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1、移动通信基础,系统建设维护部 赵腾,移动通信发展概况,移动通信发展概况,移动通信发展概况,移动通信的特点,传播特性,无线电波 电波弥散和损耗 多普勒频移 随机调频,有害干扰,邻道干扰 互调干扰 共道干扰 多址干扰 远近效应,资源利用,频谱资源非常有限 合理分配严格管理 压缩频带宽度 提高频谱利用率,工作环境,手机轻量省电 电台维修方便 适应恶劣环境,网络管理,因地制宜合理布局 有效管理和控制,通信承载业务类别,话音业务,数据传输,语音通信是移动通信的传统业务， 但是近年来，随着计算机的迅速发展和人们信息交往的日益频繁和多样化，对数据传输的需求也与日俱增,移动通信系统,无绳电话网 （低功率局域网
2、）,蜂窝网 （高功率局域网）,宽带LAN （高速局域网）,移动数据网 （低速宽域网）,常用移动通信系统,蜂窝移动通信系统,IMTS系统：单个大功率发射机覆盖整个市区,蜂窝移动通信系统,蜂窝系统：位于各个小区的许多小功率发射机覆盖相同的地区,无绳电话系统,PSTN,计费中心,网络管理中心,专用基站,公用基站,公用基站,公用基站,公用无绳电话系统示意图,通信系统架构,信源输入变换器,输出变换器与输出信号,调制器,解调器,信道,噪声,模拟通信系统功能框图,信源输入变换器,输出变换器与输出信号,信道,噪声,数字通信系统功能框图,调制器,解调器,信道解码,信源解码,信源编码,信道编码,数字通信系统的优点
3、,数字 通信 系统,可降低设备成本，同时减小手机的体积和重量,便于实现通信的安全保密,能实现更有效、灵活的网络管理和控制,抗噪声、抗干扰和抗多径衰落的能力强,能提供多种业务服务，提高通信系统的通用性,频谱利用率高，有利于提高系统容量,良好的噪声控制,北京,天津,上海,广州,信道噪声,信道噪声,信道噪声,信号再生,信号再生,信号再生, 数字信号的消噪处理,北京,天津,上海,广州,噪声,噪声累积,噪声累积, 模拟信号噪声的累积,模拟信号的数字化 采样 量化 编码,奈奎斯特采样定理, 奈奎斯特采样定理： 如果采样的样本足够密集的话（采样频率大于信号频率的两倍），那么就可以无失真的还原信号。,奈奎斯特
4、采样定理,t,t,采样点 （某一帧的画面）,“视觉停留” 过程,电影拍胶片的采样过程,人眼通过“视觉停留” 还原影像场景的过程,电影的24帧与人眼的“视觉停留”,奈奎斯特采样定理,车轮,第一次采样,第二次采样,车轮,电影拍摄时车轮的转动情况,摄像机,摄像机,奈奎斯特采样定理, 奈奎斯特采样定理对语音模拟信号数字化的意义： 人发出的声音的频率一般为851100Hz，而1-4kHz也是人耳非常敏感的频率范围。奈奎斯特采样频率选定为8kHz就基本可满足手机通话的需求，事实上，GSM手机的采样频率正是8kHz。,量化, 采样的作用是把一个时间连续信号变成时间离散的信号，而量化则是将取值连续的采样变成取
5、值离散的采样。 量化也分为两种：均匀量化和非均匀量化。,均匀量化,t,T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,量化误差,信号的量化值,信号的实际值,均匀量化示意图,均匀量化的缺点, 均匀量化对小信号而言，信噪比太低。 假设一个信号的变化范围为0, 10，量化电平数为10，那么取每个区间的中值为量化电平，就分别为0.5, 1.5, 2.5, , 9.5。 那么对于小信号0.9，在第1个区间里，所以其量化电平为0.5，那么其信号功率为S0=(0.9)2=0.81，量化噪声功率为N0=(0.9-0.5)2=0.16，因此信号与量化噪声功率比为：,那么对于大信号9.9，在第10个区间里，所以其量化电平
6、为9.5，那么其信号功率为S0=(9.9)2=98.01，量化噪声功率为 N0=(9.9-9.5)2=0.16，因此信号与量化噪声功率比为：,非均匀量化,非均匀量化示意图,y,x,0,2,3,4,5,6,7,第 8 段,斜率： 1段16 2段16 3段8 4段4 5段2 6段1 7段1/2 8段1/4,PCM量化,t/T,2,3,4,5,6,7,8,9,0,1,2,3,4,8,10,12,14,9,11,13,15,1,判决电平,量化电平,量化间隔序号,输入电压,PCM量化与编码, 上图中共有16个量化区间，其量化间隔为0.5V，各量化区间的判决电平依次为-4V，-3.5V，3.5V，4V。1
7、6个量化电平分别为-3.75V，-3.25V，3.25V和3.75V。图中显示了12个采样值电平，下面对它们进行编码：, 请注意，凡是负电平其高位都是0，凡是正电平其高位都是1，所以最高位也称作极性码。,DPCM(差分编码调制),编码后的数字信号,信道编码,信道编码的定义 信道编码 是以提高信息 传输的可靠性为目的的编 码，通常通过增加信源的 冗余度来实现。 信道编码的设计 线性分组码，卷积码， Turbo码，奇偶校验法等。,反馈校正法 接收端将收到的信码原封不动的转发回发送端，并与原发送信码相比较，如果发现错误，则发送端再进行重发。,前向纠错法 接收端不仅能在收到的信码中发现有错码，还能够纠
8、正错码。,检错重发法 接收端在收到的信码中检测出错误时，立即设法通知发送端重发，直到正确接收为止。,检错和纠错的原理,假如 有一个3bit的编码，那么是可以表示23=8种编码的，我们在这里拿最高位作为监督位，后两位作为信息位，如下所示： 000 = 风 011 = 雨 101 = 雷 110 = 电 如果 “000”风 出错，变成了“001”或者“010”，那么很快可以发现在编码体系中没有这个编码，说明这个码出错了，这就是检错。但上述方法却无法纠错，比如“100”就是一个错码，但并不能说明它是由“101”还是由“110”错过来的。,为了 纠错，我们不得不再增加冗余比特，这里我们拿前两位作为监督
9、位，如下所示： 000 = 风 111 = 电 如果出现了“100”的码型，肯定是 “000”风 的高位发生了错误，因为 “111”电 的码型只错一位是无论如何不会变成“100”的。,调制的意义,调制的方法,FSK,ASK,PSK,调制的方法 一个电磁信号可以用一个正弦波来表达，而正弦波无非只有三个参数：振幅、频率和相位。那么相应的调制方法也只有通过这三个途径。,频移键控,幅移键控,相移键控,调制的方法,0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0,(a) ASK,(b) 2FSK,(c) BPSK,数字调制示意图,信道与信道容量,Data rate,Bandwidth,Error rate,N
10、 o i s e,Channel Capacity,带宽 - 传输信号所占的带宽 - 用Hz来表示,噪声 - 平均噪声电平 - 并非单个的突发噪声,数据率 - 数据进行通信的速率 - 用bit/s来表示,误码率 - 差错发生率 - 发送的是0，接收的是1,无噪声的完美信道,最大信号速率 = 2倍带宽,对于GSM这样的200kHz的频点带宽，其奈奎斯特带宽的最大传输速率可达400kbit/s，实际的传输速率为270.833kbit/s。,奈奎斯特带宽 是指信道无噪声的理想情况,有噪声的真实信道,由此得出以下结论：要达到一定的传输速率，要么提高信噪比，要么增加带宽才能实现。,香农定理 揭示了带宽和
11、信噪比共同决定了一个信道的容量：,大尺度效应,路径传播损耗,阴影效应,电磁波在空中的弥散。 路径造成了能量的损耗。接收功率衰减与距离的关系 为20dB/10倍程，反应出传播在宏观大范围（千米量级） 的空间距离上接收信号电平平均值的变化趋势。,电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡而产生的损耗。反映了 在中等范围内（数百波长量级）的接收信号电平平均值起伏变化 的趋势。其变化率比传送信息率慢，故称为慢衰落。,小尺度效应,路径1,路径2,反射物体,路径1的信号,路径2的信号刚好晚半个波长,两个信号波峰与波谷相互抵消,小尺度效应又称小尺度衰落、快衰落，反映了手机在极小范围内（数十波长以下量级）移动时接收
12、电平平均值的起伏变化趋势。当接收机移动距离与波长相当时，其接收功率可以发生3个或4个数量级（30dB或40dB）的变化。 小尺度效应一般是由多径传播引起的，即同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干扰。通常衰落的结果没有图中那么惨，因为直接路径的信号强度要强于间接路径，不会出现完全抵消的情况。,复用技术,空分复用,支持12个用户,小区分裂增加系统容量,支持12个用户,支持12个用户,支持12个用户,支持12个用户,空分复用,支持12个用户, 全向天线的电磁传播, 定向天线的应用,频分复用 (FDM),时分复用 (TDM),Frame,GSM的时分复用,一个TDMA
13、帧分为8个时隙，所谓复用技术，就是区隔用户的技术， 在时分复用里面，使用相同频率的用户是通过在不同的时间（时隙） 里工作来区分的。,码分多址 (CDMA),信道 解码,解扩,解调,接收机,信道 编码,扩频,调制,发射机, CDMA的系统框架图,空中接口,信号,扩频抗干扰,有用信号,干扰,干扰,有用信号,有用信号,有用信号,P,P,P,P,f,f,f,f,扩频前,扩频后,解扩前,解扩后, 扩频抗干扰示意图,扩频与解扩,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,原始信号,扩频码,扩频结果,接收信号,解扩码,解扩信号,8bit Walsh码,Walsh函数的取值为+1或者-1，为了方便表达，我
14、们将+1和-1转换为二进制的0和1.我们注意到一个特点，Walsh码除W0外,其余码型中的0和1数量都相等，这个特性非常有用。Walsh码具有正交性和归一性。,Walsh码的正交性,00110011积分结果为0， （离散序列的积分相当于累加） 证明Walsh码正交。,正交是指两个码相乘(模二加)后积分为0,Walsh码的归一性,00000000累加结果为+8， 平均值为+1， 证明Walsh码的归一性。,Walsh码正交的意义,原始信号与具有正交性的码异或后 不会改变0和1数目相等的情况， (aaaaaaaa) (01010101) 积分结果为0,信号的异或运算满足交换律和结合律,原始信号 扩频码Wa 扩频码Wb = 原始信号 (扩频码Wa 扩频码Wb),扩频过滤干扰信号,有用信号,1 0,
