移动通信第四章.ppt

第四章数字移动通信主要技术 移动通信技术 数字移动通信主要技术 多址接入技术调制与解调技术信源编码技术信道编码技术交织技术分集技术功率控制技术 本章要求 掌握几种多址接入方式 了解典型移动通信系统采用的语音编码技术 调制技术及信道编码技术 了解交织技术原理 交织的作用 了解几种分集接收技术 掌握GSM系统 CDMA系统中分别采用了哪些分集技术 掌握几种功率控制技术 多址接入技术 所谓多址技术就是使多个用户接入并共享同一个无线通信信道 以提高频谱利用率的技术 即把同一个无线信道按照时间 频率等进行分割 使不同的用户都能够在不同的分割段中使用这一信道 而又不会明显地感觉到他人的存在 就好像自己在专用这一信道一样 占用不同的分割段就像是拥有了不同的地址 使用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地址 这就是多址技术 亦称多址接入技术 在蜂窝移动通信系统中 多个移动用户要同时通过一个基站和其他移动用户进行通信 就必须对基站和不同的移动用户发出的信号赋予不同的特征 使基站能从众多移动用户的信号中区分出是哪一个移动用户发来的信号 同时各个移动用户又能够识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的 多址接入技术 实现多址技术的主要方式 多址方式的基本类型有三种 即频分多址 FDMA 时分多址 TDMA 和码分多址 CDMA及它们的混合应用 频分多址 FDMA 以频率区分信道 FDMA是以不同的频率信道来实现多址通信 频分多址技术按照频率来分割信道 即给不同的用户分配不同的载波频率以共享同一信道 频分多址技术是模拟载波通信 微波通信 卫星通信的基本技术 也是第一代模拟移动通信的基本技术 在FDMA系统中 信道总频带被分割成若干个间隔相等且互不相交的子频带 地址 每个子频带分配给一个用户 每个子频带在同一时间只能供给一个用户使用 相邻子频带之间无明显的干扰 FDMA通信系统的工作示意图 时分多址 TDMA TDMA是以不同的时隙实现多址通信 时分多址技术按照时隙来划分信道 即给不同的用户分配不同的时间段以共享同一信道 时分多址技术是数字数据通信和第二代移动通信的基本技术 在TDMA系统中 时间被分割成周期性的帧 每一帧再分割成若干个时隙 地址 无论帧或时隙都是互不重叠的 然后 根据一定的时隙分配原则 使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号 在满足定时和同步的条件下 基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而互不混扰 同时 基站发向多个移动台的信号都按顺序安排 在预定的时隙中传输 各移动台只要在指定的时隙内接收 就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来 时分多址 TDMA 通信系统的工作示意图 与FDMA技术相比 TDMA具有如下特性 每载频多路 TDMA系统能够在每一载频上产生多个时隙 而每个时隙都是一个信道 因而能够进一步提高频谱利用率 增加系统容量 传输速率高 每一载频含有时隙多 频率间隔宽 传输速率就高 对新技术开放 例如当因语音编码算法的改进而降低比特速率时 TDMA系统的信道很容易重新配置以接纳新技术 共享设备成本低 由于每一载频为许多客户提供业务 因此TDMA系统共享设备的每客户平均成本与FDMA系统相比是大大降低了 动态信道分配易实现 对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配简单而经济 所以 TDMA系统更容易进行时隙的动态分配 基站使用用发射机数目减少 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 时分多址 TDMA 同时 TDMA也具有一定的缺陷 1 必须有精确的定时和同步 2 移动台较复杂 3 传输开销大 码分多址技术按照码序列来划分信道 即给不同的用户分配一个不同的编码序列以共享同一信道 码分多址技术是第二代移动通信的演进技术和第三代移动通信的基本技术 在CDMA系统中 每个用户被分配给一个唯一的伪随机码序列 扩频序列 各个用户的码序列相互正交 因而相关性很小 由此可以区分出不同的用户 与FDMA划分频带和TDMA划分时隙不同 CDMA既不划分频带又不划分时隙 而是让每一个用户使用系统所能提供的全部频谱 因而CDMA采用扩频技术能够使多个用户在同一时间 同一载频以不同码序列来实现多路通信 CDMA示意图如图所示 码分多址 CDMA 码分多址 CDMA CDMA以不同的码序列来实现多址通信 13 码分多址 CDMA 通信系统的工作示意图 以上三种多址技术相比较 CDMA技术的频谱利用率最高 所能提供的系统容量最大 它代表了多址技术的发展方向 其次是TDMA技术 目前技术比较成熟 应用比较广泛 FDMA技术由于频谱利用率低 将逐渐被TDMA和CDMA所取代 或者与后两种方式结合使用 组成TDMA FDMA CDMA FDMA方式 FDMA TDMA CDMA三种系统容量比较 2 无线小区容量的m计算m B N f 单位为 信道 小区 其中B为频带宽带 f为频道间隔 N为cluster中小区数 a 模拟TACS系统 FDMA 信道间隔25KHz信道总数1 25MHz 25KHz 50簇内小区数N 7系统容量mFDMA 50 7 7 1 信道 小区 1 系统容量的定义 指能容纳的用户总数或系统最大容纳的信道数或系统输入话务量 爱尔兰 假设B 1 25MHz 则 b 数字GSM系统 采用TDMA方式信道间隔200kHz每载频时隙数8信道总数 1 25MHz 200KHz 8 50簇内小区数N 4系统容量mTDMA 50 4 12 5 信道 小区 c 数字CDMA系统 采用扩频技术 FDMA TDMA CDMA三种系统容量比较 为了进一步说明为什么采用扩频技术以支持CDMA 从而赢得系统容量和质量 我们来看一下扩频技术原理 两种类型扩频 直接扩频DS 跳频FH A点b t 为基带信号 B点信号为基带信号经过地址码扩频和PSK调制后的调制信号 C点信号是B点信号不失真传输引入很强的窄带干扰的信号 D点信号经过扩频解扩 从频谱来看 传输过程中引入的窄带干扰 在接收端经过解扩以后干扰功率被分散而有用信号被正确恢复 扩频增益Gp定义为 一般认为扩频解调增益C0 Ci 1 所以 6 2 为扩频信号带宽 为信息带宽 扩频因子SF定义为输出端与输入端载噪比之比值 6 1 FDMA TDMA CDMA三种系统容量比较 6 3 6 4 CDMA系统总要采用功率控制技术 对于基站来讲 不管MS在小区的任何位置 总会使所有MS发送功率到达基站接收机输入端功率相等 CDMA系统的主要干扰为多址干扰 基站接收机的输入载干比为 由式 6 1 可知 m为保证接收机载干比满足要求时 小区内同时工作的最大用户数 FDMA TDMA CDMA三种系统容量比较 6 5 IS 95CDMA系统 Rc 1 2288Mcps Rb 8kb s Eb N0 7dB 则代入公式 6 5 得 m 32 25 信道 小区 由上面各式可得 考虑实际影响因素后 容量计算公式要做相应修正 I 采用话音激活技术提高了系统容量 式中d为话音占空比 通常为0 35 II 利用扇形划分提高系统容量 式中G是扇形分区系数 通常为2 55 III 邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响 式中F为信道复用效率 通常为0 6 FDMA TDMA CDMA三种系统容量比较 所谓信源编码是指将信号源中多余的信息除去 从而形成一个适合用来传输的信号的过程 信源编码的目的是提高系统传输效率 去除冗余度 语音编码属于信源编码 移动通信中采用的语音编码方法主要取决于无线移动信道的条件 由于频率资源十分有限 因此要求编码信号的速率较低 由于移动信道的传播条件恶劣 因而编码算法应有较好的抗误码特性 另外 从用户的角度出发 还应有较好的话音质量和较短的时延 移动通信对数字语音编码的要求如下 速率较低 纯编码速率应低于16kb s 在一定编码速率下的音质应尽可能高 编码时延要短 要控制在几十毫秒之内 编码算法应具有较好的抗误码性能 计算量小 性能稳定 编码器应便于大规模集成 信源编 解码 1 波形编码根据模拟话音信号的波形 采取抽样 量化 编码 形成数字语音信号 话音编码类型 包括PCM ADPCM等 编码速率高16k 64kbps 语音质量最高 占用带宽大 适合有线 不适于直接用于移动通信 3 混合编码综合波形编码和声源编码方式形成的编码器 2 声源编码 参量编码 在发端提取产生话音信号的特征参数并进行传输 在收端由参数恢复话音 编码速率较低 1 2 4 8kps 包括各种线性预测编码 LPC 和余弦声码器 语音质量较差 不满足商用要求 适用于军事和保密通信 编码速率中等 话音质量介于以上两者之间 主要用于移动通信 包括GSM采用的RPE LTP编码 13kbps 和CDMA采用的QCELP 可变速率编码 包括四种速率 信源编 解码 常用数字移动通信系统语音编码类型 衡量话音编码器的主要指标 1 比特率 bit s 度量信源压缩率和通信系统性能的主要指标比特率 压缩率 有效性 话音质量 2 质量 MOS评分 国际流行的MOS法 5级评分制 3 复杂度指完成语音编码所需的加法 乘法的运算次数 一般可用MIPS表示 4 处理时延复杂度越大 运算时间越长 处理时延越大 由于通信信道 尤其是无线通信信道 容易受到外界干扰和噪声的影响 因此导致信息在传输过程中发生改变 从而在接收端接收不到完全正确的信息 为了保证通信的可靠性 必须采用信道编码 信道编码能够检查和纠正接收信息流中的差错 信道编码定理指出 在编码速率小于信道容量的条件下 通过编码可以使译码错误概率任意小 从而达到可靠通信 该定理证明 确实存在一种编码方式 使误码率随着码长n的增长趋于任意小 这说明信道编码属于冗余编码 而且冗余度与误码率存在一定的反比关系 需要指出的是冗余度越高 误码率就越小 系统的可靠性就越高 但同时 编码位数就越多 需要的传输速率就越高 占用的信道带宽就越宽 因此 必须研究信道编码技术 在保证系统可靠性的前提下 尽量降低传输速率 减小信道带宽 信道编 解码 信道编码的基本思想是按一定规则给信息码元序列m增加一些多余的码元 称为监督码元 使不具有规律性的信息序列m变换为具有某种规律性的数码序列C 数码序列中C的信息序列码元m与监督码元之间是相关的 接收端的译码器利用这种预知的编码规则进行译码 检验接收到的数字序列R是否符合既定的规则 从而发现R中是否有错 甚至纠正其中的差错 根据相关性来发现和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本思想 信道编 解码 纠错编码是应用最广泛的编码 又可分为如下几类 1 按照纠正差错的类型可分为纠正随机错误的编码和纠正突发错误的编码两种 随机错误是指码元间的错误互相独立 即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否无关 突发错误是指一个码元的错误往往影响其前后码元的错误概率 换句话说 一个码元产生错误 则后面几个码元都可能发生错误 在移动通信系统中 既要纠正随机错误 由信道编码纠正 又要纠正突发错误 由交织技术来纠正 信道编 解码 2 按照信息码元和监督码元之间的约束方式不同可分为分组码和卷积码两种 分组码是指编码的规则仅局限于本码组之内 本码组的监督码元仅和本码组的信息码元相关 卷积码是指本码组的监督码元不仅和本码组的信息码元相关 还与本码组相邻的前n 1个码组的信息码元相关 3 按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系可分为线性码和非线性码两种 线性码是指信息码元与监督码元之间的关系为线性关系 即监督码元是信息码元的线性组合 编码规则可用线性方程来表示 非线性码的信息码元与监督码元之间不存在线性关系 信道编 解码 4 按照码字的结构不同 可分为系统码和非系统码两种 系统码是指前k个码元与信息码组一致的编码 非系统码不具有系统码的特性 5 按照码字中每个码元的取值可分为二进制码和多进制码 二进制码的码元有0和1两个取值 M进制码的码元有M个取值 二进制码是应用最广泛的编码制式 信道编 解码 根据发送端信道编码的特性 接收端在解码后采取的差错控制方式有 前向纠错 FEC 发送端的信道编码器将信息码组编成具有一定纠错能力的码 接收端信道译码器对接收码字进行译码 若传输中产生的差错数目在码的纠错能力之内时 译码器对差错进行定位并加以纠正 自动请求重发 ARQ 用于检测的纠错码在译码器输出端只给出当前码字传输是否可能出错的指示 当有错时按某种协议通过一个反向信道请求发送端重传已发送码字的全部或部分 信道编 解码 混合纠错 HEC 是FEC与ARQ方式的结合 发端发送同时具有自动纠错和检测能力的码组 收端收到码组后 检查差错情况 如果差错在码的纠错能力以内 则自动进行纠正 如果信道干扰很严重 错误很多 超过了码的纠错能力 但能检测出来 则经反馈信道请求发端重发这组数据 信息反馈 IRQ 也称回程校验方式 收端把收到的数据 原封不动地通过反馈信道送回到发端 发端比较发的数据与反馈来的数据 从而发现错误 并且把错误的消息再次传送 直到发端没有发现错误为止 信道编 解码 功率效率 PowerEfficiency 反映了在低功率电平情况下 调制技术保证数字信息可靠传输的能力 定义为每比特的信号能量和噪声功率谱密度之比 带宽效率 SpectralEfficiency 反映了调制技术在一定的带宽内可容纳传输数据率的能力 定义为在给定的带宽内 每Hz所能够承载的数据率 数字调制的性能指标 高斯最小频移键控 GMSK 最小频移键控 MSK 调制是调制指数为0 5的二进制频率调制 其调频带宽较窄 且具有恒定的包络 因而可以在接收端采用相干检测法进行解调 但是对于数字移动通信系统 对信号带外辐射功率的限制十分严格 如带外衰减要求在70 80dB以上 因此采用MSK就不能满足要求了 这时 可采用MSK的改进型 GMSK作为替代的调制方法 交织技术 1 功能针对移动信道的干扰 衰落等往往产生较长的突发错误情况 采用交织技术以使误码离散化 致使突发差错变为离散差错 再利用接收端纠正随机差错功能 就可以改善整个数据序列传输质量 2 实现方法 交织原理 交织技术 分集技术 分集技术 DiversityTechniques 是一种利用多径信号来改善系统性能的技术 其理论基础是认为不同支路的信号所受的干扰具有分散性 即各支路信号所受的干扰情况不同 因而 有可能从这些支路信号中挑选出受干扰最轻的信号或综合出高信噪比的信号来 其基本思想是利用移动通信的多径传播特性 在接收端通过某种合并技术将多条符合要求的支路信号合并输出 从而大大降低多径衰落的影响 改善传输的可靠性 对这些支路信号的基本要求是 传输相同信息 具有近似相等的平均信号强度和相互独立衰落特性 目前 分集接收技术由于其能够提高系统的抗衰落性能 已被广泛应用于移动通信以及其它短波通信系统 分集技术 包含两重含义 分散传输 使接收端能够获得多个携带同一信息但统计独立的衰落信号 集中处理 把接收到的多个统计独立的衰落信号进行适当的合并 或选择 从而降低衰落的影响 改善系统的接收性能 分集技术种类 1 空间分集 2 频率分集 3 时间分集 空间分集 在移动通信中 空间略有变动就可能出现较大的场强变化 空间分集就是利用场强随空间的随机变化而实现的 空间距离越大 多径传播的差异就越大 通过各径所接收信号场强的相关性就越小 具体来讲 空间分集是在发射端采用一副发射天线 接收端采用多副接收天线 只要接收端天线之间的间隔d足够大 就能保证各接收天线输出信号衰落特性的相互独立性 经过测试和统计 为了获得满意的分集效果 接收天线之间的间距应大于0 6个波长 即d 0 6 并且最好选在 4的奇数倍附近 当然 在实际环境中 接收天线之间的间距要视地形 地物等具体情况而定 空间分集的原理如图所示 对于空间分集而言 分集的支路数m越大 分集效果越好 但当m较大 如m 3 时 分集的复杂度增加 分集增益的增加随着m增大而变得缓慢 空间分集是移动通信系统中最常用的分集技术 空间分集 频率分集 频率分集就是在发射端将要传输的信息分别以不同的载频发射出去 只要载频之间的间隔足够大 大于相干带宽 那么在接收端就可以得到衰落特性互不相关的信号 从而减小信号的衰落 提高通信质量 相干带宽指的是频带最大带宽 在此带宽内 两个信号的传输系数的统计特性是强相关的 但当两个频率之间的间隔超过相干带宽时就不相关了 相干带宽Bc可用下式估计 式中 为多径时延扩展的脉冲展宽时间 频率分集 移动通信900MHz频段 典型的最大多径时延扩展为5微秒 对应的相关带宽为200kHz 因此为了获得频率分集 各个载频的频率间隔必须大于200KHz 对于CDMA系统来说 其扩频信道带宽为1 25MHz 这个带宽已远远大于相干带宽 因此 CDMA系统本身具有频率分集的功能 时间分集是将给定的信号在时间上相隔一定的间隔 T重复发送 m次 只要这些时间间隔大于信道的相干时间 就能保证信号衰落的不相关性 从而在接收端得到条独立的分集支路 RAKE接收是时间分集在移动通信系统中的典型应用 时间分集的原理如图所示 时间分集 时间分集有利于克服移动通信中由多卜勒效应引起的信号衰落现象 由于多卜勒效应与移动台的运动速度及工作波长有关 因此为了保证重复发送的信号具有相互独立性 必须要使信号的重发时间间隔 T满足如下关系 时间分集 式中 fm为多卜勒频移 v为车速 为工作波长 可见 当移动台处于静止状态 即v 0 时 要求 T为无穷大 因而此时的时间分集基本上是没有用处的 CDMA系统中采用的RAKE接收机就是时间分集的一种形式 合并技术 接收端接收到m m 2 个分集信号后 如何利用这些信号以减小衰落的影响 这就是合并问题 对分散的信号进行合并的方法通常有以下几种 1 最佳选择式 从几个分散的信号中选择信噪比最好的一个作为接收信号 2 等增益相加式 把几个分散信号以相同的支路增益直接相加的结果作为接收信号 3 最大比值合并 控制各支路增益 使它们分别与本支路的信噪比成正比 即根据各支路的信噪比来设置增益值 然后再相加以获得接收信号 功率控制技术 目的 解决远近效应 功控方法1 反向功控与前向