移动通信中的若干关键技术下课件.ppt
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1、一、移动通信系统的构成二、推动移动通信技术进步的主要矛盾三、移动通信中的若干关键技术3.1 语言编码与压缩3.2 多址技术3.3 信道编码与交织 3.4 射频调制 3.5 功率控制技术 3.6 分集技术 3.7 多用户检测 3.8 多载波传输 3.9 智能天线四、移动通信系统的运行五、两项与移动通信密切相关的新技术 4.1 软件无线电 4.2 TURBO 码 -信道编码的里程碑3.4 3.4 射频调制射频调制1)作用作用:将经交织、扩频处理后待传送的信息码加载到某一指定频道的中心频率上。2)调制方式调制方式 a)模拟信号调制:AM(调幅)FM(调频)b)数字信号的基本调制方式:ASK (幅度键
2、控)FSK (移频键控制)PSK (移相键控制)用基本调制方式,可组合成复合调制和多进制调制。a)a)MSKMSK的数学表达式的数学表达式某一特定最小频偏小dkdkkdttd,1,)(调制数码速率当Tbbdd14102,称符合上述参数条件的FSK为MSKb)b)MSKMSK的特点的特点在一个码元周期内的射频信号包含有1/4个载波周期的整数倍在码元转换时,射频信号的相位是连续的,无突变。MSK信号的功率谱密度较集中。图14 MSK与QPSK功率谱图-60-50-40-30-20-1000.51.01.52.02.5归归一一化化功功率率谱谱密密度度归一化频率归一化频率MSKQPSKc)GMSKGS
3、M参数:频道间隔=200KHZGMSK:将MSK信号,经一高斯滤波进一步压缩高频分量后输出,MSK特性不变,性能约损失1db,功率谱更集中。d)GMSK的解调 由速率为 的时钟采样判决。bT214 4)CDMACDMA中的调制器中的调制器 CDMA的调制器包含二次调制:扩频调制和射频调制。a)BQM(平衡四相调制)在直扩(IS-95)系统中应用。BQM调制器图15 BQM调制器m(t)基带信号x(t)至功放SI(t)、SQ(t)扩频码 I、Q相移90度W0频道中心频率)(221tSt0cos)(22tSQt0sinIS-95中采用BQMBQM解调器图16 BQM解调器r(t)至解交织rI(t)
4、y(t)=x(t)+n(t)接收放大输出低通低通rQ(t)t0cost0sin)(tsi)(tsQTT01TT01DQM和CQM频谱利用效率比BQM高一倍,而SNR与Pe可保持与BQM一样。CQM性能最优,拟在IMT2000中采用。图17 CQM复四相调制器串/并变换m(t)x(t)+-)(22tsQ+)(221ts)(221tst0cost0sinb)DQM和CQMDQM双四相调制CQM复四相调制在BQM基础的改进图18 CQM复四相解调器原理图y(t)r(t)低通低通rI(t)t0cost0sin)(tsi)(tsQTT01TT01TT01TT01fI(t)(tsIrQ(t)-+fQ(t)
5、1)为什么为什么CDMACDMA必须有功率控制必须有功率控制由于所有用户同时由于所有用户同时,且在同一频率上工作且在同一频率上工作。a)a)手机手机基站(上行)基站(上行)距基站近距基站近达到基站的功率强达到基站的功率强距基站远距基站远弱弱在基站接收机中产生远近效应:近距离手机干扰基站对远距在基站接收机中产生远近效应:近距离手机干扰基站对远距离手机信号的接收。离手机信号的接收。b)b)基站基站手机手机(下行)下行)距基站近距基站近手机接收的信号强。手机接收的信号强。距基站远距基站远弱,在手机中临近的基站将干扰手机对所处基站弱,在手机中临近的基站将干扰手机对所处基站信号的接收信号的接收。结论结论
6、:如不对基站的发射功率:如不对基站的发射功率与手机的发射功率实时控制,与手机的发射功率实时控制,CDMA系统将不能正常工作。系统将不能正常工作。2)功率控制准则功率控制准则功率平衡准则 信号干扰比平衡准则a)功率平衡准则上行(手机基站):指令各手机(无论远近),发射后到达基站的功率相等(调手机称之为反向功率控制)。下行(基站手机):使各手机(无论远近)接收到基站送去的信号功率相等(调基站,称之为前向功率控制)。b)信号干扰比平衡准则(SIR)CDMA系统中,“噪声”主要来自手机之间与基站之间产生的干扰。依据“信号干扰比SIR”进行控制。上行:控制目标是达到在基站中各手机的信号与其它手机对其产生
7、的干扰比相等(调手机,称反向功控)下行:使各手机收到的基站送去的信号与其它基站的干扰信号比相等(调基站前向功控)。c)IS-95中实际使用的功率控制准则功率平衡准则易实现,但性能不及SIR;SIR在上行链路中,可能导致系统不稳定,因此:实际系统中多采用混合控制。IS95中的功控准则:改进型的SIR即:基于SIR算法,但控制的阈值由误帧率(FER)决定。3 3)功率控制方法功率控制方法 a)集中式功控与分布式功控 集中式功率控制 在基站中进行。要求在每一时刻(时间间隔内)要计算出一个归一化 的链路增益矩阵。矩阵中的各元素,对应着在基站服务区中各手机在那一时刻应有的功率增益。问题问题:当小区用户多
8、时,如何快速计算出链路的增益矩阵?分布式功率控制 在手机中进行:估计SIR并依此控制手机自身的发射功率。同时,通知基站应送来的功率。评价评价:在IS-95中实际应用,相当有效。问题问题:当对SIR估计误差大时,系统性能会迅速下降。b)开环功控与闭环功控 开环功控 仅根据接收的信号质量(无论手机或基站)而发出相应控制指令。无反馈。问题问题:收、发频率相差45MHZ,对快衰落而言,收、发信道是完全独立的,因此开环功控对快衰落无作用,但对慢衰落(手机移动到汽车内、房屋后等)作用良好。适应适应:在CDMA/TDD结合的体制中,开环功控可达到高精度。基站对手机进行控制,并从手机送来的信号中获得反馈量。优
9、优 点:点:精度高 问问 题:题:控制时延大当前研究:当前研究:新的闭环功控方法(自适应、自适应+模糊,神经网络法)基站手机闭环控制闭环控制图19闭环功控 c)IS-95中的功率控制参数前向功控(基站执行)前向功控(基站执行)误差源:各手机信号的误帧率控制方式:慢速闭环方式 步长0.5db(12%),高负荷时降至6%。调节幅值:4db 6db控制指令传送信道:上行:插入(手机基站)的功率测量报告信息段;下行:放入(基站手机)的寻呼信道上的系统参数信息字段。控制算法:美国高通(Quaicomm)公司专利反向功控(手机执行)反向功控(手机执行)粗控:克服“阴影”、“角落”、阻档引起的慢衰落,调整范
10、围大:24db 采用开环方式。精控:闭环方式 抑制快衰落,控制数据:800bit/s,每1.25ms调整一次 调整范围:24db控制算法与实现方案:QuaiComm专利 d)IMT-2000中的功率控制CDMA2000由IS-95平滑过渡,故其功控方案与IS-95基本一致。WCDMA由欧洲提出,功控实现方案与IS-95有较大差别。1)主要分集方式主要分集方式 a)空间分集 多个天线接收,用在基站中 天线间距离 天线数N=2486.2d3.6 分集技术分集技术抗衰落(抗多径)抗衰落(抗多径)图20 空间分集 手机基站d12N(900MHZ ,波长约35cm ).b)频率分集 将发射信号调制到多个
11、载波频率上传送,要求载波频差 GSM:800900MHZ频段,测得 c)发送分集 多径信号时延扩散量,1f)(200,5载波频差KHZfs2)分集的合并技术分集的合并技术a)合并点:中频合并 视频合并图图21空间分集合并空间分集合并手机G1g1G2g2GNgn同相相加检测器b)合并方式:最大比值合并增益Gi与第i路的信噪比成线性关系,合并效果最佳。等增益合并选择式合并)(620025.1条KHZMHZ图图22 IS-9522 IS-95基站中基站中RakeRake接收总体框图接收总体框图时钟时钟单元单元CPU控控制单元制单元地址地址单元单元搜索器搜索器1 1搜索器搜索器2 2解调解调1 1解调
12、解调2 2解调解调4 4解调解调3 3多多径径合合并并1234一个小区(三个扇区六个天线)一个小区(三个扇区六个天线)123546地址总线数据总线解解交交织织信信道道译译码码搜索器与搜索策略Rake接收的重要部件 作用:找出4条最强的“径”,并完成相位补偿。搜索策略:相位偏移扫描试探法。4 4)发射分集)发射分集空间分集效果最好手机无法实现。将手机的空间分集,移到基站发射分集 a)发送分集研究状况 理论上证明了多天线发射在衰落信道所能获得的增益与发射天线的数目成线性增长正研究将发射分集与编码、调制方式有机结合,组成时空卷积码,以最大限度地改善系统的传输质量。发射分集已用在 CDMA2000 1
13、X 中(获3db增益)。b)WCDMA建议的一种发送分集方案混混合合发送天线1发送天线2天线1分集导频天线2导频天线1天线2STTP编码时钟混合交织信道编码数据TPC时钟扩频码调制图23 STTD发送分集原理图TPC功率控制指令STTD一种将信息码分配给天线1和天线2的编码方案5 5)编码分集)编码分集空时编码分集分层空时码分集一般与发送分集联合使用3.7 3.7 多用户检测多用户检测1)1)多用户检测的作用多用户检测的作用减小用户间的多址干扰 在CDMA移动通信系统中,存在三类干扰:a)加性白噪声干扰危害产生分散独立误码抵抗措施采用有效的信道编码纠正差错。b)多径干扰危害引起突发差错(引起成
14、片误码)抵抗措施:采用分集技术抗衰落(抗多径)在信道中采用交织编码技术c)用户间的多址干扰危害影响信道容量(用户数量)产生根源CDMA使用的扩频码之间的互相关系数不为零。2)2)多用户检测的基本原理多用户检测的基本原理a)多址干扰是由扩频码的结构带来的,是伪随机信号存在一定的 结构性规律,彼此不独立。b)扩频码有严格的数学描述规律,各码组之间的互相关函数都是 已知的。c)基于上述a,b,从理论上讲,利用多址干扰规律,来构造一种 最优的联合检测算法,称算法为多用户检测(1986年提出)抵抗措施选择好的扩频码0)()()()()(),(),()(221dttCtCtRtCtCtCtCtckiikN
15、使采用同步码分多址;采用功率控制技术,使各用户发射功率最小采用“空间滤波”:如划分扇区,使用智能天线采用多用户检测技术等3)3)多用户检测的最优结构多用户检测的最优结构MLSDMLSD算法算法证明条件:白高斯噪声信道检测器结构:匹配滤波+最大似然比序列检测(MLSD算法)仿真实验结果:可达到与单用户检测几乎相同的性能。问题:运算量随用户数N的增加成指数增长;须知道所有用户的扩频码、信号幅度、相位和多径时延。评价:该最优多用户检测器是无法实用的。4)多用户检测的一般结构多用户检测的一般结构解扩匹配滤波器(用户1)解扩匹配滤波器(用户2)解扩匹配滤波器(用户N)接收信号联合检测算法用户1判决用户2
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