信息通信基础教学PPT移动通信中的主要技术

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1、第3章 移动通信系统内容概要3.1 移动通信简介3.2 移动通信中的主要技术3.3 蜂窝移动系统的组网技术3.4 GSM蜂窝移动通信系统3.5 GPRS系统3.6 CDMA系统3.7 第三代移动通信系统3.8 第四代移动通信系统3.2 移动通信中的主要技术主要内容：3.2.1 多址接入技术3.2.2 无线传输技术3.2.1 多址接入技术在移动通信中两个最核心的问题是如何克服信道与用户 带来的两重动态特性。上一节着重分析了移动通信特点中信 道的动态性，这一章节讨论用户动态性及其带来的一系列问 题。移动通信与固定式有线通信的最大差异在于固定通信是 静态的，而移动通信是动态的。为了满足多个移动用户同

2、时 进行通信，必须解决以下两个问题：首先是动态寻址，其次是对多个地址的动态划分与识 别。这就是所谓多址技术，在多址技术中重点研究的是利用 扩频技术来实现码分多址CDMA。多址技术的基本概念所谓多址技术就是使多个用户接入并共享 同一个无线通信信道, 以提高频谱利用率的技 术。即把同一个无线信道按照时间、频率等进 行分割, 使不同的用户都能够在不同的分割段 中使用这一信道, 而又不会明显地感觉到他人 的存在, 就好像自己在专用这一信道一样。占 用不同的分割段就像是拥有了不同的地址, 使 用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地 址。这就是多址技术, 亦称多址接入技术。多址技术的分类多址技术可分为三

3、类：频分多址（FDMA，Frequency Division Multiple Access）时分多址（TDMA，Time Division Multiple Access）码分多址（CDMA，Code Division Multiple Access）多址接入技术多址划分从原理上看与固定通信中的信号多路复用是一样的，实质上都属于信号的正交划分与设计技术。不同点是多路复用的目的是区别多个通路，通常是在基带和中频上实现，而多址划分是区分不同的用户地址，通常需要利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态的用户地址，同时为了实现多址信号之间互不干扰，信号之间必须满足正交特性。FDMAFDMA: 称为频分多址

4、，即每个用户占用一个频道，其原理图如下：理论上划分：实际上的划分：图. 频分多址原理图在移动通信中最典型的频分多址方式有：北美：800MHz的AMPS体制；欧洲与我国：900MHz的TACS体制。FDMA第一代移动通信是模拟式移动通信，都采用频分多址FDMA方式， 最典型的有北美的AMPS和欧洲及我国的TACS体制。下面以TACS为 例讨论FDMA方式：TACS多址划分FDMAFDMA的主要特点： 比较简单、容易实现，适用于模拟和数字 是以频率复用为基础的蜂窝结构，以频带划分各种小区 需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限系统 以频道分离用户地址，每一频道传输一个模拟/数字话路 对功控要

5、求不严，硬件设备取决于频率规划和频道设置 基站是多部不同载波频率发射机同时工作 不宜在大容量的系统中使用TDMATDMA:时分多址，其原理图如下：从理论上划分：实际上划分：图. 时分多址原理图在移动通信中最典型的时分多址方式有：北美：D-AMPS；欧洲与我国：GSM-900、DCS-1800、phs；日本：PDC。TDMA 第二代移动通信是数字式移动通信，它 主要采用两类多址方式：一类是欧洲大 多数国家采用的时分多址TDMA方式，另 一类是北美等采用的码分多址CDMA方式 ，我国两类方式都有。这里先介绍最典 型的TDMA方式GSM体制。TDMA 在GSM中最多可以八个用户共享一个载波，而用 户

6、之间则采用不同时隙来传送自己的信号。GSM 一个TDMA帧的结构图如下所示。GSM系统一个TDMA帧的结构TDMA TDMA的主要技术特点： 每载波8个时隙信道，每个信道可提供一个数字话音 用户，因此每个载波最多可提供8个用户。 突发脉冲序列传输。每个移动台发射是不连续的，只 是在规定的时隙内才发送脉冲序列。 传输开销大，GSM的TDMA帧层次结构如图所示，共分 为五个层次：时隙、TDMA帧、复帧、超帧、超高帧， 每个层次都需占用一些非信息位的开销，这样总的开 销就比较大，以致影响整体传输效率。TDMA图图. GSM五层层次帧结帧结 构 TDMA GSM每个信道比TACS宽8倍，传输速率达27

7、0.8Kbps，在 这个速率上就不能不考虑多径传输时延扩展的影响。因为 GSM的码元周期为3.7us，而繁华城区的多径时延扩展可 达3us左右，已完全可以比拟。为了克服多径时延扩展， GSM采用了自适应均衡技术，增加了设备的复杂性。 GSM中由于每个载波可提供8个用户，这8个用户由于时 分特性可以共用一套收、发设备，因此与 FDMA比较，减 少了七倍的用户设备，降低了成本。 GSM是数字式移动通信，它对新技术是开放的，这里的 开放是指对新技术适应性比模拟的FDMA强。GSM的时 隙结构灵活，不仅可以适应不同数据速率(一般指单个信 道速率低于8倍的整数倍)的数据传送，还可以利用时隙的 空闲省去双

8、工器(利用时隙间切换)。CDMA 它是第二代移动通信中的两种主要多址方 式中除TDMA以外的另一种形式，最典型 的是IS-95。在第三代移动通信中，五种体 制中最主要的三种也是采用CDMA，它们 是FDD的CDMA2000、FDD的WCDMA， 与TDD的TD-SCDMA。CDMACDMA系统主要特点： 每个基站只需一个射频系统 小区内以CDMA建立信道连接 每个码传输一路数字信号 各用户共享频率和时间 是一个多址干扰受限系统 需要相当严格的功率控制 需要定时同步 具有软容量 具有软切换能力 语音激活技术可扩大系统容量 抗衰落、抗多径能力强SDMASDMA: Space Division Mu

9、ltiple Access空分复用接入，其原理图如下：图 空分多址原理图空分地址的实现是利用无线的方向性波束，将服务区(小区内)划分为不同的子空间进行空间正交隔离。移动通信中的扇区天线可以看作是SDMA的一种基本实现方式。智能式自适应天线是将来移动通信中准备采用的一项新的关键技术，是典型的空分方式。SDMA 空分多址（SDMA）是一种新发展的多址技术，在由中 国提出的第三代移动通信标准TDSCDMA中就应用了 SDMA技术。 应用SDMA的优势是明显的：它可以提高天线增益，使 得功率控制更加合理有效，显著地提升系统容量；此 外一方面可以削弱来自外界的干扰，另一方面还可以 降低对其他电子系统的干

10、扰。 SDMA实现的关键是智能天线技术，这也正是当前应用 SDMA的难点。特别是对于移动用户，由于移动无线信 道的复杂性，使得智能天线中关于多用户信号的动态 捕获、识别与跟踪以及信道的辨识等算法极为复杂， 从而对DSP（数字信号处理）提出了极高的要求。OFDMAOFDMA（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，正交频分多址）是第四代移动通信的核心技术 ，典型代表是LTE、WiMax等移动通信体制。学术界与工 业界主流观点认为，只有OFDMA才能够满足ITU第四代移 动通信标准IMT-Advanced的技术要求。 OFDMA系统中，整个信道带

11、宽被划分为多个正交的子载 波，每个用户分配不同的子载波组用于承载业务数据。一般的，OFDMA的子载波映射方式有三种，集中映射、 分布映射与随机映射。 OFDMA分布式映射将子载波划分为多组，每组子载波分别映射为不同用户，因此每个用户的子载波均匀分布在整个信号带宽中；集中映射则将一组连续子载波分配给同一个用户，因此每个用户的信号在整个带宽中集中分布；随机映射按照某种随机规则，在系统可用子载波集合中，对用户的子载波进行随机分配，因此用户信号随机分布在整个带宽中。 OFDMA 这三种映射方式中，随机映射和分布式映射由于 用户信号分布于整个系统带宽，因此能够获得频 率分集增益，性能要优于集中映射。 但

12、后者实现简单，并且通过上层调度，可以弥补 分集增益的损失，因此实际的LTE、WiMax系统中 ，主要采用集中映射方式。 OFDMAOFDMA OFDMA系统的主要干扰是相邻小区的同频干扰( 共道干扰)。为了抑制同频干扰，小区间干扰协调 是OFDMA系统的关键技术之一。 另外，同步技术、峰平比抑制技术、分组调度以 及信道估计等，也都是OFDMA的核心技术，尤 其是MIMO技术与OFDMA技术的组合，已经成 为第四代移动通信体制的基石。OFDMA OFDMA系统的容量既不同于CDMA的软容量， 也不同于传统的FDMA、TDMA的硬容量，可以 称之为动态容量。 由于现代信号处理与跨层优化技术的应用，

13、物理 层的链路自适应与MAC层的分组调度技术相结合 ，能够根据信道状态为OFDMA用户动态分配无 线资源，自适应调整链路速率，从而有效提高了 系统容量。 3.2.2 无线传输技术1、调制技术调制：对信号源的编码信息进行处理，使其变为适合信道传输形式的过程。基带信号：信号源编码信息含有直流分量和频率较低的交流分量。调制改变高频载波的幅度、相位或者频率使其随基带信号幅度变化而变化解调将基带信号从载波中提取出来以便预定的接受者处理和理解调制方式选择：抗干扰能力强、能适应快慢衰落信道、占用较小带宽、带外辐射小数字调制技术分类：按信号相位是否连续相位连续的和相位不连续的按信号包络是否恒定恒定包络和非恒定

14、包络数字调制技术要求：高带宽效率、高功率效率、低带外辐射、多多径衰落不敏感、恒定包络、低成本、易实现等高斯滤波最小频移键控GMSK调制（GSM系统）正交频分复用调制OFDM（3G-4G）3.2.2 无线传输技术3.2.2 无线传输技术2、分集技术通过两个或更多的接收支路（基站和移动台接收机）来补偿信道损耗，即分散传输和集中处理。分类：按信号传输方式显分集和隐分集按分集的目的宏分集和微分集按涉及资源空间分集、频率分集、时间分级、极化分级3.2.2 无线传输技术3、均衡技术均衡对信道均衡，即接收端的均衡器产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时变多经传播引起的码间干扰。分类：频域均衡使总的传输满足无

15、失真传输条件时域均衡使总的冲击响应满足无码间干扰的条件（数字通信）3.2.2 无线传输技术4、信道编码技术通过在发送信息时加入冗余的数据位来改善通信链路的性能。发射机在基带部分，使用信道编码器把一段数字序列映射成另一段包含更多数据比特的码序列。接收机用信道编码来监测或纠正。分类：分组编码和卷积编码3.2.2 无线传输技术5、跳频技术使用伪码随机设定频率合成器，使发射机的振荡频率在很宽的范围内不断地改变，从而使射频在一个很宽的范围内变化，形成一个宽带离散频谱。优点：抗多径、抗同频干扰、抗衰落3.2.2 无线传输技术6、直接序列扩频技术直接序列扩频是高安全性高抗扰性的一种无线序列型号传输方式，英文

16、全称Direct Sequence Spread Spectrum，简称直扩方式（DS方式）。直接序列扩频通过利用高速率的扩频序列在发射端扩展信号的频谱，而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展开的扩频信号还原成原来的信号。优点：抗干扰能力强、抗多径干扰能力强、抗截获能力强、可同频工作、便于实现多址通信、直扩通信速率高缺点：频道数减少、带宽增大、信息量增大3.2.2 无线传输技术7、智能天线技术随着社会信息交流需求的急剧增加、个人移动通信的迅速普及，频谱已成为越来越宝贵的资源。智能天线采用空分复用(SDMA)，利用在信号传播方向上的差别，将同频率、同时隙的信号区分开来。它可以成倍地扩展通信容量，并和其他复用技术相结合，最大限度地利用有限的频谱资源。另外在移动通信中，由于复杂的地形、建筑物结构对电波传播的影响，大量用户间的相互影响，产生时延扩散、瑞利衰落、多径、共信道干扰等，使通信质量受到严重影响。采用