第3章数字移动通信技术.ppt
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1、第3章 数字移动通信技术,3.1 移动通信概述 3.2 数字移动通信的基本技术 3.3 GSM数字蜂窝移动通信系统 3.4 Q-CDMA(IS-95)数字蜂窝移动通信系统 3.5 第三代移动通信与个人通信 思考与练习,3.1 移动通信概述,3.1.1 移动通信的特点 与其它通信方式相比较, 移动通信有如下特点: (1) 移动通信的电波传播环境恶劣。,(2) 多卜勒频移产生附加调制。 由于移动台处于运动状态中, 接收信号有附加频率变化,即多卜勒频移fd 。 fd与移动体移动速度有关。 若电波方向与移动方向之间的夹角为, 则有,(3-1),(3) 移动通信受干扰和噪声的影响。 (4) 频谱资源紧缺
2、。 在移动通信中, 用户数与可利用的频道数之间的矛盾特别突出。 (5) 建网技术复杂。,3.1.3 蜂窝移动通信系统的组成 蜂窝移动通信系统要实现移动用户与市话用户、 移动用户与移动用户, 以及移动用户与长途用户之间的通信, 必须包括无线传输、 有线传输以及信息的收集、 处理和存储等, 使用的主要设备有无线收发信机、 交换控制设备和移动终端设备等。 图3-1是典型的蜂窝移动通信系统示意图。,图3-1 蜂窝移动通信系统,(1) 交换网络分系统(NSS)。 交换网络分系统包括移动交换中心(MSC)、 拜访位置寄存器(VLR)、 归属位置寄存器(HLR)、 鉴权中心(AC)、 操作管理中心(OMC)
3、和短消息中心(SME)等部分。 (2) 基站分系统(BSS)。 基站分系统包括一个基站控制器(BSC)和由其控制的若干个基站收发信系统(BTS)。为使读者清楚地了解移动通信系统的组成, 图3-2给出了GSM系统的结构组成。,图3-2 GSM系统结构,(3) 移动台(MS)。 移动台是移动通信系统不可缺少的一部分, 它有车载式、 手持式、 便携式三种形式。 移动台应包括移动台物理设备和智慧部件两部分。 移动台由收发信机、 频率合成器、 数字逻辑单元、 拨号按钮和送/受话器等组成。 图3-3是一个典型的移动台收发信机框图, 主要组成部分有: 收信和发信信号处理、调制和解调、 收信和发信通道、 频率
4、合成器和双工器等。,图3-3 移动通信收发信机框图,3.1.4 移动通信技术发展的趋势和特点 (1) 宽带化是通信信息技术发展的重要方向之一, 随着光纤传输技术以及高通透量网络节点的进一步发展, 有线网络的宽带化正在世界范围内全面展开, 而移动通信技术也正在朝着无线接入宽带化的方向演进, 无线传输速率将从第二代系统的9.6 kb/s向第三代移动通信系统的最高速率2 Mb/s发展。,(2) 随着网络中数据业务量主导地位的形成, 从传统的电路交换技术逐步转向以分组的特别是以IP为基础的网络是发展的必然, IP协议将成为电信网的主导通信协议。,(3) 核心网络综合化, 接入网络多样化。 未来信息网络
5、的结构模式将向核心网/接入网转变, 网络的分组化和宽带化使在同一核心网络上综合传送多种业务信息成为可能, 网络的综合化以及管制的逐步开放和市场竞争的需要将进一步推动传统的电信网络与新兴的计算机网络的融合。,(4) 信息个人化是21世纪初信息业进一步发展的主要驱动力之一, 而移动IP技术正是实现未来信息个人化的重要技术手段, 在手机上实现各种IP应用以及移动IP技术正逐步成为人们关注的焦点之一。 (5) 网络将以技术为中心转向以应用为中心。 (6) 移动通信网络结构正在经历一场深刻的变革, 现有电路交换网络向IP网络过渡的趋势已不可阻挡, IP技术将成为未来网络的核心关键技术。,3.2 数字移动
6、通信的基本技术,3.2.1 蜂窝组网技术 1.蜂窝网的构成 若将一个移动通信服务区划分成许多小区(Cell), 每个小区设立基站, 与用户移动台之间建立通信, 小区的覆盖半径较小, 可从几百米至几十千米。 如果基站采用全向天线, 覆盖区实际上是一个圆, 但从理论上说, 图形小区邻接会出现多重覆盖或无覆盖, 有效覆盖整个平面区域的实际上是圆的内接规则多边形, 这样的规则多边形有正三角形、 正方形、 正六边形三种, 如图3-4所示。,图3-4 小区的形状 (a) 正三角形;(b) 正方形;(c) 正六边形,构成单元无线区群的基本条件是: 区群之间彼此邻接且无空隙无重叠地覆盖整个面积; 相邻单元中,
7、 同信道小区之间距离保持相等, 且为最大。 满足上述条件的区群形状和区群内的小区数不是任意的。 可以证明, 区群内的小区数N应满足下式: N=a2+ab+b2 (3-2) 式中, a和b分别是相邻同频小区之间的二维距离, 如图3-5所示。 a, b为不能同时取0的正整数。 由上式的计算可得到N为不同值时的正六边形蜂窝的区群结构如图3-6所示。,图3-5 蜂窝小区覆盖,图3-6 正六边形区群的构成,确定相邻区群同频小区的方法是: 自某一小区A出发, 先沿边的垂线方向跨a个小区, 再按逆时针方向转60, 然后再跨b个小区, 这样就可找出同频小区A。 在正六边形的六个方向上, 可以找到6个相邻的同频
8、小区, 如图3-5所示。 区群间同频复用距离可由下式计算:,(3-3),式中, N为区群内的小区数, r0为小区的辐射半径。,图3-7 用户分布密度不等时基站覆盖区的划分,图3-8 小区分裂方案,2.多信道共用 所谓多信道共用, 就是在一个无线区内的n个信道为该无线区内所有用户共用, 任何一个移动用户选取空闲信道及占用时间均是随机的。 多信道共用可以大大提高信道的利用率, 它支撑着移动网的呼损率、 中断率、 系统容量等指标。 下面我们分别阐明话务量、 呼损率、 信道利用率的概念及其同系统用户数的关系。,话务量定义为在一特定时间内呼叫次数与每次呼叫平均占用信道时间的乘积, 可分为流入话务量与完成
9、话务量。 流入话务量取决于单位时间内(通常为1小时)发生的平均呼叫次数与每次呼叫平均占用时间。 在系统的流入话务量中, 必然有一部分呼叫失败(信道全部被占用时, 新发起的呼叫不能被接续), 而完成接续的那部分话务量称为完成话务量。,如用A表示流入话务量, A0表示完成话务量, C表示单位时间内发生的平均呼叫次数, C0表示单位时间内呼叫成功的次数, t表示每次呼叫平均占用信道时间, 则 A=Ct (3-4) A0=C0t (3-5) 损失话务量(呼叫失败的话务量)与流入话务量之比称为呼损率, 用以说明呼叫损失的概率, 用B表示, 有,(3-6),根据话务理论, 话务量、 呼损率、 信道数之间存
10、在下式所示的定量关系, 称为爱尔兰呼损公式。,(3-7),采用多信道共用技术能提高信道利用率, 信道利 用率可以用每个信道平均完成的话务量来表示, 有,(3-8),用数表列出B、 n、 A和的关系如表3-1所示(略)。,有了上面的这些概念, 接着我们讨论它们与系统用户数之间的关系。 在工程设计中,为了计算系统用户数, 需要知道每用户忙时话务量(用a表示)。 忙时话务量与全天(24小时)话务量之比称为忙时集中系数(用K表示), K一般取10%15%。 假设每用户每天平均呼叫次数为C, 每次呼叫平均占用信道时间为T(秒/次), 忙时集中系数为K, 则每用户忙时话务量a为,(3-9),当每用户忙时话
11、务量确定后, 每个信道所能容纳的用户数m可由下式计算:,(3-10),若系统有n个信道, 则系统所能容纳的用户数M为: M=mn=A/a (3-11),信道的自动选择方式有多种, 但基本上可以分成两类: (1) 专用呼叫信道方式。 (2) 标明空闲信道方式。,3.位置登记与信道切换 位置登记是指移动台向控制中心发送报文时, 表明它本身工作时所处位置信息并被移动网登记存储的过程。 在构造复杂的移动通信服务区内, 一般将一个MSC控制区作为一个位置区或划分成若干个位置区。 信道切换可以分为两类: 越区切换和漫游切换。,3.2.2 多址技术 1.频分多址(FDMA) 频分多址是以频率来区分信道的。
12、模拟信号和数字信号都可采用频分多址方式传输。 该方式有如下特点: (1) 每路一个载频 (2) 连续传输。 (3) FDMA蜂窝移动通信系统是频道受限和干扰受限的系统。,(4) FDMA系统需要周密的频率计划, 频率分配工作复杂。 (5) 频率利用率低、 系统容量小。,2.时分多址(TDMA) 时分多址是以时隙(时间间隔)来区分信道的。 在一个无线频道上, 按时间分割为若干个时隙, 每个业务信道占其中的一个时隙, 在规定的时隙内收发信号。 在时分多址方式中, 分配给各移动台的是一个特定的时隙。,(1) 以每一时隙为一个话路的数字信号传输。 (2) 各移动台发送的是周期性信号, 而基站发送的是时
13、分复用(TDM)信号, 发射信号的速率随时隙数的增大而提高。 (3) TDMA蜂窝移动通信系统是时隙受限和干扰受限的系统。 (4) TDMA系统的定时和同步问题是关键问题。 (5) 抗干扰能力强, 频率利用率高, 系统容量大。 (6) 基站设备成本低。,3.码分多址(CDMA) 码分多址是基于码型分割信道。 在CDMA方式中, 不同用户传输信息所用的信号不是靠频率不同或时隙不同来区分的, 而是用各不相同的编码序列来区分的。 CDMA的特征是代表各信源信息的发射信号在结构上各不相同, 并且其地址码相互间具有正交性, 以区别地址。 在移动通信中, 要实现码分多址必须具备以下三个条件:,(1) 要有
14、数量足够多、 相关性能足够好的地址码, 使系统能通过不同的地址码建立足够多的信道。 (2) 必须用地址码对发射信号进行扩频调制, 并使发送的已调波频谱极大地展宽(几百倍), 功率谱密度降低。 (3) 在码分多址系统的接收端, 必须具有与发送端完全一致的本地地址码。,图3-9 DS-CDMA系统原理框图,图3-10 DS-CDMA系统各点波形图,图3-11 扩频过程中的频谱变换图,直扩码分多址移动通信系统具有如下特点: (1) 具有抗干扰和抗多径衰落的能力。 (2) 系统容量大。 (3) 可与窄带系统共存。 (4) 软切换功能。 (5) 软容量和小区呼吸功能。 (6) 保密性好、 设备简单、 电
15、池使用寿命长等。 (7) 存在多址干扰和远近效应。,3.2.3 调制技术 1.数字调制的要求 数字调制解调技术是数字移动通信的关键技术, 应有如下主要要求: (1) 频率利用率高。 (2) 误码性能好。 (3) 能接受差分检测, 易于解调。 (4) 功率效率高。,2.主要的数字调制方式 移动通信的电波传播条件恶劣, 地形地物影响大, 移动通信中的调制技术应适应这种变参信道的条件。 主要的调制方式有: (1) 2FSK调制。 移频键控基带信号是二元基带信号, 分别用h和l表示传输信号, 码元交替时相位不连续。 2FSK信号的波形如图3-12所示。 信号的频偏 d=h-0=0-l。 调制产生的功率
16、谱是基带数字信号功率谱的线性搬移。 2FSK信号所占带宽为,图3-12 2FSK信号的波形,(2) MSK调制。 移频键控频谱较宽的原因是码元交替过程中存在相位的跳变, 如果能够控制其相位使得码元交替时载波相位连续变化, 频谱边带就可以大大降低。 最小移频键控(MSK)就是根据这一思想提出的。 MSK是一种特殊的2FSK, 只是它满足下面两个条件:,(3-12), 代表基带信号“0”和“1”的两种频率的信号在一个码元期间Tb内所积累的相位差必须严格地等于, 以保证码元转换时刻已调信号的相位是连续的。 调制指数m=0.5。 调制指数定义为频率偏移与比特率的比值, 即,(3-13),图3-13 M
17、SK的信号功率谱,(3) GMSK调制。 MSK调制是调制指数为0.5的二元数字频率调制, 它具有恒定包络、 相对窄的带宽、 相干检测等特性。 (4) QPSK调制。 QPSK即4PSK, 是一种四进制数据的相位移相键控。 其原理是先把输入数据作串/并变换, 即将二进制数据每二比特分成一组, 共有00, 01, 10, 11四种组合。,图3-14 GMSK的功率谱密度,图3-15 QPSK信号相位和时间波形图,(5) OQPSK调制。 OQPSK调制的原理是在输入数据作串/并变换后, 再使其交错一个输入码元宽度Tb, 然后再分别对两个正交的载波进行2PSK调制, 最后叠加而成为OQPSK信号。
18、,图3-16 OQPSK信号相位关系图,图3-17 /4-QPSK信号状态迁移轨迹,(6) -QPSK调制。 -QPSK调制是在QPSK基础上演变而来的, 其相位跳变值为/4或3/4。 /4-QPSK有8个相位状态, 如图3-17所示。,3.2.4 语音编码技术 语音编码为信源编码, 其目的是为了把模拟信号转变成数字信号以便在信道中传输。 语音编码技术在移动通信系统中与调制技术直接决定了系统的频谱利用率。 移动通信中对语音编码技术的研究目的是在保证一定的语音质量的前提下, 尽可能降低编码的比特率。 语音编码技术通常分为三类: 波形编码、 参量编码和混合编码。,移动通信中采用什么样的语音编码主要
19、取决于无线移动信道的条件。 移动通信对数字语音编码的要求如下: 速率较低, 纯编码速率应低于16 kb/s; 在一定编码速率下音质应尽可能高; 编码时延应较短, 控制在几十毫秒之内; 编码算法应具有较好的抗误码性能, 计算量小, 性能稳定; 编码器应便于大规模集成。,1.波形编码器 波形编码可将时域的模拟信号的波形信号经过取样、 量化、 编码而形成的数字语音信号。 为了保证数字语音信号解码后的高保真度, 取样速率应满足奈奎斯特定理, 并且量化分层数要大。,2.参量编码器 参量编码器又称声源编码器或声码器。 这种编码器不是跟踪语音信号的波形, 而是提取产生语音信号的特征参数。 其原理是把人的发音
20、器官看成是一个滤波器, 它由来自声带振动的脉冲来激励, 滤波器由咽喉、 舌头和嘴组成。,3.混合编码器 混合编码器可以看成是波形编码器与声码器的混合, 它综合了波形编码和参量编码的长处, 即保持参量编码的低速率和波形编码的高语音质量的优点。 在混合编码的信号中, 既含有若干语音特征参量又含有部分波形编码的信息。,3.2.5 交织技术 假定由一些4比特组成的消息分组, 把4个相继分组中的第一个比特取出来, 并让这4个第1比特组成一个新的4比特分组, 称作第一帧, 4个消息分组中的第24比特, 也作同样的处理, 如图3-18所示。,图3-18 交织原理,图3-19 GSM系统的语音交织,3.2.6
21、 分集技术 1.空间分集 空间分集的依据在于块衰落的空间独立性, 即在任意两个不同的位置上接收同一信号, 只要两个位置的距离大到一定程度, 则两处所收到的信号的衰落是不相关的。 为此, 空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线, d与工作波长、 地物及天线高度有关, 在移动信道中, 通常取 市区 d=0.5 (3-14) 郊区 d=0.8 (3-15),2.频率分集 由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的, 因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息, 以实现频率分集。 例如, 市区的相关带宽Bc50 kHz, 效区的Bc300 kHz, 在开阔地Bc8 MHz。
22、 为了在市区和郊区都能取得满意的频率分集接收效果, Bc必须大于或等于300 kHz。,3.时间分集 时间分集表示在不同时隙发射相同的信息, 在接收端产生两个非相关的衰落信号, 重发信号的间隔时间要大于信道的相关时间。,图3-20 RAKE接收机原理图,3.2.7 自适应均衡技术 均衡是指对信道特性的均衡, 即接收端的均衡器产生与信道特性相反的特性, 用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间干扰。 均衡有两条基本途径: 一是频域均衡, 它使包括均衡器在内的整个系统的总传输函数满足无失真传输的条件, 频域均衡往往分别校正幅频特性和群时延特性。,二是时域均衡, 就是直接从时间响应来考虑, 使包括均
23、衡器在内的整个系统的冲激响应来考虑, 使包括均衡器在内的整个系统的冲激响应满足无码间串扰的条件。 数字通信中面临的问题是时变信号, 因而需采用时域均衡来达到整个系统无码间串扰。 时域均衡的主体是横向滤波器, 它由多级抽头延迟线、 加权系数相乘器(或可变增益电路)及相加器组成, 如图3-21所示。,图3-21 横向滤波器,图3-22 维特比均衡器,图3-23 均衡器工作原理,表3-2 GSM系统的训练序列,3.3 GSM数字蜂窝移动通信系统,3.3.1 频率配置 移动台发送频段为890915 MHz, 基站发送频段为935960 MHz, 收发双工频率间隔为45MHz, 相邻频道(载波)间隔为2
24、00 kHz。 每个频道采用TDMA方式, 分为8个时隙, 即8个信道(全速率)为一帧, 将来采用半速率语音编码后, 每个频道可容纳16个信道。,我国GSM系统由两个运营部门经营, 频率使用情况如下: 中国电信: 905909 MHz(移动台发送), 950954 MHz(基站发送); 中国联通: 909915 MHz(移动台发送), 954960 MHz(基站发送)。 频率分配采用等频距分配法。 频道序号为7695, 共20个频点, 如表3-3所示。,表3-3 900 MHz GSM移动网的频率配置,fl(n)=890.200 MHz+(n-1)0.2 MHz(移动台发送) fh(n)=93
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