移动通信技术

移动通信技术 电子信息科学与技术 刘小辉 2010271022 移动通信是通信双方有一方或两方处于运动中的通信。包括陆、海、空移动通信。采用的频段遍及低频、中频、高频、甚高频和特高频。 若要同某移动台通信，移动交换局通过各基台向全网发出呼叫，被叫台收到后发出应答信号，移动交换局收到应答后分配一个信道给该移动台并从此话路信道中传送一信令使其振铃。移动通信不仅可以传送语音信息，而且还可随时随地、快速可靠地进行多种信息交换。已广泛应用于社会各个领域，对社会及经济发展日益发挥重大作用。移动通信是当前发展最迅速的通信产业，其系统类型越来越多。移动通信正朝着数字化，移动台的小型、轻量、低价格化，开发新频段方向发展，远期将发展成为以公众电信网为基础的全球统一的个人通信网。 移动通信与固定物体之间的通信比较起来，具有一系列的特点，主要是：(1)移动性。就是要保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合。(2)电波传播条件复杂。因移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、多卜勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应。(3)噪声和干扰严重。在城市环境中的汽车火花噪声、各种工业噪声，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。(4)系统和网络结构复杂。它是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作。此外，移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互连，整个网络结构是很复杂的。(5)要求频带利用率高、设备性能好。 移动通信的种类繁多。按使用要求和工作场合不同可以分为(1)集群移动通信，也称大区制移动通信。它的特点为只有一个基站，天线高度为几十米至百余米，覆盖半径为30～km，发射机功率可高达200W。用户数约为几十至几百，可以是车载台，也可是以手持台。它们可以与基站通信，也可通过基站与其他移动台及市话用户通信，基站与市站有线网连接。(2)蜂房移动通信，也称小区制移动通信。它的特点是把整个大范围的服务区划分成许多小区，每个小区设置一个基站，负责本小区各个移动台的联络与控制，各个基站通过移动交换中心相互联系，并与市话局连接。利用超短波电波传播距离有限的特点，离开一定距离的小区可以重复使用频率，使频率资源可以充分利用。每个小区的用户在1000以上，全部覆盖区最终的容量可达100万用户。(3)卫星移动通信。利用卫星转发信号也可实现移动通信对于车载移动通信可采用赤道固定卫星，而对手持终端，采用中低轨道的多颗星座卫星较为有利。(4)无绳电话。对于室内外慢速移动的手持终端的通信，则采用小功率、通信距离近的、轻便的无绳电话机。它们可以经过通信点与市话用户进行单向或双方向的通信。 现有的大量的移动通信都持用模拟识别信号，称为模拟移动通信。但为了解决容量增加，提高通信质量和增加服务功能，目前已开始应用数字识别信号，即数字移动通信。在制式上则有时分多址(TDMA)和码分多址(CDMA)两种。前者在全世界有欧洲的GSM系统(全球移动通信系统)和北美的双模制式标准IS-54及日本的JDC标准。对于码分多址，则有美国Qualcomnn公司研制的IS-95标准的系统。总的趋势是数字移动通信将取代模拟移动通信。CDMA体制将更占优势。而移动通信将向个人通信发展。近入21世纪则成为全球信息高速公路的重要组成部分。移动通信将有更为辉煌的未来。 一、移动通信 - 移动通信技术的发展 1G：模拟制式的移动通信系统，得益于70年代的两项关键突破：微处理器的发明和交换及控制链路的数字化。AMPS是美国推出的世界上第一个1G移动通信系统，充分利用了FDMA技术实现国内范围的语音通信。 2G：风靡全球十几年的数字蜂窝通信系统，80年代末开发。2G是包括语音在内的全数字化系统，新技术体现在通话质量和系统容量的提升。GSM(Globalsystemformobilecommunication)是第一个商业运营的2G系统，GSM采用TDMA技术。 2.5G：2.5G在2G基础上提供增强业务，如WAP。 3G：3G是移动多媒体通信系统，提供的业务包括语音，传真，数据，多媒体娱乐和全球无缝漫游等。NTT和爱立信1996年开始开发3G（ETSI于1998年），1998年国际电联推出WCDMA和CDMA2000两商用标准（中国2000年推出TD-SCDMA标准，2001年3月被3GPP接纳，起源于李世鹤带头搞的SCDMA）第一个3G网络运营于2001年的日本。3G技术提供2MBPS标准用户速率（高速移动下提供144KBPS速率）。 4G：4G是真正意义的高速移动通信系统，用户速率20MBPS。4G支持交互多媒体业务，高质量影像，3D动画和宽带互联网接入，是宽带大容量的高速蜂窝系统。2005年初，NTTDOCOMO演示的4G移动通信系统在20KM/小时下实现1GBPS的实时传输速率，该系统采用4X4天线MIMO技术和VSF-OFDM接入技术。 二、移动通信 - CDMA蜂窝移动通信技术介绍 自20世纪70年代末第一代模拟移动通信系统面世以来，移动通信产业一直以惊人的速度迅猛发展，已经成为带动全球经济发展的主要高科技产业之一，并对人类生活及社会发展产生了重大影响。其中，CDMA码分多址移动通信技术以其容量大、频谱利用率高、保密性强、绿色环保等诸多优点，显示出强大的生命力，引起人们的广泛关注，成为第三代移动通信的核心技术。 一、CDMA通信技术 CDMA（CodeDivisionMultipleAccess，码分多址）作为一种多址技术早已出现，起初仅在抗干扰和保密性能等方面受到人们的注意，被用在军用抗干扰系统中。1989年，美国高通（Qualcomm）公司最先推出CDMA蜂窝移动通信系统的设想。 码分多址蜂窝移动通信技术实际上包含两个基本技术，即码分多址技术和扩频通信技术。所谓扩频，简单地讲就是用某种技术将信号的频谱进行扩展，工程中常用直接序列对信号进行扩频，即用一个高速码序列码去调制低速原始数据信息。码分多址(CDMA)与频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)一样，是多址技术的一种。 CDMA系统中的每一个信号被分配一个正交序列或PN（PseudoNoise，伪随机噪声）序列用作扩频序列对其进行扩频，不同信号的能量被分配到不同的正交序列或PN序列里。在接收机，通过使用相关器只接受选定的正交序列或PN序列并压缩其频谱，凡不符合该用户正交序列的信号就不被压缩带宽，结果只有指定的信号才能被提取出来。 我们将CDMA与FDMA、TDMA三种多址方式进行比较。FDMA采用调频的多址技术，在不同频段的业务信道被分配给不同的用户；TDMA是采用时分的多址技术，业务信道在不同的时间被分配给不同的用户；CDMA采用扩频的码分多址技术，所有用户在同一时间、同一频段上，但根据不同的编码获得业务信道。在技术实现上，就是利用码型的不同来调制解调不同的用户。 CDMA移动通信系统具有如下优点： 1.系统容量大。在CDMA系统中所有用户共用一个无线信道，当有的用户不讲话时，该信道内的所有其它用户会由于干扰减小而得益。CDMA数字移动通信系统的容量理论上比模拟网大20倍，实际上比模拟网大10倍，比GSM大4至5倍。 2.通信质量好。CDMA系统采用确定声码器速率的自适应阈值技术、高性能纠错编码、软切换技术和抗多径衰落的分集接收技术，可提供TDMA系统不能比拟的、极高的通信质量。 3.频带利用率高。CDMA是一种扩频通信技术，尽管扩频通信系统抗干扰性能的提高是以占用频带带宽为代价的，但是CDMA允许单一频带在整个系统区域内可重复使用，使许多用户共用这一频带同时通话，大大提高了频带利用率。这种扩频CDMA方式虽然要占用较宽的频带，但按每个用户占用的平均频带来计算，其频带利用率是很高的。 4.适用于多媒体通信系统。CDMA系统能方便地使用多码道方式和多帧方式，传送不同速率要求的多媒体业务信息，处理方式和合成方式都比TDMA方式和FDMA方式灵活、简单，利于多媒体通信系统的应用。 5.手机发射功率低。CDMA系统通过功率控制，使得CDMA手机尽量降低发射功率，以减少干扰和提高网络容量。 6.频率规划灵活。用户按不同的码序列区分，扇区按不同的导频码区分，相同的CDMA载波可以在相邻的小区内使用，因此CDMA网络的频率规划灵活，扩展方便。 CDMA系统采用了一些关键技术： 1.功率控制技术 功率控制技术是CDMA系统的核心技术。CDMA系统是一个自干扰系统，所有移动用户都占用相同带宽和频率，因此需要某种机制使得各个移动台信号到达基站的功率基本处于同一水平上，否则离基站近的移动台发射的信号很容易盖过其它离基站较远的移动台的信号，造成所谓的“远近效应”。CDMA功率控制的目的就是克服“远近效应”，使系统既能维护高质量通信，又减轻对其他用户产生的干扰。功率控制分为前向功率控制和反向功率控制，反向功率控制又可分为仅由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。 (l)反向开环功率控制。移动台根据在小区中接收功率的变化，调节移动台发射功率以达到所有移动台发出的信号在基站时都有相同的功率。它主要是为了补偿阴影、拐弯等效应。 (2)反向闭环功率控制。闭环功率控制的设计目标是使基站对移动台的开环功率估计迅速做出纠正，以使移动台保持最理想的发射功率。 (3)前向功率控制。在前向功率控制中，基站根据移动台提供的测量结果，调整对每个移动台的发射功率，其目的是对路径衰落小的移动台分配较小的前向链路功率，而对那些远离基站和误码率高的移动台分配较大的前向链路功率。 2.PN码技术 PN码的选择直接影响到CDMA系统的容量、抗干扰能力、接入和切换速度等性能。CDMA信道的区分是靠PN码来进行的，因而要求PN码自相关性好，互相关性弱，实现和编码方案简单等。目前的CDMA系统就是采用一种基本的PN序列——m序列作为地址码。基站识别码采用周期为215-1的m序列（称为短码），用户识别码采用周期为242-1m序列（称为长码）。 3.RAKE接收技术 移动通信信道是一种多径衰落信道，RAKE接收技术就是分别接收每一路的信号进行解调，然后叠加输出达到增强接收效果的目的，这里多径信号不仅不是一个不利因素，而且在CDMA系统变成一个可供利用的有利因素。一般地，RAKE接收机有搜索器（Searcher）、解调器（Finger）和合并器（Combiner）三个模块组成。通常CDMA基站一个RAKE接收机有4个解调器，移动台有3个解调器。 4.软切换技术 移动台从A基站覆盖区域向B基站覆盖区域行进，在A、B两基站的边缘，移动台先与B基站建立连接后，再将与A基站原来的连接断开，这种技术称之为软切换。CDMA系统工作在相同的频率和带宽上，因而软切换技术实现起来比TDMA系统要方便容易得多。 5.话音编码技术 CDMA系统使用了确定声码器速率的自适应阈值，从而可以根据背景噪声电平的变化改变声码器的数据速率。这些阈值的使用压制了背景噪声，因而在噪声环境下也能提供清晰的话音。CDMA2000系统采用的话音编码技术有CELP（CodeExcitedLinearPrediction，代码激励