1、第三讲第三讲移动通信的基本技术（一）移动通信的基本技术（一）12/1/20222主要内容主要内容n电波传播分析电波传播分析n编码和解码技术编码和解码技术电波传播分析电波传播分析12/1/20224电波传播方式电波传播方式阴 影 效 应路 径 损 耗多 径 衰 落移 动 电 台发 射 台穿 透 损 耗5电波传播方式电波传播方式1)直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物,直接到达接收端的电波直接到达接收端的电波,称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。2)反射波：电波在传播过程中遇到比自身的波
2、长大得多的物体时反射波：电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,会在物体会在物体表面发生反射表面发生反射,形成反射波。形成反射波。反射常发生于地表、反射常发生于地表、建筑物的墙壁表面等。建筑物的墙壁表面等。3)绕射波：电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时绕射波：电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时,会由阻挡表面产生二次会由阻挡表面产生二次波波,二次波能够散布于空间二次波能够散布于空间,甚至到达阻挡体的背面甚至到达阻挡体的背面,那些到达阻挡体背那些到达阻挡体背面的电波就称为绕射波。面的电波就称为绕射波。由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性,使得绕射波在
3、电波传播过程中起到了重要作用。使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。4)散射波：电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时散射波：电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时,会在其表面发生散射会在其表面发生散射,形成散射波。形成散射波。散射波可能散布于许多方向散射波可能散布于许多方向,因而电因而电波的能量也被分散于多个方向。波的能量也被分散于多个方向。6电波传播现象电波传播现象 a0n 4t7电波传播现象电波传播现象n移动通信电波传播最具特色的现象是多径衰落移动通信电波传播最具特色的现象是多径衰落,或称多或称多径效应。无线电波在传输过程中会受到地形、地物的径效应。无
4、线电波在传输过程中会受到地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等影响而产生反射、绕射、散射等,从而使电波沿着各种从而使电波沿着各种不同的路径传播不同的路径传播,这称为多径传播。由于多径传播使得这称为多径传播。由于多径传播使得部分电波不能到达接收端部分电波不能到达接收端,而接收端接收到的信号也是而接收端接收到的信号也是在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条路径上信号的合成信号路径上信号的合成信号,因而会产生信号的频率选择性因而会产生信号的频率选择性衰落和时延扩展等现象衰落和时延扩展等现象,这些被称为多径衰落或多径效这些被称为多径衰落或多径效应
5、。应。n所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关频率有关,即传输信道对信号中不同频率成分有不同的、即传输信道对信号中不同频率成分有不同的、随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致,因因此衰落信号波形将产生失真。此衰落信号波形将产生失真。8电波传播现象电波传播现象所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径,路路径长度不同径长度不同,且传输路径随移动台的运动而不断变化且传输路径随移动台的运动而不断变化,因而因而可能导致发射端一个较窄的脉冲信可
6、能导致发射端一个较窄的脉冲信s0(t)=a0(t)在到达接在到达接收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号。时延扩收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号。时延扩展可直观地理解为在一串接受脉冲中展可直观地理解为在一串接受脉冲中,最大传输时延和最小最大传输时延和最小传输时延的差值传输时延的差值,即最后一个可分辨的延时信号与第一个延即最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值时信号到达时间的差值,记为记为,就是脉冲展宽的时间。就是脉冲展宽的时间。NoImage9电波传播现象电波传播现象移动台接收信号的强度随移动台的运动产生随机变化移动台接收信号的强度随移动台的运动产生随机变化(
7、即即衰落衰落),这种变化的周期从几分之一秒至几小时不等。这种变化的周期从几分之一秒至几小时不等。因此因此移动通信电波传播中的衰落又分为慢衰落和快衰落两种。移动通信电波传播中的衰落又分为慢衰落和快衰落两种。慢衰落慢衰落(也称长期衰落也称长期衰落)指的是接收信号强度随机变化缓指的是接收信号强度随机变化缓慢慢,具有十几分钟或几小时的长衰落周期。慢衰落主要是由具有十几分钟或几小时的长衰落周期。慢衰落主要是由电波传播中的阴影效应以及能量扩散所引起的电波传播中的阴影效应以及能量扩散所引起的,具有对数正具有对数正态分布的统计特性。态分布的统计特性。快衰落快衰落(也称短期衰落或多径衰落也称短期衰落或多径衰落)
8、指的是接收信号强度指的是接收信号强度随机变化较快随机变化较快,具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。快衰落具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。快衰落主要是由电波传播中的多径效应所引起的主要是由电波传播中的多径效应所引起的,具有莱斯分布或具有莱斯分布或瑞利分布的统计特性。当发射机和接收机之间有视距路径瑞利分布的统计特性。当发射机和接收机之间有视距路径时一般服从莱斯分布时一般服从莱斯分布,无视距路径时一般服从瑞利分布无视距路径时一般服从瑞利分布。10电波传播现象电波传播现象路径损耗是上述现象的一个综合结果路径损耗是上述现象的一个综合结果,指的是信号从发射天线经无线指的是信号从发射天线经无线路径传播到接收天线
9、时的功率损耗路径传播到接收天线时的功率损耗,可以用发射天线的绝对功率电平与可以用发射天线的绝对功率电平与接收天线的绝对功率电平之差值来表示。路径损耗的一个主要原因是电接收天线的绝对功率电平之差值来表示。路径损耗的一个主要原因是电波会随着距离而扩散波会随着距离而扩散,从而使接收机的接收功率随着传输距离的增加而从而使接收机的接收功率随着传输距离的增加而减小减小;路径损耗的另一个原因是地表以及地表上的各种障碍物的影响。路径损耗的另一个原因是地表以及地表上的各种障碍物的影响。因而因而,影响路径损耗的几点要素是影响路径损耗的几点要素是:传输距离、天线高度和频率间隙等。传输距离、天线高度和频率间隙等。例如
10、例如,发射机的功率电平是发射机的功率电平是10 dB,若路径损耗为若路径损耗为50 dB,则接收机的接则接收机的接收功率电平是收功率电平是-40 dB。11典型电波传播的分析典型电波传播的分析自由空间电波传播自由空间电波传播 自由空间是指相对介电常数和导磁率为自由空间是指相对介电常数和导磁率为1的均匀介质所存在的空间的均匀介质所存在的空间,该该空间具有各向同性、电导率为零的特点空间具有各向同性、电导率为零的特点,它是一种理想的传播环境。它是一种理想的传播环境。电波电波在自由空间传播时与在真空中传播一样在自由空间传播时与在真空中传播一样,只有直线传播的扩散损耗。只有直线传播的扩散损耗。对于移动通
11、信系统而言对于移动通信系统而言,其自由空间路径损耗其自由空间路径损耗Lbs仅与传输距离仅与传输距离d和电和电波频率波频率f有关有关,而与收、发天线增益无关。可用下式来表示而与收、发天线增益无关。可用下式来表示:Lbs=32.44+20lgd+20 lgf 式中式中,传输距离传输距离d的单位为的单位为km,电波频率电波频率f的单位为的单位为MHz，Lbs单位为单位为dB。12电波传播的估算电波传播的估算对移动环境中电波传播特性的研究对移动环境中电波传播特性的研究,可以采用两种方法可以采用两种方法:理论分析方法理论分析方法和实测分析方法。和实测分析方法。理论分析方法通常用射线表示电磁波束的传播理论
12、分析方法通常用射线表示电磁波束的传播,在确在确定收发天线的高度、定收发天线的高度、位置和周围环境的具体特征后位置和周围环境的具体特征后,可根据直射、折射、可根据直射、折射、反射、散射、透射等波动现象反射、散射、透射等波动现象,用电磁波理论计算电波传播路径损耗及用电磁波理论计算电波传播路径损耗及有关信道参数。实测分析方法是在典型的传输环境中进行现场测试有关信道参数。实测分析方法是在典型的传输环境中进行现场测试,并并用计算机对大量实测数据进行统计分析。用计算机对大量实测数据进行统计分析。这两种方法最终都要建立有普这两种方法最终都要建立有普遍适用性的数学模型遍适用性的数学模型,以进行传播预测。以进行
13、传播预测。在实际工作中在实际工作中,人们往往把二人们往往把二者结合起来者结合起来,从而能够实现对电波传播特性更准确的估算。从而能够实现对电波传播特性更准确的估算。13 常用的电波传播模型有常用的电波传播模型有OkumuraHata模型和模型和WalfishIkegami。OkumuraHata模型由国际无线电咨询委员会模型由国际无线电咨询委员会(CCIR)推荐推荐,其特点是其特点是以准平坦地形城市市区环境作为基准以准平坦地形城市市区环境作为基准,对其他传播环境和地形条件等因素分对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。别以校正因子的形式进行修正。OkumuraHata模型中值
14、路径损耗经验公模型中值路径损耗经验公式为式为 Lb69.5526.16 lgf-13.82lghb-(hm)(44.9-6.55 lghb)lgd 其中其中,Lb为市区准平滑地形电波传播损耗中值为市区准平滑地形电波传播损耗中值(dB),f是工作频率是工作频率(MHz),hb是是基站天线有效高度基站天线有效高度(m),hm是移动台天线有效高度是移动台天线有效高度(m),d为移动台与基站之间为移动台与基站之间的距离的距离(km),(hm)是移动台天线高度因子。是移动台天线高度因子。电波传播的估算电波传播的估算14电波传播的估算电波传播的估算WalfishIkegami模型由欧洲电信科学技术研究联合
15、模型由欧洲电信科学技术研究联合会推荐会推荐,其特点是从对众多城市的电波实测中得出的一种小其特点是从对众多城市的电波实测中得出的一种小区域覆盖范围内的电波损耗模式。区域覆盖范围内的电波损耗模式。不管是用哪一种模型来估算电波传播损耗不管是用哪一种模型来估算电波传播损耗,只是基于理只是基于理论分析和实际测试结果的近似计算。由于移动通信的实际环论分析和实际测试结果的近似计算。由于移动通信的实际环境千差万别境千差万别,因而很难用一种数学模型来精确地表征各种不因而很难用一种数学模型来精确地表征各种不同地区的传播特性。随着移动通信的发展同地区的传播特性。随着移动通信的发展,小区半径越来越小区半径越来越小小,
16、小区传播环境的特殊性也越来越突出小区传播环境的特殊性也越来越突出,也就越难归纳出也就越难归纳出统一的传播模型。统一的传播模型。编码和解码技术编码和解码技术12/1/202216信源编、信源编、解码解码所谓信源编码是指将信号源中多余的信息除去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动信道的
17、条件:由于频率资源十分有限由于频率资源十分有限,因此要求编码信号的速率较低因此要求编码信号的速率较低;由由于移动信道的传播条件恶劣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。因而编码算法应有较好的抗误码特性。另外另外,从用户的角度出发从用户的角度出发,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字语音编码的要求如下:速率较低速率较低,纯编码速率应低于纯编码速率应低于16 kb/s;在一定编码速率下的音质应尽可能高在一定编码速率下的音质应尽可能高;编码时延要短编码时延要短,要控制在几十毫秒之内要控制在几十毫秒之内
18、;编码算法应具有较好的抗误码性能编码算法应具有较好的抗误码性能,计算量小计算量小,性能稳定性能稳定;编码器应便于大规模集成。编码器应便于大规模集成。17信源编、信源编、解码解码常用数字移动通信系统语音编码类型常用数字移动通信系统语音编码类型 18由于通信信道由于通信信道,尤其是无线通信信道尤其是无线通信信道,容易受到外界干容易受到外界干扰和噪声的影响扰和噪声的影响,因此导致信息在传输过程中发生改变因此导致信息在传输过程中发生改变,从从而在接收端接收不到完全正确的信息。而在接收端接收不到完全正确的信息。为了保证通信的可为了保证通信的可靠性靠性,必须采用信道编码。信道编码能够检查和纠正接收信必须采
19、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。息流中的差错。信道编码定理指出信道编码定理指出:在编码速率小于信道容量的条件下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通过编码可以使译码错误概率任意小,从而达到可靠通信。从而达到可靠通信。该定理证明该定理证明:确实存在一种编码方式确实存在一种编码方式,其误码率随着码长其误码率随着码长n的的增长趋于任意小。这说明信道编码属于冗余编码增长趋于任意小。这说明信道编码属于冗余编码,而且冗余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,误码率就越小误码率就越小
20、,系统的可靠性就越高系统的可靠性就越高;但同时但同时,编码位数就越编码位数就越多多,需要的传输速率就越高需要的传输速率就越高,占用的信道带宽就越宽。占用的信道带宽就越宽。因此因此,必须研究编码技术必须研究编码技术,在保证系统可靠性的前提下在保证系统可靠性的前提下,尽量降低尽量降低传输速率传输速率,减小信道带宽。减小信道带宽。信道编、信道编、解码解码19信道编码的基本思想是按一定规则给数字序信道编码的基本思想是按一定规则给数字序列列m(称为信息码元称为信息码元)增加一些多余的码元增加一些多余的码元(称为监称为监督码元督码元),使不具有规律性的信息序列使不具有规律性的信息序列m变换为具有变换为具有
21、某种规律性的数码序列某种规律性的数码序列C;数码序列中数码序列中C的信息序列的信息序列码元码元m与多余码元之间是相关的。与多余码元之间是相关的。接收端的译码器接收端的译码器利用这种预知的编码规则进行译码利用这种预知的编码规则进行译码,检验接收到的检验接收到的数字序列数字序列R是否符合既定的规则是否符合既定的规则,从而发现从而发现R中是否中是否有错，甚至纠正其中的差错。有错，甚至纠正其中的差错。根据相关性来发现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和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本思想思想。信道编、信道编、解码解码20纠错编码是应用最广泛的编码纠错编码是应用最广泛
22、的编码,又可分为如下又可分为如下几类几类:(1)按照纠正差错的类型可分为纠正随机错误的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元间的错误互相独立,即每个码元的错误概率与它即每个码元的错误概率与它前后码元的错误与否无关前后码元的错误与否无关;突发错误是指一个码元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的错误往往影响其前后码元的错误概率,换句话说换句话说,一个码元产生错误一个码元产生错误,则后面几个码元都可能发生错则后面几个码元都可能发生错误。在移动通信系统中误。在移动通信系统中,
23、既要纠正随机错误既要纠正随机错误,又要纠又要纠正突发错误。正突发错误。信道编、信道编、解码解码21(2)按照信息码元和监督码元之间的约束方式不同可按照信息码元和监督码元之间的约束方式不同可分为分组码和卷积码两种。分组码是指编码的规则仅局限于分为分组码和卷积码两种。分组码是指编码的规则仅局限于本码组之内本码组之内,本码组的监督码元仅和本码组的信息码元相关本码组的监督码元仅和本码组的信息码元相关;卷积码是指本码组的监督码元不仅和本码组的信息码元相关卷积码是指本码组的监督码元不仅和本码组的信息码元相关,还与本码组相邻的前还与本码组相邻的前n-1个码组的信息码元相关。个码组的信息码元相关。(3)按照信
24、息码元和附加的监督码元之间的检验关系按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系可分为线性码和非线性码两种。线性码是指信息码元与监督可分为线性码和非线性码两种。线性码是指信息码元与监督码元之间的关系为线性关系码元之间的关系为线性关系,即监督码元是线性码元的线性即监督码元是线性码元的线性组合组合,编码规则可用线性方程来表示编码规则可用线性方程来表示;非线性码的信息码元非线性码的信息码元与监督码元之间不存在线性关系。与监督码元之间不存在线性关系。信道编、信道编、解码解码22(4)按照码字的结构不同按照码字的结构不同,可分为系统码和非系统码两种。可分为系统码和非系统码两种。系统码是指前系统码是指前k个
25、码元与信息码组一致的编码个码元与信息码组一致的编码;非系统码不非系统码不具有系统码的特性。具有系统码的特性。(5)按照码字中每个码元的取值可分为二进制码和多进按照码字中每个码元的取值可分为二进制码和多进制码。制码。二进制码的码元有二进制码的码元有0和和1两个取值两个取值,M进制码的码元进制码的码元有有M个取值。个取值。二进制码是应用最广泛的编码制式。二进制码是应用最广泛的编码制式。信道编、信道编、解码解码23信道编、信道编、解码解码根据发送端信道编码的特性根据发送端信道编码的特性,接收端在解码后接收端在解码后采取的差错控制方式有采取的差错控制方式有:前向纠错前向纠错(FEC)。发送端的信道编码
26、器将信息。发送端的信道编码器将信息码组编成具有一定纠错能力的码。接收端信道译码码组编成具有一定纠错能力的码。接收端信道译码器对接收码字进行译码器对接收码字进行译码,若传输中产生的差错数目若传输中产生的差错数目在码的纠错能力之内时在码的纠错能力之内时,译码器对差错进行定位并译码器对差错进行定位并加以纠正。加以纠正。自动请求重发自动请求重发(ARQ)。用于检测的纠错码在。用于检测的纠错码在译码器输出端只给出当前码字传输是否可能出错的译码器输出端只给出当前码字传输是否可能出错的指示指示,当有错时按某种协议通过一个反向信道请求当有错时按某种协议通过一个反向信道请求发送端重传已发送码字的全部或部分。发送
27、端重传已发送码字的全部或部分。24信道编、信道编、解码解码 混合纠错混合纠错(HEC)是是FEC与与ARQ方式的结合。发方式的结合。发端发送同时具有自动纠错和检测能力的码组端发送同时具有自动纠错和检测能力的码组,收端收端收到码组后收到码组后,检查差错情况检查差错情况,如果差错在码的纠错能如果差错在码的纠错能力以内力以内,则自动进行纠正。如果信道干扰很严重则自动进行纠正。如果信道干扰很严重,错错误很多误很多,超过了码的纠错能力超过了码的纠错能力,但能检测出来但能检测出来,则经则经反馈信道请求发端重发这组数据。反馈信道请求发端重发这组数据。信息反馈信息反馈(IRQ)也称回程校验方式。收端把收也称回程校验方式。收端把收到的数据到的数据,原封不动地通过反馈信道送回到发端原封不动地通过反馈信道送回到发端,发发端比较发的数据与反馈来的数据端比较发的数据与反馈来的数据,从而发现错误从而发现错误,并并且把错误的消息再次传送且把错误的消息再次传送,直到发端没有发现错误直到发端没有发现错误为止。为止。
