移動通信新技術-關鍵技術

1、481 移動通信新技術移動通信新技術 關鍵技術介紹關鍵技術介紹 王京王京 教授教授 清華信息科學與技術國家實驗室 482 內容提要內容提要 一、移動通信的特點與面臨的問題一、移動通信的特點與面臨的問題 二、調制解調技術二、調制解調技術 三、多址技術三、多址技術 四、抗衰落技術四、抗衰落技術 483 一、移動通信面臨的問題一、移動通信面臨的問題 l多種傳播方式共存 長距離傳輸損耗傳輸損耗與距離的26次方成正比 中距離慢衰落對數(shù)正態(tài)分布 短距離快衰落瑞利分布，萊斯分布 484 l衰落 角度擴展空間選擇性衰落 時延擴展頻率選擇性衰落 頻率擴展時間選擇性衰落 l干擾 同頻道干擾 移動通信信道中衰落與干

2、擾共存移動通信信道中衰落與干擾共存 485 無線信道的物理過程無線信道的物理過程 天線天線 天線天線 直射直射 反射反射 散射散射 繞射繞射 地面地面 散射體散射體 移動移動 障礙物障礙物 干擾干擾 熱噪聲熱噪聲 486 信道影響的物理描述信道影響的物理描述 l傳播機理傳播機理: 直射直射 反射反射 繞射繞射 散射散射 移動移動 形成多徑效應及時延擴展形成多徑效應及時延擴展 使信號波形產生失真，使信號波形產生失真， 場強產生衰落場強產生衰落 形成時變效應及多普勒擴展形成時變效應及多普勒擴展 使信道參數(shù)產生變化使信道參數(shù)產生變化 487 衰落衰落多徑傳輸模型多徑傳輸模型 BuildingRadi

3、o Tower Cellular station V Cn n Tx Rx 488 nn o n N n N n nnosnnoc N n osocnonoz t c vf CEtTCEtT ttTttTtCEE cos2 sin)(,cos)(, sin)(cos)()cos( 11 1 其中 多徑傳輸模型及瑞利衰落多徑傳輸模型及瑞利衰落 c s nsc T T TTs 1222 tan, 令 瑞利分布 (0,2)均 勻分布 N時為高斯分布時為高斯分布 489 角度擴展空間選擇性衰落 0 360 信號強度 信號強度 地理位置 4810 角度擴展空間選擇性衰落 4811 時延擴展頻率選擇性衰落

4、 信號強度 信號頻譜密度 頻率 時間 t0 t1t2 t3. 窄帶信號 寬帶信號 4812 移動環(huán)境下的多徑傳輸模型 BuildingRadio Tower Cellular station V Cn n 4813 頻率擴展時間選擇性衰落 信號譜密度信號強度 時間 頻率 快衰落 慢衰落 4814 多經衰落模型的綜合表示多經衰落模型的綜合表示 4815 同頻道干擾同頻道干擾 ? ? ? ? 基臺1 基臺4 基臺3 基臺2 頻道1 頻道1 頻 道 2 頻 道 3 4816 頻率復用 3 2 1 4 3 2 1 4 3 4 1 K=4，D/R=3.46 5 2 6 7 3 4 1 5 2 6 7 3

5、 4 1 5 2 6 7 3 4 1 K=7，D/R=4.6 3 6 2 7 5 4 1 10 9 8 11 12 3 6 2 7 5 4 1 10 9 8 11 12 3 6 2 7 5 4 1 10 9 8 11 12 K=12，D/R=6 4817 同頻道干擾的計算（同頻道干擾的計算（KK7 7） R-基站覆蓋基站覆蓋 半徑半徑 D-基站間距離基站間距離 D+R D+R D-R DD D-R 4818 同頻道干擾同頻道干擾(K=7)(K=7) dB RD R I C dB RD R I C dB RDDRD R I C R D DIRC RIC 98 . 7 )(6 5 .1428 )(

6、6 1754 )(22)(2 6 . 4, 3 3 , 4 4 444 4 44 3 C：接收載波功率，：接收載波功率，I：接收干擾功率：接收干擾功率 4819 二、調制解調技術二、調制解調技術 l移動通信對調制解調技術的要求 干擾受限的信道，抗干擾能力強 多徑衰落，抗衰落能力強 功率受限，抗非線性失真能力強 解調一般采用非相干方式 插入導頻的相干解調 4820 模擬調制方式調頻（ FM) 系統(tǒng)頻道間隔峰值頻偏 TACS(英)25kHz9.5kHz AMPS(美)30kHz12.0kHz vco 話音信號話音信號 調頻信號調頻信號 鑒頻器鑒頻器 調頻信號調頻信號 話音信號話音信號 4821 調

7、頻系統(tǒng)的性能（調頻系統(tǒng)的性能（TACSTACS為例）為例） dB N S dBG FM FM FM FM )5 .28(34)9(5 .145 .19 5 .19)1(3 8 . 2 4 . 3 5 . 9 2 Q1：采用調幅系統(tǒng)，帶寬8kHz，S/N=34dB，頻率 復用系數(shù)要多少（D/R)？ Q2：在給定帶寬的條件下哪個系統(tǒng)的用戶數(shù)多？ 4822 數(shù)字調制方式 頻率鍵控，F(xiàn)SK, MSK, GFSK, GMSK 調頻的特點調頻的特點: 恒包絡調制，對線性要求低恒包絡調制，對線性要求低 系統(tǒng)結構簡單，實現(xiàn)容易系統(tǒng)結構簡單，實現(xiàn)容易 抗干擾和衰落能力強抗干擾和衰落能力強 具有較好的解調門限（具

8、有較好的解調門限（Eb/No=12dBBER=10-3 vco 數(shù)字數(shù)字 信號信號GFSK 信號信號 鑒頻器鑒頻器 GFSK 信號信號 數(shù)字數(shù)字 信號信號 預濾波預濾波 判決器判決器 4823 數(shù)字調制方式 相位鍵控，BPSK, QPSK, /4-QPSK 串/并 成形 濾波 成形 濾波 cosct sinct QPSK 串/并 成形 濾波 成形 濾波 cosct sinct /4-QPSK 碼 變換 基帶 信號 基帶 信號 奇符號 偶符號 4824 lBPSK和QPSK一般采用非相干解調 差分相干解調 l/4-QPSK采用非相干解調 差分相干解調 鑒頻器解調 l通過插入導頻信號實現(xiàn)相干解調

9、數(shù)字調制方式 相位鍵控的解調 4825 三、多址技術三、多址技術 頻分多址頻分多址(FDMA)(FDMA) l多址技術是無線移動通信特有的問題多址技術是無線移動通信特有的問題 實現(xiàn)不同地點、不同用戶接入網(wǎng)絡的技術實現(xiàn)不同地點、不同用戶接入網(wǎng)絡的技術 lFDMA的特點的特點 比較簡單、容易實現(xiàn)，適用于模擬和數(shù)字比較簡單、容易實現(xiàn)，適用于模擬和數(shù)字 不宜在大容量的系統(tǒng)中使用不宜在大容量的系統(tǒng)中使用 用用 戶戶 1 用用 戶戶 2 f f1 f2 . 4826 多址技術多址技術 時分多址時分多址(TDMA)(TDMA) l單載波支持多用戶使用，大容量系統(tǒng)的 基臺簡單，簡化移動臺雙工器等。 l突發(fā)傳輸

10、，處理較復雜 用 戶 1 用 戶 2 用 戶 3 . t TS1TS2 4827 多址技術多址技術 碼分多址碼分多址(CDMA)(CDMA) 1 0 1 1 1 0 1 0 0 Tb 信息比特 擴頻比特 已擴比特 解擴比特 相關輸出信息 Tc 4828 碼分多址的特點碼分多址的特點 l具有強的抗干擾和控多徑衰落的能力具有強的抗干擾和控多徑衰落的能力 l在蜂窩移動通信中具有較高的頻譜利用率在蜂窩移動通信中具有較高的頻譜利用率 和軟容量限制和軟容量限制 l對遠近效應比較敏感，基臺需要線性功率對遠近效應比較敏感，基臺需要線性功率 放大器放大器 4829 多址技術多址技術 三種多址技術的比較三種多址技

11、術的比較 用 戶 1 用 戶 2 用 戶 3 . t TS1 TS2 用用 戶戶 1 用用 戶戶 2 用用 戶戶 3 f f1 f2 . t f B t f C1 C2 C3 用戶1 用戶2 4830 多址技術多址技術 空分多址空分多址 l智能天線技術 F1/TS1/C1 F1/TS1/C1 4831 四、抗衰落技術四、抗衰落技術 l分集技術分集技術 l均衡技術均衡技術 l功率控制技術功率控制技術 l糾錯編碼技術糾錯編碼技術 l擴頻技術擴頻技術 lOFDM 4832 分集技術分集技術 q分集技術的實質對傳輸信號進行過取樣 空間分集技術用2個以上的天線收同一個信號 頻率分集技術用2個以上的載波頻

12、率傳輸 時間分集技術在不同時間接收同一個信號 極化分集接收垂直和水平極化信號 A d/f /t/p 4833 抗衰落技術抗衰落技術均衡技術均衡技術 l時延擴展導致的頻率選擇性衰落時延擴展導致的頻率選擇性衰落 幅頻響應失真幅頻響應失真碼間干擾碼間干擾 相頻響應失真相頻響應失真碼間干擾碼間干擾 l頻域均衡頻域均衡 容易對抗幅頻失真容易對抗幅頻失真 l時域均衡時域均衡 對抗幅頻和相頻失真對抗幅頻和相頻失真 4834 抗衰落技術抗衰落技術功率控制技術功率控制技術 l通過接收信干比決定發(fā)射信號功率通過接收信干比決定發(fā)射信號功率 減少對相鄰波道的干擾減少對相鄰波道的干擾 減少對相鄰小區(qū)的干擾減少對相鄰小區(qū)

13、的干擾 減少手持機的功耗減少手持機的功耗 提高對衰落信號的對抗能力提高對衰落信號的對抗能力 l適用于對抗慢衰落信號適用于對抗慢衰落信號 4835 抗衰落技術抗衰落技術糾錯編碼技術糾錯編碼技術 l糾錯編碼技術通過交織實現(xiàn)時間分集糾錯編碼技術通過交織實現(xiàn)時間分集 一般用于克服隨機噪聲引起的隨機誤碼一般用于克服隨機噪聲引起的隨機誤碼 糾錯與交織編譯碼結合克服時間選擇性衰落引糾錯與交織編譯碼結合克服時間選擇性衰落引 起的突發(fā)誤碼起的突發(fā)誤碼 交織和去交織編碼使相關信號分隔開來交織和去交織編碼使相關信號分隔開來 l適用于對抗快衰落信號適用于對抗快衰落信號 4836 抗衰落技術抗衰落技術跳擴頻技術跳擴頻技

14、術 l跳頻對抗頻率選擇衰落跳頻對抗頻率選擇衰落 轉換為時間選擇性衰落轉換為時間選擇性衰落 通過交織糾錯編碼通過交織糾錯編碼 信號譜密度 頻率 f1 f2 f3 f4 f5 f6 f7 f8 t1 t3 t5 t2 t6 t4 t8 t7 4837 抗衰落技術抗衰落技術 直接序列擴頻技術直接序列擴頻技術 l通過RAKE接收機實現(xiàn)時間分集 主信號擴頻碼 時延擴展信號 本地相關信號 相關輸出信號 延時后合成輸出 3Tc 信道的時延擴展 發(fā)脈沖 收主信號 時延擴展 + 接收信號 4838 抗衰落技術抗衰落技術 直接序列擴頻技術直接序列擴頻技術 l擴頻和解擴過程實現(xiàn)了頻率分集 信號譜密度 頻率 接收信號

15、 功率不變 4839 抗衰落技術抗衰落技術 OFDM 技術原理1 ( )( )sin(2) c X tx tf t 1 2 () 0 ( )( ) c N jfn f t n n X tx t e N s ff 載波數(shù) ， N s ff 載波數(shù) ， 1 2 () 0 ( )( ) cs N jfnft n n X tx t e 4840 OFDM 技術原理2 4841 OFDM 技術原理3 l設 ，取時域任一段符號m的OFDM信號 對Xm離散化，在Ts內采樣N 次，抽樣間隔Ts /N 設xn,m為方波信號，任一采樣點k 表示為 0 c f 1 2 , 0 ( )( )(1), s N jnf t mn m n Xtxt etmTs mTs 2 1 0 ( )( )IDFT( ) 01 jnk N N mmm n Xkxn eNxn kN 4842 基于DFT的OFDM系統(tǒng) 4843 頻率選擇性衰落下的OFDM 解決方案：頻率交織、糾錯編碼和均衡 4844 基于時域響應的時間保護基于時域響應的時間保護 4845 克服時延擴展的方法 l增加保護時隙Tg lTg長于信道時延擴展 4846 OFDM 技術優(yōu)點 l高的頻譜效率 l簡化或不需要均衡 l傳輸速率根據(jù)傳輸條件可變 l有效對抗衰落 4847 OFDM技術的缺點 l高的峰均比 l對相位噪聲、定時和