移动通信现有核心技术分析及新技术讨论.doc
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1、目录摘要 1关键词 1第一章、移动通信发展现实状况概述 1 1顾客发展现实状况 1 2网络发展现实状况 1 3移动通信演进过程13.1 1G .23.2 2G .23.3 2.5G .23.4 2.75G .33.5 3G .33.6小结.4第二章、移动通信系统既有关键技术论述与分析 41 无线信道模型及信道特性分析 41.1移动无线衰落信道分析 .41.2移动通信信道模型 .42移动通信系统中分集技术简介.9 2.1分集技术-技术分类.9 2.2 分集技术-接受合并技术103移动通信系统中均衡技术算法与实现 113.1均衡技术113.2均衡技术原理 113.3均衡技术-自适应算法 124 C
2、DMA系统中RAKE接受技术算法与实现 125新一代移动通信关键技术MIMO+OFDM简介 13第三章、移动通信发展趋势展望 15参照文献 17移动通信既有关键技术分析及新技术讨论摘 要: 简介移动通信发展现实状况以及各个发展阶段工作原理、关键技术、性能;移动通信系统既有关键技术论述与分析(包括移动通信无线信道模型及信道特性分析(窄带与宽带)、移动通信系统中分集技术算法与实现、移动通信系统中均衡技术算法与实现、CDMA系统中RAKE接受技术算法与实现等。)、新一代移动通信关键技术MIMO+OFDM;移动通信发展趋势展望。关 键 词:移动通信;工作原理;分集技术;均衡技术;RAKE接受技术;MI
3、MO+OFDM 第一章、移动通信发展现实状况概述1顾客发展现实状况自1987年中国电信开始开办移动电话业务以来,移动电话顾客数量以惊人速度增长,1987-1993年顾客数量平均增长速度超过200%,到1993年,我国移动通信顾客数到达63.8万,到1994年移动顾客规模超过百万大关,移动电话顾客数量到达7250万户,目前中国移动顾客数量占全球移动顾客数量六分之一,增长速度列全世界第一。2 网络发展现实状况移动通信市场发展不仅依赖于移动电话产品市场发展,并且依赖于移动通信网络不停完善和发展,伴随顾客数量增长,移动通信网络规模也在不停扩大,目前,我国GSM数字移动电话网已覆盖全国所有地市和96%县
4、市,全国重要交通干线已实现无缝覆盖,GSM数字移动电话网已与46个国家和地区78家企业开通了自动漫游业务。3移动通信演进过程3.11G 第一代通信系统是指最初模拟、仅限语音蜂窝电话原则,简称1G,制定于上世纪80年代,属于模拟通信系统,如AMPS和TACS系统,重要采用模拟技术和频分多址技术FDMA(Frequency Division Multiple Access),这种技术是最古老也是最简朴。在FDMA中,不一样地址顾客占用不一样频率,即采用不一样载波频率,通过滤波器选用信号并克制无用干扰,各信道在时间上可同步使用。不过,由于模拟系统系统容量小,尚有FDMA技术在信道之间必须有警界波段来
5、使站点之间互相分开,这样在警界波段就会成很大带宽挥霍。并且,模拟系统安全性能很差,任何有全波段无线电接受机人都可以收听到一种单元里所有通话。此外,此技术对天线和基站破坏也很严重。因此模拟系统重要以语音业务为主,基本上很难开展数据业务。尽管模拟移动通信系统投入运行以来,其顾客虽迅速增长,获得了巨大成功,不过在实际使用过程中也暴露出了许多问题,重要表目前如下几点:(1) 频谱效率较低,有限频谱资源和迅速发展顾客容量矛盾十分突出;(2) 业务种类单一,只有语音业务;(3) 存在同频干扰和互调干扰;(4) 保密性差(5) 模拟移动通信系统设备价钱高,手机体积大,电池充电后有效工作时间短,给顾客带来不便
6、。处理上述问题最有效措施就是采用一种新技术,即移动通信数字化,称为数字移动通信系统。 3.22G2G(2nd Generation,第二代移动通信技术)与第一代模拟蜂窝移动通信相比,第二代移动通信系统采用了数字化,代表为GSM,CDMA等,以数字语音传播技术为关键。具有保密性强、频谱运用率高、能提供丰富业务、原则化程度高等特点,使得移动通信得到了空前发展,从过去补充地位跃居通信主导地位。我国目前应用第二代蜂窝系统为欧洲GSM系统以及北美窄带CDMA系统。 3.3. 2.5G2.5G(2.5 Generation,2.5代移动通信技术) 指介于2G和3G之间(过渡性)移动通信技术。目前已经进行商
7、业应用2.5G移动通信技术是从2G迈向3G衔接性技术,由于3G所牵扯层面多且复杂,要从目前2G迈向3G不也许一蹴而就,因此出现了2.5G。HSCSD、WAP、EDGE、GPRS、EPOC等技术都是2.5G技术。其代表为GPRS,GPRS是通用分组无线业务(General Packet Radio Service)简称,它是GSM移动电话顾客可用一种移动数据业务。 它常常被描述成“2.5G”,也就是说这项技术位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通讯技术之间。3.4. 2.75G 2.75G(2.75Generation,2.75代移动通信技术)2.75G 是在 GSM 网络基础上添加了EDGE
8、网络, EDGE是英文Enhanced Data Rate for GSM Evolution 缩写,即增强型数据速率GSM演进技术。俗称准3G,与2GGPRS网络并存,被认为是2G到3G平滑过渡网络,理论上准3G可提供384-473kpbs移动数据速率,是既有GPRS速率3-4倍。准3G手机,即是以EDGE制式研发生产手机,可以实现许多3G手机功能,如迅速上网,手机电视等功能,但不是真正意义上3G手机。 3.5. 3G3G(3rd Generation,第三代移动通信技术)3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信相结合新一代移动通信系统。它可以处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式,提供包括
9、网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。为了提供这种服务,无线网络必须可以支持不一样数据传播速度,也就是说在室内、室外和行车环境中可以分别支持至少2Mbps(兆字节每秒)、384kbps(千字节每秒)以及144kbps传播速度。 国际电信联盟(ITU)在5月确定W-CDMA、CDMA和TD-SCDMA三大3G原则,并写入3G技术指导性文献国际移动电信计划(简称IMT-)。其重要特点如下:1 全球普及和全球无缝漫游系统,它将使用共同频段,全球统一原则。2具有支持多媒体业务能力,应能根据需要,提供合适带宽和数据传播速率。3 通过二代网络向三代网络过渡、演进,并应与固网兼容。4高频谱效率。5高服
10、务质量。7低成本8高保密性3.6小结从移动通信发展历程可以看出,各个阶段出现都是在本来基础上产生,都是上以阶段演进与完善,重要体目前业务功能、带宽和数据传播速率上。如第一代移动通信只能进行语音通话,第二代在第一代基础上增长了数据接受功能,如接受电子邮件或网页,第三代与前两代重要区别是在传播声音和数据速度上提高,它可以处理图像、音乐、视频流等多种媒体形式,提供包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。第二章、移动通信系统既有关键技术论述与分析1. 移动通信无线信道模型及信道特性分析1.1、移动无线衰落信道分类当移动台在一种较小范围(不不小于20个工作波长)运动时,引起接受信号幅度、相位和抵
11、达角等迅速变化,这种变化称为小尺度衰落。经典小尺度衰落有Rayleigh、Rician衰落,由于当信号在传播过程中通过许多反射途径后,接受到信号幅度可以用Rayleigh或Rician概率密度函数来描述。在接受信号有直达信号LOS(Line of sight)状况下,幅度衰落展现Rician分布,而当在接受端没有直达信号状况下,幅度衰落展现Rayleigh分布。采用小尺度衰落模型信道,衰落幅度是服从Rician或Rayleigh分布随机变量,这些变量将会影响到接受信号幅度和功率。1.2、移动通信信道模型在通信理论中,描述移动通信信道衰落模型重要有Clarke信道模型和Suzuki信道模型,前者
12、用于描述小尺度衰落,后者综合考虑大尺度衰落和小尺度衰落影响。在Clarke信道模型下,可以根据Rayleight或Rician分布来构造幅度衰落模型。假设在第i 个单位时间上衰落幅度 可以表达为: (1)其中是直达信号分量幅度,、是满足方差为,均值、不有关高斯随机过程序列。直达信号分量与高斯随机分量能量比值被称为Rician 因子:在Rician 衰落中,当K = 和K = 0时,对应信道分别是Gaussian 信道和Rayleigh 信道。因此Rayleigh 衰落信道可以被看作是K = 0这种特殊状况下Rician 衰落信道。Rician 如式(2), 是第一类零阶修正贝塞耳函数。在没有直
13、达信号传播途径状况下,K = 0且 =1时,就得到了Rician 概率密度函数 (2) (3)Rician 概率分布函数如式(4): (4)这里。由于发射机和接受机间相对运动导致多普勒效应,使接受信号产生了多普勒频移,多普勒频移定义为(5)式,v是移动速度,c 是光速3108米/秒。 (5)多普勒功率谱以载频 为中心、分布在之间,为最大多普勒频移,移动信道多普勒功率谱密度函数是(6)式,相干时间Tcoh 是多径信道中一种重要参数,相干 (6)时间为两个瞬时时间信道冲激响应保持强有关时最大时间间隔。在现代移动通信中,常用来计算有关时间Tcoh 措施3是(7)式 (7)一般移动通信信道仿真模型都是
14、基于多种不有关有色高斯随机过程。产生有色高斯噪声措施有两类,第一类是正弦波叠加法,第二类是成形滤波器法。正弦波叠加法是基于无数个加权谐波叠加: (8)式中,分别是多普勒系数,多普勒频移和相移,定义如下为,其中,是在内服从均匀分布随机变量,表达频率分割,当时, ,这样就使频率成为持续分布。仿真中,一般是用有限个谐波替代无穷个谐波。基于正弦波叠加法平坦衰落信道仿真重要就是通过确定参数值,来建立仿真模型。基于成型滤波器法Rayleigh衰落序列产生原理方框图如图1所示。首先是运用不有关高斯随机变量样本序列来形成正频率分量基带线性频谱,负频率分量频谱可以通过取正频率分量共轭来得到。可以使用Box Mu
15、ller 6法来产生高斯随机变量序列: (9.1) (9.2)是两个服从(0、1)之间不有关均匀分布。将得到线性频谱乘上多普勒频谱后通过求其逆迅速傅立叶变换(IFFT)得到序列分别将作为Rayleigh衰落系数实部和虚部,构成N个Rayleigh衰落系数幅度将服从Rayleigh分布,相位服从均匀分布。4、衰落信道MATLAB仿真如下为非有关Rician 分布衰减序列产生代码,Rician 分布均方值为,是(1)式中高斯随机分量方差。并且在Rician 分布中常常规定有单位均方值,如,因此信号能量与信噪比是一致。为了满足,(1)式可以写成(10)式,是满足方差为=1,均值为零高斯随机过程样本序
16、列,根据上式,使用MATLAB 随机数产生函数randn 产生随机分布序列来得到Rician 衰落序列。 (10)function r=rician_fading(Kdb,N,Ni)K=10(Kdb/10); const=1/(2*(K+1); x=randn(1,N); y=randn(1,N);r=sqrt(const*(x+sqrt(2*K).2+y.2); rt=zeros(1,Ni*length(r); ki=1;for i=1:length(r) rt(ki:i*Ni)=r(i);ki=ki+Ni; end通过选择合适插入因子Ni 可以得到非有关Rician 衰落系数幅度包落。当选
17、择kdb 为负无穷时,可以得到Rayleigh 衰落系数幅度包落。图a是经典Rician 衰减序列幅度包络图。 图(a) 如下源代码是在移动无线通信中,Clarke 模型下有关Rayleigh 衰落系数产生代码。在现代移动通信系统中,假设再3G 系统码数率为3.84106码/每秒,移动速度是60km/ h,载波频率是2100MHz,下面代码中规定衰落系数个数是140000,得到Rayleigh 分布幅度如图b。function A = fade(v,fc,N,)%v : 移动速度v,单位为km/h %fc : 载波频率MHz/1000%N: 规定衰落系数数量Rb = 3.84e6;c = 3e
18、8;v = v*(1000/3600); N05;fd = v/(c/(fc*1e6); 多普勒频移t = T*(0:N-1); deltaf = 1/N/T; n=N/2f = deltaf*(0:n); S_f = sqrt(1.5./(pi*sqrt(fd2-f.2);S_f = S_f/sqrt(mean(S_f.2);多普勒频谱rand(state,sum(100*clock); U1 = rand(1,n+1);U2 = rand(1,n+1);z0 = (-2*log(U1).0.5) .* cos(2*pi.*U2);z1 = (-2*log(U1).0.5) .* sin(2
19、*pi.*U2); 产生高斯随机序列g_i = zeros(1,N);g_i(1:n+1) = S_f*sqrt(N0/2).*(z0)/sqrt(2); g_i(N-n+1:N) = conj(g_i(n+1:-1:2);g_q = zeros(1,N);.g_q(1:n+1) = S_f*sqrt(N0/2).*(z1)/sqrt(2); g_q(N-n+1:N) = conj(g_q(n+1:-1:2);A_i = real(ifft(g_i)/sqrt(2*(n+1)*N; A_q = real(ifft(g_q)/sqrt(2*(n+1)*N;R=sqrt(A_i.2+A_q.2);
20、 r=20*log10(R);图(b)2. 移动通信系统中分集技术简介移动通信无线信道中衰落分为大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落一般是由周围环境地形和地物差异而导致阴影导致。服从正态分布,一般客服措施是采用基于蜂窝系统宏分集技术;小尺度衰落(多径衰落)一般是由移动台周围物体发杂反射引起,服从瑞利分布,其克服措施是微分级技术。分集基本原理是通过多种信道(时间、频率或者空间)接受到承载相似信息多种副本,由于多种信道传播特性不一样,信号多种副本衰落就不会相似。接受机使用多种副本包括信息能比较对恢复出原发送信号。假如不采用分集技术,在噪声受限条件下,发射机必须要发送较高功率,才能保证信道状况较差时链
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