动通信主要技术课件

,单击此处编辑母版标题样式q,*,*,单击此处编辑母版文本样式a,第二级a,第三级a,第四级,第五级,第,3,章 移动通信主要技术,单击此处编辑母版标题样式q,单击此处编辑母版文本样式a,第二级a,第三级a,第四级,第五级,*,*,*,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,1,28 八月 2024,第,3,章 移动通信主要技术,104 九月 2023第3章 移动通信主要技术,2,28 八月 2024,多址技术,3.2,编码及交织技术,3.3,3.4,分集技术,3.5,数字调制技术,3.1,蜂窝技术,204 九月 2023多址技术3.2编码及交织技术3.33.,3,28 八月 2024,3.1,蜂窝技术,3.1.1,蜂窝的概念,3.1.2,切换,3.1.3,频率复用,304 九月 20233.1 蜂窝技术3.1.1 蜂窝的概,4,28 八月 2024,3.1.1,蜂窝的概念,发展历程：,（,1,）,20,世纪,60,70,年代蜂窝的概念是首先由,Bell,实验室提出；,（,2,）,1978,年,Bell,实验室研制成功了采用蜂窝进行网络覆盖的,AMPS,系统，该系统于,1983,年首先在美国芝加哥商用，,1G,系统中的,TACS,也采用蜂窝系统；,（,3,）,2G,、,3G,系统均采用了蜂窝结构进行网络覆盖；,（,4,）以上通信系统统称为蜂窝移动通信系统。,404 九月 20233.1.1 蜂窝的概念发展历程：,5,28 八月 2024,3.1.1 蜂窝的概念,1,区域覆盖的发展,（,1,）大区制,功率：,50,200W,天线：很高的天线（,30m,）,优点：,覆盖范围大；,网络结构简单,;,无需移动交换机,缺点：,服务性能较差,;,频谱利用率低,;,用户容量,504 九月 20233.1.1 蜂窝的概念1区域覆盖的发,6,28 八月 2024,3.1.1 蜂窝的概念,（,2,）小区制,基本思想：,是用许多小功率的发射机（小覆盖区）来代替单个的大功率发射机（大覆盖区），每个小功率发射机只提供服务范围内的一小部分覆盖。,覆盖方式：,带状服务覆盖区：主要用于覆盖公路、铁路、海岸等,面状服务覆盖区：主要用于覆盖较大区域的平面，在平面区域内划分小区，组成的网络称为蜂窝网。,优点：,解决频谱利用率低和用户容量有限问题。,604 九月 20233.1.1 蜂窝的概念（2）小区制,7,28 八月 2024,图示 带状小区,704 九月 2023图示 带状小区,8,28 八月 2024,3.1.1 蜂窝的概念,2,蜂窝小区的形状,蜂窝小区就是一个基站所覆盖的有效面积。,实际形状,由于无线电波传播受地形地貌的影响，它的形状是不规则的，如图,3-1a,。,a.,蜂窝小区实际形状,804 九月 20233.1.1 蜂窝的概念2蜂窝小区的形,9,28 八月 2024,理想情况,如果不考虑地形地物的影响且采用全向天线，那么蜂窝小区的形状就是一个圆，如图,3-1b,。,为了不留空隙地覆盖整个平面的服务区， 一个个圆形辐射区之间一定含有很多的交叠。,b.,理想化小区,904 九月 2023 理想情况b. 理想化小区,10,28 八月 2024,3.1.1 蜂窝的概念,不考虑交叠，实际上每个小区的有效覆盖区域是一个多边形。,根据交叠情况不同，有效覆盖区可为正三角形、正方形或正六边形， 小区形状如图,3-1c,所示。,比较三种多边形，正六边形的小区面积最大，交叠面积最小，这就意味着在服务区面积一定的情况下，正六边形的覆盖需要最少的小区数目，即最少基站，费用也是最少。,1004 九月 20233.1.1 蜂窝的概念不考虑交叠，实,11,28 八月 2024,表,3-1,三种形状小区的比较,1104 九月 2023表 3-1 三种形状小区的比较,12,28 八月 2024,3.1.1 蜂窝的概念,当用正六边形作为蜂窝小区的,理论模型,时，基站如果安装在小区的中心，称之为,中心激励,，如图,3-2,所示。,图,3-2,中心激励方式,1204 九月 20233.1.1 蜂窝的概念 当用正,13,28 八月 2024,如果基站安装在正六边形相同的三个顶点上，称之为,顶点激励,，如图,3-3,所示。,每个基站采用三副,120,扇形辐射的定向天线， 分别覆盖三个相邻小区的各三分之一区域， 每个小区由三副,120,扇形天线共同覆盖。,图,3-3,顶点激励方式,1304 九月 2023 如果基站安装在正六边形相同的三个顶,14,28 八月 2024,小区分裂,在整个服务区中，每个小区的大小可以是相同的，这只能适应用户密度均匀的情况。,事实上服务区内的用户密度是不均匀的，例如城市中心商业区的用户密度高，居民区和市郊区的用户密度低。,为了适应这种情况，在用户密度高的市中心区可使小区的面积小一些，在用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些，如图,3-4,所示。,1404 九月 2023小区分裂 在整个服务区中，每个小区的,15,28 八月 2024,图,3-4,用户密度不等时的小区结构,1504 九月 2023图3-4 用户密度不等时的小区结构,16,28 八月 2024,图,3-5,小区分裂,1604 九月 2023图3-5 小区分裂,17,28 八月 2024,3,蜂窝小区的分类,3.1.1 蜂窝的概念,一般根据蜂窝小区覆盖半径的不同可将其划分为：,宏蜂窝,微蜂窝,微微蜂窝,1704 九月 20233蜂窝小区的分类 3.1.1 蜂窝,18,28 八月 2024,（,1,）宏蜂窝,(,MacroCell,),传统的蜂窝网络由宏蜂窝小区构成；,小区的覆盖半径大多为,1km,20km,。,基站的发射功率较强，一般在,10W,以上，天线架设也较高。,每个小区分别设有一个基站，它与处于其服务区内的移动台建立无线通信链路。,1804 九月 2023（1）宏蜂窝(MacroCell),19,28 八月 2024,3.1.1 蜂窝的概念,（,2,）微蜂窝,(Microcell),覆盖半径大约为,0.1km,1km,；,发射功率较小，一般为,1,2W,；,基站天线置于相对低的地方，如屋顶下方，高于地面,5,10m,，传播主要沿着街道的视线进行。,作用：,消除宏蜂窝中的“盲点”,扩容宏蜂窝的“热点”,1904 九月 20233.1.1 蜂窝的概念（2）微蜂窝(,20,28 八月 2024,3.1.1 蜂窝的概念,（,3,）微微蜂窝,(picocell),微微蜂窝实质微蜂窝的一种，只是它的覆盖半径更小，一般只有几十米；,基站发射功率更小，大约在几十到几百毫瓦左右；,其天线一般装于建筑物内业务集中地点。微微蜂窝也是作为网络覆盖的一种补充形式而存在的，它主要用来解决商业中心、会议中心等室内覆盖的通信问题。,2004 九月 20233.1.1 蜂窝的概念（3）微微蜂窝,21,28 八月 2024,3.1,蜂窝技术,3.1.1,蜂窝的概念,3.1.2,切换,3.1.3,频率复用,2104 九月 20233.1 蜂窝技术3.1.1 蜂窝的,22,28 八月 2024,3.1.2,切换,1.,定义,切换,也称越区切换，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),。,2.,越区切换包括以下三个方面的问题,(1),越区切换的准则,，也就是何时需要进行越区切换；,(2),越区切换如何控制,，它包括同一类型小区切换如何控制和不同类型小区之间切换如何控制；,(3),越区切换时信道分配,。,2204 九月 20233.1.2 切换1. 定义,23,28 八月 2024,3.1.2 切换,3,越区切换的准则,移动台处接收的平均信号强度,移动台处的信噪比（或信号干扰比）,误比特率等参数,2304 九月 20233.1.2 切换3越区切换的准则,24,28 八月 2024,图,3-4,越区切换示意图,假定移动台从基站,1,向基站,2,运动，其信号强度的变化如图,3-4,所示。判定何时需要越区切换的准则如下。,2404 九月 2023图3-4 越区切换示意图 假,25,28 八月 2024,3.1.2 切换,（,1,）相对信号强度准则（准则,1,）,在任何时间都,选择具有最强接收信号的基站,，如图,3-4,中的,A,处将要发生越区。,缺点：在原基站的信号强度仍满足要求的情况下，会引发太多不必要的越区切换。,（,2,）具有门限规定的相对信号强度准则（准则,2,）,仅允许移动用户在,当前基站的信号足够弱（低于某一门限），且新基站的信号强于本基站的信号,情况下，才可以进行越区切换。如图,3-4,中，在门限为,Th,2,时，在,B,点将会发生越区切换。,2504 九月 20233.1.2 切换（1）相对信号强度准,26,28 八月 2024,3.1.2 切换,（,3,）具有滞后余量的相对信号强度准则（准则,3,）,仅允许移动用户在新基站的,信号强度比原基站信号强度强很多（即大于滞后余量,h,）的情况下,进行越区切换。例如图,3-4,中的,C,点。,优点：可以防止由于信号波动引起的移动台在两个基站之间的来回重复切换，即“,乒乓效应,”。,（,4,）具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则（准则,4,）,仅允许移动用户在当前基站的信号强度低于规定门限,Th,3,，并且新基站的信号强度高于当前基站一个给定滞后余量时进行越区切换，如,D,点。,2604 九月 20233.1.2 切换（3）具有滞后余量的,27,28 八月 2024,3.1.2 切换,4,越区切换的控制策略,越区切换控制包括两个方面：,一方面是越区切换的参数控制；,另一方面是越区切换的过程控制。,在移动通信系统中，,过程控制,的方式主要有以下三种。,（,1,） 移动台控制的越区切换,在该方式中，移动台连续监测当前基站和几个越区时的候选基站的信号强度和质量。当满足某种越区切换准则后，移动台选择具有可用业务信道的最佳候选基站，并发送越区切换请求。,2704 九月 20233.1.2 切换4越区切换的控制策,28,28 八月 2024,3.1.2 切换,（,2,） 网络控制的越区切换,在该方式中，,基站监测来自移动台的信号强度和质量,，当信号低于某个门限后，网络开始安排向另一个基站的越区切换。,网络要求移动台周围的所有基站都监测该移动台的信号，并把测量结果报告给网络。网络从这些基站中选择一个基站作为越区切换的新基站，把结果通过旧基站通知移动台并通知新基站。,2804 九月 20233.1.2 切换（2） 网络控制的越,29,28 八月 2024,3.1.2 切换,（,3,） 移动台辅助的越区切换,移动台测量,其周围基站的信号质量并把结果报告给旧基站；,网络,根据测试结果,决定,何时进行越区切换以及切换到哪一个基站。,2904 九月 20233.1.2 切换（3） 移动台辅助的,30,28 八月 2024,3.1.2 切换,5,越区切换时的信道分配,作用：,越区切换时的信道分配是解决当呼叫要转换到新小区时，新小区如何分配信道，使得越区失败的概率尽量小。,方法,:,是在每个小区预留部分信道专门用于越区切换。,特点：,因新呼叫使可用信道数减少的，虽增加了呼损率，但减少了通话被中断的概率。,3004 九月 20233.1.2 切换5越区切换时的信道,31,28 八月 2024,3.1.2 切换,6,越区切换的分类,硬切换,指在新的连接建立以前，先中断旧的连接。,软切换,是指既维持旧的连接，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之后再中断旧链路。,在,CDMA,系统中还有一种发生在同一基站不同扇区之间的软切换，称为,更软切换,。,3104 九月 20233.1.2 切换6越区切换的分类,32,28 八月 2024,3.1,蜂窝技术,3.1.1,蜂窝的概念,3.1.2,切换,3.1.3,频率复用,3204 九月 20233.1 蜂窝技术3.1.1 蜂窝的,33,28 八月 2024,3.1.3,频率复用,1,频率复用的概念,频率复用,就是相同频率的重新使用，该技术很好的解决了频率资源和系统容量之间的矛盾。,相邻小区不能使用相同的频率；,两个相距一定距离的小区是可以使用相同的频率的。,2,区群,若干个彼此邻接的小区按一定方式排列便构成了区群。,3304 九月 20233.1.3 频率复用1频率复用的概,34,28 八月 2024,3.1.3,频率复用,（,1,）区群的结构,区群,是由若干小区构成的，而且各小区要求邻接，因此,同一区群,内各小区均要求,使用不同的频率组,，而任一小区所使用的频率组，在,其它区群相应的小区中还可以再次使用,，这就是频率复用；,区群是频率复用的基本单位,图,3-5,给出来,A,、,B,、,C,、,D,四个小区构成的区群结构。,3404 九月 20233.1.3 频率复用（1）区群的结,35,28 八月 2024,图,3-5,区群结构示意图,3504 九月 2023图3-5 区群结构示意图,36,28 八月 2024,3.1.3 频率复用,（,2,）区群中小区的数目,区群应彼此相邻接；,相邻区群内任意两个同频复用小区中心距离应该相等。,区群的构成应满足以下两个条件：,满足以上两个条件的情况下，构成区群的小区个数,N,为,式中,i,、,j,是不同时为零的正整数。根据关系式，可以求出,N,可等于,3,、,4,、,7,、,9,、,12,等。,3604 九月 20233.1.3 频率复用（2）区群中小区,37,28 八月 2024,表,3-2,群区小区数,N,的取值,3704 九月 2023表 3-2 群区小区数N的取值,38,28 八月 2024,区群的组成示意图,3804 九月 2023区群的组成示意图,39,28 八月 2024,3.1.3 频率复用,寻求同频小区的方法,同频小区之间的距离公式,可见区群内小区数,N,越大，同频小区的距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。定义同频干扰抑制因子为,沿着任何一条六边形边垂直移动,i,个小区；,逆（顺）时针旋转,60,度再移动,j,个小区。,（,3,）同频小区之间的距离,3904 九月 20233.1.3 频率复用 寻求同频小区的,40,28 八月 2024,多址技术,3.2,编码及交织技术,3.3,3.4,分集技术,3.5,数字调制技术,3.3,蜂窝技术,4004 九月 2023多址技术3.2编码及交织技术3.33,41,28 八月 2024,3.2,多址技术,3.2.1,多址方式的概念,3.2.2,三种多址方式的特点,3.2.3,三种多址方式的比较,4104 九月 20233.2 多址技术3.2.1 多址方,42,28 八月 2024,3.2.1,多址方式的概念,网络中的终端设备通过通信子网来访问网络中的资源。当多个终端同时访问同一资源（如共享的通信信道）时，就可能会产生信息碰撞，导致通信失败。,典型的共享链路有,：,卫星通信链路,蜂窝移动通信系统的链路,局域网,分组无线电网,4204 九月 20233.2.1 多址方式的概念 网络中,43,28 八月 2024,共享链路网络,4304 九月 2023共享链路网络,44,28 八月 2024,所谓多址接入协议（,Multiple Access Protocol,）就是在一个网络中，解决多个用户如何高效共享一个物理链路资源的技术。,多址协议主要分为,固定分配多址接入协议,、,随机分配多址接入协议,和,基于预约方式的多址接入协议,。,4404 九月 2023所谓多址接入协议（Multiple,45,28 八月 2024,固定多址接入,所谓固定分配多址接入是指在用户接入信道时，专门为其分配一定的信道资源（如频率、时隙、码字或空间），用户独享该资源，直到通信结束。,4504 九月 2023固定多址接入,46,28 八月 2024,随机多址接入,所谓,随机多址接入,是指用户可以随时接入信道，并且可能不会顾及其他用户是否在传输。当信道中同时有多个用户接入时，在信道资源的使用上就发生冲突（碰撞）。,因此，对于有竞争的多址接入协议如何解决冲突从而使所有碰撞用户都可以成功进行传输是一个非常重要的问题。,4604 九月 2023随机多址接入,47,28 八月 2024,基于预约的多址接入协议,所谓基于预约的多址接入协议，是指在数据分组传输之前，先进行资源预约。一旦预约到资源（频率、时隙），则在该资源内可进行无冲突的传输。,4704 九月 2023基于预约的多址接入协议,48,28 八月 2024,多址接入协议的分类,4804 九月 2023多址接入协议的分类,49,28 八月 2024,3.2.1,多址方式的概念,蜂窝移动通信资源包括时间、频率、空间和编码方式（码序列），它们分别属于时域、频域、空域和码域。,通过对通信资源的不同分割方式，也就形成了不同的多址方式，理想的分割应使信道上传输的用户信号满足正交的要求。,4904 九月 20233.2.1 多址方式的概念 蜂窝移,50,28 八月 2024,3.2.1 多址方式的概念,设用户,i,的信号波形为,x,i,(,t,),，,i,=1,，,2,，,;,x,i,(,t,),的傅立叶变换为,X,i,(,f,),；,x,i,(,t,),的伪随机码波形为,c,i,(,t,),。那么，如果满足,正交的数学机理如下：,则用户之间是正交的。满足以上正交化过程的多址方式分别是,TDMA,、,FDMA,和,CDMA,。,或,或,5004 九月 20233.2.1 多址方式的概念,51,28 八月 2024,3.2.1 多址方式的概念,对于,FDMA,方式，一种简单的物理实现方法是将频率带宽划分为一系列不重叠的子频带（频道），让不同的用户信号使用不同的子频带，在接收端采用带通滤波器将不同的用户信号区分开来。如图,3-8a,所示。,1.,频分多址（,FDMA）,图,3-8a FDMA,示意图,5104 九月 20233.2.1 多址方式的概念 对于FD,52,28 八月 2024,5204 九月 2023,53,28 八月 2024,FDMA,的最大优点是相互之间不会产生干扰。只有当用户数较少，且数量大致固定、每个用户的业务量都较大时（比如在电话交换网中），,FDMA,是一种有效的分配方法。,当网络中用户数较多且数量经常变化，或者通信量具有突发性的特点时，采用,FDMA,就会产生一些问题。,5304 九月 2023FDMA的最大优点是相互之间不会产生,54,28 八月 2024,3.2.1 多址方式的概念,对于,TDMA,方式，一种简单的物理实现方法是将该时间段划分为一系列不重叠的时间片（时隙），通过定时的采样门即可将不同的用户信号区分开来，如图,3-8b,所示。,2.,时,分多址（,T,DMA）,图,3-8 b,TDMA,方式示意图,5404 九月 20233.2.1 多址方式的概念对于TDM,55,28 八月 2024,TDMA,时隙分配,5504 九月 2023TDMA时隙分配,56,28 八月 2024,在时分多址的系统中，用户在每一帧中占用一个时隙。如果用户在已分配的时隙上没有数据传输，则这段时间将被浪费。,TDMA,通信系统和,FDMA,通信系统相比具有以下主要特点：,TDMA,系统的基站只用一部发射机，可以避免像,FDMA,系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的,互调干扰,；,TDMA,系统不存在频率分配问题，对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理和分配简单而经济；,TDMA,系统必须有,精确的定时和同步,，保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠或混淆。,5604 九月 2023在时分多址的系统中，用户在每一帧中占,57,28 八月 2024,3.2.1 多址方式的概念,3.,码,分多址（,C,DMA）,对于,CDMA,方式，系统中的所有用户信号可以占用相同的时间和频率，区分不同用户信号则是通过正交或准正交的,扩频码,来实现，如图,3-8c,所示。,图,3-8 c,CDMA,方式示意图,5704 九月 20233.2.1 多址方式的概念3. 码分,58,28 八月 2024,3.2.2,三种多址方式的特点,1. FDMA,的特点,FDMA,信道每次只能传送一个电话；,每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求；,符号时间与平均延迟扩展相比较是很大的。由码间干扰引起的误码极小，因此在窄带,FDMA,系统中无需自适应均衡；,移动台较简单，和模拟的较接近；,基站复杂庞大；,FDMA,系统每载波单个信道的设计，使得在接收设备中必须使用带通滤波器允许指定信道里的信号通过，滤除其它频率的信号，从而限制临近信道间的相互干扰；,越区切换较为复杂和困难。,5804 九月 20233.2.2 三种多址方式的特点 1.,59,28 八月 2024,3.2.2 三种多址方式的特点,2. TDMA,的特点,突发传输的速率高，远大于语音编码速率；,发射信号速率随,N,的增大而提高；如果达到,100kbit/s,以上，码间干扰就将加大，必须采用自适应均衡，用以补偿传输失真；,TDMA,用不同的时隙来发射和接收，因此不需双工器。即使使用,FDD,技术，,在用户单元内部的切换器,，就能满足,TDMA,在接收机和发射机间的切换，因而不需使用双工器；,基站复杂性减小。,N,个时分信道共用一个载波，占据相同带宽，只需一部收发信机。互调干扰小；,抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大；,越区切换简单。,5904 九月 20233.2.2 三种多址方式的特点 2.,60,28 八月 2024,3.2.2 三种多址方式的特点,3. CDMA,的特点,CDMA,系统的许多用户共享同一频率，不管使用的是,TDD,还是,FDD,技术；,通信容量大；,容量的软特性；,由于信号被扩展在一较宽频谱上而可以减小多径衰落；,在,CDMA,系统中，信道数据速率很高；,软切换；,低信号功率谱密度。,6004 九月 20233.2.2 三种多址方式的特点 3.,61,28 八月 2024,3.2.3,三种多址方式的比较,1.,业务支持的灵活性,主要用来支持语音业务，当前完全的,FDMA,方式在现代通信网络中很少单独使用，新的系统逐渐向,TDMA,方式演进。考虑到,FDMA,所需的技术复杂度较低，实际上多数的系统,采用了,FDMA/TDMA,结合,的方式。,6104 九月 20233.2.3 三种多址方式的比较 1.,62,28 八月 2024,3.2.3 三种多址方式的比较,TDMA,能够单独支持语音和数据业务，也能为综合的语音和数据业务提供更为灵活和方便的支持。,TDMA,网络中采用同步时隙传输的方式可以支持固定速率的业务，如语音等，也可以提供对数据业务的支持。,CDMA,也是一种数字接入和传输方式，能够单独支持语音和数据业务，也能灵活方便地支持综合的业务。相对于,TDMA,，,CDMA,的主要优点在于其时间占用和传输质量具有很大的灵活性。,6204 九月 20233.2.3 三种多址方式的比较 TD,63,28 八月 2024,2.,传输性能,独立采用,FDMA,方式的系统一般是模拟系统，其传输性能受到传输环境的影响较大，而改进其传输性能的技术手段却不多。,TDMA,系统通常采用了数字收发技术，可以使传输性能得到很大改进，比如，采用信道编解码、交织、各种均衡技术以及分集手段，可以有效地提高其传输性能。,6304 九月 20232. 传输性能独立采用FDMA方式的,64,28 八月 2024,CDMA,系统也是数字传输系统，也采用了许多先进的数字信号处理技术，除了,TDMA,所使用的技术之外，还有一些专用的技术，比如,RAKE,接收技术等。,另外，与一般的,TDMA,系统相比，,CDMA,通常是宽带传输系统，因而,CDMA,系统在抗干扰、抗多径衰落方面具有优势。,6404 九月 2023CDMA系统也是数字传输系统，也采用,65,28 八月 2024,3.2.3 三种多址方式的比较,3.,系统容量,CDMA,容量,TDMA,容量, FDMA,容量。,6504 九月 20233.2.3 三种多址方式的比较 3.,66,28 八月 2024,3.2.3 三种多址方式的比较,实际系统容量计算,蜂窝系统的无线容量可定义为,信道,/,小区,式中，,m,是无线容量大小；,B,t,是分配给系统的总的频谱；,B,c,是信道带宽；,N,是频率复用的小区数。,FDMA,蜂窝系统的容量,对于模拟,FDMA,系统来说，如果采用频率复用的小区数为,N,，根据对同频干扰和系统容量的讨论可知，对于小区制蜂窝网,6604 九月 20233.2.3 三种多址方式的比较 实,67,28 八月 2024,3.2.3 三种多址方式的比较,即频率复用的小区数,N,由所需的,载干比,来决定。可求得,FDMA,的无线容量如下,信道,/,小区,TDMA,蜂窝系统的容量,对于数字,TDMA,系统来说，由于数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小,4,5dB,，因而频率复用距离可以再近一些。如,N,=3,的图案。可求得,TDMA,的无线容量如下,其中，,B,c,为载波间隔，每载波共有,K,个时隙。,6704 九月 20233.2.3 三种多址方式的比较 即频,68,28 八月 2024,3.2.3 三种多址方式的比较,CDMA,蜂窝系统的容量,CDMA,系统的容量是,干扰受限,的，而,FDMA,和,TDMA,系统的容量是,带宽受限,的。,决定,CDMA,数字蜂窝系统容量的主要参数是：处理增益、,E,b,/N,0,、 语音负载周期、频率再用效率以及基站天线扇区数。 只考虑一般扩频通信系统，接收信号的载干比可以写成,如果,m,个用户共用一个无线信道，显然每一用户的信号都受到其他,m,1,个用户信号的干扰。假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则载干比为,6804 九月 20233.2.3 三种多址方式的比较 C,69,28 八月 2024,3.2.3 三种多址方式的比较,于是,信道,/,小区,如果考虑扩频带宽中的,背景热噪声,则公式修正为,采用,话音激活技术,，则须引入,d,（占空比）来修正,6904 九月 20233.2.3 三种多址方式的比较 于是,70,28 八月 2024,3.2.3 三种多址方式的比较,采用,扇区化,后，还须引入因子,G,（扇区分区系数）,考虑到,频率复用,，再引入因子,F,（信道复用效率）,7004 九月 20233.2.3 三种多址方式的比较 采用,71,28 八月 2024,多址技术,3.2,编码及交织技术,3.3,3.4,分集技术,3.5,数字调制技术,3.3,蜂窝技术,7104 九月 2023多址技术3.2编码及交织技术3.33,72,28 八月 2024,3.3,编码及交织技术,3.3.1,语音编码,3.3.2,信道编码,3.3.3,交织,7204 九月 20233.3 编码及交织技术3.3.1 语,73,28 八月 2024,3.3.1,语音编码,1.,语音编码的分类,通信系统中的语音编码的目的是解除语音信源的统计相关性，语音编码大致分为三类：,波形编码,参量编码,混合编码,语音编码是将模拟语音信号转换为数字语音信号，以便在数字信道中传输。,7304 九月 20233.3.1 语音编码1. 语音编码的,74,28 八月 2024,3.3.1,语音编码,(1),波形编码,波形编码是将时间域信号直接变换为数字代码，目标是尽可能精确地再现原来语音波形。,波形编码的基本方法是抽样、量化，编码。,编码速率较高时，语音质量好。,波形编码广泛应用于有线通信系统，在频率受限的移动通信中，单纯的波形编码已经不适合。,波形编码技术包括脉冲编码调制（,PCM,）和增量调制（,M,）及它们的各种改进型，如,DPCM,、,ADPCM,等。,应用：适用于骨干（固定）通信网。,7404 九月 20233.3.1 语音编码(1) 波形编码,75,28 八月 2024,3.3.1 语音编码,(2),参量编码,将信源信号在频率域或其他正交变换域中提取,特征参量,，并将其变换为数字代码进行传输。,解码是从接收信号中恢复特征参量，然后根据这些特征参量重建语音信号。,可实现低速率语音编码，可压缩到,2,4.8 Kb/s,，甚至更低，但语音质量只能达到中等。,线性预测编码（,LPC,）及其各种改进型都属于参量编码。,应用：主要用于军事保密通信。,7504 九月 20233.3.1 语音编码(2) 参量编码,76,28 八月 2024,3.3.1 语音编码,(3),混合编码,混合编码,力图保持波形编码的高质量及参量编码的低速率的优点。,混合编码语音信号中既包括若干语音特征参量又包括部分波形编码信息。,可将比特速率压缩到,4,16 Kb/s,，并且在,8,16 Kb/s,范围内能达到良好的语音质量。,常用的参量编码：,MPLPC(,多脉冲激励,LPC),；,CELPC(,码激励线性预测编码,),。,应用：主要应用于移动通信。,7604 九月 20233.3.1 语音编码(3) 混合编码,77,28 八月 2024,移动通信中一方面由于频率资源有限，因此要求语音编码采用低码速，而另一方面由于移动通信信号可能要进入公共骨干通信网，因此必须基本满足公共骨干网的最低要求，再者移动通信属于民用通信，还必须满足个性化指标要求。,高质量的,混合编码,是移动通信中的优选方案。,7704 九月 2023移动通信中一方面由于频率资源有限，因,78,28 八月 2024,3.3.1 语音编码,2,混合编码的性能参数,(1),数据比特率（,bps,）,数据比特率是度量语音信源压缩率和通信系统,有效性,的主要指标。数据比特速率越低，压缩倍数就越大，可通信的话路数也就越大，移动通信系统也就越有效。但数据比特率低，话音质量也就随之相应降低。,为了补偿质量的下降，措施主要包括：,（,1,）提高设备硬件复杂度和算法软件复杂度；,（,2,）采用可变速率的自适应传输；,（,3,）还可以进一步采用语音激活技术。,7804 九月 20233.3.1 语音编码2混合编码的性,79,28 八月 2024,3.3.1 语音编码,(2),语音质量,对语音质量的评价通常有两类方法：客观评定方法和主观评价方法。,信噪比,加权信噪比,平均分段信噪比,误码率,误帧率,相对来说简单可行，但不能完全反映人对语音质量的感觉。这个问题对于速率为,16Kbit/s,以下的中、低速率语音编码尤为突出，因此主要适用于速率较高的波形编码类型。,客观评定方法,7904 九月 20233.3.1 语音编码(2)语音质量,80,28 八月 2024,3.3.1 语音编码,目前国际上常采用的主观评定方法称为,MOS,（,Mean Opinion Score,：平均评价得分），由原,CCITT,（,ITU-T,前身）建议采用。,MOS,得分采用五级评分标准。,质量等级,分数,收听注意力等级,优,(excellent),5,可完全放松，不需要注意力,良,(good),4,需要注意，但不需明显集中注意力,满意,(fair),3,中等程度的注意力,差,(poor),2,需要集中注意力,劣,(bad),1,即使努力去听，也很难听懂,主观评定方法,8004 九月 20233.3.1 语音编码目前国际上常采用,81,28 八月 2024,从用户角度看，语音质量得分在,4,分和,4,分以上者为高质量语音编码，达到网络质量。,语音质量得分在,3.5,分者称为达到通信质量的语音编码。听者可以感觉出语音质量下降，但不影响正常的电话通信。,语音质量得分不超过,3,分者称为达到合成质量的语音编码。这种语音达到一定的可懂度，但自然较差，不容易识别出讲话者。,8104 九月 2023从用户角度看，语音质量得分在4分和4,82,28 八月 2024,几种语音编码的质量比较,编码速率,（,kbit/s,）,64,32,16,13,8,4.8,2.4,3.6,标准制定年代,1972,1986,1991,1988,1989,1989,1975,标准制定组织,CCITT,CCITT,CCITT,GSM,CTIA,NSA,NSA,海事卫星,编码方法,PCM,ADPCM,LD-CELP,RPE-LTP,VSELP,CELP,LPC,AMBE,语音,质量,MOS,4.3,4.1,4.0,3.8,3.7,3.0 +,2.5 *,4.0 -,DRT,95,94,94 *,93 +,93 -,90,DAM,73,68,70 *,68 *,67 -,54,主要用途,通信网,移动通信,语音邮件,保密电话,移动通信,注：,CTIACellular Technology Industry Association,，蜂窝技术工业协会,NSA National Security Agency,，国家安全局,“*”,估计值，“,-”,上界，“,+”,下界,8204 九月 2023几种语音编码的质量比较编码速率643,83,28 八月 2024,3.3.1 语音编码,(3),复杂度与处理时延,通常算法复杂度增大，会带来更长的运算时间和更大的处理时延，在双向语音通信中，处理时延、传输时延再加上未消除的回声是影响语音质量的一个重要指标。,硬件复杂度：取决于,DSP,的处理能力；,软件复杂度：主要体现在算法复杂度。,上述四个参数是彼此制约的，混合编码的任务就是力图使上述参数及其关系达到综合最优化。,复杂度,处理时延,8304 九月 20233.3.1 语音编码(3)复杂度与处,84,28 八月 2024,3.3.1 语音编码,3,数字蜂窝移动通信中的语音编码技术,（,1,）,GSM,系统的语音编码,语音编码方案：,RPE-LTP(Regular Pulse Excitation-Long Term Prediction),（规则脉冲激励长期预测）,GSM,语音编码方案是经过,3,个阶段从,6,种方案中仔细挑选出来的，它代表了当时语音混合编码的国际水平。它是,RPE,LPC,的改进型。,编码速率：,13kbps,8404 九月 20233.3.1 语音编码3数字蜂窝移动,85,28 八月 2024,3.3.1 语音编码,（,2,）,IS-95 CDMA,系统的语音编码,语音编码方案：,QCELP,（,Qualcomm,码激励线性预测）,该方案是可变速率的混合编码器，是基于线性预测编码的改进型。,该算法依靠门限值来调整速率，门限值随着背景噪声的变化而变化，这样自适应的算法就抑制了背景噪声，使得在噪声比较大的环境中，也能得到良好的话音质量，其话音质量可以与有线电话媲美。,8504 九月 20233.3.1 语音编码（2）IS-95,86,28 八月 2024,编码速率：,QCELP,采用可变速率编码，可根据不同的信噪比分别选择,4,种速率：,全速率（,1,）,9.6kbps,半速率（,1/2,）,4.8kbps,四分之一速率（,1/4,）,2.4kbps,八分之一速率（,1/8,）,1.2kbps,8604 九月 2023 编码速率：QCELP采用可变速率编,87,28 八月 2024,3.3.1 语音编码,（,3,）,cdma2000,系统中的语音编码,cdma2000,系统采用增强型可变速率语音编码器（,EVRC,：,Enhanced Variable Rate Codec,）,该方案在发送端对语言信号进行分析，提取出语言信号的特征参量加以编码和加密，以取得和信道的匹配，经信息道传递到接收端，再根据收到的特征参量恢复原始语言波形,。,EVRC,编码器是基于码激励线性预测，与传统,CELP,算法的主要区别是：,它能基于语音能量、背景噪声和其他语音特性动态调整编码速率,8704 九月 20233.3.1 语音编码（3）cdma2,88,28 八月 2024,EVRC,语音编码的取样率为,8kHz,，语音帧长为,20ms,，每帧有,160,个取样点。,EVRC,语音编码速率分为三种：,全速率,9.6Kbps,，对应每帧参数为,171,比特；,半速率,4.8Kbps,，对应每帧参数为,80,比特；,八分之一速率,12Kbps,，对应每帧参数为,16,比特,平均速率为,8Kbps,3.3.1 语音编码,8804 九月 2023EVRC语音编码的取样率为8kHz，,89,28 八月 2024,3.3.1 语音编码,（,4,）,WCDMA,（及,TD-SCDMA,）系统的语音编码,WCDMA,和,TD-SCDMA,系统均采用自适应多速率编码（,AMR,）方案。该方案以自适应码激励线性预测（,ACELP,）编码技术为基础。,基本思路是联合自适应调整信源和信道编码模式来适应当前信道条件与业务量大小。,8904 九月 20233.3.1 语音编码（4）WCDMA,90,28 八月 2024,AMR,语音编码参数：,取样率为,8kHz,语音帧长为,20ms,每帧有,160,个取样点,其自适应有两个方面：信源和信道。,对于信道存在两类选择：全速率,22.8kb/s,和半速率,11.4kb/s,，对于两种不同信道模式分别有,8,种和,6,种信源编码速率，如表,3-3,所示。每种编码可提供不同的容错度，应采用哪种编码速率主要是根据实测信道与传输环境的自适应变化。,3.3.1 语音编码,9004 九月 2023 AMR语音编码参数：3.3.1 语,91,28 八月 2024,信道模式,编码模式（信源模式）,全速率（,FR,）,22.8Kbps,12.20kb/s,（,MR122,）,10.20kb/s,（,MR102,）,7.95 kb/s,（,MR795,）,7.40 kb/s,（,MR74,）,6.70 kb/s,（,MR67,）,5.90 kb/s,（,MR59,）,5.15 kb/s,（,MR515,）,4.75 kb/s,（,MR475,）,半速率（,HR,）,11.4Kbps,7.95 kb/s,（,MR795,）,7.40 kb/s,（,MR74,）,6.70 kb/s,（,MR67,）,5.90 kb/s,（,MR59,）,5.15 kb/s,（,MR515,）,4.75 kb/s,（,MR475,）,表,3-3 AMR,信道与信源编码模式,9104 九月 2023信道模式编码模式（信源模式）全速率（,92,28 八月 2024,3.3,编码及交织技术,3.3.1,语音编码,3.3.2,信道编码,3.3.3,交织,9204 九月 20233.3 编码及交织技术3.3.1 语,93,28 八月 2024,3.3.2,信道编码,目的,是为了克服信道中的噪声和干扰，提高通信系统的可靠性。,定义,在发送端给被传输的信息码元中（人为的）加入一些必要的监督码元，这些监督码元与信息码元之间以某种确定的规则相互关联（约束），这个过程被称为,信道编码,。,信道解码（译码）,经过编码后的信息进入信道，由于信道特性的不理想，一般会在传输中发生差错。在接收端，按既定的规则检验信息码元与监督码元之间的关系，当发现原来的信息码元与监督码元之间的关系被破坏，就会发现错误乃至纠正错误。,1,信道编码的定义,9304 九月 20233.3.2 信道编码目的1信道编码,94,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,2,信道编码的分类,可以从不同的角度对信道编码进行分类，这里从其功能和结构规律加以分类。,（,1,）从功能上可以分为三类,仅具有发现差错功能的,检错码,，如奇偶校验、循环冗余校验（,CRC,）、自动请求重传（,ARQ,）等。, 具有自动纠正差错功能的,纠错码,，如循环码中,BCH,码、,RS,码、卷积码、级联码、,Turbo,码等。, 具有既能检错又能纠错的信道编码，最典型的是混合,ARQ,。,9404 九月 20233.3.2 信道编码2信道编码的分,95,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,（,2,）从结构和规律上可分两大类,线性码：,监督关系方程是线性方程的信道编码，称为线性码，目前大部分实用化的信道编码均属于线性码，如线性分组码、线性卷积码。,非线性码：,一切监督关系方程不满足线性规律的信道编码均称为非线性码。,9504 九月 20233.3.2 信道编码（2）从结构和规,96,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,3,几种典型的信道编码,（,1,）,CRC (Cyclic redundancy check,循环冗余校验,),CRC,校验根据输入比特序列（,S,K,-1,S,K,-2, ,S,1,S,0,）通过,CRC,算法产生,L,位的校验比特序列（,C,L,-1,C,L,-2, ,C,1,C,0,）。,CRC,算法如下：,将输入比特序列表示为下列多项式的系数：,式中,D,可以看作一个时延因子，,D,i,对应比特,S,i,所处的位置。,9604 九月 20233.3.2 信道编码3几种典型的信,97,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,设,CRC,校验比特的生成多项式（即用于产生,CRC,比特的多项式）为,则校验比特对应下列多项式的系数：,式中， 表示取余数。式中的除法与普通的多项式长除相同，其差别是系数是二进制，其运算以模,2,为基础。,9704 九月 20233.3.2 信道编码 设CRC校验比,98,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,生成多项式的选择不是任意的， 它必须使得生成的校验序列有很强的检错能力。已成为国际标准的常用,CRC,码有以下,4,种。,CRC-12,：,CRC-16,：,CRC-CCITT,：,CRC-32,：,9804 九月 20233.3.2 信道编码,99,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,（,2,）卷积码,原理：,编码过程产生的,n,个输出比特不但与当前,k,个输入比特有关，而且与以前的,(,N-,1),k,个输入信息比特有关，通常把,N,称为,约束长度,(constraint length),。,卷积编码器的一般结构如图,3-9,所示，它包括：一个由,N,段组成的输入移位寄存器，每段有,k,级，共,Nk,位寄存器；一组,n,个模,2,加器；一个由,n,级组成的输出移位寄存器。,对应于每段,k,个比特的输入序列，输出,n,个比特。,通常用（,n,k,N,）表示卷积码。其编码效率为,R=k/n,。,9904 九月 20233.3.2 信道编码（2）卷积码 原,100,28 八月 2024,图,3-9,卷积编码器的通用结构图,10004 九月 2023图3-9 卷积编码器的通用结构图,101,28 八月 2024,编码规则为：,编码输入：,编码输出：,（,2, 1, 3,）编码器,编码方法举例,10104 九月 2023编码规则为：编码输入：编码输出：（,102,28 八月 2024,（,2, 1, 3,）编码器的输入输出关系,当前状态,m,j,-2,m,j,-1,输入,m,j,输出,x,1,j,x,2,j,下一状态,m,j,-2,m,j,-1,00,0,00,00,00,1,11,01,01,0,10,10,01,1,01,11,10,0,11,00,10,1,00,01,11,0,01,10,11,1,10,11,10204 九月 2023（2, 1, 3）编码器的输入输出,103,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,描述卷积码的方法有,图解法,和,解析法,，解析法可以采用生成矩阵和生成多项式这两种方法，图解法可以采用树状图、网格图、状态图和逻辑表等方法。详细内容同学们可参考相关文献。,10304 九月 20233.3.2 信道编码 描述,104,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,卷积码的,解码,思想是：信息序列和码序列之间有一一对应的关系；而且，任何信息序列和码序列将与网格图中的惟一的一条路径相联系。因而卷积译码器的工作就是找到网格图中的这一条路径。,解卷积码的技术有许多种，而常用的是,Viterbi,算法,、,序贯译码,.,10404 九月 20233.3.2 信道编码卷积码的解码思,105,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,（,3,）,Turbo,码,复合编码：,将两种或多种简单的编码组合成复合编码。,级联码：,级联码是复合编码的一种，它包括一个内（部）码和一个外（部）码，如下图所示,Turbo,码：,是一种特殊的级联码。它在两个并联或级联的编码器之间增加一个交织器，使之具有很大的码组长度和在低信噪比条件下得到接近理想的性能。,10504 九月 20233.3.2 信道编码（3）Turb,106,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,Turbo,码的编码器可以有多种形式，如采用并行级联卷积码（,PCCC,）和串行级联卷积码,(SCCC),等。采用并行级联卷积码（,PCCC,）的,Turbo,码编码原理框图如图,3-10,所示。,图,3-10 Turbo,码编码器原理图,10604 九月 20233.3.2 信道编码,107,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,图中编码器由下列三部分组成：,直接输入部分；,经过编码器,1,，再经过删余矩阵后送入复接器部分；,经过交织器、编码器,2,，再经删余矩阵送入复接器部分。,图中两个编码器分别称为,Turbo,码二维分量码，它可以很自然地推广到多维分量码。,分量码既可以是卷积码，也可以是分组码，还可以是级联码；,两个分量码既可以相同，也可以不同。,原则上讲，分量码既可以是系统码，也可以是非系统码，但为了在接收端进行有效的迭代，一般选择递归系统卷积码（,RSC,）。,10704 九月 20233.3.2 信道编码 图中编码器由,108,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,Turbo,码的译码器原理结构图如图,3-11,所示。,图,3-11 Turbo,码译码器原理图,10804 九月 20233.3.2 信道编码 Tur,109,28 八月 2024,3.3.2 信道编码,译码算法采用软输入,/,软输出（,SISO,）的最大后验概率的,BCJR,迭代算法。该算法的最大特色是采用递推、迭代方法来实现最大后验概率，且,每个符号的运算量不随总码长而变化，运算速度快,，因而受到重视。将这一算法引入反馈迭代和软输入,/,软输出及交织、去交织，实现了级联长码的伪随机化迭代译码，使其性能非常优异，并逐步逼近了理想,Shann