移動(dòng)通信系統(tǒng)原理

1、移動(dòng)通信基本原理移動(dòng)通信基本原理武武 漢漢 郵郵 電電 科科 學(xué)學(xué) 研研 究究 院院武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司 主要內(nèi)容 通信概述移動(dòng)通信系統(tǒng)特點(diǎn)定義通信：由一個(gè)地方向另一個(gè)地方傳遞和交換信息信息：Voice, Data, Video, Multimedia模型通信系統(tǒng)模型信源：Voice, Data, Video, Multimedia分類通信的分類（不同的視角）按傳輸媒介不同：有線和無(wú)線通信按工作頻段不同：長(zhǎng)波、中波、微波、遠(yuǎn)紅外線通信按信號(hào)特征：模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)通信按通信方式不同：?jiǎn)喂?、雙工、半雙工（準(zhǔn)雙工）通信按信號(hào)復(fù)用方式不同：FDMA、TDMA、CD

2、MA按通信的調(diào)制方式不同：線性調(diào)制、非線性調(diào)制、數(shù)字調(diào)制等通信網(wǎng) 通信網(wǎng)是有一定數(shù)量的結(jié)點(diǎn)（包括終端設(shè)備和交換設(shè)備）和連接點(diǎn)的傳輸鏈路相互有機(jī)地組合在一起，以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或多個(gè)規(guī)定點(diǎn)間信息傳輸?shù)耐ㄐ朋w系。構(gòu)成要素：終端設(shè)備、傳輸鏈路和交換設(shè)備終端設(shè)備終端設(shè)備是用戶與通信網(wǎng)之間的接口設(shè)備。包括信源、信宿與變換器、反變換器的一部分傳輸鏈路傳輸鏈路是信息的傳輸通道，是連接網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)的媒介。交換設(shè)備構(gòu)成通信網(wǎng)的核心要素。交換方式：電路交換方式和存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)方式。功能分類業(yè)務(wù)網(wǎng)按功能分：用戶接入網(wǎng)、交換網(wǎng)和傳輸網(wǎng)支撐網(wǎng)支撐網(wǎng)信令網(wǎng)只傳送信令的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間（包括交換局、網(wǎng)絡(luò)管理中心）信令的傳輸和轉(zhuǎn)接。同步

3、網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)字交換局之間、數(shù)字交換局和傳輸設(shè)備之間的信號(hào)時(shí)鐘同步。管理網(wǎng)實(shí)時(shí)或近實(shí)地監(jiān)測(cè)點(diǎn)心網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，必要時(shí)采取控制措施。電信服務(wù)項(xiàng)目一項(xiàng)公共服務(wù)并不能引起用戶的興趣， 除非它：滿足實(shí)際需求; 用得起; 廣泛的傳播 (已經(jīng)吸引了很多用戶); 易于使用 (提供方便的處理手段和快速響應(yīng)時(shí)間); 穩(wěn)定和高可用性趨勢(shì)電信網(wǎng)發(fā)展趨勢(shì):終端移動(dòng)性 (無(wú)線接入); 個(gè)人和服務(wù)的移動(dòng)性 (個(gè)人通信); 按需分配帶寬 (增加透明度，更強(qiáng)靈活性); 多媒體(更加透明); 更強(qiáng)大用戶接口 (友好的用戶界面); 增值服務(wù) (消息, 檢索等); 高度集成。 移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)基本概念移動(dòng)通信的特點(diǎn)無(wú)線傳播特性和多址方式干擾

4、和頻率復(fù)用移動(dòng)通信的發(fā)展CDMA簡(jiǎn)介整體結(jié)構(gòu)區(qū)別PSTNPLMN由上可見(jiàn)：由上可見(jiàn)：PSTNPSTN涵括了涵括了PLMNPLMN基礎(chǔ)概念基本概念移動(dòng)通信：指通信雙方或至少有一方在運(yùn)動(dòng)中進(jìn)行信息交換。移動(dòng)通信網(wǎng)：由若干個(gè)移動(dòng)用戶構(gòu)成一個(gè)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)的用戶可以在無(wú)線電波覆蓋范圍內(nèi)的任何地方相互通信。移動(dòng)通信特點(diǎn)移動(dòng)通信特點(diǎn)：移動(dòng)通信的傳輸信道必須使用無(wú)線電波信道傳輸特性較復(fù)雜，不穩(wěn)定所用的無(wú)線電頻率有限移動(dòng)通信綜合了各種通信技術(shù)對(duì)設(shè)備要求苛刻有線信道有線系統(tǒng)OK!OK!無(wú)線信道衰減無(wú)線系統(tǒng)（Path loss）陰影衰落不僅僅這些慢衰落：由于地形起伏和沿途建筑慢衰落：由于地形起伏和沿途建筑物的不一引

5、起，也稱為陰影衰落物的不一引起，也稱為陰影衰落。也不僅僅這些快衰落：多徑衰落，快衰落：多徑衰落，衰落深度嚴(yán)重時(shí)達(dá)到衰落深度嚴(yán)重時(shí)達(dá)到2030dB。多普勒頻移還有這些多普勒頻移多普勒頻移VRFfff接收一般可忽略此項(xiàng)，一般可忽略此項(xiàng)，除非移動(dòng)速度非常除非移動(dòng)速度非常快快從圖從圖中中可以看出當(dāng)可以看出當(dāng)MS的速度為的速度為100km/h時(shí)相對(duì)頻率變化時(shí)相對(duì)頻率變化為為0.19ppm ，對(duì)于對(duì)于900M頻率偏差為頻率偏差為171Hz ，對(duì)于對(duì)于1800M頻率偏差為頻率偏差為342Hz。GSM規(guī)范規(guī)定：規(guī)范規(guī)定：MS載波頻率應(yīng)該精確到載波頻率應(yīng)該精確到0.1ppm，或者，或者比較從比較從BTS接受到的

6、信令精確到接受到的信令精確到0.1ppm（這些信令由于（這些信令由于多普勒頻移將會(huì)有明顯頻率誤差）多普勒頻移將會(huì)有明顯頻率誤差） 實(shí)際場(chǎng)強(qiáng)結(jié)果：遠(yuǎn)近效應(yīng)遠(yuǎn)近效應(yīng)：無(wú)線系統(tǒng)中，兩個(gè)離接收機(jī)距離遠(yuǎn)近相差很大時(shí)，接收到的大信號(hào)對(duì)小信號(hào)的壓制。多址技術(shù)頻分多址：系統(tǒng)分配給每一通信用戶一個(gè)唯一的頻段或（物理）信道。時(shí)分多址：系統(tǒng)把無(wú)線頻譜按時(shí)隙劃分，并且在每一個(gè)時(shí)隙僅允許一個(gè)用戶，要么接收要么發(fā)射。FDMA的非線性效應(yīng)：許多信道在基站共享一個(gè)天線，天線前的射頻器件工作是非線性的，導(dǎo)致頻域的信號(hào)擴(kuò)展，干擾相鄰信道；產(chǎn)生交調(diào)(IM)頻率，造成對(duì)鄰近業(yè)務(wù)的干擾。多址方式頻分多址 調(diào)制技術(shù)和信道間隔調(diào)制技術(shù)和信

7、道間隔 在GSM中每個(gè)載波被分配200KHz的帶寬。實(shí)際上發(fā)射的GSM載波帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于200KHz。所以信號(hào)會(huì)交疊進(jìn)臨近的頻道。干擾鄰道干擾相鄰或者相近頻道之間的干擾調(diào)頻信號(hào)含有無(wú)窮多個(gè)邊頻分量，其中某些邊頻分量落入鄰道接受機(jī)的通帶內(nèi)，就會(huì)造成鄰道干擾。共道干擾由相同頻率的無(wú)用信號(hào)所造成的干擾同波段復(fù)用距離射頻保護(hù)比：為保證接受機(jī)輸入端信號(hào)與同波道干擾之比大于某一數(shù)值，這一數(shù)值稱作射頻保護(hù)比TDMA時(shí)分多址時(shí)延碼間干擾：數(shù)字系統(tǒng)特有的現(xiàn)象。GSM系統(tǒng)中的TA值是專門為了防止這種干擾而設(shè)定的。CDMA碼分多址頻率復(fù)用最早由貝爾實(shí)驗(yàn)室發(fā)明目的：使有限的頻譜滿足無(wú)限容量需求幾個(gè)概念：覆蓋模型、大區(qū)制

8、、小區(qū)制、載噪比、小區(qū)分裂覆蓋模型：六邊形全向天線：實(shí)際覆蓋范圍為不規(guī)則圓形。需要一個(gè)規(guī)則的小區(qū)形狀來(lái)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)。理想：沒(méi)有間隙或沒(méi)有重疊的覆蓋整張地圖三種形狀滿足可能：正方形、正三角形、六邊形，最遠(yuǎn)點(diǎn)確定，六邊形是三種形狀中面積最大的。可用最小的小區(qū)數(shù)覆蓋整個(gè)地圖。大區(qū)制一個(gè)基站覆蓋整個(gè)城市一個(gè)基站覆蓋整個(gè)城市通信質(zhì)量差頻率利用率低系統(tǒng)容量小小區(qū)制使用特定頻率覆蓋范圍控使用特定頻率覆蓋范圍控制在一定面積范圍內(nèi)制在一定面積范圍內(nèi)這個(gè)面積叫做小區(qū)達(dá)到頻率的再用系統(tǒng)容量大增載噪比載波噪聲比：載波噪聲比：Carrier to Interference ratio載波信號(hào)是已經(jīng)調(diào)制后的信號(hào)小區(qū)分裂全

9、向小區(qū)：頻率復(fù)用小區(qū)分裂：復(fù)用距離更小第二代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)為了克服第一代蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)的局限性，北美、歐洲、日本自80年代中期相繼為第二代蜂窩系統(tǒng)制定了三種不同的標(biāo)準(zhǔn)北美IS-54（擴(kuò)容，數(shù)模兼容）歐洲GSM（統(tǒng)一制式）日本JDC（向北美靠攏，數(shù)模并存互通）歐洲、北美兩強(qiáng)對(duì)峙，最具典型特點(diǎn)的是GSM和CDMA系統(tǒng)GSM（Global System for Mobile)1982年6月歐洲郵電管理委員會(huì)（CEPT）組建了移動(dòng)通信特別小組GSM，研制泛歐移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)：泛歐漫游，與ISDN互聯(lián)，提供不同業(yè)務(wù)1988年提出主要建議和標(biāo)準(zhǔn)1991年7月多址方式為TDMA的GSM系統(tǒng)開(kāi)始商用CDM

10、A（Code Division Multiple Access)1990年CTIA和TIA制定了TDMA制式的 IS-54標(biāo)準(zhǔn)1992年Qualcomm(高通）公司提出 CDMA的數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的建議和標(biāo)準(zhǔn)1993年被CTLA和TLA批準(zhǔn)為中期標(biāo)準(zhǔn) IS-951996年CDMA系統(tǒng)投入運(yùn)營(yíng)擴(kuò)頻通信的概念定義：擴(kuò)頻技術(shù)是把信息的頻率展寬進(jìn)行傳輸?shù)募夹g(shù)。目的：容量需求，據(jù)香農(nóng)公式：直接序列擴(kuò)頻（DS）擴(kuò)頻的優(yōu)越性p抗干擾能力增強(qiáng)p隱蔽性好p可實(shí)現(xiàn)碼分多址技術(shù))/)(1 (log02sbitNSBC關(guān)于擴(kuò)頻碼（PN碼） 偽隨機(jī)序列 理想擴(kuò)頻碼的特性：p有尖銳的自相關(guān)特性p處處為零的互相關(guān)性p擴(kuò)頻序

11、列中0、1個(gè)數(shù)相等p足夠多的擴(kuò)頻碼 目前常用的擴(kuò)頻序列pM序列pGold（戈?duì)柕拢┬蛄?.Walsh序列擴(kuò)頻技術(shù)擴(kuò)頻技術(shù)的主要特征 使用碼速率比發(fā)送信息數(shù)據(jù)速率高的多的偽隨機(jī)編碼，擴(kuò)展作為基帶信號(hào)的信息數(shù)據(jù)頻譜，使之成為具有極低功率譜密度的寬帶信號(hào)具體方法 把無(wú)線電信號(hào)的碼元或符號(hào)用擴(kuò)頻碼填充（相乘），且不同用戶的信號(hào)用互相正交的碼序列填充。這樣的信號(hào)在同一載波上發(fā)射，接收只用與發(fā)射相同的碼序列進(jìn)行相關(guān)接收。擴(kuò)頻碼示意CDMA系統(tǒng)特點(diǎn)大容量干擾受限系統(tǒng)遠(yuǎn)近效應(yīng)高質(zhì)量服務(wù)保密頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單CDMA的關(guān)鍵技術(shù)功率控制p反向開(kāi)環(huán)功率控制p反向閉環(huán)功率控制p前向功率控制地址碼的選擇軟切換分集技術(shù)語(yǔ)音編碼

12、信道調(diào)制1.天線技術(shù)功率控制關(guān)鍵技術(shù)的核心功率控制的概念遠(yuǎn)近效應(yīng)CDMA是一個(gè)自干擾系統(tǒng)反向開(kāi)環(huán)功率控制移動(dòng)臺(tái)根據(jù)在小區(qū)中接收功率的變化，迅速調(diào)節(jié)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率。反向閉環(huán)功率控制前向功率控制地址碼的選擇地址碼的選擇直接影響到CDMA系統(tǒng)的容量、抗干擾能力、接入和切換速度等性能地址碼提供的碼序列應(yīng)接近白噪聲特性，同時(shí)編碼方案簡(jiǎn)單，保證具有較快的同步建立速度長(zhǎng)度為215 的PN序列 用于區(qū)分不同的基站信號(hào)長(zhǎng)度為2421 的PN序列 在前向信道用于信號(hào)的保密，在反向信道用于區(qū)分不同的移動(dòng)臺(tái)Walsh序列： 在前向信道用于區(qū)分同一基站的不同信道，在反向信道中用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行正交調(diào)整。軟切換所謂三軟切換就

13、是當(dāng)移動(dòng)臺(tái)需要跟一個(gè)新的基站通信時(shí)，并不先中斷與原基站的聯(lián)系。軟切換只能在相同頻率的CDMA信道間進(jìn)行，它在兩個(gè)基站覆蓋區(qū)的交界處起到樂(lè)業(yè)務(wù)信道分集的作用軟切換可以大大減少掉話，保證通信的可靠性CDMA系統(tǒng)中支持四種類型的切換：硬切換、軟切換、更軟切換、CDMA到模擬切換。分集技術(shù)分集技術(shù)是指系統(tǒng)能同時(shí)接收兩個(gè)或更多個(gè)輸入信號(hào)，這些輸入信號(hào)的衰落互不相關(guān)。系統(tǒng)分別解調(diào)這些信號(hào)然后將它們相加，這樣可以接收到更多的有用信號(hào)，克服衰落。分集技術(shù)包括空間分集、時(shí)間分集和頻率分集。CDMA協(xié)調(diào)綜合利用分集技術(shù)來(lái)抵抗衰落對(duì)信號(hào)的影響，獲得高質(zhì)量的通信性能。語(yǔ)音編碼編碼與解碼語(yǔ)音編碼的目標(biāo)是既能維持一定的語(yǔ)

14、音質(zhì)量，又能較大程度的降低數(shù)據(jù)量。包括波形編碼和聲源編碼。自適應(yīng)多速率（AMR）語(yǔ)音編碼： AMR語(yǔ)音編碼器的采用允許系統(tǒng)根據(jù)信道的情況在總的信道傳輸速率不變的情況下，改變信源和信道的編碼速率，達(dá)到高的頻譜利用率。CDMA的信道調(diào)制前向CDMA信道結(jié)構(gòu)：導(dǎo)頻信道、同步信道、尋呼信道（最多7個(gè)）和若干業(yè)務(wù)信道。在IS-95中每個(gè)基站有64個(gè)信道。反向CDMA信道結(jié)構(gòu)：只有反向業(yè)務(wù)信道和接入信道。天線技術(shù)陣列天線 多對(duì)振子組合構(gòu)成天線陣。它們能形成不同指向，不同輻射波束寬度的天線波束方向圖。智能天線 是通過(guò)反饋控制去自動(dòng)調(diào)節(jié)自身天線波束成型模型的自適應(yīng)天線陣。天線技術(shù)智能天線的優(yōu)越性p提高了基站接收機(jī)的靈敏度p提高了基站發(fā)射機(jī)的等效發(fā)射功率p降低了系統(tǒng)的干擾p增加CDMA系統(tǒng)容量p改進(jìn)了小區(qū)的覆蓋1.降低了天線基站的成本GSM手機(jī)與CDMA手機(jī)的比較輻射承載業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量待機(jī)時(shí)間漫游能力機(jī)卡分離問(wèn)題價(jià)格寬帶CDMA方案歐洲的愛(ài)立信公司提出的WCDMA北美Lucent,Motorola,