【正文】 第 2章 3G關(guān)鍵技術(shù) 移動(dòng)通信信道 擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 數(shù)字調(diào)制技術(shù) 信源編碼技術(shù) 功率控制技術(shù) 信道編碼技術(shù) 發(fā)送接收技術(shù) 蜂窩組網(wǎng)技術(shù) ? 隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步、經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)信息傳輸?shù)男枨笤絹碓酱?，信息傳輸在工作、生活中的作用也越來越重要，“社?huì)需求就是科學(xué)與技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力”，現(xiàn)代移動(dòng)通信在經(jīng)歷了第一代模擬通信系統(tǒng)和第二代數(shù)字通信系統(tǒng)（以 GSM和窄帶 CDMA為代表）之后，為適應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展的要求，由國際電信聯(lián)盟（ ITU）主導(dǎo)協(xié)調(diào)，自 1996年開始了第三代（ 3G）寬帶數(shù)字通信系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程。 ? 3G系統(tǒng)采用了無線寬帶傳輸技術(shù)、復(fù)雜的編譯碼技術(shù)、調(diào)制解調(diào)技術(shù)、快速功率控制技術(shù)、多用戶檢測(cè)技術(shù)、智能天線技術(shù)、蜂窩組網(wǎng)技術(shù)等。 ? 本章重點(diǎn)介紹 3G的關(guān)鍵技術(shù)，主要包括以下幾方面的內(nèi)容： ? 移動(dòng)通信信道 ? 擴(kuò)頻通信系統(tǒng) ? 數(shù)字調(diào)制技術(shù) ? 信源編碼技術(shù) ? 信道編碼技術(shù) ? 功率控制技術(shù) ? 發(fā)送接收技術(shù) ? 蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 移動(dòng)通信信道 ? 信道是信號(hào)的傳輸介質(zhì)，可分為有線信道和無線信道兩類。 ? 移動(dòng)通信中的各種新技術(shù)，都是針對(duì)無線信道的特點(diǎn)，優(yōu)化解決移動(dòng)通信中的有效性、可靠性和安全性。 無線電波的傳播 波 段 波 長 頻 率 主 要 用 途 長波 10km～ 1km 30kHz～ 300kHz — 中波 1km～ 100m 300kHz～ 3MHz 調(diào)幅無線電廣播 短波 100m～ 10m 3MHz～ 30MHz 微波 米波 （ VHF） 10m～ 1m 30MHz～ 300MHz 調(diào)頻無線電廣播 分米波 （ UHF） 1m～ 300MHz～ 3GHz 電視、雷達(dá)、 導(dǎo)航、移動(dòng)通信 厘米波 10cm～ 1cm 3GHz～ 30GHz 毫米波 10mm～ 1mm 30GHz～ 300GHz 表 21 無線電波分類 ? 從移動(dòng)通信信道中的電波傳播來看，可分為以下幾種形式： ? （ 1）直射波 ? （ 2）反射波 ? （ 3）繞射波 ? （ 4）散射波 接收信號(hào)的 4種效應(yīng) ? 移動(dòng)通信信道有 3個(gè)主要特點(diǎn)：信號(hào)傳播的開放性，接收點(diǎn)地理環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，以及通信用戶的隨機(jī)移動(dòng)性。 ? 無線電波有 3種主要傳播形式：直射、反射、繞射，在它們的共同作用下，接收信號(hào)具有 4種主要效應(yīng)：陰影效應(yīng)、遠(yuǎn)近效應(yīng)、多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)。 ? （ 1）陰影效應(yīng) ? （ 2）遠(yuǎn)近效應(yīng) ? （ 3）多徑效應(yīng) ? （ 4）多普勒效應(yīng) 圖 21 多徑效應(yīng) 圖 22 多普勒效應(yīng) 接收信號(hào)的 3類損耗 ? 在移動(dòng)通信信道的 3個(gè)主要特點(diǎn)和無線電波傳播的 3種主要形式的共同作用下，接收信號(hào)又具有 3類不同層次的損耗：路徑傳播損耗、大尺度衰落損耗和小尺度衰落損耗。 ? （ 1）路徑傳播損耗 ? （ 2）大尺度衰落損耗 ? （ 3）小尺度衰落損耗 圖 23 大尺度衰落和小尺度衰落 移動(dòng)通信中的噪聲和干擾 ? 在移動(dòng)通信中，嚴(yán)重影響移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的主要噪聲和干擾可分為四類：加性白高斯噪聲（ Additional White Gauss Noise，AWGN）、符號(hào)間干擾（ Intersymbol Interference， ISI）、多址干擾（ Multiple Access Interference， MAI）和相鄰小區(qū)（扇區(qū)）干擾（ Adjacent Cell (Sector) Interference， AC(S)I），下面分別予以簡(jiǎn)要介紹。 （ 1）加性白高斯噪聲 ? ? （ 21） ( ) ( ) ( )v t s t n t??（ 2）符號(hào)間干擾（ ISI） 圖 24 AWGN信道 ? （ 3）多址干擾（ MAI ） ? （ 4）相鄰小區(qū)（扇區(qū)）干擾（ AC(S)I） 移動(dòng)通信信道的物理模型 ? 在實(shí)際研究工作中，移動(dòng)通信信道可以分為 4種常用的信道模型。 ? （ 1） AWGN信道 ? （ 2）陰影衰落信道 ? （ 3）平坦瑞利衰落信道 ? （ 4）選擇性衰落信道 擴(kuò)頻通信系統(tǒng) ? CDMA是在擴(kuò)頻通信技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種嶄新而成熟的無線通信技術(shù)。 多址接入技術(shù) 圖 25 3種接入方式示意圖 1．頻分多址 ? 頻分多址（ FDMA）是最成熟的多址復(fù)用方式之一，它是基于頻率劃分信道，把可以使用的總頻段平均劃分為 N個(gè)頻道，這些頻道在頻域上互不重疊，每個(gè)頻道就是一個(gè)通信信道。 2．時(shí)分多址 ? 時(shí)分多址（ TDMA）也是非常成熟的通信技術(shù)。 ? TDMA是在同一載波上，將時(shí)間分成周期性的幀，每一幀再分割成若干的時(shí)隙（每一幀和每個(gè)時(shí)隙都互不重疊），每個(gè)時(shí)隙是一個(gè)通信信道，分配給用戶使用。 3．碼分多址 ? 碼分多址（ CDMA）采用擴(kuò)頻通信技術(shù)，每個(gè)用戶分配特定的地址碼，利用地址碼相互之間的正交性（或準(zhǔn)正交性）完成信道分離的任務(wù)。 ? CDMA在頻率、時(shí)間、空間上可以相互重疊。 ? 由于 CDMA系統(tǒng)采用擴(kuò)頻技術(shù)，與FDMA和 TDMA相比， CDMA具有如下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)： ? （ 1）系統(tǒng)容量大且有軟容量的特性 ? （ 2）可采用語音激活技術(shù) ? （ 3）抗干擾能力強(qiáng) ? （ 4）軟切換 ? （ 5）可采用多種分集技術(shù) ? （ 6）低信號(hào)功率譜 ? （ 7）頻率規(guī)劃簡(jiǎn)單，可同頻組網(wǎng) ? （ 8）保密性好 擴(kuò)頻通信系統(tǒng) ?1．?dāng)U頻通信和擴(kuò)頻通信系統(tǒng) ? 擴(kuò)頻通信，即擴(kuò)展頻譜通信，顧名思義是在發(fā)送端用某個(gè)特定的擴(kuò)頻函數(shù)（如偽隨機(jī)編碼序列）將待傳輸?shù)男盘?hào)頻譜擴(kuò)展至很寬的頻帶，變?yōu)閷拵盘?hào)。 ? 送入信道中傳輸，在接收端再利用相應(yīng)的技術(shù)或手段將擴(kuò)展了的頻譜進(jìn)行壓縮，恢復(fù)到基帶信號(hào)的頻譜，從而達(dá)到傳輸信息、抑制傳輸過程中噪聲和干擾的目的。 ? 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)是采用擴(kuò)頻通信技術(shù)的系統(tǒng)。 ? 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)有以下兩個(gè)特點(diǎn)： ?（ 1）傳輸信號(hào)的帶寬遠(yuǎn)大于被傳輸?shù)脑夹盘?hào)的帶寬； ?（ 2）傳輸信號(hào)的帶寬主要由擴(kuò)頻函數(shù)決定，此擴(kuò)頻函數(shù)通常為偽隨機(jī)（偽噪聲）編碼信號(hào)。 2．?dāng)U頻通信的發(fā)展簡(jiǎn)史和應(yīng)用 ? 擴(kuò)頻通信技術(shù)起源于第二次世界大戰(zhàn)，是基于軍事領(lǐng)域的實(shí)際需要而產(chǎn)生的，目的是在敵方控制區(qū)內(nèi)提供一種保密通信的方法。 ? 隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的發(fā)展，特別是信號(hào)處理技術(shù)、大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了擴(kuò)頻通信理論、方法、技術(shù)等方面的研究發(fā)展和普及應(yīng)用，使最初只用于軍事領(lǐng)域的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)越來越廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星通信、個(gè)人移動(dòng)通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、測(cè)距等領(lǐng)域。 3．典型擴(kuò)頻通信系統(tǒng)框圖 圖 26 典型的擴(kuò)頻通信系統(tǒng)框圖 ? （ 1）信源和信宿 ? （ 2）編碼和譯碼 ? （ 3）擴(kuò)頻和解擴(kuò) ? （ 4）調(diào)制和解調(diào) ? （ 5）無線信道 4．?dāng)U頻通信系統(tǒng)分類 ? （ 1）直接序列擴(kuò)頻通信系統(tǒng) ? （ 2）跳頻擴(kuò)頻系統(tǒng) ? （ 3）跳時(shí)擴(kuò)頻系統(tǒng) ? （ 4）線性脈沖調(diào)頻系統(tǒng) ? （ 5）混合擴(kuò)頻通信系統(tǒng) 5．?dāng)U頻通信系統(tǒng)主要優(yōu)缺點(diǎn) ? 擴(kuò)頻通信系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)如下。 ? （ 1）抗干擾能力強(qiáng) ? （ 2）多址能力強(qiáng) ? （ 3）保密性強(qiáng)，抗截獲、抗檢測(cè)能力強(qiáng) ? （ 4）抗衰落能力強(qiáng) ? （ 5）抗多徑能力強(qiáng) ? （ 6）高分辨率測(cè)距 信道化碼和擾碼 ?1．基本概念 ? （ 1）基本函數(shù)運(yùn)算 ? 如果二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)用 0或 1表示，是單極性碼；如果用 ?1表示 0， 1表示 1，是雙極性碼。 ? 單極性碼的邏輯運(yùn)算由模 2加實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算規(guī)則是： 0 0 0 。 0 1 1 。 1 0 0 。 1 1 0? ? ? ? ? ? ? ?? 雙極性碼的邏輯運(yùn)算由邏輯乘實(shí)現(xiàn)，運(yùn)算規(guī)則是： ? ( 1 ) ( 1 ) 1 。 ( 1 ) ( 1 ) 1 。 ( 1 ) ( 1 ) 1 。 ( 1 ) ( 1 ) 1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（ 2）相關(guān)函數(shù) ? 相關(guān)函數(shù)是任意兩個(gè)信號(hào)之間的相似性的測(cè)度，分為周期相關(guān)函數(shù)和非周期相關(guān)函數(shù)兩種，下面分別給出它們的定義。 ? 設(shè)兩個(gè)長度為 N的序列 a和 b，非周期相關(guān)函數(shù) 定義為： , ()abC ?101,0101( ) 1 00 | |NiiiNa b i iia b NNC a b NNN??????????????????????????????≤ ≤ 1≤ ≤≥（ 22） ? 周期相關(guān)函數(shù) 定義為： ? , ()abR ?1,01() Na b i iiR a bN ?????? ?, Z?? （ 23） ? 其中 表示邏輯運(yùn)算，當(dāng) a和 b是單極性碼時(shí)， 表示模 2加；當(dāng) a和 b是雙極性碼時(shí)， 表示邏輯乘。 ? 當(dāng) a ≠ b， 和 分別被稱為非周期互相關(guān)函數(shù)和周期互相關(guān)函數(shù)；當(dāng) a = b， 和 分別被稱為非周期自相關(guān)函數(shù)和周期自相關(guān)函數(shù)。簡(jiǎn)寫為 和 ? 。 , ()abC ? , ()abR ?, ()abC ? , ()abR ?()aC ?()aR ?? 本書中的相關(guān)函數(shù)，如非特別聲明，均指周期相關(guān)函數(shù)。 （ 3）正交函數(shù) ? 正交函數(shù)是具有零相關(guān)特性的函數(shù)，則互相關(guān)函數(shù)為 0的兩個(gè)序列是正交序列。 2． CDMA系統(tǒng)中的擴(kuò)頻碼和地址碼 ? 在擴(kuò)頻通信系統(tǒng)中，決定系統(tǒng)性能的主要因素是擴(kuò)頻函數(shù)。 ? 理想的擴(kuò)頻碼和地址碼必須具備以下特性： ?（ 1）良好的自相關(guān)和互相關(guān)特性，即尖銳的自相關(guān)函數(shù)和幾乎處處為零的互相關(guān)函數(shù)； ?（ 2）盡可能長的碼周期，使干擾者難以通過擴(kuò)頻碼的一小段去重建整個(gè)碼序列，確保安全與抗干擾的要求； ?（ 3）足夠多的碼序列，用來作為獨(dú)立的地址，以實(shí)現(xiàn)碼分多址的要求； ?（ 4）易于產(chǎn)生、復(fù)制、控制和實(shí)現(xiàn)。 ? 目前常用的、較為理想的擴(kuò)頻碼和地址碼有： ? （ 1）偽隨機(jī)（ PN）碼 ? （ 2）沃爾什（ Walsh）碼 ? （ 3）正交