移動(dòng)通信中的主要技術(shù)

第3章移動(dòng)通信系統(tǒng)內(nèi)容概要3.1移動(dòng)通信簡介3.2移動(dòng)通信中的主要技術(shù)3.3蜂窩移動(dòng)系統(tǒng)的組網(wǎng)技術(shù)3.4GSM蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)3.5GPRS系統(tǒng)3.6CDMA系統(tǒng)3.7第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)3.8第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)3.2移動(dòng)通信中的主要技術(shù)主要內(nèi)容：

3.2.1多址接入技術(shù)

3.2.2無線傳輸技術(shù)3.2.1多址接入技術(shù)在移動(dòng)通信中兩個(gè)最核心的問題是如何克服信道與用戶帶來的兩重動(dòng)態(tài)特性。上一節(jié)著重分析了移動(dòng)通信特點(diǎn)中信道的動(dòng)態(tài)性，這一章節(jié)討論用戶動(dòng)態(tài)性及其帶來的一系列問題。移動(dòng)通信與固定式有線通信的最大差異在于固定通信是靜態(tài)的，而移動(dòng)通信是動(dòng)態(tài)的。為了滿足多個(gè)移動(dòng)用戶同時(shí)進(jìn)行通信，必須解決以下兩個(gè)問題：首先是動(dòng)態(tài)尋址，其次是對(duì)多個(gè)地址的動(dòng)態(tài)劃分與識(shí)別。這就是所謂多址技術(shù)，在多址技術(shù)中重點(diǎn)研究的是利用擴(kuò)頻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)碼分多址CDMA。多址技術(shù)的基本概念所謂多址技術(shù)就是使多個(gè)用戶接入并共享同一個(gè)無線通信信道,以提高頻譜利用率的技術(shù)。即把同一個(gè)無線信道按照時(shí)間、頻率等進(jìn)行分割,使不同的用戶都能夠在不同的分割段中使用這一信道,而又不會(huì)明顯地感覺到他人的存在,就好像自己在專用這一信道一樣。占用不同的分割段就像是擁有了不同的地址,使用同一信道的多個(gè)用戶就擁有了多個(gè)不同的地址。這就是多址技術(shù),亦稱多址接入技術(shù)。多址技術(shù)的分類多址技術(shù)可分為三類：頻分多址（FDMA，F(xiàn)requencyDivisionMultipleAccess）時(shí)分多址（TDMA，TimeDivisionMultipleAccess）碼分多址（CDMA，CodeDivisionMultipleAccess）多址接入技術(shù)多址劃分從原理上看與固定通信中的信號(hào)多路復(fù)用是一樣的，實(shí)質(zhì)上都屬于信號(hào)的正交劃分與設(shè)計(jì)技術(shù)。不同點(diǎn)是多路復(fù)用的目的是區(qū)別多個(gè)通路，通常是在基帶和中頻上實(shí)現(xiàn)，而多址劃分是區(qū)分不同的用戶地址，通常需要利用射頻頻段輻射的電磁波來尋找動(dòng)態(tài)的用戶地址，同時(shí)為了實(shí)現(xiàn)多址信號(hào)之間互不干擾，信號(hào)之間必須滿足正交特性。FDMAFDMA:稱為頻分多址，即每個(gè)用戶占用一個(gè)頻道，其原理圖如下：理論上劃分：實(shí)際上的劃分：

圖.頻分多址原理圖在移動(dòng)通信中最典型的頻分多址方式有：北美：800MHz的AMPS體制；歐洲與我國：900MHz的TACS體制。FDMA第一代移動(dòng)通信是模擬式移動(dòng)通信，都采用頻分多址FDMA方式，最典型的有北美的AMPS和歐洲及我國的TACS體制。下面以TACS為例討論FDMA方式：

TACS多址劃分FDMAFDMA的主要特點(diǎn)：比較簡單、容易實(shí)現(xiàn)，適用于模擬和數(shù)字是以頻率復(fù)用為基礎(chǔ)的蜂窩結(jié)構(gòu)，以頻帶劃分各種小區(qū)需要周密的頻率規(guī)劃，是一個(gè)頻道受限和干擾受限系統(tǒng)以頻道分離用戶地址，每一頻道傳輸一個(gè)模擬/數(shù)字話路對(duì)功控要求不嚴(yán)，硬件設(shè)備取決于頻率規(guī)劃和頻道設(shè)置基站是多部不同載波頻率發(fā)射機(jī)同時(shí)工作不宜在大容量的系統(tǒng)中使用TDMATDMA:時(shí)分多址，其原理圖如下：從理論上劃分：實(shí)際上劃分：

圖.時(shí)分多址原理圖在移動(dòng)通信中最典型的時(shí)分多址方式有：北美：D-AMPS；歐洲與我國：GSM-900、DCS-1800、phs；日本：PDC。TDMA第二代移動(dòng)通信是數(shù)字式移動(dòng)通信，它主要采用兩類多址方式：一類是歐洲大多數(shù)國家采用的時(shí)分多址TDMA方式，另一類是北美等采用的碼分多址CDMA方式，我國兩類方式都有。這里先介紹最典型的TDMA方式GSM體制。TDMA在GSM中最多可以八個(gè)用戶共享一個(gè)載波，而用戶之間則采用不同時(shí)隙來傳送自己的信號(hào)。GSM一個(gè)TDMA幀的結(jié)構(gòu)圖如下所示。

GSM系統(tǒng)一個(gè)TDMA幀的結(jié)構(gòu)TDMATDMA的主要技術(shù)特點(diǎn)：每載波8個(gè)時(shí)隙信道，每個(gè)信道可提供一個(gè)數(shù)字話音用戶，因此每個(gè)載波最多可提供8個(gè)用戶。突發(fā)脈沖序列傳輸。每個(gè)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射是不連續(xù)的，只是在規(guī)定的時(shí)隙內(nèi)才發(fā)送脈沖序列。傳輸開銷大，GSM的TDMA幀層次結(jié)構(gòu)如圖所示，共分為五個(gè)層次：時(shí)隙、TDMA幀、復(fù)幀、超幀、超高幀，每個(gè)層次都需占用一些非信息位的開銷，這樣總的開銷就比較大，以致影響整體傳輸效率。TDMA

圖.GSM五層次幀結(jié)構(gòu)TDMAGSM每個(gè)信道比TACS寬8倍，傳輸速率達(dá)270.8Kbps，在這個(gè)速率上就不能不考慮多徑傳輸時(shí)延擴(kuò)展的影響。因?yàn)镚SM的碼元周期為3.7us，而繁華城區(qū)的多徑時(shí)延擴(kuò)展可達(dá)3us左右，已完全可以比擬。為了克服多徑時(shí)延擴(kuò)展，GSM采用了自適應(yīng)均衡技術(shù)，增加了設(shè)備的復(fù)雜性。GSM中由于每個(gè)載波可提供8個(gè)用戶，這8個(gè)用戶由于時(shí)分特性可以共用一套收、發(fā)設(shè)備，因此與FDMA比較，減少了七倍的用戶設(shè)備，降低了成本。GSM是數(shù)字式移動(dòng)通信，它對(duì)新技術(shù)是開放的，這里的開放是指對(duì)新技術(shù)適應(yīng)性比模擬的FDMA強(qiáng)。GSM的時(shí)隙結(jié)構(gòu)靈活，不僅可以適應(yīng)不同數(shù)據(jù)速率(一般指單個(gè)信道速率低于8倍的整數(shù)倍)的數(shù)據(jù)傳送，還可以利用時(shí)隙的空閑省去雙工器(利用時(shí)隙間切換)。CDMA它是第二代移動(dòng)通信中的兩種主要多址方式中除TDMA以外的另一種形式，最典型的是IS-95。在第三代移動(dòng)通信中，五種體制中最主要的三種也是采用CDMA，它們是FDD的CDMA2000、FDD的WCDMA，與TDD的TD-SCDMA。CDMACDMA系統(tǒng)主要特點(diǎn)：每個(gè)基站只需一個(gè)射頻系統(tǒng)小區(qū)內(nèi)以CDMA建立信道連接每個(gè)碼傳輸一路數(shù)字信號(hào)各用戶共享頻率和時(shí)間是一個(gè)多址干擾受限系統(tǒng)需要相當(dāng)嚴(yán)格的功率控制需要定時(shí)同步具有軟容量具有軟切換能力語音激活技術(shù)可擴(kuò)大系統(tǒng)容量抗衰落、抗多徑能力強(qiáng)SDMASDMA:SpaceDivisionMultipleAccess空分復(fù)用接入，其原理圖如下：

圖

空分多址原理圖空分地址的實(shí)現(xiàn)是利用無線的方向性波束，將服務(wù)區(qū)(小區(qū)內(nèi))劃分為不同的子空間進(jìn)行空間正交隔離。移動(dòng)通信中的扇區(qū)天線可以看作是SDMA的一種基本實(shí)現(xiàn)方式。智能式自適應(yīng)天線是將來移動(dòng)通信中準(zhǔn)備采用的一項(xiàng)新的關(guān)鍵技術(shù)，是典型的空分方式。SDMA空分多址（SDMA）是一種新發(fā)展的多址技術(shù)，在由中國提出的第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)TD－SCDMA中就應(yīng)用了SDMA技術(shù)。應(yīng)用SDMA的優(yōu)勢是明顯的：它可以提高天線增益，使得功率控制更加合理有效，顯著地提升系統(tǒng)容量；此外一方面可以削弱來自外界的干擾，另一方面還可以降低對(duì)其他電子系統(tǒng)的干擾。SDMA實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵是智能天線技術(shù)，這也正是當(dāng)前應(yīng)用SDMA的難點(diǎn)。特別是對(duì)于移動(dòng)用戶，由于移動(dòng)無線信道的復(fù)雜性，使得智能天線中關(guān)于多用戶信號(hào)的動(dòng)態(tài)捕獲、識(shí)別與跟蹤以及信道的辨識(shí)等算法極為復(fù)雜，從而對(duì)DSP（數(shù)字信號(hào)處理）提出了極高的要求。OFDMAOFDMA（OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，正交頻分多址）是第四代移動(dòng)通信的核心技術(shù)，典型代表是LTE、WiMax等移動(dòng)通信體制。學(xué)術(shù)界與工業(yè)界主流觀點(diǎn)認(rèn)為，只有OFDMA才能夠滿足ITU第四代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)——IMT-Advanced的技術(shù)要求。OFDMA系統(tǒng)中，整個(gè)信道帶寬被劃分為多個(gè)正交的子載波，每個(gè)用戶分配不同的子載波組用于承載業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。一般的，OFDMA的子載波映射方式有三種，集中映射、分布映射與隨機(jī)映射。OFDMA分布式映射將子載波劃分為多組，每組子載波分別映射為不同用戶，因此每個(gè)用戶的子載波均勻分布在整個(gè)信號(hào)帶寬中；集中映射則將一組連續(xù)子載波分配給同一個(gè)用戶，因此每個(gè)用戶的信號(hào)在整個(gè)帶寬中集中分布；隨機(jī)映射按照某種隨機(jī)規(guī)則，在系統(tǒng)可用子載波集合中，對(duì)用戶的子載波進(jìn)行隨機(jī)分配，因此用戶信號(hào)隨機(jī)分布在整個(gè)帶寬中。

OFDMA這三種映射方式中，隨機(jī)映射和分布式映射由于用戶信號(hào)分布于整個(gè)系統(tǒng)帶寬，因此能夠獲得頻率分集增益，性能要優(yōu)于集中映射。但后者實(shí)現(xiàn)簡單，并且通過上層調(diào)度，可以彌補(bǔ)分集增益的損失，因此實(shí)際的LTE、WiMax系統(tǒng)中，主要采用集中映射方式。

OFDMAOFDMAOFDMA系統(tǒng)的主要干擾是相鄰小區(qū)的同頻干擾(共道干擾)。為了抑制同頻干擾，小區(qū)間干擾協(xié)調(diào)是OFDMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一。另外，同步技術(shù)、峰平比抑制技術(shù)、分組調(diào)度以及信道估計(jì)等，也都是OFDMA的核心技術(shù)，尤其是MIMO技術(shù)與OFDMA技術(shù)的組合，已經(jīng)成為第四代移動(dòng)通信體制的基石。OFDMAOFDMA系統(tǒng)的容量既不同于CDMA的軟容量，也不同于傳統(tǒng)的FDMA、TDMA的硬容量，可以稱之為動(dòng)態(tài)容量。由于現(xiàn)代信號(hào)處理與跨層優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用，物理層的鏈路自適應(yīng)與MAC層的分組調(diào)度技術(shù)相結(jié)合，能夠根據(jù)信道狀態(tài)為OFDMA用戶動(dòng)態(tài)分配無線資源，自適應(yīng)調(diào)整鏈路速率，從而有效提高了系統(tǒng)容量。

3.2.2無線傳輸技術(shù)1、調(diào)制技術(shù)調(diào)制：對(duì)信號(hào)源的編碼信息進(jìn)行處理，使其變?yōu)檫m合信道傳輸形式的過程?；鶐盘?hào)：信號(hào)源編碼信息含有直流分量和頻率較低的交流分量。調(diào)制——改變高頻載波的幅度、相位或者頻率使其隨基帶信號(hào)幅度變化而變化解調(diào)——將基帶信號(hào)從載波中提取出來以便預(yù)定的接受者處理和理解調(diào)制方式選擇：抗干擾能力強(qiáng)、能適應(yīng)快慢衰落信道、占用較小帶寬、帶外輻射小數(shù)字調(diào)制技術(shù)分類：按信號(hào)相位是否連續(xù)——相位連續(xù)的和相位不連續(xù)的按信號(hào)包絡(luò)是否恒定——恒定包絡(luò)和非恒定包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)要求：高帶寬效率、高功率效率、低帶外輻射、多多徑衰落不敏感、恒定包絡(luò)、低成本、易實(shí)現(xiàn)等高斯濾波最小頻移鍵控GMSK調(diào)制（GSM系統(tǒng)）正交頻分復(fù)用調(diào)制OFDM（3G-4G）3.2.2無線傳輸技術(shù)3.2.2無線傳輸技術(shù)2、分集技術(shù)通過兩個(gè)或更多的接收支路（基站和移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)）來補(bǔ)償信道損耗，即分散傳輸和集中處理。分類：按信號(hào)傳輸方式——顯分集和隱分集按分集的目的——宏分集和微分集按涉及資源——空間分集、頻率分集、時(shí)間分級(jí)、極化分級(jí)3.2.2無線傳輸技術(shù)3、均衡技術(shù)均衡——對(duì)信道均衡，即接收端的均衡器產(chǎn)生與信道相反的特性，用來抵消信道的時(shí)變多經(jīng)傳播引起的碼間干擾。分類：頻域均衡——使總的傳輸滿足無失真?zhèn)鬏敆l件時(shí)域均衡——使總的沖擊響應(yīng)滿足無碼間干擾的條件（數(shù)字通信）3.2.2無線傳輸技術(shù)4、信道編碼技術(shù)通過在發(fā)送信息時(shí)加入冗余的數(shù)據(jù)位來改善通信鏈路的性能。發(fā)射機(jī)——在基帶部分，使用信道編碼器把一段數(shù)字序列映射成另一段包含更多數(shù)據(jù)比特的碼序列。接收機(jī)——用信道編碼來監(jiān)測或糾正。分類：分組編碼和卷積編碼3.2.2無線傳輸技術(shù)5、跳頻技術(shù)使用偽碼隨機(jī)設(shè)定頻率合成器，使發(fā)射機(jī)的振蕩頻率在很寬的范圍內(nèi)不斷地改變，從而使射頻在一個(gè)很寬的范圍內(nèi)變化，形成一個(gè)寬帶離散頻譜。優(yōu)點(diǎn)：抗多徑、抗同頻干擾、抗衰落3.2.2無線傳輸技術(shù)6、直接序列擴(kuò)頻技術(shù)直接序列擴(kuò)頻是高安全性高抗擾性的一種無線序列型號(hào)傳輸方式，英文全稱DirectSequenceSpreadSpectrum，簡稱直擴(kuò)方式（DS方式）。直接序列擴(kuò)頻通過利用高速率的擴(kuò)頻序列在發(fā)射端擴(kuò)展信號(hào)的頻譜，而在接收端用相同的擴(kuò)頻碼序列進(jìn)行解擴(kuò)，把展開的擴(kuò)頻信號(hào)還原成原來的信號(hào)。優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)、抗多徑干擾能力強(qiáng)、抗截獲能力強(qiáng)、可同頻工作、便于實(shí)現(xiàn)多址通信、直擴(kuò)通信速率高缺點(diǎn)：頻道數(shù)減少、帶寬增大、信息量增大3.2.2無線傳輸技術(shù)7、智能天線技術(shù)隨著社會(huì)信息交流需求的急劇增加、個(gè)人移動(dòng)通信的迅速普及，頻譜已成為越來越寶貴的資源。智能天線采用空分復(fù)用(SDMA)，利用在信號(hào)傳播方向上的差別，將同頻率、同時(shí)隙的信號(hào)區(qū)分開來。它可以成倍地?cái)U(kuò)展通信容量，并和其他復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，最大限度地利用有限的頻譜資源。另外在移動(dòng)通信中，由于復(fù)雜的地形、建筑物結(jié)構(gòu)對(duì)電波傳播的影響，大量用戶間的相互影響，產(chǎn)生時(shí)延擴(kuò)散、瑞利衰落、多徑、共信道干擾等，使通信