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<p><p>&lt;p&gt;移动通信中的若干关键技术(上) 黄载禄 首页 1 移动通信中若干关键技术(上) 序 言 1. 移动通信发展史 1897年: M.马可尼发明无线通讯 固定站 拖船 1946年: 车载移动通信 F:3040MHz(美) 1960-1970年:小容量、大区制移动电话 F:150450MHz(美、法、德、英) 1978年: 模拟蜂窝(Amps) (第一代) F:450M频段、900M频段(美、欧、日) 1991年: GSM系统投入商用(欧) 1995年: CDMA IS-95商用(美) (第二代) 18海里 2 移动通信中若干关键技术(上) 2. 本讲“关键技术(上)”提纲 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 语音编码与压缩 3。2 多址技术 3。3 信道编码与交织 (其它技术安排在移动通信中若干关键技术(下) 序 言 3 移动通信中若干关键技术(上) 三大部分: 手机(移动台) 基站:(天线、无线电信号的接收、发射设备及基站控制器等 ) 交换网络(移动交换机、跨地区间的中继传送设备等) 一、移动通信系统的构成 4 移动通信中若干关键技术(上) 基 站 交换网 络 基 站 基 站 信道 图1 系统构成 5 移动通信中若干关键技术(上) 可靠性 信道环境恶劣 大容量 频率资源有限 二、推动移动通信技术进步的主要矛盾 6 移动通信中若干关键技术(上) 1)资源 GSM900兆频段: 880915MHz(手机发 基站收),F=25M 935960MHz(基站发 手机收),(125个频道) GSM1800兆频段: 17101785MHz(手机发 基站收),F=75M 18051880MHz(基站发 手机收),(375个频道) CDMA800兆频段: 824849MHz(手机发 基站收) 869894MHz(基站发 手机收) IMT2000(第三代): 18852025MHz(手机发 基站收) 21102200MHz(基站发 手机收) GSM系统相临基站的工作频道必须隔开 CDMA系统相临基站可工作于同一频道 2.1 我国移动通信系统的频率1)资源 7 移动通信中若干关键技术(上) a) 减小蜂窝尺寸 大蜂窝(nkm) 小蜂窝(n百米) 微小蜂窝(n十米 ) b) 降低语音数据率 64kb/s 固定电话(PCM) 13kb/s GSM(规则脉冲激励型线性预测编码) (4.8kb/s) 2) 频率资源有限与大容量矛盾解决方案: 8 移动通信中若干关键技术(上) 克服恶劣的信道环境,获得通信的高可靠 推动移动通信技术进步的关键因素 2.2 移动通信的信道环境特征 9 移动通信中若干关键技术(上) 传播机制与频率的关系: ?长波(520KHz以下)地波 ?中波(5351605KHz)地波 ?短波(1605KHz30MHz)天波(电离层反射) ?超短波(30700MHz) ?微波(700以上)直射、反射、绕射、散射 移动通信的电波传播: 直射 反射 散射 绕射 图3 电波传播模型 天线 基站 散 射 体 1)移动通信的电波传播机制 10 移动通信中若干关键技术(上) 多径 慢衰落(几秒以下几小时) 快衰落(几Hz左右) 当代移动通信系统是众多通信最新技术的集成,目的是对付衰落信道, 实现高可靠和大容量。 图4 接收信号波形 2)移动通信的接收信号特征 11 移动通信中若干关键技术(上) 三、移动通信中的若干关键技术 12 移动通信中若干关键技术(上) 1)PCM编码 数据率:64kb/s未经压缩(采样频率8KHz,8比特量化 ) 压缩语音数据率的目的是使一个标准PCM信道中能容纳多个 用户,达到扩大系统容量。 3.1 语音编码与压缩1)PCM编码 13 移动通信中若干关键技术(上) 采用新的语音编码方法,实现语音数据率的压缩 a) 波形编码 话音质量达到电话网要求(信/噪比=26db) 理论极限速率=16kb/s(由信息论信源函数理论推导) b) 参量编码 理论极限:以英语为例,其音素参量有128256个,按照通常的讲话 速率,每秒发出10个音素。因此话音数据率的最低极限: log2(128)10=70bit/s 至 log2(256)10=80bit/s c) 混合编码 以参量编码为基础+有限波形编码算法 达到相对低数据率,良好 可懂度 2)压缩方法 14 移动通信中若干关键技术(上) 表1 几种语音编码方法比较表 注: MIPS百万条指令/秒 ms豪秒 mosCCITT建议的五级评价评分标准 3)几种编码方案的性能比较 15 移动通信中若干关键技术(上) a) 方案: QCELP方案(码激励线性预测的可变速率混合编码) 可变速率传输:分9.6kb/s,4.8kb/s,2.4kb/s,1.2kb/s 4档速率 (1,1/2,1/4,1/8),根据信/噪比背景改变速率。 4)IS-95 CDMA中的语音编码a) 方案 16 移动通信中若干关键技术(上) 伪随机 信号矢 量 矢量 码表 音调合 成滤波 线性预 测编码 滤波 自适应 滤波 增益 控制 合成语音输出滤波参数 1,2,. 12 音调参数 L、b 增益G 其他 码速 T激励 图5 QCELP方案图 1/8码速 清/浊 b) QCELP实现原理: 17 移动通信中若干关键技术(上) ? 首先对模拟话音按8KHz采样 ? 将采样按每20ms划分为一个话音帧(含160个采样点) ? 分析这160个采样点生成3个参数矢量 滤波参数: 1,2,12(20ms更新一次) 音调参数:L、b 码表参数:T 系统发送的是参数:1,2,12;L、b;T;G 等 手机中根据参数生成语音 依速率调整更新快慢 c) 实现流程 18 移动通信中若干关键技术(上) 在同一信道中,准许多个用户同时通信的技术, 在移动通信中称为多址技术。 3.2 多址技术 19 移动通信中若干关键技术(上) 多址方式只有三种:频分(FDMA),时分(TDMA),码分(CDMA) 。 FDMA模拟移动通信中采用(第一代) TDMAGSM 体制 CDMAIS-95 CDMATMT2000 (第三代) TD-SCDMA码分多址与时分多址的组合方案,“S”表示同步 (第二代 ) T F C T1 T2 . Tn 图6 多址三维正交示意 Fn F2 F1 C1 C2 Cn 1)多址方式 20 移动通信中若干关键技术(上) a)特点 ? 不同用户可以使用同一频率(F)、同一时间(T),仅使用不同的 码型来替换不同的用户数据:“1”和“0”,来区分不同用户。 例如: CDMA又称扩频通信 “1”用户1 1001010 C1(t) “1”用户2 0110101 C2(t) 条件: C1(t)与C2(t)互不相关(正交),即 用户1 用户2 片码(扩频码) T “1” “0” 2)码分多址(CDMA)a)特点 21 移动通信中若干关键技术(上) ? 信号的频谱大大展宽(F1/T, Fen/T )(n填充码的个数), 系统的抗干扰性大大增强,可使信噪比提高n倍。 IS95片码:1.2288Mb/S IMT2000片码:3.84Mb/S 理论基础:信息论中山农信道容量定理 C = F log2(1+S/N) 式中: C单位bit/s,信道每秒传送信号的数据率 F单位HZ,信号所占带宽 S/N信号/噪声功率比 推理:当C一定,传送的信号所占带宽越宽,则容许的S/N信噪比可以越低 。 b)CDMA的关键技术 22 移动通信中若干关键技术(上) ? 寻找扩频码CN(t) 要求:(1) C1(t), C2(t), Ci(t)CN(t) N越大越好,以容纳更多用户 (2)它们之间的互相关函数 0(越小越好) (实际上0,而形成用户间的干扰) (3)发送端容易产生 (4)接收端容易捕捉与同步产生,此为CDMA研究的一个重要方面 23 移动通信中若干关键技术(上) ? LasCDMA 宣称找到了构造大容量但完全不相关的CN(t)扩频码的方法, 又称TDLAS技术,两级扩频编码 优点: (1)消除原CDMA系统用户间的干扰,以构造出干扰不受限的CDMA系统。 (2)简化系统,使原CDMA系统中用于对抗用户间干扰的措施成为无必要。 (宣称无需复杂功率控制、无需智能天线、无需软切换、无需多用户 检测等) CN1(t ) CN2(t ) LasCDMA 信号 扩频信号 LA LS 24 移动通信中若干关键技术(上) ? 信道多址与基站多址 信道多址采用64位walsh码,分别分配给64个信道 1个导频信道W0 1个同步信道0,1相间的W32 7个寻呼信道W1W7 55个业务信道W8W31; W33W63; 基站多址码采用m=215-1的15位简单伪随机序列,前加15个0偏置。 ? 跳频与跳时 25 移动通信中若干关键技术(上) 1)信道编码的定位 图7 CDMA系统信号流程 3.3 信道编码与交织编码1)信道编码的定位 扩频 调制 信道 编码 交织 编码 射频 调制 射频 解调 去 交织 信道 解码 解 扩 数据 码 数据 码 信令信令 26 移动通信中若干关键技术(上) 信道编码的作用 抗由一切信道传输原因所引起的误码,完成对分散独立误码的纠错。 交织编码的作用 抗信道产生的实发错误(成片的误码),使移动通信的信道变成随机 独立差错信道(噪声信道)。即:将信道引起的成片误码改造为分散 独立误码。 2)在系统中的作用 27 移动通信中若干关键技术(上) a) 思路 增加监督(校验)码元,发现或纠正信息码元的错误。 b) 研究目标 以最少监督码元为代价获取对信息码元最高的检错和纠错能力。 c) 信道编码的种类 按照加入监督码元的规律或监督码元实现检错、纠错的算法, 可分为:线性编码(线性分组码、循环码等); 非线性编码(如卷积码等)。 信息码监督码信息码 监督码 3)信道编码 28 移动通信中若干关键技术(上) a) 所有信道编码要服从严格的数学关系。 b) 例BCH码、RS码、Fire码 c) 线性分组码 ?(7,3)码(可纠正一个错误) 码长 7位 信息位 3位 监督位 4位 C=(C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6) 4)线性分组码 29 移动通信中若干关键技术(上) ?编码方程 C0=U0 C1=U1 C2=U2 C3=U0U2 C4=U0U1U2 C5=U0U1 C6=U1U2 数学表达式 C=(C0 C1 C2 C3 C4 C5 C6) 1 0 0 1 1 1 0 =(U0 U1 U2) 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 U G=(I Q)生成矩阵 =UG 信息位 监督位 30 移动通信&lt;/p&gt;</p></p>
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