移动通信第11章移动通信的展望——个人通信课件.ppt

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1、第11章 移动通信的展望个人通信 第第11章章 移动通信的展望移动通信的展望个人通信个人通信 11.1 个人通信概述个人通信概述 11.2 关于个人通信的国际标准关于个人通信的国际标准*11.3 第三代移动通信新技术第三代移动通信新技术 第11章 移动通信的展望个人通信 11.1 个人通信概述个人通信概述 11.1.1 个人通信的概念个人通信的概念 长期以来，人们就有一种美好的愿望：未来总有一天会做到无无论论任任何何人人(Whoever)在在任任何何时时候候(Whenever)和和任任何何地地点点(Wherever)都都能能和和另另一一个个人人(Whomever)进进行行任何方式任何方式(Wh

2、atever)的通信。的通信。第11章 移动通信的展望个人通信 移动能信的根本特征是移动性(Mobility)。移动性有两种含义：一是“终端移动性(Terminal Mobility)”；二是“个人移动性(Personal Mobility)”。基于终端移动性的通信属于“通信到终端”，基于个人移动性的通信称为“通信到个人”。所谓通信到终端是给每个终端分配一个特定的“终端号码”(类似于电话单机的号码)，呼叫者只要拨通终端号码，即可与使用该终端的个人进行通信。如果被呼者远离其终端，即使拨通其终端号码，也不能和被呼者进行适时通信。倘若终端的体积很小，重量很轻，使用者可以随身携带，那么，无论使用者在什

3、么地方，只要不超过通信网络的覆盖区，均可向其发起呼叫并与之建立通信，从而实现了个人通信业务(PCS)。第11章 移动通信的展望个人通信 所谓通信到个人是给每一个通信者都分配一个特定的“个人号码”，个人号码与终端号码没有必然的联系，也不限制通信者是不是随身携带其终端，通信时，利用当时当地的通信设施(固定的或移动的)，按照被呼者的个人号码进行呼叫，无论被呼者处于什么地方，均可找到被呼者并与之通信。这种通信方式取消了必须携带终端的约束，但要求通信系统(或多种网络的综合系统)必须具有足够大的覆盖范围和智能化很强的管理功能，是个人通信的长远目标和方向。国际电信联盟(ITU)在 其 ITU-TSSG1建

4、议 中 所 提 的“通 用 个 人 通 信”(UPT,Universal Personal Telecommunication)可以说明这种个人通信的含义，其定义是：“UPT允允许许在在个个人人移移动动的的情情况况下下获获得得电电信信业业务务。它它能能使使一一个个UPT用用户户享享用用一一组组由由用用户户规规定定的的预预订订业业务务，并并利利用用一一个个对对网网络络透透明明的的UPT个个人人号号码码，跨跨越越多多个个网网络络，在在任任何何地地理理位位置置的的任任何何一一个个固固定定的的或或移移动动的的终终端端上上发发起起或或接接受受呼呼叫叫。它只受终端和网络能力以及网络经营者的规定所限制。它只

5、受终端和网络能力以及网络经营者的规定所限制。”第11章 移动通信的展望个人通信 第11章 移动通信的展望个人通信 利用中低轨道移动通信卫星实现个人通信网络是近年来人们非常关注并纷纷开展研究和开发的通信技术。(3)综合利用现有各种通信网络，发挥各自的优点，取长补短，在统一要求和统一标准的条件下，突破关键技术，解决各种网络之间的互连互通，加强通信网络的智能化管理功能，以实现全球性的个人通信网。第11章 移动通信的展望个人通信 11.2 关于个人通信的国际标准关于个人通信的国际标准 11.2.1 第三代移动通信系统理论研究和发展概况第三代移动通信系统理论研究和发展概况 已提出的第三代移动通信系统主要

6、有：(1)由国际电信联盟(ITU)提出的“未来公共陆上移动通 信 系 统”(FPLMTS)，后 改 名 为“国 际 移 动 通 信 2000”(IMT-2000)。(2)由欧洲电信标准协会(ETSI)提出的“通用移动通信系统”(UMTS)。第11章 移动通信的展望个人通信 (3)截至 1998 年12月，世界各国已向ITU提交的无线传输技术(RTT)建议有：以TDMA为基础的两种：DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommunications)(来自ETSI计划(EP)DECT)。UWC-136(Universal Wireless Communicatio

7、ns)(来自美国TIA TR45.3)。第11章 移动通信的展望个人通信 第11章 移动通信的展望个人通信 用于卫星系统的五种：SAT-CDMA(轨道高度 2 000 km,轨道平面 7 个，总共 49 颗低轨道卫星)(来自韩国TTA)。SW-CDMA(Satellite Wideband CDMA)(来自ESA)。SW-CTDMA(Satellite Wideband hybrid CDMA/TDMA)(来自ESA)。ICO-RTT(轨道高度 10 390 km，轨道平面 2 个，总共 10 颗中轨道卫星)(来自ICO Global Communication)。Horizons(Horiz

8、ons satellite system)(来自Inmarsat)。第11章 移动通信的展望个人通信 11.2.2 几个主要标准化组织的活动情况简介几个主要标准化组织的活动情况简介 (1)1985 年，ITU-R(CCIR)成立了临时工作组IWP 8/13，开始研究适用于全球运营的FPLMTS。1991 年正式成立工作组TG8/1，专门负责FPLMTS的标准制订。至 1997 年2 月底，TG8/1 工作组已起草和制订了 24 个建议，分为概念与原则、要求与结构、技术评估与选择、技术规范等四类。预期的进度是：1997 年3月至 1998 年 6 月，征集空中接口的无线传输技术候选方案；1997

9、 年 10 月至 1998 年 9 月，对候选方案进行评估；1999 年 3 月，确定无线传输技术方案；1999 年1 月至 1999 年 12 月，完成空中接口和网络接口规范；2000 年以后推出产品。第11章 移动通信的展望个人通信 第11章 移动通信的展望个人通信 2)欧洲电信联盟在 1987 年提出UMTS的概念后，在一些大型科研计划中对UMTS中可能采用的技术进行了广泛而深入的研究。这些研究计划有：欧洲先进通信计划(RACE)、先进技术和业务计划(ACTS)以及科技领域合作研究计划(COST)。UMTS的标准制订由ETSI特别移动组(SMG)的分组SMG5 负责。SMG5 于 199

10、2 年开始工作，下设五个工作组(业务、无线电、网络、安全和卫星综合)。欧洲各个UMTS科研项目的研究成果都要送交SMG5，由它进行标准制订。按照计划，UMTS的标准要在 1998 年完成，1999 年完成测试标准，大约在 2000 年推出产品。第11章 移动通信的展望个人通信 第11章 移动通信的展望个人通信 W-CDMA方案(宽带直接序列码分多址，简称方案)。主 要 以 ATCS中“未 来 无 线 宽 带 多 址 接 入 系 统(FRAMES)”计划的合作者所提出的方案为基础，获得了日本NTT DoCoMo、欧爱立信等公司的支持。其基本参数和特性为如下：多址方式：DS-CDMA。双工方式：主

11、要为FDD，也考虑TDD模式。扩频子码速率：4.096 Mc/s(可扩展到 8.192 Mc/s或 16.384 Mc/s，相应的载波间隔也要加倍或增大到 4 倍)。载波间隔：4.45.2 MHz(是 200 kHz的整数倍，或者说阶距为 200 kHz)。第11章 移动通信的展望个人通信 信息速率：广域应用达 384 kb/s，局域应用达 2 Mb/s，为提供可变速率业务，采用可变扩频因子(4256)和多码扩频技术。帧长度：10 ms。时隙长度：0.625 ms。信道编码：标准业务仅采用码率为 1/2(反向链路与控制信道)或 1/3(正向链路)和约束长度 K=9 的卷积编码，高质量业务在卷积

12、码的基础上再增加码率为 4/5 的RS码。数据调制：正向QPSK，反向0QPSK。第11章 移动通信的展望个人通信 第11章 移动通信的展望个人通信 TD-CDMA方案(简称方案)。方案的设计目标同样是选择先进的无线传输技术，以获得较高的频谱利用率，提供灵活多样的通信业务和支持通信终端的高速移动性，等等。其基本参数如下：多址方式：TD-CDMA。双工方式：FDD/TDD。载波间隔：1.6 MHz(200 kHz的整倍数)。扩频方式：在TDMA的基础上，每码元扩展成 16 个子码的正交特征码。扩频子码速率：2.167 Mc/s。第11章 移动通信的展望个人通信 时隙长度：577 s。每帧时隙数：

13、8。每时隙信道数：8。信息传输速率：几 kb/s 2 Mb/s，灵活可变(用多时隙和多码来实现)。每帧用户数：164。信道编码：码率为 1/4 的卷积码。数据调制：QPSK/16 QAM。扩展调制：GMSK。检测方式：基于训练序列的相干检测。第11章 移动通信的展望个人通信 抗干扰和抗衰落措施：抑制小区和小区间干扰的联合检测，逐帧或逐时隙跳频、跳时。功率控制：慢速功率控制(动态范围 50 dB)。切换方式：移动台辅助硬切换。网络结构：小区再用因子为 3，能支持分层小区结构。因为TD-CDMA方案的信号传输是分时隙同步工作的，分时隙能在时域上大幅度地降低多址干扰，而同步传输很容易实现理想的多用户

14、检测性能。因而这种系统能够有效地抑制网络中的多址干扰。第11章 移动通信的展望个人通信 (3)美国在发展个人通信和第三代移动通信系统方面采取了与欧洲不同的策略。(4)日本从 1993 年着手进行第三代移动通信系统的研究，现已决定采用宽带码分多址作为第三代移动通信系统的优选方案，计划于 1998 年完成标准工作，并力图通过国际电信联盟把自己的建议作为国标标准，即使做不到这一步，也要力争使之成为亚洲标准。目前，日本正在积极寻找亚洲合作者，特别是中国，联合发展第三代移动通信系统。第11章 移动通信的展望个人通信 图 11-1 通用无线接入网络和通用核心网络示意图(a)通用无线接入网络；(b)(b)通

15、用核心网络 第11章 移动通信的展望个人通信 第11章 移动通信的展望个人通信 11.3 第三代移动通信的新技术第三代移动通信的新技术 11.3.新型调制技术新型调制技术 1.多载波调制多载波调制 多载波调制的原理是把要传输的数据流分解成若干子个比特，每个子数据流具有低得多的码元速率，然后用这些子数据流去并行调制若干子载波。由于在多载波调制的子信道中，码元速率低，码元周期长，因而对传输信道中的时延扩展和选择性衰落不敏感，或者说在满足一定条件下，多载波调制具有抗多径扩展和选择性衰落的能力。第11章 移动通信的展望个人通信 多载波调制可用以下的不同方法实现：(1)多载波正交振幅调制(MC-QAM)

16、。把待传输的数据流分解成多路低速率的子数据流，每一路数据流被编码成多进制QAM码元，再插入同步/引导码元，分别去调制各个子信道的载波，这些子载波综合在一起就形成了MC-QAM信号，MC-16QAM曾经用于Motorola公司开发的数字集群系统MIRS。第11章 移动通信的展望个人通信(2)正交频分复用和码分多址结合(OFDM-CDMA)。图 11-3 OFDM的正交载波频率 第11章 移动通信的展望个人通信 第11章 移动通信的展望个人通信 图 11-4 OFDM-CDMA调制器方框图 第11章 移动通信的展望个人通信 2.可变速率调制可变速率调制 实现可变速率调制的方法有以下几种：(1)可变

17、速率正交振幅调制(VR-QAM)。QAM是一种振幅和相位联合键控技术。电平数越多，每码元携带的信息比特数就越多。可变速率QAM是根据信道质量的好坏，自适应地增多或减少QAM的电平数，从而在保持一定传输质量的情况下，可以尽量提高通信系统的信息传输速率。作为例子，图 11-5 给出一种星型QAM的星座图。实现VR-QAM的关键是如何实时判断信道条件的好坏，以改变QAM的电平数。第11章 移动通信的展望个人通信 第11章 移动通信的展望个人通信 (2)可变扩频增益码分多址(VSG-CDMA)。这种技术靠动态改变扩展增益和发射功率以实现不同业务速率的传输。在传输高速业务时降低扩频增益，为保证传输质量，

18、可相应提高其发射功率；在传输低速业务时增大扩频增益，在保证业务质量的条件下，可适当降低其发射功率，以减少多址干扰。第11章 移动通信的展望个人通信 (3)多码码分多址(MC-CDMA)。待传输的业务数据流经串/并变换后，分成多个(1,2,M)支路，支路的数目随业务数据流的不同速率而变，当业务数据速率小于等于一基本速率时，串/并变换器只输出一个支路；当业务数据速率大于基本速率而小于二倍基本速率时，串/并变换输出两个支路；依此类推，最多可达M 个支路，即最大业务速率可达基本速率的M倍。MC-CDMA通信系统中的每个用户都用到两种码序列，其一是区分不同用户身份的标志码PNi，其二是区分不同支路的正交

19、码集pn1,pn2,pnM，这样，第i个用户的第j个支流所用扩频码为Ci=PNipnj。第11章 移动通信的展望个人通信 11.3.2 智能天线智能天线 智能天线是一种自适应阵列天线。图 11-6 自适应波束形成示意图第11章 移动通信的展望个人通信 图 11-6 是一种基于信号到达方向的(DOA)自适应波束形成器示意图，其中天线由N个空间分布的天线阵元组成，阵元排列可以是直线型、环型或平面型，阵元之间的距离一般为信号波长的一半，即/2;W是复加权因子。这种自适应阵列需要判别所有信号的到达方向，然后根据信号的到达方向，计算和选择合适的复加权因子，将方向图的主瓣指向所需信号，而把凹陷对准干扰信号

20、，从而提高有用信号的信干比。这种作法在阵元数多于用户数、用不存在多径传播时比较有效。但一个N元阵列天线只有 N-1 个自由度，只能形成 N-1 个凹陷来抑制 N-1 个干扰信号，而在移动通信环境中，不仅用户数会远远超过阵元数，而且会有很多多径干扰以随机的方向射向阵列天线，这就使信号入射方向的判定发生困难。第11章 移动通信的展望个人通信 基准信号的产生可以采用下列几种办法。(1)利用发送同步信号的引导序列来产生参考信号。因为各个用户的同步引导序列通常不是独特的，因而这种方法能区分所需信号和同道干扰。(2)为各个用户发送专门的训练序列或引导序列，用来产生参考信号，显然，这种方法会增大信道的额外开

21、销。(3)在码分多址移动通信系统中，因为接收端知道发送端所用的扩频码，因而利用提取环路很容易获得所需的参考信号。第11章 移动通信的展望个人通信 图 11-7 是基于基准信号的阵列天线示意图。第11章 移动通信的展望个人通信 11.3.3 多用户信号检测多用户信号检测 1.去相关多用户信号检测器去相关多用户信号检测器 在传统的DS-CDMA系统中，用一组匹配滤波器分别对应多个用户的输入信号进行检测。由于各个扩频序列之间存在相关性，各匹配滤波器的输出除所需信号和信道噪声外 还包含由互相关性引起的其它用户信号的干扰，即多址干扰。以X=(x1 x2xk)T表示输入信号矢量，以Y(y1 y2yk)T表

22、示匹配滤波器的输出矢量(k为用户数)，可得 第11章 移动通信的展望个人通信 式中，bk是第k个用户的信息数据，N为噪声，R是表征扩频序列之间相关性的kk阶相关的矩阵，A是表示信号强度(幅度与相位系数)的对角线矩阵。可以年出，如果在上式进行去相关线性变换，即对相关的矩阵R求逆，可得Yv=R-1Y=AB+NvNv=R-1 N为变换后的噪声分量。显然，去相关检测器能够把多址干扰完全消除，但变换后的噪声要增大。去相关多用户信号检测器属于线性检测器，线性检测器还有其它类型，如最小均方误差检测器等。第11章 移动通信的展望个人通信 2.干扰抵消式多用户信号检测器干扰抵消式多用户信号检测器 这种检测器的基

23、本思路是把输入信号按功率的强弱进行排序，强者在前，弱者在后。首先，对最强的信号进行解调，接着利用其判决结果产生此最强信号的估计值，并从总信号中减去此估计值(对其余信号而言，相当于消除了最强的多址干扰)；其次，再对次强的信号进行解调，并按同样方法处理；依此类推，直至把最弱的信号解调出来。因为相对而言，最强的信号对其它用户造成的多址干扰最强，所以从接收信号中首先把最强的多址干扰消除，对后续其它信号的解调最有利。第11章 移动通信的展望个人通信 11.3.4 无线无线ATM 图图 11-8 无线无线ATM系统示意图系统示意图 第11章 移动通信的展望个人通信 11.3.5 多层网络结构多层网络结构

24、图 11-9 双层小区示意图 第11章 移动通信的展望个人通信 11.3.6 位置区和寻呼区的管理位置区和寻呼区的管理 为了在呼叫启动时便于寻找用户，把整个网络的覆盖区划分成若干个位置区(LA)和寻呼区(PA)。所谓位置区是指移动台(MS)在其中移动而不需要更新数据库中数据信息的区域。一旦移动台横跨一个LA的边界，就需要更新位置信息。一个位置区通常包含几个蜂窝小区，其覆盖范围和形状可以固定，也可以根据实际情况动态地发生变化(用户位置的变化通常是有规律性的，白天在办公室的概率大，晚上在住宅的概率大，因此LA可以 24 小时为周期而改变)。所谓寻呼区是在通信过程中，对移动台进行呼叫的区域。PA可以

25、等于、小于或大于LA，根据所用寻呼策略的不同，PA可以限于单个小区，直到包括整个系统所有的小区。第11章 移动通信的展望个人通信 图 11-10 智能寻呼算法示意图第11章 移动通信的展望个人通信 LA的划分和PA的划分是相互有关联的。LA越大，位置更新的频度越低，所需的更新信令开销越小。但是在LA=PA的情况下，要在LA很大的范围内寻呼用户，就必须在很多个基站中发送寻呼信号，因而寻呼开销增大。相反，LA越小(极限情况只含一个小区)，位置更新的频度越高，所需的更新信令开销也越大，但是所需的寻呼开销却越小。为了使位置区域的划分达到最佳，有人提出按以下代价函数最小来划分LA：式中，CLA是LA的总

26、代价，CU是位置更新信令所引起的代价，CPAG是在无线接口上广播寻呼消息所引起的代价。这种办法的问题是代价CLU和CPAG的估计十分困难。第11章 移动通信的展望个人通信 11.3.7 软件无线电软件无线电 软件无线电的关键思想是尽可能在靠近天线的部位(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器(DSP)进行软件处理，以实现尽可能多的无线通信功能。图11-11是软件无线电的结构简图。在实际应用中，要求发射机能判明可用的传输信道，探测可行的传播路径，选择合适的多址方式和调制制度，自适应控制天线波束使之指向正确方向和使用合适的功率电平等。接收机应能判明所需信道和邻近信道

27、的能量分布，识别接收信号的模式，自适应抵消干扰，能估计所需信号的多径特性，采用自适应均衡，最佳合并与利用所需信号的多径能量，对信道调制进行最佳译码和判决，并通过前向纠错以降误码率等。此外，软件无线电还可通过众多的软件工具来支持增值业务。第11章 移动通信的展望个人通信 图 11-11 软件无线电结构简图 第11章 移动通信的展望个人通信 附录附录 未来公用陆地移动通信系统未来公用陆地移动通信系统(FPLMTS)简介简介 FPLMTS的目标是实现全球性的个人通信网，属于以终端移动性为基础的个人通信网。其主要特征是把数字蜂窝通信系统与数字无绳电话系统综合在一起，与ISDN、PSTN等固定网络相结合

28、，并利用卫星通信系统(同步卫星和低轨道卫星系统)实现与船上和飞机上的用户通信，从而构成一个世界范围的通信整体，以实现任何地方均可使用的地面移动通信系统。1992 年世界无线电管理会议(WARC)为FPLMTS分配的工作频段为 1 8852 025 MHz和 2 1002 200 MHz。第11章 移动通信的展望个人通信 FPLMTS的建议中规定了四种无线电接口：R1 是移动台(MS)与基站(BS)之间的接口；R2 是个人手机与个人基站(CS)之间的接口；R3 是卫星与移动地球站(MES)之间的接口；R4 是寻呼FPLMTS终端的附加无线寻呼接口。这些接口的关系如图 11-12 所示。第11章 移动通信的展望个人通信 图 11-12 FPLMTS的各种无线接口第11章 移动通信的展望个人通信 图 11-13 FPLMTS结构的卫星部分