《G基础知识》PPT课件.ppt

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1、3G通信关键技术京信通信技术有限公司2004.11.1 v2.01常见通信术语解释（一）nEb/N0（每比特能量噪声比）：CDMA系统中除信噪比外另一表示信号与噪声间强弱关系的参数。Eb代表平均到每个比特上的功率密度，N0代表噪声的功率密度。n远近效应：主要发生在上行链路。离基站近的移动台的路径损耗比远方移动台的路径损耗低，如果所有的移动台都使用相同的发射功率，与基站间距离近的移动台的强信号将压制与基站间距离远的移动台的弱信号，这就是远近效应。n码间干扰(ISI)：设有基站发射一个数字信号，其码元顺序为1，2，3,.，接收器收到的则有从不同路径来的信号，由于路径长短不同，到达接收器就有先后顺序

2、的不同。为简单起见，可以只考虑经两条路径的信号，若它的路径相对时延为r，则当r=Tb/2时，前后码元将在大部分的码元周期中发生重叠，假设两个信号的强度相差不多，则接收时将会发生误判而错码，这就是码间干扰。2常见通信术语解释（二）n多普勒效应：由于移动体的运动速度和方向引起，多径条件下将引起多普勒频谱展宽。n多址干扰(MAI)：在CDMA 系统中，用户传输信息所用的信号是用各自不同的编码序列来区分的。从时域或频域来看，多个CDMA 信号是互相重叠的。在不同用户的接收机上采用相关器（匹配滤波器）来选出自己预定码型的信号，而其他不能被接收的码型就形成了对特定用户的干扰，这就是多址干扰。上行链路的多址

3、干扰:基站在接收某个移动台的信号时，受到本小区和临近小区其他移动台所发信号的干扰，称为上行链路的多址干扰。下行链路的多址干扰:移动台在接收所属基站信号时，会受到所属基站和临近其他基站发给其他移动台的信号干扰，称为下行链路的多址干扰。3常见通信术语解释（三）上行链路的多址干扰（基站受干扰）上行链路的多址干扰（基站受干扰）下行链路的多址干扰（用户受干扰）下行链路的多址干扰（用户受干扰）特定用户干扰用户n多址干扰43G关键技术n调制和扩频技术n分集接收技术q信道均衡技术q编译码技术q多用户检测技术n智能天线技术n功率控制技术q软切换技术q同步技术q移动IP技术q软件无线电技术q高速下行链路数据传输技

4、术nOFDM技术5调制和扩频技术调制（一）n数字调制是指用基带信号对正弦载波信号的幅度、频率、相位等进行控制，使其随基带信号的变化而变化。数字调制主要分为:调幅幅度键控（ASK）调频频移键控（FSK）调相相移键控（PSK）n选择调制方式时，应采取抗干扰能力强的调制方式，能适用于快衰落信道，占有较小的带宽以提高频谱利用率，带外辐射要小以减弱对邻近波道的干扰。6调制和扩频技术调制（二）n线性数字调制技术是指传输信号的幅度随调制数字信号的变化而变化。其带宽效率高，适合于在有限频带内要求容纳用户多的无线通信系统。但它在传输中必须使用效率低的线性功率放大器，否则会造成严重的相邻信道干扰。n线性数字调制方

5、式有：二进制相移键控 BPSK差分相移键控 DPSK四相相移键控 QPSK7调制和扩频技术调制（三）n未来的移动通信系统的一个标志是提供极大的系统容量，而无线资源非常有限，需要研究使带宽效率和功率效率都高的新的调制方式，这就是自适应信道编码调制。WCDMAWCDMAcdma2000cdma2000TD-SCDMATD-SCDMA调制方式调制方式(前向前向/反向反向)QPSK/BPSK QPSK/BPSK QPSK/8PSKn3G移动通信主要调制方式8调制和扩频技术调制（四）n自适应调制是指随着无线信道衰落的快慢自行调整调制信号的电平即在快衰落时，瞬时比特率BER（Bit Error Rate）

6、近似不变，而减少数据速率；在慢衰落时，增加数据速率。n自适应调制方式有双向和单向两种：双向自适应方式是允许接收端和发射端的各种传输状态都变化。如传播环境的改变、数据速率和要求的传输质量的改变都可以通过反馈自适应地改变调制方式；单向自适应方式是只允许发射端根据要传输业务的状态（速率、服务质量等）自适应地改变调制方式。这种方式接收端比较简单而又能提供最合适的有效传输系统。9调制和扩频技术调制（五）n在3G乃至未来的移动系统需要提供越来越高速率的分组数据业务，如果采用上述的自适应调制方式需要增加星座图上信号点的数量，造成系统BER性能下降。为此提出自适应信道编码调制，它将信道编码技术和数字调制技术相

7、结合，提供更好的系统性能。网格（Trellis）编码加上自适应调制可以将编码效益提高 5dB左右。将Turbo编码与自适应调制相结合的自适应Turbo编码调制方法，比传统的Turbo编码调制的增益高 3dB。10调制和扩频技术扩频（一）n为了克服用户之间的多址干扰，CDMA系统采用扩频技术。n系统分配给每个用户一个码序列，这个码序列的比特率远远高于用户要传送的信息的比特率。用户传送的信号被这个码序列调制在接收端，接收机寻找到应的码序列。一旦从其它信号（以噪声的形式出现）中分离出相应的码序列，就可以分离出该用户发送的信号。n扩频信号在传输信息过程中所使用的带宽比实际要传输的信息的带宽更宽。11调

8、制和扩频技术扩频（二）n扩频技术的主要优点：抗天线干扰和阻塞。降低被别人来意侦听的概率。抗来自多径传播信号分支的信号干扰。通过复用提供多址接入功能。支持两点之间的区域测量或距离测量。可利用分集技术，包括多径分集、频分和时分技术。任意时间都可以接入系统-在系统可接收的干扰范围内不用等待空闲信道就可直接接入系统。12调制和扩频技术扩频（三）n按照扩展频谱方式的不同，系统扩频通信可分为：直接序列（DS）扩频跳频（FH）扩频跳时（TH）扩频线性调频（CHIRP）扩频混合方式扩频n码分多址（CDMA）就是使用直接序列扩频技术的一种多址方式，又称之为扩频多址（SSMA）。13调制和扩频技术扩频（四）n直接

9、序列扩频(DSSS)：就是直接用具有高码率的扩频码序列在发端扩展信号的频谱。而在收端用相同的扩频码序列进行解扩把展宽的信号还原成原始的信号。n主要原理：假定无线信号从基站向移动台发射。在基站端，发射信号通过宽带扩频信号以速率R进行传输，产生带宽W的扩频信号。在移动台中，接收信号通过同一扩频使信号成倍增加。如果在移动台本地产生的扩频信号与扩频码/扩频信号同步，结果产生的信号实际上是原始信号再加上一些伪高频信号，这些信号不是原始信息的组成部分，因此它们很容易被过滤掉。另一方面，如果移动台出现任何干扰信号，扩频信号将对它进行扩频，就和在基站的原始信号的处理方式一样，把它扩展到扩频信号的带宽中去。14

10、调制和扩频技术扩频（五）干扰信号Filter扩频信号扩频信号数据信号速率R扩频信号带宽为W带宽为R接收的数据信号n 基本DS扩频技术框图：15调制和扩频技术扩频（六）n跳频扩频(FHSS)：所谓跳频就是通信收发双方同步用扩频码序列频移键控调制，使载波频率不断跳变。跳频系统有几十个甚至上千个频率由所传信息与扩频码的组合去进行选择控制，不断跳变。其抗多径的原理是：若发射的信号载波频率为f0，当存在多径传播环境时，因多径延迟的不同，信号到达接收端的时间有先有后。若接收器在收到最先到达的信号之后立即将载波频率跳变到另一频率f1上，则可避开由于多径延迟对接收信号的干扰。要求跳频信号驻留时间小于多径延迟时

11、间差，即跳频速率足够快。16调制和扩频技术扩频（七）跳频扩频与直接序列扩频17分集接收技术（一）n移动通信信道是一种多径衰落信道，分集接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，再叠加输出以增强接收效果，这时多径信号变成一个可供利用的有利因素。系统内的分集越多，在困难传输环境中的性能越好。n分集有两重含义：一是分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；二是集中处理，接收器把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并，以降低衰落的影响。n分集主要包括：时间分集、频率分集、空间（路径）分集。凡是能够提高传输符号速率，使所需的纠错程序生效的数字式系统，都可以实行时间分集。但只有CDMA

12、系统能够轻易地实现其他的分集方法。18分集接收技术（二）n依信号的传输方式分为：显分集：显分集最通用的分集技术是空间分集，即几个天线被分隔开来，并被连到一个公共的接收系统中。接收器选择接收到的最佳信号作为输入。其他显分集技术包括天线极化分集、频率分集和时间分集等。隐分集：隐分集主要是指把分集作用隐蔽于传输信号之中（如交织编码、直接序列扩频技术等），在接收端利用信号处理技术实现分集。隐分集只需一副天线来接收信号。例如，CDMA系统通常使用RAKE接收器，它能够通过分集来改善链路性能。19分集接收技术（三）n依分集的目的可分为宏分集：宏分集也称为多基站分集，主要用于蜂窝移动通信系统中，用于减少慢衰

13、落的影响。即把多个基站设备在不同的地理位置上和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信，接收器可选择其中一个信号最好的基站进行通信。微分集：微分集主要用于减少快衰落，依获得方法不同可分为空间分集、频率分集、极化分集、场分集、角度分集和时间分集等。20分集接收技术（四）n分集的接收合并方式主要有：选择性合并：在多支路（子信道）接收信号中，选择信噪比最高的支路的信号作为输出信号。最大比合并：每一支路都有一个加权（放大器增益），依各支路信噪比来分配权重，信噪比大的支路权重大，信噪比小的支路权重小。等增益合并：当最大比合并中的加权系数为1时，就是等增益合并。n性能比较：最大比合并等增益合并选择性

14、合并21分集接收技术（五）同步捕获同步捕获/跟踪跟踪路径选择路径选择RAKE 支路支路1RAKE 支路支路2RAKE 支路支路Mr（t）zoutZ1Z2Zma1a2am相位控制相位控制n多径分集的RAKE接收技术原理框图:22分集接收技术（六）n由于信道中快速衰落和噪声的影响，实际接收的各径的相位与原来发射信号的相位有很大的变化，因此在合并以前要按照信道估计的结果进行相位的旋转，实际的CDMA系统中的信道估计是根据发射信号中携带的导频符号完成的。根据发射信号中是否携带有连续导频，可以分别采用基于连续导频的相位预测和基于判决反馈技术的相位预测方法。23信道均衡技术n均衡是指对信道特性的均衡，即接

15、收端的均衡器产生与信道相反的特性用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间干扰。也即通过均衡器消除信道的频率和时间的选择性。n自适应均衡：无线信道是时变的，具有未知性和多变性，要求均衡器的特性能够自动适应信道的变化而均衡。n均衡技术基本分为两类线性与非线性均衡。在数字移动通信中通常不用线性均衡器，而在恶劣的多径信道中非线性均衡器有良好的性能，被广泛采用。24编译码技术n信道编译码主要是降低信号传播功率和解决信号在无线传播环境中不可避免的衰落问题。分为差错控制编码和纠错控制编码。nWCDMA和CDMA2000采用交织技术、卷积编码技术、Turbo编码技术和RS卷积级联码技术。卷积码主要是用于低数据

16、速率的语音和信令。编解码技术结合交织技术的使用可以提高误码率性能，在IS-95CDMA系统已经有应用。RS编码是一种多进制编码技术，适合于存在突发错误的通信系统。RS解码技术相对比较成熟，但由RS码和卷积码构成的级联码在性能上与传统的卷积码相比较，提高不多，故在未来第三代移动通信系统中被采用的可能性不大。与无编码情况相比，Turbo码可以将误码率提高到10E-6。Turbo码因为编解码性能能够逼近Shannon极限而最后被采用作为3G的数据编解码技术。25多用户检测技术n多用户检测（MUD）是宽带CDMA通信系统中抗干扰的关键技术。其在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号信

17、息对单个用户的信号分别进行检测，从而具有优良的抗干扰性能，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求，因此可以更加有效地利用上行链路频谱资源，显著提高系统容量。n基本原理：通过去除小区内用户受到的多址干扰来改进系统性能，增加系统容量。n基本思想：把所有用户的信号都当作有用信号，而不是当作干扰信号。n其实现难点主要是基带处理的复杂度很高。26智能天线技术（一）n目标：将目标用户的能量最大化将其他用户的干扰最小化n智能天线技术是利用自适应的波束赋形技术，提高用户波达方向的方向图增益，同时利用方向图的零点降低空间上大功率用户的干扰。n利用智能天线，将主瓣对准有用信号，低增益副瓣对准主要的干扰

18、信号，从而可更有效地抑制干扰，更大比例地降低频率复用因子，同时支持更多用户。从某种角度我们可将智能天线看作是更灵活、主瓣更窄的扇形天线。27智能天线技术（二）n智能天线包括两个重要组成部分：一是对来自移动台发射的多径电波方向进行到达角（DOA）估计，并进行空间滤波，抑制其他移动台的干扰；二是对基站发送信号进行波束形成，使基站发送信号能够沿着移动台电波的到达方向发送回移动台，从而降低发射功率，减少对其他移动台的干扰。n优点：可以消除多址干扰，提高系统的容量，扩大小区覆盖范围，提高通信质量，降低用户的发射功率，延长移动台的寿命，极大降低同一小区和小区以外的多址干扰。28智能天线技术（三）使用智能天

19、线使用智能天线：能量仅指向小区内处于激活状态的移动终端移动终端在整个小区内处于受跟踪状态可有效降低干扰不使用智能天线不使用智能天线：能量分布于整个小区，所需功率较大小区内不同终端及相邻小区基站对本小区干扰较大天线单元天线单元天线外壳天线外壳功放功放电缆及连接电缆及连接校准单元校准单元29功率控制技术（一）n因为CDMA是一个自干扰系统，所有用户使用同一频率，所以“远近效应”问题更加突出。多址干扰的表现形式主要是远近效应，即功率强的用户对功率弱的用户带来的多址干扰比功率弱的用户对功率强的用户带来的多址干扰要大，因此需要功率控制技术平衡用户功率。n功率控制的目的：克服反向链路（或称上行链路）的远近

20、效应。在保证接收机解调性能的情况下，尽量降低发射功率，减少对其他用户的干扰，增加系统容量。30功率控制技术（二）功功率率控控制制前向功前向功率控制率控制反向功反向功率控制率控制开环功率控制开环功率控制：根据用户接收功率与发射功率之积为常数的原则，先行测量接收功率的大小，并由此确定发射功率的大小。主要用于克服距离衰减；由移动台控制实现。闭环功率控制闭环功率控制：通过对接收功率的测量值及与信干比门限值的对比，确定功率控制比特信息，然后通过信道把功率控制比特信息传送到发射端，并据此调节发射功率大小。主要用于克服多普勒频率产生的衰减（多普勒效应）；基站协助移动台实现。基站根据测量结果调整每个移动台的发

21、射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分派较小的前向链路功率，而对那些远离基站的和误码率高的移动台分派较大的前向链路功率。31功率控制技术（三）BS-RXEb/No(est.)MS+-Filter滤波器FER target(1%)FEREb/No设定点 1 dB/1.25ms反向链路功率控制子信道n反向链路功率控制需要的Eb/No随速度、相异性和环境（通常为4到9dB）的变化而变化功率控制最终由FER（误码率）推动32功率控制技术（四）BS-TXMSFER target(1%)TCH Gain Start Errored Frame CountTCH Gain Min TCH Gain Max

22、FPC AlgorithmGainTCH Modulationn前向链路控制前向链路功率调整要比反向链路功率控制慢，增长是以帧的时间为单位的。前向链路功率调整的动态范围限制在正常功率的6dB内。33功率控制技术（五）n开环功率控制的主要特点是不需要反馈信息，因此，在无线信道突然变化时，它可以快速响应变化。此外，它的功率调整范围大。但正因为它没有反馈信息，使得调整不够准确。不能克服非对称的多径衰落。n在WCDMA和CDMA2000系统中，上行链路信道采用了开环、闭环和外环功率控制技术，下行链路信道则采用了闭环和外环功率技术。制式WCDMACDMA2000TD-SCDMA控制速度1500次800次

23、1400次控制速度比较34软切换技术（一）n软切换建立在CDMA宏分集接收基础上，当移动台开始与一个新的基站联系时，并不立即中断与原来基站之间的通信。n切换过程中，移动台辅助（测量导频信号强度）、基站引导完成。n一个移动台可以同时连接多达6个基站扇区。n软切换技术仅仅能动用于具有相同频率的CDMA信道之间。n又可分为：软切换、更软切换、软-更软切换。35软切换技术（二）n软切换：手机连接到两个或多个不同的BTSExample:BTS1_a+BTS2_ g(2 way SHO)or BTS1_a+BTS2_ g+BTS3_ g(3 way SHO)n更软切换：手机连接到同一个BTS的2到3个扇区

24、在BTS处进行分集合并Example:BTS1_a+BTS1_ bn软-更软切换：Example:BTS1_a+BTS2_ a+BTS2_ b36同步技术（一）n同步技术历来是数字通信系统中的关键技术，直接影响接收器对信号的接收。主要包括载波同步、定时同步和帧同步。nCDMA通信系统中的同步技术需解决以下三个问题：直接序列扩频中由于伪随机序列具有尖锐的自相关特性，因而对接收信号的解扩得以正常进行的先决条件是保证收发信机间伪随机序列的定时误差小于一个码片的时间。解扩后，需要对其进行周期性抽样，每个符号一个样点，以便对传送符号进行判决恢复，需保证收发信机间定时的严格同步。37同步技术（二）由于直接

25、序列扩频的信号带宽较宽，因而在实际应用中通常期望其可以容忍收发信机间存在较大的频率误差，以降低对移动台中频率合成器的要求。又因收发信机间的相对运动在接收信号中造成多普勒频移，解扩过程等效于对接收信号在符号时间内进行积分，因此当接收信号与本地载波间频率误差与符号速率可比拟时，解扩输出信号系统的信噪比将严格下降。因而在对扩频信号进行解扩之前，需对该频率误差进行估计和补偿。对于相干接收系统，还需对接收信号中的载波相位进行精确估计。n前两个问题是定时同步问题，第三个问题与载波同步有关。与上三个问题相对应，直接序列扩频通信系统中的同步技术分为三方面：38同步技术（三）伪随机序列的捕获指接收器获取伪随机序

26、列的粗略同步，使收发信机间伪随机序列的定时误差小于TcTc，其中TcTc为一个码元的时间，|1|1，通常取=1/2=1/2。伪随机序列的定时跟踪伪随机信号的捕获过程完成后，接收器本地伪随机序列的定时误差被同步在几分之一码片时间内。在通信开始后，这一定时误差应该进一步被调整并使之趋于零。另外，由于收发信机间的相对运动以及时钟的不稳定，对伪随机序列定时的校正工作必须不断进行。载波同步从解扩后的信号中获取载波频率误差和载波相位的精确估计，并在扩频信号解扩前或解扩后进行补偿。另外，由于直接序列扩频信号使得接收器可以对信道的多径分量进行分辨，因而直接序列扩频系统可以采用RAKE接收器，故而还需对适合RA

27、KE接收器的载波同步方案进行研究。39移动IP技术n移动IP技术是实现网络设备在全球移动漫游的关键性技术。移动IP技术是移动节点使用基于TCP/IP协议的网络时，不用修改网络IP地址，跨网络随意移动和漫游的同时继续享有原网络中一切权限。未来的移动网络将实现全包交换。包括语音和数据都由IP包来承载，语音和数据的隔阂将消失。作为网络层协议，移动IP与运行在什么媒介上无关。n移动IP的关键技术：代理搜索：计算节点用来判断自己是否处于漫游状态。转交地址：移动节点移动到外网时从外代理得到的临时地址。登录：移动节点到达外网时进行一系列认证、注册、建立隧道的过程。隧道：家代理与外代理之间临时建立的双向数据通

28、道。40软件无线电技术n现存问题：移动通信系统工作在多频带，多标准情况下；每种标准要求不同的设备设计。n软件无线电（SDR：Software Defined Radio）：1.定义：通过在一般的DSP/FPGA中使用软件来代替ASICs。2.核心：将宽带/和D/A变换器尽可能地靠近天线，而将电台功能尽可能地采用软件来进行定义。3.关键思想：尽可能把数字化处理从基带部分向射频部分扩展，在靠近天线的部位（中频，甚至射频）进行宽带A/D和D/A变换，然后用高速数字信号处理（DSP）进行软件处理，从而可以灵活实现各种方式的无线接入，实现尽可能多的无线通信功能，并方便地升级。41高速下行链路传输技术n在

29、3GPP中，为了能满足高速移动数据服务，特别是移动因特网业务的需求，在UMTS标准的基础上发展一种增强型的技术，即HSDPA。n为实现HSDPA技术，主要提出了如下几种关键技术：增强型DSCH信道概念；自适应调制和编码技术(AMC)；快速蜂窝选择技术(FCS)；混合自动请求重传技术(HARQ)；多输入多输出天线处理技术(MIMO)；快速PACKET Scheduler算法。42OFDM技术（一）n问题：数字传输中一个很大的问题是多径反射问题，（在电视中表现为重影问题）。如果反射信号接近一个周期或在多个周期中心附近，会给判决带来严重的码间干扰。nOFDM技术：Orthogonal Frequency Division Multiplex，正交频分复用，其基础是正交多载波。n基本方法：把原来一个载波变成多个载波，把高数码率信号变成低数码率信号，分别调制在每个载波上；由于数码率大大降低，比特周期大大加长，因此反射波的影响就大为减小；由于OFDM各载波间是正交的，因此即使各载间有重叠部分，解调时也能利用正交性把各载波信号分开，就可充分利用带宽，安排尽量多的载波。43OFDM技术（二）n作用：可以有效地提高传输速率（可以达到10Mbit/s），同时又可以避免由于高速引起的频率选择性衰落和码间干扰，有效克服反射或重影造成的影响。nOFDM技术举例：44