《无线通信基础及应用》课件第5章

第5章无线通信系统与网络5.1GSM移动通信系统5.2CDMA蜂窝移动通信系统5.3第三代移动通信系统及其演进5.4第三代移动通信长期演进技术——LTE5.5卫星通信5.6无线传感器网络5.7其他无线通信系统

5.1GSM移动通信系统

5.1.1概述

GSM是GlobalSystemforMobileCommunication(全球

移动通信系统)的缩写，是由欧洲电信标准化协会(ETSI，EuropeanTelecommunicationStandardizationInstitute)提出

的第二代数字蜂窝移动通信系统标准。经过多年的发展，GSM目前包括GSM900、DCS1800和PCS1900三个不同频

段的系统，用户遍及欧洲、亚洲、非洲、美洲、大洋州的130多个国家和地区。

GSM采用FDD双工方式和TDMA/FDMA多址接入方式，以语音业务为主，也支持无线的数据业务。GSM的总体结构如图5-1所示。图5-1GSM的总体结构基站控制器(BSC)主要完成如下功能：

(1)接口管理。

(2)BTS与BSC之间的地面信道管理。

(3)无线参数及无线资源管理。

(4)无线链路测量与话务量统计。

(5)控制小区切换。

(6)支持呼叫控制。

(7)操作与维护。5.1.2GSM无线子系统的结构原理

1.无线子系统的硬件结构

图5-2显示了无线子系统的网络结构及其与基站控制器(BSC)的连接关系。图5-2无线子系统的网络结构示意图

1)基站收发信机(BTS)

BTS通过Abis标准接口与BSC互连，通过Um接口与MS通信，主要完成Um接口协议和Abis接口协议的处理，从而实现BSC与MS之间的信息转换。BTS主要由公共子系统、载频子系统、射频前端子系统和天馈子系统四个功能子系统组成。一种典型BTS的逻辑功能框图如图5-3所示。图5-3典型BTS的逻辑功能框图下面对BTS的不同部分分别进行介绍。

(1)公共子系统。

(2)载频子系统。

(3)射频前端子系统。

(4)天馈子系统。天馈子系统的主要功能是作为射频信号发射和接收的通道，由天线、馈线、跳线和塔顶放大器等组成，其连接关系如图5-4所示。图5-4天馈子系统的连接示意图塔顶放大器为可选件，一般选配三工塔放，紧靠天线安装。三工塔放由三工滤波器、低噪声放大器和馈电三部分组成，如图5-5所示。图5-5三工塔放的原理框图

2)BSS的操作维护子系统

操作维护子系统通过OMC提供对基站进行远端操作维护的功能，或是通过人机接口(MMI)终端提供对BSS进行本地近端操作维护的功能。两者都需要BSS操作维护程序的支持。操作维护程序是BSS软件的公共控制部分，是BSS操作维护功能的核心，BSS的其他各部分程序均有与它的接口。

2.无线子系统的组网

1)星型组网

星型组网适用于一般的应用场合，在城市人口稠密的地区这种组网方式尤为普遍。星型组网方式的优点是组网中每个BTS都有E1线直接和BSC相连，这种组网方式简单，维护、工程施工、扩容等都很方便。由于信号经过的环节少，因此线路可靠性较高。星型组网的缺点是对传输线的需要量比其他组网方式大。星型组网示意图如图5-6所示。图5-6星型组网示意图

2)链型组网

链型组网示意图如图5-7所示。图5-7链型组网示意图

3)树型组网

树型组网方式适用于网络结构、站点及用户密度分布较复杂的情况，比如大面积用户与热点地区或小面积用户交错的地区。树型组网传输线的消耗量小于星型组网。由于信号经过的环节多，因此树型组网线路可靠性相对较低，工程施工难度较大，维护相对困难；上级BTS的故障可能会影响下级BTS的正常运行；扩容不方便，可能会引起对网络的较大改造；树型组网对串联的级数有限制，一般要求串联不超过5级，即树的深度不要超过5层。树型组网示意图如图5-8所示。图5-8树型组网示意图

4)环型组网

环型组网方式适用于一般的应用场合。环型组网有较强的自愈能力，如果某处的E1损坏，则环型网可以自愈成一个链型网，业务不会受到任何影响。一般情况下，只要路由允许，都应尽可能组建环型网。环型组网示意图如图

5-9所示。图5-9环型组网示意图

3.无线子系统的信号流

1)下行业务信号流

下行业务信号流如图5-10所示。图5-10下行业务信号流

2)上行业务信号流

上行业务信号流如图5-11所示。图5-11上行业务信号流

3)基站的信令处理信号流

基站的信令处理信号流如图5-12所示。图5-12基站的信令处理信号流

4.BTS软件结构

BTS软件结构示意图如图5-13所示。图5-13BTS软件结构示意图5.1.3GSM的主要规格参数

GSM的主要规格参数如表5-1所示。

1.TDMA/FDMA多址接入方式

GSM中物理信道、时隙、帧之间的关系如图5-14所示。图5-14TDMA／FDMA接入方式

2.信道频率与绝对射频信道号之间的关系

1)GSM900

共124个可用射频信道，ARFCN为1～124。按照国家

规定，中国移动通信公司占用890～909/935～954MHz，

中国联合通信公司占用909～915/954～960MHz。频率与ARFCN(n)的关系如下：

基站收：

基站发：

2)DCS1800

共374个频点，ARFCN为512～885。频率与ARFCN(n)的关系如下：

基站收：

基站发：

3.调制方式

GSM采用0.3GMSK调制方式。其中，0.3表示高斯脉

冲成形滤波器的3dB带宽与比特周期的乘积(即BTb=0.3)。通过使载波频率偏移±67.708kHz来表示二进制中的0和

1。GSM信道速率为270.833kb/s，其频谱利用率为

1.35(b/s)/Hz。5.1.4GSM逻辑信道

1.业务信道(TCH)

TCH复帧结构如图5-15所示。图5-15业务信道复帧结构

2.控制信道(CCH)

控制信道用于传送系统的信令和同步信号。GSM中

有三种主要的控制信道：广播信道(BCH，Broadcast

CHannel)、公共控制信道(CCCH，CommonControlCHannel)和专用控制信道(DCCH，DedicatedControlCHannel)。控制信道复帧包含51个TDMA帧。CCH复帧结构如图5-16所示。图5-16控制信道复帧结构

1)广播信道(BCH)

(1)频率校正信道(FCCH，FrequencyCorrectionCHannel)

(2)同步信道(SCH，SynchronizationCHannel)

(3)广播控制信道(BCCH，BroadcastControlCHannel)

2)公共控制信道(CCCH)

(1)寻呼信道(PCH)

(2)随机接入信道(RACH)

(3)接入认可信道(AGCH)

3)专用控制信道(DCCH)

(1)独立专用控制信道(SDCCH，StandaloneDedicatedControlCHannel)。

(2)慢速辅助控制信道(SACCH，SlowAssociatedControlCHannel)。

(3)快速辅助控制信道(FACCH，FastAssociatedControlCHannel)。5.1.5GSM帧结构

例5-1GSM使用每帧包含8个时隙的帧结构，并且每一时隙包含156.25bit的信息数据，一个射频信道的数据传送速率为270.833kb/s，试求：

(1)一个比特的时长；

(2)一个时隙长；

(3)一个帧的时长；

(4)占用一个时隙的用户在两次发射之间必须等待的

时间。

解：(1)一个比特的时长为

(2)一个时隙长为

(3)帧长为

(4)占用一个时隙的用户必须等待4.616ms，在一个新帧到来之后才可进行下一次发射。

图5-17示出了GSM中时隙、帧、复帧、超帧和超高帧的格式，以及这些时帧之间的关系与分层结构。图5-17GSM的时帧结构关系

GSM规定了五种数据突发序列格式，如图5-18所示。图5-18GSM中的数据突发序列格式

例5-2

如图5-18所示，GSM的一个常规突发序列由以下几部分构成：6个尾比特、8.25个保护期、26个训练序列、2个控制比特、两组各57bit的信息数据。求GSM的帧效率。

解：一个时隙有

一个帧有

每帧的系统开销为

所以帧效率为5.1.6语音编码和信道编码

图5-19给出了语音在GSM移动台中处理后送至发送端的过程。图5-19GSM移动台中的语音处理过程

1.语音编码

GSM采用规则脉冲激励-长期预测编码(RPE-LTP)的语音编码方式，其处理过程是先对模拟语音信号进行8kHz抽样，按每20ms为一帧进行处理，每帧分为4个子帧，每个子帧长5ms，输出RPE-LTP的纯比特率为13kb/s。

2.信道编码

语音编码器输出为每20ms一帧，一帧中含有260bit。信道编码时，首先将这260bit数据按照重要性分成三类，三类信息分别为Ⅰa类50bit、Ⅰb类132bit和Ⅱ类78bit。Ⅰa类是最重要的，Ⅰb类第二重要，Ⅱ类是不重要的。重要的信息进行重点保护，不重要的信息未受到任何保护。

为了提高编码效率，按重要性对这三类数据分别进行不同的冗余处理，处理过程如图5-20所示。图5-20信道编码过程

例5-3

假设半速率语音编码器在20ms的抽样时间段上完成语音编码，编码器的输出为120bit。其中，Ⅰa类

30bit是最重要的，Ⅰb类为60bit，Ⅱ类为30bit。假设进行半速率信道编码，信道编码器的输出速率为多少？其中纠错编码速率为多少？

解：依据图5-20所示的信道编码原理，Ⅰa类数据30bit加上3个奇偶校验比特后为33bit，之后与Ⅰb类60bit加上

4个尾比特后进行卷积编码，得到194bit。最后加上Ⅱ类

30bit形成224bit的数据块输出，经信道编码之后，信道编码器总的输出速率为

其中，纠错编码的速率为

3.交织

信道编码输出的是一系列有序的语音帧，传输过程中会由于信道衰落等因素造成突发性的、连续的比特错误，GSM采用交织技术来减小突发错误的影响。交织技术的实质是时间分集，就是将要传输的数据码重新排序，重新排序的结果使得突发差错时产生的成串错误的比特位来自交织前信道编码不同的位置。

比特交织如图5-21所示。图5-21比特交织块交织是在相邻不同语音帧之间进行的。现假设有三个语音帧，如图5-22所示。在GSM的一个突发脉冲序列(即TDMA帧的一个物理时隙)中，包括一个语音帧中的两组业务数据，如图5-23所示。图5-22三个语音帧图5-23语音突发序列的结构图5-24给出了交织的处理过程。

对于交织技术，交织深度越大，离散度就越大，抗突发差错能力就越强。但从上面的讨论可以看出，交织处理过程会产生时延，交织深度越大，交织编码处理时间就越长，产生的时延就越大。因此，通过交织处理提高抗差错能力是以增加处理时延为代价的，这也是交织编码属于时间分集技术的原因。所有的交织器都有一个固定时延，实际中，所有的无线数据交织器的时延都不超过40ms，GSM中是37.5ms，这种时延是人们可以忍受的。图5-24交织的处理过程示意图5.2CDMA蜂窝移动通信系统

码分多址(CDMA)比TDMA和FDMA具有更多优越性。

CDMA系统的特点如下：

(1)系统容量大。

(2)系统具有“软容量”的特性。

(3)通话质量好。

(4)具有“软切换”功能。

(5)频率规划简单。

(6)保密性强，通话不易被窃听。5.2.1IS-95CDMA系统

IS-95系统的网络结构如图5-25所示。与GSM网络类似，CDMA网络也是由无线子系统、网络子系统和运营支持子系统构成的。图5-25IS-95系统的网络结构

IS-95系统的空中接口是美国TIA(电气工业协会)于1993年公布的双模式(CDMA/AMPS)的标准，简称Q-CDMA标准，主要包括下列几个部分。

1.频段

2.信道数

3.调制方式

4.扩频方式

5.语音编码

6.信道编码

7.导频、同步信道

8.多径信号的利用5.2.2IS-95系统的无线传输

IS-95系统在基站到MS的传输(前向传输)方向上设置了导频信道、同步信道、寻呼信道和前向业务信道，MS到基站的传输(反向传输)方向上设置了接入信道和反向业务信道，如图5-26所示。图5-26CDMA蜂窝系统的信道示意图

1.前向信道

1)前向逻辑信道

前向逻辑信道由导频信道(PilotChannel)、同步信道(SynchronizingChannel)、寻呼信道(PagingChannel)和前向业务信道(TrafficChannel)等组成，如图5-27所示。

图5-27前向码分物理信道与逻辑信道之间的映射关系

2)前向信道传输

图5-28为前向CDMA逻辑信道结构图。图5-28前向CDMA逻辑信道结构图

2.反向信道

1)反向逻辑信道

反向链路中的逻辑信道由反向接入信道和反向业务信道等组成，如图5-29所示。图5-29反向链路码分物理信道和逻辑信道配置图5-30是反向CDMA逻辑信道结构图。网内MS可随机占用接入信道发起呼叫和传送应答信息。反向业务信道与前向业务信道一样，用于传送用户业务数据，同时也传送信令信息，如功率控制信息。图5-30反向CDMA逻辑信道结构图

2)反向信道传输

反向CDMA逻辑信道结构图如图5-30所示。5.2.3CDMA系统的功率控制

1.前向功率控制

前向功率控制示意图如图5-31所示。图5-31前向功率控制示意图

2.反向功率控制

1)开环功率控制

2)闭环功率控制图5-32反向闭环功率控制示意图5.2.4CDMA系统的软切换

在CDMA系统中，信道切换包括如下三种：硬切换、软切换和更软切换。硬切换发生在使用不同载频的两个CDMA基站之间。CDMA的硬切换过程和GSM的硬切换大体相似。软切换发生在具有相同载频的CDMA基站之间。软切换过程中原小区基站和新小区(一个或多个)基站都为

要切换的MS提供服务，保持呼叫不间断，如图5-33所示。图5-33软切换示意图更软切换是一种发生在同一基站的不同扇区的切换，发生在两个扇区或三个扇区之间。这种类型的切换只发生在小区内，而不涉及移动交换中心，如图5-34所示。图5-34更软切换示意图5.2.5RAKE接收技术

CDMA接收机通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。其实RAKE接收机完成的是：通过多个相关检测器获取多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起。图5-35所示为一个RAKE接收机原理图。图5-35m支路RAKE接收机原理图

m路信号的统计判决参见图5-35。图中，m个相关器的输出分别为Z1，Z2，…，Zm，其权重分别为α1，α2，…，αk，…，αm。权重的大小是由各支路的输出功率或SNR

决定的。如果支路的输出功率或SNR小，那么相应的权重就小。正如最大比率合并分集方案一样，总的输出信号Z′为权重αk可用相关器的输出信号总功率归一化，其总和为1，即

5.3第三代移动通信系统及其演进

5.3.1系统概述

第三代移动通信系统(简称3G)的目标是实现个人用户终端在全球范围内任何时候(Whenever)在任何地点(Wherever)与另一个人(Whomever)以任何方式(Whatever)可以进行通信。3G将卫星移动通信网与地面移动通信网相结合，形成了一个全球无缝覆盖的立体通信网络，满足了城市和偏远地区不同密度用户的通信需求，支持语音、数据和多媒体业务。3G系统中采用了高效信道编码、软件无线电、智能天线、多用户检测和干扰消除等新技术。

1.IMT-2000的主要要求

ITU对第三代陆地移动通信系统的基本要求如下：

(1)业务数据速率方面。

(2)业务质量。

(3)具有全球设计范围内的高度兼容性，能够实现多种网络互联，具有从2G向3G过渡的灵活性，以及向未来通信演进的灵活性。IMT-2000业务能与固定网络业务兼容。

(4)全球无缝覆盖，移动终端可以连接到地面网和卫星网，使用方便。

(5)移动终端体积小，重量轻，具有全球漫游功能。

2.IMT-2000的频带划分

1992年世界无线电管理委员会(WARC)根据ITU-R对IMT-2000的业务量和所需频谱的估计，划分了230MHz带宽给IMT-2000。1885～2025MHz及2110～2200MHz频带可用于全球范围内IMT-2000的业务。1980～2010MHz和2170～2200MHz为卫星移动业务频段，共60MHz；其余170MHz为陆地移动业务频段，其中对称的频段是2×60MHz，不对称的频段是50MHz。

3.IMT-2000标准化组织机构

1)3GPP

2)3GPP25.3.2WCDMA系统

1.WCDMA系统概述

WCDMA通信系统也称为UMTS。整个系统由陆地无线接入网络子系统(UTRAN，UMTSTerrestrialRadioAccessNetwork)、核心网络子系统(CN，CoreNetwork)和用户终端设备(UE，UserEquipment)三部分构成，如图5-36所示。图5-36UMTS网络系统构成示意图

2.WCDMA陆地无线接入网络子系统UTRAN

UTRAN由一组通过Iu连到核心网CN的无线网络子系统(RNS，RadioNetworkSubsystem)组成。一个RNS由一个基站控制器(RNC)和一个或多个基站(NodeB)组成，如图5-37所示。图5-37UTRAN结构示意图

1)RNC

RNC完成的主要功能如下：

(1)提供标准的、开放的Iub接口与NodeB相连。

(2)对与之连接的所有NodeB进行无线资源管理和控制。

(3)提供标准的、开放的Iur接口与其他RNC相连。

(4)提供标准的、开放的Iu接口与CN相连，包括Iu-CS和Iu-PS。

(5)支持FDD方式并可以扩充至支持TDD的Uu接口。

(6)可以选择大容量的ATM交换功能，提供多种中继接口(如E1和STM-1)。

(7)支持多种业务，包括电路数据业务、分组数据业务和多媒体业务。

(8)支持最高用户数据速率为2Mb/s的电路数据业务与分组数据业务的处理和传输。

2)NodeB

NodeB由下列几个逻辑功能模块构成：多载波功放、射频收发信机(TRX)、基带部分(BaseBand)、传输接口单元、主控制单元等，如图5-38所示。图5-38NodeB的逻辑组成

3.空中接口(Uu)总体描述

空中接口协议结构如图5-39所示。图5-39Uu接口协议结构

1)RRC层介绍

RRC层包含如下四个功能实体。

(1)广播控制功能实体(BCFE)：处理系统信息广播。RNC中的任一个小区至少存在一个对应的BCFE实体。

(2)寻呼与公告控制功能实体(PNFE)：处理空闲模式UE的寻呼。在RNC中，每一个由此RNC控制的小区至少对应有一个PNFE实体。

(3)专用控制功能实体(DCFE)：负责处理每个UE指定的所有功能和信令。在SRNC(服务RNC)中，每个与该RNC存在RRC连接的UE有对应的DCFE实体。

(4)路由功能实体(RFE)：为去往不同的MM/CM实体(UE侧)或者不同的核心网(UTRAN侧)的高层(非接入层)消息选择路由。

2)L2/RLC层介绍

RLC向上层提供的服务如下：

(1)RLC连接建立/释放。

(2)透明数据传输业务(对数据进行分段和重组，并把用户数据传送出去)。

(3)非确认数据传输业务(对数据分段、重组、串接，并对用户数据进行传送)。

(4)确认数据传送业务(数据分段和重组、数据纠错、高层PDU按顺序排列传送、重复检测、流量控制、协议错误检测和恢复)。

(5)服务质量(QoS)设定。

(6)不可恢复错误通知。

(7)高层消息多点传送。

3)L2/MAC层介绍

MAC层提供的功能如下：

(1)逻辑信道与传输信道的映射。

(2)基于瞬时源速率，为传输信道选择适当的传输格式。

(3)同属一个UE的不同数据流的优先级处理。

(4)通过动态调度实现不同UE的优先级处理。

(5)DSCH(下行共享信道)和FACH(前向接入信道，在一个小区中从基站向移动台发送消息)上不同用户的数据流之间的优先级处理。

(6)在公用传输信道上标识不同的UE。

(7)高层PDU和经公共传输信道上接收/发送的传输块之间的复用/解复用。

4)PHY层介绍

物理层主要执行以下功能：

(1)宏分集的合并/分离和软切换的执行。

(2)传输信道上的错误检测并向高层指示。

(3)前向纠错码编解码和传输信道的交织/解交织。

(4)传输信道的复用和编码组合传输信道的解复用。

(5)速率匹配。

(6)编码组合传输信道到物理信道上的映射。

(7)物理信道的功率加权和合并。

(8)频率和时间同步。

(9)闭环功率控制。

(10)RF处理。图5-40上行DPDCH/DPCCH的帧结构图5-41下行DPCH的帧结构5.3.3TD-SCDMA系统

1.概述

TD-SCDMA是我国在国际上第一次提出的通信系统性标准。TD-SCDMA标准提出并成为世界广泛支持和承认的国际标准，是我国电信发展史上的里程碑。

TD-SCDMA采用TDD双工方式，系统融合了当今国际领先的智能无线、同步CDMA和软件无线电等技术。在频谱利用率、对业务支持的灵活性、频率灵活性及成本等方面具有独特的优势。

2.TD-SCDMA空中接口与协议

TD-SCDMA的系统组成以及接入网结构、接口、协议等基本与WCDMA相同(参见图5-36和图5-37)。TD-SCDMA与WCDMA的主要区别体现在空中接口的无线传输部分上(实际上，3G系统标准的主要区别都体现在空中接口的无线传输技术上)，特别是物理层方面。

与WCDMA一样，TD-SCDMA空中接口的协议栈分为三层。图5-42中描述了TD-SCDMA与物理层(L1)有关的无线接口协议体系结构。图5-42TD-SCDMA无线接口协议体系结构(图中的圈表示服务接入点)

1)物理层

与WCDMA相比，上行同步控制和上、下行波束成形是TD-SCDMA所独有的。TD-SCDMA和WCDMA的基

本参数比较见表5-4。

(1)信道。

公共传输信道有六种类型：BCH、FACH、PCH、RACH、USCH、DSCH。

图5-43给出了TD-SCDMA的物理信道的信号格式。图5-43TD-SCDMA的物理信道的信号格式

(2)帧结构。一个TDMA帧的长度为10ms，分成两个5ms子帧，每10ms帧长内的2个子帧的结构是完全相同的。

如图5-44所示，上行和下行业务时隙总数为7个，每个业务时隙的长度是864个码片的持续时间。在7个业务时隙中，时隙0总是分配给下行链路，而时隙1总是分配给上行链路。上行链路的时隙和下行链路的时隙之间由一个切换点分开。在下行时隙和上行时隙之间，一个特殊间隔作为上行和下行的切换点。在每个5ms的子帧中，有两个切换点(下行到上行和上行到下行)。图5-44TD-SCDMA子帧结构图5-45对称分配和不对称分配上下行链路的例子图5-46TD-SCDMA突发结构

2)RLC层

RLC子层由三种RLC实体构成：透明模式(TM)实体、非确认模式(UM)实体和确认模式(AM)实体。

图5-47示出了RLC模型中的不同RLC实体。图5-47RLC子层总体模型

3)MAC层

(1)MAC层结构。图5-48所示为UE侧和UTRAN侧MAC结构示意图。图5-48MAC结构

(2)MAC层的功能。

(3)MAC层的协议数据单元PDU。

MACPDU由一个可选的MAC头和一个MAC业务数据单元(MACSDU)组成，如图5-49所示。MAC头和MAC

SDU都是长度可变的。图5-49MACPDU的组成

4)RRC功能

RRC执行以下功能：

广播与非接入层(核心网)相关的信息，广播与接入层相关的信息，建立、维护和释放UE和UTRAN之间的一个RRC连接，无线承载的建立、重配置和释放，分配、重配置和释放用于RRC连接的无线资源，RRC连接移动性功能，控制所请求的QoS，UE测量报告以及对报告的控制，外环功率控制，加密控制，慢速动态码分配，寻呼，初始小区选择及小区重选，上行链路DCH上无线资源的仲裁，RRC消

息完整性保护，定时提前，CBS控制。

3.TD-SCDMA的关键技术

1)智能天线

智能天线的主要优点如下：

(1)提高了基站接收机的灵敏度。

(2)提高了基站发射机的等效发射功率。

(3)降低了系统的干扰。

(4)增加了CDMA系统的容量。

(5)改进了小区的覆盖。

(6)降低了无线基站的成本。

2)联合检测

联合检测技术是多用户检测(Multi-userDetection)技术的一种。在CDMA系统中，多个用户的信号在时域和频域上是混叠的，接收时需要在数字域上用一定的信号分离方法把各个用户的信号分离开来。信号分离的方法大致可以分为单用户检测和多用户检测技术两种。一个CDMA系统的离散模型可以用下式来表示：

e=A·d+n

其中，d是发射的数据符号序列；e是接收的数据序列；n是噪声；A是与扩频码c和信道脉冲响应h有关的矩阵。图5-50联合检测原理示意图当信号在移动信道中传输时，会发生信号幅度的衰落和信号相位的畸变。移动信道中某个用户k的等效基带信道冲激响应可以表示为

(5-3-1)

其中，L为信道的多径数；ak，l为瑞利分布的幅度衰落，它对于每条路径来说都是独立分布的；γk，l(t)表示信道的相位畸变，服从［0，2π］间的均匀分布；Tc为扩频码的码片宽度。图5-51Midamble的发送模型相干信道估计是指用序列相干解调的方法来估计信道响应，如图5-52所示。图5-52相干解调示意图假设接收到的训练序列为Mk(n)，本地训练序列为Mk0(n)，通过作积分相关可得信道估计值：

(5-3-2)设原始数据为d0(t)，解调前的用户接收数据为d(t)，解调后的用户数据为则有

(5-3-3)

由于在慢衰落信道中，

在快衰落信道中，

并不一定成立，故有

(5-3-4)智能天线和联合检测两种技术相结合，不等于将两者简单地相加。TD-SCDMA系统中智能天线技术和联合检测技术相结合的方法，使得在计算量未大幅增加的情况下，上行能获得分集接收的好处，下行能实现波束赋形。图5-53说明了TD-SCDMA系统智能天线和联合检测技术相结合的方法。图5-53智能天线和联合检测技术相结合的流程示意图

3)接力切换

接力切换适用于同步码分多址(SCDMA)移动通信系统，是TD-SCDMA移动通信系统的核心技术之一。

SCDMA通信系统中的接力切换基本过程可描述如下(参见图5-54)：

(1)MS和BS0通信。

(2)BS0通知邻近基站信息，并提供用户位置信息(基站类型、工作载频、定时偏差、忙闲等)。

(3)切换准备(MS搜索基站，建立同步)。

(4)BS或MS发起切换请求。

(5)系统决定执行切换。

(6)MS同时接收来自两个基站的相同信号。

(7)完成切换。图5-54接力切换示意图

4)动态信道分配(DCA)

DCA技术主要研究的是频率、时隙、扩频码的分配方法，对TD-SCDMA系统而言还可以利用空间位置和角度信息协助进行资源的优化配置。DCA是一种最小化系统自身干扰的方法，其减小系统内干扰的手段更为多元化。因此DCA可使系统资源利用率最大化并提高链路质量。DCA技术有频域DCA、时域DCA、码域DCA和空域DCA等四个方面的内容。5.3.4CDMA2000系统

1.概述

CDMA2000是由CdmaOne演进而来的一种3G标准，由美国QUALCOMM公司开发。CDMA2000是在IMT-2000标准化之前使用的名字，标准化过程中称为MC-CDMA(MC意指多载波)。CDMA2000是美国向ITU-T提出的第三代移动通信空中接口标准的建议，同时也是IS-95标准向第三代移动通信系统演进的技术体制方案。CDMA2000的一个主要特点是可从IS-95B系统的基础上平滑地升级到3G，因此建设成本比较低。CDMA2000采用CDMA多址方式和FDD双工方式，可支持语音和分组数据等业务。

2.系统结构

一个完整的CDMA2000移动通信网络由多个相对独立的部分构成，如图5-55所示。图5-55CDMA2000系统结构

3.技术特点

CDMA2000的无线接口参数如表5-5所示。

4.CDMA2000-1X

从IS-95A/B演进到CDMA2000-1X，主要增加了高速分组数据业务，原有的电路交换部分基本保持不变。这样在原有的IS-95A/B的基站中，需要增加分组控制模块PCF来完成与分组数据有关的无线资源控制功能，在核心网部分增加分组数据服务节点PDSN和鉴权认证系统AAA。其中，PDSN完成用户接入分组网络的管理和控制功能，AAA完成与分组数据有关的用户管理工作。

5.CDMA2000-3X

CDMA2000-3X(3GPP2规范为IS-2000-A)也称为宽带CdmaOne，是基于IS-95标准演进的一个重要部分。与其他标准类似，CDMA2000-3X将在CDMA2000-1X标准的基础上提供附加的功能和相应的业务支持，它的目标是提供比CDMA2000-1X更大的系统容量，提供达2Mb/s的数据速率，实现与CDMA2000-1X和CdmaOne系统的后向兼容性等。

6.CDMA2000-1X-EV

为进一步加强CDMA2000-1X的竞争力，3GPP2从2000年开始在CDMA2000-1X基础上制定了1X的增强技术，即1X-EV标准。该标准除基站信号处理部分及用户手持终端与原标准不同外，能和CDMA2000-1X共享其他原有的系统资源。它采用高速率数据(HDR)技术，能在1.25MHz(同CDMA2000-1X带宽)内，前向链路达到2.4Mb/s(甚至高于CDMA2000-3X)，反向链路上也可提供153.6kb/s的数据业务，很好地支持高速分组业务，适用于移动IP。

CDMA2000-1X-EV分为以下两个阶段：

第一阶段：1X-EV-DO，采用专用载波提供高速数据业务。

第二阶段：1X-EV-DV，在同一载波中同时提供数据与语音业务。

CDMA2000到CDMA2000-1X-EV的演进分为以下两个步骤。

1)从CDMA2000-1X演进到CDMA2000-1X-EV-DO

2)从CDMA2000-1X演进到CDMA2000-1X-EV-DV

5.4第三代移动通信长期

演进技术——LTE

5.4.1LTE概述

LTE(LongTermEvolution，长期演进)是3G的演进，是3G与4G技术之间的一个过渡，严格意义上说是3.9G(准4G)的全球标准。LTE采用了不同于3G的空中接口技术。LTE的高级版本LTE-Advanced在性能上达到了4G的要求，是真正意义上的4G技术。5.4.2LTE网络架构

1.LTE网络架构

在网络架构方面，LTE取消了UMTS标准长期使用的无线网络控制器(RNC)节点，直接采用全新的扁平结构。

LTE的网络架构如图5-56所示。图5-56LTE网络架构

2.无线接口协议

无线接口是终端和eNodeB之间的接口，协议栈包括用户平面和控制平面，如图5-57和图5-58所示。图5-57用户平面协议栈图5-58控制平面协议栈

1)物理(PHY)层功能

2)媒体接入控制(MAC)层功能

3)无线链路控制(RLC)层功能

4)分组数据汇聚协议(PDCP)层功能

5)无线资源控制(RRC)层功能与服务5.4.3LTE物理层

1．LTE支持的双工方式和多址方式

LTE支持两种双工方式：FDD和TDD，所支持的频段从700MHz到2.6GHz。LTE空中接口采用以OFDM技术为基础的多址方式，下行多址采用OFDMA(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess)，上行多址采用SC-FDMA。LTE子载波宽度为15kHz，通过不同的子载波数目(72~1200)实现可变的系统带宽(1.4~20MHz)。同时根据应用场景的不同(无线信道不同的时延扩展)，LTE支持两种不同CP(CyclicPrefix，循环前缀)长度配置，分别为NormalCP和ExtendedCP，如表5-6所示。

2．无线帧结构

LTE无线帧长度为10ms，支持两种帧结构类型，分别适用于FDD和TDD。

在类型1FDD帧结构中，10ms的无线帧分为10个长度为1ms的子帧(Subframe)，每个子帧由两个长度为0.5ms的时隙(TimeSlot)组成，如图5-59所示。图5-59类型1FDD帧结构图在类型2TDD帧结构中，10ms的无线帧分为两个长度为5ms的半帧(HalfFrame)，每个半帧由5个长度为1ms的子帧组成，其中包括4个普通子帧和1个特殊子帧。普通子帧由两个0.5ms的时隙组成，而特殊子帧由3个特殊时隙(UpPTS、GP和DwPTS)组成，如图5-60所示。图5-60类型2TDD帧结构图

3．时隙结构与基本物理资源

LTE中定义了物理资源块(PRB，PhysicalResourceBlock)作为空中接口物理资源分配的单位。上下行传输使用的最小资源单位叫做资源粒子(RE，ResourceElement)。一个PRB由若干个RE组成，以下行为例(上行是SC-FDMA，与下行的OFDMA略有差别，但资源分配的本质相同)，1个PRB在频域上包含12个连续的子载波，在时域上包含7个连续的OFDM符号(ExtendedCP情况下为6个)，即频域宽度为180kHz，时间长度为0.5ms(1个时隙)的物理资源。物理资源块的结构如图5-61所示。图5-61物理资源块结构5.5卫星通信

1.卫星通信的基本概念

卫星通信是指利用通信卫星转发器实现地面站之间、地面站与航天器之间的无线通信。这里的

地面站是指在地球表面(包括地面、海洋和大气中)的无线电通信站。

卫星通信原理示意图如图5-62所示。图5-62卫星通信原理示意图

2.卫星通信的分类

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)按卫星制式分类：同步卫星通信系统、随机轨道卫星通信系统和卫星移动通信系统。

(2)按通信覆盖区域的范围分类：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)按用户性质分类：公用(商用)卫星通信系统、专用卫星通信系统和军事卫星通信系统。

(4)按业务范围分类：固定业务卫星通信系统、广播电视卫星通信系统和科学实验卫星通信系统。

(5)按基带信号体制分类：模拟卫星通信系统和数字卫星通信系统。

(6)按多址方式分类：频分多址(FDMA)卫星通信系统、时分多址(TDMA)卫星通信系统、空分多址(SDMA)卫星通信系统和码分多址(CDMA)卫星通信系统。

3.卫星通信的特点

与地面微波中继通信和其他通信方式相比，卫星通信具有如下优点：

(1)通信距离远，且建站成本几乎与通信距离无关。

(2)通信容量大，业务种类多，通信线路稳定可靠。

(3)覆盖面积大，便于实现多址连接。

(4)可以自发自收进行监测。图5-63基本覆盖全球的三颗同步卫星正是由于卫星通信有诸多优点，因此自其问世以来，卫星通信的发展日新月异，已成为现代通信强有力的手段之一。当然，卫星通信也有某些不足，例如：

(1)卫星的发射和控制技术比较复杂。

(2)有较大的传播时延和回波干扰。

(3)对于军用卫星通信，卫星公开曝露在空间轨道上，容易被敌方窃收、干扰甚至摧毁。

4.卫星通信系统的组成及工作原理

卫星通信系统由空间段和地面段两大部分组成，如图

5-64所示。图5-64卫星通信系统的结构示意图

1)空间段

空间段主要由通信卫星组成，可以使用一颗或多颗卫星。卫星是通信装置的载体。除了通信卫星外，空间段

还包括所有用于卫星控制和监测的地面设施，即监控系统、跟踪遥测系统以及能源装置等。

2)地面段

地面段包括所有的地面站，这些地面站通常通过1个地面网络连接到终端用户设备，或者直接连接到终端用户设备。地面站的主要功能是将发射的信号传送到卫星，再从卫星接收信号。根据地面站的服务类型，地面站可分为用户站、关口站和服务站三类。

5.6无线传感器网络

5.6.1传感器网络概述

随着微电机系统(MEMS，Micro-Electro-MechanismSystem)、片上系统(SOC，SystemonChip)、无线通信和低功耗嵌入式技术的发展，无线传感器网络(WSN，WirelessSensorNetworks)随之产生。无线传感器网络是一种全新的信息获取和处理技术，能够实时监测、感知和采集各种环境或监测对象的信息，它嵌入并感知客观世界，同时受使用者的控制而影响着客观世界，扩展了人类同自然界的交互方式。

1.传感器网络基本概念

一个典型的传感器网络系统通常包括传感器节点(Sensor)、汇聚节点(Sinknode)和任务管理节点等几个部分，如图5-65所示。图5-65传感器网络体系结构示意图

2.传感器网络节点结构

无线传感器网络所具有的众多类型的传感器，可探测包括地震、电磁、温度、湿度、噪声、光强度、压力、土壤成分，以及移动物体的大小、速度和方向等周边环境中多种多样的现象。传感器节点一般由传感模块、处理模块、通信模块和电源模块组成，如图5-66所示。图5-66传感器网络节点结构

3.无线传感器网络协议栈

无线传感器网络协议栈由五个部分组成，分别是物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层，如图5-67

所示。图5-67无线传感器网络协议栈

4.传感器网络体系结构

1)平面结构

平面结构的网络比较简单，所有节点的地位平等，所以又可以称为对等式结构，如图5-68所示。源节点和目的节点之间一般存在多条路径，网络负荷由这些路径共同承担，一般情况下不存在瓶颈，网络比较健壮。图5-68传感器网络平面结构

2)分簇结构

在分簇结构中，传感器网络被划分为多个簇。每个簇由一个簇头和多个簇成员组成，如图5-69所示。图5-69传感器网络分簇结构

5.传感器网络特征

无线传感器网络除了具有AdHoc网络的移动性、断接性、电源能力局限性等共同特征以外，还具有很多其他鲜明的特点，其主要特点可以总结如下：硬件资源有限、节点电源容量有限、是一种无中心的对等式网络、是一种以数据为中心的任务型网络、是一种无线自组织网络、节点通信使用多跳路由、网络拓扑具有动态性、节点数量众多。5.6.2无线传感器网络支撑技术

1.定位技术

2.时间同步机制

3.数据融合

(1)直接计算法。

(2)经典数据融合算法。

(3)现代数据融合算法。

5.7其他无线通信系统

5.7.1蓝牙技术

Internet和移动通信的迅速发展，使人们对电脑以外的各种数据源和网络服务的需求日益增长。蓝牙作为一个全球开放性无线应用标准，通过把网络中的数据和语音设备用无线链路连接起来，使人们能够随时随地实现个人区域内语音和数据信息的交换