现代移动通信课件

四川大学电子信息学院课程名称：现代移动通信技术英文名称：ContemporaryMobileCommunicationTechnology学分数：学时数：任课教师：职称：教学要求及目的：本课程是通信与信息系统专业通信理论与技术研究方向的硕士研究生方向学位课。它紧紧围绕第二代数字移动通信（2G）和第三代移动通信（3G）以及后3G/4G讲述现代通信的基本原理与技术，是一门理论性与实用性很强的课程。学生学习本课程昀好已具备信号与系统，模拟与数字电子技术，通信原理，移动通信等基础课的知识。通过本课程的学习，学生即可以深入的学习和掌握第二代数字移动通信和第三代移动通信的基本原理与技术，又可以对后3G/4G未来通信的基本原理与技术的发展方向有所了解。主要参考文献：[1]T.S.Rappaport9（著），蔡涛等译，“无线通信原理与应用”，电子工业出版社，1999年；[2]吴伟陵，移动通信中的关键技术，北京邮电大学出版社，2000；[3]杨小牛等，“软件无线电原理与应用”，电子工业出版社，2001年；[4]王文博等，“宽带无线通信OFDM技术”，人民邮电出版社，2003年。[4]张贤达，保铮，“通信信号处理”，国防工业出版社，2001。[5]查光明等，“扩频通信”，西安电子科技大学出版社，1999；[6]龚耀寰，“自适应滤波－时域自适应滤波和智能天线”，电子工业出版社，2003年7月；现代移动通信技术四川大学电子信息学院1四川大学电子信息学院现代移动通信技术一．本课程主要讲述内容本课程主要内容包括移动通信的发展现状与发展方向、扩频通信基础、移动中的关键技术、软件无线电、智能天线技术、正交频分复用等内容。其中软件无线电、智能天线技术、正交频分复用等内容均是在第三代以及未来移动通信技术中所涉及到的学科前沿知识。二．移动通信概述2.1移动通信系统的分类用途和区域：陆上，海上，空间经营方式：公共网，专用网信号性质：模拟，数字多址方式：FDMA，TDMA，CDMA，SDMA其中陆上移动通信发展昀迅猛，海上，空间通信方式成本较高，用户少2.2移动通信系统的基本组成典型系统方案如图所示市话局长途局BSCBTSBSCBTSMSCMSC其它接口3接口4接口1接口2MS1MS2MSn图1.典型系统方案覆盖区：每个基站均有一个由发送功率和天线高度所确定的地理覆盖范围。全系统服务区：多个基站覆盖区的集合。2.3移动通信中的多址方式2.3.1对多址的理解多址问题可以被认为是一个滤波的问题。许多用户可以同时使用同一个频谱，能现代移动通信技术四川大学电子信息学院2四川大学电子信息学院后采用不同的滤波器和信号处理技术，使不同用户信号互不干扰地被分别接收和解调。2.3.2主要的多址方式FDMATDMACDMASDMA2.3.3FDMA（频分多址）FrequencyDivisionMultipleAddress主要蜂窝系统有北美AMPS和英国TACS不同信号被分配到不同频率的信道，发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器去除。早期的模拟FM蜂窝移动系统均采用FDMA。2.3.4TDMA一个信道由一连串周期性的时隙构成。不同信号的能量被分配到不同的时隙时，利用定时选通来限制邻近信道的干扰，从而让规定时隙中有用的信号能量通过。主要系统：北美DAMPS，欧洲GSM需要说明：现在使用的TDMA系统实际上是FDMA与TDMA的组合。DAMPS先用了30KHz频分信道，再把它分成六个时隙进行TDMA的传输。2.3.5CDMA每个信号被分配一个位随机二进制序列进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的位随机序列里。在接收方，用相关器对信号加以分离，这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱，凡不符和该用户二进制序列的信号就不能压缩带宽。结果是：只有有用信号的信息才被识别和提取出来。用户1用户2用户3拥护1拥护2拥护3用户1用户1用户1（a）FDMA(b)TDMA(C)CDMA图1.2MSMSMS2.3.6SDMASDMA控制了用户向空间辐射的能量，可以使用定向波束天线来服务于不同的用户。同样的频率在一个小区内重复使用（波束不同），提高频谱利用，降低干扰。扇型天线可看作SDMA的一种基本方式，SDMA是适合TDMA，图1.3CDMA。2.4无线移动通信的演变：模拟到数字2.4.1模拟蜂窝通信的问题（1）频谱利用率低（2）不能提供高速数据服务，业务种类受限（3）保密性差现代移动通信技术四川大学电子信息学院3四川大学电子信息学院（4）网络管理控制不易2.4.2数字移动通信网的主要优点2.4.2.1可提高频谱利用率从而可进一步提高系统的容量模拟调频技术以经很难进一步压缩信号频谱，限制了谱利用率的提高，数字方式即可采用多种技术，途径：（1）低速语音编码（2）高速数字调制解调技术2.4.2.2多种应用业务数字话音，数据图象GSM9.6kbit/sGPRS112kbit/sFDMA1.2kbit/s或2.4kbit/s2.4.2.3可进行高频，高强度的加密2.4.2.4提高抗衰减能力模拟抗衰减的主要手段：分集数字抗衰减：扩频，跳频，交织，自适应均衡，纠错编码2.4.2.5网络管理与控制灵活模拟网的信令以数字信号方式传输，而用户信息是模拟信号数字网中，信令与用户信息均是数字，因此，在用户话音中插入控制比特容易实现三．第三代移动通信3.13G的目标（5）建立一个覆盖全球的使用的通信系统，标准统一；（6）支持多媒体业务，特别是Internet业务；（7）高速移动环境，114kbit/s，步行364kbit/s室内2Mbit/s；（8）从第二代平稳过渡；3.23G标准化情况至1998年6月30号，向ITU提交的3G标准有10种（地面），分别代表各自的利益集团。包括同一家公司提出两种截能不同的内容，作为竞争备份。主要有三种：（1）WCDMA日本，若基亚，爱立信双工方式，FDD，TDD。（2）CDMA2000美国，与IS—95后向兼容FDD，TDD。（3）TD—SCDMA中国TDD3.3三种主要3G方案的简单比较3.3.1WCDMA建立在窄带CDMA基础上,主要技术特点有:(1)可适应多种速率的传输,灵活提供多种业务;(2)是一个异步传输系统,BTS之间无需同步;(3)优化的分组数据传输方式;(4)支持不同载频之间的切换;(5)上下行链路采用快速功率控制(6)反向采用异频辅助的相干控制;(提高反向解调增益,提高功率控制准确性)(7)充分考虑信号设计对EMC的影响.3.3.2CDMA2000基于IS—95CDMA,提出人:Lucent、Motorlola、Nortel、Qualcorm、韩国Samsuny，出于商业利益,沿用了IS—95的主要技术和基本技术思路.如帧长20ms,采用IS—95的软切换和功率控制技术,需要GPS同步.但也有一些实质性的改变,主要有:现代移动通信技术四川大学电子信息学院4四川大学电子信息学院(1)反向信道相干接收(2)前向发送分集(3)全部速率采用了CRC（CyclicRedundaryCheck）方式(4)充分考虑了信号设计对EMC的影响3.3.3TD—SCDMATDD双工方式传输带宽1.6Mbit,码片速率1.2MChip/sTDD不需成对的频率TDD上下行工作于同一频率对称的电波传输特性,使之能够采用智能天线技术,达到提高性能,降低成本的目的TDD系统成本较小,可能比FDD系统低20—50%;TDD方式的缺陷：(1)终端移动速度:抗快衰减能力较FDD差(2)覆盖距离:小区半径关键技术：(1)软件无线电softwareradio(2)智能天线smartantenna3.3.43G的频谱资源各国情况不同,有一部分其他系统占有,目前,清理工作正在进行.3.4中国数字移动通信和3G情况(1)1993年,我国第一个全数字移动电话GSM建成开通.CDMA系统:长城网,昀初覆盖北京,上海,西安,广州.联通的CDMA2000年12月底,我国移动电话用户数已超过6千万,网络居世界第二位;2001年GPRS开通预计2004年,我国移动电话用户达到2亿(2)3G方面:97年开始研究;98年6月向ITU提交TD—SCDMA建议,9个月完成对其他提议的评估报告98年11月,国家重大项目,第3代移动通信系统研究开发启动现代移动通信技术四川大学电子信息学院5四川大学电子信息学院四.扩频通信基础4.1概述4.1.1历史:实用的扩频通信系统到50年代中期才发展起来.昀早应用:军事通信、制导系统等;4.1.2定义扩频技术是利用与传输数据(信息)无关的码元,对被传输信号扩展频谱,使之占有远超过被传输信息所必须的昀小带宽，而接收机用同一码元对接收信号进行同步相关处理以解扩和恢复数据.4.1.3扩频信号特性:(1)扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号;(2)扩频信号带宽远大于欲传输数据的信息带宽;(3)接收机必须有与宽带载波同步的副本;4.1.4扩频系统的特点(1)由于扩频信号的不可预测性,扩频信号具有很高的抗干扰能力；(2)扩频信号的功率被均匀分布在很宽的频率范围内,所以被传输信号功率谱密度很低,侦察接收机很难以检测,因此扩频系统具有LPI特性；(3)扩频系统具有码分多址的通信能力；(4)不同的用户使用不同的码，具有很高的保密性；4.1.5扩频技术当前主要研究内容;(1)扩频技术的性能度量；(2)扩频码的设计及性能；(3)扩频信号的截获、跟踪、同步；(4)扩频系统的干扰抑制方法和性能；4.2扩频基本原理4.2.1香容定理(扩频基本理论依据)公式:)1(log2Nswc+=（4—1）式中：c是信道容量（bit/s）,是信道带宽，wN是噪声功率，s是信号功率香农定理描述了信道无误差地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系.对（4－1）式换底有:)/1(log44.1Nswce+=（4—2）在典型的干扰环境中s/N1,对上式用幂级数展开,略去高次项后有:nswwNsc.44.1≈=（4—3）现代移动通信技术四川大学电子信息学院6四川大学电子信息学院从（4－3）式可以看出:对任意给定的SNR,只要增加用于传输信息的带宽W,理论上就可以增加在信道中无误差的传输的信息率.例:某系统在310−=Ns环境中要求的传输速率是3kbit/s,则:MHzNscw31010323=×==−若增加至：wMHzw6=，则463105106103−×=××==wcNs即:系统可以工作在更低的信噪比环境中.4.2.2数字扩频过程的直观解释:信息序列)(td扩频码)(tc（伪随机序列）)()()(tctdty=时域相乘，频域相卷。若：d(t),c(t)的频域坡形为方波,d(t)传输的信息频带较窄,而PN序列频带较宽.根据信号与系统基本理论。图4.1)()(21)()(wcwdtctd∗↔•π(4－3)不同宽度的门函数卷积将产生一梯形波,可见经过处理后，信息的频谱被扩展了，能量被均匀分布于更宽的频带内。4.2.3扩频增益与干扰容限现代移动通信技术四川大学电子信息学院7四川大学电子信息学院信号带宽为Bd，扩频后带宽为Bs，扩频增益为：dsPBBG=（4．4）干扰容限：（表示扩频系统在干扰环境中的工作能力）])([outsyspjNSLGM+−=（4．5）为系统损耗（包括射频滤波的损耗，相关处理，放大器的损耗等）sysLoutNS)(为系统输出端的信噪比。4．3主要的扩频系统4.3.1直接系列扩频系统（DSSS）扩频码产生器模2加法器调制器中放载波产生器发射机解调Mixer中放调制本振本地扩频码时钟数据信道图4。2DSSS系统简化框图为了使系统能够正常工作，从上图中可看出：发端扩频码C1与收端扩频码⎩⎨⎧=∗=⊕1011rrCCCC（4．6）上式是相关解码的基础，上式还隐含了一个扩频码的同步问题。在DSSS中，通常对载波进行相移键控调制。4.3.2频率跳变扩频系统（FHSS）FHD可解释为“多频码选频移键控”系统，某一个时刻究竟可用频率集中，哪一个频率用跳变码决定。现代移动通信技术四川大学电子信息学院8四川大学电