2G、3G移动通信技术

移动通信概述移动通信电波传播与传播预测模型移动通信中的信源编码与调制解调抗衰落和链路性能增强技术蜂窝组网技术GSM及其增强移动通信系统第三代移动通系统及其增强技术移动通信网络优化所谓移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通信方式。移动通信是个人通信的初级阶段，最终将实现用各种可能的网络技术实现任何人在任何时间、任何地点与任何人进行任何种类的信息交换。1.移动通信利用无线电波进行信息传输；2.移动通信在强干扰环境下工作；3.通信容量有限4.通信系统复杂；5.对移动台要求高。第一代（1G）—模拟蜂窝移动通信系统第二代（2G）—数字蜂窝移动通信系统第三代（3G）—IMT2000第四代（4G）—IMT-Advanced第一代蜂窝移动通信采用的空中接入方式为频分多址接入方式，即所谓的FDMA方式。其传输的无线信号是模拟量，因为人们称此时的移动通信系统为模拟通信系统，也称为第一代移动通信系统（1G）。现存的比较实用，且容量较大的系统主要有：1）北美的AMPS；2）北欧的NMT；3）英国的TACS；其工作频带都在450MHz和900MHz附近，载频间隔在30kHz以下。我国在1986年投资建设模拟蜂窝公用移动通信网，引进了美国MOTOROLA公司的900MHz的TACS标准的模拟蜂窝移动通信系统（A网）和瑞典ERICSSON公司的900MHzTACS标准的模拟蜂窝移动通信系统（B网）。2001年，我国的模拟网关闭。由于TACS等模拟制式存在各种缺点，90年代开发出了以数字传输、时分多址和窄带码分多址为主体的移动通信系统，称之为第二代移动通信系统（2G），其代表产品分为两类：GSMN_CDMAGSM空中接口采用时分多址的接入方式，到目前为止是全世界最大的移动网，已经遍及全世界，即所谓的“全球通”。GSM使用的主要频段为900MHz和1800MHz，分别称作GSM900和DCS1800。N-CDMA空中接口采用码分多址的接入方式，主要是美国高通公司为首研制的IS-95的N-CDMA。随着科学技术和和通信业务的发展，需要一个综合现有移动通信电话系统功能和提供多种服务的综合业务系统。国际电联提出了第三代移动通信系统，即IMT-2000。当前3G技术标准主要有3个：欧洲的WCDMA、北美的CDMA2000和中国的TD-SCDMA。移动通信进一步演进方向是IMT-Advanced或称4G，无论是LTE、UMB还是802.16m，向后再演进都是向IMT-Advanced演进。严格地说，目前对4G还没有一个权威的定义，它还处于研发阶段。归纳起来，4G是一个可称为宽带接入和分布式的网络，在4G的网络结构将是一个采用全IP的网络结构。按照通话的状态和频率的使用方法，可将移动通信的工作方式分成不同种类，有单向和双向、单工和双工。下面介绍几种常用的工作方式。1.单工通信所谓单工通信是指通信双方电台交替地进行授信和发信。根据通信双方是否使用相同的频率，单工制又分为同频单工和双频单工。单工通信通常用于点到点的通信。单工制一般适用于专业性强的通信系统。2.双工通信双工通信是指通信双方，收发信机均同时工作，即任一方讲话时，都可以听到对方的话音。双工通信一班使用一对频道，以实施频分双工工作方式，在移动通信系统中得到了广泛的应用。3.半双工通信半双工制是指通信双方，有一方使用双工方式，而另一方采用双频单工方式。这种方式在移动通信中一般移动台采用单工方式，而基站采用双工方式。其主要用于专业移动通信系统中。4.移动中继方式为了增加通信距离，可加设中继站。两个移动台之间一般采用一次中继转接。中继通道又分单工中继和双工中继两种基本方式。单工方式的中继只需一套收发信机，采用全向天线。双工方式的中继站需要两套收发信机，并往往采用两幅定向天线，对准中继方向。移动通信概述移动通信电波传播与传播预测模型移动通信中的信源编码与调制解调抗衰落和链路性能增强技术蜂窝组网技术GSM及其增强移动通信系统第三代移动通系统及其增强技术移动通信网络优化移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性，掌握移动通信电波传播特性对移动通信技术的研究具有十分重要的意义。移动通信的信道是指基站天线、移动用户天线和两副天线之间的传播路径。移动信道的基本特性就是衰落特性。这种衰落特性取决于无线电波的传播环境，不同的传播环境，其传播特性也不尽相同。总体来说，无线电波在移动通信中传播的主要传播方式有：直射、反射、绕射和散射以及他们的合成。移动信道是一种时变信道。衰落一般表现为：随信号传播距离变化而导致的传播损耗和弥散。阴影衰落多径衰落多普勒频移阴影衰落：由于传播环境中地形起伏等对电磁波的遮蔽引起的衰落。多径衰落：无线电波在传播路径上受地形地物的作用产生反射、绕射和散射，使到达接收的信号是从多条路径来的多个信号的叠加所引起的衰落。多普勒频移：移动台在传播径向方向的运动导致接收信号在频域的扩展。在分析研究无线信道时，尝尝将无线信道分为大尺度传播模型和小尺度传播模型两种。这两种衰落并不是独立的，在同一个无线信道中既存在大尺度衰落，也存在小尺度衰落。大尺度模型用于描述发射机与接收机之间的长距离上的信号强度的变化。大尺度衰落是由阴影效应引起的，其衰落变化具有对数正态分布的特征，衰落主要影响无线区的覆盖。小尺度模型用于描述短距离或短时间内信号强度的快速变化。小尺度衰落主要由多径产生，严重影响信号传输质量，且不可避免，只能采用抗衰落技术来减少其影响。研究无线移动传播环境的基本方法有：1）理论分析；2）现场电波传播实测方法。根据研究的结果，可以1）建立传播预测模型；2）为实现信道仿真提供基础。自由空间是理想的传播环境，它是不吸收电磁能量的介质。自由空间的传播损耗是球面波在传播过程中，随着传播距离的增大，电磁能量在扩散过程中引起的球面波扩散损耗。电波的自由空间传播损耗是与距离的平方成正比的。1.反射反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁波遇到比起波长大得多的物体时就会发生反射。反射是产生多径衰落的主要因素。2.绕射当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射。3.散射散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。阴影衰落是移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应。阴影衰落又称为慢衰落。移动无线信道的主要特征是多径传播。多径传播引起的多径衰落属于小尺度衰落。多径衰落的基本特性表现在信号幅度的衰落和时延扩展。从空间角度，接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落，表现为较快的幅度变化。从时间角度考虑，多个路径的信号到达接收机的时间不同。接收的信号不仅包括发送的信号，还包括其各个时延信号，导致接收信号脉冲宽度扩展。模拟移动通信系统主要考虑多径效应引起的接收信号的幅度变化。数字移动通信系统主要考虑多径效应引起的脉冲信号的时延扩展。当移动体在x轴以速度v移动时就会引起多普勒频率漂移。多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关。通常信道可以看成作用于信号上的一个滤波器，因此可通过分析滤波器的冲激响应和传递函数得到多径信道的特性。由于多径环境和移动台运动等因素的影响，移动信道对传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。通常用功率在时间、频率以及角度上的分步来描述这种色散，即：用功率延迟分布描述信道在时间上的色散；用多普勒功率谱密度描述信道在频率上的色散；用角度谱描述信道在角度上的色散。时间色散参数是用平均附加时延和时延扩展以及最大附加时延扩展来描述的，这些参数是由功率延迟分布来定义的。在市区环境中常将功率延迟分布近似为指数分布。与时延扩展有关的另一个重要的概念是相关带宽。相关带宽内的两个信号是相关的。根据衰落与频率的关系，将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落（平坦衰落）。频率选择性衰落是指传输信道对信号的不同频率成分有不同的随机响应，信号中不同频率分量不一致，引起信号波形失真。非频率选择性衰落是指信号经过传输信道后，各频率分量的衰落是相关的具有一致性，衰落波形不失真。当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落。当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。频率色散参数是用多普勒扩展来描述的，而相关时间是与多普勒扩展相对应的参数。多普勒扩展是由移动台与基站间相对运动引起的，或是由信道路径中的物体运动引起的。相关时间使信道冲激响应维持不变时间间隔的统计平均值。在相关时间内的两个到达信号具有很强的相关性。一般称由于多普勒效应引起的在时域产生的选择性衰落为时间选择性衰落。时间选择性衰落对数字信号误码影响明显，因此要求基带信号的码元速率远大于信道相关时间的倒数。无线通信中移动台和基站周围的色散环境不同，使得多天线系统各种不同位置的天线经历的衰落不同，从而产生了角度色散，即空间选择性衰落。角度扩展和相关距离是描述空间选择性衰落的两个主要参数。多径信道的统计分析主要讨论多径信道的包络统计特性。一般而言，接收信号的包络根据不同的无线环境服从瑞利分布和莱斯分布。另外，还有一个具有参数m的Nakagami-m分布，参数m取不同的值时对应的分布也不同。莱斯分布适用于一条路径明显强于其他多径的情况，但并不意味着这条径就是直射径。在非直射系统中，如果源自某一个散射体路径的信号功率特别强，信号的衰落也会服从莱斯分布。瑞利分布是最常见的用于描述平坦衰落信号接收包络或独立多径分量接受包络统计时变特性的一种分布类型。当主信号减弱到与其他多径信号分量的功率一样，即没有视距信号时，混合信号的包络服从瑞利分布。当接收信号中没有主导分量时，莱斯分布就转变为瑞利分布。Nakagami-m分布是通过基于场测试的试验方法，用曲线拟合达到近似分布。当m=1时，Nakagami-m分布称为瑞利分布；当m较大时，Nakagami-m分布接近高斯分布。移动无线信道中的时间色散和频率色散可能产生4中衰落效应:由时间色散导致发送信号产生的平坦衰落和频率选择性衰落；根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，也就是频率色散引起的信号失真，可将信道分为快衰落和慢衰落。如果信道带宽大于发送信号的带宽，且在带宽范围内有恒定增益和线性相关，则接受信号会经历平坦衰落。在平坦衰落情况下，信道的多径结构使发送信号的频谱特性在接收机内仍能保持不变。对于频率选择性衰落，发送信号的带宽大于信道的相关带宽，不同频率获得不同的增益。当信道的相关时间比发送信号的周期短，且基带信号的带宽小于多普勒扩展时，信道冲激响应在符号周期内变化很快，产生快衰落。当信道的相关时间远远大于发送信号的周期，且基带信号的带宽远远大于多普勒扩展时，信道冲激响应变化比要传送的信号码元周期低很多，可认为信道时慢衰落信道。移动台的移动速度及基带信号的发送速率决定了信号是经历快衰落还是慢衰落。当考虑角度扩展时，会有角度色散，即空间选择衰落。根据信道是否考虑了空间选择性，把信道分为标量信道和矢量信道。标量信道只考虑时间和变频的二维信息信道；而矢量信道考虑了时间、频率和空间的三维信息信道。通常用衰落率、电平交叉率、平均衰落周期及衰落持续时间等特征量表示信道的衰落特性。1.衰落速率和衰落深度2.电平通过率和平均衰落持续时间衰落率，定义为信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数。简单地说，衰落率就是信号包络衰落的速率。衰落率与发射频率、移动台行进速度和方向以及多径传播的路径数有关。当移动台行进方向朝着或背着电波传播方向时，衰落最快。频率越高，速度越快，平均衰落速率越大。衰落深度是信号的有效值与该次衰落的信号最小值的差值。电平通过率，定义为信号包络单位时间内以正斜率通过某一规定电平值R的平均次数，描述衰落次数的统计规律。衰落率是与衰落深度有关的。深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生的相当频繁。电平通过率定量描述这一特征。衰落率只是电平通过率的一个特例。电平通过率是随机变量，通常用平均电平通