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“新一代移动通信工程教学PPT第2章移动通信系统的基本技术课件”1、本章内容本章内容2.12.1无线电波传播理论与特征无线电波传播理论与特征2.22.2抗衰落技术抗衰落技术2.32.3调制技术调制技术2.42.4多址技术多址技术2.52.5蜂窝掩盖技术蜂窝掩盖技术2.62.6信道配置信道配置2.72.7话务量话务量2.82.8综合工程案例综合工程案例2.12.1无线电波传播理论与特征无线电波传播理论与特征从某种意义上来说，对移动无线电波传播特性的讨论就是对移动信道特性的讨论。在传播过程中，无线电波主要受三种物理现象的影响：反射、绕射和散射。图2.1描述了电波的三种传播方式。2.12.1无线电波传播理论与特征无线电波传播2、理论与特征图图2.12.1电波的传播方式电波的传播方式2.12.1无线电波传播理论与特征无线电波传播理论与特征反射反射反射是指电磁波在传播的过程中遇到一个尺寸远大于其波长的物体（如地球、建筑物和墙壁表面）而产生的物理现象。绕射绕射/衍射衍射绕射/衍射是指放射机和接收机之间的无线路径被尖锐、不规章的物体表面或小的缺口（洞）阻挡而发生的物理现象。2.12.1无线电波传播理论与特征无线电波传播理论与特征散射散射散射是由一个或者多个尺寸远小于其波长的本地障碍物引起电磁波偏离原来传播方向的物理现象。2.12.1无线电波传播理论与特征无线电波传播理论与特征无线信道的一个典型特征是“衰落衰3、落现象，即信号幅度在时间和频率上的波动。衰落的一般表现：随信号传播距离变化而导致的传播损耗和弥散；由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电磁波的遮挡所引起的衰落，一般称为阴影衰落；2.12.1无线电波传播理论与特征无线电波传播理论与特征无线电波在传播路径上受到四周环境中地形地物的作用而产生的反射、绕射和散射，使得其到达接收机时是从多条路径传来的多个信号的叠加，这种多径传播所引起的信号在接收端幅度、相位和到达时间的随机变化将导致严峻的衰落，即所谓多径衰落。2.12.1无线电波传播理论与特征无线电波传播理论与特征多普勒频移：多普勒频移：移动台在传播径向方向的运动将使接收信号产生多4、普勒（DoPPIer）效应，其结果会导致接收信号在频域的扩展，同时转变了信号电平的变化率。2.1 2.1无线电波传播理论与特征无线电波传播理论与特征移动移动传播模型传播模型：大尺度传播模型大尺度模型主要用于描述放射机与接收机之间长距离（几百或几千米）上信号强度的变化，主要包括路径传输损耗和阴影衰落。小尺度传播模型小尺度模型主要用于描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内接收信号强度的快速波动，主要是无线信道的多径导致的。2.12.1无线电波传播理论与特征无线电波传播理论与特征移动移动传播模型传播模型：大尺度传播模型表征了接收信号在肯定时间内随传播距离和环境的变化而呈现的变化，一般变化较为5、缓慢。小尺度传播模型主要效应表现为：经过短距和短时传播后信号强度的急速变化，在不同多径信号上存在时变的多普勒频移引起的随机频率调制，多径传播时延引起的时间弥散。2.12.1无线电波传播理论与特征无线电波传播理论与特征n2.22.2抗衰落技术抗衰落技术LL分集技术分集技术分集就是在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在同一时刻经受深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰落程度就会减小。2.22.2抗衰落技术抗衰落技术分集有两重含义含义:一是分散传输二是集中处理2.22.2抗衰落技术抗衰落技术分集技术的分类有多种方式。根据接收信号样值的结构与统计特性，可分为6、空间、频率、时间3大基本类型；按集合、合并方式划分，可分为选择合并、等增益合并与最大比值合并；其他2.22.2抗衰落技术抗衰落技术2.2.均衡技术均衡技术均衡技术是指各种用来处理码间干扰（ISl）的算法和实现方法。均衡可以分为时域均衡和频域均衡。时域均衡的目的是使总的冲激响应满意无码间干扰的条件。频域均衡的目的是使总的传输函数（信道传输函数和均衡器传输函数）满意无失真传输条件，即校正幅频特性和群时延特性。2.22.2抗衰落技术抗衰落技术2.2.均衡技术均衡技术I时域均衡器一般可以分为线性与非线性两大类。两大类均衡器的差别主要在于均衡器输出被用于反馈掌握的方法。2.22.2抗衰落技术7、抗衰落技术22均衡技术均衡技术常用的非线性均衡器类型有判决反馈均衡器（DFE）、最大似然序列估量器（MLSE）、最大似然符号检测器（MLSD）。非线性均衡器的性能一般比线性均衡器的性能更好，特殊是在信道中存在深度衰落导致失真严峻时。2.22.2抗衰落技术抗衰落技术2.2.均衡技术均衡技术I根据均衡器的结构形式划分，主要分为横向均衡器、格形均衡器等。I根据均衡器的准则来划分，主要有最小均方误差准则MMSE.破零准则ZF、最大似然序列估量准则MLSE等。I根据均衡算法来划分,有最小均方算法LMS,递归最小二乘算法RLS、快速递归最小乘法、均方根递归最小二乘算法、梯度递归最小二乘算法。2.28、2.2抗衰落技术抗衰落技术2.2.均衡技术均衡技术目前采纳频域均衡的技术有单载波和多载波两种。常用的频域均衡方法是迫零均衡和最小均方误差均衡。2.22.2抗衰落技术抗衰落技术22均衡技术均衡技术自适应均衡器是一个时变滤波器，它必需动态地调整其特性和参数，使其能够跟踪信道的变化，通过在自适应过程中进行变换产生期望响应的估量，使滤波器输出尽量靠近盼望回复的信号。2.22.2抗衰落技术抗衰落技术3.RAKE3.RAKE接收机接收机由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。2.2 2.2抗衰落技术抗衰落技术3.RAKE3.RAK9、E接收机接收机RAKE接收机的原理就是使用相关接收机组，对每个路径使用一个相关接收机,各相关接收机与同一期望（被接收的）信号的一个延迟形式（即期望信号的多径重量之一）相关，然后这些相关接收机的输出（称为耙齿输出）依据它们的相对强度进行加权，并把加权后的各路输出相加,合成一个输出。2.22.2抗衰落技术抗衰落技术44信道编码技术信道编码技术信道编码通过在传输数据中引入冗余来避开数字数据在传输过程中消失差错。用于检测差错的信道编码称为检错编码，而既可检错又可纠错的信道编码称为纠错编码。2.22.2抗衰落技术抗衰落技术4.4.信道编码技术信道编码技术信道编码通过在传输数据中引入冗余来避开10、数字数据在传输过程中消失差错。用于检测差错的信道编码称为检错编码，而既可检错又可纠错的信道编码称为纠错编码。检错码和纠错码有三种基本类型：分组码、卷积码和Turbo码。2.32.3调制技术调制技术1.高阶调制技术高阶调制高阶调制的优势：它能够在有限带宽下很好地实现高速数据传输，并且可以在很大程度上提高频谱利用率。M进制的数字调制,一般可以分为MASK、MPSK、MQAM和MFSK,它们属于无记忆的线性调制。一般认为在阶数M8时为高阶调制。2.32.3调制技术调制技术在将来移动通信的进展中，高阶调制也必定是一种提高频谱利用率的有力措施。eg.LTE采纳了64QAM的调制方式。2.32.11、3调制技术调制技术2.扩频通信技术扩频通信（SpreadSpectrum,SS）是指在发送端用宽带高速伪随机码对窄带低速信息数据进行调制，使其带宽被扩展；在接收端使用相同伪随机码与收到的宽带信号作相关运算，还原出窄带信息数据的处理过程。扩频和解扩的过程如图2.2所示。2.32.3调制技术调制技术发送端的处理称为扩频，接收端的处理称为解扩。2.32.3调制技术调制技术2.32.3调制技术调制技术扩频通信系统有三种实现方式I直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)I调频扩频(Frequency-HoppingSpreadSpec12、trum,FHSS)I跳时扩频(Time-HoppingSpreadSpectrum,THSS)o2.32.3调制技术调制技术CDMA采纳直接序列扩频通信技术,CDMA扩频通信系统组成如图2.3所示。2.32.3调制技术调制技术3.0FDM技术正交频分复用(OFDM)技术是一种多载波传输调制技术。OFDM技术的原理是将高速数据流通过串并转换，安排到传输速率相对较低的若干个相互正交的子信道中进行传输。2.32.3调制技术调制技术3.0FDM技术由于每个子信道中的符号周期会相对增加，因此可以减轻由无线信道的多径扩展带来的影响，并且可以在OFDM符号之间插入爱护间隔，使爱护间隔大于无13、线信道的最大时延扩展,从而最大限度消退由于多径带来的符号间干扰(ISI),而且采纳循环前缀作为爱护间隔，从而可以避开多径带来的子载波间干扰(ICI)。2.32.3调制技术调制技术3.0FDM技术图2.4所示为LTE下行物理信道的基带信号处理流程。2.32.3调制技术调制技术3.0FDM技术图2.5为LTE下行多址接入方式OFDMA的示意图。2.32.3调制技术调制技术3.0FDM技术LTE上行多址方式如图2.6所示。2.32.3调制技术调制技术4.5G中的调制技术非正交多址技术（Non-OrthogonalMultipleAccess,NOMA）是在OFDM的基础上增加了一14、个维度功率域。新增这个功率域的目的是，利用每个用户不同的路径损耗实现多用户复用。近两年来资源非独占的用户多址接入方式广受关注。在这种多址接入方式下，没有任何一个资源维度下的用户是具有独占性的，因此在接收端必需进行多个用户信号的联合检测。2.32.3调制技术调制技术4.5G中的调制技术5G新型多址的设计将从物理层最基本的调制映射等模块动身，引入功率域和码域的混合非正交编码叠加，同时在接收端引入多用户联合检测来实现非正交数据层的译码，其统一框架如图2.7所示。（a）现有4G网络正交多址接入物理层过程2.32.3调制技术调制技术4.5G中的调制技术（b）将来5G网络码域和功率域非正交多址接入15、物理层过程2.42.4多址技术多址技术多址多址是多用户共享同一开放信道资源，在区分各自用户的同时，尽可能降低用户之间的干扰的一种多用户通信方式。实现多址的方法基本上有三种：频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）。这三种方式分别从频率、时间或扩频码等方面区分不同的用户。2.42.4多址技术多址技术LL频分多址频分多址频分多址指通信资源的共享通过安排频带来完成。eg日常生活中使用的收音机就是FDMA的应用范例。2.42.4多址技术多址技术1.1.频分多址频分多址在蜂窝移动通信系统总，FDMA把通信系统的总频段划分成若干个等间隔的互不重叠的频道，每个频道可以16、传输一路话音信息，下图是FDMA的示意图。信道1信道2信道3信道N功率频率时间2.42.4多址技术多址技术LL频分多址频分多址FDMA的主要技术特点：1每个信道传送一路电话，带宽较窄。I可以连续传输，只要给移动台安排了信道，移动台与基站之间会连续不断收、发信号。I实现简洁。2.42.4多址技术多址技术2.2.时分多址时分多址时分多址指通信资源的共享通过安排给用户不同的时隙来完成。这种技术是在发送端对所发送信号的时间参量进行正交分割，形成很多互不重叠的时隙,如图所示。功率频率时间信道1信道2信道3信道N2.42.4多址技术多址技术2.2.时分多址时分多址TDMA数字移动通信系统与17、FDMA模拟移动通信系统相比，主要有以下特点：TDMA通信系统的基站只用一部放射机，可以避开FDMA通信系统多部不同频率放射机同时工作而产生的互调干扰。TDMA通信系统不存在频率安排问题，对时隙的管理和安排对比频率的管理和安排简洁而经济。移动台只在指定的时隙中接收信息，有利于通信网络的掌握和管理，可保证移动台越区切换功能的牢靠实现。2.42.4多址技术多址技术2.2.时分多址时分多址可同时供应多种业务，使系统的通信容量和通信速率成倍增长。TDMA通信系统具有精确的定时和同步功能，可保证各移动台发送的信号不会在基站发送重叠和混淆。2.42.4多址技术多址技术33码分多址码分多址码分多18、址指通信资源的共享通过给用户安排不同的码字来完成，是一种以扩频技术为基础的多址接入技术。如下图所示。代码频率时间信道1信道2信道N2.42.4多址技术多址技术33码分多址码分多址在移动通信中，最典型的码分多址方式有：2G的窄带CDMAIS-95体制；3G的cdma2000体制；3G的WCDMA体制。2.42.4多址技术多址技术3.3.码分多址码分多址CDMA系统具有以下特点：nCDMA系统的抗干扰力量强，通信容量大，通信质量好。nCDMA是自干扰限制性系统，干扰主要来自系统内部的多址干扰，任何干扰的削减都直接转化为系统容量的提高。nCDMA具有软切换和软容量的特19、性。2.42.4多址技术多址技术3.3.码分多址码分多址CDMA系统具有以下特点：n在CDMA系统中，信号数据速率很高，码片时长很短，通常比信道的时延扩展小得多。nCDMA系统的很多用户共享同一频率，无需频率规划和安排，基站和移动台的放射功率较低。2.42.4多址技术多址技术4.4.空分多址空分多址空分多址接入（SDMA）方式根据空间的分割来构成不同的信道。在移动通信中，能实现空间分割的基本技术室采纳自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的波束，如下图所示。2.42.4多址技术多址技术4.4.空分多址空分多址空分多址是卫星通信技术的基本技术。在一个卫星上安装多个天线，这些天线的波20、束分别指向地球表面的不同区域，使各区的地球站所放射的电波不会再空间消失重叠。2.42.4 多址技术多址技术4.4.空分多址空分多址SDMA通信系统具有以下特点。n系统容量大幅度提高。n扩大掩盖范围。n兼容性强。n大幅度降低来自其他系统和其他用户的干扰。n功率大大降低。n定位功能强。一般状况下，SDMA不能单独使用，需要和TDMA、FDMA或CDMA等多址接入方式结合使用。2.42.4多址技术多址技术5G的无线接入必需要应用于大量不同的新服务，所以提出了多种多样的需求。因此对目前无线系统中普遍存在空中接口的一刀切的解决方案可能不再是将来的恰当选择，由于它只能供应不充分的折中。相反,系统21、应当供应更多的敏捷性和可扩展性，以使系统配置能够适应服务类型及其需求。表5G多址和媒体接入方案名称名称类型，方向类型，方向资源资源优点优点缺点缺点OFDM多址，上下行时间，频率实现简洁，均衡简洁大旁瓣需要紧密同步和大爱护带FBMC-OQAM多址，上下行时间，频率小旁瓣实现共存和松弛同步在真实场中的正交性需要重新设计所选择的算法UF-OFDM多址，上下行时间，频率削减的旁瓣，与OFDM兼容，降低同步要求易受大的延迟影响SCMA多址，上下行码字和功率有限的CSIT简单的接收机(MPA)NOMA多址，上下行功率有限的CSITSIC接收机IDMA多址，上行码字有限或者不需要CSIT迭代接收机码本时隙22、的阿罗华媒体不适用需要较小协调的高牢靠性简单接收机预留编码接入媒体，上行不适用兼容LTE小包的高开销随机编码接入媒体，上行不适用适合小包多用户检测2.42.4多址技术多址技术新型的多址方案允许通过在功率和码域中复用用户来使频谱超载，导致非正交接入，其中同时服务的用户的数量不再被正交资源的数量绑定。这种方法使连接的设备的数量增加23倍，并且同时获得高达50%的用户和系统吞吐量的增益。候选方案是非正交多址（NOMA）、稀疏码多址（SCMA）和交织分多址（IDMA）02.52.5蜂窝掩盖技术蜂窝掩盖技术在平面区域内划分小区,通常组成蜂窝式的网络。1.1.小区的外形小区的外形小区外形如图2.123、2所示。2.52.5蜂窝掩盖技术蜂窝掩盖技术在辐射半径相同的条件下，计算出三种外形小区的邻区距离、小区面积、交叠区宽度和交叠区面积如表2.1所示。由表可见，在服务区面积肯定的状况下，正六边形小区的外形最接近抱负的圆形，用它掩盖整个服务区所需的基站数最少，也就最经济。2.5 2.5蜂窝掩盖技术蜂窝掩盖技术22.小区簇的组成小区簇的组成共同使用全部可用频率的NR个小区称为一个簇,NR称为簇的大小。小区簇内的任意两个小区不能使用相同的频率，只有不同簇内的小区才能进行频率复用。小区簇外形和簇内小区数不是任意的。2.52.5峰窝掩盖技术蜂窝掩盖技术22.小区簇的组成小区簇的组成假如簇的24、大小NR减小而小区的大小保持不变，则需要更多的簇来掩盖给定的范围，从而获得更大的容量。2.52.5蜂窝掩盖技术蜂窝掩盖技术3.3.同频（信道）小区的距离同频（信道）小区的距离在肯定的服务区内，存在着很多使用相同频率的小区。这些小区称为同频小区，这些小区之间由于频率相同带来的干扰称为同频干扰。同频干扰与放射机的放射功率无关，仅与小区半径R与同频复用距离D的比值有关。2.52.5蜂窝掩盖技术蜂窝掩盖技术3.3.同频（信道）小区的距离同频（信道）小区的距离同频复用距离D是指最近的两个同频小区中心之间的距离，经计算得到下式：（2-3）化简可得（2-4）RNDR3RNRDQ32.52.5蜂25、窝掩盖技术蜂窝掩盖技术4.4.激励方式激励方式1.“中心激励方式，如图2.13（a）所示。基站可设在小区的中央。2.顶点激励方式，如图2.13（b）所示。每个小区由三副120扇形天线共同掩盖。（a）中心激励（b）顶点激励2.52.5蜂窝掩盖技术蜂窝掩盖技术55小区分裂小区分裂事实上服务区内的用户密度是不匀称的。在用户密度高的市中心区可使小区的面积小一些，子啊用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些，如图2.14所示。2.52.5蜂窝掩盖技术蜂窝掩盖技术5.5.小区分裂小区分裂另外，对于已设置好的蜂窝通信网，随着城市建设的进展，原来的低用户密度区可能变成了高用户密度区，这是相应26、地在该地区设置新的基站，将小区面积划小。解决以上问题可用小区分裂的方法。2.52.5峰窝掩盖技术蜂窝掩盖技术6.6.密集蜂窝技术密集蜂窝技术为了进一步提高网络容量，LTERlO（或称为LTE-AdVanCed）开头开展对异构网络（HeterogeneousNetwork,HetNet）的讨论。在HetNet中，稀疏的低功率传输节点（TransmissionPoint,TP）被敏捷地部署在宏小区(MacroCell)掩盖范围内的热点或盲点区域，形成多个小小区(主要指开放用户组(OpenSubscriberGroup,OSG)小区)，用于分担宏基站的负荷，供应更高的数据速率或弥补覆27、盖空洞。严格意义上的小小区的定义，是指工作在授权频段上的低功率无线接入点。2.52.5蜂窝掩盖技术蜂窝掩盖技术表2.2小小区的类型类型类型典型部署典型部署同时支持的用户同时支持的用户个数个数典型功率大小典型功率大小掩盖区域掩盖区域室内室外Femto主要是住宅和公司场景家庭：48用户公司：1632用户IOloOmWo.21W数十米PieO公共区域(室内/室外；机场，购物中心，火车站)64128用户100250mW15W数十米Micro填补宏蜂窝掩盖空洞的城市区域128256用户510W几百米Metro填补宏蜂窝掩盖空洞的城市区域250用户1020W数百米WiFi住宅，办公室，公司环境50用28、户20220mW0.21W小于数十米2.52.5蜂窝掩盖技术蜂窝掩盖技术I超密集网络(UDN)可以看作小小区增加技术的进一步演进。I除了节点数量的增加以外，传输节点种类的密集化也是5G网络进展的一个趋势。1超密集网络还包括终端侧的密集化。2.62.6信道配置信道配置频率安排有两个基本含义：一是频道分组，依据移动通信网的需要将全部频道分成若干组;二是频道指配，以固定的或动态安排方法指配给蜂窝网的用户使用。在CDMA系统中，所以用户使用相同的工作频率因而无需进行频率配置。频率配置主要针对FDMA和TDMA系统。2.62.6信道配置信道配置频道分组的原则书P25频道指配时需留意的问题29、书P252.62.6信道配置信道配置信道安排（配置）的方式主要有两种：一是分区分组配置法；二是等频距配置法。1.分区分组配置法分区分组配置法所遵循的原则是：尽量减小占用的总频段，以提高频段的利用率；同一区群内不能使用相同的信道，以避开同频干扰；小区内采纳无三阶互调的相容信道组，以避开互调干扰。2.62.6信道配置信道配置设给定的频段以等间隔划分为信道，按挨次分别注明各信道的号码为1,2,3,。若每个区群有7个小区，每个小区需6个信道，按上述原则进行安排，可得到：第一组1,5,14,20,34,36其次组2,9,13,18,21,31第三组3,8,19,25,33,40第四组4,30、12,16,22,37,39第五组6,10,27,30,32,41第六组7,11,24,26,29,35第七组15,17,23,28,38,422.62.6信道配置信道配置每一组信道安排给区群内的一个小区。这里使用42个信道就只占用了42个信道的频段，是最佳的安排方案。以上安排中的主要动身点是避开三阶互调，但未考虑同一信道组中的频率间隔，可能会消失较大的邻道干扰，这是这种配置方法的一个缺陷。2.62.6信道配置信道配置2.等频距配置法等频距配置法是按等频率间隔来配置信道的，只要频距选得足够大，就可以有效地避开邻道干扰。等频距配置时可依据群内的小区数来确定同一信道组内各信道之间的31、频率间隔，例如，第一组用(1,1+N,1+2N,1+3N,),其次组用(2,2+N,2+2N,2+3N,)等。2.6 2.6信道配置信道配置例如N=7,则信道的配置为：第一组1,8,15,22,29,其次组2,9,16,23,30,第三组3,10,17,24,31,第四组4,11,18,25,32,第五组5,12,19,26,33,第六组6,13,20,27,34,第七组7,14,21,28,35,2.62.6信道配置信道配置假如是定向天线进行顶点激励的小区制，每个基站应配置三组信道，向三个方向辐射。例如N=7,每个区群就需有21个信道组，整个区群内各基站信道组的分布如图232、.15所示。2.72.7话务量话务量在电路交换系统中，话务负荷力量是其一项基本指标。话务负荷力量是指在肯定的呼损下，交换系统在忙时可以负荷的话务量。L话务量的定义与分类话务量是表征电话交换机机线设备负荷的一种度量值，也称为电话负荷。2.72.7话务量话务量话务量在数值上等于时间T内发生的呼叫次数和平均占用时长的乘积，即A=CTt(2-5)式中，A为时间T内产生的话务量；t为平均占用时长；CT为T时间内话源产生的呼叫数。话务量的单位为爱尔兰(EH)。如一条中继线连续使用1小时，则该中继线的话务量为1EH。2.72.7话务量话务量由于话务量具有随机性和波动性，因此，一般争论的33、话务量大都是指平均话务量。将一天中电话负荷最大的1小时称为最忙小时，简称忙时。忙时的平均话务量简称忙时话务量。在工程上通常所说的话务量是指忙时话务量，即最忙一小时的话务量。因此式(2-4)可写为A=Ct(2-6)式中，A为话务量；C为单位时间内所发生的呼叫次数；t为平均占用时长。2.72.7话务量话务量电话交换机通常采纳呼损工作制。对于呼损工作制系统，流入系统的话务量，有一部分完成了，而另一部分则损失掉了，即呼损。流入话务量（A入）是指话源产生的话务量。设话源在一小时内发生的呼叫数为a（a即呼叫发生强度），其平均占用时长为t,则依据话务量的定义有A入=at（2-7）2.72.7话务量话务量完成话务量（A完）是指系统接受呼叫并完成处理的话务量。设a为接受处理的呼叫数,其平均占用时长为t,则依据话务量的定义有A完=at（2-8）在呼损制系统中完成话务量一般要小于流入话务量，