无线通信基础及关键技术.ppt

无线通信基础 主要内容 一 无线通信特点二 CDMA关键技术 主要内容 一 无线通信特点二 CDMA关键技术 无线通信特点 复杂的无线电传播特性多种干扰系统复杂有限的频率资源 无线通信特点之一复杂的无线电传播特性 直射 反射 绕射 散射路径损耗阴影效应多径衰落远近效应多普勒频移 直射 反射 绕射 散射 直射 在视距覆盖范围内无遮挡的传播 其信号强度一般最强 反射 从不同建筑物和物体反射后到达接收点的传播信号 一般信号能量次之 绕射 从较大的山丘 建筑物绕射后到达接收点的传播信号 一般其强度与反射波相当或稍次 散射 由空气中离子受激后所引起的漫反射到达接收点的传播信号 其强度最弱 路径损耗 路径损耗是指随移动台到基站距离的增加 带来其自由空间路径的损耗增加 常用的Okumura模型所定义的自由空间路径损耗LF公式为 LF 10log 2 4 2d2 阴影效应 阴影效应是由移动台与基站之间的山丘 建筑物的遮挡造成的信号强度衰减 阴影效应又称正对数衰落 或慢衰落 多径衰落 多径衰落是由于山丘 建筑物等的反射 散射或绕射 使得移动台与基站之间的信号传播途径有多条而造成 多径衰落主要包括瑞利衰落和时延扩展 瑞利衰落是由于接收天线靠近反射物而造成 瑞利衰落又称快衰落 时延扩展是由于反射物较远造成的时延对直射信号形成码间窜扰 瑞利衰落 远近效应 一般移动台离基站近 则信号强度高 离基站远 则信号强度弱 称远近效应 由于远近效应 强信号对弱信号造成较大干扰 多普勒频移 由于移动台的不断运动 接收到的载频将随运动速度的变化 产生不同的频移 这种现象称为多普勒效应 fD v cos 无线通信特点之二多种干扰 干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素 干扰时容量增加的一个重要瓶颈 且常常导致掉话 干扰主要有三种 互调干扰邻频干扰同频干扰功率控制是减少干扰的一项重要措施 互调干扰 互调干扰主要是系统设备中非线性引起的 如混频选择不好 使非用信号混入 而造成干扰 邻频干扰 邻频干扰是指两个相邻的频带之间的干扰 是由于一个强信号串扰弱信号信道而造成的干扰 同频干扰 同频干扰是指相同载频信道之间的干扰 CDMA系统不同用户工作于相同频率下 由于码字的非完全正交性 带来了同频干扰 同频干扰可分为本小区干扰和邻小区干扰 是CDMA系统的主要干扰源 无线通信特点之三系统复杂 漫游切换地址登记 位置更新 频率和功率控制计费及结算方式复杂的系统规划对无线收 发信设备要求高 漫游 漫游是指在一个移动通信网内 无论用户处于什么位置 系统都能为之提供通信服务 为了使移动台在移动过程中仍然能进行通信 它的位置信息必须被存储在网络的数据库中 HLR VLR SGSN或PDSN 而且该位置信息将随着位置的不断变化而变化 称之为自动漫游 切换 切换是用来满足移动台在通信过程中移动仍能保持通话质量的一种功能 切换包括硬切换和软切换 硬切换是指不同频点或不同制式之间的切换 是先断后连 软切换是同频切换 是先连后断 位置更新 一个移动交换中心 MSC 的服务区 是由许多位置区 LA 组成 每个位置区内有若干基站和小区 当移动台由一个位置区移动到另一个位置区时 它会与系统配合 告诉系统它目前所在位置 这个过程称为位置更新 系统要呼叫该用户时 只要对该位置区发出寻呼即可 频率及功率控制 无线信道总是工作于某一无线频率上 频率控制包括频率搜索 测量 跳频等 为降低干扰和节省移动台电源 需进行功率控制 如非连续发送 慢速功率控制和快速动态功率控制等 计费及结算方式 由于无线通信用户 移动性 特点 对计费及结算提出了更高要求 多种业务类型 要求多种计费方式 尤其是数据业务 可能需要按时长计费 按流量计费 按内容计费等 复杂的系统规划 为保证所需覆盖范围 系统容量及通信质量 除在技术上采取措施外 还必须进行系统规划 无线通信存在复杂的系统规划 包括网络规划和小区规划 尤其是无线小区规划 对移动台设备要求高 要求移动台体积小 重量轻 耗电省 坚固耐震 适应室外温度变化 操作简便 支持多种新业务 新功能 支持多频 多模方式 价格合适 收 发信机工作原理名词解释 语音编码 语音编码的目的是在保持一定算法复杂程度和通信时延得前提下 运用尽可能少的信道容量 传送尽可能高质量的语音 语音编码器分为两类 波形编码器和声码器 信道编码 通过在被传输数据中引入冗余来避免数字数据载传输过程中出现误码 用于检测错误的信道编码称为检错编码 即可检错又可纠错的信道编码叫做纠错编码 常见的信道编码方式有 分组码 是一种前向纠错码FEC 卷积码 Turbo码 均衡 补偿时分信道中由于多径效应而产生的码间干扰的一项技术 收 发信机工作原理名词解释 交织 由于语音编码将语音频带的信息转变为高效的数字信息格式 有些源比特特别重要 而交织器的作用就是将这些源比特分散到不同的时间段中 使系统获得时间分集 跳频 在呼叫期间 载波频率在几个频率上变化 以克服瑞利衰落 因瑞利衰落谷点只是对某一个频点有效 对另一个频点无效 另外 跳频与不连续发射可以降低干扰 但当大负荷时 所有的发信机都同时打开 碰撞的机会很大 跳频的作用体现不出来 若按照4 12分组方案 邻频碰撞也无妨 但若采用多频复用技术 邻频的距离小于12 彼此干扰变大 若采用跳频技术 且负荷不大时 可以减小碰撞机会 收 发信机工作原理名词解释 分集 分集技术是用来补偿衰落信道损耗的 通常通过多个接收天线来实现 最通常的分集技术是空间分集 几个分隔开来的天线接到公共的接收系统中 接收机随时选择接收到的最佳信号作为输入 其它分集技术有极化分集 频率分集 时间分集 CDMA系统通常使用RAKE接收机 通过时间分集来改善链路性能 扩频调制 通过调制 使使用的传输带宽比信号带宽大几个数量集 扩频调制可以使很多用户在一个频带中同时使用 而不会产生明显干扰 多用户使用时 多径干扰的环境中 扩频系统可提高频谱效率 无线通信特点之四频率资源有限 频率资源有限 如何提高频谱利用率 增加蜂窝系统容量 常用的方法有 减小频率复用系数小区分裂划分扇区有限的频率资源 还需要不断采用新技术来提高频率利用率 扩大容量 以CDMA为例 CDMA是一种干扰受限系统CDMA的容量是一种软容量CDMA采用了一些关键技术来降低干扰 提高频率利用率 增加容量 主要内容 一 无线通信特点二 CDMA关键技术 CDMA关键技术 CDMA原理扩频技术功率控制分集技术智能天线多用户检测其他 几个概念和区别 多址技术时分多址 频分多址和码分多址双工技术时分双工与频分双工窄带系统与宽带系统单个信道的带宽与所期望信道的相干带宽一致一个信道的发射带宽大于这个信道的相干带宽宽带系统通常能够带来频率分集的优势 WCDMA用到的码 1 信道化码channelizationcodes用于区分同一BTS或UE的不同物理信道OVSF 正交可变扩频因子码 用码树生成 码树每级有扩频因子SF 区分物理信道2 扰码scramblingcodes上行区分用户 下行区分小区用GOLD码作为扩频序列的扰码 GOLD码由两个小M序列相合并而成 上行区分用户 下行区分小区 CDMA的码生成技术 随机序列 贝努利序列 0和1个数各一半1或者0连续个数的概率 连续一个为1 2 连续两个为1 4 连续三个为1 8 移位序列和原序列有一半相同 另一半不同m序列由移位寄存器生成是最大长度的线性移位寄存器序列 周期是2n 1 n为移位寄存器长度 其自相关函数只有一个最大值 延迟为零处 其他均为 1 单值性符合贝努利序列性质 Gold序列 Gold序列由两个优选的m序列异或而成自相关函数有多值 没有m序列好比m序列多得多由于Gold序列具有良好的自相关性质 用于码分多址中区分基站和用户良好的自相关性质决定了其分段序列之间互相关很小 可以用于区分用户 进行多址 OVSF OVSF码的互相关为零 相互完全正交 扩频因子与业务速率 符号速率 扩频因子 码片速率如WCDMA 码片速率 3 84MHz 扩频因子 4 则符号速率 960Kbps cdma2000 1x 码片速率 1 2288MHz 扩频因子 64 则符号速率 19 2Kbps 符号速率 业务速率 校验码 信道编码 重复或打孔率如WCDMA 业务速率 384Kbps 信道编码 1 3Turbo码 符号速率 960Kbps cdma2000 1x 业务速率9 6Kbps 信道编码 1 3卷积码 符号速率 19 2Kbps 上行 用户信息经过不同OVSF码扩频后 再经过不同扰码 区分用户 加扰后发射 SCRAMBLINGCODE2OVSFCODE2USER2SIGNAL SCRAMBLINGCODE3OVSFCODE3USER3SIGNAL SCRAMBLINGCODE1OVSFCODE1USER1SIGNAL 下行 用户信息经过不同OVSF码扩频后 在经过同一扰码 区分小区 加扰后发射 OVSFCODE2USER2SIGNAL OVSFCODE3USER3SIGNAL OVSFCODE1USER1SIGNAL SCRAMBLINGCODE 扩展频谱通信技术 特征 引入超常的频率资源冗余度 即传输时占用的带宽远大于原始信息所占的带宽 两者之比称为扩频增益 不同的扩频调制方式 直接扩频 DS SS 通过将伪噪声序列与基带脉冲数据相乘来扩展基带数据 其伪噪声序列由伪噪声生成器产生误码率受限于多址干扰和远近效应的影响用功率控制来克服远近效应 受限于功率检测的精度跳频扩频 FH SS 数据以发射机的载波频率跳变的方式发送到表面上随机的信道中每个信道上 在发射机再次调频之前 数据用传统的窄带调制方式发送一些小的突发无远近效应的影响 因为多个用户不会同时使用同一频率 Bluetooth技术 快 慢调频 直接扩频调制技术 扩频波形由扰码序列和OVSF叠加产生扩频通信适合于无线通信环境有抗干扰能力 每个用户唯一的扰码序列或者唯一的OVSF码 抗多址干扰所有用户 基站都使用相同的频率 可以简化频率规划工作良好的抗多径干扰特性 RAKE接收机利用多径分量同时由于宽带信号的频率选择性衰落 反映在时域上 多径干扰导致传输延迟的PN信号和原PN序列的互相关性减弱 导致延迟信号对接收机的影响减弱 窄带系统 大衰落 发射信号 接收到的衰落信号 频率 频率 强度 强度 大衰落 发射信号 接收到的衰落信号 频率 频率 强度 强度 宽带系统 频率选择性衰落 扩频通信的优点 抗干扰能力强多个用户可以同时占用相同频带隐蔽性和保密性好极低功率传送信号 从而将其隐藏在背景噪声中 使信号具有极低的被截获概率利用扩频码的伪随机特性实现保密通信WCDMA采用直接序列 DS 扩频 精确的功率控制技术 精确的功率控制是一种克服远近效应 对抗衰落 降低干扰的有效办法 功控主要包括以下几种 反向链路开环功率控制反向链路闭环功率控制反向链路外环功率控制前向链路功率控制 直接序列扩展频谱通信系统原理图 直接序列扩频及调制后的信号波形 CDMA扩频技术 分集技术 是通过自然界无线传播环境中的独立 或至少高度不相关 多径信号来实现的相对投资低廉克服小尺度衰落 由移动台附近物体的复杂反射引起 可以采用双天线接收分集克服大尺度衰落 由于周围环境地段和地物的差别而导致的阴影区引起 可以选择一个所发信号不在阴影区的基站 位置选择发射分集最大比值合并发射分集技术还用来提高无线通信中单用户的峰值吞吐率 分集技术 衰落 快衰落 慢衰落分集技术 多个接收信号 互相独立 合并处理 是克服衰落的主要办法 分集有三种类型 时间分集 以超过信道相干时间的时间间隔重复发射信号 RAKE接收机 认为 一个码片时间 信道的相关时间 卷积编码 交织 检错频率分集 宽带通信技术空间分集 多付天线接收 软切换极化分集 利用水平分量和垂直分量的不相关性 发射分集技术提高系统下行容量 适应非对称业务的需求 发射分集 OTD方式 原理 智能天线 智能天线技术提高系统覆盖范围 降低发射功率 智能天线的小区配置 全向小区 三扇区小区 智能天线小区 智能天线的优点 高速率用户带来很大的干扰 动态调整的智能天线阵列的波束跟踪高速率用户 起到空间隔离 消除干扰的作用 动态调整的智能天线阵列的性能优于固定的多波束天线增加系统容量增加覆盖范围 改善建筑物中和高速运动时的信号接收质量提高信号接收质量 降低掉话率 提高语音质量减少发射功率 延长移动台电池寿命提高系统设计时的灵活性 空分多址 使用定向波束天线服务不同用户自适应天线系统 多用户检测 当前的CDMA接收机基于RAKE原理 将其他用户的干扰视为噪声基于RAKE的CDMA系统的容量受干扰的限制最优接收机是联合检测所有的信号 并将其他用户的干扰从期望的信号中减去 信号的相干特性是已知的 干扰是确定的 多用户检测 MUD 称为联合检测和干扰对消 降低了多址干扰 从而提高系统的容量多用户检测可以消除远近效应问题最优的多用户检测相当复杂 实际中用次优的多用户和干扰对消接收机次优的接收分为二类 线性检测器 采用线性变换去除多址干扰 分为 解相关器 线性最小均方误差检测器 LMMSE 干扰对消器 估计多址干扰 然后从接收的信号中减去 分为 并行