移动通信讲座.ppt

主讲教师：何松华 教授 联系电话：(0731）82687718电子信箱：13973132618139.com 移 动 通 信 obile communication 1 1 2019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 1、 移动通信系统 陈威兵，何松华，彭曙光著 清华大学出版社,2010 2、 移动通信(第三版) 郭梯云等编著 西安电子科技大学出版社,2005。 3、 移动通信与终端设备 孙龙杰主编 电子工业出版社。 4、 cdma蜂窝移动通信 袁超伟 陈德荣等编著 北京邮电大学出版社。 教材与参考资料 2 2 2019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 本课程的考试考核方法: (1)平时成绩占有相当高的比重;到课率是考核的重要 指标. (2)考核方式1:实验课时的考核，课程设计(必须) matlab 编程 (3)考核方式2:教学课时的考核，开卷考试(可选) 3 3 2019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 1. 概述 1.1 移动通信及其发展 1.2移动通信系统的分类 1.3 移动通信的主要技术 1.4蜂窝移动通信系统网络结构 1.5 移动通信网中的信令 1.6 越区切换与位置管理 1.7 信道划分与信道配置 4 4 2019/1/202019/1/20 移动通信及其发展1.1 接口局 移动交 换中心a 固定通 信网络 c b d 移动台与移动台或移动台与固定台 之间实时的、直接的通信。 电磁波 信号 基站子 系统 。 湖南大学教学课件：移动通信 概述 移动交 换中心b e 5 5 2019/1/202019/1/20 移动台 例如手机，是指可移动的、位置不固定的通信 服务平台。 其他：车载、船载或机载移动通信设备 使用移动无线网卡进行通信的计算机等 ms：mobile station 固定台 例如普通市话座机，是指不移动的、位置固 定的通信服务平台。 immobile station 湖南大学教学课件：移动通信 概述 6 6 2019/1/202019/1/20 基站 位置固定、为一定范围内的移动台提供通信接 入服务的设备。 基站子系统包括：通过无线接口与移动台相连 的基站收发信机（bts）以及与移动交换中心相 连的基站控制器（bsc），bts负责无线传输、 bsc负责控制与管理。 一个基站子系统包括一个bsc、一个或多个bts (不同bts负责不同频道信号的收发)、天线、天 线共用器等 bs：base station 湖南大学教学课件：移动通信 概述 7 7 2019/1/202019/1/20 基站收发信机 功能：将移动台发射的通信信号接入到通信网 络、将通信网络传输给移动台的信号发送到移 动台。 移动台与基站之间的通信是以无线方式进行的 基站收发信机包括：发射机、接收机等 bts：base transceiver station 湖南大学教学课件：移动通信 概述 广义上的“接入”概念： 注册、登记、鉴权、信道分配 8 8 2019/1/202019/1/20 基站控制器 一个基站控制器控制一个或多个基站收发信机 在分配的信道(频道、时隙、信道码)上与移动 台进行通信，并对移动台在本控制器控制区内 的越区切换进行控制，保持控制区内移动台与 移动交换中心间的通信连接 bsc：base station controller 湖南大学教学课件：移动通信 概述 9 9 2019/1/202019/1/20 移动交换中心msc：mobile service switching center 管理同网用户之间的通信以及网内用户到其他通信 网用户(例如固网用户、其他地区移动网的用户)之 间的通信，完成移动台位置信息的管理，建立呼叫 路由(通话前，信令)，完成话路接续与通话计录。 湖南大学教学课件：移动通信 概述 蜂窝、小区的概念 (降低干扰) 控制区/a1，a2，a3 间的越区切换概念 顶点激励/120度 有向天线/扇区 10102019/1/202019/1/20 问题1： 在公用移动通信中，同一基站小区(bs) 内的用 户通信(例如a与b)是否经过移动交换中心？ 问题2： 在移动通信网络中，基站至移动交换中心、移 动交换中心与主干通信网络的连接是有线还是无线 的？ 问题3： 长沙地区的手机用户甲与北京地区手机用户乙 之间的通信，是如何结合无线通信与有线通信的？ 问题4：移动通信与无线通信的区别与联系? 湖南大学教学课件：移动通信 概述 11112019/1/202019/1/20 移动通信的特点 (1)移动通信必定是无线通信或无线通信与有线通信 的结合,需要使用无线电波进行信息的传输。 (2)信道传输特性比较复杂、不稳定；无线电波在传 输过程中存在多径效应(反射、散射、衍射)、多卜勒 效应，影响通信质量，需要采用较好的方法解决。 (3)频谱资源有限，而业务需求量则与日俱增；需要 采用先进的技术进行频谱的有效利用、分配、管理。 1976，国际无线电行政大会(warc)批准了800- 900mhz频段的蜂窝电话频率分配方案； 1992年，批准1885-2200mhz频段的频谱划分方案。 湖南大学教学课件：移动通信 概述 12122019/1/202019/1/20 移动通信的特点 (4)移动通信设备、尤其是用户终端的要求比较苛刻 。要求操作简单、维修方便、小体积、低功耗、抗震 动、耐高低温与冲击。 (5)网络管理与控制比固定通信复杂。例如：移动台 位置的定位管理、越区移动、漫游等。 (6)干扰环境更加复杂。例如：移动台与移动台之间 的干扰、各种无线干扰。 (7)移动通信综合了各种先进的通信技术。 湖南大学教学课件：移动通信 概述 为什么要？ 13132019/1/202019/1/20 举例 多径效应及码间干扰消除： 信道均衡 有限的频谱资源及海量用户： 组网、频率复用 (frequency reuse)或信道复用 、多址技术 干扰环境更加复杂 压缩编码及信道编码 湖南大学教学课件：移动通信 概述 14142019/1/202019/1/20 移动通信的发展 (1)1897年 意大利 m g 马可尼 地面固定站与海上拖船之间的移动通信 (2)20世纪20年代至40年代 单工、半双工的专用移动通信网络 (3)20世纪40年代至60年代 人工接续方式的小容量公用移动通信网络 (4)20世纪60年代至70年代中 大区制的、自动接续的小容量移动通信 湖南大学教学课件：移动通信 概述 15152019/1/202019/1/20 移动通信的发展 (5)20世纪79年代末至今 蜂窝制、大容量移动通信 1g：fdma模拟移动通信 2g：tdma、cdma电路交换数字移动通信 2.5g:话音/数据 电路/分组交换数字移动通信 3g：宽带高速多媒体数字移动通信 湖南大学教学课件：移动通信 概述 16162019/1/202019/1/20 移动通信系统的分类1. 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (1)按服务对象可以分为： 公用移动通信网：面向社会各阶层人士 例如，中国移动gsm网、gprs网、td-scdma网 专用移动通信网：为保证某些特殊部门的通信而建 立的通信系统 例如，专用调度电话(铁路、机场) 集团调度电话(政府、公安) 军用移动通信网:面向军事应用 17172019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (2)按通信传输工作方式可以分为： a)单向传输通信：通信双方的一方只能接收、另一方 只进行发送的通信方式 例如，无线寻呼系统(bb机) bell boy (带铃的找人的“男孩 ”) b)双向通信：通信双方都可以发送和接收信息 b1)双工通信：同一时刻信息可以双向传输 例如，现代手机移动通信(可以边听边说，移动台 与基站的通信可以使用两个频道，移动台的发射、基站 的接收频率f1;移动台的接收、基站的发射频率f2;又称 为异频双工，或fdd，frequency division duplexing) 18182019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 b2)单工通信：同一时刻信息只能单向传输，收(听 )与发(说)必须分开进行，通过按键进行收发转换控制 例如，列车上用的对讲机(按下ptt，press to talk,只 发射不接收；发话完毕松开ptt，发射关闭，接收打开 ，收听对方说话；轮流交换通话,讲话时听不到对方说 话;发射机和接收机可以工作在相同的频率上，称为同 频单工；优点：频谱资源利用率高，线路设计简单，发 射、接收不同时工作,共用一套电路，省电；缺点：使 用不方便) b3)半双工通信：通信双方中的一方(移动台)采用 单工方式(只有按下ptt，发射机才工作)；而通信的另 外一方(基站)采用双工方式(发射机与接收机同时工作) 例如：广东移动推出的“一键通”(集团用户多方通 话) 覆盖范围大,需要基站收转 19192019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 移动台1基站移动台2 f1 f2 移动台1移动台2 f2 f1 移动台1移动通信网络移动台2 f1f4 f2 f3 移动台1移动台2 f1 移动台1移动台2 f1 同频 单工 移动台1 f1 f2 移动台2 异频 双工 基站 半双工 移动台异频单工 基站双工 比较(资源占用) 20202019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (3)按信号形式可以分为： a)模拟移动通信网：第一代移动通信系统主要采用分 离的电子元器件与模拟通信技术 例如，大哥大 (20世纪80年代) (手机体积大且重;只提供语音服务) b)数字移动通信网：第二代以后的移动通信系统主要 采用大规模集成电路与数字通信 第二代,提供语音和低速数据业务(例如”短信”) 二代半,例如gprs,cdma2000,提供中速数据业务(例如手机上网) 第三代,提供高速数据业务和多媒体业务(例如:手机电视) 21212019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (4)按业务类型可以分为： a)电话网：话音通信是移动通信的传统业务 例如:gsm网 (global system for mobile communication) gsm也可以传输数据(例如：短信),数据传输采 用与语音相同的电路交换方式实现,需要建立发送 端到接收端的连接,在通信过程中始终独占信道。 b)数据网 数据传输与语音传输的要求不一样(传输量大，速 率更高、差错率更低、但允许时延上的差异性)，因此 出现了专用的移动数据网。数据网采用分组交换、存储 转发方式(存储、分组、加包头等过程会产生额外时延)。 22222019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 b1)低速宽域移动数据网 例如：gprs网(general packet radio service,通 用无线分组业务) gprs将数据分成若干小的数据包，包内包含包头( 地址路由格式)及数据(正文)，可以多个用户占用一个 信道(例：时分复用)，也可以一个用户占用多个信道。 gprs网在gsm网的基础上叠加了新的数据网络，数 据传输率比gsm高得多；可以支持突发性、频繁的、小 流量数据传输。 通过gprs可以进行手机上网、收发电子邮件、下载 数据信息等。 23232019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 b2)无线局域网(wlan) wireless local area network 将分布在一定范围(数公里)内不同物理位置的计算 机设备以无线方式连接在一起、并可实现相互通信和资 源共享的网络系统。 适用于：不易布线；布线成本高； 计算机可移动 无线局域网设备包括： 无线网卡、天线、无线桥接器、无线路由器、 网络控制软件等。 海上船队的 通信联系 24242019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 c)移动综合业务网 将话音、图象数据融于一体，进行综合传输。 例如：中国联通的宽带-cdma 移动通信网 支持多速率服务 支持分组数据业务 部分频谱用于电路交换应用，部分频谱用于分组 交换应用 可以通过移动终端召开视频会议； 25252019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (5)按网络覆盖范围可以分为： a)无线局域网 b)无线宽域网(wwan) wireless wide area network 例如：gsm蜂窝移动通信系统，语音宽域网 gprs，数据宽域网 (6)按使用环境可以分为： a)陆地移动通信(车、行人) b)海上移动通信(船舶) c)空中移动通信(飞机) d)特殊环境移动通信(矿井) 26262019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (7)按多址方式可以分为： a)频分多址(fdma) b)时分多址(tdma) 只有数字移动通信才能做到 c)码分多址(cdma) d)空分多址 e)随机多址 (其他) 多址技术：在移动通信中，需要实现同一区域中多个移 动台与基站通信而不互相干扰，必须将不同的用户分配 在不同的信道(地址)上，这种技术称为多址技术 multiple access 多用户接入 “接入”与“地址码”的 联系 “信道”区分收发“地址 ” 27272019/1/202019/1/20 频分多址fdma：frequency division multiple access 湖南大学教学课件：移动通信 概述 将通信系统的总频段划分为若干个等间隔的载波频 道，分配给正在通话的不同用户使用，采用动态分配技 术，载波频率之间的间隔远大于信号的频带宽度,保证相 邻载波频道之间基本上互不干扰。 举例：第一代蜂窝移动通信ntt 频段870-885/925-940mhz 载波频率间隔 25khz 总载波数 (885-870)*1000000/25000 = 600 (对) 可以将600对频率动态地分配给同一区群内不同用户进行双工通信 通过频率区分不同移动台 不够?频 率复用 28282019/1/202019/1/20 时分多址tdma：time division multiple access 湖南大学教学课件：移动通信 概述 将时间分成周期性的帧，每帧再分成若干时隙，基站在 每一帧中的不同的时隙接收不同移动台的信号，基站发 送给不同移动台的信号也在分配的时隙中进行；采用动 态时隙分配技术。 在允许一定的时延以及采用数字传输的情况下，t时间内的 连续信号经过数字采样后可以压缩在t/k时间内传输(k:时隙数 ),在接收端经过可恢复成t时间内的连续信号; 在同一区群内，不同移动台可以分时占用相同的载波频道， 只要把他们分配在不同的时隙进行通信就行 通过时隙区分不同的移动台 29292019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 提问：模拟通信中为什么不能实现tdma通信？逆过程是怎样的？ 调制脉冲宽度与传输带宽的关系？数据压缩与传输带宽关系？ 30302019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 举例：第二代数字蜂窝移动通信pdc 频段810-826/940-956mhz (上行/下行) 多用户接入方式(多址方式)：f/tdma 载波频率间隔 25khz(与第一代系统相同) 帧长/ms 20 时隙/帧 3 总频道数 (826-810)*1000000/25000 = 640(对) 总信道数：640*3 =1920 (对) (用户容量提高到3倍) 每个频道上的用户平均每20ms占用一个宽度为 (20/3)ms的时隙(信道). 31312019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 举例：采样频率：8k采样点/s 每个采样点的比特数 13bits 每秒的数据比特数 104k bits 载波频率间隔 25khz 调制脉冲带宽：20khz,脉冲宽度：0.05ms 每秒传输比特数：20k bits 要求的数据压缩比：104k/20k = 5.02 与前面的ntt进行比较：总带宽基本相同 ，但信道数更多，在压缩传输的情况下通 过压缩编码技术使得传输带宽25khz不变, 压缩编码技术是提高容量的根本原因 32322019/1/202019/1/20 码分多址 cdma：code division multiple access 湖南大学教学课件：移动通信 概述 不同移动台的信号是通过不同的编码序列来区分的 ,发射机用一组高速伪随机码(扩频码)对数字语音 信号的每个比特进行扩频处理(每个0,1码变成多个 宽度更窄的子码或码片),不同用户的伪随机码相互 正交；在接收机中可以使用相关器从多个在时间 频率上重叠的不同用户信号的合成信号中分选出使 用预定码型的任意某个用户的信号 不同用户可以同时使用相同的载波频率进行 通信，但使用不同的随机码组(地址码) 33332019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 语音信号s(t)经采样后的数据码速为b1(每秒需要传送的 比特数)，码宽 =1/b1；设分配给用户的括频码的码字 长度为m(此例为8)，将数据中的每个比特括频成m个比特 (称为子码或码片)，码片传输速率m*b1，码片宽度/m 34342019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 n个移动台产生的语音窄带数字信号为 s1(t),s2(t),sn(t) 采样后码速： b1 分配给n个移动台的码字 c1,c2,cn 基站接收到的合成数字基带信号经过发射端调制接收端解调后 s(t)=s1(t)*c1(t)+ s2(t)*c2(t)+ + sn(t)*cn(t) 用户j信号采样数据对应的数字基带信号：sj(t) 用户j所采用的伪随机码(扩频码)数字基带信号：cj(t) 发射端扩频以后的数字基带信号： sj(t)*cj(t) 35352019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 举例：直接序列扩频(相位调制) 用户1： s1(t)*c1(t)cos(0t) 用户2： s2(t)*c2(t)cos(0t) 用户n： sn(t)*cn(t)cos(0t) 合成信号为s(t)为 s1(t)*c1(t)+ s2(t)*c2(t)+ + sn(t)*cn(t)cos(0t) 解调后的基带信号: s(t)*2*cos(0t) 再经低通滤波处理得到 s(t) 扩频的概念 相位调制：通过 sj(t)*cj(t)的极性控 制正弦波的相位 36362019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 若要选出第m个移动台的信号,则用码字cm对 s(t)进行解调 s (t) = s(t)*cm(t) =s1(t)*c1(t)*cm(t)+ s2(t)*c2(t)+ +sm(t)*cm(t)*cm(t)+sm+1(t)*cm+1(t)*cm(t)+ + sn(t)*cn(t)*cm(t) 正交性： 对于所有ij, ci(t)*cj(t)在一个信息码宽度内的积分为0 对于所有i=j， ci(t)*ci(t)在一个码宽内的积分为 对s“(t)在每个码宽内积分，由于在每个码宽内移动台基带信 号为常数，则除第m个移动台的信号外，其他的都被滤掉(积分为 0) 若s“(t)在某个码宽内积分为正值，则判断该移动台在该码 宽内发送的码为1；若s“(t)在某个码宽内积分为负值，则码为 0； 正交码字设计问题 37372019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 课程上机实验1: cdma扩频与解扩中的基带信号处理过程仿真# 实验目的:掌握cdma扩频、解扩的基本原理和过程，了解从多 用户信号中分选出每个用户的信息的过程及方法；培养计算机编 程与应用能力。 实验要求、方法及有关参数说明： a) 扩频码阶数为 8 分配给8个用户的扩频码分别为1:正电平,0:负电平: 10111111,11101010,10001100,11011001, 10110000,11100101,10000011,11010110 码片(子码)宽度1/(1.2288*106)秒 计算机仿真处理的采样间隔:1/(16*1.2288*106)秒 38 382019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 举例:第1个用户的地址码所对应的基带信号采样序列 为：x1(n)|n=1,2,128 1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1 ,-1,-1,-1,-1;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1, 1,1,1,1,1;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1 ,1,1,1;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1, 1,1 举例:x2(n)|n=1,2,128为: 1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;1,1 ,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1 ,-1,-1,-1;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1, -1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;-1,-1,-1,-1 ,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1 每个子码宽度内对应16个采样点，共16*8=256点 39392019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 伪随机码之间的正交性举例： x1(n)*x2(n)|n=1,2,128为 1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1 ,-1,-1,-1,-1;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;1;-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1 ,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1;-1,-1, -1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1 ;1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1,1, 1,1,1,1;-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1,-1 显然:n=1128 x1(n)*x2(n) = 0 x1与x2正交 (在一个信息码或数据码宽度内的积分为零) 40402019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 用维数为16*8=128的8个数组x1至x8分别表示8个用户的 扩频码数字基带信号; 用计算机语言中的画线语句画出扩频码数字基带信号的波 形图;采用数字积分(相乘后求和)的方法验证8个用户扩频码之间 的正交性. b) 用户信息码 假设8个用户要传输的信息码分别为: 00000000,01010101,10101010,11111111, 00001111,11110000,00110011,11001100 每个码元比特的时间宽度8/(1.2288*106)秒 计算机仿真处理的采样间隔:1/(16*1.2288*106)秒 用维数为16*8*8=1024的8个数组分别表示8个用户的信息码 数字基带信号; 在数字基带信号中,1:正电平,0:负电平 41412019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 用计算机语言中的画线语句画出信息码数字基带信号的波 形图; c) 正态分布随机数(信道噪声)的产生 运用计算机语言的0,1区间均匀分布随机数函数 vb为rnd产生2048个随机数,并存储到一个数组中 a(n)|n=1,2,2048 运用下面的运算产生1024个 正态分布的随机数,并用数组b存储 b(n)=0.01*-2lna(n)1/2*cos2a(n+1024) n=1,2,1024 vb程序举例： for n=1 to 2048 a(n)=rnd(n) next 42422019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 其中,0.01为正态分布的根方差(噪声幅度) d) 带有信道噪声的接收端合成数字基带信号仿真 运用b)中的每个用户的信息码数字基带信号(1024个 数据)与a)中的相应用户的扩频码数字基带信号(128个数 据周期重复8次,得到1024个数据)直接相乘,得到每个用 户的扩频信号 将8个用户的扩频后的数字基带信号相加,再与c)中得 到的信道噪声相加,得到含噪的合成的扩频数字基带信 号,用1024维的数组s(n)表示 用计算机语言中的连线语句画出含噪合成扩频数字基 带信号的波形图 对每个信息码采用相同的 扩频码进行扩频 43432019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 e) 解扩过程的仿真 分别运用a)中得到的每个用户的地址码数字基带信号(重复8 次，得到1024点数据)与d)中得到的合成的含噪的扩频码数字基 带信号s(n)相乘,得到8组1024点数据(每个用户1组) 将每组数据按时间长度进行积分,即按顺序128点为1个小组 进行累加,每个用户1024点得到8个累加结果 记录各累加值； 解码:如果累加结果为大于某个门限的正值,则判断信息码为 1,为小于某个门限的负值,则判断信息码为0;寻找合适的门限;并 观察门限高低与误码率的关系. 观察能否正确恢复每个用户的信息码; 逐步增大噪声的方差,重复步骤d)、e),观察噪声的 方差大到什么值时,开始出现误码. 44442019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 按调制方式的不同，cdma可分为： a)直接序列扩频(ds-cdma) 高速伪随机码序列(扩频码)与低速信息码序列先相乘得到 扩频信号(参见前页的图)，利用扩频信号对频率不变的载波信号 (本振信号)进行相位调制。(每个码片对应的正弦脉冲频率相同 ，但相位不同) b)跳频扩频(fh-cdma) 用高速伪随机码按照一定的算法控制本征信号的频率变化 顺序，频率变化的速度与伪随机码的码速一致，频率在多个可用 的频率范围内随机变化，产生一个频率高速变化的本振信号；再 用低速信息码序列调制本振信号的相位。接收端在同步的情况下 按相同的频率次序对信号进行接收、解调、积分、判决，得到信 息码序列。(每个码片对应的正弦脉冲频率、相位都不一定相同) 接收处理过程? 45452019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (1)在任何一个扩频码字长度内，不同用户使用不同的频率变化 顺序；(2)即使偶尔在某个码片中使用了相同的频率，产生的干 扰对扩频码字长度内的积分值的影响也不会太大。 46462019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 跳频系统优点 (1)能保证频谱利用效率 举例: 8个频点 直接序列扩频: 正交或准正交码组数m, 8*m个用户 跳频扩频: k=8*8*8*8*8*8*8 种跳频顺序 其中半数位置以上的频点不同的顺序 l (半数以上子码频率不同,对积分值的极性不会产生 显著影响,用户之间不会有严重的干扰) 一般来说， l 远远超过 8*m 47472019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 跳频系统优点 (2)抗多径衰落 什么是多径效应? 什么是衰落? 多径效应的位置选择性与频率选择性? 某个位置在一个信息码内只有一个频点(子码宽度)受衰落 影响时,对整个信息码宽度(远大于子码宽度)的积分(分集)值的 极性没有影响,不会导致误码. (3)抗干扰能力 频率固定时,容易被侦测; 受到其他同频信号的干扰 48482019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 举例: 设信息码宽度为,用户扩频码长度为n,码片宽度/n;某 个用户跳频图案fn|n=1,2,n,则经过调制的扩频信号为 s(t) = acos2f0t+ 0t0 0 0 0 0 then ak1= +1 if xk 0 then ak2= +1 if xk 0 0 0 0 0 then ak1= +1 if xk 0 then ak2= +1 if xk 0 and u2(m)0 then 译出 0101 如果 u1(m)0 and u2(m)0 then 译出 1001 如果 u1(m)0 and u2(m)0 and u1(m)u2(m) then 译出 0001 如果 u1(m)0 and u2(m)0 and u1(m)0 and u2(m)-u2(m) then 译出 0010 如果 u1(m)0 and u2(m)0 and -u1(m)0 and -u1(m)u2(m) then 译出 1101 如果 u1(m)u2(m) then 译出 1011 如果 u1(m)0 and u2(m)0 then 译出 0000 如果 u1(m)0 and u2(m)0 then 译出 1100 如果 u1(m) 0 then 第1组编码符号的第i个符号为1 if pi 0 then 第2组编码符号的第i个符号为1 if qi av、； tb/越大，码间干扰越弱。 1321322019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (7)小结 影响传播损耗的因素 a) 传播距离 b) 信号频率 c) 发射天线与接收天线的高度 d) 传播路径上的地形、地物等 1331332019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 c:陆地移动信道场强的估算 (1)接收场强e 有效长度为1m的接收天线所感应的电压值， 单位：uv/m (2)半波振子天线的感应电压 us = e / (/：天线有效长度) (3)接收天线的最大输出功率 p = us2/(4rs) (rs：天线阻抗) 1341342019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (4)接收机输入电压 阻 抗 匹 配 网 络 rs us riu 阻抗匹配：通过传输线与变压器使得接收信号功率达到接收天线 的最大输出功率ppc = us2/(4rs) u2/ri = us2/(4rs) u = (us/2)(ri/rs)1/21351352019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (6) 接收信号中值功率p的计算 ppc = pp + kt pp：标准情况下中等起伏地市区对应的接收信 号功率，单位 dbmw kt：地形、地物修正因子，单位db 标准情况：基站天线高度200m， 移动台天线高度3m 中等起伏地形：传播路径上地面起伏高度不超 过20m, 峰点与谷点之间的水平 距离大于起伏高度(缓慢起伏) 1361362019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 pp = p0 am(f,d) + hb(hb,d) + hm(hm,f) p0：自由空间传播情况下的接收信号功率， 单位 dbmw p0 = ptgbgm /(4d)2 p0=pt + 10lg(gb)+ 10lg(gm)-l1(自由空间直射损耗) pt :基站发射机送至发射天线的功率 gb :基站发射天线的增益 ：工作波长 d:基站发射天线至移动台接收天线的直线距离 gb :移动台接收天线的增益 1371372019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 am(f,d)：标准情况下中等起伏地市区的传播损耗 (自由空间传播损耗基础上的附加值) 单位 db 1381382019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 hb(hb,d) ：基站天线高度增益因子 单位 db 基站天线有效高度hb：天线顶点的海拔高度减去传播方向3km 到15km范围内地面的平均海拔高度 1391392019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 hm(hm,f) ：移动台天线高度增益因子 单位 db 1401402019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (7) 地形、地物修正因子 a) 城市街道修正因子 kt = kp 或 kv 当街道方向与传播方向平行时，由于沟道效应使信号增强141141 2019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 b) 郊区地修正因子 kt = kmr 郊区：是指通信设备附近有障碍物但不稠密的地区，例如 ，树木、房屋稀落的田园地带。 1421422019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 c) 开阔地与准开阔地修正因子 kt = kmr + qo 或 qr 开阔地：移动台至基站前方300400m以内，呈开阔状态的 旱地、稻田或原野等；与郊区地之间的过渡地带为准开阔地。 1431432019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 d) 丘陵地修正因子 kt = kmr + kh khf 丘陵地：传播方向上地表高度起伏较大的地域。 接收点高于中线，取正号，反之取负号 1441442019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 d) 孤立山岳阻挡修正因子 kt = kmr + 0.07h1/2kjs ：山岳顶点有效高度(单位:m) 1451452019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 e) 斜坡地修正因子 kt = kmr + qo + ksp 斜坡地：从接收点至基站方向延伸，km范围内为倾斜 地形 1461462019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 f) 水陆混合路径修正因子 kt = kmr + ks 斜坡地：从接收点至基站方向延伸，km范围内为倾斜 地形 1471472019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (8) 室内以及穿透附加损耗 kr 火车车厢：15-30db 厚玻璃：6-10db 隔墙阻挡：5-20db 楼房阻挡： 20db 楼层穿透：.9db/层 茂密树叶穿透：10db 1481482019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (9) 衰落储备 为防止衰落引起的信号中断,必须使信号的功率留 有一定的余量 fd (单位db) 设接收机功率灵敏度为pg (dbmw),基站覆盖半 径为d,则要求的基站发射机发射功率为 pt = pg(门限功率电平) + fd(衰落储备) + l1(自由空间直射传播路径损耗) + am(f,d) (标准情况中等起伏市区附加损耗) - kt (地形地物修正因子) + kr (室内及穿透附加损耗) - hb(hb,d) (基站天线高度增益修正因子) - hm(hm,f) (移动台天线高度增益修正因子) 1491492019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 c:主要的抗衰落与抗干扰技术 分集接收技术(抗多径衰落) 均衡技术(抑制码间干扰) 信道编码技术(提高传输可靠性，纠正误码) 1501502019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (1) 分集接收技术 通过一定的方法在接收端获得多个统计独立的、 携带同一信息的衰落信号，然后对多个衰落信号进行 合并处理，降低衰落的影响。 衰落对通信的影响： 在移动通信中，为了保证一定的话音质量，要求 接收端的信噪比必须超过一定的门限t，如果信噪比 因衰落而低于这一门限，则会导致通信中断。 信号合并处理的方式： 选择式合并、最大比值合并 等增益合并、切换合并 1511512019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 选择式合并 二重选择式合并：在每个周期内进行信号幅度比较 if r1r2 then x(t) = x1(t) = r1cos(t+1) otherwise x(t) = x1(t) = r2cos(t+2) 1521522019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 m重选择式合并：在每个周期内比较m个支路接收到的 衰落信号幅度比较，利用幅度最大的支路信号进行解 调制处理 if rm= maximumr1,r2,rm then x(t) = xm(t) = rmcos(t+m) 假设不分集(只有一个接收支路)的信号中断率为p p = probability 支路信噪比 f2 f2与f3之间的频带称为保护带 c. 为了保证相邻载波之间不产生干扰，相邻载波之间应该有 一定的频率间隔f (约为调制脉冲宽度的倒数) d. 信道数 n = (f2-f1)/f 一个区群范围内允许的同时通话用户数的最大值220 2202019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (3)频分双工 f/tdma系统的信道划分 每个频道 (fn,fn+f) 在时间上 分割成周 期性的帧 ，每一帧 再分割成 若干个时 隙；相同 频率的移 动台在每 帧不同时 隙发射与 接收信号 用户1的频/时使用? 2212212019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 a. 移动台的连续语音信号经采样、编码、缓存后，在无线信 道中以更快的码速进行传输 调制脉宽=时隙宽度/帧内比特数 b. 数字移动通信系统才能采用f/tdma体制。 c. 同一区群范围内的客户可以同时使用相同的频率，但必须 使用不同的时隙；时隙分配以及时间同步非常重要。 d. 时隙不能太窄，否则影响移动台发射与接收信号的平均功 率，降低系统的峰值功率/平均功率比，影响检测；时隙太 窄，每个时隙传输语音比特数一定时，要求传输带宽增加 e. 信道数 k = n(频道数)m(时隙数) = (f2-f1)/f 帧长/时隙宽度 一个区群范围内允许的同时通话用户数的最大值 2222222019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (4)时分双工 f/tdma系统的信道划分 用户1的频/时使用? 2232232019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (5) cdma系统的信道划分 在cdma系统中，区群范围内所有用户使用相同的频率(ds- cdma)或在相同的一组频率内跳频(fh-cdma)，但使用不同的pn 扩频码； 对于fdd/cdma，发射、接收使用不同的频率或在不同的 一组频率内跳频； 对于tdd/cdma，发射、接收使用相同的频率或在相同的 一组频率内跳频，但交替使用不同的时隙，所有用户使用相同 的时隙。 cdma系统的信道数： 相互正交的或准正交的pn序列的个数。 2242242019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (6) 话务量与呼损率*(自学) 话务量用以衡量语音通信的业务量 流入话务量 (基站流入话务量、msc流入话务量、) a = s(平均每次呼叫的时长)(单位时间内平均发起呼叫的次数) 单位：小时/次 单位：次/小时 a 是一个无量刚的量，专门给予单位：爱尔兰(erlang) a= 1 爱尔兰：表示平均每小时流入的话务量为1小时 完成话务量 a0 = s(平均每次呼叫的时长)0(单位时间内平均呼叫成功的次数) 发起呼叫并不一定呼叫成功，当区群内用户数大于信道数时，有可能 全部信道同时被占用，新的呼叫不能接通，此时0 8时增长 变缓；因此，同一基站的共用信道数不宜过多) 忙时集中系数与用户忙时话务量 最忙1小时的通话总时长占全天通话总时长的比例称为 忙时集中系数 k (一般为10%-15%) (单个)用户忙时话务量 a = csk = ctk / 3600 (单位:erl) c:单个用户平均每天的呼叫次数 s:平均每次呼叫的时长(单位:小时/次) t:平均每次的呼叫时长(单位:秒/次) 2282282019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 (7) 网络容量* (自学) 根据服务等级(呼损率)b、网络信道数n可以得到网络的 话务容量a 网络(基站小区或区群)能容纳的用户数 m1 = a(等级b下能承担的流入话务量)/a(用户忙时话务量) 每个信道容纳的客户数 m = m1/n = (a/n)/a 举例：b = 5% ，n = 8 查表得：a = 4.534 我国公用移动网 a = 0.02 则 m1=4.534/0.02 = 227 m = 227/8 = 28 (227个用户使用8个信道，呼损率5%) 2292292019/1/202019/1/20 湖南大学教学课件：移动通信 概述 课程上机实验5:利用计算机程序计算流入话务量#(不做) 实验目的：了解话务量、共用信道数与呼损率之间的关系及计 算方法；培养计算机编程与