《第三代移动通信 教学大纲作者 张玉艳 方莉 20090823第2章3G关键技术 讲义》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三代移动通信 教学大纲作者 张玉艳 方莉 20090823第2章3G关键技术 讲义（30页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 3G关键技术本章重点介绍3G的关键技术，主要包括以下几方面的内容： l 移动通信信道l 扩频通信系统l 数字调制技术l 信源编码技术l 信道编码技术l 功率控制技术l 发送接收技术l 蜂窝组网技术2.1 移动通信信道信道是信号的传输媒质，可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆及光缆等。无线信道有地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星中继以及各种散射信道等。移动通信采用无线通信方式，因此系统性能主要受无线信道的制约。2.1.1 无线电波的传播移动通信的重要基础是无线电波的传播，无线电波可以通过多种不同的方式从发射天线传播到接收天线，按照无线电
2、波的波长我们人为地把电波分为长波(波长1000米以上)，中波(波长100-1000米)，短波(波长10-100米)，超短波和微波(波长为10米以下)等，参见下表2- 1。表2-1无线电波分类波段波长频率主要用途长波10Km1Km30KHz300 KHz-中波1Km100m300 KHz3MHz调幅无线电广播短波100m10m3MHz30MHz微波米波（VHF）10m1m30MHz300MHz调频无线电广播分米波（UHF）1m0.1m300MHz3GHz电视、雷达、导航、移动通信厘米波10cm1cm3GHz30GHz毫米波10mm1mm30GHz300GHz从移动通信信道中的电波传播上看，可分为
3、：（1）直射波：是指在视距覆盖区内无遮拦的传播，它是超短波、微波的主要传播方式。经直射波传播的信号最强，主要用于卫星和外空间通信，以及视距通信。（2）反射波：是指从不同建筑物或其他反射体反射后到达接收点的传播信号，其信号强度次之。中波和短波等靠围绕地球的电离层与地面的反射而传播。（3）绕射波：从较大的建筑物或山丘绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。当波长与障碍物的高度可比时，电磁波具有绕射的能力。实际中，只有长波、中波以及短波的部分波段能绕过地球表面大部分的障碍，到达300Km内较远的地方。（4）散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的漫反射后到达接收点的传播信号，其信号强度最弱
4、。 比较以上四种电波传播形式，直射波信号强度最强、反射波和绕射波次之、散射波最弱。在移动通信中，无线电波主要以直射、反射和绕射传播，而绕射波随着频率升高衰减增大、传播距离有限，所以分析移动通信信道时，主要考虑直射波和反射波的影响。2.1.2 接收信号的四种效应移动通信信道有三个主要特点：信号传播的开放性，接收点地理环境的复杂性和多样性、以及通信用户的随机移动性，无线电波有三种主要传播类型：直射、反射、绕射。在它们的共同作用下，接收信号具有4种主要效应：阴影效应、远近效应、多径效应和多普勒效应。（1）阴影效应：指在无线通信系统中，移动台在运动的情况下，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻
5、挡而在传播接收区域内形成半盲区，称为电磁场阴影。这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强平均值的起伏变化叫做阴影效应。电磁场阴影效应类似于太阳光受阻挡后产生的阴影，不同点在于光波的波长较短，太阳光阴影可见，而电磁波波长较长，电磁场阴影不可见。虽然阴影不可见，但我们在接收端（如手机），采用专用仪表可以测量出来。阴影效应是产生慢衰落的主要原因。 （2）远近效应：由于移动台在蜂窝小区内随机移动，各移动台与基站之间的距离不同，若各移动台发射信号的功率相同，那么到达基站时各接收信号的强弱将有所不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。移动通信系统中器件的非线性将进一步加剧各信号强弱的不平衡性。这种由
6、于各移动台与基站之间的距离远近不同导致的在基站接收端，信号以强压弱，并使弱者即离基站较远的移动台产生通信中断的现象称为远近效应。（3）多径效应：无线电波有三种主要传播类型：直射、反射和绕射。由于移动台所处地理环境的复杂性，使得接收端的信号不仅含有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径的信号，而且它们到达时的信号强度、时间及载波相位都不同。在接收端收到的信号是上述各路径信号的矢量和，而各路径之间可能产生自干扰，称这类干扰为多径干扰或多径效应，如下图2-1所示。图2-1 多径效应（4）多普勒效应：由于移动台的高速移动产生的传播信号频率的扩散，称为多普勒效应。其频率扩散程度与
7、移动台的运动速度成正比，即多普勒频率fd为：2.1.3 接收信号的三类损耗在移动通信信道的三个主要特点和无线电波传播的3种主要类型的共同作用下，接收信号又具有3类不同层次的损耗：路径传播损耗、慢衰落损耗和快衰落损耗。（1）路径传播损耗：是指电波在空中传播所产生的损耗。它主要反映接收信号的平均电平随空间距离变化的趋势。（2）慢衰落损耗：主要是指由于阴影效应而产生的损耗，它反映了接收信号电平的平均值随机起伏变化的趋势。这类损耗一般为无线通信所特有的，从统计规律看服从对数正态分布，因其变化速率比传送信息速率慢又称为慢衰落或大尺度衰落。（3）快衰落损耗：它也反映接收信号电平的平均值随机起伏变化的趋势，
8、与慢衰落损耗不同在于产生的原因不同，快衰落损耗是由于多径效应和多普勒效应所引起，因其变化速率比慢衰落快，又称快衰落或小尺度衰落。其接收信号的电平幅度分布一般遵循瑞利（Rayleigh）分布或莱斯（Rice）分布等。快衰落可分为：空间选择性衰落、频率选择性衰落与时间选择性衰落。空间选择性衰落是指不同的地点与空间位置衰落特性不同；频率选择性衰落是指在不同的频段上衰落特性不一样；时间选择性衰落是指不同的时间衰落特性是不同的。针对不同的快衰落特性，我们可以采用不同的技术克服它对移动通信系统性能的影响。图2-3是慢衰落和快衰落示意图。图2-3 慢衰落和快衰落在实际环境中，无线电波的传播是复杂的，由以上的
9、三种衰落和五种效应，我们可以将无线信道分成几种不同无线电波传播环境，即室内环境、室外环境，室外环境又可分成典型城市、乡村和山区等，它们的传播参数是不同的。2.1.4 移动通信中的噪声和干扰在移动通信中，严重影响移动通信系统性能的主要噪声和干扰可分为三类：加性白高斯噪声、多址干扰和多径干扰，下面分别予以简要介绍。（1）加性白高斯噪声：加性是指噪声与传送的信号遵从简单的线性叠加关系，白噪声是指噪声的频谱是平坦的，高斯噪声是指噪声的分布服从正态分布。仅含有这类噪声的信道称为加性白高斯噪声信道（Additional White Gauss Noise，AWGN）信道，如图2-4所示。在AWGN信道中，
10、接收信号为： （2-1）图2-4 AWGN信道（2）多径干扰：是指由于多径传播造成的干扰，它实质是一类自干扰。主要表现为码间干扰和符号间干扰，在码分多址（Code Division Multiple Access，CDMA）系统中尤为严重。（3）多址干扰：在第三代移动通信系统CDMA2000、WCDMA和TD-SCDMA中，采用码分多址通信方式，不同用户采用同一时隙、同一频段进行信息传输，相互之间依靠不同的地址码进行区分。在移动通信系统中多用户同时通信，而各用户的地址码不具有完全理想的自相关、互相关的函数特性，因此产生多址干扰。在CDMA系统中，多址干扰比白噪声和多径干扰更为严重，当用户数目增
11、多时它是系统内的第一重要干扰。2.2 扩频通信系统现代移动通信在经历了第一代模拟通信系统和第二代数字通信系统（以GSM和窄带CDMA为代表）之后，为适应市场发展的要求，由国际电信联盟ITU主导协调，自1996年开始了第三代（3G）宽带数字通信系统的标准化进程。在3G的三大主流标准WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA中，都采用了CDMA技术，因此CDMA成为3G系统的最佳多址接入方式。2.2.1 多址接入技术多址接入技术是移动通信中的关键技术。在移动通信中，许多用户同时通话，它们多位于不同的地方，并处于运动状态。这些用户由于使用共同的传输媒介，各用户间可能会产生相互干扰，称为多址干扰。
12、为了消除或减少多址干扰，不同用户的信号必须具有某种特征，以便接收机能够将不同用户信号区分开。信号的特征主要表现在三个方面：信号的工作频率、信号出现的时间、信号具有的特定波形。依据信号的不同特征，主要的多址方式有频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）以及空分多址（SDMA）等，图2-5是FDMA、TDMA和CDMA示意图。图2-5 三种接入方式示意图1. 频分多址（FDMA）FDMA是最成熟的多址复用方式之一，它是基于频率划分信道，把可以使用的总频段平均划分为N个频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道。系统为每一个用户指定特定的信道，在通信的整个过程中
13、，其他用户不能共享这一频段。在各个频道之间有保护频段，以免因系统的频率漂移造成频道间的重叠，带来不必要的干扰。采用频分多址的系统，需要进行复杂和严格的频率规划，以减少干扰。FDMA的优点是技术成熟、稳定、容易实现且成本较低。它的主要缺点是频谱利用率较低，容量小，越区切换比较复杂，容易产生掉话，基站设备庞大，功率损耗大等。在模拟蜂窝移动通信系统中通常采用频分多址，而在数字蜂窝系统中，则很少单独采用频分多址的方式。2. 时分多址（TDMA）TDMA也是非常成熟的通信技术。TDMA是在同一载波上，将时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干的时隙（每一帧和每个时隙都互不重叠），每个时隙是一个通信信道，分
14、配给用户使用。当移动台需要发送信息时，系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每一帧内只能按照指定的时隙向基站发射信号，在满足定时和同步的条件下，基站可以在各个时隙接收到各移动台的信号而互不干扰。同时，基站发向各个移动台的信号都顺序安排在预定的时隙中传输，各个移动台在指定的时隙内接收，就能将发给它的信号区分出来。时分多址的关键是定时和同步控制，否则会因为时隙的错位和混乱导致无法正确接收。和频分多址比较，时分多址具有如下特点：（1） 抗干扰能力强，频带利用率高，系统容量大；（2） 基站复杂度降低，互调干扰小；（3） 越区切换简单；（4） 系统需要精确地定时和同步；TDMA系统提供业务的能力有所
15、提高，可以承载语音业务和低速的数据业务。在第二代数字移动通信系统中，通常采用时分多址的方式。3. 码分多址（CDMA）CDMA采用扩频通信技术，每个用户分配特定的地址码，利用地址码相互之间的正交性（或准正交性）完成信道分离的任务。CDMA在频率、时间、空间上可以相互重叠。由于CDMA系统采用扩频技术，与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点，主要体现在：（1） 系统容量大且有软容量的特性（2） 可采用语音激活技术（3） 抗干扰、抗多径能力强（4） 软切换（5） 可采用多种分集技术（6） 低信号功率谱（7） 频率规划简单，可同频组网（8） 保密性好CDMA系统由于具有这些独特的优点被广泛关注。在第二代移动通信系统IS95中采用了CDMA技术，而CDMA技术更成为第三代移动通信系统中的核心技术。2.2.2 扩频通信系统1. 扩频通信和扩频通信系统扩频通信，即扩展频谱通信，顾名思义是在发送端用某个特定的扩频函数（如伪随机编码序列）将待传输的信号频谱扩展至很宽的频带，变为宽带信号，送入信道中传输，在接收端再利用相应的技术或手段将扩展了的频谱进行压缩，恢复到基带信号的频谱，从而达到传输信息、抑
