《移动通信基础》PPT课件.ppt

移动通信基础,系统建设维护部 赵腾,移动通信发展概况,移动通信发展概况,移动通信发展概况,移动通信的特点,传播特性,无线电波 电波弥散和损耗 多普勒频移 随机调频,有害干扰,邻道干扰 互调干扰 共道干扰 多址干扰 远近效应,资源利用,频谱资源非常有限 合理分配严格管理 压缩频带宽度 提高频谱利用率,工作环境,手机轻量省电 电台维修方便 适应恶劣环境,网络管理,因地制宜合理布局 有效管理和控制,通信承载业务类别,话音业务,数据传输,语音通信是移动通信的传统业务， 但是近年来，随着计算机的迅速发展和人们信息交往的日益频繁和多样化，对数据传输的需求也与日俱增,移动通信系统,无绳电话网 （低功率局域网）,蜂窝网 （高功率局域网）,宽带LAN （高速局域网）,移动数据网 （低速宽域网）,常用移动通信系统,蜂窝移动通信系统,IMTS系统：单个大功率发射机覆盖整个市区,蜂窝移动通信系统,蜂窝系统：位于各个小区的许多小功率发射机覆盖相同的地区,无绳电话系统,PSTN,计费中心,网络管理中心,专用基站,公用基站,公用基站,公用基站,公用无绳电话系统示意图,通信系统架构,信源输入变换器,输出变换器与输出信号,调制器,解调器,信道,噪声,模拟通信系统功能框图,信源输入变换器,输出变换器与输出信号,信道,噪声,数字通信系统功能框图,调制器,解调器,信道解码,信源解码,信源编码,信道编码,数字通信系统的优点,数字 通信 系统,可降低设备成本，同时减小手机的体积和重量,便于实现通信的安全保密,能实现更有效、灵活的网络管理和控制,抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强,能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性,频谱利用率高，有利于提高系统容量,良好的噪声控制,北京,天津,上海,广州,信道噪声,信道噪声,信道噪声,信号再生,信号再生,信号再生, 数字信号的消噪处理,北京,天津,上海,广州,噪声,噪声累积,噪声累积, 模拟信号噪声的累积,模拟信号的数字化 采样 量化 编码,奈奎斯特采样定理, 奈奎斯特采样定理： 如果采样的样本足够密集的话（采样频率大于信号频率的两倍），那么就可以无失真的还原信号。,奈奎斯特采样定理,t,t,采样点 （某一帧的画面）,“视觉停留” 过程,电影拍胶片的采样过程,人眼通过“视觉停留” 还原影像场景的过程,电影的24帧与人眼的“视觉停留”,奈奎斯特采样定理,车轮,第一次采样,第二次采样,车轮,电影拍摄时车轮的转动情况,摄像机,摄像机,奈奎斯特采样定理, 奈奎斯特采样定理对语音模拟信号数字化的意义： 人发出的声音的频率一般为851100Hz，而1-4kHz也是人耳非常敏感的频率范围。奈奎斯特采样频率选定为8kHz就基本可满足手机通话的需求，事实上，GSM手机的采样频率正是8kHz。,量化, 采样的作用是把一个时间连续信号变成时间离散的信号，而量化则是将取值连续的采样变成取值离散的采样。 量化也分为两种：均匀量化和非均匀量化。,均匀量化,t,T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,量化误差,信号的量化值,信号的实际值,均匀量化示意图,均匀量化的缺点, 均匀量化对小信号而言，信噪比太低。 假设一个信号的变化范围为0, 10，量化电平数为10，那么取每个区间的中值为量化电平，就分别为0.5, 1.5, 2.5, , 9.5。 那么对于小信号0.9，在第1个区间里，所以其量化电平为0.5，那么其信号功率为S0=(0.9)2=0.81，量化噪声功率为N0=(0.9-0.5)2=0.16，因此信号与量化噪声功率比为：,那么对于大信号9.9，在第10个区间里，所以其量化电平为9.5，那么其信号功率为S0=(9.9)2=98.01，量化噪声功率为 N0=(9.9-9.5)2=0.16，因此信号与量化噪声功率比为：,非均匀量化,非均匀量化示意图,y,x,0,2,3,4,5,6,7,第 8 段,斜率： 1段16 2段16 3段8 4段4 5段2 6段1 7段1/2 8段1/4,PCM量化,t/T,2,3,4,5,6,7,8,9,0,1,2,3,4,8,10,12,14,9,11,13,15,1,判决电平,量化电平,量化间隔序号,输入电压,PCM量化与编码, 上图中共有16个量化区间，其量化间隔为0.5V，各量化区间的判决电平依次为-4V，-3.5V，3.5V，4V。16个量化电平分别为-3.75V，-3.25V，3.25V和3.75V。图中显示了12个采样值电平，下面对它们进行编码：, 请注意，凡是负电平其高位都是0，凡是正电平其高位都是1，所以最高位也称作极性码。,DPCM(差分编码调制),编码后的数字信号,信道编码,信道编码的定义 信道编码 是以提高信息 传输的可靠性为目的的编 码，通常通过增加信源的 冗余度来实现。 信道编码的设计 线性分组码，卷积码， Turbo码，奇偶校验法等。,反馈校正法 接收端将收到的信码原封不动的转发回发送端，并与原发送信码相比较，如果发现错误，则发送端再进行重发。,前向纠错法 接收端不仅能在收到的信码中发现有错码，还能够纠正错码。,检错重发法 接收端在收到的信码中检测出错误时，立即设法通知发送端重发，直到正确接收为止。,检错和纠错的原理,假如 有一个3bit的编码，那么是可以表示23=8种编码的，我们在这里拿最高位作为监督位，后两位作为信息位，如下所示： 000 = 风 011 = 雨 101 = 雷 110 = 电 如果 “000”风 出错，变成了“001”或者“010”，那么很快可以发现在编码体系中没有这个编码，说明这个码出错了，这就是检错。但上述方法却无法纠错，比如“100”就是一个错码，但并不能说明它是由“101”还是由“110”错过来的。,为了 纠错，我们不得不再增加冗余比特，这里我们拿前两位作为监督位，如下所示： 000 = 风 111 = 电 如果出现了“100”的码型，肯定是 “000”风 的高位发生了错误，因为 “111”电 的码型只错一位是无论如何不会变成“100”的。,调制的意义,调制的方法,FSK,ASK,PSK,调制的方法 一个电磁信号可以用一个正弦波来表达，而正弦波无非只有三个参数：振幅、频率和相位。那么相应的调制方法也只有通过这三个途径。,频移键控,幅移键控,相移键控,调制的方法,0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0,(a) ASK,(b) 2FSK,(c) BPSK,数字调制示意图,信道与信道容量,Data rate,Bandwidth,Error rate,N o i s e,Channel Capacity,带宽 - 传输信号所占的带宽 - 用Hz来表示,噪声 - 平均噪声电平 - 并非单个的突发噪声,数据率 - 数据进行通信的速率 - 用bit/s来表示,误码率 - 差错发生率 - 发送的是0，接收的是1,无噪声的完美信道,最大信号速率 = 2倍带宽,对于GSM这样的200kHz的频点带宽，其奈奎斯特带宽的最大传输速率可达400kbit/s，实际的传输速率为270.833kbit/s。,奈奎斯特带宽 是指信道无噪声的理想情况,有噪声的真实信道,由此得出以下结论：要达到一定的传输速率，要么提高信噪比，要么增加带宽才能实现。,香农定理 揭示了带宽和信噪比共同决定了一个信道的容量：,大尺度效应,路径传播损耗,阴影效应,电磁波在空中的弥散。 路径造成了能量的损耗。接收功率衰减与距离的关系 为20dB/10倍程，反应出传播在宏观大范围（千米量级） 的空间距离上接收信号电平平均值的变化趋势。,电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡而产生的损耗。反映了 在中等范围内（数百波长量级）的接收信号电平平均值起伏变化 的趋势。其变化率比传送信息率慢，故称为慢衰落。,小尺度效应,路径1,路径2,反射物体,路径1的信号,路径2的信号刚好晚半个波长,两个信号波峰与波谷相互抵消,小尺度效应又称小尺度衰落、快衰落，反映了手机在极小范围内（数十波长以下量级）移动时接收电平平均值的起伏变化趋势。当接收机移动距离与波长相当时，其接收功率可以发生3个或4个数量级（30dB或40dB）的变化。 小尺度效应一般是由多径传播引起的，即同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干扰。通常衰落的结果没有图中那么惨，因为直接路径的信号强度要强于间接路径，不会出现完全抵消的情况。,复用技术,空分复用,支持12个用户,小区分裂增加系统容量,支持12个用户,支持12个用户,支持12个用户,支持12个用户,空分复用,支持12个用户, 全向天线的电磁传播, 定向天线的应用,频分复用 (FDM),时分复用 (TDM),Frame,GSM的时分复用,一个TDMA帧分为8个时隙，所谓复用技术，就是区隔用户的技术， 在时分复用里面，使用相同频率的用户是通过在不同的时间（时隙） 里工作来区分的。,码分多址 (CDMA),信道 解码,解扩,解调,接收机,信道 编码,扩频,调制,发射机, CDMA的系统框架图,空中接口,信号,扩频抗干扰,有用信号,干扰,干扰,有用信号,有用信号,有用信号,P,P,P,P,f,f,f,f,扩频前,扩频后,解扩前,解扩后, 扩频抗干扰示意图,扩频与解扩,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,原始信号,扩频码,扩频结果,接收信号,解扩码,解扩信号,8bit Walsh码,Walsh函数的取值为+1或者-1，为了方便表达，我们将+1和-1转换为二进制的0和1.我们注意到一个特点，Walsh码除W0外,其余码型中的0和1数量都相等，这个特性非常有用。Walsh码具有正交性和归一性。,Walsh码的正交性,00110011积分结果为0， （离散序列的积分相当于累加） 证明Walsh码正交。,正交是指两个码相乘(模二加)后积分为0,Walsh码的归一性,00000000累加结果为+8， 平均值为+1， 证明Walsh码的归一性。,Walsh码正交的意义,原始信号与具有正交性的码异或后 不会改变0和1数目相等的情况， (aaaaaaaa) (01010101) 积分结果为0,信号的异或运算满足交换律和结合律,原始信号 扩频码Wa 扩频码Wb = 原始信号 (扩频码Wa 扩频码Wb),扩频过滤干扰信号,有用信号,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,本手机信号去干扰扩频码为W3的手机,扩频码,W1,W1,W3,W1,扩频结果,扩频结果,解扩码,解扩数据,原始数据,GSM 同频干扰：C/I9dB 邻频干扰：C/A-9dB 工程中加3dB的余量,信噪比&带宽,CDMA - C/I-15dB WCDMA - C/I-20dB,达到传输速率的途径,GSM突发脉冲序列,Frame 1,Frame 2,常规突发脉冲序列,分集技术,分集技术之交织,分集技术之交织,5,6,4,Frame 1,Frame 2,Frame 3,456bit,来自一路通话编码后的语音块,分集技术之跳频,GSM 跳频示意图,跳频是利用一个伪随机序列，指导发射端和接收端从一个频率跳转到另一个频率的过程。 从外部看，这个跳频过程似乎是完全随机的，但发射端和接收端精确地知道它们在做什么以及什么时候做，所以跳频行为实际上并不是真正的随机，因此有了个术语叫做“伪随机”。就像器乐演奏上，指挥家和演奏家共同拥有的“伪随机序列”五线谱一样。,射频跳频,基带信号,耦合器,射频跳频示意图,BCCH载频不参与调频,频率F3,4,3,2,1,频率F3,频率F2,频率F2,频率F3,4,3,2,1,频率F3,频率F2,频率F2,频率F3,4,3,2,1,频率F3,频率F2,频率F2,频带信号,天线发射,基带跳频,基带信号,耦合器,基带跳频示意图,基带跳频和射频跳频本质上是一样的，都是把1s的信号分成217份，每一份都通过不断变化的频率上发送出去，这就是所谓的跳频。不同之处在于，基带跳频跳的是基带信号，射频跳频跳的是经过调制的射频信号。 基带跳频中，基带信号在调制之前就完成了时隙交换，送到了各个载频，实现了每时隙发射频率的不断变化。,时分双工 (TDD),(BTS发射)下行链路,手机接收,(手机发射) 上行链路(3个时隙的时间差),BTS接收(3个时隙的时间差),手机在微观上看不是全双工模式，只有一套收发设备，所以在特定的时隙只能收或发，为了避免手机的这个问题，规范规定上行和下行有3个时隙的偏移量，如上图所示。,时间提前量(TA值),某一移动台正在通话，它非常靠近基站，指配给它的是时隙2（TS2），它只能利用该时隙进行呼叫，在该移动台呼叫期间，它向远离基站的方向移动。因此，从基站发出的信息，将会越来越迟地到达移动台，与此同时，移动台的应答信息也将越来越迟地到达基站。如果不采取任何措施，则该时延将会长到使该移动台在TS2发送的信息与基站在TS3接收到的信息相重迭起来，引起相邻时隙的相互干扰。所以，在呼叫期间，要监视呼叫到达基站的时间，并向移动台发出指令，使移动台能够随着它离开基站距离的增加，逐渐提前发送信号，这个移动台提前发送信号的时间称为定时提前时间（TA）。小区参数中TA取值为063bit，对应时间为0-233s，对应小区最大范围为35KM。因此TA是决定小区大小的一个参数。,t,t,手机接收,BTS发射,手机发射,BTS接收,训练序列,训练序列在GSM里面的作用就是树立一种标准，用于帮助基站来衡量和判断无线信道的情况并在接收信号的时候予以校正，保证最佳的接收效果。 发射端和接收端事先都是知道训练序列的，传输过程中，如果发现有些比特位是错的，和约定的不一致，那么就需要对滤波器的一些参数进行调整，以保证最好的接收效果，这个滤波器就是均衡器。,功率控制,