移動通信理論與實戰移動通信的物理層處理技術第1頁/共97頁課程內容現代無線通信系統物理層傳輸模型抗衰落技術調制解調擴頻與加擾多天線MIMO技術第2頁/共97頁數字通信系統模型信源編譯碼：壓縮數據率，去除信號的冗余，提高傳輸的有效性。信道編譯碼：增加信息的冗余，使其具有檢錯和糾錯的能力，試圖以最少的監督碼元為代價，換取通信的可靠性。調制解調的目的是實現頻譜搬移，使信號適合在傳輸信道內傳輸，不同調制技術極大地影響接口提供數據業務的能力。第3頁/共97頁3G通信系統物理層傳輸模型保留單元：信源編解碼、信道編解碼、調制解調，射頻發射接收具體的技術選取上和2G也有所不同3G特色：擴頻和加擾能夠提高系統的容量和頻譜利用率，抗多徑、抗干擾、抗衰落第4頁/共97頁4G通信系統物理層傳輸模型LTE系統下行物理信道處理流程第5頁/共97頁4G通信系統物理層傳輸模型4G特色：OFDM+MIMO正交頻分復用OFDM：將高速的數據流分解為N個并行的低速數據流，在N個子載波上同時進行傳輸，提高頻譜利用率；多天線MIMO：用空間復用和傳輸分集，有效提高信噪比，從而提高容量和覆蓋范圍；第6頁/共97頁課程內容現代無線通信系統物理層傳輸模型抗衰落技術調制解調擴頻與加擾多天線MIMO技術第7頁/共97頁抗衰落技術移動信道三大效應形成三大衰落：陰影效應：建筑物或地形起伏等的阻擋，使接收信號幅度降低多徑效應：經過直射、散射、反射等多種傳播路徑的信號在接收端進行疊加，造成多徑衰落多普勒效應：頻率偏移或收發信機的隨機移動性造成的譜擴展抗衰落三大措施：分集技術——補償信道衰損信道編碼與交織——改善鏈路性能均衡技術——補償碼間干擾第8頁/共97頁分集技術概念多路不相關的衰落路徑傳送相同的信號并合并目標：降低多徑衰落的影響，改善傳輸的可靠性技術的關鍵問題：如何得到（產生）多路信號?如何合并多路信號?本質：對同一信號在不同時間、頻率、空間、極化方向的過采樣第9頁/共97頁分集原理各獨立信號傳播路徑同時經歷深度衰落的概率很低所謂分集接收，是指接收端對它收到的多個衰落特性互相獨立(攜帶同一信息)的信號進行特定的處理，以降低信號電平起伏的辦法。第10頁/共97頁問題一：如何得到（產生）多路信號?頻率分集：用兩個以上載頻傳輸同一個信號時間分集：在不同時間接收同一個信號空間分集：用兩個以上相隔一定距離的天線接收同一個信號極化分集：同一天線的不同極化方向傳輸和接收同一個信號第11頁/共97頁空間分集空間分集的依據在于快衰落的空間獨立性，即在任意兩個不同的位置上接收同一個信號，只要兩個位置的距離大到一定程度，則兩處所收信號的衰落是不相關的。市區d=0.5λ郊區d=0.8λ分集支路數M越大，分集效果越好，但當M>3時，分集的復雜性增加，分集增益增加速度放緩。第12頁/共97頁極化分集由于兩個不同極化的電磁波具有獨立的衰落特性，所以發送端和接收端可以用兩個位置很近但為不同極化的天線分別發送和接收信號，以獲得分集效果。實現：在發射端分別裝垂直極化和水平極化，天線集成于一副天線內極化分集的特點：一種特殊的空間分集射頻功率分給兩個不同的極化天線，發射功率損失3dB第13頁/共97頁問題二：如何合并多路信號？分集合并技術：利用多個分集信號來減少衰落影響并獲得增益的技術就是分集合并技術選擇式合并：選擇具有最大SNR的分支最大比合并：所有分支依據其SNR進行加權相干合并等增益合并：所有分支等權重相干合并開關式合并：又稱掃描式分集，順序掃描各支路接收信號的瞬時包絡，直到某一支路的瞬時包絡高于預定門限。第14頁/共97頁分集合并技術第15頁/共97頁分集合并技術合并增益開關合并：只需一套接收設備，但性能最差；選擇性合并增益： Gs=k=1~M(1/k)等增益合并增益：

GE=1+(M-1)·/4最大比合并增益：

GM=M分集支路數分集增益(dB）選擇式合并等增益合并最大比合并第16頁/共97頁信道編碼與交織信道編碼作用：增加符號間的相關性，以便在受到干擾的情況下恢復信號差錯控制方式檢錯重發（ARQ）：只檢不糾，錯則重傳需要反饋信道，譯碼設備簡單，對突發錯誤和信道干擾較嚴重時有效，但實時性差，主要應用在計算機數據通信中。前向糾錯（FEC）：自動糾錯，能力有限單向傳輸，實時性好，傳輸效率高，但譯碼設備較復雜。這種糾錯方式廣泛應用于移動通信設備中

混合糾錯（HEC）：ARQ和FEC具有自動糾錯和檢錯重發的優點，可達到較低的誤碼率，特別適合于高速傳輸系統

第17頁/共97頁信道編碼信息碼元：信源待發送的碼元監督（校驗）碼元k：加入的多余碼元總碼元數n：信息碼元+監督碼元編碼效率：η=k/n移動通信中典型信道編碼卷積碼(n,k,m)時延小，廣泛用于實時的語音通信中Turbo碼性能逼近最優的仙農的信道編碼的極限譯碼設備很復雜，時延大，無法應用于實時的通信系統，一般用來作為各類非實時業務高速數據的糾錯編碼第18頁/共97頁信道編碼信道編碼是根據一定的規律在待發送的信息碼元中加入一些多余的碼元，以換取信息碼元在傳輸中的可靠性信道編碼適合糾正非連續的少量錯誤信道編碼對連續的碼元出錯不能糾錯第19頁/共97頁交織技術交織技術是改變數據流的傳輸順序，將突發的錯誤隨機化。交織方法行列交織；卷積交織；隨機交織第20頁/共97頁交織技術第21頁/共97頁交織技術交織技術是改變數據流的傳輸順序，將突發的錯誤隨機化。優點：提高糾錯編碼的有效性；缺點：由于改變了數據流的傳輸順序，必須要等整個數據塊接收后才能糾錯，加大了處理延時，因此交織深度應根據不同的業務要求有不同的選擇。在特殊情況下，若干個隨機獨立差錯有可能交織為突發差錯。第22頁/共97頁交織技術信道編碼和交織技術舉例第23頁/共97頁均衡技術概念：對移動信道特性進行均衡，矯正信道傳輸函數使其滿足無失真傳輸條件目標：抵消信道的時變多徑傳播特性引起的碼間串擾第24頁/共97頁均衡技術接收機采用均衡技術，用于減小碼間干擾，適用于多徑不可分離信號頻率均衡：校正信號的幅頻特性和群延時；常用于寬帶單載波系統；時域均衡：使沖擊響應無碼間串擾；常用于窄帶數字通信系統；第25頁/共97頁課程內容現代無線通信系統物理層傳輸模型抗衰落技術調制解調擴頻與加擾多天線MIMO技術第26頁/共97頁數字調制技術概述移動通信面臨的無線信道問題：多徑，衰落，干擾(自然，人為，ISI)，頻率資源有限調制的功能——頻譜搬移頻譜搬移的實現可分為兩步：首先進行基帶信號調制，然后再變頻到所需的頻段移動通信對調制解調技術的要求頻譜資源有限高的帶寬效率用戶終端小高的功率效率，抗非線性失真能力強鄰道干擾低的帶外輻射干擾受限的信道，抗干擾能力強多徑信道傳播對多徑衰落不敏感，抗衰落能力強解調一般采用非相干方式，或插入導頻的相干解調產業化問題成本低，易于實現第27頁/共97頁移動通信對調制解調技術的要求高傳輸效率。高頻帶利用率（最小占用帶寬）窄帶調制技術——已調信號頻譜主瓣較窄、帶外輻射較低；衡量指標：bit/s/Hz高功率效率（最小發送功率）對信道影響的抵抗能力（最小誤比特率）線路復雜度適中第28頁/共97頁數字調制方法的分類第29頁/共97頁數字調制技術概述移動通信中的調制技術標準服務類型數據調制技術GSM蜂窩GMSKIS-95蜂窩OQPSK/BPSKPHS無繩π/4DQPSKWCDMA蜂窩QPSK/OQPSK/BPSKCDMA20001X蜂窩QPSK/OQPSK/BPSKTD-SCDMA蜂窩QPSK/8PSK/16QAMLTE蜂窩QPSK/16QAM/64QAM第30頁/共97頁數字調制技術概述各類二進制調制波形第31頁/共97頁PSKPSK是一種線性調制技術，具有帶寬效率高，頻譜利用率高等特點。‘1’:0相位‘0’:π相位‘1’:載波相位變化π‘0’:載波相位不變移動通信中一般采用性能優良的絕對移相體制第32頁/共97頁PSK調制功率譜第33頁/共97頁PSK解調實現簡單，信號占用帶寬約為2fb，其相位路徑不連續，在數據極性轉換時刻，相位發生180°跳變。功率譜滾降慢，頻譜利用率低第34頁/共97頁QPSKQPSK：利用載波的4種不同相位來表征數字信息。對輸入的二進制數字序列應該先分組，將每兩個比特編為一組，然后用4種不同的載波相位去表征它們。與PSK相比，可以減小傳輸信號頻帶，提高頻帶利用率。提高了系統的有效性第35頁/共97頁QPSK調制(a)BPSK調制框圖(b)QPSK調制框圖第36頁/共97頁QPSK功率譜和帶寬在相同信息速率下，2PSK與QPSK信號的功率譜密度第37頁/共97頁QPSK解調誤比特率在QPSK和2PSK的輸入二進制信息速率相同、二者的發送功率相同、加性噪聲的功率譜密度相同的條件下，QPSK和2PSK的平均誤比特率是相同的。第38頁/共97頁OQPSKQPSK&OQPSKOffset,偏移隨著輸入數據的不同，QPSK會發生相位跳變。當發生1800相移時，信號包絡在瞬時過零點，如后面電路存在硬限幅或非線性放大，則會引起旁瓣再生和頻譜擴展。OQPSK將正交支路的基帶信號相對于同相支路延遲Ts/2，減小包絡起伏。第39頁/共97頁OQPSK調制OQPSK可以避免QPSK中的180度相移，減少隨機相位影響，降低對射頻放大器的線性要求從實現上只是正交支路相對同相支路延遲了一個比特，因此其功率譜密度、帶寬、頻譜利用率及平均誤比特率與QPSK相同。第40頁/共97頁OQPSK

I信道和Q信道的兩個數據流，每次只有其中一個可能發生極性轉換。輸出的OQPSK信號的相位只有±π跳變，而沒有π的相位跳變，則經濾波及硬限幅后的功率譜旁瓣較小。第41頁/共97頁QAMMQAM正交振幅調制一種幅度和相位聯合鍵控的調制方式第42頁/共97頁QAM星座圖坐標系下，空間信號矢量端點圖不具有恒定的包絡；碼元間距也不完全相同同階QAM中，星型QAM比方形QAM具有更少的振幅和相位類型，更有利于接收端的自動增益控制和載波相位跟蹤第43頁/共97頁QAM解調正交相干解調第44頁/共97頁QAM誤碼率QAM同時利用了載波的幅度和相位來傳遞信息比特，因此在相同的條件下，它可以實現更高的頻帶利用率。第45頁/共97頁OFDMOFDMOrthogonalFrequencyDivisionMultiplexing正交頻分復用下一代寬帶通信系統中的核心技術WiMAXLTE優點高頻譜效率支持寬帶傳輸抵抗多徑信道第46頁/共97頁OFDMOFDM技術是將高速率的信息數據流經串/并變換，分解為若干個子數據流，從而使子數據流具有低得多的比特傳輸速率，然后每路低速率數據采用一個獨立的載波調制并疊加在一起構成發送信號。FDM&OFDM子載波的正交復用，減小保護帶寬頻率保護間隔第47頁/共97頁OFDM子載波相互交叉存在第48頁/共97頁OFDM頻譜效率當子載波數較大時，OFDM信道的頻譜接近矩形有效利用了頻譜第49頁/共97頁OFDMOFDM信號等效于在帶寬B

的頻帶內傳輸了N

個正交子載波子載波的相位、幅度由待傳信號決定子載波的頻率共有N

個，分別為：每個子載波占有帶寬Δf，持續時間為1/ΔfOFDM信號為調制了信息的N個子載波的疊加利用正交性原理可以在接收端解調出信號第50頁/共97頁OFDM信號產生的基帶模型單載波系統OFDM系統第51頁/共97頁OFDM的FFT實現用IFFT快速實現OFDM多載頻調制DIT―IFFT運算流圖第52頁/共97頁OFDM的FFT實現OFDM系統第53頁/共97頁OFDM的優勢第54頁/共97頁OFDM的不足第55頁/共97頁PAPR峰值平均功率比由于OFDM是由多個獨立經過調制的子載波信號疊加而成的，當各子載波相位相同或相近時，疊加信號便會受到同初始相位信號調制，從而產生較大的瞬時功率峰值，帶來較高的峰均比（PAPR—PeaktoAveragePowerRatio）第56頁/共97頁PAPR峰值平均功率比峰均比較大的OFDM信號極易進入功率放大器的非線性區域，導致信號產生非線性失真，造成明顯的頻譜擴展干擾以及帶內信號畸變，導致整個系統性能嚴重下降。實際輸出理想輸出輸入信號輸入輸出功放曲線第57頁/共97頁降峰頻比技術第58頁/共97頁降峰頻比——限幅方法限幅作用：信號經過非線性部件之前進行限幅，可以使得峰值信號低于所期望的最大電平值。限幅導致的問題：會對系統造成自身干擾；會導致帶外輻射功率值的增加。解決方法：利用其他非矩形窗函數對OFDM符號進行時域加窗。第59頁/共97頁保護間隔&循環前綴路徑2路徑1的第二個符號和路徑2的第一個符號形成干擾路徑1

多徑效應將引起符號間干擾

第60頁/共97頁保護間隔&循環前綴路徑2路徑1保護間隔保護間隔GI(GuardingInterval)加入保護間隔避免符號間干擾當保護間隔的長度超過信道最大延遲，一個符號的多徑分量不會干擾下一個符號第61頁/共97頁保護間隔&循環前綴子載波1帶有時延的子載波2保護間隔OFDM信號的積分區間子載波2對子載波1帶來的ICI干擾子載波干擾引入保護間隔后，積分區間內不再具有整數個子載波，子載波間的正交性被破壞，兩個子載波之間會產生載波間的干擾第62頁/共97頁保護間隔&循環前綴幅度保護間隔FFT積分時長OFDM符號長度循環前綴是此符號后一段樣點值的重復，加入循環前綴的目的是不破壞子載波間的正交性；

只要每個路徑的時延小于保護間隔，FFT的積分時間長度就可以包含整數個多徑子載波波形。循環前綴CP(CyclicPrefix)循環前綴時間第63頁/共97頁采用IFFT和FFT的OFDM系統結構加入循環前綴，要犧牲一部分時間資源，降低了各個子載波的符號速率和信道容量，優點就是可以有效的抗擊多徑效應第64頁/共97頁OFDM需要考慮的幾個問題相鄰子載波間的頻差有多少？(多普勒)給定頻帶內能放置幾個子載波？(效率)OFDM時域符號長度為多少？(有效長度)OFDM信號如何與現有調制方式相結合？第65頁/共97頁課程內容現代無線通信系統物理層傳輸模型抗衰落技術調制解調擴頻與加擾多天線MIMO技術第66頁/共97頁為什么要擴頻？擴頻通信就是將信號的頻譜展寬后進行傳輸的技術。其理論基礎為Shannon定理C=B*log2(1+S/N)C：信道容量，單位b/sB：信號頻帶寬度，單位HzS：信號平均功率，單位WN：噪聲平均功率，單位W結論：在信道容量C不變的情況下，信號頻帶寬度B與信噪比S/N完全可以互相交換，即可以通過增大傳輸系統的帶寬以在較低信噪比的條件下獲得比較滿意的傳輸質量.第67頁/共97頁擴頻通信擴頻方式直接序列（DS）擴頻直接序列擴頻就是用比信息速率高很多倍的擴頻碼與信號相乘來達到擴展信號帶寬的目的。跳頻（FH）跳頻是使原信號隨機的用不同載波傳播發送。跳時（TH）跳時是使用擴頻碼來開通或關斷發射機，即信號的發射時刻和持續時間是隨機的。3G技術的三大標準都采用的是直接序列擴頻技術第68頁/共97頁直序擴頻通信原理DS-SS是用待傳輸的信息信號與高速率的偽隨機碼波形相乘后，去直接控制載波信號的某個參量，來擴展傳輸信號的帶寬的高速擴頻序列低速信號TX解調信號RX高速擴頻序列擴頻信號時隙短，則頻帶寬第69頁/共97頁直序擴頻通信原理發送端——擴頻第70頁/共97頁直序擴頻通信原理接收端——解擴第71頁/共97頁問題一：為什么擴頻技術可以抗干擾？fS（f）f0擴頻前的信號頻譜信號S（f）ff0擴頻后的信號頻譜信號S（f）ff0解擴頻后的信號頻譜信號干擾噪聲fS（f）f0解擴頻前的信號頻譜信號干擾噪聲信號窄帶干擾寬帶干擾第72頁/共97頁IS-95系統中的擴頻第73頁/共97頁問題二：擴頻后如何保證通信的頻譜利用率？S1xC1S2XC2WS1S2擴頻解擴(S1xC1)+(S2xC2)空中接口[S1xC1+S2xC2]xC2=S2[S1xC1+S2xC2]xC1=S1

N

SC1與C2正交：C1xC2=0關鍵：相互正交的擴頻碼第74頁/共97頁問題三：如何選擇擴頻碼？理想的擴頻碼和地址碼必須具備以下特性：良好的自相關和互相關特性碼序列的正交——累加為0表示正交盡可能長的碼周期足夠多的碼序列易于產生、復制、控制和實現。目前常用的、較為理想的擴頻碼和地址碼有：偽隨機碼(PN碼)、Walsh碼和正交可變速率擴頻增益碼(OVSF碼)等。第75頁/共97頁擴頻VS.加擾擴頻信道化的過程，對信號頻譜寬度的擴展，以達到提高系統的抗干擾性能；加擾將信號用不同的擾碼加密，提高安全性，系統通信過程中每個用戶都會分配一個不同的擾碼。逐碼片相乘第76頁/共97頁擴頻&加擾碼片碼片第77頁/共97頁擴頻碼VS.地址碼擴頻碼：信道化碼：用于區分每個小區（或扇區）的不同信道，它分為單業務、單速率信道地址碼和多業務、多速率信道地址碼；要求：良好的自相關和互相關特性；擾碼：用戶地址碼：對于上行，用于區分不同的移動用戶；小區地址碼：對于下行，用于區分不同的基站或扇區。第78頁/共97頁擴頻碼VS.地址碼

擴頻碼（信道化碼）擾碼

上行（終端→基站）下行（基站→終端）作用區分每個小區/扇區的不同信道區分不同的移動用戶區分不同的基站/扇區WCDMAOVSF碼Gold碼Gold碼TDSCDMAOVSF碼PN碼PN碼CDMA20002~64階變長的Walsh碼長PN碼短PN碼各CDMA系統擴頻碼和擾碼的選擇第79頁/共97頁課程內容現代無線通信系統物理層傳輸模型抗衰落技術調制解調擴頻與加擾多天線MIMO技術第80頁/共97頁無線信道的衰落影響無線通信中信息傳輸可靠性的主要障礙信道時變性→頻譜展寬多徑效應→時延展寬空間相關性→角度展寬信號強度信號譜密度頻率時間t0t1t2t3...

窄帶信號寬帶信號信號譜密度信號強度時間頻率快衰落慢衰落0°360°信號強度信號強度地理位置多天線技術通過對發射與接收信號的空域和時域上處理，能提高系統的容量和質量第81頁/共97頁什么是MIMO？MIMO(MultipleInputMultipleOutput：多輸入多輸出)系統，其基本思想是在收發兩端采用多根天線，分別同時發射與接收無線信號。第82頁/共97頁為什么想到天線？單輸入單輸出系統多輸入單輸出系統單輸入多輸出系統多輸入多輸出系統在一個無線通信系統中，天線是處于最前端的信號處理部分。提高天線系統的性能和效率，將會直接給整個系統帶來可觀的增益。第83頁/共97頁MIMO系統容量多輸入單輸出（MISO）系統：多輸入多輸出（MIMO）系統：單輸入多輸出（SIMO）系統：MIMO系統中，系統容量隨著天線數目的增加成線性增加。單輸入單輸出（SISO）系統：其中： Pt為天線發射功率； Mr為接收天線數；

Mt為發射天線數； δ為白噪聲的方差；

h為衰減系數； λ空間信道轉換矩陣特征根；第84頁/共97頁核心問題：通信的可靠性；有效性；第85頁/共97頁空間分集無線信道中信號的功率會隨機波動，而分集是一種克服這種無線鏈路傳輸中隨機產生的深度衰落強有力的技術。傳輸分集是利用較大間距天線或波束間的空間信道的弱相關性，提供更多的數據流副本，從而提高信道可靠性，降低誤比特率的。空時編碼STBC；空頻編碼SFBC；循環延時分集CDD；天線切換分集第86頁/共97頁空間分集空頻編碼SFBC在空間和頻率兩個維度上安排數據流的不同版本，可以有空間分集和頻率分集的效果；天線端口0傳原始調制符號；天線端口1傳原始符號的變換符號；第87頁/共