移动通信第1讲777

1、 移动通信-第一讲 1 1.1.1 .1.1 无线电波传播方式无线电波传播方式 传播路径 直射波-视距传播 反射波 地表面波 D且d ，其中 D为天线最大直线长度 为载波波长 无干扰，无阻挡。 相对介电常数和相对导磁率都等于1 自由空间中的电波传输损耗自由空间中的电波传输损耗 电场强度有效值E0为 )/( 30 0 mV d P E T n磁场强度有效值磁场强度有效值HH0 0为为 )/( 120 30 0 mA d P H T n单位面积上的电波功率密度单位面积上的电波功率密度S S为为 )/( 4 2 2 mW d P S T PT：各向同性天线的辐射功率，单位，单位WattsWatts

2、d：距辐射源的距离，单位米单位米 自由空间中的电波传输损耗自由空间中的电波传输损耗 若用天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线，则上 述公式应改写为: )/( 30 0 mV d GP E TT )/( 120 30 0 mA d GP H TT )/( 4 2 2 mW d GP S TT 电场强度电场强度： 磁场强度磁场强度： 自由空间功率通量密度自由空间功率通量密度： 150MHz时， Bs 频率扩展时间选择性衰落 角度扩展空间选择性衰落 1 1.3 .3 陆地移动信道的传播损耗陆地移动信道的传播损耗 移动通信中传播损耗估算的一 般方法 ( (只对慢衰落有效) ) 1 1.3.1 .

3、3.1 地形、地物分类地形、地物分类 电波传播路径地形地形分类 不不 规规 则则 地地 形形 中等中等 起伏起伏 地形地形 移动通信环境分类移动通信环境分类-电波传播路径地物地物分类 按照地物的密集程度分为： 开阔地环境：在电波传播路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面 郊区环境平坦地形：在移动台附近有些障碍物，稠密建筑物多为12层楼房 城市环境：有较稠密的建筑物和高层楼房大都市高楼大厦稠密建筑区 中等稠密建筑区：多为28层，间或40层高楼 中小建筑区：多为25层，间或20层高楼 平房建筑区：多为24层 1 1.3.3 .3.3 任意地形地区的传播损耗的中值任意地形地区的传播损耗的中值

4、 p117p117 任意地形地区接收信号的功率中值PP f ：载波频率； hb：基台天线高度； d：传输距离； hm：移动台天线高度。 TmmbbmP KfhHdhHdfAPP),(),(),( 0 自由空间自由空间 功率中值功率中值 中等起伏地区中等起伏地区 基本衰耗中值基本衰耗中值 基台天线基台天线 高度因子高度因子 移动台天线移动台天线 高度因子高度因子 mbT GG d PP 2 0 4 自由空间功率中值自由空间功率中值 地形地物地形地物 修正因子修正因子 式中： Kmr郊区修正因子，可由图 3 - 26 求得； Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，可由图 3-27 求得； Kh、Kh

5、f丘陵地修正因子及微小修正值，可由图 3- 28求得； Kjs孤立山岳修正因子，可由图 3 - 29 求得； Ksp斜坡地形修正因子，可由图 3 - 30 求得； KS水陆混合路径修正因子，可由图 3 - 31 求得 sspjshfhromrT KKKKKQQKK 地形地物修正因子：地形地物修正因子： n任意地形地区的传播损耗的中值任意地形地区的传播损耗的中值 LA=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) -KT f ：载波频率； hb：基台天线高度； d：传输距离； hm：移动台天线高度。 自由空间损耗自由空间损耗 (G(Gb bG Gm m/4d) 2 中等起伏地区中等

6、起伏地区 基本衰耗中值基本衰耗中值 基台天线基台天线 高度因子高度因子 移动台天线移动台天线 高度因子高度因子 地形地物地形地物 修正因子修正因子 中等起伏市区中值损耗A Am m(f,d)(f,d) 在计算各种地形、 地物上的传播损耗 时，均以中等起伏 地上市区的损耗中 值或场强中值作为 基准，因而把它称 作基准中值基准中值或基本基本 中值中值。 基站天线有效高度 若基站天线顶点的海拔高度为hts，从天线设置地点开始， 沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度 为hga，则定义基站天线的有效高度为 gatsb hhh 基站天线高度增益因子 移动台天线高度增益因子 街道走向修正

7、曲线 开阔地、准开阔地修正因子 (a) 修正因子Kh; (b) 微小修正因子Khf 丘陵地场强中值修正因子 起伏高度起伏高度 孤立山岳修正因子 f:450900MHz H:110350m H07. 0 斜坡地形修正因子 正斜坡正斜坡负斜坡负斜坡 水陆混合路径修正因子KS 1 1.4.1 .4.1 传播损耗预测模型传播损耗预测模型 室外： Longley-Rice模型：应用于f为40MHz到100GHz之间，不同种类的 地形中点对点的通信系统。可以做到点到点方式的预测和区域预 测。 Durkin模型：建立访问服务区的地形数据库，可看成是二维阵列， 然后计算沿径向的路径损耗，最后仿真的接收机位置可

8、被重复地 移动到服务区不同的位置来推导出信号场强轮廓。 Okumura模型：应用最广泛。 Hata模型：根据Okumura曲线图所作的经验公式，频率范围从 150MHz到1500MHz。以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上 进行修正。 COST-231 模型 Walfish和Bertoni模型 宽带PCS微蜂窝模型 奥村奥村(Okumura)模型模型 OM模型（Okumura模型）：由奥村等人，在日本东京，使 用不同的频率，不同的天线高度，选择不同的距离进行 一系列测试，最后绘成经验曲线构成的模型。 思路：将城市视为“准平滑地形”，给出城市场强中值。 对于郊区，开阔区的场强中值，则以城市场

9、强中值为基 础进行修正。对于“不规划地形”也给出了相应的修正 因子。由于这种模型给出的修正因子较多，可以在掌握 详细地形，地物的情况下，得到更加准确的预测结果。 OM模型适用的范围：频率150MHZ 1500MHZ（可扩展到 3000MHz），基地站天线高度为30200米，移动台天线高 度为110米，传播距离为120千米的场强预测。 Hata 模型 Hate 模型源自Okumura（奥村）模型与Hata 公式。 适用于频率1001500MHz，传播距离在120km 的城 市场强预测。 Lp(dB)=69.55+26.16lgfMHz-13.82lgh1- (h2)+(44.9-6.55lgh1

10、)lgdkm-Kr 例例 在某大城市，蜂窝移动通信系统的工作频率900MHz，基站天线 高度100m，移动台天线高度2m，移动台与基站之间的距离为 4km，计算它们之间的路径损耗。 (h2)=3.2lg(11.75h2)2-4.97=1.045dB Lp=69.55+26.16lgfc-13.82lgh1- (h2)+44.9-6.55lgh1lgd =137.3dB Lp(dB)=69.55+26.16lgfMHz-13.82lgh1- (h2)+(44.9-6.55lgh1)lgdkm-Kr 微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式 Okumura-Hata模型适用于基站天线高

11、度高于其周 围屋顶的宏蜂窝系统，因为在宏蜂窝中，基站天 线都安装在高于屋顶的位置，传播路径损耗主要 由移动台附近的屋顶绕射和散射决定。 在微蜂窝系统中，基站天线高度通常低于屋顶， 电波传播由其周围建筑物的绕射和散射决定。即 主要射线传播是在类似于槽形波导的街道峡谷中 进行，可用COST-231-Walfish-Ikegami模型做微 蜂窝系统传播损耗预测。 在做微蜂窝覆盖区预测时，必须有详细的街道及 建筑物的数据，不能采用统计近似值。 Walfish-Ikegami 模型模型1 在欧洲COST 计划工程231 开发出的半确定性经验模型， 它适合高楼林立地区的中到小型蜂窝的场强确定， 称为 Wa

12、lfish-Ikegami 模型。 WIM 模型与频段8002000MHz，路径长度0.025km 的测量值十分符合，其中基站天线高度hb450m， 移动站天线高度hm13m。 WIM 模型首先在欧洲用于GSM 建模。 Walfish-Ikegami 模型模型2 可视传播路径损耗 fdLblg20lg266 .42 Walfisch-Ikegami 模型模型3 b n非可视传播路径损耗非可视传播路径损耗 Walfisch-Ikegami 模型模型4 屋顶至街道的绕射及散射损耗屋顶至街道的绕射及散射损耗LRTS: Walfisch-Ikegami 模型模型5 多重屏蔽的绕射损耗多重屏蔽的绕射损耗

13、Lms: 室内传播特点室内传播特点 室内模型研究较少，是移动无线信道新的研究领域。 室内传播的主要特征： 覆盖距离更小，环境相对变动更大； 距离短，更接近“近场”； 门的开关和天线安装等对室内信号场强的影响非常大； 更“混乱”，散射波更多，LOS 更少。 室内建模技术 建模技术和方法： 对于走廊LOS 传播，为 dc dc为空间相关距离 移动信道中 市区： d=0.5 郊区： d=0.8 地理位置 信号强度 (3) 频率分集技术频率独立性 将要传输的信息分别以不同的载波发射出去 两个频率成分具有相互独立的衰落特性 条件f2-f1 Bc Bc为相关带宽 （4）角度扩展-空间角度分集 使电波通过不

14、同路径，并以不同角度到达接收端，在接收 端，采用方向性 天线，分离出不同方向 来的信号分量。 相关天线阵列：d c （5）极化分集 不同极化方向（垂直极化和水平极化）的电磁波具有独立 的衰落特性。 空间分集的特殊情况（两路分集支路） （6）场分量分集 电磁波的E场和H场载有相同的消息，而反射机理不同。从 而在接收端获得互不相关的场分量。 场分量分集不要求天线间有实体上的间隔，因此适用于较 低的工作频率。 2.2.现有的主要分集技术现有的主要分集技术 Rake接收-时间分集 智能天线-空间角度分集 多天线阵-空间位置分集 ARQ重传-时间分集 (重发时间大于信道的相关时间) 跳扩频-频率分集+时

15、间(隐分集) 直接序列扩频-频率分集(隐分集) 隐分集隐含在信号传输方式中的分集技术。隐分集隐含在信号传输方式中的分集技术。 3. 3. 合并技术合并技术通过合并技术获得分集增益 合并信号的表达式信号 M k kk trtr 1 )()( 2 2.1.2 .1.2 分集合并性能分集合并性能 2 2.1.3 .1.3 分集重数和数字传输性能分集重数和数字传输性能 L： 分集分集 重数重数 即使只有两路分集信号进行选择合并，性能改善也很显著。 在1差错率时，所需SNR减小约10dB。因而可以 降低发射功率或增大覆盖范围或提高数据传输速 率。 最大比合并输出SNR随合并分支数线性提高。 复杂度成为限

16、制因素。 n概念：隐含在信号传输方式中的分集技术。概念：隐含在信号传输方式中的分集技术。 接收端通过信号处理技术实现分集。接收端通过信号处理技术实现分集。 n包括：包括： RAKERAKE技术技术, , 利用多径现象来增强信号利用多径现象来增强信号 交织编码技术交织编码技术，抗深衰落、抗突发干扰；，抗深衰落、抗突发干扰； 跳频技术跳频技术，抗多径、抗衰落、抗干扰；，抗多径、抗衰落、抗干扰； 直接序列扩频技术直接序列扩频技术，抗多径、抗衰落和干扰。，抗多径、抗衰落和干扰。 多径信号分离与合并的关键技术多径信号分离与合并的关键技术 多径信号分离与信号设计 多径信号分离的基础是采用直接扩展频谱信号。

17、对于 直扩序列的码片（chip）宽度为Tc 的系统，所能分离的 最小路径时延差为Tc。并且所采用的直扩序列信号的自相 关性和互相关性要好。 多径合并与合并准则 多径合并是指：接收端对多径信号检测获得的多个相互独立的峰值包络，并对多个峰 值进行采样，再以适当的方式合并这些采样值。 多径合并准则有：第一路径准则，最强路径准则，检测后积分准则，等增益 合并准则，最大比合并准则，自适应合并准则。具体采用何种准则应依电波传播 环境 、系统性能要求等而定。 RakeRake接收机接收机 RAKE接收机：利用多个并行相关器检测多径信号，按 照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。 利用多径现象来增强信号：

18、移动通信信道是一种多径 衰落信道,RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进 行解调,然后叠加输出达到增强接收效果的目的。 理论基础：当传播时延超过一个码片宽度实际上可被 看作是互不相关的。 目前CDMA接收机都是基于RAKE接收机原理 。 RAKE 接收技术有效地克服多径干扰，提高接收性能接收技术有效地克服多径干扰，提高接收性能 RAKERAKE接收原理接收原理 接收机 单径接收电路 单径接收电路 单径接收电路 搜索器 计算信号强 度与时延 合 并 合并后 的信号 t t s(t)s(t) Qualcomm RAKEQualcomm RAKE接收机接收机 QualcommRAKE接收机采用的

19、是并行相关RAKE接收机 移动台中的RAKE接收机是由三个并行相关器和一个搜索器 构成。搜索器用于搜索最强的多径信号，可搜索3路多径 信号，包括多径信号的相位、到达时刻和强度参数，可利 用系统中基站发送的导引信号（pilot） 得到它们的估值， 搜索相关器的输出控制三路并行相关器，使它们对三路最 强的多径信号进行相关，并采用了相关最大比合并准则。 基站中的RAKE接收机是由4个并行相关器和一个搜索相关 器构成。因为移动台不发送导引信号，基站接收机无法得 到多径信号的相位信息，因此采用非相关最大比合并准则。 2 2.3.1 .3.1 信道编码的基本原理信道编码的基本原理 信道编码是为了降低误码率

20、，提高数字通信的可靠性 而采取的编码。 根据一定的规律，在待发送的信息码元中加入一些冗 余的码元，以换取信息码元在传输中的可靠性。 称信源待发送的码元为信息码元； 称加入的冗余码元为监督(校验)码元。 信道编码的目的是以加入最少的冗余码元为代价，换 取提高最大的可靠性。 无纠错编码： BER10-1 10-2 不能满足通信需要 卷积编码： BER10-3 满足语音通信需要 Turbo 码： BER10-6 满足数据通信需要 例：例：3 3位二进制数构成的码组表示天气位二进制数构成的码组表示天气 如不要检（纠）错，传输如不要检（纠）错，传输4 4种不同的信息，用两位码组就够了，种不同的信息，用两

21、位码组就够了， 这两位码代表所传信息，称为信息位，多增加的称为监督位。这两位码代表所传信息，称为信息位，多增加的称为监督位。 分分 类类 按照加入冗余码元的规律，信道编码可以分为线性和非线 性两大类，分别称为线性码和非线性码。 按照监督位完成的功能可划分为仅具发现差错功能的检错 码和具有纠正差错功能的纠错码两类。 按信息码元和监督码元之间的约束方式：分组码、卷积码。 2 2.3.2 .3.2 信道编码的类型信道编码的类型 线性分组码：按照代数规律构造，故又称为代数编码。一 般可记为(n,k)码，其中k为信息码长度，n为码组长度， 而监督位长度为n-k。编译码时按每k个信息码元一组进行。 它包括

22、汉明码、BCH码、Fire码和RS码等。 卷积码：一种非分组的有记忆编码，是以编码规则遵从卷 积运算而得名。可记为(n,k,l)码，其中k表示输入信息的 位数，n表示输出码元的位数，通常称l=m+1为约束长度 (记忆长度) ，m表示编码器中寄存器的节数。 输出码元n不仅与输入信息位k有关，而且与编码器中记忆的m位有关。 其译码既可采用传统的代数方法，也可采用概率方法，而常用的是概 率方法。 在数字移动通信中，GSM和IS-95主要采用卷积码，在第三 代移动通信中，话音采用卷积码，数据则既可采用卷积码 也可采用TURBO码。 2 2.3.3 .3.3 卷积码卷积码 不仅可纠正随机差错，而且可纠正

23、突发差错。 优点： 编码直接了当 ； 输出增加了冗余（时间域扩展），因而具有抗噪 声能力 。 缺点 解码复杂。 卷积码的表示方法有图解表示法和解析表示法两种 。 （3,1,33,1,3）卷积编码器）卷积编码器 1j m 2j m 1 m 移位寄存器状态 1, j p 2, j p （3，1，3）卷积码的约束长度为）卷积码的约束长度为3，编码效率为，编码效率为1/3， j m GSMGSM系统中的卷积码系统中的卷积码 （1:2,约束长度为5） GSM系统首先将话音分成20ms的音段，这20ms的音段通过 话音编码器被数字化话音编码，产生260个比特流，并被 分成： 50个最重要比特加上3个奇偶校

24、验比特(分组码) 132个重要比特加上4个尾比特 78个不重要比特 5013278 501327834 378已编码比特已编码比特78未编码比特未编码比特 456bits ISIS9595中的卷积码中的卷积码 IS95标准对正反向信道采用不同的编码方式。 正向信道除导频信道外的所有信道均使用（2，1，9）卷积编码；卷积码的码率为1/2. 反向信道使用（3，1，9）卷积编码, 码率为1/3。 12345678 0 P 输出 信息 比特 1 P 输入信息比特 （a） IS-95前向链路1/2卷积编码器 12345678 输入信息比特 0 P 1 P 2 P 输出 信息 比特 （b） IS-95反向

25、链路1/3卷积编码器 卷积码译码卷积码译码 大数逻辑译码,又称门限译码； 该译码方法是从线性码的伴随式出发，找到一组特殊 的能够检查信息位置是否发生错误的方程组，从而实 现纠错译码。 概率译码 维特比译码 序列译码 门限译码方法是以分组理论为基础的，其译码设备简 单，速度快，但其误码性能要比概率译码法差。 Viterbi Viterbi 译码译码 维特比译码是1967年维特比提出的一种概率译码法，实质上 就是最大似然译码。 译码准则： 在数字与数据通信中，通信的可靠性一般用平均误码率Pe来度量。 由概率论知，最小的Pe等效于最大后验概率。 在信源先验等概的条件下，最大后验概率等效于最大似然概率

26、。 对于无记忆二进制对称信道(BSC)，最大似然概率又等效于最小汉明 距离。因此硬判决维特比译码的判决度量值是汉明距离，判决准则是 最小汉明距离准则。 软判决维特比译码基于离散无记忆信道(DMC)模型， 判决度量值是似然概率值，判决准则是最大似然准则。 软判决比硬判决的复杂性增加不多，但性能提高1.52dB。 故目前的维特比算法中常采用软判决。 2 2.3.3 .3.3 交织编码技术交织编码技术 目的：把一个较长的突发差错离散成随机差错，再利用纠正 随机差错的编码技术消除随机误差。 原因：深度衰落时间较长， 人为干扰大， 自然突发噪声。 交织器结构：交织深度M 交织深度越大， 抗突发差错能力

27、越强。 交织器原理 交织器原理交织器原理 交织、解交织步骤： 发送数据（块）信道编码； 发送端交织存储器为一个行列交织矩阵存储器，它按行写入，按列读 出 交织器输出后并送入突发信道的信号 在接收端，将受突发干扰的信号送入解交织器，解交织器也是一个行 列交织矩阵的存储器，它是按列写入，按行读出（正好与交织矩阵规 律相反）， 2 2.3.4 Turbo.3.4 Turbo码及其关键技术码及其关键技术 在ICC93由C. Berrou等人提出 具有接近仙农极限的编码性能 关键技术 递归系统卷积码 非均匀交织器 软输出译码算法 迭代译码 3G 非实时数据通信广泛采用了TURBO码 TurboTurbo

28、码码 Turbo编码结构基于两个或多个弱差错控制码组合，信息比特在编码结构基于两个或多个弱差错控制码组合，信息比特在 两个编码交织器之间交织，产生两个相同的信息流，然后这些信两个编码交织器之间交织，产生两个相同的信息流，然后这些信 息流复用并有可能打孔。息流复用并有可能打孔。 解码时需要进行循环叠代计算。解码时需要进行循环叠代计算。 交织器交织器 卷积编码器卷积编码器1 卷积编码器卷积编码器2 复用复用 输入输入 输出输出 多径衰落信道TurboTurbo码的性能 重点和难点： 信道估计 多径信道信道信息在Turbo码译码中的应用 概率计算的闭合形式及简化 解决办法： 将单径瑞利信道译码方法推

29、广 不利用信道信息，通过高斯函数逼近接收机输出 的判决变量分布的译码方法 2.4 均衡技术 n概念：对移动信道特性进行均衡，矫正信道传输函数使其 满足无失真传输条件。 n目标：抵消信道的时变,多径传播特性引起的码间串扰， 消除信道的频率选择性和时间选择性。 n分类：频域均衡校正幅频特性和群延时，模拟通信 时域均衡使冲击响应无码间串扰，数字通信 n应用：信号不可分离多径，时延扩展足够大。 n抗时变性：自适应参数调整自适应均衡 2 2.3.1 .3.1 时域均衡原理时域均衡原理 nNyquist第一准则， 理想传输，信道失真 n均衡：利用信道均衡器使总的脉冲响应函数接近理想 状态，消除非理想信道引起的码间串扰。 n实现方法：横向滤波器，调节权系数使其它时刻的信 号在分析时为零。 均衡准则与分类均衡准则与分类 均衡准则-“估计”问题 系数收敛 最小峰值失真准则, 使干扰的峰值最小 最小均方误差准则, 估值的误差均方值最小 分类: 自适应均衡器自适应均衡器 线性均衡器线性均衡器 判决反馈均衡器（判决反馈均衡器（DFEDFE） 最大似然序列估值器最大似然序列估值器(MLSE)(MLSE) 最大似然符号检测器最大似然符号检测器(MLSD)(MLSD) 非线性非线性 4.4.2 4.4.2 自适应均衡器