第2章无线接入的基本技术.ppt
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1、第2章 无线接入的基本技术,2.1,无线信道的接入方式,1. 常用的3种接入方式,图2-1 FDMA、TDMA、CDMA的说明,2. 三种无线接入方式的收发信机的构成,3. 蜂窝通信的概念,2.2,数字调制与解调,2.2.1 数字调制 1. GMSK(Gaussian Minimum Shift Keying) (1) FSK(Frequency Shift Keying) 传输“1”码时,输出载频 传输“0”码时,输出载频,FSK的简单表示法,FSK的更专业表示法,FSK的相位: 设f1对应码“1”,f2对应码“0”,例:码流“0110100”的FSK发送信号相位迁移图,定义调制指数,FSK
2、信号的功率谱密度图形为,功率谱密度,特点:m增大,频谱展宽。M=0.5时,频谱的主要成份集中在载波附近(即使 采用随机码调制),(2)MSK(Minimum Shift Keying) m=0.5的FSK称为最小频移健控 例:求MSK信号一个时隙前后的相位变化(超前或滞后)。,对于MSK,每隔一个时隙,有 的相位变化。,问题:,m 频谱展宽,频谱利用率低 m 频谱窄,频谱利用率高。m是否可以小于0.5?,不可以,原因:当m很小时(f1和f2之差很小),接收机难以分辨出 和,传号,空号,结论:m=1/2的FSK是频移最小的数字调频方式,(3)GMSK 问题:MSK的频谱利用率高(所需带宽小于2P
3、SK),但频谱特性不好。,3dB,Bb,f,高斯LPF,MSK,ST(t),: 高斯滤波器的3dB带宽与码长的乘积,调制方式,(1)QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) QPSK 的数学表达式,0相,相,相,相,(0,0),(0,1),(1,1),(1,0),信号空间图,为了用正交载波传输QPSK信号:,同相信道:,正交信道:,QPSK信号:, QPSK信号的构成,(0,0),(0,1),(1,1),(1,0),特征:由于正交载波传输,两个信道的信号互 不影响。, 串并联转换与QPSK信号的频谱,设传输的数字信号序列为 ,需要将 进 行串并转换为 和 两个序
4、列。,延迟T秒,QPSK 调制,脉冲周期变为2T,1 1 1 0 1 0,0 1 0 0 1,1 0 1 1 1 0 0 0 1 1,PSK,QPSK,因为 、 的重复频率是PSK的一半, 所以,QPSK占用的带宽是PSK的一半, QPSK的电路框图,2PSK调相,移相,2PSK调相,QPSK,原理:,(0,1),(1,0),(0,0),(1,1),1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,(2) QPSK, QPSK的另一种电路,S/P,基带信号生成器,LPF,LPF,移相,data,(0,1),(1,0),(1,1),(0,0),I_Ch,Q_Ch,QPSK 星座图和相位迁移图,相邻两个符号
5、间的相位差:, QPSK,Gray码 QPSK的电路框图与前面QPSK的框图相同, 只是基带信号生成器的内部结构不同,data,Gray码编码器,时钟,Gray码 QPSK基带信号生成器,当,时,Gray编码器输出的,直接送给两个信道,当,时,Gray编码器输出的,移相,,使,,然后送到两个信道。,信号空间图是 两个图形的组合。,(0,0),(0,1),(1,1),(1,0),(0,0),(0,1),(1,1),(1,0),(0,0),(0,1),(1,1),(1,0),(0,0),(0,1),(1,1),(1,0),的星座图和相位迁移图,和 的相位迁移比较,绝对值最小的相位迁移为0,绝对值最
6、小的相位迁移为,为什么采用 ? 相位迁移会停留在同一个相位点上(例如00000110000),相位迁移不会停留在同一个相位电点上,至少有 的相位差。,即使连续出现相同的码,相位也发生变化,便于时钟恢复。, 相位迁移通过原点,相位迁移不通过原点,因为离开原点的距离表示了调制包络线的振幅,所以 包络线的振幅变化比 小,基于上述原因: 能够减小由于发送放大器的非线性而引起 的频谱扩展 (b) 能够提高发送放大器的功率效率,3. 16 QAM调制方式,(1) 基本概念:同时利用振幅变化和相位变化的调制方式称为振幅相位 调制方式(Amplitude and Phase Shift Keying ,ASP
7、K) 16值APSK:发送的载波采用正交载波 和 ,用包含 负振幅的4个值分别对两个正交载波进行振幅调制,然后 相加得到16值APSK信号。因为是采用正交载波进行振幅 调制,所以称为16 QAM(Quadrature Amolitude Modulation),(2)16 QAM调制方式的基本传输信号的产生方法,(00) (01) (11) (10),(00),(01),(11),(10),(0010) (0110) (1110) (1010),(0011) (0111) (1111) (1011),(0001) (0101) (1101) (1001),(0000) (0100) (1100
8、) (1000),16 QAM的星座图,2.2.2 采用导频码进行信道估计,移动无线电波的传输特性 (1)多经传输导致多经衰落 (2)时延扩展和相干带宽 (3)多普勒频移 (4)平坦衰落和频率选择性衰落,散射波,反射波,直射波,折射波,移动通信的电波传播,多经信号的幅度和 相位随机变化,接收信号快速 衰落(20dB),用波长归一化的距离 (波长),由延迟波引起的衰落波型变化,多经传播,时延扩展,码间干扰,多经传播引起接收信号时延扩展,信道的相干带宽 Bc,Bc是一个与时延扩展相联系的参数,其值与时延扩展 成反比,频率选择性衰落,: 信号带宽,终端移动,频率偏移(多普勒频移),多普勒频移效应,平
9、坦衰落:,0,0,0,0,0,0,频率选择性衰落:,2. 信道估计 因为多经传输问题的存在,接收机的接收信号受到不 同的衰落变化。为了进行同步检波,在接收机需要对接收 信号的相位和幅度进行估计(对衰落复包络线进行估计)。 这种处理成为信道估计。 3. 利用导频码(导频信道)进行信道估计 (1) 导频信道的构成,(2)相位变化补偿原理 因为导频码的发送数据调制相位在接收端时事先已知的,所以导频码的接收相位/振幅可以作为参考相位/振幅。,利用导频码可以在每个时隙内计算信道的估计值,W-CDMA方式,在上行专用物理信道(dedicated physical channel,DPCH)中,导频码作为专
10、用物理控制信道(dedicated physical control channel,DPCCH)中的一部分被映射在Q信道上,而由编码数据序列构成的专用物理数据信道(dedicated physical data channel,DPDCH)则被映射在I信道上,并且,对DPCCH和DPDCH都要进行2相PSK(binary phase shift keying,BPSK)调制。另一方面,在下行链路的DPCH中,对DPCCH和DPDCH都进行时间复用,数据调制采用QPSK调制方式。设 表示在第l条路径( ,L是Rake合成的路径数)的第k个时隙中由于衰落引起的信道变化(是具有振幅和相位分量的复数
11、量),如果用 表示 的估计值,则如图2-10所示,可利用导频码的接收相位 求出 。如果用 表示第k个时隙中DPDCH的第n个符号通过第l条路径的解扩后的信号,将 与 的共轭复数相乘,可补偿衰落引起的相位变化。,(3) 的估计方法,加权系数选择:衰落相关大的时隙用大的加权系数 衰落相关小的时隙用小的加权系数,2.3,DS-CDMA方式,2.3.1 DS-CDMA原理,扩频解扩的过程,W-CDMA收发信机的构成,数据调制波形:,扩频码波形:,: 符号长度; : 码片长度,是,的双极性码,是编码信息数据序列,对于QPSK调制,设上行链路中有K个通信用户,第k,个用户的,发送信号通过多经传输,接收端接
12、收的信号 为:,高斯噪声分量,延迟时间,复数信道增益,用户k的发送功率,约束条件,解扩后的信号:,利用第k个用户在路经l上扩频码的副本,通过码匹配滤波器对接收信号 解扩,发送数据信息序列, 是 的估计值,多经 干扰,其他用户的干扰(MAI),背景噪声,1、接收信号是一个延迟时间不同的多个信号 的叠加 2、解扩信号中包括,小结:,多经干扰 其他用户的干扰 背景噪声,3、系统允许的最大干扰功率和可容纳的通信 用户数由能够满足接收质量的SIR决定。,2.3.2 扩频码 作为扩频码的条件: 要求在同步时间内(无时差)的自相关峰尖锐,而在其他的时间偏移内自相关的绝对值很小。并且,在所有的时间内,要求不同
13、扩频码之间互相关的绝对值很小。,满足上述条件的码有,Gold码 Walsh码,SF个,问题:正交Gold码或Walsh码只有SF个,如何增加系统容量?,方法:重复利用SF个码。如何重复利用?,重复利用SF个正交码的方法:将正交码乘以一个每个小区固有的,重复周期远大于信息码长的扰频码,即采用两阶段扩频码分配方案。,信道化码,信道化码,信道化码(标识用户),扰频码(标识小区),用户1,用户N,用户2,数据,数据,数据,因为依靠时间同步系统可使各个小区之间具有相同的绝对时间信息,所以,可以用系统事先规定的某个时间对重复周期很长的扰频码进行偏移而重复使用,小区间非同步方式:,因为各个小区间不存在相同的
14、绝对时间信息,所以,每个小区需要采用特定的扰频码。,特定扰频码的分配方法及数量:,小区间同步方式:,信道化码(短码,short code) :重复周期等于符号的长度、码片长度等于扩频因子的正交码。,正交Gold码或Walsh码可以作为信道化码使用,问题:SF不同,即符号速率不同的信道之间 采用什么码?,采用正交可变扩频因子(orthogonal variable spreading factor, OVSF )编码方案。,OVSF编码方案:,OVSF码的生成方法是从(1)(SF=1)开始,按照式(2-6)所示的规则逐次生成下一层的OVSF码:,(2-6),2.3.3 扩频调制,DPDCH :
15、dedicated physical data channel; DPCCH : dedicated physical control channel,GDPDCH、GDPCCH: 信道的增益 DI、DQ: 信道化码扩频后的数据序列的I分量和Q分量 CI、CQ: 扰频码的I分量和Q分量。,(复数扩散法),DPCH,2.3.4 扩频码同步 扩频码同步包含:初期捕获(acquisition)和跟踪(将同步时间保持在 个码片以内)两个过程 解扩器:采用滑动相关器和可实现高速同步的匹配滤波器(matched filter,MF)两种方案 跟踪:延迟锁相环(delay locked loop,DLL)和
16、T型抖动环(tau dither loop,TDL)是业界熟悉的采用方案 移动环境:各个路径的接收功率及延迟时间均随时间变化。在这样的环境下,一般是根据功率延迟分布进行路径搜索,不使用DLL和TDL 。,CDMA系统中的时延扩展,在一个符号区间解扩并生成功率延迟分布。根据生成的功率延迟分布,按照接收功率从大到小的顺序选择接收机具有的相关器、信道估计部分及相位变化补偿部分(以上的模块称为Rake Finger)的个数,也就是选择合成的路径数目要等于Rake Finger的个数。,Rake接收的原理,分集合成器,数据,移动终端在开启电源、进入软切换模式前或者处于通信等待的间断接收模式时,需要检测对
17、瞬时衰弱变化进行平均后的长区间变化以及由于阴影变化引起的路径损耗最小的小区。 这种处理是检测下行链路中具有最大接收功率(解扩后的相关峰功率)的公共导频信道(common pilot channel,CPICH)的扰频码的小区。从对可接入无线链路的小区进行搜索这个意义讲,该过程称为小区搜索。,2.4、4,小区搜索,2.5,随机接入方式,1、呼叫与业务量,呼叫:通信接续要求(例如,电话,传输数据等) 平均保留时间:呼叫的平均接续时间 业务量(Traffic Intensity) :单位时间内的总保留时间,单 位用Erlang表示。 对于一个多用户通信系统,每个用户产生的业务量为:,平均保留时间,每
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