移動通信中的主要技術

第3章移動通信系統(tǒng)內(nèi)容概要3.1移動通信簡介3.2移動通信中的主要技術3.3蜂窩移動系統(tǒng)的組網(wǎng)技術3.4GSM蜂窩移動通信系統(tǒng)3.5GPRS系統(tǒng)3.6CDMA系統(tǒng)3.7第三代移動通信系統(tǒng)3.8第四代移動通信系統(tǒng)3.2移動通信中的主要技術主要內(nèi)容：

3.2.1多址接入技術

3.2.2無線傳輸技術3.2.1多址接入技術在移動通信中兩個最核心的問題是如何克服信道與用戶帶來的兩重動態(tài)特性。上一節(jié)著重分析了移動通信特點中信道的動態(tài)性，這一章節(jié)討論用戶動態(tài)性及其帶來的一系列問題。移動通信與固定式有線通信的最大差異在于固定通信是靜態(tài)的，而移動通信是動態(tài)的。為了滿足多個移動用戶同時進行通信，必須解決以下兩個問題：首先是動態(tài)尋址，其次是對多個地址的動態(tài)劃分與識別。這就是所謂多址技術，在多址技術中重點研究的是利用擴頻技術來實現(xiàn)碼分多址CDMA。多址技術的基本概念所謂多址技術就是使多個用戶接入并共享同一個無線通信信道,以提高頻譜利用率的技術。即把同一個無線信道按照時間、頻率等進行分割,使不同的用戶都能夠在不同的分割段中使用這一信道,而又不會明顯地感覺到他人的存在,就好像自己在專用這一信道一樣。占用不同的分割段就像是擁有了不同的地址,使用同一信道的多個用戶就擁有了多個不同的地址。這就是多址技術,亦稱多址接入技術。多址技術的分類多址技術可分為三類：頻分多址（FDMA，F(xiàn)requencyDivisionMultipleAccess）時分多址（TDMA，TimeDivisionMultipleAccess）碼分多址（CDMA，CodeDivisionMultipleAccess）多址接入技術多址劃分從原理上看與固定通信中的信號多路復用是一樣的，實質上都屬于信號的正交劃分與設計技術。不同點是多路復用的目的是區(qū)別多個通路，通常是在基帶和中頻上實現(xiàn)，而多址劃分是區(qū)分不同的用戶地址，通常需要利用射頻頻段輻射的電磁波來尋找動態(tài)的用戶地址，同時為了實現(xiàn)多址信號之間互不干擾，信號之間必須滿足正交特性。FDMAFDMA:稱為頻分多址，即每個用戶占用一個頻道，其原理圖如下：理論上劃分：實際上的劃分：

圖.頻分多址原理圖在移動通信中最典型的頻分多址方式有：北美：800MHz的AMPS體制；歐洲與我國：900MHz的TACS體制。FDMA第一代移動通信是模擬式移動通信，都采用頻分多址FDMA方式，最典型的有北美的AMPS和歐洲及我國的TACS體制。下面以TACS為例討論FDMA方式：

TACS多址劃分FDMAFDMA的主要特點：比較簡單、容易實現(xiàn)，適用于模擬和數(shù)字是以頻率復用為基礎的蜂窩結構，以頻帶劃分各種小區(qū)需要周密的頻率規(guī)劃，是一個頻道受限和干擾受限系統(tǒng)以頻道分離用戶地址，每一頻道傳輸一個模擬/數(shù)字話路對功控要求不嚴，硬件設備取決于頻率規(guī)劃和頻道設置基站是多部不同載波頻率發(fā)射機同時工作不宜在大容量的系統(tǒng)中使用TDMATDMA:時分多址，其原理圖如下：從理論上劃分：實際上劃分：

圖.時分多址原理圖在移動通信中最典型的時分多址方式有：北美：D-AMPS；歐洲與我國：GSM-900、DCS-1800、phs；日本：PDC。TDMA第二代移動通信是數(shù)字式移動通信，它主要采用兩類多址方式：一類是歐洲大多數(shù)國家采用的時分多址TDMA方式，另一類是北美等采用的碼分多址CDMA方式，我國兩類方式都有。這里先介紹最典型的TDMA方式GSM體制。TDMA在GSM中最多可以八個用戶共享一個載波，而用戶之間則采用不同時隙來傳送自己的信號。GSM一個TDMA幀的結構圖如下所示。

GSM系統(tǒng)一個TDMA幀的結構TDMATDMA的主要技術特點：每載波8個時隙信道，每個信道可提供一個數(shù)字話音用戶，因此每個載波最多可提供8個用戶。突發(fā)脈沖序列傳輸。每個移動臺發(fā)射是不連續(xù)的，只是在規(guī)定的時隙內(nèi)才發(fā)送脈沖序列。傳輸開銷大，GSM的TDMA幀層次結構如圖所示，共分為五個層次：時隙、TDMA幀、復幀、超幀、超高幀，每個層次都需占用一些非信息位的開銷，這樣總的開銷就比較大，以致影響整體傳輸效率。TDMA

圖.GSM五層次幀結構TDMAGSM每個信道比TACS寬8倍，傳輸速率達270.8Kbps，在這個速率上就不能不考慮多徑傳輸時延擴展的影響。因為GSM的碼元周期為3.7us，而繁華城區(qū)的多徑時延擴展可達3us左右，已完全可以比擬。為了克服多徑時延擴展，GSM采用了自適應均衡技術，增加了設備的復雜性。GSM中由于每個載波可提供8個用戶，這8個用戶由于時分特性可以共用一套收、發(fā)設備，因此與FDMA比較，減少了七倍的用戶設備，降低了成本。GSM是數(shù)字式移動通信，它對新技術是開放的，這里的開放是指對新技術適應性比模擬的FDMA強。GSM的時隙結構靈活，不僅可以適應不同數(shù)據(jù)速率(一般指單個信道速率低于8倍的整數(shù)倍)的數(shù)據(jù)傳送，還可以利用時隙的空閑省去雙工器(利用時隙間切換)。CDMA它是第二代移動通信中的兩種主要多址方式中除TDMA以外的另一種形式，最典型的是IS-95。在第三代移動通信中，五種體制中最主要的三種也是采用CDMA，它們是FDD的CDMA2000、FDD的WCDMA，與TDD的TD-SCDMA。CDMACDMA系統(tǒng)主要特點：每個基站只需一個射頻系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)以CDMA建立信道連接每個碼傳輸一路數(shù)字信號各用戶共享頻率和時間是一個多址干擾受限系統(tǒng)需要相當嚴格的功率控制需要定時同步具有軟容量具有軟切換能力語音激活技術可擴大系統(tǒng)容量抗衰落、抗多徑能力強SDMASDMA:SpaceDivisionMultipleAccess空分復用接入，其原理圖如下：

圖

空分多址原理圖空分地址的實現(xiàn)是利用無線的方向性波束，將服務區(qū)(小區(qū)內(nèi))劃分為不同的子空間進行空間正交隔離。移動通信中的扇區(qū)天線可以看作是SDMA的一種基本實現(xiàn)方式。智能式自適應天線是將來移動通信中準備采用的一項新的關鍵技術，是典型的空分方式。SDMA空分多址（SDMA）是一種新發(fā)展的多址技術，在由中國提出的第三代移動通信標準TD－SCDMA中就應用了SDMA技術。應用SDMA的優(yōu)勢是明顯的：它可以提高天線增益，使得功率控制更加合理有效，顯著地提升系統(tǒng)容量；此外一方面可以削弱來自外界的干擾，另一方面還可以降低對其他電子系統(tǒng)的干擾。SDMA實現(xiàn)的關鍵是智能天線技術，這也正是當前應用SDMA的難點。特別是對于移動用戶，由于移動無線信道的復雜性，使得智能天線中關于多用戶信號的動態(tài)捕獲、識別與跟蹤以及信道的辨識等算法極為復雜，從而對DSP（數(shù)字信號處理）提出了極高的要求。OFDMAOFDMA（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，正交頻分多址）是第四代移動通信的核心技術，典型代表是LTE、WiMax等移動通信體制。學術界與工業(yè)界主流觀點認為，只有OFDMA才能夠滿足ITU第四代移動通信標準——IMT-Advanced的技術要求。OFDMA系統(tǒng)中，整個信道帶寬被劃分為多個正交的子載波，每個用戶分配不同的子載波組用于承載業(yè)務數(shù)據(jù)。一般的，OFDMA的子載波映射方式有三種，集中映射、分布映射與隨機映射。OFDMA分布式映射將子載波劃分為多組，每組子載波分別映射為不同用戶，因此每個用戶的子載波均勻分布在整個信號帶寬中；集中映射則將一組連續(xù)子載波分配給同一個用戶，因此每個用戶的信號在整個帶寬中集中分布；隨機映射按照某種隨機規(guī)則，在系統(tǒng)可用子載波集合中，對用戶的子載波進行隨機分配，因此用戶信號隨機分布在整個帶寬中。

OFDMA這三種映射方式中，隨機映射和分布式映射由于用戶信號分布于整個系統(tǒng)帶寬，因此能夠獲得頻率分集增益，性能要優(yōu)于集中映射。但后者實現(xiàn)簡單，并且通過上層調(diào)度，可以彌補分集增益的損失，因此實際的LTE、WiMax系統(tǒng)中，主要采用集中映射方式。

OFDMAOFDMAOFDMA系統(tǒng)的主要干擾是相鄰小區(qū)的同頻干擾(共道干擾)。為了抑制同頻干擾，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)是OFDMA系統(tǒng)的關鍵技術之一。另外，同步技術、峰平比抑制技術、分組調(diào)度以及信道估計等，也都是OFDMA的核心技術，尤其是MIMO技術與OFDMA技術的組合，已經(jīng)成為第四代移動通信體制的基石。OFDMAOFDMA系統(tǒng)的容量既不同于CDMA的軟容量，也不同于傳統(tǒng)的FDMA、TDMA的硬容量，可以稱之為動態(tài)容量。由于現(xiàn)代信號處理與跨層優(yōu)化技術的應用，物理層的鏈路自適應與MAC層的分組調(diào)度技術相結合，能夠根據(jù)信道狀態(tài)為OFDMA用戶動態(tài)分配無線資源，自適應調(diào)整鏈路速率，從而有效提高了系統(tǒng)容量。

3.2.2無線傳輸技術1、調(diào)制技術調(diào)制：對信號源的編碼信息進行處理，使其變?yōu)檫m合信道傳輸形式的過程。基帶信號：信號源編碼信息含有直流分量和頻率較低的交流分量。調(diào)制——改變高頻載波的幅度、相位或者頻率使其隨基帶信號幅度變化而變化解調(diào)——將基帶信號從載波中提取出來以便預定的接受者處理和理解調(diào)制方式選擇：抗干擾能力強、能適應快慢衰落信道、占用較小帶寬、帶外輻射小數(shù)字調(diào)制技術分類：按信號相位是否連續(xù)——相位連續(xù)的和相位不連續(xù)的按信號包絡是否恒定——恒定包絡和非恒定包絡數(shù)字調(diào)制技術要求：高帶寬效率、高功率效率、低帶外輻射、多多徑衰落不敏感、恒定包絡、低成本、易實現(xiàn)等高斯濾波最小頻移鍵控GMSK調(diào)制（GSM系統(tǒng)）正交頻分復用調(diào)制OFDM（3G-4G）3.2.2無線傳輸技術3.2.2無線傳輸技術2、分集技術通過兩個或更多的接收支路（基站和移動臺接收機）來補償信道損耗，即分散傳輸和集中處理。分類：按信號傳輸方式——顯分集和隱分集按分集的目的——宏分集和微分集按涉及資源——空間分集、頻率分集、時間分級、極化分級3.2.2無線傳輸技術3、均衡技術均衡——對信道均衡，即接收端的均衡器產(chǎn)生與信道相反的特性，用來抵消信道的時變多經(jīng)傳播引起的碼間干擾。分類：頻域均衡——使總的傳輸滿足無失真?zhèn)鬏敆l件時域均衡——使總的沖擊響應滿足無碼間干擾的條件（數(shù)字通信）3.2.2無線傳輸技術4、信道編碼技術通過在發(fā)送信息時加入冗余的數(shù)據(jù)位來改善通信鏈路的性能。發(fā)射機——在基帶部分，使用信道編碼器把一段數(shù)字序列映射成另一段包含更多數(shù)據(jù)比特的碼序列。接收機——用信道編碼來監(jiān)測或糾正。分類：分組編碼和卷積編碼3.2.2無線傳輸技術5、跳頻技術使用偽碼隨機設定頻率合成器，使發(fā)射機的振蕩頻率在很寬的范圍內(nèi)不斷地改變，從而使射頻在一個很寬的范圍內(nèi)變化，形成一個寬帶離散頻譜。優(yōu)點：抗多徑、抗同頻干擾、抗衰落3.2.2無線傳輸技術6、直接序列擴頻技術直接序列擴頻是高安全性高抗擾性的一種無線序列型號傳輸方式，英文全稱DirectSequenceSpreadSpectrum，簡稱直擴方式（DS方式）。直接序列擴頻通過利用高速率的擴頻序列在發(fā)射端擴展信號的頻譜，而在接收端用相同的擴頻碼序列進行解擴，把展開的擴頻信號還原成原來的信號。優(yōu)點：抗干擾能力強、抗多徑干擾能力強、抗截獲能力強、可同頻工作、便于實現(xiàn)多址通信、直擴通信速率高缺點：頻道數(shù)減少、帶寬增大、信息量增大3.2.2無線傳輸技術7、智能天線技術隨著社會信息交流需求的急劇增加、個人移動通信的迅速普及，頻譜已成為越來越寶貴的資源。智能天線采用空分復用(SDMA)，利用在信號傳播方向上的差別，將同頻率、同時隙的信號區(qū)分開來。它可以成倍地擴展通信容量，并和其他復用技術相結合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動通信中，由于復雜的地形、建筑物結構對電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時延擴散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信