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1、第3章 移动通信的物理层处理技术,课程内容,现代无线通信系统物理层传输模型 抗衰落技术 调制解调 扩频与加扰 多天线MIMO技术,数字通信系统模型,信源编译码：压缩数据率，去除信号的冗余，提高传输的有效性。 信道编译码：增加信息的冗余，使其具有检错和纠错的能力，试图以最少的监督码元为代价，换取通信的可靠性。 调制解调的目的是实现频谱搬移，使信号适合在传输信道内传输，不同调制技术极大地影响接口提供数据业务的能力。,3G通信系统物理层传输模型,保留单元：信源编解码、信道编解码、调制解调，射频发射接收 具体的技术选取上和2G也有所不同 3G特色：扩频和加扰 能够提高系统的容量和频谱利用率，抗多径、抗
2、干扰、抗衰落,4G通信系统物理层传输模型,LTE系统下行物理信道处理流程,4G通信系统物理层传输模型,4G特色：OFDM+MIMO 正交频分复用OFDM：将高速的数据流分解为N个并行的低速数据流，在N个子载波上同时进行传输，提高频谱利用率； 多天线MIMO：用空间复用和传输分集，有效提高信噪比，从而提高容量和覆盖范围；,课程内容,现代无线通信系统物理层传输模型 抗衰落技术 调制解调 扩频与加扰 多天线MIMO技术,抗衰落技术,移动信道三大效应形成三大衰落： 阴影效应：建筑物或地形起伏等的阻挡，使接收信号幅度降低 多径效应：经过直射、散射、反射等多种传播路径的信号在接收端进行叠加，造成多径衰落
3、多普勒效应：频率偏移或收发信机的随机移动性造成的谱扩展 抗衰落三大措施： 分集技术补偿信道衰损 信道编码与交织改善链路性能 均衡技术补偿码间干扰,分集技术,概念 多路不相关的衰落路径传送相同的信号并合并 目标： 降低多径衰落的影响，改善传输的可靠性 技术的关键问题： 如何得到（产生）多路信号? 如何合并多路信号? 本质： 对同一信号在不同时间、频率、空间、极化方向的过采样,分集原理,各独立信号传播路径同时经历深度衰落的概率很低,所谓分集接收，是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立(携带同一信息)的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。,问题一：如何得到（产生）多路信号?,频率分集：用
4、两个以上载频传输同一个信号 时间分集：在不同时间接收同一个信号 空间分集：用两个以上相隔一定距离的天线接收同一个信号 极化分集：同一天线的不同极化方向传输和接收同一个信号,空间分集,空间分集的依据在于快衰落的空间独立性， 即在任意两个不同的位置上接收同一个信号， 只要两个位置的距离大到一定程度， 则两处所收信号的衰落是不相关的。 市区 d=0.5 郊区 d=0.8 分集支路数M越大，分集效果越好，但当M3时，分集的复杂性增加，分集增益增加速度放缓。,极化分集,由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性， 所以发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。
5、 实现：在发射端分别装垂直极化和水平极化，天线集成于一副天线内,极化分集的特点： 一种特殊的空间分集 射频功率分给两个不同的极化天线，发射功率损失3dB,问题二：如何合并多路信号？,分集合并技术：利用多个分集信号来减少衰落影响并获得增益的技术就是分集合并技术 选择式合并：选择具有最大SNR的分支 最大比合并：所有分支依据其SNR进行加权相干合并 等增益合并：所有分支等权重相干合并 开关式合并：又称扫描式分集，顺序扫描各支路接收信号的瞬时包络，直到某一支路的瞬时包络高于预定门限。,分集合并技术,分集合并技术,合并增益 开关合并： 只需一套接收设备，但性能 最差； 选择性合并增益： Gs=k=1M
6、(1/k) 等增益合并增益： GE=1+(M-1)/4 最大比合并增益： GM=M,信道编码与交织,信道编码 作用： 增加符号间的相关性，以便在受到干扰的情况下恢复信号 差错控制方式 检错重发（ARQ）：只检不纠，错则重传 需要反馈信道，译码设备简单，对突发错误和信道干扰较严重时有效，但实时性差，主要应用在计算机数据通信中。 前向纠错（FEC）：自动纠错，能力有限 单向传输，实时性好，传输效率高，但译码设备较复杂。这种纠错方式广泛应用于移动通信设备中 混合纠错（HEC）：ARQ和 FEC 具有自动纠错和检错重发的优点，可达到较低的误码率，特别适合于高速传输系统,信道编码,信息码元：信源待发送的
7、码元 监督（校验）码元k：加入的多余码元 总码元数n：信息码元+监督码元 编码效率：= k/n 移动通信中典型信道编码 卷积码(n,k,m) 时延小，广泛用于实时的语音通信中 Turbo码 性能逼近最优的仙农的信道编码的极限 译码设备很复杂，时延大，无法应用于实时的通信系统，一般用来作为各类非实时业务高速数据的纠错编码,信道编码,信道编码是根据一定的规律在待发送的信息码元中加入一些多余的码元，以换取信息码元在传输中的可靠性 信道编码适合纠正非连续的少量错误,信道编码对连续的码元出错不能纠错,交织技术,交织技术是改变数据流的传输顺序，将突发的错误随机化。 交织方法 行列交织； 卷积交织； 随机交
8、织,交织技术,交织技术,交织技术是改变数据流的传输顺序，将突发的错误随机化。 优点： 提高纠错编码的有效性； 缺点： 由于改变了数据流的传输顺序，必须要等整个数据块接收后才能纠错，加大了处理延时，因此交织深度应根据不同的业务要求有不同的选择。 在特殊情况下，若干个随机独立差错有可能交织为突发差错。,交织技术,信道编码和交织技术举例,均衡技术,概念：对移动信道特性进行均衡，矫正信道传输函数使其满足无失真传输条件 目标：抵消信道的时变多径传播特性引起的码间串扰,均衡技术,接收机采用均衡技术，用于减小码间干扰，适用于多径不可分离信号 频率均衡： 校正信号的幅频特性和群延时； 常用于宽带单载波系统；
9、时域均衡： 使冲击响应无码间串扰； 常用于窄带数字通信系统；,课程内容,现代无线通信系统物理层传输模型 抗衰落技术 调制解调 扩频与加扰 多天线MIMO技术,数字调制技术概述,移动通信面临的无线信道问题： 多径，衰落，干扰(自然，人为，ISI)，频率资源有限 调制的功能频谱搬移 频谱搬移的实现可分为两步：首先进行基带信号调制，然后再变频到所需的频段 移动通信对调制解调技术的要求 频谱资源有限 高的带宽效率 用户终端小 高的功率效率，抗非线性失真能力强 邻道干扰 低的带外辐射 干扰受限的信道，抗干扰能力强 多径信道传播 对多径衰落不敏感，抗衰落能力强 解调一般采用非相干方式，或插入导频的相干解调
10、 产业化问题 成本低，易于实现,移动通信对调制解调技术的要求,高传输效率。 高频带利用率（最小占用带宽） 窄带调制技术已调信号频谱主瓣较窄、带外辐射较低； 衡量指标：bit/s/Hz 高功率效率（最小发送功率） 对信道影响的抵抗能力（最小误比特率） 线路复杂度适中,数字调制方法的分类,数字调制技术概述,移动通信中的调制技术,数字调制技术概述,各类二进制调制波形,PSK,PSK是一种线性调制技术，具有带宽效率高，频谱利用率高等特点。,1:0相位 0:相位,1:载波相位变化 0:载波相位不变,移动通信中一般采用性能优良的绝对移相体制,PSK,调制,功率谱,PSK,解调,实现简单，信号占用带宽约为2
11、fb，其相位路径不连续，在数据极性转换时刻，相位发生180跳变。功率谱滚降慢，频谱利用率低,QPSK,QPSK：利用载波的4种不同相位来表征数字信息。,对输入的二进制数字序列应该先分组，将每两个比特编为一组，然后用4种不同的载波相位去表征它们。 与PSK相比，可以减小传输信号频带，提高频带利用率。提高了系统的有效性,QPSK,调制,(a)BPSK调制框图,(b)QPSK调制框图,QPSK,功率谱和带宽,在相同信息速率下，2PSK与QPSK信号的功率谱密度,QPSK,解调,误比特率 在QPSK和2PSK的输入二进制信息速率相同、二者的发送功率相同、加性噪声的功率谱密度相同的条件下，QPSK和2P
12、SK的平均误比特率是相同的。,OQPSK,QPSK & OQPSK,Offset,偏移,随着输入数据的不同，QPSK会发生相位跳变。当发生1800相移时，信号包络在瞬时过零点，如后面电路存在硬限幅或非线性放大，则会引起旁瓣再生和频谱扩展。 OQPSK将正交支路的基带信号相对于同相支路延迟Ts/2，减小包络起伏。,OQPSK,调制,OQPSK可以避免QPSK中的180度相移，减少随机相位影响，降低对射频放大器的线性要求 从实现上只是正交支路相对同相支路延迟了一个比特，因此其功率谱密度、带宽、频谱利用率及平均误比特率与QPSK相同。,OQPSK,I信道和Q信道的两个数据流，每次只有其中一个可能发生
13、极性转换。输出的OQPSK信号的相位只有跳变，而没有的相位跳变，则经滤波及硬限幅后的功率谱旁瓣较小。,QAM,MQAM正交振幅调制 一种幅度和相位联合键控的调制方式,QAM星座图,坐标系下，空间信号矢量端点图,不具有恒定的包络； 码元间距也不完全相同,同阶QAM中，星型QAM比方形QAM具有更少的振幅和相位类型，更有利于接收端的自动增益控制和载波相位跟踪,QAM,解调 正交相干解调,QAM,误码率,QAM同时利用了载波的幅度和相位来传递信息比特，因此在相同的条件下，它可以实现更高的频带利用率。,OFDM,OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexi
14、ng 正交频分复用 下一代宽带通信系统中的核心技术 WiMAX LTE 优点 高频谱效率 支持宽带传输 抵抗多径信道,OFDM,OFDM技术是将高速率的信息数据流经串/并变换，分解为若干个子数据流，从而使子数据流具有低得多的比特传输速率，然后每路低速率数据采用一个独立的载波调制并叠加在一起构成发送信号。 FDM&OFDM,子载波的正交复用，减小保护带宽,频率保护间隔,OFDM,子载波相互 交叉存在,OFDM,频谱效率 当子载波数较大时，OFDM 信道的频谱接近矩形 有效利用了频谱,OFDM,OFDM 信号等效于在带宽 B 的频带内传输了 N 个正交子载波 子载波的相位、幅度由待传信号决定 子载
15、波的频率共有 N 个，分别为： 每个子载波占有带宽f ，持续时间为 1/f OFDM 信号为调制了信息的 N 个子载波的叠加,利用正交性原理可以在接收端解调出信号,OFDM,信号产生的基带模型,单载波系统,OFDM系统,OFDM的FFT实现,用IFFT快速实现OFDM多载频调制,DITIFFT运算流图,OFDM的FFT实现,OFDM系统,OFDM的优势,OFDM的不足,PAPR峰值平均功率比,由于OFDM 是由多个独立经过调制的子载波信号叠加而成的，当各子载波相位相同或相近时，叠加信号便会受到同初始相位信号调制，从而产生较大的瞬时功率峰值，带来较高的峰均比（ PAPRPeak to Avera
16、ge Power Ratio ）,PAPR峰值平均功率比,峰均比较大的OFDM信号极易进入功率放大器的非线性区域，导致信号产生非线性失真，造成明显的频谱扩展干扰以及带内信号畸变，导致整个系统性能严重下降。,降峰频比技术,降峰频比限幅方法,限幅作用：信号经过非线性部件之前进行限幅，可以使得峰值信号低于所期望的最大电平值。 限幅导致的问题：会对系统造成自身干扰；会导致带外辐射功率值的增加。 解决方法：利用其他非矩形窗函数对OFDM符号进行时域加窗。,保护间隔&循环前缀,路径2,路径1的第二个符号和路径2的第一个符号形成干扰,路径1,多径效应将引起符号间干扰,保护间隔&循环前缀,路径2,路径 1,保
17、护间隔,保护间隔GI (Guarding Interval),加入保护间隔避免符号间干扰 当保护间隔的长度超过信道最大延迟，一个符号的多径分量不会干扰下一个符号,保护间隔&循环前缀,子载波 1,带有时延的子载波 2,保护间隔,OFDM信号的积分区间,子载波 2对子载波1带来的ICI干扰,子载波干扰,引入保护间隔后，积分区间内不再具有整数个子载波，子载波间的正交性被破坏，两个子载波之间会产生载波间的干扰,保护间隔&循环前缀,幅度,保护间隔,FFT 积分时长,OFDM 符号长度,循环前缀是此符号后一段样点值的重复，加入循环前缀的目的是不破坏子载波间的正交性； 只要每个路径的时延小于保护间隔，FFT
18、的积分时间长度就可以包含整数个多径子载波波形。,循环前缀CP (Cyclic Prefix),循环前缀,时间,采用 IFFT和 FFT的 OFDM 系统结构,加入循环前缀，要牺牲一部分时间资源，降低了各个子载波的符号速率和信道容量，优点就是可以有效的抗击多径效应,OFDM,需要考虑的几个问题 相邻子载波间的频差有多少？(多普勒) 给定频带内能放置几个子载波？(效率) OFDM 时域符号长度为多少？(有效长度) OFDM 信号如何与现有调制方式相结合？,课程内容,现代无线通信系统物理层传输模型 抗衰落技术 调制解调 扩频与加扰 多天线MIMO技术,为什么要扩频？,扩频通信就是将信号的频谱展宽后进
19、行传输的技术。 其理论基础为Shannon定理,C=B*log2(1+S/N),C：信道容量，单位b/s B：信号频带宽度，单位Hz S：信号平均功率，单位W N：噪声平均功率，单位W,结论：在信道容量C不变的情况下，信号频带宽度B与信噪比S/N完全可以互相交换，即可以通过增大传输系统的带宽以在较低信噪比的条件下获得比较满意的传输质量.,扩频通信,扩频方式 直接序列（DS）扩频 直接序列扩频就是用比信息速率高很多倍的扩频码与信号相乘来达到扩展信号带宽的目的。 跳频（FH） 跳频是使原信号随机的用不同载波传播发送。 跳时（TH） 跳时是使用扩频码来开通或关断发射机，即信号的发射时刻和持续时间是随
20、机的。 3G技术的三大标准都采用的是直接序列扩频技术,直序扩频通信原理,DS-SS是用待传输的信息信号与高速率的伪随机码波形相乘后，去直接控制载波信号的某个参量，来扩展传输信号的带宽的,直序扩频通信原理,发送端扩频,直序扩频通信原理,接收端解扩,问题一：为什么扩频技术可以抗干扰？,IS-95系统中的扩频,问题二：扩频后如何保证通信的频谱利用率？,C1与C2正交：C1xC2=0,关键： 相互正交的扩频码,问题三：如何选择扩频码？,理想的扩频码和地址码必须具备以下特性： 良好的自相关和互相关特性 码序列的正交累加为0表示正交 尽可能长的码周期 足够多的码序列 易于产生、复制、控制和实现。,目前常用
21、的、较为理想的扩频码和地址码有：伪随机码(PN码)、Walsh码和正交可变速率扩频增益码(OVSF码)等。,扩频 VS. 加扰,扩频 信道化的过程，对信号频谱宽度的扩展，以达到提高系统的抗干扰性能； 加扰 将信号用不同的扰码加密，提高安全性，系统通信过程中每个用户都会分配一个不同的扰码。,逐码片相乘,扩频 & 加扰,码片,码片,扩频码 VS. 地址码,扩频码： 信道化码：用于区分每个小区（或扇区）的不同信道，它分为单业务、单速率信道地址码和多业务、多速率信道地址码； 要求：良好的自相关和互相关特性； 扰码： 用户地址码：对于上行，用于区分不同的移动用户； 小区地址码：对于下行，用于区分不同的基
22、站或扇区。,扩频码 VS. 地址码,各CDMA系统扩频码和扰码的选择,课程内容,现代无线通信系统物理层传输模型 抗衰落技术 调制解调 扩频与加扰 多天线MIMO技术,无线信道的衰落,影响无线通信中信息传输可靠性的主要障碍 信道时变性频谱展宽 多径效应时延展宽 空间相关性角度展宽,多天线技术通过对发射与接收信号的空域和时域上处理，能提高系统的容量和质量,什么是MIMO？,MIMO (Multiple Input Multiple Output：多输入多输出)系统，其基本思想是在收发两端采用多根天线，分别同时发射与接收无线信号。,为什么想到天线？,单输入单输出系统,多输入单输出系统,单输入多输出系
23、统,多输入多输出系统,在一个无线通信系统中，天线是处于最前端的信号处理部分。提高天线系统的性能和效率，将会直接给整个系统带来可观的增益。,MIMO系统容量,多输入单输出（MISO）系统 ：,多输入多输出（MIMO）系统 ：,单输入多输出（SIMO）系统 ：,MIMO系统中，系统容量随着天线数目的增加成线性增加。,单输入单输出（SISO）系统 ：,其中： Pt为天线发射功率； Mr为接收天线数； Mt为发射天线数； 为白噪声的方差； h为衰减系数； 空间信道转换矩阵特征根；,核心问题： 通信的可靠性；有效性；,空间分集,无线信道中信号的功率会随机波动，而分集是一种克服这种无线链路传输中随机产生的
24、深度衰落强有力的技术。 传输分集是利用较大间距天线或波束间的空间信道的弱相关性，提供更多的数据流副本，从而提高信道可靠性，降低误比特率的。 空时编码STBC； 空频编码SFBC； 循环延时分集CDD； 天线切换分集,空间分集,空频编码SFBC 在空间和频率两个维度上安排数据流的不同版本，可以有空间分集和频率分集的效果；,天线端口0传原始调制符号； 天线端口1传原始符号的变换符号；,空间分集,天线切换分集 当发射端存在着多根传输天线时，从时间或频率上按照一定的顺序依次选择其中一根天线进行传输的技术； 时间切换传输分集（Time Switched Transmit DiversityTSTD） 在
25、不同的时间上进行天线的切换；,LTE上行支持TSTD,空间分集,天线切换分集 当发射端存在着多根传输天线时，从时间或频率上按照一定的顺序依次选择其中一根天线进行传输的技术； 频率切换传输分集（Frequency Switched Transmit DiversityFSTD） 在不同的时间上进行天线的切换；,空间分集,四天线端口频率偏移发射分集SFBC+FSTD,天线端口0&2、1&3成对，两者之间为SFBC 天线端口0和1在频域上交替传送原始信号，两者间为FSTD,空间复用,空间复用：发射的高速数据被分成几个并行的低速数据流，在同一频带从多个天线同时发射出去。 码字 层数 发射天线数 不同的
26、数据内容 提高吞吐量 更复杂的预编码技术 码本,利用空间信道的弱相关性，通过在多个相互独立的空间信道上传输不同的数据流，从而提高数据传输的峰值速率。 只用于下行业务信道；,空间复用,开环空间复用 LTE系统支持基于多码字的空间复用传输。 用于空间复用传输的多层数据来自于多个不同的独立进行信道编码的数据流，每个码字可以独立地进行速率控制。,空间复用,闭环空间复用 即所谓的线性预编码技术，它将天线域的处理转化为波束域进行处理，在发射端利用已知的空间信道信息进行预处理操作，从而进一步提高用户和系统的吞吐量。 闭环空间复用的发射和接收两端是有反馈信道信息传送的。,波束赋形,在发射端将待发射数据矢量加权再发送，形成窄的发射波束，将能量对准目标用户，提高目标用户的信噪比，从而提高用户的接收性能； 只用于业务信道，不用于控制信道；,大规模MIMO,为进一步提高数据传输速率，通过增加基站天线数目构建大规模MIMO（Massive MIMO）系统； 5G及后续标准的研究热点之一；,集中式大规模MIMO,分布式大规模MIMO,