第1章移動通信概述1.1移動通信發展歷史1.2蜂窩移動通信的基本概念1.3無線傳播環境1.4移動通信的信號傳輸處理技術1.5擴頻技術1概況1

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您的內容打在這里，或者通過復制您的文本后。+++整體概況2本章內容移動通信發展歷史蜂窩移動通信的基本概念無線傳播環境移動通信的信號傳輸處理技術擴頻技術3本章重點蜂窩移動通信的基本概念無線傳播環境移動通信的信號傳輸處理技術擴頻技術4學習本章目的和要求了解移動通信發展歷史熟悉蜂窩移動通信的基本概念了解無線傳播環境了解移動通信的信號傳輸處理技術和擴頻技術51.1移動通信發展歷史1．公用汽車電話2．第一代模擬蜂窩移動通信3．第二代數字蜂窩移動通信（1）GSM（2）IS-95CDMA64．第三代蜂窩移動通信系統及其標準化表1-1 ITU-R對第三代移動通信的基本要求雙工方式應用情景FDD系統TDD系統地面高速移動終端500km/h的移動速度下提供144kbit/s的數據傳輸速率終端120km/h的移動速度下提供144kbit/s的數據速率地面中、低速移動終端中、低速的移動速度下提供384kbit/s的數據傳輸速率終端中、低速的移動速度下提供384kbit/s的數據速率地面步行、室內固定用戶終端步行的移動速度或固定不移動提供2Mbit/s的數據傳送速率終端步行的移動速度或固定不移動提供2Mbit/s的數據傳送速率7其中，基于CDMA技術的有：（1）IMT－2000CDMADS，對應WCDMA；（2）IMT－2000CDMAMC，對應CDMA2000；（3）IMT－2000CDMATDD，對應TD-SCDMA。基于TDMA技術的有：（1）IMT－2000TDMASC，對應UWC136；（2）IMT－2000TDMAMC，對應DECT。8圖1-1IMT-2000地面無線接口標準9表1-2 三種主流3G標準的比較CDMA2000WCDMATD-SCDMA載頻帶寬頻率對，1.25/3.75MHz頻率對，5MHz單頻段，1.6MHz多址方式DS-CDMA/MC-CDMADS-CDMATDMA/DS-CDMA頻率重用率111碼片速率1.2288/3.6864Mchip/s3.84Mchip/s1.28Mchip/s信道編碼卷積碼，Turbo碼卷積碼，Turbo碼卷積碼，Turbo碼擴頻碼Walsh碼，偽隨機碼OVSFOVSF物理層擴頻因子4-2564-2561，2，4，8，16調制方式下行：QPSK，上行：BPSK下行：QPSK，上行：HPSKQPSK，8-PSK（可選）幀長20ms10ms10ms（分為兩個子幀）每幀時隙數不分時隙157（6個業務時隙）最大數據速率（理論值）2.4Mbit/s（1xEV-DO）2Mbit/s2Mbit/s功率控制開環功控，快速閉環功控（800Hz）開環功控，快速閉環功控（1600Hz）開環功控，快速閉環功控（200Hz）接收機RakeRake聯合檢測（移動臺：Rake）基站間同步GPS同步異步同步10圖1-23G標準演進圖11如圖1-2所示，目前對于3G的每個標準都有一套方案將2G網絡升級到3G，并且盡力滿足前、后向兼容，演進路線如下：（1）向CDMA2000可能的演進路線是IS-95（或CDMAOne）→CDMA20001x（CDMA2000單載波系統）→CDMA20003x（CDMA2000三載波系統）；（2）向WCDMA可能的演進路線是GSM→GPRS（→EDGE）→WCDMA，并且為了進一步強化系統，實現更高的數據速率，在WCDMAR5規范中推出HSDPA作為未來的演進方向；（3）向TD-SCDMA的演進路線尚不明朗，可能基于GSM網、MAP網實現平滑過渡，同時也兼容ANSI-41向3G過渡。121.2蜂窩移動通信的基本概念 1.2.1頻率復用 1.2.2小區分裂 1.2.3越區切換 13蜂窩移動通信網絡以小功率發射機來覆蓋較小區域，這樣的小區域稱為蜂窩的小區（Cell），如圖1-3所示，以許多小區拼合覆蓋整個服務區。圖1-3蜂窩移動通信網絡系統圖例141.2.1頻率復用圖1-4蜂窩頻率復用思想圖解151.2.2小區分裂一般說，小區越小（頻率組不變），單位面積可容納的用戶數越多，即系統的頻率利用率越高。由此可以設想，當用戶數增加并達到每個小區所能提供服務的最大數量時，如果把小區分割成更小的蜂窩狀區域，并使用相同的頻率復用模式，那么分裂后的新小區能支持和原小區同樣數量的用戶，也就提高了系統單位面積可服務的用戶數。16而且一旦新的小區所能支持的用戶數量又達到飽和，還可將這些小區進一步分裂，以適應持續增長的業務需求，這種過程稱為小區分裂，是蜂窩移動系統在運行過程中為適應用戶數持續增長而逐步提高其容量的獨特方式。171.2.3越區切換越區切換（handover）是蜂窩移動通信系統的另一關鍵技術。將服務區域劃分成小區所帶來的一個很自然的問題是并非所有的移動中通話都能在單個小區內完成，例如，一輛快速行駛的汽車在一次通話中可能通過若干小區。18移動臺在小區范圍內以所分配頻率與基站建立無線鏈路，通過基站連接到移動交換中心，然后再連接到有線電話用戶或其他小區的移動用戶。當移動臺從一個小區進入相鄰小區時，由于工作頻率和接續服務改變，需要在通話過程中將移動臺的工作頻率和接續控制自其離開的小區交換給正在進入的小區，這個過程就稱為越區切換。191.3無線傳播環境1.3.1電磁波的基本傳播機制 1.3.2移動無線信道 20基站天線與移動終端天線之間的傳播路徑，稱為無線移動信道，如圖1-5所示。圖1-5無線移動信道21基站與移動終端之間的傳播路徑非常復雜，從簡單的視距傳播，到遭遇各種復雜的地物（如建筑物、山脈、樹葉等）。因而，無線信道不像有線信道那樣固定并可預見，而是具有極度的隨機性，特別難以分析。無線移動信道是制約通信質量的主要因素，也是研究各種技術的主要推動力。22移動信道的建模對于整個移動通信系統仿真的正確性和可靠性具有舉足輕重的意義。無線信道按視距分可分為視距信道和非視距信道。視距信道認為信號主要是直射傳播，即存在可視分量（LOS），如衛星傳播。而非視距信道是由非直射傳播（NLOS）所引起的，非直射傳播包括信號的地面繞射、對流層散射和反射。231.3.1電磁波的基本傳播機制電磁波傳播的機制是多種多樣的，但總體上可以歸結為直射、反射、繞射和散射，如圖1-6和圖1-7所示。下面簡要介紹這4種機制。圖1-6電磁波的直射、反射、散射24圖1-7電磁波的繞射251.3.2移動無線信道由于地理環境的復雜多樣性、用戶移動的隨機性以及多徑傳播，移動通信系統的信道十分復雜。人們通過長期的實際觀測和理論分析，建立了基站與移動臺間的無線信道的統計模型。對傳播模型的研究，傳統上集中于預測給定范圍內平均接收場強和估計特定位置附近場強的變化。26大尺度傳播模型用于預測平均場強，估計無線覆蓋范圍，描述的是發射機與接收機之間（Y-R）長距離（幾百米或幾千米）上的場強變化。小尺度衰落模型用于描述短距離（幾個波長）或短時間（秒級內的）接收場強的快速波動。27大尺度衰落表征了由于移動臺經過較大距離的運動而引起的平均接收信號功率衰減或者說損耗。受發射機與接收機之間的顯著地形特征影響（如小山丘、森林、廣告牌、建筑群等），接收信號幅度緩慢變化，即平均接收信號場強中值在長時間內的緩慢變化，因此大尺度衰落也稱為慢衰落。1．大尺度衰落28大尺度衰落主要受路徑損耗和陰影衰落的影響。路徑損耗指電波在自由空間內的傳播損耗，單位為dB的正值，定義為有效發射功率和接收功率之間的差值，可以包括也可以不包括天線增益。包括天線增益時，自由空間路徑損耗為29不包括天線增益時，設定天線具有單位增益，路徑損耗為30移動臺在移動時，除了接收信號場強中值隨位置和時間發生慢衰落，信號振幅在數個波長以內還有迅速變化，這種衰落稱為小尺度衰落。其導致在短距離（幾個波長）或短時間（秒級）內，接收端信號幅度和相位急劇變化，接收信號的場強快速波動，變化范圍可達數十dB。導致小尺度衰落有兩種機理：一種是信號多徑傳播造成的，一種是多普勒效應引起的。2．小尺度衰落311.4移動通信的信號傳輸處理技術 1.4.1信源編碼（語音編碼） 1.4.2信道編碼（卷積編碼、Turbo編碼） 1.4.3交織技術 1.4.4調制技術 32圖1-9所示為數字移動通信系統的基本組成框圖。表示信號由信源到信宿經過的各種處理，信源輸出信息經由信源編碼、信道編碼及調制后發出，經由無線信道被接收端接收，再經過解調及信道解碼、信源解碼還原為原始信息。圖1-8數字移動通信系統的基本組成331.4.1信源編碼（語音編碼）在移動通信系統中，只有在低速率語音編碼情況下，數字調制方案才有助于提高語音業務的頻譜效率。為了使語音編碼有實用性，語音編碼需要滿足以下幾點要求：（1）編碼速率低，語音質量好；（2）抗噪聲干擾和抗誤碼的能力強；（3）編譯碼延時小；（4）編譯碼器復雜度低，便于大規模集成；（5）功耗小，以便應用于手持機。341.4.2信道編碼（卷積編碼、Turbo編碼）圖1-9糾錯碼分類35卷積碼用于誤碼率（BER）=10?3級別的業務，如傳統語音業務。卷積編碼中，本組的編碼不僅與當前輸入的k個信息有關，而且還與前m個時刻的輸入信息有關，與分組碼有很大不同。卷積碼的糾錯能力隨著m的增加而增加，而差錯率隨著m的增加而指數下降。在編碼效率與設備復雜性相同的前提下，卷積碼的性能優于分組碼，因此成為擴頻碼分多址系統廣泛采用的糾錯方案。1．卷積碼36Turbo碼用于誤碼率（BER）=10?3～10?6的業務中，它由兩個遞歸系統卷積碼（RSC碼）和一個交織器構成。Turbo碼譯碼器是一類具有反饋結構的偽隨機譯碼器，利用兩個子譯碼器之間信息的往復遞歸調用，來加強后驗概率對數似然比，提高判決可靠性，這種算法也被稱為MAP算法。2．Turbo碼37Turbo譯碼器是一種流水線結構，由于交織器的存在，兩個遞歸系統卷積碼的子編碼器的輸出不具有相關性，從而可以互相利用對方提供的先驗信息（extrinsicinformation），通過反復迭代而獲得優越的譯碼性能。Turbo譯碼每次先要輸入一個數據塊，然后逐位譯出數據。38和其他信道編碼方案相比，Turbo碼的性能有兩大特點：一是隨著迭代次數的增加，誤碼率迅速減小，同時誤碼率下降的速度變緩；二是隨著信噪比的增加誤碼率逐漸減小，當信噪比增加到一定程度時，誤碼率下降變緩，即所謂的地板（floor）效應。另外Turbo碼計算量大，譯碼算法相對復雜；交織和級聯譯碼使其具有較大的譯碼時延，這限制了它在某些對時延要求較高的通信系統中的應用。391.4.3交織技術交織技術是為了抵抗無線信道的噪聲以及衰落的影響而采取的時間分集技術，它在接收技術中具有重要的作用。我們在編碼過程中采用交織算法是為了對信息流進行糾錯控制。在移動通信中，選擇合適的糾錯控制算法既要考慮可能發生的錯誤數，又要考慮錯誤在數據中的分布。40眾所周知，大多數錯誤的產生既不是隨機無關，也不是明確的單個突發。交織技術正是把一個較長的突發差錯離散成隨機差錯，再利用糾正隨機差錯的編碼技術消除隨機差錯，降低對碼組設計的要求。采用交織技術使成群錯誤趨向更隨機的分布，改善了碼組的誤碼率性能。研究結果表明，交織技術在移動通信中的應用使糾錯和檢錯都獲得了進一步改善。41圖1-10所示為交織原理示意圖。交織就是用某種一一對應的確定性方法重新排列二進制和非二進制序列的順序的過程。它的逆過程——解交織是將交織后的序列還原回原來的順序。在發送某個序列的符號以前，來自若干個碼字的符號被交織。然后當一個錯誤突發出現時，這些錯誤被分散在若干被交織的碼字上，這樣只需一個相對簡單的編譯碼方案就可還原原來的符號序列。42圖1-10交織原理示意圖43在通信技術的應用中，交織一般與糾錯技術結合使用。交織在時間上把碼字分離開來，降低信道的記憶（關聯）程度。WCDMA基帶處理流程中用到三種交織類型，即幀間交織、幀內交織、Turbo編碼的內部交織。441.4.4調制技術圖1-11數字調制技術451.5擴頻技術 1.5.1擴頻通信概述 1.5.2擴頻通信系統的種類 1.5.3擴頻通信系統的特點 1.5.4物理信道的擴頻與加擾過程 46隨著移動通信技術的發展，為了提高移動通信的數據傳輸速率及頻譜效率，滿足多媒體業務的需求，WCDMA，CDMA2000，TD-SCDMA均采用CDMA作為多址方式，擴頻通信技術由此成為第三代移動通信系統中最基本的技術之一。471.5.1擴頻通信概述擴展頻譜（簡稱擴頻）通信技術是一種信息傳輸方式，是用高于數據比特速率的數字序列與信息數據相乘，將比特速率的數據流轉換成了碼片速率的數據流，擴展了信號的帶寬。擴頻所使用的數字序列稱為擴頻碼。48擴展頻譜（簡稱擴頻）通信技術是一種信息傳輸方式，是用高于數據比特速率的數字序列與信息數據相乘，將比特速率的數據流轉換成了碼片速率的數據流，擴展了信號的帶寬。擴頻所使用的數字序列稱為擴頻碼。49圖1-12擴頻通信系統組成框圖圖1-12所示為擴頻通信系統的基本組成框圖。50圖1-13擴頻通信系統頻譜變換圖511.5.2擴頻通信系統的種類（1）直接序列擴頻（DS）系統：用高速偽隨機