第四章 移動通信網(wǎng)絡的典型技術應用教材

1、第四章移動通信網(wǎng)絡的典型技術應用移動通信概述電子工程學院2學習目標n頻分多址接入n時分多址接入n碼分多址接入n正交頻分多址接入n資源再用手段n影響通話質(zhì)量的若干因素移動通信概述電子工程學院3頻分多址接入n典型系統(tǒng)nGSM網(wǎng)絡移動通信概述電子工程學院4頻分多址接入nGSM網(wǎng)絡中n總帶寬為25 MHzn每條子頻帶為200 KHzn頻域共有125條物理信道n只有124條可用信道2信道1 信道N信道1 信道N收發(fā)間隔 信道帶寬功率時間移動臺收（基站發(fā)）移動臺發(fā)（基站收）圖41FDMA示意圖移動通信概述電子工程學院6時分多址接入n典型系統(tǒng)nGSM網(wǎng)絡移動通信概述電子工程學院7nGSM網(wǎng)絡中n時間被分割成

2、周期性的TDMA幀n每一TDMA幀再分割成若干個時隙TS (Time Slot)，使得多個用戶可以在同一頻率進行通信時分多址接入圖42TDMA示意圖移動通信概述電子工程學院9在GSM網(wǎng)絡中，每個載頻被分割成時隙，每個時隙為在時隙中傳輸?shù)男畔⒈环Q為突發(fā)(burst)。同一個載頻上，個時隙組成一個TDMA幀，msTslot5769. 0msTTslotTDMA6152. 48時分多址接入移動通信概述電子工程學院10nTDMA系統(tǒng)中，時隙設計需考慮n控制和信令信息的傳輸n多徑傳播的影響n系統(tǒng)的同步時分多址接入移動通信概述電子工程學院11n應采取的措施n在每個時隙中，專門劃出部分比特用于控制和信令信息

3、的傳輸n在時隙中插入自適應均衡器所需的訓練序列，來克服多徑傳播引起的碼間干擾n在上行鏈路的每個時隙中預留一定的保護間隔，防止兩個連續(xù)的時隙出現(xiàn)重疊n在每個時隙中插入傳輸同步序列時分多址接入移動通信概述電子工程學院12n典型系統(tǒng)n窄帶CDMA網(wǎng)絡n寬帶CDMA網(wǎng)絡n碼分多址接入移動通信概述電子工程學院13n各個移動臺使用由系統(tǒng)分配的、特殊的、不同的碼型n每一個比特時間劃分為m個短的間隔，稱為碼片(chip)碼分多址接入移動通信概述電子工程學院14n每個移動臺被指派一個唯一的m bit碼片序列。n如發(fā)送1，發(fā)送自己的m bit 碼片序列n如發(fā)送0，發(fā)送該碼片序列的二進制反碼nS 站的 8 bit

4、碼片序列是 00011011。n發(fā)送1時，就發(fā)送序列 00011011，n發(fā)送0時，就發(fā)送序列 11100100。nS 站的碼片序列：(1 1 1 +1 +1 1 +1 +1) 碼分多址接入移動通信概述電子工程學院15n每個移動臺分配的碼片序列必須各不相同n還必須互相正交(orthogonal)碼分多址接入移動通信概述電子工程學院16n假設向量S表示移動臺S的碼片向量，令T 表示其他任意站的碼片向量n兩個不同移動臺的碼片序列正交，即向量 S和T的規(guī)格化內(nèi)積(inner product)為0 碼片序列的正交關系011miiiTSmTS(4-1)移動通信概述電子工程學院17n令向量S為(1 1 1

5、 +1 +1 1 +1 +1)，向量T為(1 1 +1 1 +1 +1 +1 1)n把向量S和T的各分量值代入式(4-1)就可知兩個碼片序列是正交的碼片序列的正交關系移動通信概述電子工程學院18n任何一個碼片向量和該碼片向量自己的規(guī)格化內(nèi)積都是1n一個碼片向量和該碼片反碼的向量的規(guī)格化內(nèi)積值是1 碼片序列的正交關系mimiimiiimSmSSm112211) 1(111SS移動通信概述電子工程學院19CDMA工作原理S 站的碼片序列 S S110ttttttm 個碼片tS 站發(fā)送的信號 S Sx xT 站發(fā)送的信號 T Tx x總的發(fā)送信號 S Sx x + T Tx x規(guī)格化內(nèi)積 S S S

6、 Sx x規(guī)格化內(nèi)積 S S T Tx x數(shù)據(jù)碼元比特發(fā)送端接收端圖43CDMA示意圖移動通信概述電子工程學院20OFDMA工作原理nOrthogonal Frequency Division Multiple Accessn正交頻分多址接入nOFDM+FDMA+TDMA技術相結合的多址接入方式n應用于WiMAX (IEEE 802.16e)、4G網(wǎng)絡移動通信概述電子工程學院21OFDMA工作原理n在頻域內(nèi)將給定信道分成許多個正交子信道n每個子信道上使用一個子載波進行調(diào)制n各子載波并行傳輸n數(shù)據(jù)先進行串并變換，再將并行信號分別進行調(diào)制并合并成一個OFDM符號圖44OFDMA示意圖移動通信概述電

7、子工程學院23OFDMA特點n各子載波相互正交，擴頻調(diào)制后的頻譜可以相互重疊n減少了載波間的相互干擾n提高了頻譜利用率n很好地抵抗頻率選擇性衰落移動通信概述電子工程學院24無線信道要解決的問題n自由空間的傳播損耗和陰影衰落主要影響到無線區(qū)域的覆蓋，通過合理的設計就可以消除這種不利影響n在無線通信系統(tǒng)中，重點要解決時間選擇性衰落和頻率選擇 性 衰 落 。 采 用OFDM技術可以很好的解決這兩種衰落對無線信道傳輸造成的不利影響移動通信概述電子工程學院25OFDMn正交頻分復用OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing)是一種多載波傳輸方式移動通

8、信概述電子工程學院26OFDM實現(xiàn)原理nOFDM技術中各個子載波之間相互正交且相互重疊，可以最大限度地利用頻譜資源nOFDM是一種多載波并行調(diào)制方式，將符號周期擴大為原來的N倍，從而提高了抗多徑衰落的能力nOFDM可以通過IFFT (快速傅立葉反變換)和FFT (快速傅立葉變換)分別實現(xiàn)OFDM的調(diào)制和解調(diào)圖45OFDM原理圖移動通信概述電子工程學院28OFDM的關鍵技術n保護間隔GI (Guarding Interval)n循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)n同步技術n信道估計n降峰均比技術移動通信概述電子工程學院29保護間隔路徑路徑2路徑1的第二個符號和路徑2的第一個符號形成干擾

9、 路徑路徑1多徑效應將引起符號間干擾ISI (Inter-Symbol Interference) 移動通信概述電子工程學院30保護間隔保護間隔GI (Guarding Interval)路徑路徑2路徑路徑 1保護間隔保護間隔n加入保護間隔避免符號間干擾n當保護間隔的長度超過信道最大延遲，一個符號的多徑分量不會干擾下一個符號 移動通信概述電子工程學院31保護間隔子載波子載波 1帶有時延的子載波帶有時延的子載波 2保護間隔保護間隔OFDM信號的積分區(qū)間信號的積分區(qū)間子載波子載波 2對子載波對子載波1帶來的帶來的ICI干擾干擾n引入保護間隔后，積分區(qū)間內(nèi)不再具有整數(shù)個子載波，子載波間的正交性被破壞

10、，兩個子載波之間會產(chǎn)生載波間的干擾 ICI (Inter-Channel Interference) 移動通信概述電子工程學院32循環(huán)前綴幅度保護間隔保護間隔FFT 積分時長積分時長 OFDM 符號長度符號長度n循環(huán)前綴是此符號后一段樣點值的重復，加入循環(huán)前綴的目的是不破壞子載波間的正交性； n只要每個路徑的時延小于保護間隔，F(xiàn)FT的積分時間長度就可以包含整數(shù)個多徑子載波波形。循環(huán)前綴CP (Cyclic Prefix)循環(huán)前綴循環(huán)前綴時間移動通信概述電子工程學院33同步技術nOFDM系統(tǒng)要求n載波同步n實現(xiàn)接收信號的相干解調(diào)n樣值同步n使接收端的取樣時刻與發(fā)送端完全一致n符號同步n區(qū)分每個O

11、FDM符號塊的邊界，因為每個OFDM符號塊包含N個樣值n與單載波系統(tǒng)相比，OFDM系統(tǒng)對同步精度的要求更高，同步偏差會在OFDM系統(tǒng)中引起ISI及ICI圖46OFDM原理圖移動通信概述電子工程學院35信道估計n目的n受信道的影響，信號在信道傳輸過程中可能會出現(xiàn)失真，因此必須在接收端進行信道估測，把信道的影響估計出來，達到對信號進行精確還原的目的n加入循環(huán)前綴后的OFDM系統(tǒng)可等效為N個獨立的并行子信道n如果不考慮信道噪聲，個子信道上的接收信號等于各自子信道上的發(fā)送信號與信道的頻譜特性的乘積n如果通過估計方法預先獲知信道的頻譜特性，將各子信道上的接收信號與信道的頻譜特性相除，即可實現(xiàn)接收信號的正

12、確解調(diào)。移動通信概述電子工程學院36信道估計n常見的信道估計方法n基于導頻信道n基于導頻符號(參考信號)n多載波系統(tǒng)具有時頻二維結構，因此采用導頻符號的輔助信道估計更靈活移動通信概述電子工程學院37導頻符號輔助方法n在發(fā)送端的信號中某些固定位置插入一些已知的符號和序列(訓練序列)，在接收端利用這些導頻符號和導頻序列按照某些算法進行信道估計n多載波系統(tǒng)中，通常在時間軸和頻率軸兩個方向同時插入導頻符號，在接收端提取導頻符號估計信道傳輸函數(shù)Normal CP下單天下單天線口的導頻圖樣線口的導頻圖樣Normal CP下兩天下兩天線口的導頻圖樣線口的導頻圖樣圖47OFDM原理圖移動通信概述電子工程學院3

13、9降峰均比技術n時域上，OFDM信號是路正交子載波信號的疊加，當這路信號按相同極性同時取最大值時，OFDM信號將產(chǎn)生最大的峰值n該峰值信號的功率與信號的平均功率之比，稱為峰值平均功率比，簡稱峰均比(PAPR)n在OFDM系統(tǒng)中，PAPR與有關，越大，PAPR的值越大n=1024時，PAPR可達30dBn大的PAPR值，對發(fā)送端的功率放大器的線性度要求很高，并降低功放效率移動通信概述電子工程學院40降峰均比技術nOFDM系統(tǒng)中采用了信號預畸變技術降低峰均比n實現(xiàn)原理n在信號被送到放大器之前，首先經(jīng)過非線性處理，對有較大峰均比的信號進行預畸變，使其不會超出放大器的動態(tài)變化范圍，從而避免過大的峰均比

14、出現(xiàn)n實現(xiàn)手段n限幅n壓縮擴張移動通信概述電子工程學院41限幅n作用n信號經(jīng)過非線性部件之前進行限幅，可以使得峰值信號低于所期望的最大電平值n導致的問題n會對系統(tǒng)造成自身干擾n會導致帶外輻射功率值的增加n解決方法n利用其他非矩形窗函數(shù)對OFDM符號進行時域加窗圖48對OFDM信號時域加窗移動通信概述電子工程學院43壓縮擴張n把大功率發(fā)射信號壓縮，而把小功率發(fā)射信號進行放大，從而可以使得發(fā)射信號的平均功率相對保持不變。移動通信概述電子工程學院45資源再用n蜂窩小區(qū)n在移動通信中，被一個基站覆蓋的地理范圍移動通信概述電子工程學院46n典型的六邊型模式n區(qū)群(motif)n包含了一組信道的、最小的蜂

15、窩小區(qū)群n規(guī)范中建議n一個區(qū)群中，信道(同一頻率)僅僅只能出現(xiàn)一次n頻率再用距離：兩個使用同一頻率的發(fā)射機間的最小距離區(qū)群移動通信概述電子工程學院47n組成區(qū)群的條件n區(qū)群之間可以鄰接，且無空隙無重疊地進行覆蓋n鄰接之后的區(qū)群應保證各個相鄰同信道小區(qū)之間的距離相等區(qū)群111111111112222224444444444333333圖45N=4的區(qū)群移動通信概述電子工程學院49n載干比：C/(I+N)nC：收到的信號功率nI：同頻干擾和鄰頻干擾nN：接收機系統(tǒng)本身的噪聲n載干比門限值越小，頻率再用距離就越小，區(qū)群就越小。區(qū)群移動通信概述電子工程學院50n同頻小區(qū)的再用距離：式中，N為區(qū)群中的小

16、區(qū)數(shù)，R為小區(qū)的外接圓半徑。RND3區(qū)群(4-2)11111111111圖46再用距離DR相對于一個蜂窩小區(qū)來說，和它使用同頻的蜂窩小區(qū)的中心都位于一個同心圓上。移動通信概述電子工程學院52定向天線n在移動通信網(wǎng)絡中，可采用每個天線覆蓋一個蜂窩小區(qū)。n每個基站收發(fā)器BTS (Base Transceiver Station)采用三副120扇形輻射的定向天線。n這三副天線在邏輯上由同一個BSC管理，它們使用不同的頻率。圖47GSM中定向天線的應用GSM中常見的最小區(qū)群移動通信概述電子工程學院54影響通信質(zhì)量的因素n一個網(wǎng)絡允許5%10%的手機的接收電平低于系統(tǒng)規(guī)定的門限值。nGSM規(guī)范中規(guī)定保證

17、正常運作的C/I值為9 dB，最小的區(qū)群所含小區(qū)數(shù)等于9。圖48C/I值和區(qū)群大小的關系xP(C/Ix dB)假設陰影效應帶來的衰減為7 dB和取值3.5移動通信概述電子工程學院56影響通信質(zhì)量的因素n電磁波的傳播是開放式的n外界電磁干擾的影響比接收機自身噪聲的影響要大得多n必須同時考慮噪聲和干擾的影響移動通信概述電子工程學院57影響通信質(zhì)量的因素n系統(tǒng)的C/(I+N)通信質(zhì)量，但是C/(I+N)與發(fā)射功率無關。n必 須 考 慮 C / I ( 無 噪 聲 時 ) 和 E c / N o (Ec/NoC/N) (無干擾時) ，還有各自對應的安全間隔功率。nEc：每個bit的能量nNo：噪聲頻譜密度移動通信概述電子工程學院58小區(qū)門限C/(I+N) 9dB5dB3dB安全間隔C/I=9dBEc/N0=dB門限影響通信質(zhì)量的因素移動通信概述電子工程學院59影響通信質(zhì)量的因素n必須考慮相鄰信道的影響nGSM規(guī)范中，建議運營商在該門限值的基礎上加一個安全間隔值ACS (Adjacent Channel