3G关键技术

第三代移动通信关键技术CONTENTS多址技术多用户检测Turbo编／译码功率控制软件无线电智能天线HSDPA多址技术的基本概念在同一信道中，准许多个用户同时通信的技术，在移动通信中称为多址技术。通信中的多址技术有4种：FDMATDMACDMASDMAFDMAFDMA即为频分多址接入，表示用不同的频段代表不同的用户，在频域内对用户加以区分。这种技术在第一代移动通信（模拟通信）中普遍使用，但由于频率资源宝贵有限，当用户数增加后，FDMA通信完全无法满足容量的需求。TDMATDMA即表示在时域划分各个不同用户。现有的GSM通信系统就采用了在FDMA的基础上再使用TDMA技术，大大解决了用户数增加后的扩容问题。但随着移动通信的迅速发展，TDMA技术的用户容量仍然显得有限，人们寻找着频谱利用率更高的多址技术。CDMACDMA与FDMA，TDMA划分形式不同，频分FDMA与时分TDMA属于一维多址划分，然而码分多址CDMA属于二维域上的划分。它的所有用户均占有同一整个频段ΔF与同一整个时隙ΔT，而划分不同地址的正交量就是不同的扩频码组。FrequencyTimecode码分多址CDMA扩频序列作用扩频，香农定理（即用频带换取信噪比）实现多址（地址码）特性有尖锐的自相关特性（便于同步）尽可能小的互相关值（降低干扰）足够多的序列数（实现多址）Walsh码互相关性好，完全正交(1)(1,1)(1,-1)(1,1,1,1)(1,1,-1,-1)(1,-1,1,-1)(1,-1,-1,1)(1,1,1,1,1,1,1,1)(1,1,1,1,-1,-1,-1,-1)(1,1,-1,-1,1,1,-1,-1)(1,1,-1,-1,-1,-1,1,1)(1,-1,1,-1,1,-1,1,-1)(1,-1,1,-1,-1,1,-1,1)(1,-1,-1,1,1,-1,-1,1)(1,-1,-1,1,-1,1,1,-1)……1，1，1，1，-1，-1，-1，-11，1，-1，-1，1，1，-1，-10扩频码分多址扩频码分多址是数字移动通信中的一种多址接入方式，特别是在第三代移动通信中，它已成为最主要的多址接入方式。WCDMA，CDMA2000和TD-SCDMA均基于扩频CDMA技术。CDMA系统的特点通信容量大容量的软特性话音质量好掉话率低低信号功率谱密度网络建设成本低通信容量大理论上讲，信道容量完全由信道特性决定，但实际的系统很难达到理想的情况，因而不同的多址方式可能有不同的信道容量。CDMA是干扰限制性系统，任何干扰的减少都直接转化为系统容量的提高。CDMA系统本身所固有的码分扩频技术加上先进的内、外环功率控制、话音激活技术，所以容量明显大于GSM系统。容量的软特性TDMA系统中同时可接入的用户数是固定的，无法再多接入任何一个用户，而DS-CDMA系统中，多增加一个用户只会使通信质量略有下降，不会出现硬阻塞现象。话音质量好现有的CDMA实验网和商用电信网络运营实际实验均表明，CDMA（8kEVRC编码）话音质量明显优于GSM系统，更加接近固定网的话音质量，特别是在强噪声环境中，由于采用了伪随机序列进行扩频/解扩，话音质量不亚于固定网电话。掉话率低DS-CDMA系统中所有小区使用相同的频率，这不仅简化了频率规划，也使越区切换得以完成。每当移动台处于小区边缘时，同时有两个或两个以上的基站向该移动台发送相同的信号，移动台的分集接收机能同时接收合并这些信号，此时处于宏分集状态。当某一基站的信号强于当前基站信号且稳定后，移动台才切换到该基站的控制上去，这种切换可以在通信的过程中平滑完成，称为软切换。低信号功率谱密度在DS-CDMA系统中，信号功率被扩展到比自身频带宽度宽百倍以上的频带范围内，因而其功率谱密度大大降低。由此可得到两方面的好处：其一，具有较强的抗窄带干扰能力；其二，对窄带系统的干扰很小，有可能与其它系统共用频段，使有限的频谱资源得到更充分的使用。CDMA手机符合环保的要求有关测试表明，GSM900的峰值发射功率接近2W，平均发射功率在100mW以上而CDMA手机平均发射功率保持在十几毫瓦，峰值不过几十毫瓦。低的发射功率既对人体的辐射小，有“绿色手机”的美誉，还可以延长手机电池的待机时间和通话时间。CDMA网络建设成本低CDMA系统的覆盖范围大、基站数量少、系统容量大、频谱利用率高、频率规划简单等优势，可大大降低系统的建设成本和运营成本。SDMA空分多址技术（ＳＤＭＡ）则突破了传统的三维思维模式，在传统的三维技术的基础上，在第四维空间上极大的拓宽了频谱的使用方式，使得移动用户仅仅由于空间位置的不同而复用同一个传统的物理信道成为可能。多用户检测（可选）(MultiUserDetection)•多用户检测的作用——减小用户间的多址干扰在CDMA移动通信系统中,存在三类干扰：a)加性白噪声干扰危害——产生分散独立误码抵抗措施——采用有效的信道编码纠正差错。b)多径干扰危害——引起突发差错（引起成片误码）抵抗措施：采用分集技术抗衰落（抗多径）在信道中采用交织编码技术c)用户间的多址干扰危害——影响信道容量（用户数量）产生根源——CDMA使用的扩频码之间的互相关系数不为零。•多用户检测的基本原理a)多址干扰是由扩频码的结构带来的，是伪随机信号存在一定的结构性规律，彼此不独立。b)扩频码有严格的数学描述规律，各码组之间的互相关函数都是已知的。c)基于上述a，b，从理论上讲，利用多址干扰规律，在解调某一用户信号时，把其它用户信号都视为有用信号。抵抗措施选择好的扩频码0)()()()]()(),(),([)(221dttCtCtRtCtCtCtCtckiikN使采用同步码分多址；采用功率控制技术，使各用户发射功率最小采用“空间滤波”：如划分扇区,使用智能天线采用多用户检测技术等多用户检测(MultiUserDetection)移动用户只接收所需信号，基站需检测所有用户的信号移动台只有自己的扩频码，基站知道所有用户的扩频码设备复杂•通常用于基站，但在TD-SCDMA系统也用于终端•联合检测（JointDetection）：将符号间干扰ISI同多址干扰MAI，一同考虑加以消除，而不是只针对MAI。其技术核心就是利用均衡技术，将来自其他用户的ISI也当作MAI而一并消除。多用户检测原理12312331321211sssr32321212sssr32321313sssr123解扩匹配滤波器（用户1）解扩匹配滤波器（用户2）解扩匹配滤波器（用户N）接收信号联合检测算法用户1判决用户2判决用户N判决用户N判决用户2判决用户1判决多用户检测的一般结构Turbo编/译码•逼近Shannon极限在有噪声的环境下，只要信源的信息速率不超过信道容量，就可以找到一种编码方法，使信息的传输速率任意逼近于信道容量，而传输的错误概率任意逼近于零。——Sh阿nnon编码定理简而言之，TURBO编译码的目的就是，在有限的信道容量内，尽可能多地传输数据，而且保证错误的概率尽可能的小。Turbo编/译码编码器结构分量码为递归系统卷积码（RSC）交织器除了抗信道突发错误外，还改变了码的重量分布，控制编码序列的距离特性，使重量谱窄带化，从而使Turbo码的整体纠错性得以提高。Turbo编/译码译码器结构Turbo码之所以具有如此诱人的性能，采用软输出迭代译码算法，充分利用了译码输出的软信息Turbo编/译码完整的理论解释至今还是个迷Turbo发明人未从理论的角度去探讨Turbo码而是从工程角度，从计算机仿真得出优异的接近Shannon极限的性能结论。Turbo码的优异性能绝非巧合，经后人无数重复性研究结论又获一再证明，并发现其巨大潜力。目前的初步解释山农第二定理的证明条件：①采用随机编、译码方式；②编码长度L→∞③译码采用最佳的最大似然译码Turbo编/译码缺点计算量大，要得到高码率往往需要很大的交织器，进一步增加了译码的复杂度时延大，使得Turbo码无法用于某些对时延要求高的通信应用存在地板效应，误码率下降到一定程度，再下降就很困难缺乏完整的理论基础支持功率控制(PowerControl)精确功率控制是CDMA系统能成功运行的重要条件反向功率控制—“远近效应”正向功率控制—邻小区干扰功率控制算法：开环、闭环功率控制为什么CDMA必须有功率控制——由于所有用户同时,且在同一频率上工作。a)手机→基站（上行）距基站近→达到基站的功率强距基站远→弱在基站接收机中产生远近效应：近距离手机干扰基站对远距离手机信号的接收。b)基站→手机(下行）距基站近→手机接收的信号强。距基站远→弱，在手机中临近的基站将干扰手机对所处基站信号的接收。结论：如不对基站的发射功率与手机的发射功率实时控制，CDMA系统将不能正常工作。功率控制可以通过补偿衰落来提高抗衰落能力，对于解决用户干扰很有用，如果对信道衰落控制得好，可以通过完全消除衰落影响而把衰落信道变成AWGN信道反向功率控制CDMA系统的通信质量和容量主要受限于收到干扰功率的大小。若基站收到移动台的信号功率太低，则误比特率太大而无法保证高质量的通信；反之，若基站接受到某一移动台的信号功率太高，虽然保证了该移动台与基站的通信质量，却对其他移动台增加了干扰，导致整个系统质量恶化和容量减小。只有当每个移动台的发射功率控制达到基站所需信噪比的最小值，通信系统的容量才能到达最大值。反向功控是指反向链路的功率控制，是分布式的功控。反向功控用来控制各移动台的发射功率的大小，使基站接收到是所有移动台发射到基站的信号功率或SIR（信干比）基本相等。反向功控使各用户之间相互干扰最小，并能达到克服“远近效应”的目的。反向功控可使每个移动台发射功率最合理，以节省能量，延长移动台电池使用寿命。反向功控有可包括由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制正向功率控制正向功控是调整基站向移动台发射的功率，是集中式功率控制。使任一移动台无论处于蜂窝小区中的任何位置上，收到基站发来的信号电平都恰好达到信干比所要求的门限值。做到这一点，就可以避免向距离近的移动台发射过大的信号功率，也可以防止或减少由于移动台进入传播条件恶劣或背景干扰过强的地区而发生误码率增大或通信质量下降的现象。功率控制方法-开环、闭环开环功控移动台仅根据接收的信号质量而调整功率。无反馈。问题：对快衰落而言，收、发信道是完全独立的，因此开环功控对快衰落无作用,但对慢衰落（手机移动到汽车内、房屋后等）作用良好。适应：在CDMA/TDD结合的体制中，开环功控可达到高精度。功率控制方法-开环、闭环闭环控制基站对手机进行控制，并从手机送来的信号中获得反馈量。优点：精度高问题：控制时延大基站手机软件无线电软件无线电是利用数字信号处理软件实现传统上由硬件电路来完成的无线功能的技术，通过加载不同的软件，可实现不同的硬件功能优点：通过软件方式，灵活完成硬件功能；良好的灵活性及可编程性；可代替昂贵的硬件电路，实现复杂的功能；对环境的适应性好，不会老化；便于系统升级，降低用户设备费用。