通信基礎知識

1、移動通基本概念移動通基本概念1.1.什么是移動通信？什么是移動通信？ 移動通信最初的定義，是指通移動通信最初的定義，是指通信的雙方或一方處于運動狀態(tài)的信的雙方或一方處于運動狀態(tài)的一種通信方式。通信的雙方可以一種通信方式。通信的雙方可以是移動體之間的通信，也可以是是移動體之間的通信，也可以是移動體與固定體之間的通信移動體與固定體之間的通信; ;移移動體可以是人，也可以是汽車、動體可以是人，也可以是汽車、火車、輪船、收音機等火車、輪船、收音機等通信雙方有一方或兩方處于運動中的通信發(fā)展歷程1 1. .2 2 移動通信的分類移動通信的分類v 按按工作方式工作方式分類：單工，雙工（分類：單工，雙工（FD

2、D,TDD)，半雙工，半雙工v 按按多址方式多址方式分類：分類：FDMA、TDMA、CDMA、SDMAv 按按信號形式信號形式分類：模擬網和數(shù)字網分類：模擬網和數(shù)字網v 按按覆蓋范圍覆蓋范圍分類：城域網、局域網、廣域網分類：城域網、局域網、廣域網v 按按業(yè)務類型業(yè)務類型分類：電話網、數(shù)據(jù)網、綜合業(yè)務網、多媒體網分類：電話網、數(shù)據(jù)網、綜合業(yè)務網、多媒體網v 按按服務特性服務特性分類：專用網、公用網分類：專用網、公用網v 按按使用環(huán)境使用環(huán)境分類：陸地通信、海上通信、空中通信分類：陸地通信、海上通信、空中通信v 按按使用對象使用對象分類：民用系統(tǒng)、軍用系統(tǒng)分類：民用系統(tǒng)、軍用系統(tǒng)通信網通信網核心網

3、核心網接入網接入網有線接入有線接入無線接入無線接入光纖接入：光纖接入： PON、APON FTTB/C/H/R混合光纖同軸網混合光纖同軸網Cable ModemDSL(ADSL、HDSL)衛(wèi)星接入衛(wèi)星接入高空平臺高空平臺蜂窩接入蜂窩接入微波接入微波接入FWA、WLLWLANPAN 移動通信的多址方式移動通信的多址方式下面我們將生活化地描述下面我們將生活化地描述CDMA與其他通信技術的區(qū)別：與其他通信技術的區(qū)別： 模擬系統(tǒng)模擬系統(tǒng)：采用：采用FDMA（頻分多址）技術。我們可以想象一個很大的房間被（頻分多址）技術。我們可以想象一個很大的房間被做成很多的隔斷，每一個隔斷里有一對人正在交談。由于隔斷的

4、分隔，談話者做成很多的隔斷，每一個隔斷里有一對人正在交談。由于隔斷的分隔，談話者不會聽到其他人的交談，這就是不會聽到其他人的交談，這就是FDMA頻分多址系統(tǒng)。這是我國最早采用的移頻分多址系統(tǒng)。這是我國最早采用的移動通信技術。它的缺點是系統(tǒng)受房間面積（也就是頻率）的限制很大，無線頻動通信技術。它的缺點是系統(tǒng)受房間面積（也就是頻率）的限制很大，無線頻率的利用率很低。率的利用率很低。 GSM蜂窩數(shù)字系統(tǒng)蜂窩數(shù)字系統(tǒng)：采用：采用TDMA（時分多址）技術。我們可以想象把隔斷作（時分多址）技術。我們可以想象把隔斷作得大些，這樣一個隔斷可容納幾對交談者。但大家交談有一個原則：只能同時得大些，這樣一個隔斷可容

5、納幾對交談者。但大家交談有一個原則：只能同時有一對人講話。如果再把交談的時間按交談者的數(shù)目分成若干等分，就成為一有一對人講話。如果再把交談的時間按交談者的數(shù)目分成若干等分，就成為一個個TDMA（時分多址）系統(tǒng)。這種系統(tǒng)受容量的限制很大，即一個隔斷中有幾（時分多址）系統(tǒng)。這種系統(tǒng)受容量的限制很大，即一個隔斷中有幾個人是確定的，如果人數(shù)已滿，則無法進入。個人是確定的，如果人數(shù)已滿，則無法進入。 CDMA數(shù)字通信系統(tǒng)數(shù)字通信系統(tǒng)：采用：采用CDMA（碼分多址）技術?？梢韵胂笠粋€寬敞的（碼分多址）技術?？梢韵胂笠粋€寬敞的房間內正在進行一個聚會，賓客在兩兩一對進行交談。假設每一對人使用一種房間內正在進行

6、一個聚會，賓客在兩兩一對進行交談。假設每一對人使用一種語言，有說中文的，有說英語的，也有日語的等等，所有交談的人都只懂一種語言，有說中文的，有說英語的，也有日語的等等，所有交談的人都只懂一種語言。于是對于正在交談的每一對人來說，別人的交談聲就成了一個背景噪聲。語言。于是對于正在交談的每一對人來說，別人的交談聲就成了一個背景噪聲。在這里在這里“寬敞的房間寬敞的房間”就是就是CDMA擴頻通信所采用的寬帶載波，交談者所有的語擴頻通信所采用的寬帶載波，交談者所有的語言就是區(qū)分不同的用戶的碼，交談者就是言就是區(qū)分不同的用戶的碼，交談者就是CDMA的用戶，這就是一個的用戶，這就是一個CDMA（碼分多址）通

7、信系統(tǒng)。如果能夠很好的控制住背景噪聲，那么這個系統(tǒng)中就（碼分多址）通信系統(tǒng)。如果能夠很好的控制住背景噪聲，那么這個系統(tǒng)中就可以容納很多的用戶，而不受容量的限制?？梢匀菁{很多的用戶，而不受容量的限制。各模塊功能MS (Mobile Station)：移動臺，實現(xiàn)移動終端功能。BTS (Base Transceiver Station)：基站收發(fā)信臺，通過無線接口，實現(xiàn)移動通信系統(tǒng)與MS之間的無線通信。BSC (Base Station Controller)：基站控制器，實現(xiàn)無線系統(tǒng)到交換系統(tǒng)的集線功能、無線資源管理功能以及其它與無線相關的控制功能。MSC主要功能：主要功能：控制呼叫建立、連接、

8、釋放，呼叫選路；計費，提供補充業(yè)務，處理SMS業(yè)務；與HLR進行通信，如在呼叫到MS時HLR要求MSC提供路由信息；與VLR進行通信，如在呼叫建立期間要求VLR提供用戶信息；與其他MSC進行通信，如在兩個MSC間進行小區(qū)切換；控制與其連接的BSC；直接接入Internet；HLR (Home Location Register)：歸屬位置登記處。實際上是一個數(shù)據(jù)庫，主要儲存兩類數(shù)據(jù)： 用戶數(shù)據(jù)，主要包括： 用戶的身份IMSI 用戶ISDN號碼 補充業(yè)務 鑒權信息 用戶的位置信息 如MSC/VLR地址VLR (Visitor Location Register)：拜訪位置登記處。實際上是一個分布

9、式HLR數(shù)據(jù)庫，臨時儲存用戶信息，主要包括： MSRN (Mobile Station Roaming Number) 移動臺漫游號碼 TMSI、IMSI 移動臺登記的位置區(qū)（LAC） 與補充業(yè)務有關的數(shù)據(jù) MS的狀態(tài)CDMA頻段我國為中國電信cdma2000分配的頻率是19201935MHz(上行)/21102125MHz(下行)，共15MHz2。目前實際在使用的是上行825MHz 835MHz、下行870MHz 880MHz的800M A段頻帶，每載波寬度為1.25MHz，共有283、242、201、160、119、78、37七個頻點。其中283為1X網絡主用頻點，37一般是給3G的EV-

10、DO使用的。CDMA通信模型Interleaving信源解碼deinterleaving信源編碼信道編碼交織去交織信道解碼加擾解擾擴頻解擴調制解調射頻發(fā)射射頻接收幾個常用術語 愛爾蘭愛爾蘭愛爾蘭是衡量話務量大小的一個指標，是話務量的單位愛爾蘭是衡量話務量大小的一個指標，是話務量的單位（Erl）。）。1Erl表示一條信道在表示一條信道在1小時內被完全占用。小時內被完全占用。 阻塞率阻塞率阻塞率是衡量系統(tǒng)服務等級阻塞率是衡量系統(tǒng)服務等級GOS（Grade Of Service）的一個概念，就是表示系統(tǒng)的信道數(shù)少于用戶數(shù)目的情的一個概念，就是表示系統(tǒng)的信道數(shù)少于用戶數(shù)目的情況，通常用百分比表示。況，

11、通常用百分比表示。GOS=2就表示你撥打就表示你撥打100次次電話，有兩次可能會遇到系統(tǒng)擁塞的情況。電話，有兩次可能會遇到系統(tǒng)擁塞的情況。 漫游漫游漫游是指移動臺（用戶）離開開戶區(qū)域而繼續(xù)使用移動漫游是指移動臺（用戶）離開開戶區(qū)域而繼續(xù)使用移動通信網絡的能力。通信網絡的能力。 切換切換切換是指將移動臺從一個信道或基站轉移到另一個信道切換是指將移動臺從一個信道或基站轉移到另一個信道或基站的過程，在切換過程中并不會中斷通話或數(shù)據(jù)業(yè)或基站的過程，在切換過程中并不會中斷通話或數(shù)據(jù)業(yè)務的連接。務的連接。2 2. .1 1 無線傳播的特點無線傳播的特點建筑物反射波建筑物反射波繞射波繞射波直射波直射波地面反

12、射波地面反射波陸地移動通信的電波傳播機制陸地移動通信的電波傳播機制實際環(huán)境的無線實際環(huán)境的無線傳播傳播LOS和和NLOS移動信道是最復雜的通信信道，因為無線信號在傳播時會受到各種各樣的干擾。除了有線信道中的干擾外，在無線信號的傳播途中會有各種各樣的障礙物使信號產生多徑效應、陰影效應、散射和衍射產生衰落，導致信號受到地形的影響。此外天氣的變化也會使無線信號產生慢衰落。當移動臺處于高速移動的狀態(tài)下情況會更糟，信號還會產生多普勒頻移效應。所有的這些因素又會因為移動臺的移動而變化，因此移動通信信道具有以下特點：多徑傳播由多徑傳播傳播引起的多徑干擾，是指無線電波因傳輸路徑的不同引起到達時間的不同而導致接

13、收端碼元的相互干擾。它可使所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信號幅度衰落，可能引起波形展寬，因而數(shù)據(jù)傳輸速率會受到限制。移動信道中多徑的產生主要是因為龐大建筑物對信號的反射造成的。從移動臺的角度看，就是相同的信號以不同的時間和方向到達移動臺。多徑信號不但顯著地分散了信號的能量，使移動臺接收到的信號能量僅是發(fā)射信號能量的一部分，并且因為多徑信號到達移動臺所傳輸?shù)穆窂讲煌偷竭_時間的不同，而造成相位的不同。這樣多徑信號之間就會產生相互抵消的效應，造成極其嚴重的衰落現(xiàn)象，使信號的信噪比嚴重下降，影響接收效果。另外，如果是寬帶通信，信號的頻譜較寬，還會發(fā)生頻率選擇性衰落。這主要是因為針對不同的多徑情況，不同頻率產生的衰落深

14、度也不同，造成有的頻率分量完全被多徑抵消掉。所謂的瑞利衰落是指信號的電場強度的概率密度函數(shù)服從瑞利概率分布的多徑衰落。另一個對瑞利衰落的主要貢獻者則是多普勒頻率效應。在移動通信中，多徑是不可避免的，盡管它嚴重干擾通信，但人們也可以對其加以利用。比如當移動臺移動到大型建筑物后面，進入信號陰影區(qū)的時候，無線信號只能通過反射信號到達移動臺，人們可借以這種反射波和/或繞射波來保證語音的連續(xù)性。在GSM和CDMA移動通信中針對多徑傳輸?shù)募夹g措施分別是時域均衡和分集接收。 多普勒頻移在生活中我們常會遇到這樣的情形，當一輛警車迎面急駛而來時我們會覺得警笛的聲音越來越刺耳尖利，而當其遠離駛去時又變得緩和起來。

15、這就是多普勒頻移造成的頻率變化。多普勒頻移是指多徑效應不僅可使發(fā)射信號的振幅發(fā)生變化，而且可使發(fā)射信號的頻率結構發(fā)生變化，造成相位起伏不定，它導致數(shù)據(jù)信號的錯誤接收。信號陰影與傳輸損耗衰落指在接收端信號的振幅總是呈現(xiàn)出忽大忽小的隨機變化的現(xiàn)象。依據(jù)持續(xù)時間長短，衰落一般有快慢之分。當移動臺進入建筑物陰影時，因為大部分信號能量被建筑物阻擋，所以也會發(fā)生衰落，移動臺僅能接收到從其它物體反射來的信號或繞射來的信號。但這種衰落相對多徑引起的衰落來說變化速度要慢的多，所以稱之為慢衰落，它不像快衰落那樣難以對付?？焖ヂ浯蟛糠质怯捎诙鄰絺鞑ヒ?，它使得信號嚴重失真。慢衰落是由不同類型的大氣折射或行進過程中地

16、形等其它障礙物的影響而產生的。隨著頻率的增加信號電平隨時間變化的分布曲線逐漸接近瑞利分布，因此可用瑞利分布作為快衰落的最壞情況估計。 2 2. .2 2 三種基本傳播機制三種基本傳播機制 在移動通信中，影響傳播的三種最基本的機制為反射、繞射和散射。接收功率（或它的反面，路徑損耗）是基于反射、散射和繞射的大尺度傳播模型預測的最重要的參數(shù)。這三種傳播機制也描述了小尺度衰弱和多徑傳播。當電磁波遇到比波長大得多的物體時發(fā)生反射，反射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面。當接收機和發(fā)射機之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時發(fā)生繞射。由阻擋表面產生的二次波散布于空間，甚至于阻擋體的背面。當接收機和發(fā)射機之間不存在

17、視距路徑，圍繞阻擋體也產生波彎曲。在高頻波段，繞射與反射一樣，依賴于物體的形狀，以及繞射點入射波振幅、相位和極化的情況。當電磁波穿行的介質中存在小于或等于波長的物體并且單位體積內阻擋體的個數(shù)非常巨大時，發(fā)生散射。散射波產生于粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體。在實際通信系統(tǒng)中，樹葉、街道標志和燈柱都會引發(fā)散射。 1反射電波在不同性質的介質交界處，會有一部分發(fā)生反射，一部分通過。如果平面波入射到理想電介質的表面，則一部分能量進入第二個介質中，一部分能量反射回到第一介質，沒有能量損耗。如果第二介質為理想發(fā)射體，則所有能量被反射回第一介質，無能量損耗。反射波和傳輸波的電場強度取決于反射系數(shù)。反射系數(shù)為

18、材料的函數(shù)，并與極性、入射角和頻率有關。 2繞射繞射使得無線電信號繞地球曲線表面?zhèn)鞑?，能夠傳播到阻擋物后面。盡管接收機移動到阻擋體的陰影區(qū)時，接收場強衰減非常迅速，但繞射場依然存在并常常具有足夠的強度。3散射在實際移動無線環(huán)境中，接收信號比單獨繞射和反射模型預測的要強。這是因為當電波遇到粗糙表面時，反射能量由于散射而散布于所有方向。像樹、街道標志和燈柱這樣的物體在所有的方向上散射能量，這就給接收機提供了額外的能量。 3 3. .1 1 分集技術分集技術分集技術是指系統(tǒng)能同時接收并有效利用兩個或更多個輸入信號，這些輸入信號的衰落互不相關。系統(tǒng)分別解調這些信號然后將它們相加，這樣可以接收到更多的有

19、用信號，克服衰落。 移動通信信道是一種多徑衰落信道，發(fā)射的信號要經過直射、反射、散射等多條傳播路徑才能到達接收端，而且隨著移動臺的移動，各條傳播路徑上的信號負擔、時延及相位隨時隨地發(fā)生變化，所以接收到的信號的電平是起伏的、不穩(wěn)定的，這些不同相位的多徑信號相互迭加就形成衰落。迭加后的信號幅度變化符合瑞利分布，因而又稱瑞利衰落。瑞利衰落隨時間急劇變化時，稱為“快衰落”。而陰影衰落是由于地形的影響（例如建筑物的阻擋等）而造成的信號中值的緩慢變化。 分集接收是克服多徑衰落的一個有效方法，采用這種方法，接收機可對多個攜有相同信息且衰落特性相互獨立的接收信號在合并處理之后進行判決。由于衰落具有頻率、時間和

20、空間的選擇性，因此分集技術包括頻率分集、時間分集和空間分集。 減弱慢衰落的影響可采用空間分集，即用幾個獨立天線或在不同的場地分別發(fā)送和接收信號，以保證各信號之間的衰落獨立。由于這些信號在傳輸過程中的地理環(huán)境不同，所以各信號的衰落各不相同。采用選擇性合成技術選擇較強的一個輸出，降低了地形等因素對信號的影響。 根據(jù)衰落的頻率選擇性，當兩個頻率間隔大于信道的相關帶寬時，接收到的此兩種頻率的衰落信號不相關。市區(qū)的相關帶寬一般為 50kHz左右，郊區(qū)的相關帶寬一般為 250kHz左右。而碼分多址的一個信道帶寬為 1.23MHz，無論在郊區(qū)還是在市區(qū)都遠遠大于相關帶寬的要求，所以碼分多址的寬帶傳輸本身就是

21、頻率分集。時間分集是利用基站和移動臺的 Rake接收機來完成的。對于一個信道帶寬為1.23MHz的碼分多址系統(tǒng)，當來自兩個不同路徑的信號的時延差為1us，也就是這兩條路徑相差大約為 0.3Km時，Rake就可以將它們分別提取出來而不互相混淆。CDMA系統(tǒng)對多徑的接收能力在基站和移動臺是不同的。在基站處，對應與每一個反向信道，都有四個數(shù)字解調器，而每個數(shù)字數(shù)字解調器又包含兩個搜索單元和一個解調單元。搜索單元的作用是在規(guī)定的窗口內迅速搜索多徑，搜索到之后再交給數(shù)字解調單元。這樣對于一條反向業(yè)務信道，每個基站都同時解調四個多徑信號，進行矢量合并，再進行數(shù)字判決恢復信號。如果移動臺處在三方軟切換中，三

22、個基站同時解調同一個反向業(yè)務信道（空間分集），這樣最多時相當于 12個解調器同時解調同一反向信道，這在 TDMA中是不可能實現(xiàn)的。而在移動臺里，一般只有三個數(shù)字解調單元，一個搜索單元。搜索單元的作用也是迅速搜索可用的多徑。當只接收到一個基站的信號時，移動臺可同時解調三個多徑信號進行矢量合并。如果移動臺處在三方軟切換中，三個基站同時向該移動臺發(fā)送信號，移動臺最多也只能同時解調三個多徑信號進行矢量合并，也就是說，在移動臺端，對從不同基站來的信號與從不同基站來的多徑信號一起解調。但這里也有一定的規(guī)則，如果處在三方軟切換中，即使從其中一個基站來的第二條路徑信號強度大于從另外兩個基站來的信號的強度，移動

23、臺也不解調這條多徑信號，而是盡量多地解調從不同基站來的信號，以便獲得來自不同基站的功率控制比特，使自身發(fā)射功率總處于最低的狀態(tài)，以減少對系統(tǒng)的干擾。這樣就加強了空間分集的作用。CDMA系統(tǒng)中就這樣綜合利用了頻率分集、空間分集和時間分集來抵抗衰落對信號的影響，從而獲得高質量的通信性能。3 3. .2 2 信道編碼技術信道編碼技術移動通信系統(tǒng)由于信道的特殊性，為了達到一定的比特誤碼率（BER）指標，對信道編碼要求很高，主要是差錯控制編碼，也稱為糾錯編碼。差錯控制編碼的方法有：循環(huán)冗余校驗、卷積、塊交織、Turbo碼和擾碼。不同的系統(tǒng)中采用了不同的差錯控制編碼： PHS采用了循環(huán)冗余校驗和擾碼。 GSM采用了卷積、塊交織。 CDMAOne采用了循環(huán)冗余校驗、卷積、塊交織和擾碼。 CDMA2000采用了循環(huán)冗余校驗、卷積、塊交織、Turbo碼和擾碼。 3.2.1循環(huán)冗余校驗循環(huán)冗余校驗（CRC）利用循環(huán)碼，不僅可以用于檢查和糾正獨立的隨機錯誤，而且也可以用于檢查和糾正突發(fā)錯誤。在硬件方面，循環(huán)碼很容易用帶反饋的移位寄存器實現(xiàn)，循環(huán)碼正是由于其特有的碼的代數(shù)結構清晰、性能較好、編譯碼簡單和易于實現(xiàn)等優(yōu)點，成為數(shù)據(jù)通信中最常用的一種抗干擾方式。實際應用中CRC往往用于檢錯。3.2.2卷積編碼卷積編碼技術能有