第2章无线接入的基本技术.ppt

第2章 无线接入的基本技术,2.1,无线信道的接入方式,1. 常用的3种接入方式,图2-1 FDMA、TDMA、CDMA的说明,2. 三种无线接入方式的收发信机的构成,3. 蜂窝通信的概念,2.2,数字调制与解调,2.2.1 数字调制 1. GMSK（Gaussian Minimum Shift Keying） (1) FSK（Frequency Shift Keying） 传输“1”码时，输出载频 传输“0”码时，输出载频,FSK的简单表示法,FSK的更专业表示法,FSK的相位： 设f1对应码“1”，f2对应码“0”,例：码流“0110100”的FSK发送信号相位迁移图,定义调制指数,FSK信号的功率谱密度图形为,功率谱密度,特点：m增大，频谱展宽。M=0.5时，频谱的主要成份集中在载波附近（即使 采用随机码调制）,（2）MSK（Minimum Shift Keying） m=0.5的FSK称为最小频移健控 例：求MSK信号一个时隙前后的相位变化（超前或滞后）。,对于MSK，每隔一个时隙，有 的相位变化。,问题：,m 频谱展宽，频谱利用率低 m 频谱窄，频谱利用率高。m是否可以小于0.5？,不可以,原因：当m很小时（f1和f2之差很小），接收机难以分辨出 和,传号,空号,结论：m=1/2的FSK是频移最小的数字调频方式,（3）GMSK 问题：MSK的频谱利用率高（所需带宽小于2PSK),但频谱特性不好。,3dB,Bb,f,高斯LPF,MSK,ST(t),: 高斯滤波器的3dB带宽与码长的乘积,调制方式,（1）QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) QPSK 的数学表达式,0相,相,相,相,（0,0）,（0,1）,（1,1）,（1,0）,信号空间图,为了用正交载波传输QPSK信号：,同相信道：,正交信道：,QPSK信号：, QPSK信号的构成,(0,0),(0,1),（1,1）,（1,0）,特征：由于正交载波传输，两个信道的信号互 不影响。, 串并联转换与QPSK信号的频谱,设传输的数字信号序列为 ，需要将 进 行串并转换为 和 两个序列。,延迟T秒,QPSK 调制,脉冲周期变为2T,1 1 1 0 1 0,0 1 0 0 1,1 0 1 1 1 0 0 0 1 1,PSK,QPSK,因为 、 的重复频率是PSK的一半， 所以，QPSK占用的带宽是PSK的一半, QPSK的电路框图,2PSK调相,移相,2PSK调相,QPSK,原理：,(0,1),（1,0）,(0,0),(1,1),1,1,1,-1,-1,-1,-1,1,（2） QPSK, QPSK的另一种电路,S/P,基带信号生成器,LPF,LPF,移相,data,(0,1),（1,0）,(1,1),(0,0),I_Ch,Q_Ch,QPSK 星座图和相位迁移图,相邻两个符号间的相位差：, QPSK,Gray码 QPSK的电路框图与前面QPSK的框图相同， 只是基带信号生成器的内部结构不同,data,Gray码编码器,时钟,Gray码 QPSK基带信号生成器,当,时，Gray编码器输出的,直接送给两个信道,当,时，Gray编码器输出的,移相,，使,，然后送到两个信道。,信号空间图是 两个图形的组合。,(0,0),(0,1),(1,1),(1,0),(0,0),(0,1),(1,1),(1,0),(0,0),(0,1),(1,1),(1,0),(0,0),(0,1),(1,1),(1,0),的星座图和相位迁移图,和 的相位迁移比较,绝对值最小的相位迁移为0,绝对值最小的相位迁移为,为什么采用 ？ 相位迁移会停留在同一个相位点上（例如00000110000）,相位迁移不会停留在同一个相位电点上，至少有 的相位差。,即使连续出现相同的码，相位也发生变化，便于时钟恢复。, 相位迁移通过原点,相位迁移不通过原点,因为离开原点的距离表示了调制包络线的振幅，所以 包络线的振幅变化比 小,基于上述原因: 能够减小由于发送放大器的非线性而引起 的频谱扩展 (b) 能够提高发送放大器的功率效率,3. 16 QAM调制方式,（1） 基本概念：同时利用振幅变化和相位变化的调制方式称为振幅相位 调制方式（Amplitude and Phase Shift Keying ，ASPK) 16值APSK：发送的载波采用正交载波 和 ，用包含 负振幅的4个值分别对两个正交载波进行振幅调制，然后 相加得到16值APSK信号。因为是采用正交载波进行振幅 调制，所以称为16 QAM（Quadrature Amolitude Modulation）,（2）16 QAM调制方式的基本传输信号的产生方法,(00) (01) (11) (10),(00),(01),(11),(10),(0010) (0110) (1110) (1010),(0011) (0111) (1111) (1011),(0001) (0101) (1101) (1001),(0000) (0100) (1100) (1000),16 QAM的星座图,2.2.2 采用导频码进行信道估计,移动无线电波的传输特性 （1）多经传输导致多经衰落 （2）时延扩展和相干带宽 （3）多普勒频移 （4）平坦衰落和频率选择性衰落,散射波,反射波,直射波,折射波,移动通信的电波传播,多经信号的幅度和 相位随机变化,接收信号快速 衰落(20dB),用波长归一化的距离 (波长),由延迟波引起的衰落波型变化,多经传播,时延扩展,码间干扰,多经传播引起接收信号时延扩展,信道的相干带宽 Bc,Bc是一个与时延扩展相联系的参数,其值与时延扩展 成反比,频率选择性衰落,: 信号带宽,终端移动,频率偏移(多普勒频移),多普勒频移效应,平坦衰落：,0,0,0,0,0,0,频率选择性衰落：,2. 信道估计 因为多经传输问题的存在，接收机的接收信号受到不 同的衰落变化。为了进行同步检波，在接收机需要对接收 信号的相位和幅度进行估计（对衰落复包络线进行估计）。 这种处理成为信道估计。 3. 利用导频码（导频信道）进行信道估计 (1) 导频信道的构成,（2）相位变化补偿原理 因为导频码的发送数据调制相位在接收端时事先已知的，所以导频码的接收相位/振幅可以作为参考相位/振幅。,利用导频码可以在每个时隙内计算信道的估计值,W-CDMA方式，在上行专用物理信道（dedicated physical channel，DPCH）中，导频码作为专用物理控制信道（dedicated physical control channel，DPCCH）中的一部分被映射在Q信道上，而由编码数据序列构成的专用物理数据信道（dedicated physical data channel，DPDCH）则被映射在I信道上，并且，对DPCCH和DPDCH都要进行2相PSK（binary phase shift keying，BPSK）调制。另一方面，在下行链路的DPCH中，对DPCCH和DPDCH都进行时间复用，数据调制采用QPSK调制方式。设 表示在第l条路径（ ，L是Rake合成的路径数）的第k个时隙中由于衰落引起的信道变化（是具有振幅和相位分量的复数量），如果用 表示 的估计值，则如图2-10所示，可利用导频码的接收相位 求出 。如果用 表示第k个时隙中DPDCH的第n个符号通过第l条路径的解扩后的信号，将 与 的共轭复数相乘，可补偿衰落引起的相位变化。,(3) 的估计方法,加权系数选择：衰落相关大的时隙用大的加权系数 衰落相关小的时隙用小的加权系数,2.3,DS-CDMA方式,2.3.1 DS-CDMA原理,扩频解扩的过程,W-CDMA收发信机的构成,数据调制波形：,扩频码波形：,: 符号长度； : 码片长度,是,的双极性码,是编码信息数据序列,对于QPSK调制,设上行链路中有K个通信用户，第k,个用户的,发送信号通过多经传输，接收端接收的信号 为：,高斯噪声分量,延迟时间,复数信道增益,用户k的发送功率,约束条件,解扩后的信号：,利用第k个用户在路经l上扩频码的副本，通过码匹配滤波器对接收信号 解扩,发送数据信息序列， 是 的估计值,多经 干扰,其他用户的干扰（MAI),背景噪声,1、接收信号是一个延迟时间不同的多个信号 的叠加 2、解扩信号中包括,小结：,多经干扰 其他用户的干扰 背景噪声,3、系统允许的最大干扰功率和可容纳的通信 用户数由能够满足接收质量的SIR决定。,2.3.2 扩频码 作为扩频码的条件： 要求在同步时间内（无时差）的自相关峰尖锐，而在其他的时间偏移内自相关的绝对值很小。并且，在所有的时间内，要求不同扩频码之间互相关的绝对值很小。,满足上述条件的码有,Gold码 Walsh码,SF个,问题：正交Gold码或Walsh码只有SF个，如何增加系统容量？,方法：重复利用SF个码。如何重复利用？,重复利用SF个正交码的方法：将正交码乘以一个每个小区固有的，重复周期远大于信息码长的扰频码，即采用两阶段扩频码分配方案。,信道化码,信道化码,信道化码（标识用户）,扰频码（标识小区）,用户1,用户N,用户2,数据,数据,数据,因为依靠时间同步系统可使各个小区之间具有相同的绝对时间信息，所以，可以用系统事先规定的某个时间对重复周期很长的扰频码进行偏移而重复使用,小区间非同步方式：,因为各个小区间不存在相同的绝对时间信息，所以，每个小区需要采用特定的扰频码。,特定扰频码的分配方法及数量：,小区间同步方式：,信道化码（短码，short code） ：重复周期等于符号的长度、码片长度等于扩频因子的正交码。,正交Gold码或Walsh码可以作为信道化码使用,问题：SF不同，即符号速率不同的信道之间 采用什么码？,采用正交可变扩频因子（orthogonal variable spreading factor， OVSF ）编码方案。,OVSF编码方案：,OVSF码的生成方法是从(1)（SF=1）开始，按照式（2-6）所示的规则逐次生成下一层的OVSF码：,(2-6),2.3.3 扩频调制,DPDCH : dedicated physical data channel; DPCCH : dedicated physical control channel，GDPDCH、GDPCCH: 信道的增益 DI、DQ: 信道化码扩频后的数据序列的I分量和Q分量 CI、CQ: 扰频码的I分量和Q分量。,（复数扩散法）,DPCH,2.3.4 扩频码同步 扩频码同步包含：初期捕获（acquisition）和跟踪（将同步时间保持在 个码片以内）两个过程 解扩器：采用滑动相关器和可实现高速同步的匹配滤波器（matched filter，MF）两种方案 跟踪：延迟锁相环（delay locked loop，DLL）和T型抖动环（tau dither loop，TDL）是业界熟悉的采用方案 移动环境：各个路径的接收功率及延迟时间均随时间变化。在这样的环境下，一般是根据功率延迟分布进行路径搜索，不使用DLL和TDL 。,CDMA系统中的时延扩展,在一个符号区间解扩并生成功率延迟分布。根据生成的功率延迟分布，按照接收功率从大到小的顺序选择接收机具有的相关器、信道估计部分及相位变化补偿部分（以上的模块称为Rake Finger）的个数，也就是选择合成的路径数目要等于Rake Finger的个数。,Rake接收的原理,分集合成器,数据,移动终端在开启电源、进入软切换模式前或者处于通信等待的间断接收模式时，需要检测对瞬时衰弱变化进行平均后的长区间变化以及由于阴影变化引起的路径损耗最小的小区。 这种处理是检测下行链路中具有最大接收功率（解扩后的相关峰功率）的公共导频信道（common pilot channel，CPICH）的扰频码的小区。从对可接入无线链路的小区进行搜索这个意义讲，该过程称为小区搜索。,2.4、4,小区搜索,2.5,随机接入方式,1、呼叫与业务量,呼叫：通信接续要求（例如，电话，传输数据等） 平均保留时间：呼叫的平均接续时间 业务量（Traffic Intensity) ：单位时间内的总保留时间，单 位用Erlang表示。 对于一个多用户通信系统，每个用户产生的业务量为：,平均保留时间,每个用户的呼叫平均发生率,每个用户的业务量,假设系统有U个用户，则系统的业务量为：,假设系统中的信道数为N，且每个信道的业务量相等，则每个信道的业务量AN为：,2. 呼损率与Erlang公式（B式）,呼损率（Blocking probability，BP）：,Erlang B式：当用户产生了呼叫时，如果系统有空闲信道， 则用户接入系统；否则，该呼叫不能接入信 道成为呼损。 Erlang B式如下：,A：总业务量 C：系统提供的信道数 BP：呼损率,3. 随机接入的方法,(1) 纯ALOHA方式,(2) 时隙化的ALOHA方式,(3) PRMA (Packet Reservation Multiple Access),Frame j,Frame j+1,已预约的时隙,未预约的时隙,用户A在发送分组竞争中成功，获得了一个时隙,基站为用户A预留了一个时隙 ，用户A在后 面的各帧中占用该时隙发送分组,time,time,（4）W-CDMA采用的随机接入,随机接入的工作构成图,PRACH：physical random access channel AICH ：acquisition indicator channel （捕获指示信道）,前缀（4096个码片）:在发送消息部分之前发送的用于扩频码同步检测的短信号，采用全“1”的固定图案进行调制，采用由两个符号序列的积（modulo 2）生成的符号序列进行复数扩频。 前导特征码（preamble signature）：将16个码片长的特征码重复256次生成的编码序列。 前缀部分的扰频码：移动终端通过下行链路的BCH接收到基站通知的长扰频码，从该长扰频码的第一个码片开始取出的4096个码片序列作为前缀部分使用的扰频码。 消息部分的扰频码：基站通过下行BCH通知的具有38400个码片长度的长扰频码,差错控制包括： FEC （forward error correction）和ARQ （automatic repeat request）两种方式 2.6.1 FEC W-CDMA方式： 业务信道使用可获得较大编码增益的Turbo码 控制信道使用卷积码。 卷积码包括码率R=1/2, R=1/3和两种类型，约束长度为9比特。 Turbo码采用，约束长度为4比特的编码。图2-21给出了Turbo码编码器和解码器的一个例子。,2.6,差错控制,Turbo编码器、解码器构成,RSC ：recursive systematic convolutional；递归系统卷积,2.6.2 速率匹配,传输信道: 为了传输不同类型的数据而定义的信道，它由MAC层提供。一个物理信道能够映射为信息速率及QoS（quality of service）不同的多个传输信道。 传输块: 在MAC层和第一层之间进行数据传输的基本单位,QoS: quality of service , 指BLER或BER 等,保证QoS的方法： 1、利用TPC改变SIR 根据衰落变动自动改变发送功率和调制方式，可使物理信道适应于QoS（BLER或BER），从而保持一定的传输质量。 一般情况下，根据QoS的不同，采用自适应高速TPC 中的外环控制，使目标希望波信号功率与干扰波信号功率之比SIR值发生变化，以改变平均接收（发送）功率的方法能够达到适应于QoS的质量要求。 问题：在物理信道的一个无线帧（10ms）内，其目标SIR是一定的，因而平均接收功率也是一定的 。,2、采用比特重复和凿孔进行速率匹配 为了在一个物理信道上传输QoS不同的多个传输信道，在相同发射功率条件下，采用改变被映射到物理信道上的编码数据序列的比特数的方法，能够同时满足各个传输信道所要求的不同QoS值（速率匹配）。 对于编码数据序列，以一定的周期重复插入比特，可以提高解码后的收信质量；反之，以一定的周期，从纠错编码比特序列中抽取比特序列，就会使解码后的接收质量下降。速率匹配就是根据这种原理实现的。,2.6.3 重发控制,（a） Stop-and-Wait ARQ,2.6.3.1 重发控制方式,（1） 等停式,（b）Go-Back-N ARQ,（2） 回退N式,（c）Selective-Repeat ARQ,（3） 选择重传式,2.6.3.2 分组合成型组合ARQ,组合ARQ是将信道编码和ARQ组合在一起的ARQ控制方式。,（1）Type-I型组合ARQ方式 发送端在信息信号序列部分添加错误检测比特，进行信道编码后发送分组，接收端对接收的分组进行纠错解码后，根据错误检测码进行错误检测。在检测出错误时，废弃包含错误的分组，给发送端反馈重发要求。发送端根据反馈的重发要求，采用与初次发送分组时同样的信道编码方式对该分组进行信道编码后，再重新发送。 Type-I型组合ARQ，因为综合使用了FEC和ARQ，在错误检测之前进行纠错解码，所以能够改善分组差错率、提高吞吐量。,错误分组再利用 在Type-I型组合ARQ方式中，在接收端废弃了检测出错误的分组。虽然发生了错误的分组不具有可以正常解码的接收质量（接收信号能量），但是，它具有用于提高重发分组信号质量（接收SINR）的有用信息。因此，可以不废弃由CRC检测出错误的分组，而将其存储在接收机的缓存中，此后与重发的分组一起构成Rake合成的信号以进行软判决合成。这样，采用对信道解码前的每个信息比特的接收功率进行软判决合成的方法可以减小重发分组的解码错误。,(2)Chase 合成法,在Chase 合成法中，重发的分组和初期发送的分组是同一个分组，利用将重发分组和先前发送的分组进行软判决合成的方法（最大比合成），能够改善接收SINR，减小分组解码错误。,3、增量冗余合成法 用码率 对信息信号序列进行纠错编码后，根据发送次数采用不同的消除规则进行凿孔编码发送。若设凿孔编码后的码率为R， 则（凿孔编码后的码率大于纠错编码时的码率）。因此，初期发送分组时发送了信道编码后的比特序列的子集。这种情况下，码率为R，大于纠错编码时的码率。这样，因为重发分组时发送了与初期发送的序列不同的子集的编码序列，所以，在接收部分可以对保存在接收缓存中的初期接收分组及重发的分组进行合成。采用这样的方法，可以用凿孔之前的码率 进行解码，从而在获得时间分集效果的基础上提高编码增益，以谋求接收性能的改善。,2.7 多径衰落对策 2.7.1 自适应无线资源控制,问题：移动通信环境中，接收信号是多个时间延迟的反射波和散射波的合成信号。 接收信号会受到： 由于基站和移动终端之间的距离产生的衰减； 由于高大建筑物及地物等遮挡引起的阴影衰落； 由于移动终端周围的建筑物、地物等反射和散射引起的瞬时衰落等传输变化。 小区边缘的移动终端会受到来自周边小区的很强的同信道干扰,接收信号的希望波功率与干扰功率之比SIR随时间变化,为了减小SIR随时间变化的问题，采用自适应发送功率控制（transmission power control，TPC）。,自适应TPC：在保持物理信道的信息速率一定的前提下，根据接收信道的状态自适应地控制基站的发送功率，使移动终端获得所需要的SIR。即在受到衰落变化使接收信号变小的情况下，增加发送功率以满足所需接收SIR，来补偿接收信号质量的恶化。,基于SIR测量的高速TPC应用于上行及下行链路时，能够用最小的发送功率保证所需要的接收信号质量，达到增加系统容量的目的。特别是对于上行链路，为了解决远近问题， 必须采用高速TPC，以确保基站接收到各个移动终端的接收SIR是相等的。,FER：Frame Error Rate RNC：Radio Network Controller,基站对各个时隙中Rake合成信号的SIR进行测量，生成一个欲使测量的SIR值等于目标SIR值的二进制TPC控制比特，并通过反向链路（下行链路）上的DPCCH发送，移动终端根据控制比特控制发送功率的增减。,内环控制,问题： 即使采用相同的SIR目标值，由于传输路径数、移动终端的移动速度（最大多普勒频移）等传输环境以及SIR测量方法的差异，也未必能得到相同的接收质量（BLER 或BER）。,利用外环测量长区间的接收质量，基于该收信质量的测量值，在缓慢的周期内对目标SIR进行校准。,2.7.2 分集技术,2.7.2.1 接收天线分集,合成,在空间分离设置的多个天线（在实际系统中采用两个分支）及接收系统，选择衰落相关小的多个接收信号，或者对多个接收信号进行合成的方法以抑制由于衰落变化使接收信号急剧变小而导致误比特率增加的技术。因为接收天线分集不太依赖于传输信道的差异（路径数、延迟扩展、最大多普勒频移等），所以能够增加接收电平，这是一种非常实用的有效技术。,合成信号包络,接受信号包络A,接受信号包络B,选择合成后的接收信号包络线,分支1的输出,分支2的输出,(a) 空间分集,(b)极化分集,分支1的输出,分支2的输出,分支1的输出,分支2的输出,(c) 角度分集,调制器,调制器,接收机,接收机,分支1的输出,分支2的输出,(d) 频率分集,延迟,延迟,分支1的输出,分支2的输出,(e) 时间分集,选择,接收机 1,接收机 N,检测信号电平最大的分支,选择合成,检测相位变化,补偿相位变化,检测相位变化,补偿相位变化,等增益合成,检测信号电平,检测相位变化,补偿相位变化,检测信号电平,检测相位变化,补偿相位变化,最大比合成,匹配电路,二天线元方式的手机,手机中的分集接收方法,发射机 接收机1,接收机2,平面天线（倒F天线,筐体,鞭状天线,基站采用的阵列天线分集,2.7.2.2 Rake相关接收（Rake时间分集）,: 时隙k中DPDCH的第n个符号在第l条路径的解扩后的信号,: 接收信号在第l条路径（，L是Rake合成的路径数）上时隙k中 由于衰落引起的信道变化 .,: 的估计值,2.7.2.3 发送分集,基站采用天线间的衰落相关值小于1的两副天线对同一个通信用户传输信号，能够在不增加移动终端接收机复杂度的条件下，利用分集效果实现下行链路的高质量接收。 发送分集的类型： 不需利用移动终端反馈信息的开环型 利用移动终端反馈信息控制第二个天线的发送载波相位/振幅的闭环型两种类型。 开环型发送分集主要有时间切换发送分集（time switched transmit diversity，TSTD）和空时发送分集（space time transmit diversity，STTD）两种形式。在W-CDMA中，开环型TSTD被应用于同步信道（SCH），而STTD被应用于公共物理信道（CCPCH）和专用物理信道（DPCH）。,1TSTD TSTD采用多个发送天线（实际应用中采用两个天线），在每个时隙交替地切换发送天线进行数据发送的分集方式。,2STTD STTD是对同一个数据进行编码，用两个发送天线同时发送，使接收端的错误随机化以改善纠错效果的分集方式。,3闭环型发送分集 闭环型发送分集只适用于DPCH，基站根据来自移动终端的反馈控制比特（FBI比特），对数据调制后的两个发送数据序列分别乘以复数权重 和 （ ； ），并进行扩频和发送。首先，两个天线用相同的载波相位发送CPICH，两个天线发送的CPICH用相同的扩频码扩频，采用改变导频码图案的方法使两个发送信号正交。接收机对来自两个天线的CPICH进行解扩及信号分离后，根据接收的两个载波的相位差及幅度差，以移动终端能够从两个天线接收到等幅同相信号为目的，生成用以控制天线2的发送信号的载波相位和振幅的FBI比特，通过上行链路DPCH的DPCCH发送。这样，基站根据来自移动终端的控制比特去控制天线2的发送载波的相位和振幅，就能够降低由于衰落引起接收信号功率急剧下降而导致的比特错误。在基站的发送部分，把根据来自移动终端的FBI比特生成的发送天线权重、与两个天线的发送数据相乘后发送。,（a）结点B发信机,（b）UE接收机,4位置分集（soft/softer分集） 在W-CDMA中，移动终端可同时与多个小区（扇区）的无线链路接续进行通信，采用这种软切换（soft/softer handoff，位置分集）方法，可提高移动终端在小区边界上的接收质量，实现无瞬间中断通信。当移动终端正在与某小区的DPCH接续时，如果该小区的CPICH的接收功率与其周边小区的CPICH的接收功率之差落入系统事先规定的阈值之内，则移动终端就要和多个小区站点或者扇区的DPCH接续。图2-33给出了移动终端与N个小区站点或扇区的DPCH接续时，上行和下行链路的位置分集的构成。N由系统决定，移动终端测量周边小区（扇区）的下行链路的CPICH的接收功率，把接收功率落入软切换阈值以内的具有较大接收功率的N个基站作为位置分集的候选对象进行软切换，上下行链路软切换阈值的最佳值是不同的。,位置分集的工作原理图,