移动通信中的若干关键技术下课件.ppt

1、一、移动通信系统的构成二、推动移动通信技术进步的主要矛盾三、移动通信中的若干关键技术3.1 语言编码与压缩3.2 多址技术3.3 信道编码与交织 3.4 射频调制 3.5 功率控制技术 3.6 分集技术 3.7 多用户检测 3.8 多载波传输 3.9 智能天线四、移动通信系统的运行五、两项与移动通信密切相关的新技术 4.1 软件无线电 4.2 TURBO 码 -信道编码的里程碑3.4 3.4 射频调制射频调制1)作用作用:将经交织、扩频处理后待传送的信息码加载到某一指定频道的中心频率上。2)调制方式调制方式 a)模拟信号调制：AM（调幅）FM（调频）b)数字信号的基本调制方式：ASK （幅度键

2、控）FSK （移频键控制）PSK （移相键控制）用基本调制方式，可组合成复合调制和多进制调制。a)a)MSKMSK的数学表达式的数学表达式某一特定最小频偏小dkdkkdttd,1,)(调制数码速率当Tbbdd14102,称符合上述参数条件的FSK为MSKb)b)MSKMSK的特点的特点在一个码元周期内的射频信号包含有1/4个载波周期的整数倍在码元转换时，射频信号的相位是连续的，无突变。MSK信号的功率谱密度较集中。图14 MSK与QPSK功率谱图-60-50-40-30-20-1000.51.01.52.02.5归归一一化化功功率率谱谱密密度度归一化频率归一化频率MSKQPSKc）GMSKGS

3、M参数：频道间隔=200KHZGMSK：将MSK信号，经一高斯滤波进一步压缩高频分量后输出，MSK特性不变，性能约损失1db，功率谱更集中。d）GMSK的解调 由速率为 的时钟采样判决。bT214 4）CDMACDMA中的调制器中的调制器 CDMA的调制器包含二次调制：扩频调制和射频调制。a)BQM（平衡四相调制）在直扩（IS-95）系统中应用。BQM调制器图15 BQM调制器m(t)基带信号x(t)至功放SI(t)、SQ(t)扩频码 I、Q相移90度W0频道中心频率)(221tSt0cos)(22tSQt0sinIS-95中采用BQMBQM解调器图16 BQM解调器r(t)至解交织rI(t)

4、y(t)=x(t)+n(t)接收放大输出低通低通rQ(t)t0cost0sin)(tsi)(tsQTT01TT01DQM和CQM频谱利用效率比BQM高一倍，而SNR与Pe可保持与BQM一样。CQM性能最优，拟在IMT2000中采用。图17 CQM复四相调制器串/并变换m(t)x(t)+-)(22tsQ+)(221ts)(221tst0cost0sinb)DQM和CQMDQM双四相调制CQM复四相调制在BQM基础的改进图18 CQM复四相解调器原理图y(t)r(t)低通低通rI(t)t0cost0sin)(tsi)(tsQTT01TT01TT01TT01fI(t)(tsIrQ(t)-+fQ(t)

5、1)为什么为什么CDMACDMA必须有功率控制必须有功率控制由于所有用户同时由于所有用户同时,且在同一频率上工作且在同一频率上工作。a)a)手机手机基站（上行）基站（上行）距基站近距基站近达到基站的功率强达到基站的功率强距基站远距基站远弱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。离手机信号的接收。b)b)基站基站手机手机(下行）下行）距基站近距基站近手机接收的信号强。手机接收的信号强。距基站远距基站远弱，在手机中临近的基站将干扰手机对所处基站弱，在手机中临近的基站将干扰手机对所处基站信号的接收信号的接收。结论结论

6、：如不对基站的发射功率：如不对基站的发射功率与手机的发射功率实时控制，与手机的发射功率实时控制，CDMA系统将不能正常工作。系统将不能正常工作。2)功率控制准则功率控制准则功率平衡准则 信号干扰比平衡准则a)功率平衡准则上行（手机基站）：指令各手机（无论远近），发射后到达基站的功率相等（调手机称之为反向功率控制）。下行（基站手机）：使各手机（无论远近）接收到基站送去的信号功率相等（调基站，称之为前向功率控制）。b)信号干扰比平衡准则（SIR）CDMA系统中，“噪声”主要来自手机之间与基站之间产生的干扰。依据“信号干扰比SIR”进行控制。上行：控制目标是达到在基站中各手机的信号与其它手机对其产生

7、的干扰比相等（调手机，称反向功控）下行：使各手机收到的基站送去的信号与其它基站的干扰信号比相等（调基站前向功控）。c)IS-95中实际使用的功率控制准则功率平衡准则易实现，但性能不及SIR；SIR在上行链路中，可能导致系统不稳定，因此：实际系统中多采用混合控制。IS95中的功控准则：改进型的SIR即：基于SIR算法，但控制的阈值由误帧率（FER）决定。3 3）功率控制方法功率控制方法 a)集中式功控与分布式功控 集中式功率控制 在基站中进行。要求在每一时刻（时间间隔内）要计算出一个归一化 的链路增益矩阵。矩阵中的各元素，对应着在基站服务区中各手机在那一时刻应有的功率增益。问题问题：当小区用户多

8、时，如何快速计算出链路的增益矩阵？分布式功率控制 在手机中进行：估计SIR并依此控制手机自身的发射功率。同时，通知基站应送来的功率。评价评价：在IS-95中实际应用，相当有效。问题问题：当对SIR估计误差大时，系统性能会迅速下降。b)开环功控与闭环功控 开环功控 仅根据接收的信号质量（无论手机或基站）而发出相应控制指令。无反馈。问题问题：收、发频率相差45MHZ，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。适应适应：在CDMA/TDD结合的体制中，开环功控可达到高精度。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

9、优 点：点：精度高 问问 题：题：控制时延大当前研究：当前研究：新的闭环功控方法（自适应、自适应+模糊，神经网络法）基站手机闭环控制闭环控制图19闭环功控 c)IS-95中的功率控制参数前向功控（基站执行）前向功控（基站执行）误差源：各手机信号的误帧率控制方式：慢速闭环方式 步长0.5db(12%),高负荷时降至6%。调节幅值：4db 6db控制指令传送信道：上行：插入（手机基站）的功率测量报告信息段；下行：放入（基站手机）的寻呼信道上的系统参数信息字段。控制算法：美国高通(Quaicomm)公司专利反向功控（手机执行）反向功控（手机执行）粗控：克服“阴影”、“角落”、阻档引起的慢衰落，调整范

10、围大：24db 采用开环方式。精控:闭环方式 抑制快衰落，控制数据：800bit/s，每1.25ms调整一次 调整范围：24db控制算法与实现方案：QuaiComm专利 d)IMT-2000中的功率控制CDMA2000由IS-95平滑过渡，故其功控方案与IS-95基本一致。WCDMA由欧洲提出，功控实现方案与IS-95有较大差别。1)主要分集方式主要分集方式 a)空间分集 多个天线接收，用在基站中 天线间距离 天线数N=2486.2d3.6 分集技术分集技术抗衰落（抗多径）抗衰落（抗多径）图20 空间分集 手机基站d12N(900MHZ ,波长约35cm ).b)频率分集 将发射信号调制到多个

11、载波频率上传送，要求载波频差 GSM：800900MHZ频段，测得 c)发送分集 多径信号时延扩散量,1f)(200,5载波频差KHZfs2)分集的合并技术分集的合并技术a)合并点：中频合并 视频合并图图21空间分集合并空间分集合并手机G1g1G2g2GNgn同相相加检测器b)合并方式：最大比值合并增益Gi与第i路的信噪比成线性关系，合并效果最佳。等增益合并选择式合并)(620025.1条KHZMHZ图图22 IS-9522 IS-95基站中基站中RakeRake接收总体框图接收总体框图时钟时钟单元单元CPU控控制单元制单元地址地址单元单元搜索器搜索器1 1搜索器搜索器2 2解调解调1 1解调

12、解调2 2解调解调4 4解调解调3 3多多径径合合并并1234一个小区（三个扇区六个天线）一个小区（三个扇区六个天线）123546地址总线数据总线解解交交织织信信道道译译码码搜索器与搜索策略Rake接收的重要部件 作用：找出4条最强的“径”，并完成相位补偿。搜索策略：相位偏移扫描试探法。4 4）发射分集）发射分集空间分集效果最好手机无法实现。将手机的空间分集，移到基站发射分集 a)发送分集研究状况 理论上证明了多天线发射在衰落信道所能获得的增益与发射天线的数目成线性增长正研究将发射分集与编码、调制方式有机结合，组成时空卷积码，以最大限度地改善系统的传输质量。发射分集已用在 CDMA2000 1

13、X 中（获3db增益）。b)WCDMA建议的一种发送分集方案混混合合发送天线1发送天线2天线1分集导频天线2导频天线1天线2STTP编码时钟混合交织信道编码数据TPC时钟扩频码调制图23 STTD发送分集原理图TPC功率控制指令STTD一种将信息码分配给天线1和天线2的编码方案5 5）编码分集）编码分集空时编码分集分层空时码分集一般与发送分集联合使用3.7 3.7 多用户检测多用户检测1)1)多用户检测的作用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

14、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。2)2)多用户检测的基本原理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，来构造一种 最优的联合检测算法，称算法为多用户检测（1986年提出）抵抗措施选择好的扩频码0)()()()()(),(),()(221dttCtCtRtCtCtCtCtckiikN

15、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3)3)多用户检测的最优结构多用户检测的最优结构MLSDMLSD算法算法证明条件：白高斯噪声信道检测器结构：匹配滤波+最大似然比序列检测（MLSD算法）仿真实验结果：可达到与单用户检测几乎相同的性能。问题：运算量随用户数N的增加成指数增长；须知道所有用户的扩频码、信号幅度、相位和多径时延。评价：该最优多用户检测器是无法实用的。4)多用户检测的一般结构多用户检测的一般结构解扩匹配滤波器（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

16、判决用户N判决用户N判决用户2判决用户1判决图24 多用户检测的一般结构3.8 3.8 多载波传输多载波传输1）多载波传输的思路及优缺点）多载波传输的思路及优缺点 a)思路交织分集技术功率控制在不改变信息码速率情况下的抗衰落措施多载波传输将串行数据变并行数据，降低信息码速率，减弱衰落影响采用多个频率分别同时传送，提高可靠性老技术新应用：等效于正交频分复用OFDMb)优点：抗脉冲干扰能力比单载波系统高约11db。抗多径传播与频率选择性衰落的能力可大大增强。可增加系统的数据传送能力，相当频谱利用率可提高一倍。c)缺点对定时和载波的频率稳定度要求比单载波系统要求严格对前置放大器的线性要求提高。2 2

17、）多载波系统应用情况多载波系统应用情况 a)HDSL、ADSL高速数字环路、无线接入 b)数字音频广播（欧洲的DBA标准OFDM)c)高清晰度电视的地面广播系统3）多载波传输在移动通信系统中的应用多载波传输在移动通信系统中的应用与码分多址结合与码分多址结合直扩序列（DS-SS）多载波扩频（MC-SS）跳时（TH）跳频（FH）混 合图25 扩频系统的理想结构IS-95 DS-SS （CDMA）TD-SCDMA利用了时分多址的部分数据结构MC-SSTHFH尚待在新的移动通信体制中开发应用b)多载波与CDMA的结合方式分类 1993年开始研究，有两类：频域扩频MC-CDMA（OFDM-CDMA）时域

18、扩频MCDS-CDMA MT-CDMAa)扩频系统的理想结构N c子载波数MC-CDMA（多载波码分多址）数据j)(tSjmcjC1t1cosjC2t2cosjGMCCtNCcosf1f2fNC图26 MC-CDMA发送框图,21jGMCjjCCC第j个用户使用的扩频码（片码）TjjC1jC2jGMCCT-tcNCjGMCcostcj11costcj22cos 载波数GMC与扩频码位数相等MCDSCDMA（多载波直扩码分多址）数据)(tSjMDjtC)(t1cost2costNCcos图27 MC-CDMA发送框图串/并变换jtC)(jtC)(NC21数据经相同的扩频码扩频后调制到各子载波上1

19、2NCjGMDjjccc21jGMDjjccc21jGMDjjccc21 对频率间隔有要求MTCDMA(多音频码分多址数据)(tSjMDt1cost2costNCcos图28 MT-CDMA发送框图串/并变换jtc)(扩频码21)(jGMTjjjtCCCCc)多载波CDMA的研究热点自93年提出后研究火热：系统结构（降低复杂度）信号检测信道估计同步技术降低峰值功率方法干扰消除技术等1 1）提出背景）提出背景在蜂窝移动通信中，采用将一个蜂房划分为三个扇区，可使一个小区内的用户容量提高3倍。123智能天线智能天线将小区内固定式的扇区划分，改进为将波形束跟踪每一个（或一小群用户），形成产生动态的能跟

20、踪用户的天线波束（实现空分多址）2 2）智能天线的优点）智能天线的优点减小或消除多用户干扰 增加移动通信系统的用户容量提高频谱利用率降低发射功率增大天线的覆盖范围等。3 3）当前研究状况）当前研究状况技术日趋成熟尚未达到实用化阶段4 4）智能天线的基本原理）智能天线的基本原理a)预置多波束智能天线（多用于接收）预先设计了N个不同入射角方向的窄波 束，根据手机发送来的电波的来波方向，从中 选择一个最适合的窄波束对准手机。b)自适应阵列自动跟踪式智能天线图29 自适应跟踪式智能天线原理图（一个用户）信号测量与处理自适应算法W1WnW2A/D或D/AXn(t)X2(t)X1(t)天线阵e(t)-参考

21、信号Y(t)波束形成网络Sk(t)k来波入射角 W1，W2，WN自适应权值系数e(t)为误差信号自适应算法是智能天线的技术关键信号测量与处理计算来波的入射角图中：5 5）移动通信中的智能天线技术）移动通信中的智能天线技术拟在拟在3G3G中应用中应用 智能天线 军事技术中的自适应阵列天线（雷达、声纳、抑制敌方强干扰）a)移动通信中智能天线的特点 天线跟踪的目标多 军10个移20个 移动通信信道环境恶劣：衰落信道变参信道。移动通信中干扰（多用户）为均匀分布（空间）,且干扰信号的强度与有用信号相比大体相当，无法用波束零点对付（而“军事”可用此方法）。b)智能天线的研究进展l欧洲欧洲 1995年开始现

22、场试验 l美国美国Array Com公司，采用四单元或十二单元环形阵列，在无线本地环路上实验。结果：可使系统容量提高4倍。l日本日本l我国我国加紧研究，目标在TD-SCDMA中采用。评价评价：智能天线离实际应用（在移动通信中）已为期不远，它将大大改善移动通信系统的性能（加大容量，减小干扰，扩大服务区，提高可靠性。MusicTDDGHZfe:10,4,89.130算法个空间信道实现双向双工GHZf545.10l待机状态（广州用户在北京）：广州用户A开机待机手机每12秒向本地基站发送SIM卡中的信息基站接收解码后送交换机交换机分析号码（知为广州用户，并知属何HLR）经七号信令网询问广州HLR，确定

23、为合法用户后，将该用户数据存入VLR，同时通知HLR标记A用户在北京漫游，VLR中的数据随之更新。l被叫状态；某用户呼叫A用户询问A用户的归属HLR，HLR指示A用户的当前位置VLR呼叫经七号信令送达A当前的MSCMSC经VLR查A用户的基站服务区并向A发出呼叫。l主叫状态：A用户 拨号经基站送达拜访MSCMSC查询VLR合法，经七号信令网向A的被叫所在地发出呼叫被叫查HLR指示被叫当前位置回送主叫MSC主叫重向被叫当前位置的MSC（VLR）发出呼叫MSC接收呼叫查VLR确定被叫所在基站向被叫振铃。5.15.1软件无线电技术软件无线电技术 电子信息系统的整体变革电子信息系统的整体变革1）通信技

24、术的三次大变革）通信技术的三次大变革第一次：从模拟到数字（已完成）第二次：从固定到移动（正在完成）第三次：从硬件主导产品到软件主导产品（将要发生）2）什么是软件无线电？什么是软件无线电？a)一般定义：将标准化、模块化的硬件功能单元以一定方式（例如通过总线）组 成一个通用硬件平台，再通过不同的软件加载，来实现不同类型的电子信息系统。评论：硬件平台是基础，软件是灵魂。b)产生背景军事通信发展的需求通信产品研制与使用周期缩短：5060年代，30年目前1-2年通信产品的高科技含量不断提高，军费猛增现代战争为多兵种协同，不同的通信设备需互连互通。软件无线电是解决上述矛盾的最佳选择。民用通信产品发展的需求

25、移动通信第一代到第二代10年第二代到第三代 56年通信体制多，不同体制要互连互通通信业务发展更新快通信必须全球化，但统一体制难软件无线电是解决民用通信矛盾的最佳选择3 3）美国军用软件无线电系统美国军用软件无线电系统“SPERAKeasyISPERAKeasyI”a)SPEAK easy I硬件功能模块波形综合射频子系统中频子系统高速数字通预处理数字信号处理加/解密话音接口输入/输出图30 SPEAK easy I硬件功能框图波形综合实现不同调制方式高速数字预处理实现不同调制信号解调数字信号处理还原业务数据b)SPEAKeasy的软件系统的软件系统 SPEAKeasy I完成多频段、多模式完成

26、多频段、多模式 现有现有1515种以上美军军用电台的工作，实现了可种以上美军军用电台的工作，实现了可编程业务数据处理；编程业务数据处理；实现的调制方式有：实现的调制方式有：单边带跳频单边带跳频/非跳频调制；非跳频调制；幅度键控幅度键控ASKASK，多重正交调幅，多重正交调幅MQAMMQAM；跳频跳频/非跳频非跳频FSKFSK、MSKMSK、CPFSKCPFSK（连续相位移动键控）；（连续相位移动键控）；多相键控多相键控MPSKMPSK、相对移相二相与四相键控、相对移相二相与四相键控DPSKDPSK、QDPSKQDPSK，参差，参差四相键控四相键控OQPSKOQPSK等；等；用软件实现了信息安全

27、保密：包括传输过程加密，采用跳频和扩频技用软件实现了信息安全保密：包括传输过程加密，采用跳频和扩频技术，完成用户数据比特流加密等。术，完成用户数据比特流加密等。c)SPEAK easy系统的实现结构工作站终端控制子系统以太网微处理器阵列预处理子系统加 密子系统干扰控制子系统基带处理子系统定 时子系统波形形成子系统IF/RF控制子系统特殊发射频图31 SPEAK easy硬、软件结构图图中 VME总线 高速数据总线 时钟50MHZ 微处理器阵列：由4片C40和5MB存储器构成d)SPEAK easy I上示范演示情况时间：1994年8月 演示了四种标准无线电台的互连操作；演示了两种无线电台同时工

28、作；演示了由网桥连接两个不同网，两个网上的所有用 户可以互相通信。当前正在进行SPEAK easyII 的开发 软件无线电目前的困难在宽带射频评论：实现软件无线电已为期不远3G拟采用软件无线电部分模块1)Turbo码的基本结构码的基本结构a)Turbo码的提出 1993年两位法国教授C.Berrou,A.Glavieux 和缅甸籍博士研究生P.thitimajslwa在ICC国际会议上发表了他们的论文：“Near shannon limit error-correcting coding and decoding:Turbo codes(1)”ICC93,P:1064-1074,1993 提出

29、了“Turbo”编译码方案，介绍了模拟实验结果。编码器又称水平编码编码器又称垂直编码图中Turbo码结构为二维码，可推广至多维、可为卷积编码，或者分组码；码型可以相同，也可以不同；可以为单一码，也可以为级联码特别之处：输入经交织后再送至编码器交织器：256256=65536个码元b)Turbo编译码结构 编码器编码器交织器开关单元复接器编码输出Yi数据输入Xk图32 Turbo编码框图编码器编码器译码器译码器软输出译码器软输出译码器判决器译码输出解交织解交织检验序检验序列列Y1k译码输译码输入入Xk似然值L2k交织外信息Z2k检验序列Y2k似然值L1k图33 Turbo译码框图外信息Z2k判决

30、器采用最大似然判决软输出译码器计算似然比，采用软输入/软输出反馈的外信息Z1k、Z2k联系。仿真实验结果：Eb/N0.7db，256256交织，经18次迭代以后得Pe10-5。2 2）TurboTurbo码优异性能的理论解译码优异性能的理论解译a)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。b)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。c)目前的初步解释 山农第二定理的证明条件：采用随机编、译码方式；编码长度L 译码采用最佳的最大似然译码“Tur

31、bo”只遵照的指引，去寻求最佳的信道编码，认为只是山农证明定理的数学手段。用交织和二维实现了编码，译码的随机性能：全面实现了山农定理的a)使信道编码的理论与工程应用是入了新阶段b)在第三代移动通信系统标准3GPP中，已将Turbo码列入标准（确定了编译码电路的具体结构），用于传送数据。c)随着Turbo码的改进，实时传送语音的Turbo即将产生。1）从移动通信技术的提出到克服各种技术困难，到成熟应用、普及，可体察到科学技术的无穷生命力。其中，正确的理论是技术设备项目研发方向的指针。2）第三代移动通信设备的研究仍处在技术和各方利益竞争的高峰期，LAS-CDMA上海实验的成功，对通信理论的发展是一个重大贡献，并对今后产品研制带来重大影响。3）移动通信取代固定通信已成为了通信的主战场，而且还正处在兴旺发展的上升时期，3G尚未完成，又开始了4G的概念研究，无线接入、移动互联网等的发展走向值得关注。4）移动通信系统 的技术复杂，其设备几乎涵盖电子信息技术的所有方面。5）软件无线电”技术与网络的结合，将带来通信技术的又一次大变革。第二专题结束 谢谢！