移动通信第四章

移动通信教学中心第四章数字移动通信主要技术移动通信技术移动通信教学中心数字移动通信主要技术多址接入技术调制与解调技术信源编码技术信道编码技术交织技术分集技术功率控制技术本章要求：掌握几种多址接入方式、了解典型移动通信系统采用的语音编码技术、调制技术及信道编码技术；了解交织技术原理、交织的作用；了解几种分集接收技术，掌握GSM系统、CDMA系统中分别采用了哪些分集技术；掌握几种功率控制技术。移动通信教学中心多址接入技术所谓多址技术就是使多个用户接入并共享同一个无线通信信道,以提高频谱利用率的技术。即把同一个无线信道按照时间、频率等进行分割,使不同的用户都能够在不同的分割段中使用这一信道,而又不会明显地感觉到他人的存在,就好像自己在专用这一信道一样。占用不同的分割段就像是拥有了不同的地址,使用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地址。这就是多址技术,亦称多址接入技术。在蜂窝移动通信系统中,多个移动用户要同时通过一个基站和其他移动用户进行通信,就必须对基站和不同的移动用户发出的信号赋予不同的特征,使基站能从众多移动用户的信号中区分出是哪一个移动用户发来的信号,同时各个移动用户又能够识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的。移动通信教学中心多址接入技术实现多址技术的主要方式多址方式的基本类型有三种，即频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA及它们的混合应用。移动通信教学中心频分多址（FDMA）—以频率区分信道时间频率FDMAFDMA是以不同的频率信道来实现多址通信频分多址技术按照频率来分割信道,即给不同的用户分配不同的载波频率以共享同一信道。频分多址技术是模拟载波通信、微波通信、卫星通信的基本技术,也是第一代模拟移动通信的基本技术。在FDMA系统中,信道总频带被分割成若干个间隔相等且互不相交的子频带(地址),每个子频带分配给一个用户,每个子频带在同一时间只能供给一个用户使用,相邻子频带之间无明显的干扰。移动通信教学中心☆FDMA通信系统的工作示意图移动通信教学中心时分多址（TDMA）TDMA是以不同的时隙实现多址通信时分多址技术按照时隙来划分信道,即给不同的用户分配不同的时间段以共享同一信道。时分多址技术是数字数据通信和第二代移动通信的基本技术。在TDMA系统中,时间被分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干个时隙(地址)。无论帧或时隙都是互不重叠的。然后,根据一定的时隙分配原则,使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发送信号,在满足定时和同步的条件下,基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而互不混扰。同时,基站发向多个移动台的信号都按顺序安排,在预定的时隙中传输。各移动台只要在指定的时隙内接收,就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。移动通信教学中心☆时分多址（TDMA）通信系统的工作示意图移动通信教学中心与FDMA技术相比,TDMA具有如下特性:(1)每载频多路。TDMA系统能够在每一载频上产生多个时隙,而每个时隙都是一个信道,因而能够进一步提高频谱利用率,增加系统容量。(2)传输速率高。每一载频含有时隙多,频率间隔宽,传输速率就高。(3)对新技术开放。例如当因语音编码算法的改进而降低比特速率时,TDMA系统的信道很容易重新配置以接纳新技术。(4)共享设备成本低。由于每一载频为许多客户提供业务,因此TDMA系统共享设备的每客户平均成本与FDMA系统相比是大大降低了。(5)动态信道分配易实现。对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配简单而经济，所以,TDMA系统更容易进行时隙的动态分配。(6)基站使用用发射机数目减少。可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰。时分多址(TDMA)移动通信教学中心同时,TDMA也具有一定的缺陷:(1)必须有精确的定时和同步。(2)移动台较复杂。(3)传输开销大。移动通信教学中心码分多址技术按照码序列来划分信道,即给不同的用户分配一个不同的编码序列以共享同一信道。码分多址技术是第二代移动通信的演进技术和第三代移动通信的基本技术。在CDMA系统中,每个用户被分配给一个唯一的伪随机码序列(扩频序列),各个用户的码序列相互正交,因而相关性很小,由此可以区分出不同的用户。与FDMA划分频带和TDMA划分时隙不同,CDMA既不划分频带又不划分时隙,而是让每一个用户使用系统所能提供的全部频谱,因而CDMA采用扩频技术能够使多个用户在同一时间、同一载频以不同码序列来实现多路通信。CDMA示意图如图所示。码分多址（CDMA）移动通信教学中心码分多址（CDMA）时间频率CDMA码CDMA以不同的码序列来实现多址通信移动通信教学中心13基站CmC2C1移动台……码Cm码C3码C2fW码C1TW…☆码分多址（CDMA）通信系统的工作示意图移动通信教学中心以上三种多址技术相比较,CDMA技术的频谱利用率最高,所能提供的系统容量最大,它代表了多址技术的发展方向;其次是TDMA技术,目前技术比较成熟,应用比较广泛;FDMA技术由于频谱利用率低,将逐渐被TDMA和CDMA所取代,或者与后两种方式结合使用,组成TDMA/FDMA、CDMA/FDMA方式。移动通信教学中心FDMA、TDMA、CDMA三种系统容量比较2）无线小区容量的m计算m=B/(N*∆f)(单位为：信道/小区)其中B为频带宽带，∆f为频道间隔，N为cluster中小区数。a）模拟TACS系统（FDMA）信道间隔25KHz信道总数1.25MHz/25KHz=50簇内小区数N=7系统容量mFDMA=50/7=7.1（信道/小区）1)系统容量的定义：指能容纳的用户总数或系统最大容纳的信道数或系统输入话务量（爱尔兰）。假设B=1.25MHz,则：移动通信教学中心b）数字GSM系统，采用TDMA方式信道间隔200kHz每载频时隙数8信道总数（1.25MHz/200KHz）×8=50簇内小区数N=4系统容量mTDMA=50/4=12.5（信道/小区）c）数字CDMA系统，采用扩频技术FDMA、TDMA、CDMA三种系统容量比较为了进一步说明为什么采用扩频技术以支持CDMA，从而赢得系统容量和质量，我们来看一下扩频技术原理：两种类型扩频：直接扩频DS，跳频FH移动通信教学中心A点b(t)为基带信号，B点信号为基带信号经过地址码扩频和PSK调制后的调制信号，C点信号是B点信号不失真传输引入很强的窄带干扰的信号，D点信号经过扩频解扩。从频谱来看，传输过程中引入的窄带干扰，在接收端经过解扩以后干扰功率被分散而有用信号被正确恢复。移动通信教学中心cbbcswTTRRBBSF22扩频增益Gp定义为：)(lg10dBSFGp一般认为扩频解调增益C0/Ci=1，所以:（6-2）为扩频信号带宽，为信息带宽。WBSB扩频因子SF定义为输出端与输入端载噪比之比值:siwioBCBCNCNCSF0扩频解调器输入端扩频解调器输出端（6-1）移动通信教学中心FDMA、TDMA、CDMA三种系统容量比较（6-3）（6-4）CDMA系统总要采用功率控制技术，对于基站来讲，不管MS在小区的任何位置，总会使所有MS发送功率到达基站接收机输入端功率相等。CDMA系统的主要干扰为多址干扰，基站接收机的输入载干比为：1-m1)1(CmCNC由式（6-1）可知SF/E(C/N)0b0NSFNCm为保证接收机载干比满足要求时，小区内同时工作的最大用户数。移动通信教学中心10NEBBmbswFDMA、TDMA、CDMA三种系统容量比较（6-5）IS-95CDMA系统，Rc=1.2288Mcps,Rb=8kb/s,Eb/N0=7dB，则代入公式（6-5）得:m=32.25(信道/小区）由上面各式可得：移动通信教学中心考虑实际影响因素后，容量计算公式要做相应修正：I）采用话音激活技术提高了系统容量d1)1(0NERBmbsw式中d为话音占空比，通常为0.35II）利用扇形划分提高系统容量dG)1(0NERBmbsw式中G是扇形分区系数，通常为2.55III）邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响dGF)1(0NERBmbsw式中F为信道复用效率，通常为0.6FDMA、TDMA、CDMA三种系统容量比较移动通信教学中心所谓信源编码是指将信号源中多余的信息除去,从而形成一个适合用来传输的信号的过程。信源编码的目的是提高系统传输效率,去除冗余度。语音编码属于信源编码，移动通信中采用的语音编码方法主要取决于无线移动信道的条件:由于频率资源十分有限,因此要求编码信号的速率较低;由于移动信道的传播条件恶劣,因而编码算法应有较好的抗误码特性。另外,从用户的角度出发,还应有较好的话音质量和较短的时延。移动通信对数字语音编码的要求如下:·速率较低,纯编码速率应低于16kb/s;·在一定编码速率下的音质应尽可能高;·编码时延要短,要控制在几十毫秒之内;·编码算法应具有较好的抗误码性能,计算量小,性能稳定;·编码器应便于大规模集成。信源编、解码移动通信教学中心1）波形编码根据模拟话音信号的波形，采取抽样、量化、编码，形成数字语音信号。话音编码类型包括PCM、ADPCM等；编码速率高16k-64kbps,语音质量最高；占用带宽大，适合有线，不适于直接用于移动通信。3）混合编码综合波形编码和声源编码方式形成的编码器。2）声源编码（参量编码）在发端提取产生话音信号的特征参数并进行传输，在收端由参数恢复话音。编码速率较低，1.2-4.8kps;包括各种线性预测编码（LPC）和余弦声码器；语音质量较差，不满足商用要求，适用于军事和保密通信编码速率中等，话音质量介于以上两者之间，主要用于移动通信；包括GSM采用的RPE-LTP编码（13kbps）和CDMA采用的QCELP（可变速率编码，包括四种速率）；移动通信教学中心信源编、解码常用数字移动通信系统语音编码类型移动通信教学中心衡量话音编码器的主要指标1）比特率（bit/s)度量信源压缩率和通信系统性能的主要指标比特率压缩率有效性话音质量2）质量（MOS评分）国际流行的MOS法，5级评分制；3）复杂度指完成语音编码所需的加法、乘法的运算次数，一般可用MIPS表示。4）处理时延复杂度越大，运算时间越长，处理时延越大。移动通信教学中心由于通信信道,尤其是无线通信信道,容易受到外界干扰和噪声的影响,因此导致信息在传输过程中发生改变,从而在接收端接收不到完全正确的信息。为了保证通信的可靠性,必须采用信道编码。信道编码能够检查和纠正接收信息流中的差错。信道编码定理指出:在编码速率小于信道容量的条件下,通过编码可以使译码错误概率任意小,从而达到可靠通信。该定理证明:确实存在一种编码方式,使误码率随着码长n的增长趋于任意小。这说明信道编码属于冗余编码,而且冗余度与误码率存在一定的反比关系。需要指出的是冗余度越高,误码率就越小,系统的可靠性就越高;但同时,编码位数就越多,需要的传输速率就越高,占用的信道带宽就越宽。因此,必须研究信道编码技术,在保证系统可靠性的前提下,尽量降低传输速率,减小信道带宽。信道编、解码移动通信教学中心信道编码的基本思想是按一定规则给信息码元序列m增加一些多余的码元(称为监督码元),使不具有规律性的信息序列m变换为具有某种规律性的数码序列C;数码序列中C的信息序列码元m与监督码元之间是相关的。接收端的译码器利用这种预知的编码规则进行译码,检验接收到的数字序列R是否符合既定的规则,从而发现R中是否有错，甚至纠正其中的差错。根据相关性来发现和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本思想。信道编、解码移动通信教学中心纠错编码是应用最广泛的编码,又可分为如下几类:(1)按照纠正差错的类型可分为纠正随机错误的编码和纠正突发错误的编码两种。随机错误是指码元间的错误互相独立,即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否无关;突发错误是指一个码元的错误往往影响其前后码元的错误概率,换句话说,一个码元产生错误,则后面几个码元都可能发生错误。在移动通信系统中,既要纠正随机错误（由信道编码纠正）,又