物联网通信技术第5章-移动通信技术课件.ppt

1、第5章 移动通信技术5.1 移动通信的基本概念及发展历史5.2 无线传播与移动信道5.3 多址技术与扩频通信5.4 信源编码与数据压缩5.5 移动通信中的鉴权与加密5.6 调制理论5.7 信道编码第5章 移动通信技术5.8 分集与均衡5.9 OFDM技术5.10 移动网络的结构与组成5.11 LTE及4G移动通信5.12 5G移动通信发展趋势及若干关键技术5.13 数字微波与卫星通信第5章 移动通信技术5.1移动通信的基本概念及发展历史5.2 基本技术和网络结构5.3 GSM5.4 通用分组无线业务(GPRS)5.5 CDMA系统5.6第三代移动通信系统5.7 LET及4G移动通信5.8数字微

2、波与卫星通信5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.1移动通信的基本概念移动通信是指通信的一方或双方可以在移动中进行的通信过程。也就是说，至少有一方具有可移动性。可以是移动台与移动台之间的通信，也可以是移动台与固定用户之间的通信。相比固定通信而言，移动通信不仅要给用户提供与固定通信一样的通信业务，而且由于用户的移动性，其管理技术要比固定通信复杂得多。同时，由于移动通信网中依靠的是无线电波的传播，其传播环境要比固定网中有线介质的传播特性复杂，因此，移动通信有着与固定通信不同的特点。5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.1移动通信的基本概念n1.移动通信的特点移动通信的特点(l)用户的移

3、动性。(2)电波传播条件复杂。(3)噪声和干扰严重。(4)系统和网络结构复杂。(5)有限的频率资源。5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.1移动通信的基本概念n2.移动通信的分类移动通信的分类(1)集群移动通信。所谓集群通信系统，是指系统所具有的可用信道为系统的全体用户共用，具有自动选择信道的功能，是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务的多用途和高效能的无线调度通信系统。(2)公用移动通信系统。公用移动通信系统是指给公众提供移动通信业务的网络。(3)卫星移动通信。利用卫星转发信号也可实现移动通信。(4)无绳电话。对于室内外慢速移动的手持终端的通信，一般采用小功率、通信距离近、轻便的无绳

4、电话机。(5)寻呼系统。无线电寻呼系统是一种单向传递信息的移动通信系统。它是由寻呼台发信息，寻呼机收信息来完成的。5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.2 移动通信的发展历史移动通信可以说从无线电通信发明之日就产生了。早在1897年，马可尼所完成的无线通信试验就是在固定站与一艘拖船之间进行的，距离为18海里（1海里=1852 m）。现代移动通信的发展始于20世纪20年代，而公用移动通信是从20世纪60年代开始的。公用移动通信系统的发展已经经历了第一代(1G)、第二代(2G)和第三代(3G)，并继续向第四代(4G)的方向发展。5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.2 移动通信的发展历

5、史n1.第一代移动通信系统第一代移动通信系统(1G)第一代移动通信系统为模拟移动通信系统，以美国的AMPS(IS-54)和英国的TACS(Total Access Communication System)为代表，采用频分双工、频分多址制式，并利用蜂窝组网技术以提高频率资源利用率，克服了大区制容量密度低、活动范围受限的问题。虽然采用频分多址，但并未提高信道利用率，因此通信容量有限：通话质量一般，保密性差；制式太多，标准不统一，互不兼容；不能提供非话数据业务；不能提供自动漫游。因此，已逐步被各国淘汰。5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.2 移动通信的发展历史n2.第二代移动通信系统第二代

6、移动通信系统(2G)第二代移动通信系统为数字移动通信系统，是当前移动通信发展的主流，以GSM和窄带CDMA（Code Division Multiple Access，码分多址）为典型代表。第二代移动通信系统采用数字技术，利用蜂窝组网技术。多址方式由频分多址转向时分多址和码分多址技术，双工技术仍采用频分双工。2G采用蜂窝数字移动通信，使系统具有数字传输的种种优点，它克服了1G的弱点，话音质量及保密性能得到了很大提高，可进行省内、省际自动漫游。但系统带宽有限，限制了数据业务的发展，也无法实现移动的多媒体业务。5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.2 移动通信的发展历史n2.第二代移动通信系

7、统第二代移动通信系统(2G)目前采用的2G系统丰要有：(1)美国的D-AMPS，是在原AMPS(Advanced Mobile Phone Service)基础上改进而成的，规范由IS5-4发展成IS-136和IS-136HS，1993年投入使用。它采用时分多址技术。(2)欧洲的GSM（全球移动通信系统），1988年完成技术标准制定，1990年开始投入商用。它采用时分多址技术，由于其标准化程度高，进入市场早，现已成为全球最重要的2G标准之一。(3)日本的PDC，是日本电波产业协会于1990年确定的技术标准，1993年3月正式投入使用。它采用的也是时分多址技术。(4)窄带CDMA，采用码分多址技

8、术，1993年7月公布了IS-95空中接口标准，目前也是重要的2G标准之一。5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.2 移动通信的发展历史n3.第三代移动通信系统第三代移动通信系统(3G)第一代、第二代移动通信系统的主要业务需求是话音通信，因此通信系统的设计目标是提供话音通信。但随着社会经济的发展，人们对通信的需求越来越多样化，不再满足于单一的话音通信，用户还希望得到更高速率的业务，甚至是多媒体业务。同时，由于第一代系统中各种模式不能互相兼容，因此不能实现全球漫游。这些因素推动了移动通信的进一步发展，移动通信向第三、四代发展。5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.2 移动通信的发展历

9、史n3.第三代移动通信系统第三代移动通信系统(3G)第三代移动通信系统的主要特征如下：(1)能实现全球漫游，用户可以在整个系统甚至全球范围内漫游，且可以在不同速率、不同的运动状态下获得有服务质量的保证。(2)能提供多种业务，提供语音到分组数据及多媒体业务，支持可变速率数据、运动视频非语言业务，能根据具体的业务需要提供必要的带宽。(3)高频谱效率。(4)能适应多种环境，可以综合现有的公众电话交换网(PSTN)、综合业务数字网、无绳系统、地面移动通信系统、卫星通信系统提供无缝隙的覆盖。(5)足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量，低成本；便于过渡、演进。5.1移动通信的基本概

10、念及发展历史n5.1.2 移动通信的发展历史n3.第三代移动通信系统第三代移动通信系统(3G)目前第三代移动通信系统采用3种标准：欧洲提出的WCDMA；美国提出的CDMA2000；我国自主研发的TD-SCDMA。这3种无线接口标准均采用了CDMA技术，是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信系统采用频分多址（Frequency Division Multiple Access，FDMA)的模拟调制方式，这种系统的主要缺点是频谱利用率低，信令干扰语音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)的数字调制方式，提高了系统容量

11、，并采用独立信道传送信令，使系统性能大大改善，但系统容量仍然有限，越区切换性能仍不完善。CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.3 移动通信的发展趋势与展望n就未来通信而言，发展方向是个人通信。n实现它主要包含两大部分。一个是全球性骨干核心网络平台，另一个是无时无处不在的灵活接入手段，对移动通信发展而言重点是探讨后者。n就接入网而言，客观上看可分为有线接入与无线接入，这里仅讨论无线接入，再细致一些无线接入又可分为室内无线接入比如红外、蓝牙等；小范围的无线局域网接入比

12、如IEEE802.11系列等；中等及大范围的蜂窝移动接入和覆盖全球的卫星接入。5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.3 移动通信的发展趋势与展望n未来移动通信的发展离不开其客观上应遵循的规律，这个规律主要决定于两方面的因素：第一是用户的需求，第二是实现时所受的环境和条件的限制。1)从用户需求看，移动通信应当从第一代(1G)、第二代(2G)以话音为主逐步转移到以数据为主，特别是以分组交换IP数据为主的综合业务和多媒体业务。在这个转移过程中，以IPv6为基础的移动因特网业务将是未来的主流业务。2)基于移动因特网业务上、下行严重的不对称性，一般下行的下载业务量远远大于上行的业务量。3)下一代移

13、动通信中主要物理层关键技术是在三重动态环境与条件的限制下满足用户在数量上不断增长、在质量上不断提高的要求，同时要保证用户通信的安全保密性能。5.1移动通信的基本概念及发展历史n5.1.3 移动通信的发展趋势与展望4)在原有移动通信传统的用户和信道二重动态性的基础上又迭加上一个用户业务类型的第三重动态性。这个第三重动态性的引入不仅在上述物理层上引起很大的变化，而且在网络层与网络规划层也提出了很多新要求，带来新问题。5)下一代移动通信中对网络规划层也提出了一系列新问题和新要求5.2 无线传播与移动信道n移动信道属于无线信道，它既不同于传统的固定式有线信道，也与一般具有可移动功能的无线接入的无线信道

14、有所区别。它是移动的动态信道。n移动信道是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所在地点环境条件的客观存在的信道，其信道参数是时变的。5.2 无线传播与移动信道n5.2.1移动信道的特点1、移动通信信道的主要三个特点、移动通信信道的主要三个特点1)传播的开放性2)接收地点地理环境的复杂性与多样性3)通信用户的随机移动性2、移动通信信道中的电磁波传播、移动通信信道中的电磁波传播若从移动信道中的电磁波传播上看可分为：1)直射波2)反射波3)绕射波5.2 无线传播与移动信道n5.2.1移动信道的特点3、接收信号中的三类损耗与四种效应、接收信号中的三类损耗与四种效应在上述移动信道的三个主要特点以及传播的三

15、种主要类型作用下，接收点的信号将产生如下的特点：n1）具有三类不同层次的损耗：路径传播损耗、慢衰落损耗、快衰落（仔细划分这一快衰落又可分为：空间选择性快衰落、频率选择性快衰落与时间选择性快衰落）。5.2 无线传播与移动信道n5.2.1移动信道的特点3、接收信号中的三类损耗与四种效应、接收信号中的三类损耗与四种效应2）四种主要效应：n阴影效应：由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。n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是在随机变化，若各移动用户发射信号功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。n多径效应：

16、由于接收者所处地理环境的复杂性、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过来以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，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。n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。这一现象只产生在高速(70km/h)车载通信时。5.2 无线传播与移动信道n5.2.2三类主要快衰落1、空间选择性衰落、空间选择性衰落是指在不同的地点与空间位置衰落特性不一样。空间选择

17、性衰落现象、成因与机理可以引用下列直观图形表示：5.2 无线传播与移动信道n5.2.2三类主要快衰落1、空间选择性衰落、空间选择性衰落1)信道输入：射频：单频等幅载波;角度域：在 角上送入一个脉冲式的点波束。2)信道输出时空域：在不同接收点时域上衰落特性是不一样的，即同一时间，不同地点衰落起伏是不一样的，这样，从空域上看，其信号包络的起伏周期为 ；角度域：在原来 角度上的点波束产生了扩散，其扩散宽度为 。3)结论：由于开放型的时变信道使天线的点波束产生了扩散而引起了空间选择性衰落，其衰落周期 ，其中 为波长。空间选择性衰落，通常又称为平坦瑞利衰落。这里的平坦特性是指在时域、频域中不存在选择性衰

18、落。005.2 无线传播与移动信道n5.2.2三类主要快衰落2、频率选择性衰落、频率选择性衰落所谓频率选择性衰落是指在不同频段上衰落特性不一样。其现象、成因与机理如图所示：5.2 无线传播与移动信道n5.2.2三类主要快衰落2、频率选择性衰落、频率选择性衰落1)信道输入频域：白色等幅频谱时域：在t0时刻输入一个脉冲2)信道输出频域：衰落起伏的有色谱时域：脉冲在时域产生了扩散，其扩散宽度为 。其中 为绝对时延。3)结论：由于信道在时域的时延扩散，引起了在频域的频率选择性衰落。且其衰落周期 ，即与时域中的时延扩散程度成正比。2LL2L5.2 无线传播与移动信道n5.2.2三类主要快衰落3、时间选择

19、性衰落、时间选择性衰落所谓时间选择性衰落，是指在不同的时间衰落特性是不一样的。其现象、成因与机理如图所示：5.2 无线传播与移动信道n5.2.2三类主要快衰落3、时间选择性衰落、时间选择性衰落1)信道输入：时域：单频等幅载波；频域：在单一频率上单根谱线(脉冲)；2)信道输出：时域：包络起伏不平；频域：以 为中心产生频率扩散，其宽度为B。其中 为绝对多普勒频移，为相对值。3)结论：由于用户的高速移动在频域引起多普勒频移，在相应的时域其波形产生时间选择性衰落。其衰落周期为 。fff0B5.2 无线传播与移动信道n5.2.2三类主要快衰落4、实际移动通信中三类选择性衰落产生的条件、实际移动通信中三类

20、选择性衰落产生的条件在实际移动通信中，三类选择性衰落都存在，根据其产生的条件大致可以划分为以下三类。并可以用下列示意图表示：5.2 无线传播与移动信道n5.2.2三类主要快衰落4、实际移动通信中三类选择性衰落产生的条件、实际移动通信中三类选择性衰落产生的条件1)第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近的物体的反射而形成的干扰信号，其特点是由于用户的快速移动因此在信号的频域上产生了多普勒(Doppler)频移扩散，而引起信号在时域上时间选择性衰落。2)第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物与山丘的反射而形成的干扰信号。其特点是传送的信号在空间与时间上产生了扩散。空域上波束角度的扩散将引起接收

21、点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。3)第三类多径干扰：它是由于接收信号受基站附近建筑物和其它物体的反射而引起的干扰。其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在空间的选择性衰落。5.2 无线传播与移动信道n5.2.3移动通信中的几种主要噪声与干扰在移动通信中严重影响移动通信性能的主要噪声与干扰大致可分为三类：加性正态白噪声、多径干扰与多址干扰。下面我们分别给予简要分析。1、加性、正态、白噪声、加性、正态、白噪声这里的加性是指噪声与信号之间的关系是遵从迭加原理的线性关系，正态则是指噪声分布遵从正态(高斯)分布，而白则是指其频谱是平坦的。仅含有这

22、类噪声的信道一般文献上称为AWGN信道。这类噪声是最基本的噪声，并非移动信道所特有，一般简称这类噪声为白噪声。产生这类噪声的来源主要有两个：无源约翰逊噪声、有源霰弹噪声。5.2 无线传播与移动信道n5.2.3移动通信中的几种主要噪声与干扰2、多径干扰、多径干扰它是由于电波传播的开放型与地理环境的复杂性而引起的多条传播路径之间相互自干扰而引起的噪声干扰。它实质上是一类自干扰。在数字与数据通信情况下主要表现为码间干扰，以及高速数据的符号间干扰。3、多址干扰、多址干扰由于在移动通信网中同时进行通信的是多个用户，这多个用户的信号之间一定要采用一类正交隔离手段，否则就会互相干扰，在通话时串话。在移动通信

23、中，第一代采用频段隔离，一个用户使用一个频段。只要滤波器隔离度做得好，基本上能防止串话之类多用户干扰。5.3 多址技术与扩频通信n移动通信与固定式有线通信的最大差异在于固定通信是静态的，而移动通信是动态的。为了满足多个移动用户同时进行通信，必须解决以下两个问题，首先是动态寻址，其次是对多个地址的动态划分与识别。这就是所谓多址技术，在多址技术中重点研究的是利用扩频技术来实现码分多址CDMA。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.1 多址技术的基本概念即在服务范围内利用开放式的射频电磁波寻找用户地址，同时为了满足多个移动用户同时实现寻址，多个地址之间还必须满足相互正交特性，以避免产生地址间相互干扰。

24、1、基本原理、基本原理多址划分从原理上看与固定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，而多址划分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的用户地址，同时为了实现多址信号之间互不干扰，信号之间必须满足正交特性。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.1 多址技术的基本概念信号的正交特性具体是通过信号的正交参量 来实现的。即1)在发送端，设计一组相互正交信号如下(5-1)(5-2)其中 为第i个用户的信号，为第i个用户的正交参量，为第i个用户地址的保护区间。公式(5-1)是纯理论上的表达

25、式，公式(5-2)为实际表达式。而且正交参量应满足：niiitxtx1)()(niiinixitx11)()(txiixi时时jijiji,0,15.3 多址技术与扩频通信n5.3.1 多址技术的基本概念2)在接收端，设计一个正交信号识别器，如下所示：5.3 多址技术与扩频通信n5.3.1 多址技术的基本概念3)典型例子FDMA：称为频分多址FDMA，在移动通信中最典型的频分多址方式有：北美：800MHz的AMPS体制；欧洲与我国：900MHz的TACS体制。TDMA：称为时分多址TDMA，在移动通信中最典型的时分多址方式有：北美：D-AMPS；欧洲与我国：GSM-900、DCS-1800；日

26、本：PDC。CDMA：称为时分多址CDMA，它有两种主要形式：直扩码分DS-CDMA：多用于商用系统；跳频：在不同的时隙按照某种伪随机规律选取某个频段，它实际上是一种时、频编码，比DS-CDMA要复杂，主要用于军事通信。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.1 多址技术的基本概念3)典型例子SDMA：称它为空分多址SDMA，其原理图如下：空分地址的实现是利用无线的方向性波束，将服务区(小区内)划分为不同的子空间进行空间正交隔离。移动通信中的扇区天线可以看作是SDMA的一种基本实现方式。智能式自适应天线是将来移动通信中准备采用的一项新的关键技术，是典型的空分方式。5.3 多址技术与扩频通信n5.3

27、.1 多址技术的基本概念3)典型例子除了上述基于物理层的时分、频分、码分与空分多址接入方式以外，还有一种基于网络层的网络协议的分组无线电(PR)ALOHA随机多址接入协议方式。ALOHA多址接入不同于前面介绍的时分、频分与码分的多址接入方式，它实际上是一种自由竞争式的随机接入方式，是以网络协议的形式来实现的。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.2 移动通信中的典型多址接入方式1、FDMA第一代移动通信是模拟式移动通信，都采用频分多址FDMA方式，最典型的有北美的AMPS和欧洲及我国的TACS体制。FDMA的主要技术特点为：每个信道传送一路电话，带宽较窄。TACS为25kHz，AMPS为30kH

28、z。只要给移动台分配了信道，移动台与基站之间会连续不断收、发信号。由于发射机与接收机(基站与移动台都一样)同时工作，为了发、收隔离，必须采用双工器。共用设备成本高，FDMA采用每载波(信道)单路方式，若一个基站有30个信道，则每个基站需要30套收、发信机设备，不能共用。与TDMA相比，连续传输开销小、效率高，同时无需复杂组帧与同步，无需信道均衡。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.2 移动通信中的典型多址接入方式2、TDMA第二代移动通信是数字式移动通信，它主要采用两类多址方式：一类是欧洲大多数国家采用的时分多址TDMA方式，另一类是北美等采用的码分多址CDMA方式，我国两类方式都有。TDMA

29、的主要技术特点：每载波8个时隙信道，每个信道可提供一个数字话音用户，因此每个载波最多可提供8个用户。突发脉冲序列传输。每个移动台发射是不连续的，只是在规定的时隙内才发送脉冲序列。传输开销大，GSM的TDMA帧共分为五个层次：时隙、TDMA帧、复帧、超帧、超高帧，每个层次都需占用一些非信息位的开销，总的开销就比较大，影响整体传输效率。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.2 移动通信中的典型多址接入方式3、CDMA它是第二代移动通信中的两种主要多址方式中除TDMA以外的另一种形式，最典型的是IS-95。在第三代移动通信中，五种体制中最主要的三种也是采用CDMA，它们是FDD的CDMA2000、FD

30、D的WCDMA，与TDD的TD-SCDMA。CDMA系统中所有用户共享同一时隙、同一频隙。CDMA采用扩频通信，其信道占用1.25MHz，属于宽带通信系统，它具有扩频通信的一系列优点比如抗干扰性强、低功率谱密度等。CDMA是一个干扰受限或者认为是信噪比受限系统，其容量不同于FDMA、TDMA中的硬容量，它是软容量。CDMA中的多个地址间的干扰由于选码不理想，将是系统中最主要干扰，且随用户数增多而增大。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.3 码分多址CDMA中的地址码1、地址码分类与设计要求、地址码分类与设计要求1）用户地址码，用于区分不同移动用户。2）信道地址码，用于区分每个小区(或扇区)内的

31、不同信道，它又可分为：单业务、单速率信道地址码，主要用于第二代移动通信IS-95；多业务、多速率的信道地址码，主要用于第三代移动通信WCDMA与CDMA2000。3）基站地址码，在移动蜂窝网中用于区分不同的基站小区(或扇区)。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.3 码分多址CDMA中的地址码2、信道地址码、信道地址码工程中往往需要寻找一类有限元素的正交函数系，数学上符合条件的有很多函数，比如离散付氏级数、离散余弦函数、Hadamard函数、Walsh函数等等。CDMA的信道地址码选用Walsh函数系构成正交信道地址码。1）IS-95系统的地址码在IS-95中选用了码长的正交Walsh函数系作为

32、信道地址码。即采用了64种长度为64位的等长Walsh码作为信道地址码。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.3 码分多址CDMA中的地址码2、信道地址码、信道地址码2）WCDMA系统的地址码WCDMA系统为了支持多速率、多业务的，只有通过可变扩频比才能达到同一要求的信道速率。在同一小区中，多个移动用户可以在相同频段同时发送不同的多媒体业务(速率不一样)，为了防止多用户业务信道之间的干扰，必须设计一类适合于多速率业务和不同扩频比的正交信道地址码，即OVSF码。OVSF码是一组长短不一样的码，低速率的扩频比大，码组长，而高速率的扩频比小，码组短。在WCDMA中，最短的码组为4位，最长的码组为256

33、位。但是不管码组长短是否一致，各长、短码组间仍然要保持正交性，以免不同速率业务信道之间产生相互干扰。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.3 码分多址CDMA中的地址码3、用户地址码、用户地址码1）用户地址码选取原则主要用于上行(反向)信道，用户地址码由移动台产生，便于区分不同的用户，下行信道中由基站产生的扰码主要用于数据加扰。2）IS-95中用户地址码设计在IS-95中采用一个超长序列的m序列伪码，它由42节移位寄存器产生，然后每个用户按照一定规律选取其中局部的有限位作为用户地址。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.3 码分多址CDMA中的地址码3、用户地址码、用户地址码3）CDMA2000

34、1X中的用户地址码其用户地址码与IS-95完全相同。4）WCDMA中的用户地址码在WCDMA中的地址码采用了Gold码。Gold码是由两个本原m序列相加而构成的伪随机序列，它与m序列一样具有产生简单、自相关性能优良、且数量较多的优点。WCDMA中用户地址码分为两类：长码和短码。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.3 码分多址CDMA中的地址码4、基站地址码、基站地址码1）基站地址码选址原则为了尽可能减少基站间的多用户干扰，基站地址码应满足正交性能，同时满足序列数量足够多。基站地址码主要用于上、下行信道区分不同的基站。在IS-95中采用两个较短的PN码，码长，分别对下行同相(I)与正交(Q)调制

35、分量进行扩频。5.3 多址技术与扩频通信n5.3.3 码分多址CDMA中的地址码4、基站地址码、基站地址码 2）IS-95中基站地址码的产生3）CDMA2000系统的基站地址码CDMA2000-1X基站地址扰码与IS-95完全相同。CDMA2000-3X基站地址扰码不同于IS-95，其速率为3.6864Mchip/s。4）WCDMA系统的基站地址码WCDMA系统的基站地址码主要用于区分小区(基站或扇区)，为了绕过IS-95的知识产权，采用了Gold码。5.4 信源编码与数据压缩n在物理层决定有效性的最主要因素有两个：信源编码和数据压缩技术。n信源编码是主要利用信源的统计特性，解除信源相关性，去

36、掉信源冗余信息，从而达到压缩信源输出的信息率，提高系统有效性的目的。n第二代移动通信主要是语音业务，所以信源编码主要指语音压缩编码。第三代移动通信中的信源编码将不仅包含语音压缩编码，还包含各类图像压缩编码和多媒体数据压缩等方面内容。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码n1、引言、引言语音压缩编码大致可以分为以下三类：波形编码、参量编码、混和编码。以上三类编码，波形编码质量最高，其质量几乎与压缩处理之前相同，可以适用于公用骨干通信网。参量编码质量最差，不能用于骨干通信网，而仅适合于特殊通信系统，比如军事与保密通信系统。混和编码质量介于两者之间，目前主要用于移动通信网。5.4 信源编

37、码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码1.波形编码的性能估计利用信息论中连续(模拟)有记忆信源的信息率失真R(D)函数理论可以分析波形编码的性能。信息率失真R(D)为：DDR)1(log21)(2225.4 信源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码1.波形编码的性能估计由上述分析结果可以得到如下结论：当语音质量达到进入公网要求标准时，即 ，其 倍，若进一步考虑实际语音分布与主观因素的影响(因为正态分布R(D)其压缩倍数可以进一步增大，取 (保守值)这时语音速率可以从未压缩的PCM 64Kbps降至1/4速率的16Kbps。目前已实用化的DPCM为32Kbps。dBD2624.3K4K5.4 信

38、源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码2.参量编码的性能估计语音可以采用各种不同形式的参量来表达。为了分析方便，采用最基本的参量“音素”。以英语音素为例进行分析。英语中共有 音素。按照通常讲话速率，每秒大约平均发送10个音素。由信息量计算公式，对于等概率事件有：，N为总组合数，则：2562128287NI2logbpsNI80)256(loglog)(10221上限bpsNI07)128(loglog)(10222下限倍80091480bps7064KbpsK最后可计算出压缩比K为：5.4 信源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码3.混合编码的性能估计显然混合编码的理论压缩比是介于上述两类

39、编码之间，且与语音质量需求有关。若要求混合编码偏重于个性特征，则其压缩比靠近波形编码的压缩比值，若要求混和编码偏重于共性，则其压缩比靠近于参量编码。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码n2、数字通信中的语音编码、数字通信中的语音编码高质量的混合编码是移动通信中的优选方案。在低数据比特率、高压缩比的混合编码中，数据比特率、语音质量、算法复杂度与处理时延是四个主要参量。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码n2、数字通信中的语音编码、数字通信中的语音编码1.数据比特率(bps)数据比特率越低压缩倍数就越大，可通信的话路数也就越多，移动通信系统也就越有效。数据比特率降低，语

40、音质量也随之相应降低，为了补偿质量的下降，可采用提高设备硬件复杂度和算法软件复杂度的办法。降低比特速率另一种有效方法是采用可变速率的自适应传输，它可以大大降低语音的平均传送率。还可以进一步采用语音激活技术，充分利用至少3/8的有效空隙，可获得大致约2.67dB的有效增益。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码n2、数字通信中的语音编码、数字通信中的语音编码2.语音质量度量方法不外乎客观与主观两个角度：客观度量可以采用信噪比、误码率、误帧率，相对而言简单、可行。主观度量是由人耳主观特性来判断，比客观度量复杂。目前国际上常采用的主观评判方法称为MOS方法。3.复杂度与处理时延语音编码硬

41、件复杂度取决于DSP处理能力，而软件复杂度则主要体现在算法复杂度上。算法复杂度增大，也会带来更长的运算时间和更大的处理时延。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码n2、数字通信中的语音编码、数字通信中的语音编码已知低数据比特率语音编码性能比较表5.4 信源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码n3、语音压缩编码原理、语音压缩编码原理1）波形编码的基本原理自适应差分脉冲编码调制(ADPCM)是建立在差分脉冲编码调制(DPCM)的基础上，而DPCM又是建立在脉冲编码调制(PCM)的基础上。PCM可分为三个基本步骤：取样、量化与编码。DPCM的不直接传送PCM数字化信号，而改为传送其取样

42、值与预测值(通过前面样点值经线性预测求得的)的差值，并将其量化、编码后传送。ADPCM与DPCM原理一样，主要差别在于ADPCM中的量化器和预测器引入了自适应控制机制。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码n3、语音压缩编码原理、语音压缩编码原理2）参量编码的基本原理参量编码不直接传送语音波形，而是传送产生、激励语音波形的基本参量。根据语音产生机理，采用下列物理模型：5.4 信源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码n3、语音压缩编码原理、语音压缩编码原理2）参量编码的基本原理典型参量编码的线性预测LPC方案如下图所示：5.4 信源编码与数据压缩n5.4.1语音压缩编码n3、语音压

43、缩编码原理、语音压缩编码原理3）混合编码的基本原理混合编码是介于波形编码与参量编码之间的一种编码方法，兼有参量编码低速率与波形编码的高质量的优点。实现混合编码的基本思想是以参量编码原理，特别是以LPC原理为基础，保留参量编码低速率的优点，并适当的吸收波形编码中能部分反映波形个性特征的因素。改进LPC主要从三方面入手：改进语音生成物理模型、激励源结构和合成滤波器结构，提高语音质量；改进参量量化和传输方法，进一步压缩传输速率；采用自适应技术，进一步解决系统与信源和信道之间的统计匹配。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.2移动通信中的语音编码n1、GSM系统的系统的RPE-LTP声码器声码器n2、I

44、S-96系统的系统的QCELP声码器声码器n3、CDMA2000系统的系统的EVRC声码器声码器n4、WCDMA系统中的系统中的AMR声码器声码器5.4 信源编码与数据压缩n5.4.3 图像压缩编码图像压缩编码n1、图像编码标准简介、图像编码标准简介图像的信息量远大于语音、文字、传真和一般数据，它所占用频带也比其它类型业务宽。经过四十余年的努力，图像编码已形成了如表所示的系列化标准。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.3 图像压缩编码图像压缩编码n1、图像编码标准简介、图像编码标准简介目前制定视频压缩编译码国际标准的有两大国际组织：一个是ITU-T(以前称CCITT)，即国际电联的电信标准部，

45、它制定的标准通常称为建议标准，一般用H.26X表示。另一个是ISO/IEC，即国际标准化组织和国际电工委员会，它所制定的一般就称为标准。通常采用JPEG和MPEGX表示。视频压缩编码大致可以分为两代，第一代视频压缩编码包括JPEG、MPEG-1、MPEG-2、H.261、H.263等等；第二代视频压缩编码包括JPEG-2000、MPEG-4、MPEG-7、H.264等等。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.3 图像压缩编码图像压缩编码n2、静止图像压缩标准、静止图像压缩标准JPEG对于静止图像，国际标准化组织ISO和原来的国际电报电话咨询委员会CCITT(现改名为ITU-T)以及国际电工委员会

46、IEC共同组织了一个图片专家联合小组(Joint Photographic Experts Group)研究制定标准，称它为JPEG标准。JPEG标准分为两类：基于DPCM与熵编码的无失真编码系统；基于离散余弦变换DCT的限失真编码系统。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.3 图像压缩编码图像压缩编码n3、准活动图像视频压缩标准、准活动图像视频压缩标准H.26X编码标准H.26X是由ITU-T制定的建议标准，自上世纪八十年代中期开始现已制定了H.261、H262、H.263，最近刚完成了H.264建议标准。其中H.262和MPEG-2视频编、译码标准是同一个标准，这是两大国际组织的共同成果。而

47、H.264也是两大组织联手制定的，被称为“MPEG-4 Visual Part 10”，也就是“MPEG-4 AVC(Advanced Video Coding)”，2003年3月被正式确定为国际标准。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.3 图像压缩编码图像压缩编码n4、活动图像视频压缩标准、活动图像视频压缩标准MPEG这类标准是由国际标准化组织ISO和国际电工委员会于1998年成立的一个研究活动图像的专家组MPEG(Moving Picture Experts Group)负责制定的。现已制定了MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4以及补充标准MPEG-7与MPEG-21等，其中MPEG-

48、2与MPEG-4是与ITU-T联合研制的。在MPEG系列标准中，MPEG-1、MPEG-2属于第一代视频压缩标准，而MPEG-4则属于第二代视频压缩标准。5.4 信源编码与数据压缩n5.4.3 图像压缩编码图像压缩编码n5、第二代视频压缩编码标准、第二代视频压缩编码标准三类代表性标准，即已应用于移动通信的JPEG-2000、MPEG-4编码标准和H.264编码标准。5.5 移动通信中的鉴权与加密n随着移动通信的迅速普及和业务类型的与日俱增，特别是电子商务、电子贸易等数据业务的需求，使移动通信中的信息安全地位日益显著。n在上世纪八九十年代，模拟手机盗号问题给电信部门和用户带来巨大的经济损失，并增

49、加了运营商与用户之间不必要的矛盾；移动通信体制的数字化，为通信的安全保密，特别是鉴权与加密提供了理论与技术基础；数据业务与多媒体业务的开展进一步促进了移动安全保密技术的发展；移动台与手持设备的认证也推动了移动安全技术的发展。5.5 移动通信中的鉴权与加密n5.5.1移动环境中的安全威胁及相应措施移动环境中的安全威胁及相应措施移动通信最有代表性的是第三代移动通信系统(3G)。对其系统安全结构一共定义了五种类型。3G系统安全体系结构如图5-38所示，五类信息安全问题为：网络接入安全、网络域安全、用户域的安全、应用程序域安全、安全的可见度与可配置性。5.5 移动通信中的鉴权与加密n5.5.1移动环境

50、中的安全威胁及相应措施移动环境中的安全威胁及相应措施以空中接口为主体的安全威胁包括如下几类情况：窃听、假冒、重放、数据完整性侵犯、业务流分析、跟踪。来自网络和数据库的安全威胁包括以下三类情况：网络内部攻击、对数据库的非法访问、对业务的否认。5.5 移动通信中的鉴权与加密n5.5.2 GSM系统的鉴权与加密为了保障GSM系统的安全保密性能，在系统设计中采用了很多安全、保密措施，其中最主要的有以下四类：防止未授权的非法用户接入的鉴权(认证)技术；防止空中接口非法用户窃听的加、解密技术；防止非法用户窃取用户身份码和位置信息的临时移动用户身份码TMSI更新技术；防止未经登记的非法用户接入和防止合法用户