移动通信及3g技术知识要点

1.无线通信基础1.1.基础知识：1.1.1.移动信道三个特点：传播的开放性：一切无线信道都是基于电磁波在空间传播来实现信息传播的。接收点地理环境的复杂性与多样性一般可将地理环境划分为下列三类典型区域：高楼林立的城市中心繁华区；以一般性建筑物为主的近郊小城镇区；以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。通信用户的随机移动性慢速步行时的通信；高速车载时的不间断通信。1.1.2.电磁传播直射波：它指在视距覆盖区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强。多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点传播信号，其信号强度次之。绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。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。1.1.3.三种效应阴影效应移动台在运动中，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。阴影效应是产生慢衰落的主要原因。远近效应由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是在随机的变化，若各用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站近信号强，离基站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象，通常称这类现象为远近效应。因为CDMA是一个自干扰系统，所有用户共同使用同一频率，所以“远近效应”问题更加突出。多普勒效应它是由于接收的移动用户高速运动而引起传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户的运动速度成正比。多普勒频移同移动台速度波长及运动方向有关。1.1.4.香农公式公式：C＝B2log（1＋S/N），C为信道容量，B为信号带宽，S/N为信躁比。应用：扩频序列利用了此公式的结论，当信道容量C不变时，提高信号带宽B可以换取较低的S/N.（抗干扰）。根据B与S/N的关系可以确定最大的信道容量。例题：带宽为200Khz，SNR为10db的信道的理论最大数据速率为多少？SNR＝10db，S/N=10,B＝200Khz，C＝2000002log（1＋1000）＝1.99Mbps1.1.5.Log速算记住Log2＝0.3，则10以内的数字可以根据此值近似换算。对可不用计算大致估算结果。Log3log（3×3/3）log10-log31-log3,所以log30.5Log4＝2log22×0.3=0.6log5＝log（10/2）1-log2=0.7log6=log2+log30.3+0,50.8log7介于log6与log8之间，0.85log8=3log20.9log9=2log30.98例题：WCDMA系统中，系统传输带宽3.84M，数据速率为60k，则系统扩频增益是()。（C）（摘自华为《WCDMA培训多媒体系列教程》物理层习题）A、6dBB、7dBC、18dBD、23dB计算：10log（384/6）=10log(8×8)=10（log8+log8）=10×(3log2＋3log2）＝10×（0.9+0.9）=18db1.2.无线衰落：无线衰落可分为大范围衰落和小范围衰落，其中前者包括信号经过长距离传播的效应（几百个波长或更多），小范围衰落机制则影响着接收机附近的信号。小范围衰落由多径传播（时间分布特性）和多普勒频移（时间变化特性）两者作用的结果。分别表现为时间展宽（时延拓展）和时间变化（多普勒展宽）。1.2.1.时间分布特性时间分布特性对信道的影响―――多径传播的较大影响之一是信号的时间展宽拓展。在时域上，从接收机得到的最短路径上的第一个信号到它收到最长路径上的最后一个信号，其间的时延是有限的，最大的时延拓展用Tm标识。在频域上，时间展宽可以描述为频率相关函数，标识两个信号脉冲响应之间的相关程度，信道的信号损伤不会明显变化的频率范围称作相干带宽。用F0标识，与Tm成反比。图1.时间分布对信道的影响：a）最大时延；b）相干带宽。1.2.2.时间变化特性时间变化特性对信道的影响在时域，用相干时间T0来标识，可以视为与信道的脉冲响应高度相关的时间长度；在频域，信号在频率上展宽，接收机并不是在一个频率上得到一个信号，而是在不同的频率上得到信号的不同部分，称为多普勒展宽，用Fd来标识，与相干时间T0成负相关的关系。图2.时间变化对信道的影响：a）相干时间；b）多普勒展宽。1.2.3.时间色散时延拓展和相干带宽是描述本地信道时间色散特性的两个参数。前者是描述时域，后者是描述频域的参数，两者成反比关系。时延拓展：理解：多径效应在时域的表现形式，延迟拓展小于符号周期，则发生平坦衰落，延迟扩展大于符号周期，则发生频率选择性衰落。时延拓展越小越好。时延拓展导致码间干扰，可以通过均衡技术来补偿。相干带宽理解：多径效应在频域的表现形式，传输带宽小于相干带宽，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；大于相干带宽，信号的相关性变差，信道呈频率选择性衰落。公式：B＝1/L，L为时延拓展。例题：在城市环境中，三种典型扩散值分别为：时延扩散L=5us、角度扩散ψ=20°、多普勒频率扩散B=120Hz。在设计Rake接收时，必须满足其频率相关区间大于，才有多径分集效果。（D）（《移动通信中的关键技术》P11）（A）120Hz（B）120KHz（C）200Hz（D）200KHzRake接收机的原理是当传播时延超过一个码片周期时，多径信号可以看作互不相关的，它可以对抗频率选择性衰落，其时延扩散L＝5us，对应频域的相干带宽B＝1/L＝200Khz，所以频率相关区为选答案D。1.2.4.频率色散相干时间和多普勒展宽是描述频率色散特性的两个参数，其中相干时间是多普勒拓展在时域的表示。相干时间理解：信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值，在这一段时间间隔内，两个到达的信号有很强的幅度相关性。如果基带信号带宽的倒数大于信道相干时间，那么传输中基带信号就有可能发生改变，导致接收机信号失真。公式：此处，B为多普勒频移。例题：在城市环境中，三种典型扩散值分别为：时延扩散L=5us、角度扩散ψ=20°、多普勒频率扩散B=120Hz。如果采用信道交织技术，则其交织区间必须大于。（A）（《移动通信中的关键技术》P11）83us5us78us88us交织是利用时间分集为了克服时间选择性衰落，同相干时间有关（多普勒频宽），其相干时间T＝1/B=83us多普勒展宽（频移）相关解析：多普勒频移同移动台速度波长及运动方向有关，与无线电波入射方向角之间的夹角有关，若移动台朝向入射波方向运动，则频移为正，反之则负。信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。公式：cos/dfv，为源端与目的端与入射波的夹角。例题：若某信号载频为1850mhz，一汽车以26.82m/s的速度运动，计算若汽车沿直线背向发射机运动，以及汽车运动方向同入射波方向成直角时的接收机载波频率。cf＝1850Mhz所以波长＝C/cf=0.162m,车速v=26.82m/s当背向发射机运动时，多普勒频移为负，所以此时载波频率为f＝df-cf＝1850×610－26.82/0.162=1849.999834HZ当汽车运动方向与入射波方向成直角时，＝90，cos＝0，此时没有多普勒频移。1.3.损耗分类：1.3.1.路径传播损耗又称衰耗，它是指电波在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观大范围(即公里量级)的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。以下给出自由空间传播损耗公式，作为了解的内容。Ｌｂｓ＝３２．４５＋２０ｌｇＦＭＨｚ＋２０ｌｇＤｋｍ式中，Ｌｂｓ称为自由空间的路径传播损耗。分别将ＰＨＳ１９００、３ＧＨｚ的频率ｆ取９００、２４００（３Ｇ系统最高工作频率到２．４ＧＨｚ），可知：在相同空间距离条件下，２．４ＧＨｚ信号的空间损耗比ＰＨＳ１９００约大２ｄＢ。1.3.2.慢衰落损耗它是由于在电波传输路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗。它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率较慢故又称为慢衰落，由于慢衰落表示接收信号的长期变化，所以又称长期衰落（long-term-fading）一般认为慢衰落符合对数正态分布：1.3.3.快衰落损耗它主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落。深衰落点在空间上的分布是近似的相隔半个波长。因其场强服从瑞利分布，又称为瑞利衰落，衰落的振幅、相位、角度随机。仔细划分快衰落又可分为以下三类：空间选择性衰落、频率选择性衰落、时间选择性衰落。所谓选择性是指在不同的空间，不同的频率和不同的时间其衰落特性是不一样的。空间选择性衰落多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽称为角度扩展。角度展宽给出信号的主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落。空间选择性衰落用相干距离ΔR描述，其中λ为波长；φ为天线扩散角。相干距离为两根天线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大；反之，相干距离越长，角度扩展越小。接收天线距离小于相关距离，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；大于相干距离，信号的相关性变差，信道呈空间选择性衰落。频率选择性衰落假设发射端发射的是一个时间宽度极窄的脉冲信号，经过多径信道后，由于各信道时延的不同，接收端接收到的信号为一串脉冲，即接收信号的波形比原脉冲展宽了。这种由于信道时延引起的信号波形的展宽称为时延扩展。时延扩展产生频率选择性衰落。频率选择性衰落用相干带宽ΔB描述，其中Tm为时延扩展。ΔB＝1/Tm相干带宽为信道在两个频移处的频率响应保持强相关时的最大频率差。相干带宽越小，时延扩展越大；反之，相干带宽约大，时延扩展越小。传输带宽小于相干带宽，信号的相关性很好，信道的衰落特性平坦；大于相干带宽，信号的相关性变差，信道呈频率选择性衰落。另一个描述多径时延扩展的参数是最大时延扩展Δm(xdB)，定义为比直达信号功率下降xdB的多径信号的相对时延。不存在直达信号的情况下，可以是最强的多径信号的功率。时间选择性衰落由于移动用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率移动。由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移fD，它与移动用户的运动速度成正比。其中v为移动台的运动速度；λ为无线电波长；θ为电波和移动台运动的夹角。多普勒扩展是一种由于多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，又称时间选择性衰落。时间选择性衰落用相干时间ΔT描述，其中B为最大多普勒频移。1.4.抗衰方法：1.4.1.扩频：扩展了信道带宽，克服窄带信号的频率选择性衰落特性。图5扩频原理1.4.2.Rake：CDMA扩频码在选择时就要求它有很好的自相关特性。这样，在无线信道中出现的时延扩展，就可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超过了一个码片的长度（wcdma一个码片持续时间0.26us（78m），这在无线环境里面是很容易实现的（市区的典型值是1到2us）），那么它们将被CDMA接收机看作是互不相关的有用的信号。核心：多径，延时，克服频率选择性衰落。窄带系统大衰落发射信号接收到的衰落信号频率频率强度强度大衰落发射信号接收到的衰落信号频率频率强度强度宽带系统∑Q∑I合并相加I延迟估计相位旋转信道估计延迟均衡IQ第一径第二径第三径基带输入信号时间量（径位置）的相关器带DLL本地扩频码图6.Rake接收机1.4.3.交织：交织可以在不附加任务开销的情况下，使系统获得时间分集。对抗时间选择性衰落。重要特点是将突发性误码连续错误变成了随机性的独立差错。它的缺点是有造成系统延时，交织的区间越大，其抗误码性能越好，但带来的延时也越大，需要平衡两者之间的关系。举例：交织矩阵为：010611160207121703081318040