移动端与端基础 3

第一章移动通信物理层技术移动通信-端到端5G系统基础课件第一章移动通信物理层技术§1.1移动通信的电波传播衰减模型§1.2数字调制技术§1.3纠错编码和复用分集1.1移动通信的电波传播衰减模型§1.1.1自由空间传输的衰减模型§1.1.2地形地物传输的衰减经验模型移动通信-端到端5G系统基础1.1

移动通信的电波传播衰减模型在自由空间中的移动通信电波传输是指接收端周围是无限大的真空的电波传播，这种传播方式是在理想条件下的无线电波传播.没有障碍物和任何衰减因素，衰减随着距离的增加而增加，与频率无关。接收和发射天线的增益大小为0dB时,其损耗Lfs为：——自由空间传输的衰减模型1.1移动通信的电波传播衰减模型——地形地物传输的衰减经验模型1、地形分类及定义为计算移动信道中信号电场强度中值，将地形分为两大类：中等起伏地形：指在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。以中等起伏地形做传播基准。不规则地形：其他形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形统称为不规则地形2、地物分类开阔地：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。如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等郊区：在靠近移动台附近有些障碍物但不稠密，如少量低层房屋或小树林等市区：有较密集的建筑物和高层楼房1.1移动通信的电波传播衰减模型——地形地物传输的衰减经验模型常用的几种室外电波传播损耗预测模型Hata模型广泛使用的一种适用于宏蜂窝的中值路径损耗预测的传播模型。根据应用频率的不同，又分为Okumura-Hata模型COST231Hata模型，CCIR模型LEE模型COST231Walfisch-Ikegami模型

1.1移动通信的电波传播衰减模型——地形地物传输的衰减经验模型显著特点室内覆盖面积小得多收发机间的传播环境变化更大影响因素建筑物的布局建筑材料建筑类型常用的几种室内传播模型对数距离路径损耗模型Ericsson多重断点模型衰减因子模型常用的几种室内电波传播损耗预测模型1.2数字调制技术§1.2.1一维调制(ASK,PSK,FSK)§1.2.2正交幅度调制(QAM)§1.2.3调制技术的信噪比-误码率推导移动通信-端到端5G系统基础1.2数字调制技术————一维调制(ASK,PSK,FSK)移幅键控ASK原理图移幅键控调制（AmplitudeShiftKeying，记为ASK），同时它也被称为“振幅键控“。它是众多数字调制技术的一种。它通过改变载波的振幅来传递信息。在2ASK中，数字信号的两种状态——“0”和“1”——分别对应于载波的关闭和开启。优点：设备结构简单，功耗低。缺点：带宽通常较低，数据传输慢ASK1.2数字调制技术————一维调制(ASK,PSK,FSK)PSK信号生成过程PSK相移键控（PSK），英文为PhaseShiftKeying，是一种利用模拟载波的相位来表示数字二进制数据的数字调制技术。载波相位根据二进制输入（1或0）而变化。数字1，0分别用初始相位为0和π的等幅载波，称为二进制绝对相移键控，所以二进制PSK分为绝对相移键控和相对相移键控。优点：有效地通过射频信号传输数据，不容易出错。缺点：检测BPSK信号复杂，多级PSK调制过敏感易导致幅度的变化。1.2数字调制技术频移键控（FSK）是一种利用频率变化来传输数字信息的调制技术。二进制FSK（2FSK）中，数字信号的两个状态——“1”和“0”——分别由两个不同频率的振荡源F1和F2表示。当数字信号为“1”时，振荡源输出频率F1；当数字信号为“0”时，输出频率F2。其解调方法有包络检波法、相干检测法、差分检测法、过零检测法、鉴频法等。————一维调制(ASK,PSK,FSK)FSK数字键控法实现FSK信号1.2数字调制技术正交幅度调制（QAM）结合振幅键控（ASK）和相位键控（PSK）的特点，能够在相同的频带宽度内传输更多的数据。两个基带信号:一个用于控制振幅，另一个用于控制相位。分别调制到两个频率相同但相位相差90度的载波上。————正交幅度调制(QAM)QAMQAM信号调制1.2数字调制技术在MPSK调制中，如果允许幅度可以随着相位的变化而变化，就可产生一种新的调制方式——M维正交振幅调制（QAM）。注意M维正交振幅调制（QAM）中符号位的能量值并不是恒定的，各符号之间的间距也不是相等的。————正交幅度调制(QAM)M维正交振幅调制（QAM）1.2数字调制技术————正交幅度调制(QAM)1.2数字调制技术————正交幅度调制(QAM)1.2数字调制技术————调制技术的信噪比-误码率推导1.2数字调制技术————调制技术的信噪比-误码率推导发送端产生的FSK信号可表示为：

接收机收入端合成波形为：

接收端上、下支路两个带通滤波器BPF1、BPF2的输出波形分别为：

1.2数字调制技术————调制技术的信噪比-误码率推导

考虑到这里的噪声为窄带高斯噪声则：发送“1”符号，则上下支路低通滤波器输出分别为：1.2数字调制技术————调制技术的信噪比-误码率推导

将造成发送“1”码而错判为“0”码，错误概率为：其一维概率密度函数可表示为：1.2数字调制技术————调制技术的信噪比-误码率推导

同理可得，发送“0”符号而错判为“1”符号的概率为

于是可得2FSK信号采用同步检测法解调时系统的误码率为：在大信噪比条件下，上式可近似表示为1.3纠错编码和复用分集§1.3.1纠错编码技术§1.3.2复用技术§1.3.3分集技术移动通信-端到端5G系统基础1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术纠错编码（ErrorCorrectionCoding,ECC）是一种有效的差错控制方法，它允许接收端不仅检测出错误，还能够在一定程度上自动纠正这些错误，从而提高数据传输的准确性和系统的整体性能。常用的检错码有分组代码、循环码、里德-所罗门码(此处未涉及)、卷积码、低密度奇偶校验编码（LDPC）网格编码调制（TCM）以及涡轮码等。1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术线性分组码信息被分成长度为k的块r个奇偶校验位或校验位被添加到每个块(总长度n=k+r)码率R=k/n解码器寻找最接近接收向量(代码向量+误差向量)的码字之间的权衡效率可靠性编码/解码复杂度模2加法1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术循环码它是一种分组码，使用移位寄存器进行编码和解码，n比特的码字表示为:c(x)=c1xn-1+c2xn-2……+cn其中每个系数ci(i=1，2，..n)是1或0码字可以由数据多项式m(x)和校验多项式cp(x)表示为c(x)=m(x)xn-k+cp(x)其中CP(x)=m(x)xn-k除以生成器g(x)的余数如果接收的信号是c(x)+e(x)，其中e(x)是误差为了检查接收的信号是否是无差错的，获得c(x)+e(x)除以g(x)的余数(校正子)。如果这是0，则接收的信号被认为是无错误的，否则从已知的错误校正子中检测到错误模式InputOutputCD1D2D1,D2-Registers1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术卷积码最广泛使用的信道代码信息流而不是信息块的编码解码主要由维特比算法执行(这里不涉及)卷积码的约束长度K定义为K=M+1，其中M是任何移位寄存器中的最大级数码率r定义为r=k/n，其中k是并行信息比特的数量，n是一个时间间隔内并行输出编码比特的数量接下来示出了具有n=2和k=1或码率r=1/2的卷积码编码器1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术状态图01/001/111/111/01110/100/000100110/000/11.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术树形图00110010011111001001100100111110010011000101101011000110011011一0…11001…1011110111首次输入首次输出0100……1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术网格图…11001000000000000000000000010101010101001010101010111111111111111101111010101010101011111111111101010000000101010…1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术LDPC(低密度奇偶校验)码是一类线性分组码。术语“低密度”指的是奇偶校验矩阵的特征，与“0”相比，它只包含很少的“1”。LDPC码可以说是目前存在的最好的纠错码。R.Galager在1960年的博士论文中首次提出了LDPC码，但由于引入了Reed-Solomon码以及当时技术知识有限的实现问题，该码很快被遗忘。LDPC电码在90年代中期被剑桥大学的R.Neal和D.Mackay重新发现。2001年，非规则LDPC码距离Shannon极限仅0.0045。2016年，LDPC码作为移动宽带（eMBB）业务数据信息的长码块编码方案。终在主流移动通信系统得到商用。我们可以根据M个奇偶校验方程来定义N比特长LDPC码，并用M×N奇偶校验矩阵H来描述这些奇偶校验方程。其中，M–奇偶校验等式的数量，N–码字中的位数。低密度奇偶校验编码（LDPC）1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术性能测度对于LDPC码的性能分析较难困难，一般用密度进化(densityevolution)理论或蒙特卡洛仿真来讨论LDPC码的渐进性能。1.3纠错编码和复用分集————纠错编码技术网格编码调制（TCM）八状态TCM编码（左图）和十六TCM编码（右图）32状态TCM编码它使用网格编码技术来编码数字数据。在网格编码调制中，数据被编码为在网格上移动的符号，其中网格的每个位置表示一个特定的符号或状态。常用于无线通信系统，如无线局域网（WLAN）和蜂窝网络。1.3纠错编码和复用分集————复用技术优化信道使用的核心是实现多个用户信号的同时传输，而不会相互干扰，这在技术上称为“复用”。常见的复用方式包括码分复用（CDM）、时分复用（TDM）和频分复用（FDM）等。正交频分多路复用（OFDM）是FDM的一种高级形式，它通过将子载波间隔设置得非常小，使得这些子载波在时域上相互正交，在频域上相互重叠，从而实现了更高的频谱效率。1.3纠错编码和复用分集————复用技术OFDM最核心的思想是采用并行传输技术降低子路上的传输速率，使得OFDM符号长度比系统采样间隔长得多，从而极大地降低了时间弥散信道引入的符号间干扰(ISI)对信号的影响。不仅如此，OFDM系统还引入循环前缀(CP)来消除时间弥散信道的影响，只要CP的长度大于多径信道的最大时延，就可以完全消除符号间干扰(ISI)和子载波间干扰(ICI)。OFDM系统原理OFDM系统可以采用IFFT/FFT进行相应的调制和解调操作，使得系统的实现变得非常简单，且具有较低的成本。1.3纠错编码和复用分集————分集技术为了对抗多径信道造成的衰落和延时串扰，将多路不相关的衰落路径传送相同的信号并合并，这就是分集。在各种无线通信系统中经常使用微分集。而微分集又细分为以下六种方式：空间分集：它是无线通信中用于增强信号可靠性和减少衰落影响的一种方法。这种技术利用了在不同地理位置上接收的信号之间的独立衰落特性。由于物理环境中的多径效应，同一信号在不同位置的接收情况可能会有很大差异。如果两个接收点之间的距离足够大，那么在这两个点接收到的信号衰落将是不相关的，这意味着一个点的信号质量差不会影响到另一个点。频率分集：这种技术通过使用不同的频率来传输相同的信息，从而利用了不同频率信号衰落的独立性。在实践中，这意味着需要多个发射机和接收机，每个都工作在不同的频率上。虽然频率分集可以提高信号的可靠性，但它确实需要更多的硬件资源，并且在频谱资源紧张的情况下可能不是最经济的选择。1.3纠错编码和复用分集————分集技术极化分集：这种分集方法基于不同极化方向的电磁波衰落是独立的原理。通过使用不同极化方向的天线，可以在相同的地理位置发送和接收信号，从而实现分集。场分量分集：这种分集方法利用电磁波的电场（E场）和磁场（H场）携带相同信息的特性。由于E场和H场的反射和散射机制不同，它们可以被用来实现分集。这种方法不需要物理间隔，因此特别适合于低频段的应用。角度分集：角度分集是一种有效的无线信号分集技术，它利用信号在空间中的传播特性来提高通信的可靠性。在这种技术中，信号不是沿着单一路径传播，而是通过多个路径，并且以不同的角度到达接收端。时间分集：时间分集是一种巧妙的通信技术，它通过在不同的时间点发送相同的信号来提高信号的可靠性。这种方法的关键在于，每次发送的信号之间有足够的时间间隔，使得信号在不同时间点的衰落可以被认为是统计独立的。这样，即使某一时刻的信号受到了严重的衰落，其他时刻的信号仍然有可能保持较好的质量。1.3纠错编码和复用分集————分集技术多天线技术（MIMO）多天线MIMO技术是在收发两端都采用多天线配置，充分利用空间信息，大幅度提高信道容量的一种技术。多天线分集接收技术也可以算作MIMO的一种特例SIMO，它是一种抗衰落的传统技术。基于多天线发射分集的空时编码可以在不同天线发射的信号之间引入时域和空域相关，使得在接收端可以进行分集接收，从而大大提高了信号质量。MIMO技术的发展历程1.3纠错编码和复用分集————分集技术MIMO利用在发送端和接收端同时使用多天线来抑制信道衰落，从而大幅度地提高信道容量、抗衰落