通信网络技术第4章无线通信技术课件

,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,*,4.1,移动通信概述,4.2,无线传播环境及其特性,4.3,无线传输技术,4.4,GSM系统,4.5,IS-95 CDMA系统,第4章,移动通信技术,4.1 移动通信概述第4章 移动通信技术,1,参考书目：,移动通信原理与应用,啜钢 王文博 常永宇编著,北京邮电大学出版社,参考书目：移动通信原理与应用,2,现代移动通信系统,祁玉生、邵世祥编著,人民邮电出版社,参考书目：,现代移动通信系统参考书目：,3,4.1.1,移动通信的发展历程,4.1.2,移动通信系统的分类与基本构成,4.1.3,移动通信的特点,4.1,移动通信概述,4.1.1 移动通信的发展历程4.1 移动通信概述,4,马可尼（18741937）意大利人,1894年 在父亲的庄园试验,1896年 去伦敦,1897年 建立无线电报公司,1899年 首次实现英法无线通信,1916年 实现短波无线电通信,1929年 建立世界性无线通信网,曾获诺贝尔奖金,无线电的发明者马可尼,马可尼（18741937）意大利人无线电的发明者马可尼,5,4.1.1,移动通信的发展历程,1.,第一代模拟移动通信系统,是以FDMA技术为基础的模拟移动通信系统，如AMPS、TACS、NMT等,缺点：,频谱利用率低、容量有限,制式太多，互不兼容,不能传送数据信息,容易窃听,4.1.1 移动通信的发展历程1. 第一代模拟移动通信系统,6,4.1.1,无线通信的发展历程,1.,第一代模拟移动通信系统,2.,第二代数字移动通信系统,以数字传输、时分多址、码分多址为主体技术，如GSM、D-AMPS、PDC、CDMA等,4.1.1 无线通信的发展历程1. 第一代模拟移动通信系统,7,4.1.1,无线通信的发展历程,1.,第一代模拟移动通信系统,2.,第二代数字移动通信系统,3.,第三代移动通信系统,真正实现“任何人在任何地点、任何时间可以同任何对方进行任何形式的通信”的这样一个目标,4.1.1 无线通信的发展历程1. 第一代模拟移动通信系统,8,第三代移动通信的无线传输技术方案,序号,提交技术,双工方式,应用环境,多址技术,提交者,1,J:WCDMA,FDD、TDD,所有环境,CDMA,日本：ARTB,2,ETSI-UTRA-UMTS,FDD、TDD,所有环境,CDMA,欧洲：ETSI,3,WIMS WCDMA,FDD,所有环境,CDMA,美国：TIA,4,WCDMA/NA,FDD,所有环境,CDMA,美国：T1P1,5,Global CDMA ,FDD,所有环境,CDMA,韩国：TTA,6,TD-SCDMA,TDD,所有环境,CDMA,中国：CATI,7,CDMA2000,FDD、TDD,所有环境,CDMA,美国：TIA,8,Global CDMA,FDD,所有环境,CDMA,韩国：TTA,9,UWC-136,FDD,所有环境,CDMA,美国：TIA,10,EP-DECT,TDD,所有环境,CDMA,欧洲：ETSI,IMT-2000标准,第三代移动通信的无线传输技术方案序号提交技术双工方式,9,4.1.2,移动通信系统的分类与基本构成,1.,移动通信系统分类,（1）,蜂窝公用陆地移动通信系统,是基于“蜂窝”的概念建立的移动通信系统,如：GSM系统、IS-95 CDMA系统、第三代移动通信系统,4.1.2 移动通信系统的分类与基本构成1. 移动通信系统分,10,公众蜂窝移动通信系统组成示意图,BS,MS,BS,MS,BS,MS,BS,MS,MSC1,MSC2,P S T N,移动通信网,公用通信网,Internet,PSTN: 公用电话网,MSC：移动交换中心,BS：基站,MS：移动终端,公众蜂窝移动通信系统组成示意图BSMSBSMSBSMS,11,是具有单呼、组呼、全呼、紧急告警/呼叫、多级优先及私密电话等适合调度业务专用的功能。,如TETRA系统、IDEN系统等。,4.1.2,移动通信系统的分类与基本构成,1.,移动通信系统分类,（1）,蜂窝公用陆地移动通信系统,（2）,集群调度移动通信系统,是具有单呼、组呼、全呼、紧急告警/呼叫、多级优先及私密电话等,12,集群调度移动通信系统,PABX,电话接口,中央,控制器,基,地,台,总调度台,控制中心,用户交换机,集群调度移动通信系统PABX电话接口中央基总调度台控制中心用,13,4.1.2,移动通信系统的分类与基本构成,1.,移动通信系统分类,（1）,蜂窝公用陆地移动通信系统,（2）,集群调度移动通信系统,（3）,无绳电话系统,4.1.2 移动通信系统的分类与基本构成1. 移动通信系统分,14,座,机,市话局,用户线,最初的无绳电话系统应用于家庭,座市话局用户线最初的无绳电话系统应用于家庭,15,CT2基站,第二代无绳电话系统,手持机,市话程控交换机,市话网,CT2基站第二代无绳电话系统手持机市话程控交换机市话网,16,是一种单向通信系统，随着手机的进一步发展，寻呼事业基本完结,4.1.2,移动通信系统的分类与基本构成,1.,移动通信系统分类,（1）,蜂窝公用陆地移动通信系统,（2）,集群调度移动通信系统,（3）,无绳电话系统,（4）,无线寻呼系统,是一种单向通信系统，随着手机的进一步发展，寻呼事业基本完结,17,无线寻呼系统组成示意图,寻呼控制中心,P S T N,BS,BS,BS,BP机,BP机,BP机,无线寻呼系统组成示意图寻呼控制中心P S T NBSB,18,4.1.2,移动通信系统的分类与基本构成,1.,移动通信系统分类,（1）,蜂窝公用陆地移动通信系统,（2）,集群调度移动通信系统,（3）,无绳电话系统,（4）,无线寻呼系统,（5）,卫星移动通信系统,4.1.2 移动通信系统的分类与基本构成1. 移动通信系统分,19,通信网络技术第4章无线通信技术课件,20,4.1.2,移动通信系统的分类与基本构成,1.,移动通信系统分类,（1）,蜂窝公用陆地移动通信系统,（2）,集群调度移动通信系统,（3）,无绳电话系统,（4）,无线寻呼系统,（5）,卫星移动通信系统,（6）,短波、超短波通信,4.1.2 移动通信系统的分类与基本构成1. 移动通信系统分,21,短波电离层通信,特点：超远距离、灵活机动；容量小、质量差,用途：,海外使馆,远洋船队,边防哨所,应急通信,短波/超短波地面通信,特点：绕射能力、灵活机动、隐蔽性好；容量较小、质量较差,用途：,陆军电台,对空电台,特种通信(武警、公安),无绳电话,短波电离层通信 短波/超短波地面通信,22,4.1.2,移动通信系统的分类与基本构成,1.,移动通信系统分类,（1）,蜂窝公用陆地移动通信系统,（2）,集群调度移动通信系统,（3）,无绳电话系统,（4）,无线寻呼系统,（5）,卫星移动通信系统,（6）,短波、超短波通信,（7）,微波通信,4.1.2 移动通信系统的分类与基本构成1. 移动通信系统分,23,微波接力,特点：容量大、质量好、视距传播条件,用途：,中小容量微波,SDH,大容量微波,扩频微波,高频段微波,点对多点微波,用途：无线集中器,无线用户环,散射微波通信,衰落时变信道，距离远，频带较窄，质量较差,用途 军用,民用,微波接力点对多点微波散射微波通,24,网络,基地站,图10.27 移动通信系统的组成,移动台,4.1.2,移动通信系统的分类与基本构成,1.,移动通信系统分类,2.,移动通信系统的基本组成,网络基地站图10.27 移动通信系统的组成移动台4.1.2,25,1.,无线电传播复杂,4.1.3,移动通信的特点,1. 无线电传播复杂4.1.3 移动通信的特点,26,通信网络技术第4章无线通信技术课件,27,1.,无线电传播复杂,2.,无线频谱范围有限,4.1.3,移动通信的特点,1. 无线电传播复杂4.1.3 移动通信的特点,28,无线电,微波,红外线,可见光,紫外线,X射线,射线,双绞线,同轴电缆,卫星,地面微波,调幅,无线电,调频,无线电,海事,无线电,光纤,电视,(Hz),f,(Hz),f,LF,MF,HF,VHF,UHF,SHF,EHF,THF,波段,10,4,10,5,10,6,10,7,10,8,10,9,10,10,10,11,10,12,10,13,10,14,10,15,10,16,10,0,10,2,10,4,10,6,10,8,10,10,10,12,10,14,10,16,10,18,10,20,10,22,10,24,移动,无线电,电信领域使用的电磁波的频谱,无线电微波红外线可见光紫外线X射线射线双绞线同轴电缆卫星地,29,1.,无线电传播复杂,2.,无线频谱范围有限,3.,用户和网络管理复杂,4.1.3,移动通信的特点,1. 无线电传播复杂4.1.3 移动通信的特点,30,4.2,无线传播环境及其特性,4.2.1,电波的自由空间传播,4.2.2,电波传播的几何模型,4.2.3,电波的多径传播和衰落,4.2 无线传播环境及其特性4.2.1 电波的自由空间传播,31,4.2.1,电波的自由空间传播,1.,自由空间,是指在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，电波不发生反射、折射、绕射、散射和吸收现象，只存在由电磁波能量扩散而引起的传播损耗,4.2.1 电波的自由空间传播1. 自由空间 是指在理,32,实质是因电波扩散损失的能量，其基本特点是接收电平与距离的平方以及频率的平方均成反比。,4.2.1,电波的自由空间传播,1.,自由空间,2.,自由空间损耗,实质是因电波扩散损失的能量，其基本特点是接收电平与距,33,T,R,d,T：发射天线，无方向性天线,R：接收天线，无方向性天线,D：T、R之间距离,P,t,：发送端的发送功率,图10.1 自由空间传播,在接收天线的位置上，每单位面积上的功率为：,接收天线的有效面积：,接收到的功率：,TRdT：发射天线，无方向性天线图10.1 自由空间传播在接,34,T,R,d,T：发射天线，无方向性天线,R：接收天线，无方向性天线,D：T、R之间距离,P,t,：发送端的发送功率,图10.1 自由空间传播,接收到的功率：,路径损耗：,TRdT：发射天线，无方向性天线图10.1 自由空间传播接收,35,4.2.2,电波传播的几何模型,1.,大气折射与等效地球半径,（1）,大气折射对电波传输的影响通常可用地球等效半径来表征,（2）,k=re/ro,k称为地球等效半径系数，r0=6370km为地球实际半径,re为地球等效半径。,（3）,在标准大气折射情况下， 地球等效半径系数k=4/3,4.2.2 电波传播的几何模型1. 大气折射与等效地球半径（,36,4.2.2,电波传播的几何模型,1.,大气折射与等效地球半径,2.,电波的反射,4.2.2 电波传播的几何模型1. 大气折射与等效地球半径,37,d,r,1,r,2,h,1,h,2,T,R,图10.2 电波的反射,直射波的行程：,反射波的行程：,行程差：,A,dr1r2h1h2TR图10.2 电波的反射直射波的行程：A,38,直射波的行程：,反射波的行程：,行程差：,假设dh,1,h,2,则有,所以,直射波的行程：,39,设地面反射波的反射系数为,，行程差引起的相位差为：,接收到的合成电场的强度为,：,因为r,1,r,2,d，,所以：,设地面反射波的反射系数为，行程差引起的相位差为：接收到的合,40,总的损耗为,：,假设行程差远远小于波长，进一步化简上式，得：,0时：,1时：,自由空间模型,平面大地模型,L(dB)=120+40lgd(km)-20lgh,1,(m)-20lgh,2,(m),总的损耗为：假设行程差远远小于波长，进一步化简上式，得：,41,4.2.2,电波传播的几何模型,1.,大气折射与等效地球半径,2.,电波的反射,3.,刃型遮挡的影响,4.2.2 电波传播的几何模型1. 大气折射与等效地球半径,42,T,R,h,c,H,0,=0.577F,1,hc：余隙，障碍物顶点至TR连线的垂直距离,h0：自由空间余隙,图10.3 电波传播的刃型阻挡,TRhcH0=0.577F1hc：余隙，障碍物顶点至TR连线,43,T,R,图10.5 电波传播的菲涅尔区,d,d,2,d,1,P,Q,F,n,第n菲涅尔区：,满足,（TQ+QR)-TR n,/2,（n为整数）的所有Q点的集合,第n费涅尔区半径Fn：,第n菲涅尔区边界上的某个点P到TR连线的距离,当P处于椭圆的正中位置时，,F,n,达到最大值,F,max，,叫做第n菲涅尔区的最大半径,TR图10.5 电波传播的菲涅尔区dd2d1PQFn第n菲涅,44,菲涅尔椭球体,菲涅尔椭球体,45,图10.4 路径余隙造成的阻挡效应,图10.4 路径余隙造成的阻挡效应,46,4.2.2,电波传播的几何模型,1.,大气折射与等效地球半径,2.,电波的反射,3.,刃型遮挡的影响,4.,电波传播的路径损耗预测,（1）,Okumura-Hata模型,4.2.2 电波传播的几何模型1. 大气折射与等效地球半径（,47,系统工作频率，单位：MHz,基站天线高度，,单位：m,移动台天线高度，单位：m,移动天线修正因子,系统工作频率，单位：MHz基站天线高度，移动台天线高度，单位,48,4.2.2,电波传播的几何模型,1.,大气折射与等效地球半径,2.,电波的反射,3.,刃型遮挡的影响,4.,电波传播的路径损耗预测,（1）,Okumura-Hata模型,（2）,COST-231 Hata模型,4.2.2 电波传播的几何模型1. 大气折射与等效地球半径（,49,4.2.3,电波的多径传播与衰落,1.,衰落的基本概念,（1）,什么是衰落？,在无线通信的传输过程中，由于大气及地面的影响而发生传播损耗及传播延时随时间、空间、频率变化的现象叫做衰落,4.2.3 电波的多径传播与衰落1. 衰落的基本概念（1）什,50,慢衰落,快衰落空间选择性衰落,时间选择性衰落,频率选择性衰落,4.2.3,电波的多径传播与衰落,1.,衰落的基本概念,（1）,什么是衰落？,（2）,衰落的分类,慢衰落4.2.3 电波的多径传播与衰落1. 衰落的基本概念,51,接收电平降低,接收波形畸变,传播延时变化,4.2.3,电波的多径传播与衰落,1.,衰落的基本概念,（1）,什么是衰落？,（2）,衰落的分类,（3）,衰落会造成什么影响？,接收电平降低4.2.3 电波的多径传播与衰落1. 衰落的基,52,4.2.3,电波的多径传播与衰落,1.,衰落的基本概念,（1）,什么是衰落？,（2）,衰落的分类,（3）,衰落会造成什么影响？,（4）,如何对抗衰落？,减少通信距离；增加发送功率；调整天线高度；选择合适路由,在移动通信中采用微蜂窝、直放站,采用分集技术、均衡技术、瑞克技术、纠错技术等,4.2.3 电波的多径传播与衰落1. 衰落的基本概念（1）什,53,4.2.3,电波的多径传播与衰落,（1）,引起长期慢衰落的原因,由传播路径上的固定障碍物的阴影引起的，也称为阴影衰落,1.,衰落的基本概念,2.,电波传播的长期慢衰落,4.2.3 电波的多径传播与衰落（1）引起长期慢衰落的原因由,54,4.2.3,电波的多径传播与衰落,（2）,长期慢衰落的特点,衰落变化率缓慢,衰落速率与频率无关,反映接收信号的长期变化,衰落深度服从正态分布,2.,电波传播的长期慢衰落,距离因素造成的电波损耗,满足正态分布的随机变量,4.2.3 电波的多径传播与衰落（2）长期慢衰落的特点衰落变,55,4.2.3,电波的多径传播与衰落,1.,衰落的基本概念,2.,电波传播的长期慢衰落,3.,电波传播的短期快衰落,（1）,引起短期快衰落的原因,无线电波的多径传播,4.2.3 电波的多径传播与衰落1. 衰落的基本概念（1）引,56,4.2.3,电波的多径传播与衰落,3.,电波传播的短期快衰落,（1）,引起短期快衰落的原因,（2）,短期快衰落的特点,衰落变化率快,反映接收信号的短期变化,衰落深度服从瑞利分布或莱斯分布,4.2.3 电波的多径传播与衰落3. 电波传播的短期快衰落（,57,通信网络技术第4章无线通信技术课件,58,空间选择性衰落,多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽称为角度扩展，角度展宽产生空间选择性衰落；,空间选择性衰落用相干距离,R（两根天线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离）描述；,接收天线距离若大于相干距离，信道呈空间选择性衰落,可采用分集技术对抗空间选择性衰落,空间选择性衰落多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽称为角度扩,59,时间选择性衰落,由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率移动，引起衰落过程的频率扩展，称时间选择性衰落信道的条件随着时间而变化；,时间选择性衰落可用多普勒频移fd或相干时间td来表示；,取样时间间隔若大于相干时间，信道呈时间选择性衰落；,可采用信道编码交织技术来对抗时间选择性衰落,时间选择性衰落由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有,60,多普勒效应：声波频率在声源移向观察者时会变高，在远离观察者时会变低,多普勒效应：声波频率在声源移向观察者时会变高，在远离观察者时,61,当移动体在x轴上以速度v移动时引起多普勒频率漂移,第n个入射波,多普勒效应引起的多普勒频移可表示为：,图10.7 入射波和移动方向,x,O,y,当移动体在x轴上以速度v移动时引起多普勒频率漂移第n个入射波,62,多普勒频移fd：,相干时间,T：两个瞬时时间的信道冲激响应保持强相关时的最大时间间隔。,最大多普勒频移,多普勒频移fd：相干时间T：两个瞬时时间的信道冲激响应保持,63,频率选择性衰落,由于各多径信道的时延不同，使得接收信号的波形比原脉冲展宽了时延扩展，产生频率选择性衰落；,频率选择性衰落用相干带宽,F（信道在两个频移处的频率响应应保持强相关时的最大频率差）描述；,传输带宽若大于相干带宽，信道呈频率选择性衰落；,可采用OFDM或rake接收技术对抗频率选择性衰落,频率选择性衰落由于各多径信道的时延不同，使得接收信号的波形比,64,4.3,无线传输技术,4.3.1,天线基本知识,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,4.3.3,多址技术,4.3 无线传输技术4.3.1 天线基本知识,65,4.3.1,天线基本知识,1.,天线方向性,半波振子天线方向图,（a）立体方向图,（b）垂直面方向图,（c）水平面方向图,无方向性,4.3.1 天线基本知识1. 天线方向性半波振子天线方向图（,66,无方向性,有方向性,4.3.1,天线基本知识,1.,天线方向性,无方向性有方向性4.3.1 天线基本知识1. 天线方向性,67,（1）,波瓣宽度定义为在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB的两点间的夹角,（2）,波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强,4.3.1,天线基本知识,1.,天线方向性,2.,波瓣宽度,（1）波瓣宽度定义为在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3d,68,4.3.1,天线基本知识,1.,天线方向性,2.,波瓣宽度,3.,天线增益,增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的信号的功率密度之比,4.3.1 天线基本知识1. 天线方向性 增益是指在输,69,4.3.1,天线基本知识,2.,波瓣宽度,3.,天线增益,4.,天线的极化天线辐射时形成的电场强度的方向,4.3.1 天线基本知识2. 波瓣宽度,70,4.3.1,天线基本知识,1.,天线方向性,2.,波瓣宽度,3.,天线增益,4.,天线的极化天线辐射时形成的电场强度的方向,5.,几种常见的天线,4.3.1 天线基本知识1. 天线方向性,71,板状天线,高增益栅状抛物面天线,八木定向天线,室内吸顶天线,室内壁挂天线,板状天线高增益栅状抛物面天线 八木定向天线室内吸顶天线室内壁,72,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,（1）,什么是分集？,分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号,集中处理，即接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并，以降低衰落的影响,分集就是指通过两条或两条以上途径传输同一信息，以减轻衰落影响的一种技术措施,4.3.2 抗衰落及抗干扰技术1. 分集技术（1）什么是分集,73,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,（1）,什么是分集？,（2）,分集的目的？,补偿信道衰落的影响,4.3.2 抗衰落及抗干扰技术1. 分集技术（1）什么是分集,74,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,（1）,什么是分集？,（2）,分集的目的？,（3）,采用什么途径来接收分集信号？,空间分集：不同天线的接收信号相互独立；,极化分集：水平极化和垂直极化,的信号相互独立；,频率分集：不同频率,的接收信号相互独立；,时间分集：,不同时间的接收信号相互独立,4.3.2 抗衰落及抗干扰技术1. 分集技术（1）什么是分集,75,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,（1）,什么是分集？,（2）,分集的目的？,（3）,采用什么途径来接收分集信号？,（4）,从分集信号中以什么方式作为输出？,选择,式合并：选择最好的支路作为输出，其它支路丢弃,最大比合并：,调整各个支路的相位，使之同相，然后按照各个支路的信噪比数值进行加权相加,等增益合并：在接收端将收到的多个分集支路信号经过相位调整后，直接进行同相相加,4.3.2 抗衰落及抗干扰技术1. 分集技术（1）什么是分集,76,三种分集合并的性能比较,三种分集合并的性能比较,77,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,（5）,显分集和隐分集,显分集：构成明显分集信号的传输方式，如：极化分集、角度分集、时间分集、空间分集、频率分集,隐分集：分集作用含在传输信号中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集 ，如：交织编码技术、跳频技术、直接扩频技术等,4.3.2 抗衰落及抗干扰技术1. 分集技术（5）显分集和隐,78,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,（5）,显分集和隐分集,（6）,宏分集和微分集,宏分集：减少慢衰落影响,微分集：减少快衰落影响的分集技术,4.3.2 抗衰落及抗干扰技术1. 分集技术（5）显分集和隐,79,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,2.,信道编码和交织技术,（1）,信道编码,信道编码的目的？,保证信息传输的可靠性、提高传输质量,4.3.2 抗衰落及抗干扰技术1. 分集技术（1）信道编码信,80,在信息码中增加一定数量的多余码元，使它们满足一定的约束关系，则由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字，这样码字具有一定的抗干扰能力,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,2.,信道编码和交织技术,（1）,信道编码,信道编码的目的？,信道编码的基本原理,在信息码中增加一定数量的多余码元，使它们满足一定,81,分组码,卷积码,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,2.,信道编码和交织技术,（1）,信道编码,信道编码的目的？,信道编码的基本原理,信道编码分类,分组码4.3.2 抗衰落及抗干扰技术1. 分集技术（1）信,82,交织编码的目的？,把一个由衰落造成的较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码技术消除随机差错,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,2.,信道编码和交织技术,（1）,信道编码,（2）,交织编码,交织编码的目的？ 把一个由衰落造成的较长的突发差错,83,将FEC码字序列按行写入而按列读出,交织编码的目的？,交织编码的基本原理,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,2.,信道编码和交织技术,（1）,信道编码,（2）,交织编码,将FEC码字序列按行写入而按列读出交织编码的目的,84,行数,1,2,3,M,读出,写入,图10.9 交织矩阵,行数M读出写入图10.9 交织矩阵,85,（1）,什么是跳频？,所谓跳频是指发送信号的载波按照某一随机跳变图样在跳变，如,载波频率受一组高速变化的伪随机码（码）控制而快速变化,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,2.,信道编码和交织技术,3.,跳频技术,（1）什么是跳频？ 所谓跳频是指发送信号的载波按照,86,Nb,b,N：信道数b：信道间隔,：时刻,时使用的信道频率,图10.11 跳频信号频谱,f,NbbN：信道数b：信道间隔图10.11 跳频信号频谱f,87,慢跳频,跳频速率低于信息比特率，即连续几个信息比特跳频一次,（1）,什么是跳频？,（2）,跳频分类,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,2.,信道编码和交织技术,3.,跳频技术,慢跳频跳频速率低于信息比特率，即连续几个信息比特跳频一次 （,88,跳频速率高于或等于信息比特率，即每个信息比特跳频一次以上,慢跳频,快跳频,（1）,什么是跳频？,（2）,跳频分类,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,2.,信道编码和交织技术,3.,跳频技术,跳频速率高于或等于信息比特率，即每个信息比特跳频一次,89,抗多径,接收机在收到最先到达的信号之后立即将载波频率跳变到另一频率上，可避开多径干扰,（1）,什么是跳频？,（2）,跳频分类,（3）,跳频作用,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,2.,信道编码和交织技术,3.,跳频技术,抗多径 接收机在收到最先到达的信号之后立即将载波频率跳,90,跳频图案的正交性组成的正交跳频网，可避免同频干扰,抗多径,抗同频干扰,（1）,什么是跳频？,（2）,跳频分类,（3）,跳频作用,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,1.,分集技术,2.,信道编码和交织技术,3.,跳频技术,跳频图案的正交性组成的正交跳频网，可避免同频干扰 抗,91,当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留时间内的信号相互独立,抗多径,抗同频干扰,抗衰落,（1）,什么是跳频？,（2）,跳频分类,（3）,跳频作用,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,3.,跳频技术,当跳频的频率间隔大于信道相关带宽时，可使各个跳频驻留,92,（1）,什么是跳频？,（2）,跳频分类,（3）,跳频作用,（4）,跳频系统原理框图,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,3.,跳频技术,（1）什么是跳频？4.3.2 抗衰落及抗干扰技术3. 跳频技,93,调制器,混频器,频率,合成器,伪码,解调器,混频器,频率,合成器,伪码,信码,信码,图10.10 跳频系统原理框图,调制器混频器频率伪码解调器混频器频率伪码信码信码图10.10,94,（1）,什么是直接序列扩频？,扩频的概念,扩频通信技术是一种信息传输方式，其信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽；频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关；在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,3.,跳频技术,4.,直接序列扩频技术,（1）什么是直接序列扩频？扩频的概念 扩频通信技术,95,Why 扩频？,在给定的信道容量C不变的条件下，信号宽度B和信噪比SN是可以互换的,Why 扩频？ 在给定的信道容量C不变的条件下，信号宽度B和,96,所谓直接序列扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端去扩展信号的频谱。而在收端，用相同的扩频码序列去进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息,（1）,什么是直接序列扩频？,扩频的概念,直接序列扩频,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,3.,跳频技术,4.,直接序列扩频技术,所谓直接序列扩频，就是直接用具有高码率的扩频码序,97,（1）,什么是直接序列扩频？,（2）,直接序列扩频原理框图,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,3.,跳频技术,4.,直接序列扩频技术,（1）什么是直接序列扩频？4.3.2 抗衰落及抗干扰技术3.,98,扩频,调制,振荡,伪码,解扩,混频,本振,伪码,窄带信号,窄带信号,图10.12 直接扩频系统原理框图,扩频,信号,扩频调制振荡伪码解扩混频本振伪码窄带信号窄带信号图10.12,99,扩频解扩处理过程为什么能获得提高信噪比的好处呢？,扩频解扩处理过程为什么能获得提高信噪比的好处呢？,100,（1）,智能天线的概念,采用空分多址（SDMA）技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,3.,跳频技术,4.,直接序列扩频技术,5.,智能天线技术,（1）智能天线的概念 采用空分多址（SDMA）技术,101,（1）,智能天线的概念,（2）,开关多波束天线,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,3.,跳频技术,4.,直接序列扩频技术,5.,智能天线技术,（1）智能天线的概念4.3.2 抗衰落及抗干扰技术3. 跳频,102,开关多波束天线的波束模式顶视图,开关多波束天线的波束模式顶视图,103,（1）,智能天线的概念,（2）,开关多波束天线,（3）,自适应阵天线,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,3.,跳频技术,4.,直接序列扩频技术,5.,智能天线技术,（1）智能天线的概念4.3.2 抗衰落及抗干扰技术3. 跳频,104,自适应阵列天线基本原理图,自适应阵列天线基本原理图,105,抗衰落，减少多径效应,抗干扰,增加系统容量,增加基站覆盖面积,提高频谱利用率,（4）,智能天线的作用,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,3.,跳频技术,4.,直接序列扩频技术,5.,智能天线技术,抗衰落，减少多径效应（4）智能天线的作用4.3.2 抗衰落及,106,用于补偿信道中由于多径效应而产生的码间干扰,4.3.2,抗衰落及抗干扰技术,3.,跳频技术,4.,直接序列扩频技术,5.,智能天线技术,6.,均衡技术,用于补偿信道中由于多径效应而产生的码间干扰 4.3.2 抗衰,107,发送,滤波器,信道,接收,滤波器,时间域,均衡器,x(t),y(t),q(t),x(t),y(t),(t),图10.16 信道均衡示意图,发送信道接收时间域x(t)y(t)q(t)x(t)y(t),108,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,（1）,多址方式指区分不同共享无线媒体的用户的方式,4.3.3 多址技术1. 多址的基本原理（1）多址方式指区分,109,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,（1）,多址方式指区分不同共享无线媒体的用户的方式,（2）,多址接入方式的基础是正交分割原理,4.3.3 多址技术1. 多址的基本原理（1）多址方式指区分,110,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,（1）,多址方式指区分不同共享无线媒体的用户的方式,（2）,多址接入方式的接入方式是正交分割原理,（3）,分类：FDMA、TDMA、CDMA等,4.3.3 多址技术1. 多址的基本原理（1）多址方式指区分,111,t,信道N,信道2,信道1,信道3,信道N,f,c,信道1,f,t,c,信道2,信道3,信道N,信道1,f,t,c,信道N,信道2,信道3,(a) FDMA,(b) TDMA,(c) CDMA,图10.19 FDMA，TDMA和CDMA示意图,t信道N信道2信道1信道3信道Nfc信道1ftc信道2信道3,112,（1）,FDMA基本原理,保护频带,反向信道,前向信道,图10.20 FDMA系统的工作示意图,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,2.,FDMA技术,（1）FDMA基本原理保护频带反向信道前向信道图10.20,113,互调干扰：指系统内由于非线性器件产生的各种组合频率成分落入本频道接收机通带内造成对有用信号的干扰,（1）,FDMA基本原理,（2）,FDMA系统中的干扰问题,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,2.,FDMA技术,互调干扰：指系统内由于非线性器件产生的各种组合频率成分落入本,114,互调干扰,邻道干扰：指相邻波道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机带内造成对有用信号的干扰,（1）,FDMA基本原理,（2）,FDMA系统中的干扰问题,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,2.,FDMA技术,互调干扰（1）FDMA基本原理4.3.3 多址技术1. 多址,115,互调干扰,邻道干扰,同频干扰：指凡载波频率与有用信号的载波频率相同，并以相同的方式进入收信机中频通带的非有用信号所造成的干扰,（1）,FDMA基本原理,（2）,FDMA系统中的干扰问题,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,2.,FDMA技术,互调干扰（1）FDMA基本原理4.3.3 多址技术1. 多址,116,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是很大的，无需自适应均衡,基站复杂庞大，重复设置收发信设备,接收设备中需使用带通滤波器,越区切换较为复杂和困难,（1）,FDMA基本原理,（2）,FDMA系统中的干扰问题,（3）,FDMA系统的特点,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,2.,FDMA技术,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,117,（1）,TDMA系统原理,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,2.,FDMA技术,3.,TDMA技术,（1）TDMA系统原理4.3.3 多址技术1. 多址的基本原,118,MS,1,MS,2,MS,K,BS,帧,时隙,图10.21 TDMA系统的工作原理,MS1MS2MSKBS帧时隙图10.21 TDMA系统的工作,119,（1）,TDMA系统原理,（2）,TDMA的帧结构,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,2.,FDMA技术,3.,TDMA技术,（1）TDMA系统原理4.3.3 多址技术1. 多址的基本原,120,图10.22 TDMA帧结构,头比特,信息,尾比特,时隙1,时隙2,时隙3,时隙N,尾比特,同步比特,信息数据,保护比特,1个TDMA帧,图10.22 TDMA帧结构头比特信息尾比特时隙1时隙2时隙,121,同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证,需要自适应均衡技术,不需双工器,基站复杂性小,相比FDMA，抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大,越区切换简单,可和FDMA结合提供较大的系统容量,（1）,TDMA系统原理,（2）,TDMA的帧结构,（3）,TDMA系统的特点,4.3.3,多址技术,3.,TDMA技术,同步技术是TDMA系统正常工作的重要保证（1）TDMA系统原,122,（1）,CDMA系统原理,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,2.,FDMA技术,3.,TDMA技术,4.,CDMA技术,（1）CDMA系统原理4.3.3 多址技术1. 多址的基本原,123,用户1,用户2,用户3,C,0,C,1,C,2,系统,图10.23 CDMA通信系统的工作示意图,用户1用户2用户3C0C1C2系统图10.23 CDMA通,124,码分多址原理：,每个站点被指定一个唯一的m位码片序列，当发送比特1时，站点就发送其码片序列，发送比特0时，站点就发送其码片序列的反码。比如站点A的码片序列被指定为00011011，发送00011011就表示发送比特1，发送11100100就表示发送比特0。,采用双极型的形式，二进制0用“1”代替，二进制1用“1”代替。书写时，将码片序列用括号括起来，比如站点A的码片序列为 （-1 1 1 +1 +1 1 +1 +1）,任意两个不同的码片序列S和T的内积（记为ST）均为0（即：,任何码片序列与自己的内积均为1即：,接收端可根据自己接收到的信号和某站的码片向量进行内积运算来确定该站是否发送过信号,码分多址原理：,125,S 站的码片序列,S,1,1,0,t,t,t,t,t,m,个码片,t,S 站发送的信号,S,x,T 站发送的信号,T,x,总的发送信号,S,x,+,T,x,规格化内积,S, （,S,x,+ T,x,),数据码元比特,发,送,端,接,收,端,CDMA例：,S 站的码片序列 S110tttttm 个码片tS 站发送的,126,则接收端接收到的信号：,若系统中各站发送的信号分别为：a、bz，各站的码片序列分别为：A、BZ,则接收端接收到的信号：若系统中各站发送的信号分别为：a、b,127,例：共有4站进行码分多址通信，4个站的码片序列为,A,:(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)B:(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1),C:(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1)D:(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1),现收到这样的码片序列：(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)，问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的1还是0？,解：,设系统中各站发送的信号分别为：a、b、c、d，则接收端接收到的信号为：RaAbBcCdD,例：共有4站进行码分多址通信，4个站的码片序列为解：设系统中,128,例：共有4站进行码分多址通信，4个站的码片序列为,A,:(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)B:(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1),C:(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1)D:(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1),现收到这样的码片序列：(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)，问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的1还是0？,解：,设系统中各站发送的信号分别为：a、b、c、d，则接收端接收到的信号为：RaAbBcCdD,例：共有4站进行码分多址通信，4个站的码片序列为解：设系统中,129,例：共有4站进行码分多址通信，4个站的码片序列为,A,:(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)B:(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1),C:(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1)D:(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1),现收到这样的码片序列：(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)，问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的1还是0？,解：,设系统中各站发送的信号分别为：a、b、c、d，则接收端接收到的信号为：RaAbBcCdD,例：共有4站进行码分多址通信，4个站的码片序列为解：设系统中,130,例：共有4站进行码分多址通信，4个站的码片序列为,A,:(-1 -1 -1 +1 +1 -1 +1 +1)B:(-1 -1 +1 -1 +1 +1 +1 -1),C:(-1 +1 -1 +1 +1 +1 -1 -1)D:(-1 +1 -1 -1 -1 -1 +1 -1),现收到这样的码片序列：(-1 +1 -3 +1 -1 -3 +1 +1)，问哪个站发送数据了？发送数据的站发送的1还是0？,解：,设系统中各站发送的信号分别为：a、b、c、d，则接收端接收到的信号为：RaAbBcCdD,例：共有4站进行码分多址通信，4个站的码片序列为解：设系统中,131,多个用户共享同一频率,通信容量大,容量的软特性,抗衰落能力强,抗干扰能力强，频谱利用率高,（1）,CDMA系统原理,（2）,CDMA系统特点,4.3.3,多址技术,4.,CDMA技术,多个用户共享同一频率（1）CDMA系统原理4.3.3 多址技,132,存在多址干扰-,多用户检测技术,“远近”效应问题-功率控制技术,（1）,CDMA系统原理,（2）,CDMA系统特点,（3）,CDMA系统中存在的问题,4.3.3,多址技术,4.,CDMA技术,存在多址干扰-多用户检测技术（1）CDMA系统原理4,133,4.3.3,多址技术,1.,多址的基本原理,2.,FDMA技术,3.,TDMA技术,4.,CDMA技术,5.,SDMA技术,SDMA技术是利用用户的地理位置不同，在与用户通信过程中采用天线的波束成形技术，使不同的波束方向对准不同的用户，达到多用户共享频率资源、时间资源和码资源,4.3.3 多址技术1. 多址的基本原理 SD,134,每个用户可以随意发送信息，如果发现碰撞，则采用相应的退避算法重发，直至发送成功,4.3.3,多址技术,5.,SDMA技术,6.,随机接入多址技术,每个用户可以随意发送信息，如果发现碰撞，则采,135,（1）,纯ALOHA方式,工作原理：站点只要产生帧，就立即发送到信道上；规定时间内若收到应答，表示发送成功；否则重发,重发策略：等待一段随机的时间，然后重发；如再次冲突，则再等待一段随机的时间，直到重发成功为止,缺点：极容易冲突,4.3.3,多址技术,6.,随机接入多址技术,（1）纯ALOHA方式工作原理：站点只要产生帧，就立即发送到,136,纯ALOHA系统的工作原理图,A1,帧产生,B1,A2,A2,B1,冲突,随机时间t1,t2,B2,A2,t3,B2,t4,B3,A3,站A,站B,信道上的总效应,A1,B1,A2,B2,纯ALOHA系统的工作原理图A1帧产生B1A2A2B1冲突随,137,工作原理：将时间划分为一段段等长的时隙，规定帧不论何时产生，只能在每个时隙开始时发送到信道上,重发策略：同纯ALOHA,代价：需要全网同步；可设置一个特殊站点，由该站点发送时钟信号,（1）,纯ALOHA方式,（2）,时隙ALOHA方式,4.3.3,多址技术,6.,随机接入多址技术,工作原理：将时间划分为一段段等长的时隙，规定帧不论何时产生，,138,时隙ALOHA系统的工作原理图,A1,帧产生,B3,A2,A2,B1,冲突,随机时间t1,t2,B2,B2,B3,A3,站A,站B,信道上的总效应,A1,B1,A2,B2,A3,时隙ALOHA系统的工作原理图A1帧产生B3A2A2B1冲突,139,对短报文采取非预约时隙ALOHA方式传输，对长报文先申请预约占用一段时隙，让其一次性发送一批数据,（1）,纯ALOHA方式,（2）,时隙ALOHA方式,（3）,预约ALOHA方式,4.3.3,多址技术,6.,随机接入多址技术,对短报文采取非预约时隙ALOHA方式传输，对长报文先,140,A,B,E,G,F,E,E,C,A,G,F,E,D,C,B,争用时隙,第 i 帧,A,B,E,G,F,E,第 i+1 帧,A,B,E,E,D,B,第 i+2 帧,A,B,E,E,E,C,第 i+3 帧,预约ALOHA之Binder方案,N个时隙组成一个复用帧，每站点分配一个时隙，其余时隙由各站点争用；若某站点暂时无数据发送，则让自己的时隙空闲，其他站点检测到后，按ALOHA方式共享此时隙。,ABEGFEECAGFEDCB争用时隙第 i 帧ABEGFE,141,预约ALOHA之Crowther方案,A,F,E,D,B,G,C,第 i 帧,A,E,D,B,第 i+1 帧,A,G,A,第 i+2 帧,A,D,G,A,第 i+3 帧,D,D,对任何时隙，所有站点均可争用。争用成功后，可以一直占用。使用完毕后，再由其他站点重新争用。,预约ALOHA之Crowther方案AFEDBGC第 i 帧,142,预约ALOHA之Roberts方案,A,F,D,B,G,C,第 i 帧,A,D,G,第 i+1 帧,A,C,A,第 i+2 帧,A,G,A,第 i+3 帧,B,D,D,F,A,B,C,每个站点发送数据之前必须进行预约。每个复用帧前面的各时隙用于发送时隙，最后一个时隙再分成子时隙，专门用于预约。请求按时隙ALOHA方式进行,预约ALOHA之Roberts方案AFDBGC第 i 帧AD,143,4.3.3,多址技术,6.,随机接入多址技术,7.,双工技术,（1）,频分双工FDD,（2）,时分双工TDD,4.3.3 多址技术6. 随机接入多址技术（1）频分双工FD,144,4.4,GSM系统,4.4.1,蜂窝的概念,4.4.2,GSM系统的小区结构和载频复用,4.4.3,GSM的信道,4.4.4,GSM的呼叫处理,4.4 GSM系统4.4.1 蜂窝的概念,145,原移动通信系统：大区制,采用大区制的场强覆盖，一个基站覆盖一个较大的服务区，半径在几十公里范围内。,4.4.1,蜂窝的概念,TRX,TX:1025W,MS,覆盖半径 2030km,30200m,TX:50100W,TRX,BS,原移动通信系统：大区制4.4.1 蜂窝的概念TRXTX:10,146,原移动通信系统：大区制,4.4.1,蜂窝的概念, 系统及控制简单, 容量小,例：设大区制系统共有12个频道（信道ch：channel），每信道可容纳10个移动用户，求系统用户容量。,解：,系统容量=12(ch)10(用户/ch) =120个用户,为提高系信容量人们研究出小区制即,蜂窝网,原移动通信系统：大区制4.4.1 蜂窝的概念 系统及,147,1.,什么是蜂窝？,（1）,思路：,将一个移动服务区划分成许多以正六边形为基本几何图形的覆盖区域，称为蜂窝小区，一个较低功率的发射机服务一个蜂窝小区，在较小的区域内设置相当数量的用户,4.4.1,蜂窝的概念,1. 什么是蜂窝？（1）思路：4.4.1 蜂窝的概念,148,1,3,2,4,1,2,4,3,1,4,2,3,1,2,1,2,3,4,5,6,1,2,3,4,5,7,6,1,2,3,4,5,7,6,1,2,3,4,5,7,6,1,2,3,4,5,7,6,1,2,3,4,5,7,6,6,7,3,4,5,7,N=4,N=7,图10.28 正六角形小区覆盖,R,D,132412431423121234561234576123,149,例：设信道总数为12个（同大区制），3个小区为1区群，共100个区群，求系统用户容量。,解：,每组信道数12ch/34ch,小区容量4ch8用户/ch32用户,每区群容量33296用户（原大区制容量120用户）,总容量100969600用户,例：设信道总数为12个（同大区制），3个小区为1区群，共,150,低功率的发射机和小的覆盖范围,频率再用,切换和中央控制,小区分裂可用于增强容量,1.,什么是蜂窝？,（1）,思路,（2）,特征：,4.4.1,蜂窝的概念,低功率的发射机和小的覆盖范围1. 什么是蜂窝？（1）思路4.,151,（1）,巨区：小区半径20km,（2）,宏区：小区半径120km,（3）,微区