第2章-移动通信基本技术及原理

清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理2.1电波传播特性与信道建模技术移动信道是一个时变的随参信道，这是由于一方面移动通信双方都有可能处于高速移动状态，另一方面移动通信收发信机之间的传播环境处于动态变化中，最终使无线传播路径复杂多变，整个无线信道参数处于时变状态。移动通信中的各类新技术，都是针对移动信道的动态时变特性，为解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性的基本指标而设计的。因此，分析移动信道的特点是解决移动通信关键技术的前提，也是产生移动通信中各类新技术的源泉。清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理2.1.1无线电波传播特性无线电波传播有天波、地波、视距传播等主要方式，而在移动通信系统中，由于受到不同的环境影响，如城区的高层建筑、郊区的山体、其他电磁辐射影响等干扰，使得无线电波传播出现明显的多径效应，引起多径衰落。清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理移动环境下信号场强实测场强位置清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理发射机天线发出的无线电波，可由不同的路径到达接收机，当频率f30MHz时，典型的传播通路如图2-1所示。直射、反射、绕射是主要形式，有时穿透直射波与散射波的影响也需要适当考虑。(1)(3)(2)图2-1无线传播路径清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理对无线电波传播模型的研究，传统上集中于距发射机一定距离处平均接收信号场强的预测，以及特定位置附近信号场强的变化。对于预测平均信号场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，由于它们描述的是发射机与接收机之间长距离（T-R）长距离（几百米或是几千米）上的信号场强变化，所以称为大尺度传播模型；另一方面，描述无线电信号在短距离或短时间传播后其幅度、相位或多径时延快速变化的称为小尺度衰落传播模型。当移动台在极小范围内移动时，可能引起瞬时接收场强的快速波动，即小尺度衰落，其原因是接收信号由不同方向信号合成。小尺度衰落也称为快衰落。由于小尺度衰落变化速度较快，以至于大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。这种衰落是由于同一传播信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干扰所引起的。大尺度衰落与小尺度衰落清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理2.1.2移动信道特征1．传播特征⑴传播的开放性。无线信道都是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输的。它不同于固定的有线通信，是基于全封闭式的传输线来实现信息传输的。⑵接收环境的复杂性。接收点地理环境的复杂多样，一般可将接收点地理环境分为高楼林立的城市繁华区、以一般性建筑为主的近郊区、以山区和湖泊等为主的农村及远郊区。⑶通信用户的随机移动性。用户通信一般有3种状态：准静态的室内用户通信、慢速步行用户通信、高速车载用户通信。。清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理3种损耗⑴路径损耗：即电波在空间中传播产生的损耗。它反映出电波在宏观范围内的空间距离上接收信号电平平均值的变化趋势。⑵慢衰落损耗：主要是指电波在传播路径上受到建筑物等阻挡所产生阴影效应时的损耗。它反映出电波在中等范围内的接收信号点评平均值起伏变化趋势。⑶快衰落损耗：它是反映微观小范围接收电平平均值的起伏变化趋势。其电平幅度分布一般遵从瑞利分布、莱斯分布和纳卡伽米分布，变化速度比慢衰落快，因此称为快衰落。快衰落还可分为：空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落。清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理4种效应⑴阴影效应：由于大型建筑物和其他物体遮挡，在电波传播的接收区域产生传播半盲区。⑵远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也在随机的变化，若各种移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近的信号强，反之则弱。⑶多径效应：由于接收者所处地理环境复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，而且它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样。所接收到的信号实际上是各路径信号的矢量和。多径效应是移动信道中较主要干扰。⑷多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移动中，比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只在高速车载通信时出现。清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理2．主要快衰落图2-3空间选择性衰落信道原理图清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理图2-4频率选择性衰落信道原理图清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理图2-5时间选择性衰落信道原理图清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理3．多普勒频移无线电波从源S出发，在X点与Y点分别被移动台接收时所走的路径差为coscostvdl在这里Δt是移动台从X运动到Y所需的时间，θ是X和Y与入射波的夹角。由于源端距离很远，可以假设X、Y处的θ是相同的。所以，由路径差造成的接收信号相位变化值为cos22tvl由此可以得出频率变化值，即多普勒频移fd为cos21vtfd图2-6多普勒效应示意图清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理2.1.3移动信道建模技术移动通信信道模型作为推动整个移动通信发展的关键技术之一，也是移动无线系统设计中关键点与难点。国内外都对它做了大量的研究，并得到了一些成果，已建立的移动信道模型从建模方法上分为几何模型、经验模型与概率模型3类（参见8.3节），从研究角度分为空域模型、时域模型和时空域模型3类。在移动通信发展初期，接收天线大都只考虑接收信号的平均功率，对信道模型，对其研究时主要是考虑电磁波在传播过程中的损耗，以便预测基站的无线覆盖范围，用于频率规划设计。随移动通信业务的迅猛发展，用户数量急剧增加，要求移动通信在有限的频率资源上极大地提高系统容量，于是便引进了分析接收信号幅度分布情况（即衰落分布情况）、多普勒频移情况，模型要能更多地描述传播信道的空时特性，以便寻找更多的应对措施（新技术）以提高移动通信质量，并扩大其通信能力。清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理2.2多址技术为什么研究多址技术2.2.1多址方式从本质上讲，多址技术是研究如何将有限的通信资源在多个用户之间进行有效的切割与分配，在保证多用户之间通信质量的同时尽可能地降低系统的复杂度并获得较高系统容量的一门技术。多址技术把处于不同地点的多个用户接入一个公共传输媒介，实现各用户之间通信，因此，多址技术又称为“多址连接”技术。多址技术与通信中的信号多路复用是一样的，实质上都属于信号的正交划分与设计技术。不同点是多路复用的目的是区别多个通路，通常是在基带和中频上实现的，而多址技术是区分不同的用户地址，通常需要利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态用户地址，同时为了实现多址信号之间不相互干扰，信号之间必须满足正交特性。移动通信中常用的多址技术有3类，即FDMA、TDMA、CDMA，实际中也常用到这3种基本多址方式的混合多址方式。清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理FDMA在频分多址通信网络中，将可使用的频段按一定的频率间隔（如25kHz或30kHz）分割成多个频道。众多的移动台共享整个频段，根据按需分配的原则，不同的移动用户占用不同的频道。各个移动台的信号在频谱上互不重叠，其宽度能传输一路话音信息，而相邻频道之间无明显干扰。为了实现双工通信，信号的发射与接收就使用不同的频率（称之为频分双工）。收发频率之间有一定的间隔，以防同一部电台的发射机对接收机的干扰。这样，在频分多址中，每个用户在通信时要用一对频率（称之为一对信道）。（频道划分，频带独享，时间共享）用户地址：频道号清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理FDMA清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理TDMA（时隙划分，时隙独享，频率共享）用户地址：时隙号清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理CDMA（码型划分，时隙、频率共享）用户地址：码型清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理3种多址的比较清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理其他多址技术在3G系统中，为进一步扩展容量，也辅助使用SDMA（空分多址）技术，当然它需要智能天线技术的支持。在蜂窝系统中，随着数据业务需求日益增长，另一类随机多址方式如ALOHA和CSMA等也得到了广泛应用。4G系统中，使用了OFDMA多址等多址接入技术。而之后移动通信系统研究中将FBMC（基于滤波器组的多载波）等先进多址技术纳入考虑。5G通信系统中将考虑采用非正交多址技术（NOMA），其基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除（SIC）接收机实现正确解调。虽然采用SIC技术的接收机复杂度有一定的提高，但是可以很好的提高频谱效率。用提高接收机的复杂度来换取频谱效率，这就是NOMA技术的本质。还可采用射束分割（BDMA）多址技术。当基站与移动台之间产生通信连接时，一个正交的射束就会被分配给每一个移动台。目前的射束分割多址技术主要内容是根据移动台的位置，将一个天线射束分割，并允许移动台提供多个信道，这样会有效地提高系统的容量。清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理SDMA：基站的智能天线形成多个波束覆盖整个小区。很少的相交，所以可采用相同的频率，相同的时隙等。清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理2.2.2扩频通信1．扩频通信系统类型信息信息信息调制扩频调制射频调制变频解扩信息解调扩频码发生器射频发生器本地扩频码发生器本地射频发生器图2-9扩频通信原理框图清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理扩频通信与普通的数字通信比较，多了扩频调制和解调部分。按照扩展频谱的方式不同，目前的扩频通信系统可分为：直接序列（DS）扩展、跳频（FH）、跳时（TH）、线性调频（chirp）以及这几种方式的组合。图2-10直接序列扩频示意图清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理2．伪随机序列二进制m序列是一种重要的伪随机序列，有优良的自相关特性，有时称为伪噪声（PN）序列。m序列具有周期性，易于产生和复制，但其随机性接近于噪声和随机序列。m序列在扩频通信及码分多址中有着广泛的应用，并且在m序列基础上还能构成其他码序列。m序列是最长线性移位寄存器的简称，即由多级移位寄存器或其延迟原件通过线性反馈产生的最长序列。扩频通信中常用的码序列除了m序列之外，还有M序列、Gold序列、R-S码等，在CDMA移动通信中还使用相互正交的Walsh函数清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理Gold序列Gold序列的周期互相关性比m序列更好。Gold序列是由m序列“优选对”组成的。所谓优选对是指m序列中互相关值为｛-1,-t(n),t(n)-2｝的一队序列，其中1212)(2/)2(2/)1(nnntlrlr212例如，若n=10，则t(10)=26+1=65，周期互相关性的三个取值为｛-1,-65,63｝。因此，这样的m序列的最大互相关Rc,max=65，而由10级具有不同反馈连接的移位寄存器产生的60种可能的m序列族的峰值互相关性却是383，是65的近6倍。清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理M序列M序列也是由反馈移位寄存器产生的，是一种非线性反馈移位寄存器序列，其长度为2n，达到了n级反馈移位寄存器能够得到的最长周期，因而也称为全长序列。M序列与m序列相比，在级数n相同的条件下，能得到更多的序列。表2-1M序列与m序列数目比较42112262572120224725022级数n245678910m序列226618164860M序列2清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理2.3调制技术移动通信对调制技术的要求:⑴调制频谱的旁瓣应该尽量小，避免对邻近信道的干扰。⑵调制频谱效率高，即要求单位带宽传送的比特速率高。⑶能适应瑞利衰落信道，抗衰落性能好。即在瑞利衰落环境中，达到规定的误码率要求，解调时所需的信噪比低。⑷调制和解调的电路容易实现。清华大学出版社第2章移动通信基本技术及原理2.3.1基本数