【通信系统】移动通信系统基础知识

一、移动通信的基本术语

1. 移动通信：

   1. 广义：通信双方至少有一方在运动，或者临时静止；采用电磁波的无线通信
   2. 狭义：蜂窝移动通信

2. 收发工作方式：

   1. 单工：
   2. 双工：
      1. 时分双工TDD
         1. 设备成本降低
         2. 需要更复杂的网络规划和优化技术
         3. 通过收发保护时间隔离，容易形成同频干扰
         4. 覆盖范围小
         5. 需要更大的发送功率
         6. 不需要成对的频率，所需频带窄，支持不对称业务，便于频谱分配，频谱利用率高
      2. 频分双工FDD
         1. 需要成对的频率，使用频带宽，适合对称业务，在不对称业务下，频谱利用率低
         2. 设备成本高
         3. 技术简单
         4. 收发有保护频带间隔，抗干扰能力强
         5. 覆盖范围大
   3. 半双工：

二、移动通信电波传播和预测模型

1. 非视距传播的三种机制：
   1. 反射
   2. 散射
   3. 绕射
2. 自动空间电磁波传播机制：
   1. 各向同性发射天线的发射功率为$P_T$，在距离为$d$的位置，若发射天线增益为$G_t$，接收天线增益为$G_r$:
      1. $S_{ave}=\frac{P_T}{4\pi d^2}$
      2. 主波束方向通过单位面积的功率，$S_D=\frac{P_T{G}_t}{4\pi d^2}$
      3. 接收天线的有效面积，$A_R=\frac{{\lambda }^2}{4\pi }{G}_r$
      4. 那么，接收天线截获的有效功率为，$P_R=S_D{A}_R=P_T{G}_r{G}_t(\frac{\lambda }{4\pi d}{)}^2$
   2. 自由空间的路径损耗：
      1. $L=\frac{P_T}{P_R}$， 通常取对数10lg(L)
      2. 自由空间传播适合远场条件
      3. 通常选择一个参考距离$d_0$，采用$P_R(d)=P_R(d_0)\ast (\frac{d_0}{d}{)}^2$
   3. 路径衰落指数：
      1. 自由空间，n=2
      2. 阴影衰落，n>2
      3. 室内，多径到达从一个接收点，n<2
3. 阴影衰落下的路径损耗：
   1. $L(d)=L(d_0)+10nlg(\frac{d_0}{d})+\zeta$
   2. $\zeta \sim N(0,\sigma )$
4. 多普勒频移：
   1. $f_d=\frac{v}{\lambda }\cos (\theta )=\frac{v}{c/f_c}\cos (\theta )$
   2. $f_m=\frac{v}{\lambda }$
5. 时间色散：
   1. 根均方时延拓展：${\sigma }_{\tau }=\sqrt{E({\tau }^2)-E^2(\tau )}$
   2. 相关带宽：$B_c=\frac{1}{5{\sigma }_{\tau }}$
   3. 频率非选择性衰落（平坦衰落）：$B_s\ll B_c$
   4. 频率选择性衰落（多径效应）：$B_s>B_c$
6. 频率色散：
   1. 最大多普勒频移决定相干时间：$T_c=\frac{0.423}{f_m}$
   2. 相干时间间隔内，信道特性不发生明显变化
   3. 时间非选择性衰落：$T_s \gg T_c $
   4. 时间选择性衰落：$T_s<T_c$
7. 空间色散：
   1. 相关距离：$D_C\approx 10\lambda$
   2. 高角度扩展：空间选择性衰落
8. 可分辨径：由多条传输时延相差不大的传输路径叠加而成
9. 衰落统计分布
   1. 瑞利分布：不含直射径、存在丰富反射波、各反射波的幅度和相位统计独立（离基站较远且反射物较多）
   2. 莱斯分布：含有直射径，主信号峰值A趋近于零时，莱斯分布退化为瑞利分布

三、信源编码和调制解调

1. 信噪比之间的转换：
   1. $SNR = \frac{P_s}{P_n} $
   2. $Es/N0=\frac{PsTs}{P_n/W}$
   3. $Eb/N0=\frac{PsTb}{P_n/W}=Es/N0\frac{1}{{\log }_{2}M}$
2. 频带利用率：
   1. $\eta =\frac{R_b}{W}$
   2. 单位，bps/Hz
3. 三种四元相移键控：
   1. QPSK：最大相移为$\pi$，包络起伏大，
   2. OQPSK：最大相移为$\pi /2$，将一路信号延迟Tb个时间单位再调制，相当于一个bit一个bit在变化
   3. $\pi /4$DQPSK：最大相移为$3\pi /4$，从初相开始，每次根据相位逻辑表进行相位增加
   4. 相位转移图：在星座图上进行相位转移
4. 解调：
   1. 相干解调
   2. 非相干解调
5. 调制方式分类：
   1. 相位连续调制、相位不连续调制
   2. 恒包络调制、非恒包络调制
6. OFDM的优点：
   1. 子载波正交，频谱利用率较高
   2. 动态子信道分配及比特分配
   3. 支持非对称业务，通过使用不同数量的子信道实现上下行的非对称传输
   4. 可利用快速傅里叶算法实现调制解调
   5. 高速数据流通过串并变换形成低速数据流，添加循环前缀对抗ISI，简化均衡
7. OFDM的缺点：
   1. 存在较高的峰值平均功率比
   2. 易受频偏影响：OFDM系统对正交性要求严格，频偏使得正交性遭到破坏

四、抗衰落技术

1. 信道衰落的三大原因：

   1. 阴影效应
   2. 多径效应
   3. 多普勒效应

2. 多径信道的两大特征：

   1. 相关带宽
   2. 相干时间

3. 抗衰落三大技术

   1. 分集
   2. 均衡
   3. 信道编码

4. 分集：多路不相关的衰落路径传送相同的信号并合并

   1. 目标：对抗衰落和ISI
   2. 本质：对同一信号在不同时间、频率、空间过采样
   3. 分类：宏观分集、微观分集、隐分集
   4. 合并：最大比合并（根据支路信噪比加权合并，合并增益$G_M=M$）、选择式合并（选择信号功率最大的一条支路）、等增益合并（各支路等权重合并）

5. 宏观分集：多基站分集

6. 微观分集：

   1. 空间分集：角度分集、极化分集。各天线之间的距离要远大于空间相干距离
      1. VBLAST分层空时码
      2. STBC空时分组码
      3. 交织和信道编码
   2. 时间分集：信号重发时间间隔远大于相干时间
      1. ARQ
      2. RAKE接收机
      3. 交织和编码
   3. 频率分集：频率间隔远大于相关带宽
      1. 跳频
      2. 直接序列扩频
      3. 交织和编码

7. 隐分集：

   1. 交织：交织深度、交织宽度、交织延迟；要求交织深度大于相干时间
   2. 跳频
   3. 直接序列扩频

8. 信道均衡：

   1. 迫零算法（最小峰值失真准则）：$D_0<1;y=xc;解得c$
   2. 最小均方误差准则
   3. 宽带：频域均衡；窄带：时域均衡。预信道均衡：在发送端完成均衡。

9. 直接序列扩频：

   1. 码片：101101，直接序列扩频后，每bit扩展为7bit
   2. 扩频增益为G = Ts/Tc = 7
   3. 扩频序列：$s = 7{m} \oplus repeat{101101} $

10. RAKE 接收机：

    1. 即直接序列扩频的合并技术，是一种时间分集
    2. 多径分离：Chip周期小于多径时延差；直接扩频序列的自相关性和互相关性好
    3. 直扩：抗多径（扩频码码片时间小于多径时延差）、抗衰落（频谱拓展宽度远大于相干带宽）、抗干扰

11. 跳频：躲避干扰

    1. 慢跳频：一跳携带多比特
    2. 快跳频：多跳或者一跳携带一比特
    3. 抗多径（跳频驻留时间小于多径延迟时间）、抗衰落（跳频频率间隔大于相干带宽）、抗同频干扰（正交跳频图案）

五、蜂窝组网技术

主要掌握如何分别不同的接入用户

1. 小容量的大区制：
   1. 一个基站覆盖整个服务区
   2. 天线架设高
   3. 发射功率大
   4. 频谱效率低，小容量的通信网
   5. 控制方式简单、设备成本低
2. 大容量的小区制：
   1. 将服务区划分成许多小面积覆盖区域，用一个小功率的发射机来服务一个小面积覆盖区。
   2. 频率复用，小区制移动通信网，不同小区可重复使用频率
   3. 带状服务覆盖区
   4. 面状服务覆盖区
3. 区群：即小区组成的群落
   1. 共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇(区群）
   2. 频率复用：把可用频率分成N份，区群中一个一份；分得越多，频率利用率越低，同时同频干扰越小，容量也越小。
   3. 同频小区：使用相同频率的小区，我们希望同频小区尽可能的离得远，避免发生同频干扰
   4. $N=i^2+ij+j^2$，N的典型值3、4、7、9，比如N>4.2，N就要取7
   5. 使用寻找同频小区的方法确定区群
   6. 同频小区的距离：$D=\sqrt{3N}R$
4. 载干比：$\frac{C}{I}=\frac{{\sqrt{3N}}^n}{L}$
   1. L典型取6（即全向小区）
   2. n为路径损耗指数
5. 同频干扰比：$Q=\frac{D}{R}$
6. 信道总数C，区群在系统中复制次数M，区群大小N，每个小区分配有K个信道，S系统总可用信道数
   1. S = KN，意味着每个小区同时只允许接入K个用户
   2. C = KNM
7. 使用定向天线可以降低同频干扰，此时m取2或者3
8. 基站对小区的覆盖方式：
   1. 中心激励式
   2. 顶点激励式
9. 高斯分布：信干比SIR约等于载干比CIR
10. 多址技术：
    1. FDMA
       1. 无线通信系统的容量：$m=\frac{B_t}{B_{c}N}$ ，($\frac{C}{I}=\frac{{\sqrt{3N}}^n}{6}$)
    2. TDMA
       1. 无线通信系统的容量：$m=\frac{B_t}{B_c/M_{slot}N}$ ，($\frac{C}{I}=\frac{{\sqrt{3N}}^n}{6}$)
    3. CDMA
       1. 软容量，用户的增加相当于噪声的增加；CDMA系统的容量主要受限于系统内移动台的相互干扰。
       2. 多用户共享频带
       3. 各用户地址码的准正交性会带来多址干扰
       4. 采用扩频和Rake接收，提高抗干扰能力
       5. 远近效用：近的用户对远的用户干扰大。解决办法：多用户接收机 / 功率控制 / 分布式天线系统
       6. 单小区下的系统容量，未修正：$m=1+\frac{W/R_b}{E_b/I_0}$
11. 保护带宽的作用：补偿滤波特性不理想、邻道干扰、多普勒扩展
12. 互调干扰：非线性器件产生的组合频率成分落入本频道造成的干扰
13. 同频干扰比：$C/I=\frac{P_T{R}^{-n}}{{\sum }_{k=1}^L{P}_T{D}_k^{-n}}$

六、GSM及其增强移动系统

主要掌握如何管理已经接入或者将要接入的多个用户

1. GSM系统的结构：移动台、基站子系统、网络子系统、操作子系统
   1. 移动台（MS，Mobile Station）：移动客户的设备部分。功能：无线接入数字蜂窝移动通信网；支持人机接口各种功能，呼叫过程的提示
   2. 基站子系统（BSS，Base Station Subsystem）：与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。
      1. BTS：基站收发控制台
      2. BSC：基站控制中心
   3. 网络子系统（NSS）：完成GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性管理所需的数据库功能
      1. MSC/VLR：移动业务控制中心/来访位置寄存器。（PSTN/PDN/ISDN）
      2. HLR/AUC：归属位置寄存器/鉴权中心
      3. EIR：移动设备识别寄存器
   4. 操作子系统（OSS，Operation Support System）：对整个GSM网络进行管理和监控
      1. OMC：操作维护中心
      2. NMC：网络管理中心
2. 物理信道：用来传送信号或数据的物理通路
   1. 每个载频上支持的一个时隙（TS）就是一个物理信道
3. 逻辑信道：物理信道上传输的内容
   1. 业务信道（TCH）：
   2. 控制信道（CCH）：
      1. 广播控制信道：
         1. 频率校正信道：FCCH
         2. 同步信道：SCH
         3. 广播控制信道：BCCH
      2. 公共控制信道：用于呼叫接续阶段传输链路连接所需要的控制信令。
         1. 寻呼信道：
         2. 随机接入信道
         3. 允许接入信道
      3. 专用控制信道
4. 突发脉冲控制序列：
   1. 频率校正（FB，Frequency Correction Burst）：
   2. 同步（SB，Synchronisation Burst）：传输移动台的帧同步（TDMA帧号）和BTS的识别码（BSIC）的信息，供移动台进行同步和对基站进行识别。
   3. 接入（AB）：
   4. 常规（NB）：
   5. 空闲（DB）：
5. GSM中采用的抗衰落技术：
   1. 编码、交织、天线分集、维特比均衡、慢跳频
6. GSM鉴权：
   1. 三参数组：动态变化，存在SIM中
      1. 鉴权随机数（RAND）
      2. 符号响应（SERS）
      3. 密钥（K_c）
   2. 鉴权算法：A3
   3. 加密算法：A8
   4. K_i：鉴权键
   6. 鉴权过程
   7. GSM是单向鉴权，只能基站鉴用户
7. 位置更新：更新位置数据库HLR、VLR
   1. 当MS从一个位置区移到另一个位置区时，必须进行登记。
   2. 一旦MS发现其SIM卡中的LAI与接收到的LAI发生了变化，便执行登记。
   3. 周期性登记/越区位置登记
8. 越区切换：
   1. 硬切换：短暂的通信中断
   2. 软切换：CDMA