现代通信技术概论.doc

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现代通信技术概论 光纤通信光纤通信的优点：1.容许频带很宽，传输容量很大光纤通信系统的容许频带(带宽)取决于光源的调制特性、调制方式和光纤的色散特性。石英单模光纤在1.31m波长具有零色散特性，通过光纤的设计，还可以把零色散波长移到 1.55m。在零色散波长窗口，单模光纤都具有几十GHz km的带宽。另一方面，可以采用多种复用技术来增加传输容量。最简单的是空分复用，因为光纤很细，直径只有125 m,一根光缆可以容纳几百根光纤，1212=144根光纤的带状光缆早已实现。2.损耗很小，中继距离很长且误码率很小石英光纤在1.31 m和1.55 m 波长，传输损耗分别为0.50 dB/km和0.20 dB/km，甚至更低。因此，用光纤比用同轴电缆或波导管的中继距离长得多，见表1.4。目前，采用外调制技术，波长为1.55m的色散移位单模光纤通信系统，若其传输速率为2.5 Gb/s，则中继距离可达150 km；若其传输速率为10 Gb/s，则中继距离可达100 km。 为什么1550nm光波成为光纤通信的主流？3.重量轻、体积小光纤重量很轻，直径很小。即使做成光缆，在芯数相同的条件下，其重量还是比电缆轻得多，体积也小得多。表1.6给出了铝/聚乙烯粘结护套(LAP)单元结构光缆和标准同轴电缆的重量和截面积的比较。表 1.6 光缆和电缆的重量和截面积比较 4.抗电磁干扰性能好光纤由电绝缘的石英材料制成，光纤通信线路不受各种电磁场的干扰和闪电雷击的损坏。无金属光缆非常适合于存在强电磁场干扰的高压电力线路周围和油田、煤矿等易燃易爆环境中使用。光纤(复合)架空地线(Optical FiberOverhead Ground Wire, OPGW)是光纤与电力输送系统的地线组合而成的通信光缆，已在电力系统的通信中发挥重要作用。5.泄漏小，保密性能好在光纤中传输的光泄漏非常微弱，即使在弯曲地段也无法窃听。没有专用的特殊工具，光纤不能分接，因此信息在光纤中传输非常安全。6.节约金属材料，有利于资源合理使用 卫星通信的特点优点：通信距离远，而通信的成本与通信距离无关 利用静止卫星，单跳最大通信距离达1800km 建站费用和运行费用不因通信站之间的距离不同而改变通信覆盖面积大，具有多址通信能力 一颗同步卫星可覆盖地球表面积的42%左右，在这个覆盖范围内的地球站，不论是地面、海上或空间，都可同时共用这一颗通信卫星来转发信号，即实现双边和多边通信这种同时实现多个方向、多个地球站之间直接通信的特性称为多址连接 通信频率宽，传输容量大，适于多种业务传输由于卫星使用微波频段，因而可使用频带宽，通信容量大，适于传送电话、电报、数据、宽带电视等多种业务。一颗卫星的通信容量达数千以至上万路电话，其通信容量仅次于光纤通信通信线路稳定可靠，通信质量高卫星通信的电波主要是在大气层以外的宇宙空间传输，而宇宙空间差不多处于理想的真空状态，因此电波传输比较稳定，受天气、季节或人为干扰的影响小，所以卫星通信稳定可靠，通信质量高，卫星线路的畅通率都在99.8%以上通信电路灵活卫星通信不受地形、地貌等自然条件的影响，如丘陵、沙漠、丛林、高空及海洋上都能实现卫星通信 缺点:两极地区为通信盲区，高纬度地区通信效果不佳存在日凌中断和星蚀现象卫星发射和控制技术比较复杂有较大的信号延迟和回声干扰在同步卫星通信系统中，从地球站发射的信号经过卫星转发到另一地球站时，单程传播时间约为027s。进行双向通信时，往返传播延迟约为0.54s。所以通过卫星打电话时，讲完话后要等半秒钟才能听到对方的回话，使人感到很不习惯 通信卫星有一定的寿命轨道上所能容纳的卫星数目有限移动通信频率的有效利用和大容量化（1）多址接入方式，小区结构，频率复用方法（2）数据压缩技术（3）干扰对消技术（4）多值调制解调，自适应调制解调 通信质量的保证分集传输技术发送功率控制技术差错控制技术（前向纠错，交织及自动重传请求）自适应调制解调技术 与移动性对应的问题小区构成方法（蜂窝方式）位置登记切换 移动终端小型化和低功耗化降低发送功率和提高间断接受比率提高功率放大器效率电池高能量密度化 商业服务与其他网络相互接续移动电话须与固话终端进行通信，移动因特网须能与因特网，企业equipment,UE）基站(base transceiver,BTS)基站控制装置( base station controller,BSC)核心网(core network,CN) 移动通信技术概要1. 移动通信系统的基本构成 无线接入网（radio access network,RAN）基站控制装置与受其控制的多个基站合称无线接口基站与无线终端之间的接口 蜂窝方式基本结构：用多个基站覆盖大的服务区，各基站(ANSI) 3G标准化组织 调制方式和多址方式调制的作用三种数字调制方法（ASK,FSK,PSK）多进制数字相位调制QPSK框图和各部分作用（调相法，相位选择法）。见笔记 GMSK原理框图及各部分作用。见笔记（frequency division multiple access）频分多址接入时分多址接入码分多址接入 第一代移动通信采用模拟调制方式，信道接入采用在频域内进行频率分割构成独立信道的FDMA方式。第二代移动通信采用模拟调制数字化传输方式，有两种无线接入方法 TDMA：先在频域内将电波分割，再在时域内进行时间分割 CDMA:采用扰频码分割信道第三代移动通信为实现传输速度高速化和扩大系统容量采用两种接入方式 DS-CDMA(direct sequence code division multipleaccess):利用增加频率带宽的方法实现高速传输的直接扩频CDMA MC-CDMA( multi carrier CDMA):将分割的频带绑定在一起以实现高速传输的多载波CMDA FDMA 频分多址FDMA：Frequency Division Multiple Access业务信道在不同频段分配给不同用户时间FDMA信道每次只能传递一路电话： 在分配成语音信道后，基站和移动台 就会同时地连续不断地发射。如果一个FDMA信道被分配为话音信道，但没有使用，并且处于空闲状态，它不能被其他用户使用。通常是窄带系统，TACS为代表，每信道25kHz带宽。比TDMA简单，同步和组帧比特少，系统开销小。非线性效应：许多信道共享一个天线，功率放大器的非线性会产生交调频率（IM），产生额外的RF辐射。 TDMA 时分多址TDMA：Time Division Multiple Access业务信道在不同时间分配给不同用户多个用户共享一个载波频率，分享不同时隙；TDMA系统的数据传递是不连续的，是分组发射，可以关闭不连续发送，可以利用空闲时隙监听其他基站，实现切换处理；可以按照不同的用户提供不同的带宽；的效率：发射的数据中信息所占的百分比；质量控制通过频率规划来实现； CDMA 码分多址CDMA：Code Division Multiple Access 所有用户在同一时间、同一频段上、根据编码获得业务信道多个用户共享一个载波频率，分享不同码道；系统的数据传递是连续的；可以按照不同的用户提供不同的带宽；的效率：发射的数据中信息所占的百分比；质量控制通过扰码规划来实现； 多址技术：目的是用来区分不同用户的一种技术复用技术：目的是让多个信息源共同使用同一个物理资源（比如一条物理通道），并且互不干扰； 小区搜索小区搜索是移动通信系统中非常关键的步骤，是终端与基站建立通信链路的前提。小区搜索主要是使终端和所在小区取得时间同步及频率同步，同时获得小区ID号，系统带宽及其它小区广播信息。终端在服务小区中初始上电，或在通信过程中进行小区切换都需要通过小 区搜索过程和基站建立连接。 小区搜索1时隙同步2帧同步及码组指示3扰码识别 1 时隙同步 UE采用SCH同步信道的主同步码来获取(在256chip之UE采用辅助同步码来发现帧同步（在无线帧长10ms之UE确定小区中使用的基本扰码。在PCCPCH上与2中识别的码组中所有码字进行符号与符号之间的相关运算。识别了小区基本扰码后，同时UE也得到了超帧同步（从BCH上的系统帧序号SFN信息获得）扰码作用：在上行方向用扰码来区分不同的UE，在下行方向用扰码来识别不同的小区 差错控制差错控制包括： FEC （forward error correction）和ARQ（automatic repeat request）两种方式2.6.1 FEC在单向通讯信道中，一旦错误被发现，其接收器将无权再请求传输。FEC是利用数据进行传输冗长信息的方法，当传输中出现错误，将允许接收器再建数据。W-CDMA方式：业务信道使用可获得较大编码增益的Turbo码控制信道使用卷积码。卷积码包括码率R=1/2, R=1/3和两种类型，约束长度为9比特。Turbo码采用，约束长度为4比特的编码。图2-21给出了Turbo码编码器和解码器的一个例子。 2.6.2速率匹配 速率匹配（Rate matching）是指传输信道上的比特被重发（repeated）或者被打孔（punctured），以匹配物理信道的承载能力，信道映射时达到传输格式所要求的比特速率传输信道:为了传输不同类型的数据而定义的信道，它由MAC层提供。一个物理信道能够映射为信息速率及QoS（quality of service）不同的多个传输信道。传输块:在MAC层和第一层之间进行数据传输的基本单位 QoS: quality of service ,指BLER或BER等保证QoS的方法：1、利用TPC改变SIR根据衰落变动自动改变发送功率和调制方式，可使物理信道适应于QoS（BLER或BER），从而保持一定的传输质量。一般情况下，根据QoS的不同，采用自适应高速TPC中的外环控制，使目标希望波信号功率与干扰波信号功率之比SIR值发生变化，以改变平均接收（发送）功率的方法能够达到适应于QoS的质量要求。问题：在物理信道的一个无线帧（10ms）重发控制2.6.3.1 重发控制方式 （1）等停式 （2）回退N式 （3）选择重传式 2.7多径衰落对策2.7.1自适应无线资源控制问题：移动通信环境中，接收信号是多个时间延迟的反射波和散射波的合成信号。 接收信号会受到：由于基站和移动终端之间的距离产生的衰减；由于高大建筑物及地物等遮挡引起的阴影衰落；由于移动终端周围的建筑物、地物等反射和散射引起的瞬时衰落等传输变化；小区边缘的移动终端会受到来自周边小区的很强的同信道干扰；从而导致接收信号的希望波功率与干扰功率之比SIR随时间变化。 为了减小SIR随时间变化的问题，采用自适应发送功率控制（transmission power control，TPC）。自适应TPC：在保持物理信道的信息速率一定的前提下，根据接收信道的状态自适应地控制基站的发送功率，使移动终端获得所需要的SIR。即在受到衰落变化使接收信号变小的情况下，增加发送功率以满足所需接收SIR，来补偿接收信号质量的恶化。基于SIR测量的高速TPC应用于上行及下行链路时，能够用最小的发送功率保证所需要的接收信号质量，达到增加系统容量的目的。特别是对于上行链路，为了解决远近问题，必须采用高速TPC，以确保基站接收到各个移动终端的接收SIR是相等的。 2.7.2分集技术2.7.2.1接收天线分集在空间分离设置的多个天线（在实际系统中采用两个分支）及接收系统，选择衰落相关小的多个接收信号，或者对多个接收信号进行合成的方法以抑制由于衰落变化使接收信号急剧变小而导致误比特率增加的技术。因为接收天线分集不太依赖于传输信道的差异（路径数、延迟扩展、最大多普勒频移等），所以能够增加接收电平，这是一种非常实用的有效技术。 2.7.2.3 发送分集基站采用天线间的衰落相关值小于1的两副天线对同一个通信用户传输信号，能够在不增加移动终端接收机复杂度的条件下，利用分集效果实现下行链路的高质量接收。发送分集的类型：不需利用移动终端反馈信息的开环型利用移动终端反馈信息控制第二个天线的发送载波相位/振幅的闭环型两种类型。开环型发送分集主要有时间切换发送分集（time switchedtransmit diversity， TSTD）和空时发送分集（space timetransmit diversity，STTD）两种形式。在W-CDMA中，开环型TSTD被应用于同步信道（SCH），而STTD被应用于公共物理信道（CCPCH）和专用物理信道（DPCH）。 GSM网络结构 基站子系统BSS基站子系统BSS可分为两部分：通过无线接口与移动台相连的基站收发信台（BTS）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。 BSC 功能：基站控制器（Base Station Controller）功能：切换控制功率控制跳频管理信令管理无线资源管理观察、测量其它主要处理功能 BTS功能：基站功能（Base station transceiver）：保持与手机同步GMSK 调制射频信号处理分集接收 无线接口定时侦测手机接入请求无线链路加密/解密信道编码、解码和交织跳频向BSC传送测量数据 3G中的关键技术信源编码 发射分集同步 多用户检测RAKE接收机 软切换功率控制 移动IP信道编解码 WCDMA无线接口分层结构 W-CDMA标准的介绍 W-CDMA有两种模式：FDD和TDD。 FDD：上行和下行链路采用两个不同频率的载波工作的双工模式。 TDD：上行和下行链路采用两个不同时隙来区分、在相同的频段上工作的双工模式，即上、下行链路的信息是交替发送的。 信道分类从不同协议层次上看，信道分三类：逻辑信道传输信道 物理信道 第四代移动通信系统中的关键技术1、新的调制技术 OFDM技术的优点是可以消除或减小信号波形间的干扰，对多径衰落和多普勒频移不敏感，提高了频谱利用率，可实现低成本的单波段接收机。 OFDM的主要缺点是功率效率不高。2、软件无线电技术3、智能天线技术4、基于IP的核心网。核心网独立于各种具体的无线接入方案5、MIMO技术。实现高数据速率、提高系统容量、提高传输质量的空间分集。6、多用户检测技术。多用户检测是宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。7、高性能的接收机。按照Shannon定理，可以计算出，对于4G系统，要在5MHz的带宽上传输20Mb/s的数据，则所需要的SNR为12dB。 OFDM正交频分复用调制器的基本构成 IFFT: Inverse Fast Fourier Transform 卫星通信卫星通信的基本概念卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号，在两个或多个地面站之间进行的通信过程或方式。卫星通信属于宇宙无线电通信的一种形式，工作在微波频段。 卫星通信系统分类目前世界上建成了数以百计的卫星通信系统，归结起来可进行如下分类：(1)按卫星制式可分为静止卫星通信系统、随机轨道卫星通信系统和低轨道卫星（移动）通信系统。(2)按通信覆盖区域的范围划分为国际卫星通信系统、国内卫星通信系统和 区域卫星通信系统。(3)按用户性质可分为公用（商用）卫星通信系统、专用卫星通信系统和军用卫星通信系统。(4)按业务范围可分为固定业务卫星通信系统、移动业务卫星通信系统、广播业务卫星通信系统和科学实验卫星通信系统。(5)按基带信号体制可分为模拟制卫星通信系统和数字制卫星通信系统。(6)按多址方式可分为频分多址（ FDMA）、时分多址（TDMA）、空分多址（ SDMA）和码分多址（CDMA）卫星通信系统。(7)按运行方式可分为同步卫星通信系统和非同步卫星通信系统。目前国际和国内的卫星通信大都是同步卫星通信系统。(8)按使用频段可分为UHF(特高频),SHF,（超高频）EHF（极高频）,激光卫星通信系统 例：计算超长波的频率范围 卫星业务区域划分区域1：欧洲，非洲，前苏联和蒙古区域2：南北美洲，格陵兰岛区域3：亚洲，澳洲和西南太平洋练习：请判断以下国家属于哪个卫星业务区？斐济，立陶宛，洪都拉斯，也门这里所谓“日蚀”(也称星蚀)，是每年秋分前后在每天午夜后的十几十分钟内(最长76分钟)，卫星、地球和太阳将共处在一条直线上，此时卫星处于地球的阴影区内，太阳能电池不能正常工作，从而影响卫星天线接受信号，即发生了“日蚀”这里所谓“日凌中断”，是每年春分前后六天中，卫星、地球和太阳将共处在一条直线上，此时卫星处于地球和太阳之间，此时太阳像个极大的噪声源，严重干扰卫星天线接受信号，从而造成每天有几分钟通信中断，该现象称为“日凌中断” 卫星摄动定义：卫星在其轨道上运行时，由于受到地球、月亮、太阳等引力的作用而缓缓移动，使卫星偏离预定的轨道而产生“漂移”，并使卫星不能保持一定的姿态而翻滚，我们将该现象称为卫星摄动。 卫星摄动原因摄动：由于地球、太阳、月球等引力和大气阻力影响造成的卫星轨道参数的变化，导致卫星偏离轨道、产生漂移的现象。1.太阳、月球等引力影响2.地球引力场不均匀3.地球大气阻力影响4.太阳辐射压力影响 卫星的轨道 卫星通信的轨道轨道形状圆形：地球的中心处于圆形轨道的圆心椭圆形：地球的中心应处于椭圆轨道一个焦点上卫星轨道倾角赤道轨道：卫星轨道平面与地球赤道平面重合，即轨道倾角为0极地轨道：卫星轨道平面与地球南北极的轴线重合，即轨道倾角为90 倾斜轨道：卫星轨道平面与地球赤道平面之间的夹角在090之间 卫星轨道离地面的高度按卫星轨道离地面的高度分成：低轨道（LEO）高度为500km2000km或500km3000km（许多在1500km以下），运行周期约24小时中轨道（MEO）高度为 2000km20000km或3000km20000km，周期约为56小时（对约10000km高度而言）高轨道（HEO）通常高度在20000km以上，周期大于12小时 同步卫星（静止卫星）卫星通信的通信范围何谓同步卫星：卫星的轨道与地球赤道平面相重合、且离地球表面高度为35786.6km的圆形轨道上沿与地球的自转方向相同的方向飞行，则卫星绕地球一周的时间为23小时56分04秒。同步卫星的通信范围卫星所能照射的地球上区域全球表面积的42.4% 在卫星通信中，同步卫星使用得最为广泛，其主要原因是：第一，同步卫星距地面高达35800km，一颗卫星的覆盖区（从卫星上能“看到”的地球区域）可达地球总面积的40%左右，地面最大跨距可达18000km。因此只需三颗卫星适当配置，就可建立除两极地区（南极和北极）以外的全球性通信。 卫星通信系统的组成见笔记 光纤通信光纤通信系统的基本组成光发送设备：主要部件为光源，对电发送机输入的电信号进行电光调制，产生相应的光信号送入光缆。 光接收设备主要部件为光检测器和放大器。光检测器作用是将光信号转换为相应的电信号，由于此时出来的电信号很微弱（微瓦，毫瓦级）须经放大器放大后才能送入电接收机。 光传输设备:无中继器：光传输设备为光缆有中继器：光传输设备为光缆和若干子中继器中继器有何作用？补偿光信号在传输过程中受损耗和色散影响造成的损失。 全光中继：直接将光信号进行放大和传输的通信技术掺铒光纤放大器（EDFA)优点：1.能直接对1.55um波长的光波进行放大，省略了光电转换设备，简化了传输设备2.EDFA本身是低噪声，高增益的放大器，对损失的光信号有很好的补偿作用3.EDFA为光器件，与光纤的连接损耗很小，耦合效率很高。 光纤通信发展方向超长波段氧化物光纤研制1.55um已经将损耗降到理论极限值0.154dB/km，已经没有过多的研究价值，为进一步减小瑞利散射产生的固有损耗，开始寻求向超长波段方向发展，制作材料由氟化物代替二氧化硅。全光通信网络EDFA只能对1.55um光波段进行全光放大，应用受到限制。为了能对各类光波进行全光放大，研究各类掺杂光纤放大器，镨元素PDFA-全光放大1.31um的光波铥元素TDFA-全光放大2um的光波掺杂稀土元素光纤放大器的研制进一步加速了全光通信的进程。以同步数字体系为核心建立光纤传输网，从而为实现宽带综合业务数字网提供技术上的保障。 光纤的结构 试想：光密介质为纤芯，光疏介质为包层，满足全反射条件有何意义？ 各角说明： 第一界面入射角；0折射入介质中的折射角 第二界面入射角导光原理：利用全反射原理将光波限制在纤芯中传播，而射入光纤的光线必须在时才能满足第二界面全最大入射角以内，只有当入射角小于等于arcsinn12- n22反射条件，将光波能量束缚在纤芯中传播。 光纤分类按构成材料 1.石英光纤：以二氧化硅为主要材料，最常用的一种塑料光纤：以塑料为主要填充物构成光纤（例如医用激光手术刀，各类窥镜的传导线）液芯光纤：以传导光的液体材料为主要材料（例如海底光缆）氟化物光纤：以各类氟化物为