《G技术原理》PPT课件

1,3G技术原理,京信通信技术有限公司,2004.7.28v1.0,2,摘要,第一讲3G通信系统概述第二讲3G通信系统关键技术第三讲3G移动通信直放站,3,第一讲3G通信概述,实现任何人，在任何地点，任何时间，和任何人作任何类型通信。,-3G目标：,4,移动通信的发展过程（一）,第一代移动通信：(1980)主要技术：FDMA（频分多址）和、模拟和半模拟(模拟的路径但是采用数字交换）技术。系统：北欧移动电话系统（NordicMobileTelephonesystem，NMT）和北美移动电话系统(AmericanMobilePhoneSystem，AMPS)。缺点：频谱效率低，同频干扰和互调干扰严重，保密性差，兼容性差。,5,移动通信的发展过程（二）,第二代蜂窝移动通信：(1992)主要技术：CDMA、TDMA、FDMA、数字传输系统：CDMA(IS-95)、GSM优点：频谱效率高，系统容量大，保密性好，标准化程度高。缺点：仅限于语音和低速数据业务（GSM只提供100-200kb/s数据业务，高级阶段为384kb/s），移动速度慢（GSM低于100km/hour），服务率较低，容量不能满足更高的要求，仅限于国家和地区标准，全球化不能完全实现。,6,移动通信的发展过程（三）,第三代移动通信3G：(1996)高频谱效率，高服务质量，高保密性，全球漫游，移动速度快(300-500km/hour)。支持多媒体服务，支持Internet服务，支持语音识别。高速数据传输：144kb/s(户外告诉移动环境)384kb/s(从室外到室内步行环境)2Mb/s(室内)便于过渡、演进，兼容固定网。,7,三代通信技术比较,8,移动通信的发展过程,9,3G系统目标,多媒体能力,个人化使用,智能化功能,更简单的蜂窝结构容易进行信道规划和管理,大容量:60路话/小区/MHz,低的发射功率室外等增益合并选择性合并,53,分集接收技术（五）,多径分集的RAKE接收技术原理框图:,54,分集接收技术（六）,由于信道中快速衰落和噪声的影响，实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化，因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转，实际的CDMA系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。根据发射信号中是否携带有连续导频，可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法。下图为一个RAKE接收机，它是专为CDMA系统设计的经典的分集接收器。,55,分集接收技术（七）,Q,56,分集接收技术（八）,当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可看作是互不相关的。带DLL的相关器是一个迟早门的锁相环。它由两个早和晚相关器组成，和解调相关器分别相差1/2（或1/4）个码片。迟早门的相关结果相减可以用于调整码相位。延迟环路的性能取决于环路带宽。延迟估计的作用是通过匹配滤波器获取不同时间延迟位置上的信号能量分布，识别具有较大能量的多径位置，并将它们的时间量分配到RAKE接收机的不同接收径上。匹配滤波器的测量精度可以达到1/41/2码片，而RAKE接收机的不同接收径的间隔是一个码片。实际实现中，如果延迟估计的更新速度很快（比如几十ms一次），就可以无须迟早门的锁相环。,57,信道均衡技术,均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道相反的特性用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间干扰。也即通过均衡器消除信道的频率和时间的选择性。自适应均衡：无线信道是时变的，具有未知性和多变性，要求均衡器的特性能够自动适应信道的变化而均衡。均衡技术基本分为两类线性与非线性均衡。在数字移动通信中通常不用线性均衡器，而在恶劣的多径信道中非线性均衡器有良好的性能，被广泛采用。,58,编译码技术,信道编译码主要是降低信号传播功率和解决信号在无线传播环境中不可避免的衰落问题。分为差错控制编码和纠错控制编码。WCDMA和CDMA2000采用交织技术、卷积编码技术、Turbo编码技术和RS卷积级联码技术。卷积码主要是用于低数据速率的语音和信令。编解码技术结合交织技术的使用可以提高误码率性能，在IS-95CDMA系统已经有应用。RS编码是一种多进制编码技术，适合于存在突发错误的通信系统。RS解码技术相对比较成熟，但由RS码和卷积码构成的级联码在性能上与传统的卷积码相比较，提高不多，故在未来第三代移动通信系统中被采用的可能性不大。与无编码情况相比，Turbo码可以将误码率提高到10E-6。Turbo码因为编解码性能能够逼近Shannon极限而最后被采用作为3G的数据编解码技术。,59,多用户检测技术,多用户检测（MUD）是宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。其在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信息对单个用户的信号分别进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著提高系统容量。基本原理：通过去除小区内用户受到的多址干扰来改进系统性能，增加系统容量。基本思想：把所有用户的信号都当作有用信号，而不是当作干扰信号。其实现难点主要是基带处理的复杂度很高。,60,智能天线技术（一）,目标：将目标用户的能量最大化将其他用户的干扰最小化智能天线技术是利用自适应的波束赋形技术，提高用户波达方向的方向图增益，同时利用方向图的零点降低空间上大功率用户的干扰。利用智能天线，将主瓣对准有用信号，低增益副瓣对准主要的干扰信号，从而可更有效地抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子，同时支持更多用户。从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天线。,61,智能天线技术（二）,智能天线包括两个重要组成部分：一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角（DOA）估计，并进行空间滤波，抑制其他移动台的干扰；二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。优点：可以消除多址干扰，提高系统的容量，扩大小区覆盖范围，提高通信质量，降低用户的发射功率，延长移动台的寿命，极大降低同一小区和小区以外的多址干扰。,62,智能天线技术（三）,63,功率控制技术（一）,因为CDMA是一个自干扰系统，所有用户使用同一频率，所以“远近效应”问题更加突出。多址干扰的表现形式主要是远近效应，即功率强的用户对功率弱的用户带来的多址干扰比功率弱的用户对功率强的用户带来的多址干扰要大，因此需要功率控制技术平衡用户功率。,64,功率控制技术（二）,开环功率控制：根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。主要用于克服距离衰减；仅由移动台参与。,闭环功率控制：通过对接收功率的测量值及与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端，并据此调节发射功率大小。主要用于克服多普勒频率产生的衰减（多普勒效应）；移动台、基站同时参与。,基站根据测量结果调整每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码率高的移动台分派较大的前向链路功率。,65,功率控制技术（三）,反向链路功率控制需要的Eb/No随速度、相异性和环境（通常为4到9dB）的变化而变化功率控制最终由FER（质量）推动,66,功率控制技术（四）,前向链路控制前向链路功率调整要比反向链路功率控制慢，增长是以帧的时间为单位的。前向链路功率调整的动态范围限制在正常功率的6dB内。,67,功率控制技术（五）,开环功率控制的主要特点是不需要反馈信息，因此，在无线信道突然变化时，它可以快速响应变化。此外，它的功率调整范围大。但正因为它没有反馈信息，使得调整不够准确。不能克服非对称的多径衰落。在WCDMA和CDMA2000系统中，上行链路信道采用了开环、闭环和外环功率控制技术，下行链路信道则采用了闭环和外环功率技术。,控制速度比较,68,软切换技术（一）,软切换建立在CDMA宏分集接收基础上，当移动台开始与一个新的基站联系时，并不立即中断与原来基站之间的通信。切换过程中，移动台辅助（测量导频信号强度）、基站引导完成。一个移动台可以同时连接多达6个基站扇区。软切换技术仅仅能动用于具有相同频率的CDMA信道之间。又可分为：软切换、更软切换、软-更软切换。,69,软切换技术（二）,软切换：手机连接到两个或多个不同的BTSExample:BTS1_a+BTS2_g(2waySHO)orBTS1_a+BTS2_g+BTS3_g(3waySHO)2到3帧至声码器更软切换：手机连接到同一个BTS的2到3个扇区在BTS处进行分集合并Example:BTS1_a+BTS1_b一个帧至声码器软-更软切换：Example:BTS1_a+BTS2_a+BTS2_b有2帧至声码器,70,同步技术（一）,同步技术历来是数字通信系统中的关键技术，直接影响接收器对信号的接收。主要包括载波同步、定时同步和帧同步。CDMA通信系统中的同步技术需解决以下三个问题：直接序列扩频中由于伪随机序列具有尖锐的自相关特性，因而对接收信号的解扩得以正常进行的先决条件是保证收发信机间伪随机序列的定时误差小于一个码片的时间。解扩后，需要对其进行周期性抽样，每个符号一个样点，以便对传送符号进行判决恢复，需保证收发信机间定时的严格同步。,71,同步技术（二）,由于直接序列扩频的信号带宽较宽，因而在实际应用中通常期望其可以容忍收发信机间存在较大的频率误差，以降低对移动台中频率合成器的要求。又因收发信机间的相对运动在接收信号中造成多普勒频移，解扩过程等效于对接收信号在符号时间内进行积分，因此当接收信号与本地载波间频率误差与符号速率可比拟时，解扩输出信号系统的信噪比将严格下降。因而在对扩频信号进行解扩之前，需对该频率误差进行估计和补偿。对于相干接收系统，还需对接收信号中的载波相位进行精确估计。前两个问题是定时同步问题，第三个问题与载波同步有关。与上三个问题相对应，直接序列扩频通信系统中的同步技术分为三方面：,72,同步技术（三）,伪随机序列的捕获指接收器获取伪随机序列的粗略同步，使收发信机间伪随机序列的定时误差小于Tc，其中Tc为一个码元的时间，|1，通常取=1/2。伪随机序列的定时跟踪伪随机信号的捕获过程完成后，接收器本地伪随机序列的定时误差被同步在几分之一码片时间内。在通信开始后，这一定时误差应该进一步被调整并使之趋于零。另外，由于收发信机间的相对运动以及时钟的不稳定，对伪随机序列定时的校正工作必须不断进行。载波同步从解扩后的信号中获取载波频率误差和载波相位的精确估计，并在扩频信号解扩前或解扩后进行补偿。另外，由于直接序列扩频信号使得接收器可以对信道的多径分量进行分辨，因而直接序列扩频系统可以采用RAKE接收器，故而还需对适合RAKE接收器的载波同步方案进行研究。,73,移动IP技术,移动IP技术是实现网络设备在全球移动漫游的关键性技术。移动IP技术是移动节点使用基于TCP/IP协议的网络时，不用修改网络IP地址，跨网络随意移动和漫游的同时继续享有原网络中一切权限。未来的移动网络将实现全包交换。包括语音和数据都由IP包来承载，语音和数据的隔阂将消失。作为网络层协议，移动IP与运行在什么媒介上无关。移动IP的关键技术：代理搜索：计算节点用来判断自己是否处于漫游状态。转交地址：移动节点移动到外网时从外代理得到的临时地址。登录：移动节点到达外网时进行一系列认证、注册、建立隧道的过程。隧道：家代理与外代理之间临时建立的双向数据通道。,74,软件无线电技术,现存问题：移动通信系统工作在多频带，多标准情况下；每种标准要求不同的设备设计。软件无线电（SDR：SoftwareDefinedRadio）：定义：通过在一般的DSP/FPGA中使用软件来代替ASICs。核心：将宽带/和D/A变换器尽可能地靠近天线，而将电台功能尽可能地采用软件来进行定义。关键思想：尽可能把数字化处理从基带部分向射频部分扩展，在靠近天线的部位（中频，甚至射频）进行宽带A/D和D/A变换，然后用高速数字信号处理（DSP）进行软件处理，从而可以灵活实现各种方式的无线接入，实现尽可能多的无线通信功能，并方便地升级。,75,高速下行链路传输技术,在3GPP中，为了能满足高速移动数据服务，特别是移动因特网业务的需求，在UMTS标准的基础上发展一种增强型的技术，即HSDPA。为实现HSDPA技术，主要提出了如下几种关键技术：增强型DSCH信道概念；自适应调制和编码技术(AMC)；快速蜂窝选择技术(FCS)；混合自动请求重传技术(HARQ)；多输入多输出天线处理技术(MIMO)；快速PACKETScheduler算法。,76,OFDM技术（一）,问题：数字传输中一个很大的问题是多径反射问题，（在电视中表现为重影问题）。如果反射信号接近一个周期或在多个周期中心附近，会给判决带来严重的码间干扰。OFDM技术：OrthogonalFrequencyDivisionMultiplex，正交频分复用，其基础是正交多载波。基本方法：把原来一个载波变成多个载波，把高数码率信号变成低数码率信号，分别调制在每个载波上；由于数码率大大降低，比特周期大大加长，因此反射波的影响就大为减小；由于OFDM各载波间是正交的，因此即使各载间有重叠部分，解调时也能利用正交性把各载波信号分开，就可充分利用带宽，安排尽量多的载波。,77,OFDM技术（二）,作用：可以有效地提高传输速率（可以达到10Mbit/s），同时又可以避免由于高速引起的频率选择性衰落和码间干扰，有效克服反射或重影造成的影响。,OFDM技术举例：,78,第三讲3G移动通信直放站,-面对即将来临的3G通信时代，,我们准备好了吗？,79,线性功放技术（一）,如图：放大器在OA区域时，Pin与Pout成线性关系，即功率增益Gp基本保持不变。Pin继续增加，Pout出现滞胀，Gp开始减小，Pout达到最大后开始下降，Gp进一步减小。通常把增益Gp从Gpmax下降1dB的D点称为1dB增益压缩点，此点是线性和非线性的分界点。Pin超过Pin（1dB）后，放大器很快进入饱和工作区，即非线性区。Pin（1dB）越大，放大器线性度越高。,输出功率与输入功率的关系,80,线性功放技术（二）,PA产生的非线性失真（频谱再生效应）放大器在非线性区域时，输出Pout中包含新的频率分量。如果为单频f1信号，输出Pout中包含f1以及它的的高次谐波频率成分；如果为两个频率f1及f2的组合信号，输出中将包含mf1nf2的频率成分信号，其中m，n分别为0，1，2，考虑到放大器负载的频率是有限的，输出的频率成分中一般包含f1，f2和它们的组合分量2f1-f2、2f2-f1、3f1-2f2、3f2-2f1,81,线性功放技术（三）,下图为输入信号和输出信号的频谱，由于放大器输出产生新的分量而导致的输出信号失真，称为放大器的非线性失真。,放大器的非线性失真,82,线性功放技术（四）,为什么宽带信号要采用线性功放技术？在NCDMA或WCDMA中，即使是单载波，也需要使用高线度指标的RF功率放大器。因为CDMA技术是随机包络的宽带通道，如果采用一般高功放（通常工作于AB类）进行信号放大，由于交调失真的影响产生频谱再生效应，对相邻的信道产生严重的干扰。因此3GPP规定频谱辐射屏蔽（Spectrumemissionmask）的要求；一般的高功放难以达到这个要求，虽然采用A类功放可能会达到这个要求，但效率太低，也难以把信号放大到几十瓦量级，所以在高功放的基础上必须对其进行线性化处理。把运用了线性化技术的功放称为线性功放，它可以较好的解决信号频谱再生问题。,83,线性功放技术（五）,功放线性功化技术分类前馈技术：利用主环路和误差环路来改善功率放大器的非线性失真。即将主环路提取的交调失真信号，在误差环中反相并放大后和主功率放大器输出的信号进行交调失真抵消，从而改善功率放大器非线性失真。预失真技术：在功率放大器的输入通道中插入预失真部件，造成输入信号的预先岐变失真，由于其失真特性与功率放大器的非线性失真特性正好相反，从而消除功率放大器输出信号中的非线性失真产物，实现功率放大器线性化改善目标。,84,线性功放技术（六）,前馈功率放大器原理框图,85,线性功放技术（七）,图7前馈功率放大器各频点谱示意,前馈功率放大器各频点谱示意图,86,线性功放技术（八）,预失真技术包括：一、模拟预失真（RF和IF预失真）二、数字预失真（基带预失真线性功放未来发展的方向）,预失真技术电路组合,87,线性功放技术（九）,一种预失真线性器电路,88,线性功放技术（十）,上图是一种预失真线性器结构，信号经3dB电桥后相位相差90，一路经具有可调移相器和衰减器的“线性支路”，另一路经过由两个反相并联二极管组成的“非线性支路”，然后经3dB电桥耦合器加和输出。经过“线性支路”的信号随输入信号的增加而增加，经过“非线性支路”的信号随输入信号的增加不呈现线性变化，根据微波二极管非线性特性，输入信号小时，二极管衰减大，输入信号大时，二极管衰减小。具有90相差的两路信号再经过3dB耦合器合成，能获得线性化的特征曲线。,89,3G基站塔顶放大器,塔顶放大器：通过将第一放大阶段尽可能地放置在靠近天线的地方以改善接收系统的噪音轮廓。,90,TD-SCDMA塔顶放大器,91,因为CDMA信号是连续波，一个信道内的信号可看成由很多点频信号组成，由于非线性的影响，各点频信号产生互调产物，其中一部分落在其它信道，影响这些信道的正常工作。ACPR就是描述这一现象的重要指标。邻道泄漏功率比（ACLR/ACPR），即AdjacentChannelLeakageRatio/AdjacentChannelPowerRatio。定义为当主信道加一信号时，相邻信道上的功率与主信道的功率的比值。单位：dBc。,ACPR（一）,92,ADVANTESTR3131A频谱仪,测量方法：,ACPR（二）,93,AgilentE4402B频谱仪,R&SFSP频谱仪,ACPR（三）