任务一：了解什么是移动通信

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一、移动通信的基本概念

1、移动通信的定义

移动通信（Moblie-communication）：是移动体之间的通信，或是移动体与固定体之间的通信。

移动通信系统由两部分组成：空间系统和地面系统

2、移动通信的特点

• 移动性。 移动状态通信、无线或有线与无线的结合。
• 电波传播条件复杂。 反射、折射、绕射、多普勒效应等现象。多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应。
• 噪声和干扰严重。
• 系统和网络结构复杂。
• 要求频带利用率高、设备性能好。

3、移动通信分类

二、调制技术

1、调制的概念

调制： 将待传送的基带信号加到高频载波上进行传输的过程。

2、调制的作用

• 提高传输性能。
• 容易辐射。
• 实现多路复用。
• 提高系统的性能。

3、调制的分类

移动通信系统中的调制技术

模拟蜂窝移动通信系统(1G)

AMPS、TACS

数字蜂窝移动通信系统(2G)

GSM、IS-95CDMA、DAMPS、PDC

宽带蜂窝移动通信系统(3G)

CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA

三、多址方式

移动通信系统使用的多址接入方式主要有FDMA(Frequency Division Multiple Access，频分多址) 、TDMA(Time Division Multiple Access，时分多址) 和 CDMA(Code Division Multiple Access，码分多址) 这三种方式。

1、频分多址 FDMA

FDMA是移动通信中最早应用的多址方式。
FDMA中频分的方法是为每一个请求服务的用户分配一对专用载频（一对无线频道），在该用户接受服务期间其他用户不能共享这一对载频。

FDMA系统中的干扰问题

• 互调干扰： 系统内由于非线性器件产生的各种组合频率成分落入本频道接收机通带内造成的对有用信号的干扰。
• 邻道干扰： 相邻频道信号中存在的寄生辐射落入本频道接收机带内造成的对有用信号的干扰。
• 同频道干扰： 相同频率电台之间的干扰。

FDMA系统的特点

1. FDMA信道每次只能传送一路电话。
2. 每信道占用一个载频，相邻载频之间的间隔应满足传输信号带宽的要求。
3. 符号时间与平均延迟扩展相比较是很大的。
4. 移动台较简单，和模拟的比较相近。
5. 基站复杂庞大，重复设置收发设备。
6. FDMA系统每载波单个信道的设计，使得在接收设备中必须使用带通滤波器允许制定信道里的信号通过，滤除其他频率的信号，从而限制邻近信道的相互干扰。
7. 越区切换较为复杂和困难。

2、时分多址 TDMA

时分多址中的“址”是一个时隙。
移动台发射信号，基站接收信号：每个移动台只能够在系统指定的时隙内向基站发送信号，在系统实现同步的条件下基站可以在各时隙中正确受到移动台发来的信号。
基站发射信号，移动台接收信号：同样在系统同步的条件下，各个移动台能够在系统指定的时隙内，从基站发射的各路信号中分离出发给自己的信号。
TDMA系统对于任何一个移动台的信息发射都是不连续的。

TDMA 系统的特点

1. 多用户共享单一载频，每个用户占用彼此不重叠的时隙。抗干扰能力强，频率利用率高，系统容量大。
2. 数据不是连续的而是以突发的方式发射，因而耗电较少。
3. 与FDMA信道相比，传输速率高，采用自适应均衡。
4. 由于系统发射是不连续的，移动台可以在空闲的时隙里监听其他基站，从而使其越区切换过程大为简化，越区切换简单。
5. TDMA必须留有一定的保护时间（或相应的保护比特）。
6. TDMA系统必须有精确的定时和同步，保证各移动台发送的信号不会在基站发生重叠或混淆，并且能准确地在指定的时隙中接收基站发给它的信号。
7. TDMA用不同的时隙来发射和接收，因此不需双工器，基站复杂性减小。

3、码分多址 CDMA

码分多址： 以不同的地址码字，对应到电路上就是不同的脉冲波形来区分不同基站和移动台的，这些地址码字在相位上彼此正交。
由于码分多址的依据是码字的自相关和互相关，与频率、时间没有关系。
CDMA 的关键是所用的扩频码有多少个不同的互相正交的码字列，就有多少个不同的地址码，也就有多少个码分信道。
Tips：码分多址就相当于很多人在一个嘈杂的小房间内，相互说中文的能听懂对方说的什么，相互说英文的能听懂对方说的什么，并且中文和英文的交流不会相互干扰。

CDMA系统的特点

1. CDMA系统的许多用户共享同一频率，不管使用的是TDD技术还是FDD技术。
2. 通信容量大。
3. 容量的软特性。
4. 由于信号被扩展在一较宽的频谱上从而可以减小多径衰落。
5. 在CDMA系统中，信道数据速率很高。
6. 低信号功率谱密度。
7. 保密性高。

四、语音编码

话音编码： 在数字移动通信系统中所传输的信号为数字信号，因而发送端必须首先将模拟话音信号转换为数字信号。

Tips:
GSM系统中是采用规则 脉冲激励长期预测(RPE-LTP) 编码方案；
CDMA系统中则采用 Qualcomm码激励线性预测(QCELP) 话音编码技术。

1、主要技术指标

话音编码有三个主要技术指标：

1. 数码率
2. 话音质量
3. 编解码延迟

数码率

数码率是指编码器每秒输出的二元码的数目，其单位为比特/秒(b/s)或千比特/秒(Kb/s)等。

在保证一定的话音质量前提下，希望编码器的数码率越低越好。

话音质量

评价编码器话音质量有两种方法：客观评价发(信噪比)和主观评价法(主管感觉)。

• 客观评价法测量解码器输出话音信号的某种指标，通常采用的指标是输出噪声比，它反映了解码器输出信号波形与编码器输入话音信号波形之间的均方误差大小，输出信噪比越高，误差越小，话音质量越好。
• 主观评价法反映了人类听话时对语音质量的感觉。最常用的主观评价法是平均评价得分(Mean Oponion Score)，简称为MOS分。

客观评价法适宜对高数码率的波形编码器的评价；对中低速率编码器的话音质量评价采用主观评价法。

编解码延迟

编解码延迟即解码器输出话音信号相对于编码器输入话音信号的演示(不计数字信号传输延时)。

2、编码技术

话音的编码技术通常分为三类：

1. 波形编码
2. 参量编码
3. 混合编码

其中波形编码和参量编码是话音编码的基本类型。

波形编码

波形编码的基本原理是在时间轴上对模拟话音按一定的速率抽样，然后将幅度样本分层量化，并用代码表示。抽样->量化->编码。

参量编码

参量编码又称为声源编码，是将信源信号在频率域或其他正在正交变换域提取特征参量，并将其变换成数字代码进行传输。

五、均衡、信道编码和分集技术

前提：
1. 移动信道的多径传播引起的瑞利衰落、时延扩展以及伴随接收机移动过程产生的多普勒频移使接收信号受到严重的衰落。
2. 阴影效应会使接收信号过弱而造成通信的中断，信道存在的噪声和干扰，也会使接收信号失真而造成误码。

所以，在移动通信中需要采取一些信号处理技术来改善接收信号的质量。均衡技术、信道编码技术、分集技术是最常见的信号处理技术。

1、均衡技术

均衡是指对信道特性的均衡，即接收端的均衡器产生与信道相反的特性，用来抵消信道的时变多径传播特性引起的码间干扰，从而使实际系统的性能接近最佳系统。

均衡器可以分为频域均衡器和时域均衡器两大类。
均衡器可以置于信道的两端（即发方、收方或双方同时设置）。

频域均衡器适合于在信道特性不变且传送的数据速率较低的系统中使用；
时域均衡器适合于在信道特性变化且传送的数据速率较高的系统中使用。

频域均衡器

频域均衡是利用可调滤波器的频率特性去补偿系统的传输特性，从而使实际系统的性能接近最佳系统。

频域均衡可以分为幅度均衡器和群时延均衡器两种。

幅度均衡器

用于补偿
信道和
接收滤波器
总的幅度频率特性，使总的幅频特性经均衡后变得平坦或在一定要求的范围内。

群时延均衡器

对
群时延频率特性进行补偿。

时域均衡器

时域均衡要使包括时域均衡器在内的基带系统的总特性形成接近消除码间串扰的传输波形，即时域均衡是用均衡器产生的响应波形去补偿已畸变了的传输波形，使得均衡后的波形在抽样时刻上能有效地消除码间串扰。

时域均衡器可以分为预制式自动均衡和自适应式自动均衡两种。

预制式自动均衡

在实际传输数据之前，先传输
预先规定的测试脉冲，然后按照迫零调整原理调整各抽头增益。

自适应式自动均衡

在数据传输过程中
连续测出距最佳调整值的误差电压，并由该电压去调整各抽头增益。

自适应式自动均衡除能自适应信道特性随时变化外，还具有调整精度高的特点。

2、信道编码技术

信道编码是数字通信系统中为了降低误码率，提高数字通信的可靠性而采取的编码。发现和纠正差错

传统的信道编码通常分为两大类：分组码和卷积码。

线性分组码

将信息序列分为每k位一组的信息序列段，每一信息序列段按照一定规律添加r个监督码元，构成总码长为n=k+r的分组码，记为(n,k)。
在分组码中监督码元仅与本分组中的信息码元有关。

当监督码元与信息码元之间的关系为线性关系时，称其为线性分组码。

卷积码

把k个信息位编n位，k和n通常很小，特别适宜于串行形式传输，延时小。
在编码器复杂性相同的情况下，卷积码的性能由于分组码。

Turbo码

Turbo码是一种并行级联码，它的内码、外码均使用卷积码，采用了迭代译码方法，挖掘了级联码的潜力。

Turbo码的编码器、译码器主要由分量编码器、交织器、删除及复用三部分组成。

LDPC码

它的性能逼近香农极限，且描述和实现简单，易于进行理论分析和研究，译码简单且可实行并行操作，适合硬件实现。

几乎适用于所有信道，当前5G中业务信道采用了LDPC码。

Polar码

构造的核心是通过信道极化（channel polarization）处理，在编码侧采用方法使各个子信道呈现出不同的可靠性，当码长持续增加时，部分信道将趋向于容量近于1的完美信道（无误码），另一部分信道趋向于容量接近于0的纯噪声信道，选择在容量接近于1的信道上直接传输信息以逼近信道容量，是唯一能够被严格证明可以达到香农极限的方法。

当前5G中控制信道采用了Polar码。

3、分集技术

分集是通过提供传送信号多个副本来提高接收信号正确判决率的方法。
分集技术是用来补偿衰落信道损耗的，它通常利用无线传播环境中同一信号的独立样本之间不相关的特点，使用一定的信号合并技术改善接收信号，来抵抗衰落引起的不良影响。

分集的基本原理是通过多个信道（时间、频率或者空间）接收到承载相同信息的多个副本，由于多个信道的传输特性不同，信号多个副本的衰落就不会相同。

分集技术包括两个过程，简言之就是“分”和“集”；
一是分散传输，使接收机能够获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；
二是集中处理，即把接收机收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。

分集技术可以分为空间分集、频率分集、时间分集和极化分集。

空间分集

空间分集是利用两副接收天线的方案，独立地接收同一信号，再合并输出，衰落的程度能被大大地减小。

空间分集分为空间分集发送和空间分集接收两个系统。

空间分集接收的优点是分集增益高，缺点是还需另外单独的接收天线。

频率分集

频率分集（又称带内分集）是采用两个或两个以上具有一定频率间隔的微波频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择，利用位于不同频段的信号经衰落信道后再统计上的不相关特性，即不同频段衰落统计特性上的差异，来实现抗频率选择性衰落的功能。

频率分集与空间分集相比较，其优点是在接收端可以减少接收天线及相应设备的数量，缺点是占用更多的频带资源，所以又称带内分集，并且在发送端可能需要采用多个发射机。

时间分集

时间分集是将同一信号在不同时间区间多次重发，只要各次发送时间间隔足够大，则各次发送出现的衰落将是相互独立设计的。

时间分集与空间分集相比较，优点是减少了接收天线及相应设备的数目，缺点是占用时隙资源增大了开销，降低了传输效率，同事对于静止状态的移动台是无效的。

极化分集

极化分集是利用不同电波极化的不相关性和它们呈现的不相关衰落特性产生多路分集信号的技术，它可认为是空间分集的特例。

合并技术

常见的线性合并技术有：

• 选择式合并（SC）。选择式合并结构最简单，它根据某种准则，从N个分集支路信号中选出一个作为下级处理的输入。
• 等增益合并（EGC）。它是把各支路信号进行同相后再迭加，各路的加权权重相等，其性能只比最大比合并稍差一些，但比选择合并要好很多，是一种次最优的合并方案。
• 最大比合并（MRC）。它对多路信号进行同相加权合并，权重是由各支路信号所对应的信号功率与噪声功率的比值所决定的，最大比合并的输出SNR等于各路SNR之和。由于它采用了信道估计，可以根据信道的具体情况对各支路的信号进行处理，因此它是其中性能最好的一种，但它的实现也最复杂。

六、双工方式

LTE支持FDD、TDD两种双工方式。
双工方式的不同决定了LTE-TDD和LTE-FDD物理帧格式的不同，但是LTE-TDD和LTE-FDD在核心网上没有任何差异，只是在实现方式上存在一些差异，故LTE-TDD和LTE-FDD的主要区别集中于物理层，尤其是物理层的帧结构上。

TDD的优势：

• 频率效率高，配置灵活；
• 灵活地设置上下行转换时刻，实现不对称的上下行业务带宽；
• 利用信道对称性特点，提升系统性能；
• 设备成本相对较低。

TDD的劣势：

• 终端移动速度受限；
• 干扰问题更加复杂；
• 同步要求高。

参考文章：《LTE 4G 移动通信技术》

上下文内容

下文： 任务二：移动通信发展史

更新时间

2022年11月12日