第一章 绪论

通信系统性能

有效性

有效性是指在给定信道内所传输的信息内容的多少，即信息传输的“速度”问题

可靠性

可靠性是指接收信息的准确程度，即信息传输的“质量”问题

移动通信系统

组成

移动通信系统主要由移动台、基站、移动业务交换中心组成, 并与其它网络通过中继线相连接。

第二章 移动信道中的电磁波传播

电磁波的传输方式

• 直射波
• 反射波（对流层反射波、电离层反射波）
• 绕射波（山体绕射波）

电磁波传输特性

直射波传播特性

直射波传播特性

1. 自由空间传播
2. 路径损耗

自由空间传播

自由空间传播：天线周围为无限大真空时的电波传播

实际情况下，满足下列条件可视为自由空间传播：

• 地面上空的大气层是各向同性的均匀介质，其相对介电常数和相对磁导率都为1
• 传播途径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强可忽略不计

路径损耗

路径损耗：发射天线辐射功率/接收天线获取功率

自由空间中的传输损耗：

$$ \begin{aligned} & \mathrm{L}_{\mathrm{fs}}=\mathrm{P}_{\mathrm{T}} / \mathrm{P}_{\mathrm{R}}=(4 \pi \mathrm{d} / \lambda)^2 \\ & {\left[\mathrm{~L}_{\mathrm{fs}}\right]=32.44+20 \lg (\mathrm{d})+20 \lg (\mathrm{f})(\mathrm{dB})} \end{aligned} $$

其中

• Lfs：自由空间中电磁波传播损耗(dB)
• d：传播距离(km)
• f：工作频率(MHz)

视线传播极限距离

视线传播极限距离由收发天线高度、地球曲率半径及大气折射共同决定

$$ \mathrm{d}=\mathrm{d}_1+\mathrm{d}_2=\sqrt{2 \mathrm{R}_{\mathrm{e}}}\left(\sqrt{\mathrm{h}_{\mathrm{t}}}+\sqrt{\mathrm{h}_{\mathrm{r}}}\right) $$

• Re：地球等效半径(km)
• ht：发天线高度(m)
• hr：接天线高度(m)
• d：传播距离(km)

地球等效半径Re

由于大气折射对电磁波传播的影响，工程上用“地球等效半径”来表征。

即：电磁波依然按直线方向行进，地球的实际半径变成了等效半径

$$ \mathrm{R}_{\mathrm{e}}=8500 \mathrm{~km} \quad \mathrm{~d}=4.12\left(\sqrt{\mathrm{h}_{\mathrm{t}}}+\sqrt{\mathrm{h}_{\mathrm{r}}}\right) $$

• ht：发天线高度(m)
• hr：接天线高度(m)
• d：传播距离(km)

菲涅耳余隙与绕射损耗

菲涅尔余隙

菲涅尔余隙：障碍物顶点P至直线TR的距离。

有阻挡时，余隙为负

无阻挡时，余隙为正

绕射损耗

绕射损耗：电波在传播路径上受到建筑物等障碍物的阻挡时会引起附加的传播损耗(附加在大气的路径传播损耗上)。

菲涅尔绕射理论

菲涅尔绕射理论阐述了绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系

菲涅尔半径

$$ x_1=\sqrt{\frac{\lambda d_1 d_2}{d_1+d_2}} $$

菲涅尔绕射理论

由图可知：

• 当横坐标x/x1>0.5时，直射波的传播基本上没受影响；
• 当x=0时，直射线从障碍物顶点擦过，绕射损耗约为6dB；
• 当x<0时，直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。

移动信道的特征

移动通信中信号随接收机与发射机之间的距离不断变化即产生了衰落。

• 快衰落：信号强度曲线的中值呈现慢速变化（由于多径效应）
• 慢衰落：信号强度曲线的瞬时值呈快速变化（主要由于阴影效应）

多径效应与快衰落

快衰落

由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，信号电平在短时间快速下降，产生瞬间的衰落尖峰，因此被称为快衰落。

多径衰落的信号包络服从瑞利分布，又被称为瑞利衰落。

多径衰落 = 快衰落 = 瑞利衰落

多径时散

时域上，多径效应会造成数字信号波形的展宽

信源发出的一个脉冲经多径传输后到达接收端,由于各条路径所经历的时延不同(路径长短不同)而形成一串脉冲(或相互叠加或彼此分离)。这种因多径传播造成信号时间扩散的现象叫多径时散。

时域展宽 → 频域压缩

相关带宽

频域上，多径时散将导致频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。

相关带宽估算为

$$ \mathrm{B}_{\mathrm{c}}=\frac{1}{2 \pi \Delta} $$

Δ为时延拓展

多普勒频移

频域展宽 → 时域压缩

小结

• 时间选择性衰落：用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散，从而引起时间选择性衰落。
• 空间选择性衰落：不同的地点，不同的传输路径衰落特性不一样。
• 频率选择性衰落：不同的频率衰落特性不一样。它是由时延扩散引起的衰落。

为减少快衰落对无线通信的影响，常用方法有空间分集，频率分集，时间分集等。

阴影效应与慢衰落

由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断变化的，因而局部中值也是不断变化的．这种变化所造成的衰落比多径效应引起的快衰落要慢得多，称为慢衰落。

产生慢衰落的原因：

1. 阴影效应（主要）
2. 大气折射

慢衰落的信号包络服从对数正态分布。即以分贝数表示的信号电平为正态分布。

陆地移动通信传输损耗

以自由空间传播为基础，再分别考虑各种地形、地物对电波传播的实际影响，并逐一予以必要的修正。

地形

• 中等起伏地形（传播基准）

  在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度小于20米且变化缓慢，峰点和谷点之间的水平距离大于起伏高度的特征地形

• 不规则地形（除准平坦地形之外的地形，丘陵、孤立山丘、斜坡、水路混合地形等）

地物

• 开阔地：无高大树木、建筑物等。如农田、荒野、广场、沙漠等
• 郊区：有障碍物但不稠密。如有少量的低层房屋或小树林等
• 市区：有较密集的建筑物和高层楼房

天线有效高度

天线架设在高度不同的地形上，有效高度不同。

$$ \mathrm{h}_{\mathrm{b}}=\mathrm{h}_{\mathrm{ts}}-\mathrm{h}_{\mathrm{ga}} $$

hb：基站天线有效高度

hts：天线顶点的海拔高度

hga：沿电波传播方向3Km到15Km之间的平均海拔高度（传播距离不足15Km时，hga取3Km到实际距离间的平均海拔高度）

hm：移动台天线有效高度（指天线在当地地面上的高度）

市区中等起伏地形上传播损耗的中值

基本衰耗中值

标准情况(hb=200m、hm=3m)下，基本损耗中值Am(f,d)是f和d的函数

<例> 求当d=10km, hb=200m, hm=3m, f=900MHz时，中等起伏地上的市区损耗中值？

<解> 先求自由空间的传播衰耗中值Lbs：

$$ \begin{aligned} L_{b s} & =32.44+20 \lg d+20 \lg f \\ & =32.44+20 \lg 10+20 \lg 900=111.5 d B \end{aligned} $$

​ 查图得

$$ A_m(f, d)=A_m(900,10)=30 d B $$

​ 中等起伏地上的市区损耗中值

$$ L_T=L_{b s}+A_m(f, d)=111.5+30=141.5 d B $$

天线高度增益

$$ \mathrm{L}_{\text {市 }}=\mathrm{L}_0+\mathrm{A}_{\mathrm{m}}(\mathrm{f}, \mathrm{d})-\mathrm{H}_{\mathrm{b}}\left(\mathrm{h}_{\mathrm{b}}, \mathrm{d}\right)-\mathrm{H}_{\mathrm{m}}\left(\mathrm{h}_{\mathrm{m}}, \mathrm{f}\right) $$

<例> 在前面的例子中，将基地站天线高度改为hb=50m,移动台天线高度改为hm=2m, 对路径传播衰耗中值重新进行修正？

<解> 查表得：

$$ \begin{gathered} H_b\left(h_b, d\right)=H_b(50,10)=-12 d B \\ H_m\left(h_m, f\right)=H_m(2,900)=-2 d B \end{gathered} $$

​ 修正后的路径衰耗中值LT为：

$$ \begin{aligned} L_T & =L_{b s}+A_m(f, d)-H_b\left(h_b, d\right)-H_m\left(h_m, f\right) \\ & =141.5-H_b(50,10)-H_m(2,900) \\ & =141.5-(-12)-(-2)=155.5 \mathrm{~dB} \end{aligned} $$

<例> 某一移动系统，工作频段为450MHz，基站天线高度为50m，天线增益为6dB，移动台天线高度为3m，天线增益为0dB；在市区工作，传播路径为中等起伏地，通信距离为10km。试求：(1)传播路径损耗中值；(2)若基站发射机送至天线的信号功率为10W，求移动台天线得到的信号功率中值。

<解> (1)根据已知条件，自由空间传播损耗

$$ \left[L_{f s}\right]=32.44+20 \lg f+20 \lg d=32.44+20 \lg 450+20 \lg 10=105.5 d \mathrm{~B} $$

​ 查得市区基本损耗中值:Am(f,d)=27dB
​ 查得基站天线高度增益因子；Hb(hb,d)=-12dB
​ 查得移动台天线高度增益因子：Hm(hm,f)=0dB

​ 可得传播路径损耗中值为：

$$ \begin{aligned} L_{\mathrm{A}}=L_{\mathrm{T}} & =L_{f s}+A_m(f, d)-H_{\mathrm{b}}\left(h_{\mathrm{b}}, d\right)-H_m\left(h_m, f\right) \\ & =105.5+27+12=144.5 \mathrm{~dB} \end{aligned} $$

​ (2)中等起伏地市区中接收信号的功率中值

$$ \begin{aligned} {\left[P_P\right] } & =\left[P_T\left(\frac{\lambda}{4 \pi d}\right)^2 G_b G_m\right]-A_m(f, d)+H_b\left(h_b, d\right)+H_m\left(h_m, d\right) \\ & =\left[P_T\right]-\left[L_{f s}\right]+\left[G_b\right]+\left[G_m\right]-A_m(f, d)+H_b\left(h_b, d\right)+H_m\left(h_m, d\right) \\ & =10 \lg P_t+\left[G_b\right]+\left[G_m\right]-\left[L_T\right] \\ & =10 \lg 10+6+0-144.5 \\ & =-128.5 d B W \end{aligned} $$

第三章 噪声、干扰与抗衰落技术

噪声和干扰是移动信道的重要特征

噪声

噪声：使通信质量受到损害、且与所传输的信号无关的各种形式的寄生干扰的总称。

噪声的分类

• 内部噪声：系统设备本身产生的噪声
• 外部噪声：移动信道环境中产生的噪声

内部噪声

通信设备（主要是接收机）本身固有的，不能避免

主要来源：电阻的热噪声、电子器件的散弹噪声等

• 热噪声：粒子热运动产生（通常称为基础热噪声）
• 散弹噪声：单位时间内通过PN结的载流子数不同电源交流声、接触不良或自激振荡引起的噪声

热噪声

起伏噪声的电压功率谱密度:

$$ \mathrm{S}_{\mathrm{v}}=4 \mathrm{kTR} $$

T：温度，单位K

k：1.38×10-23J/K

$$ U_n^2=S_v \cdot B $$

一个实际电阻可以等效为:

• 一个(无噪声)电阻与一个恒压源串联
• 一个(无噪声)电导与恒流源并联

三极管的噪声

热噪声

基极电阻产生的

$$ \overline{u_{b n}^2}=4 k T r_{b b^{\prime}} B $$

散弹噪声

流过PN结的电流

$$ \overline{i_{e n}^2}=2 q I_o B $$

闪烁噪声(1/ƒ噪声)

噪声主要在低频又称低频噪声

降低噪声系数的措施

1. 选用低噪声器件和元件
2. 正确选择晶体管放大级的直流工作点
3. 选择合适的信号源内阻
4. 选择合适的工作带宽
5. 选用合适的放大电路
6. 降低噪声温度以减小热噪声
7. 适当减小接收天线的馈线长度

外部噪声

• 自然噪声

  主要有大气噪声、银河噪声、太阳噪声等
  VHF/UHF频段，自然噪声远低于接收机固有噪声——可忽略

• 人为噪声

干扰

邻道干扰

同一小区或相邻小区中，相邻或相近频率的信道之间的干扰。

模拟移动通信系统广泛使用的VHF、UHF电台，频道间隔是25 kHz。由于调频信号的频谱很宽，理论上有无穷边频分量，因此，当其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内时，就会造成邻道干扰。

造成邻道干扰的原因

发射机的带外特性不好

其频带外的寄生辐射就可能落入正在使用的相邻或相近频道内，对这一频道信号的正常接收造成影响，如下图所示

接收机的选择特性不够理想

对相邻频道的信号抑制不够，则邻近频道的信号就会和有用信号一起进入接收机产生干扰，如下图所示

频率保护间隔太小

同频道干扰

移动通信系统中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用相同的频率，这称为同频道复用。

同道干扰亦称同频干扰，是指相同载频电台之间的干扰。在电台密集的地方，若频率管理或系统设计不当，就会造成同频干扰。

若两个同频道的无线区（或小区）相距越远，即它们之间的空间隔离度越大，则同道干扰就越小，但频率利用率就低。

因此，在满足一定通信质量要求的前提下，使用相同频率的小区之间所允许的最小距离成为一个很重要的问题。这个最小距离称作同频道复用最小安全距离，或简称为同
频道复用距离。

所谓“安全”是指为保证接收机输入端信号与同频道干扰之比大于某一数值，这一数值称作射频防护比。

远近效应

概念：由于信号传输距离不同而产生的干扰。

远近效应是CDMA系统内的主要干扰，是影响CDMA系统性能、系统容量的关键因素。

如果同一小区内存在相近或相邻频道，也会出现远近效应。

f1频道和f2频道的信号分别经过d1和d2的传输距离到达基站的频谱示意图(d1>>d2)

减小远近效应的措施：

• 相邻或相近的频道不在同一小区使用
• 采用功率控制技术，使所有移动台发射的信号在到达基站时的功率大致相同。

互调干扰

互调干扰是由传输信道中的非线性电路产生的。它指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生同有用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。

在移动通信系统中， 产生的互调干扰主要有两类：发射机互调与接收机互调。

干扰信号产生三阶互调的频率关系应满足:

$$ \mathrm{f}_{\mathrm{x}}=\mathrm{f}_{\mathrm{i}}+\mathrm{f}_{\mathrm{j}}-\mathrm{f}_{\mathrm{k}} \text { 或者 } \mathrm{f}_{\mathrm{x}}=2 \mathrm{f}_{\mathrm{i}}-\mathrm{f}_{\mathrm{j}} $$

在工程上为了避免直接使用频率进行计算的麻烦,将频道标称频率用对应的序号表示:

假定起始频率为f0、频道间隔为B,则任一频率可以表示为: (Cx为频道序号)

$$ \mathrm{f}_x=\mathrm{f}_0+B C_x $$

$$ \mathrm{C}_{\mathrm{x}}=\mathrm{C}_{\mathrm{i}}+\mathrm{C}_{\mathrm{j}}-\mathrm{C}_{\mathrm{k}} \text { 或者 } \mathrm{C}_{\mathrm{x}}=2 \mathrm{C}_{\mathrm{i}}-\mathrm{C}_{\mathrm{j}} \rightarrow \mathrm{C}_{\mathrm{x}}-\mathrm{C}_{\mathrm{i}}=\mathrm{C}_{\mathrm{j}}-\mathrm{C}_{\mathrm{k}} \rightarrow \mathrm{d}_{\mathrm{i}, \mathrm{x}}=\mathrm{d}_{\mathrm{k}, \mathrm{j}} $$

其中d为频道序号的距离或差值

因此,判断移动通信系统某个无线区域所选择的一组频道有无三阶互调干扰就转换为判断频道序号的差值有无相同即可。

发射机互调

发射机互调干扰是由于基站使用不同频率的发射机所产生的特殊干扰。发射机的末级功率放大器通常工作在非线性状态，发射机互调干扰主要存在于末级功率放大器中。

发射机B的频率fB通过空间耦会将会进入发射机A，由于发射机A的末级工作于非线性状态，因此将产生三阶互调产物2fA-fB。同理，当fA进入发射机B的末级时，也将产生三阶互调产物2fB-fA。这两个互调产物都将到达接收机输入端，如果它们正好落于接收机通带之内，则必将造成干扰。

减小发射机互调的措施包括：

1. 加大发射机天线之间的间距。
2. 采用单向隔离器件。
3. 系统设计时尽量选用无三阶互调信道组
4. 合理调整各发射机的输出功率，避免有较强的其他发射机的信号窜入某一发射机。

接收机互调

一般接收机前端射频通带较宽。如有两个或多个干扰信号同时进入高放或混频级，通过它们自身的非线性作用，各干扰信号就会彼此作用产生互调产物。如果互调产物落入接收机频带内，就会形成接收机的互调干扰。

为了减少接收机互调干扰，可以采取以下措施：

1. 接收机前端加入滤波器，以增强选择性，减少进入的强干扰。
2. 提高接收机前端电路的线性，减少互调干扰发生的可能性。
3. 移动台发射机采用自动功率控制系统，减小基站接收机的互调干扰。
4. 系统设计时尽量选用无三阶互调信道组。

抗干扰技术

移动通信的信道中存在着多种因素使信号的质量发生恶化：

1. 多径引起的瑞利衰落、时延扩散、多普勒频移
2. 阴影效应
3. 信道中的各种噪声和干扰

改善接收信号的质量的常用技术有：分集接收技术、均衡技术、信道编码技术和扩频技术。

分集技术

→分散传输←、集中处理

分集接收是接收机利用相互独立（或至少高度不相关）的多径信号，提高无线链路性能的一项技术。

信号在多个独立信道上传播，则各独立信号传播路径同时经历深度衰落的概率降低

基本思想：分散传输/集中处理

但分集技术也会带来一些代价：增加了接收机的复杂度(因为要对各路信号进行跟踪和及时处理)。

分类（如何分集的种类）：

1. 宏观分集：对抗宏观衰落
2. 微观分集：对抗微观衰落

宏观分集

宏观分集是利用两个或两个以上的不同基站或扇区的天线接收经独立衰落路径的两个或多个慢衰落信号。

从某种意义上讲，CDMA系统的软切换过程属于宏观分集。

宏观分集一般存在于CDMA网基站的扇区服务交叠区内。

宏观分集设置的基站数视需要而定，因此也把宏分集称为“多基站分集”。

微观分集

空间分集——MIMO

空间分集的新技术——MIMO (Multiple-Input Multiple-Output,多入多出)

在发射端和接收端同时使用多个天线，在不增加带宽的情况下成倍提高通信系统的容量和频谱利用率

多径分集——RAKE接收

RAKE接收属于多径分集技术

不同于传统的空间、频率与时间分集技术，它是一种典型的利用信号统计与信号处理技术将分集的作用隐含在被传输的信号之中，因此又称它为隐分集或带内分集。

在实际的移动通信中由于用户的随机移动性，接收到的多径分量的数量、大小(幅度)、时延(到达时间不同)、相位均为随机变量，因此合成后的合成矢量亦为一个随机变量。

如果能通过设计将各条路径信号加以分离，再利用RAKE接收将被分离的各条路径信号相位校准、幅度加权，并将矢量和变成代数和，而加以充分利用。

RAKE接收机利用多个并行相关器检测多径信号，按照一定的准则合成一路信号供解调用的接收机。

一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收机采取变害为利的方法，即利用多径现象来增强信号。

分集合并技术

分散传输、→集中处理←

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

1.选择合并

选择具有最高SNR的分支信号作为输出信号

性能最差

2.最大比值合并

所有分支依据信噪比进行加权相干合并

性能最好

3.等增益合并

所有分支等权重相干合并

性能中等（实际应用中常用）

<例> CDMA系统可以使用RAKE接收技术，那其他两种多址技术TDMA、FDMA可以使用RAKE接收技术吗？为什么？

<解> 因为根据CDMA系统中可分离的径的概念，当两信号的多径时延相差大于一个扩频码片宽度时，可以认为这两个信号是不相关的，或者说是路径可分离的。反应在频域上，即信号的传输带宽大于信号的相干带宽时，认为这两个信号是不相关的，或者说是路径可分离的。由于CDMA系统是宽带传输的，所有信道共享频率资源，所以CDMA系统可以使用RAKE接收技术，而其他两种多址技术TDMA、FDMA则无法使用。

纠错编码

交织编码

简介

• 主要用来纠正突发差错
• 实质是使突发差错分散成为随机差错而得到纠正

在移动信道中，数字信号传输常出现成串的突发差错，因此，数字移动通信中经常使用交织编码技术

• 交织编码不像分组码、卷积码，它不增加监督元，即交织编码前后，码速率不变，因此不影响有效性。
• 通常，交织编码与各种纠正随机差错的编码（如卷积码或其它分组码）结合使用，从而具有较强的既能纠正随机差错又能纠正突发差错的能力。

交织方法

例如采用(7,3)分组码，其中信息位为3比特，监督位为4比特，每个码字为7比特。

第一步：分组码编码

第一个码字为 c11 c12 c13 c14 c15 c16 c17
第二个码字为 c21 c22 … c27
…
第m个码字为 cm1 cm2 … cm7

第二步：将每个码字按行顺序先存入存储器

将码字顺序存入第1行，第2行，…，第m行共排成m行

第三步：按列顺序读出并输出

输出序列为

c11c21c31 … cm1c12c22c32 … cm2c13c23c33 …cm3 … c17c27c37 … cm7

第四步：接收端把上述过程逆向重复，先按列存入存储器，再按行读出，恢复成原来的分组码

纠正突发差错能力

若在传输的某一时刻发生突发差错，设有b个相连的差错（即突发差错长度为b），经第一、二、三步后，原分组码被交错编织，成串突发差错被打散为随机差错，只要m>b，则b个突发差错就被分散到每一分组码去，并且每个分组最多只有一个分散了的差错，可以被分组码纠正

交错度

m称为交错度：表示纠突发差错的能力

• m的数字越大，能纠正的突发差错长度b也越长
• m的数字越大，处理时间也越长

收发双方均要进行先存后读的数据处理

均衡技术

简介

在信道中，由于多径影响而导致的码间干扰会使在接收时发生误码。码间干扰被认为是在移动无线通信信道中传输高速率数据时的主要障碍，而均衡正是对付码间干扰的一项技术。

从广义上讲，均衡可以指任何用来削弱码间干扰的信号处理算法和实现方法。

在移动通信系统中设置的均衡器主要是为了消除由于多径引起的码间干扰，因此一般采用时域均衡，即利用均衡器产生的时间波形直接校正畸变的波形。

均衡的原理

• 均衡器的本质是滤波
• 实际上就是等效基带信道滤波器的逆滤波器

• 均衡器与信道传输特性有关

  若传输信道是频率选择性的，那么均衡器将增强频率衰落大的频谱部分，而削弱频率衰落小的部分，以使收到信号频谱的各部分衰落趋于平坦，相位趋于线性；

  对于时变信道，跟踪信道的变化，以基本满足$H_{e q}(f) F(f)=1$，即自适应均衡技术；

  时不变信道无需自适应。

第三章 补充 扩频

扩频的基本特点

• 信号所占有的频带宽度远大于所传信息必需的最小带宽
• 频带的扩展是通过一个独立的码序列来完成，用编码及调制的方法来实现的，与所传信息数据无关
• 在接收端则用同样的码进行相关同步接收、解扩及恢复所传信息数据

扩频的理论基础

扩频的理论基础——香农公式

$$ C=W \log _2\left(1+\frac{S}{N}\right) $$

C——信道容量(用传输速率度量) ，b/s；
W——信号频带宽度，Hz；
S——信号平均功率，W；
N——噪声平均功率，W。

扩频通信的主要性能指标

处理增益

处理增益（描述带宽扩展倍数）：各种扩频系统的抗干扰能力大体上都与扩频系统的处理增益Gp成正比，Gp表示了扩频系统信噪比改善的程度。有：

$$ G_p=10 \log \frac{B}{B_m} $$

式中，B为扩频信号带宽，Bm为信息带宽。

抗干扰容限

略

扩频通信技术分类

• 直接序列扩频(DS: Direct Sequence Spread Spectrum)
• 跳变频率扩频(FH: Frequency Hopping)
• 跳变时间扩频(TH: Time Hopping)
• 宽带线性调制(Chirp: Chirp Hopping)

直扩 DS

直扩：是指直接使用高码率的扩频序列在发送端扩展信号的频谱，并在接收端采用相同的序列进行解扩，把展宽的扩频信号还原成原始的信息

调频 FH

跳频：是指用一个序列去控制载波的中心频率，使其离散地在一个给定的频带内跳变，形成一个宽带的离散频率谱。

更确切地说，是指用一定码序列进行选择的多频率频移键控，也就是，用扩频码序列进行频移键控调制，使载波频率不断地跳变。因此，在频域上，输出信号的频谱将在一个给定宽频带内的某些频率上随机跳变。

直扩与调频的比较

第四章 移动通信组网原理

多址方式

传输信号可以根据载波频率的不同、时间不同、码型不同，建立多址接入

频分多址方式(FDMA)、时分多址方式(TDMA)、码分多址方式(CDMA)……

频分多址 FDMA

频分多址系统，把可以使用的总频段划分为若干占用较小带宽的频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道，分配给一个用户。

技术成熟，稳定、容易实现，易于与模拟系统兼容，对信号功率控制要求不严格。但通信质量较差，保密性较差，特别是频谱利用率较低。

单纯采用FDMA作为多址接入方式已经很少见，目前实用系统多采用TDMA方式或采用FDMA+TDMA方式

时分多址 TDMA

时分多址系统，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙，每一个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户。

与FDMA系统相比，TDMA通信系统具有如下特点：

(1) TDMA系统的基站只需要一部发射机，可以避免像FDMA系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰；

(2) 因为移动台只在指定的时隙中接收基站发给它的信号，因而在一帧的其他时隙中，可以测量其他基站发射的信号强度，或检测网络系统发射的广播信息和控制信息，这对于加强通信网络的控制功能和保证移动台的越区切换都是有利的。

(3) TDMA系统设备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。

TDMA较之FDMA具有通信质量高、频谱利用率高、系统容量大等优点，但它必须有精确的定时和同步来保证移动终端和基站间正常通信，技术实现比较复杂

码分多址 CDMA

码分多址以扩频信号为基础，利用不同码型实现不同用户的信息传播。

在CDMA通信系统中，不同用户用各自不同的正交编码序列来区分，每个用户被分配一个伪随机码（或称伪噪声码，因它具有近似噪声的自相关函数），该码具有优良的自相关和互相关性能。这些码序列把用户信号变换成宽带扩频信号。

在接收端，信号经接收机用相同的码序列将宽带信号再变回原来的带宽，接收机的相关器可以在多个CDMA信号中选出使用的预定码型的信号。其他信号因使用了不同码型而不能被解调。

CDMA按照其采用的扩频调制方式的不同，可分为：

• 跳频码分多址（FH-CDMA）
• 直扩码分多址（DS-CDMA）
• 复合式扩频码分多址及同步码分多址（SCDMA）
• 大区域同步码分多址（LAS-CDMA）

FH-CDMA

在FH-CDMA系统中，每个用户根据各自的伪随机(PN,Pseudo-Noise)序列，动态改变其已调信号的中心频率，各用户的中心频率可在给定的系统带宽内随机改变。发送器根据指定的法则
在可用的频率之间跳跃，接收器与发送器同步操作，始终保持与发送器同样的中心频率。跳频带宽要比使用一个载波频率传输同样信号的带宽宽很多。

DS-CDMA

在DS-CDMA系统中，所有用户工作在相同的中心频率上，输入数据序列受到PN序列调制得到宽带信号，不同的用户使用不同的PN序列，这些PN序列（或码字）相互正交，利用PN序列（或码字）来区分不同的用户。

DS-CDMA系统要求所有用户到达基站接收机信号的平均功率要满足要求才能正常解扩。因此，DS-CDMA系统在上行链路中采用功率控制技术调整各个用户发射机的功率，解决远近效应。

DS-CDMA系统是自干扰系统。所有用户都工作在相同的频率上，进入接收机的信号除了所希望的有用信号外，还有其它用户的信号，形成多址干扰。

混合码分多址

混合式扩频系统可以带来的好处是：提高系统的抗干扰能力，降低部件制作的技术难度，使设备简化，降低成本，满足使用要求。即能得到只用其中一种方式得不到的特性。

对于需要同时解决诸如抗干扰、多址组网、定时定位、抗多径和远－近问题时，就不得不同时采用多种扩频方式。

下面主要介绍DS/FH系统。

DS／FH系统，就是一种中心频率在某一频带内跳变的直接序列扩频系统。

可见，一个DS扩频信号在一个更宽的频带范围内进行跳变。DS/FH系统的处理增益为DS和FH处理增益之和。（即倍数之积）

采用DS／FH混合扩频技术，有利于提高系统的抗干扰性能。

干扰机若要有效地干扰DS／FH混合扩频系统，需要同时满足两个条件:

• 干扰频率要跟上跳变频率的变化
• 干扰电平必须超过直扩系统的干扰容限

这样, 就加大了干扰机的干扰难度, 从而达到更有效地抗干扰的目的。

空分多址 SDMA

空分多址（SDMA）用波束形成技术，利用空间分割构成不同的信道以获得多址能力。

核心技术：自适应智能天线

在移动通信中，通过使用自适应阵列天线实现空间分割。在不同的用户方向上形成不同的波束。

自适应阵列天线系统持续监控其覆盖的范围，针对不断变化的无线环境（包括移动用户和干扰信号），系统将提供有效的天线发送和接收模式来跟踪用户，为用户所在的方向提供最大的增益，同时抑制其他用户的干扰，以适应用户的位置移动。

区域覆盖和信道分配

区域覆盖

按照覆盖区半径的大小

• 大区制网
• 小区制网

按照服务区的几何形状

• 带状网
• 蜂房状网

基于蜂窝状的小区制是目前公共移动通信网的主要覆盖方式

信道（频率）分配

在CDMA系统中，用户使用相同的频率因而无需进行频率配置。

信道（频率）配置主要是针对FDMA和TDMA、FDMA混合系统。

信道（频率）配置的方式

• 分区分组配置法
• 等频距配置法

网络结构（重点）

蜂窝移动通信系统主要由交换网络子系统、无线基站子系统和移动台三大部分组成。也可以加上第四部分：操作维护子系统。

蜂窝移动通信系统的基本组成如图所示。

交换网络子系统(NSS)与无线基站子系统(BSS)之间的接口为“A”接口

BSS与移动台(MS)之间的接口为“Um”接口

由一个或若干移动通信网所组成的区域称为业务区。

在整个业务区内，规定一个或若干个移动电话局作为移动汇接局，以疏通该区域内其他移动电话局的来话、转话业务。在各移动电话（汇接）局之间设置通信链路，以利于移动用户之间和移动用户与固定用户的通信业务。

1.交换网络子系统 NSS

NSS, Net Switch Sub-system

交换功能、客户数据与移动性管理、安全性管理等

移动业务交换中心 MSC

移动通信网中使用的交换机，它是NSS的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口。

它可完成网络接口、公共信道信令系统和计费等功能，还可完成BSS、MSC之间的切换和辅助性的无线资源管理、移动性管理等。

访问位置寄存器 VLR

是存储用户位置信息的动态数据库，用于存储MSC为了处理所管辖区域中MS的来话、去话呼叫等所需检索的信息。

例如客户的号码、所处位置区域的识别、向客户提供的服务等参数。

归属位置寄存器 HLR

是一个静态数据库，存储所管辖用户的签约数据及移动用户的位置信息，可为建立至某移动台的呼叫提供路由信息。

鉴权中心 AUC

用于用户鉴权和认证，是产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权、加密的三参数的功能实体。

设备识别寄存器 EIR

也是一个数据库，用来存储有关移动台设备的参数。用于对移动设备的识别、监视、闭锁等功能，以防止非法移动台的使用。

2.基站子系统 BSS

BSS系统是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，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。功能实体可分为基站控制器（BSC）和基站收发信台（BTS）。

基站控制器 BSC

具有对一个或多个BTS进行控制及相应呼叫控制的功能，它主要负责无线网路资源的管理、小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的业务控制点。

基站收发信台 BTS

为一个小区服务的无线收发信设备，由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。

3.移动台 MS & SIM

移动台就是移动客户设备部分，它由两部分组成，移动终端(MS)和客户识别卡(SIM)

移动终端 MS

移动终端就是“手机”，它可完成话音编译码、信道编译码、信息加解密、信息的调制和解调、信息发射和接收。

客户识别卡 SIM

SIM卡就是“身份卡”，存有认证客户身份所需的所有信息，并能执行一些与安全保密有关的重要信息，以防止非法客户进入网路。SIM卡还存储与网路和客户有关的管理数据，只有插入SIM卡后移动终端才能接入进网。

4.操作维护子系统

操作维护子系统 主要对MSC/VLR、HLR、AUC、BSC等网络网元进行管理和监控。通过它实现对网络内各种部件功能的监视、状态报告、故障诊断以及备用设备的激活等功能。

GSM移动通信系统接口

GSM系统的主要接口有A接口、Abis接口和Um接口，这三种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备能接入同一个GSM数字蜂窝移动网运行和使用。

Um接口

Um接口为无线接口，是移动台与基站(BTS)之间的通信接口，其物理链接通过无线链路实现。Um接口是GSM系统中最重要的接口，其兼容性非常重要。

A接口

网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口，即移动业务交换中心(MSC)与基站控制器(BSC)之间的互连接口，其物理链接通过标准的2Mbit/S PCM数字传输链路来实现。

Abis接口

基站控制器(BSC)与基站(BTS)之间的通信接口，用于BTS与BSC之间的远端互连方式，物理链接通过标准的2Mbit/S 或64kbit/s PCM数字传输链路来实现。

Sm接口

用户与网络间的接口，又称人机接口。

CDMA移动通信系统接口

CDMA系统的主要接口有A接口和Um接口，这两种主要接口的定义和标准化能保证不同供应商生产的移动台、基站子系统和网络子系统设备能接入同一个CDMA数字蜂窝移动网运行和使用。

Um接口

移动台与基站(BTS)之间的通信接口，其物理链接通过无线链路实现。

A接口

网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口，其物理链接通过数字传输链路实现。

信令

与通信有关的一系列控制信号统称为信令

例如，摘机、挂机、空闲音、忙音、拨号、振铃、回铃以及无线通信网中所需的频率分配、用户登记与管理、呼叫与应答、越区切换和发射机功率控制等等信号。

信令的作用

保证用户信息有效、可靠地进行传输。信令的性能在很大程度上决定了一个通信网为用户提供服务的能力和质量。

信令的基本功能

建立呼叫、监控呼叫和清除呼叫

信令分类

接入信令

用户到网络节点间的信令

移动台到基站之间的信令

网络信令

网络节点之间的信令

7号信令系统（SS7）

常用的网络信令就是7号信令（SS7），它主要用于交换机之间、交换机与数据库（如HLR、VLR、Auc）之间交换信息。

7号信令属于公共信道信令，信令传输信道独立于话音信道，信令消息完全数字化，通过独立的数据链路，以信令消息单元的形式集中传送信令消息。

7号信令系统是国际电信联盟（ITU）的标准，在国际上大部份国家得到了应用，是目前通信领域应用最广的信令系统。

信令网的组成

7号信令网是独立于通信网专门用于传送信令的网络

它由许多信令点（SP）、信令转接点（STP）和连接信令点的链路(Link)构成。

信令点（SP）

是发出信令和接收信令的设备，它包括业务交换点（SSP）和业务控制点（SCP）。

信令转接点（STP）

可对控制消息进行路由控制的信令点，具有信令转接功能，可将信令消息从一个信令点转发到另一个信令点。

信令链路（Link）

是连接两个信令点（或信令转接点）的信令数据链路及其传送控制功能组成的传输工具。

越区切换

越区切换指将正在进行的移动台与基站之间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程，该过程也称为自动链路转移。

分类

硬切换

是指在新的连接建立以前，先中断旧的连接

软切换

既维持旧的连接，又同时建立新的连接，并利用新旧链路的分集合并来改善通信质量，与新基站建立可靠连接之后再中断旧链接。

涉及问题

(1) 越区切换的准则，也就是何时需要进行越区切换；

(2) 越区切换的控制，它包括同一类型小区切换和不同类型小区之间切换的控制；

(3) 越区切换的信道分配。

第五章 GSM数字蜂窝移动通信系统

GSM网络接口

实际的GSM通信网络中，由于网络规模、运营环境和设备生产厂家的不同，上述各个部分可以有不同的配置方法。

比如，把MSC和VLR合并在一起，或者把HLR、EIR和AUC合并为一个实体。不过，为了各个厂家所生产的设备可以通用，上述各部分的连接都必须严格符合规定的接口标准及相应的协议。

信道分类

一.业务信道

业务信道TCH主要传输数字话音或数据，其次还有少量的随路控制信令

1.话音业务信道

载有编码话音的业务信道分为全速率话音业务信道(TCH/FS)和半速率话音业务信道(TCH/HS)。

2.数据业务信道

在全速率或半速率信道上，通过不同的速率适配和信道编码，用户可使用下列各种不同的数据业务：

• 9.6 kb/s, 全速率数据业务信道 (TCH/F9.6)
• 4.8 kb/s, 全速率数据业务信道 (TCH/F4.8)
• 4.8 kb/s, 半速率数据业务信道 (TCH/H4.8)
• ≤2.4 kb/s, 全速率数据业务信道 (TCH/F2.4)
• ≤2.4 kb/s, 半速率数据业务信道 (TCH/H2.4)

二.控制信道

控制信道CCH用于传送信令和同步信号，主要分为三种：广播信道(BCH)、公共控制信道(CCCH)和专用控制信道(DCCH)

1.广播信道(BCH)

广播信道是一种“一点对多点”的单方向控制信道，用于基站向移动台广播公用的信息，传输的内容主要是移动台入网和呼叫建立所需要的有关信息。

频率校正信道(FCCH)

传输供移动台校正其工作频率的信息；

同步信道(SCH)

传输供移动台进行同步和对基站进行识别的信息。基站识别码是在同步信道上传输的;

广播控制信道(BCCH)

传输系统公用控制信息，用于移动台测量信号强度和识别小区标志等。

2.公用控制信道(CCCH)

CCCH是一种双向控制信道，用于呼叫接续阶段传输链路连接所需要的控制信令。

寻呼信道(PCH)

传输基站寻呼移动台的信息；

随机接入信道(RACH)

这是一个上行信道，用于移动台随机提出入网申请，即请求分配一个独立专用控制信道(SDCCH)；

准许接入信道(AGCH)

这是一个下行信道，用于基站对移动台的入网申请作出应答，即分配一个独立专用控制信道。

3.专用控制信道(DCCH)

这是一种“点对点”的双向控制信道，其用途是在呼叫接续阶段以及在通信进行当中，在移动台和基站之间传输必需的控制信息。

独立专用控制信道(SDCCH)

用于在分配业务信道之前传送有关信令。

慢速辅助控制信道(SACCH)

在移动台和基站之间，需要周期性地传输一些信息，如功率调整、帧调整等。

快速辅助控制信道(FACCH)

传送与SDCCH相同的信息，只有在没有分配SDCCH的情况下，才使用这种控制信道。

鉴权与加密

由于空中接口极易受到侵犯，GSM系统为了保证通信安全，采取了特别的鉴权与加密措施。鉴权是为了确认移动台的合法性，而加密是为了防止第三者窃听。

鉴权和加密通过系统提供的客户三参数组(RAND、SRES和Kc)完成。三参数组在系统的鉴权中心（AUC）中产生。

用户入网签约时，用户鉴权密钥Ki连同IMSI一起分配给用户，这样每一个用户均有惟一的Ki和IMSI，它们存储于AUC数据库和SIM(用户识别)卡中。

GSM系统的安全保密措施（记住哪五项）

• 鉴权
• 加密
• 设备识别
• 用户识别码(IMSI)保密
• PIN码

AUC产生三参数组

1. AUC中的伪随机码发生器产生一个不可预测的伪随机数（RAND）；
2. RAND和Ki经AUC中的A8算法(也叫加密算法)产生一个Kc(密钥)，经A3 算法(鉴权算法)产生一个符号响应(SRES)；
3. RAND与Kc和SRES一起组成该客户的一个三参数组，传送给HLR，存储在该客户的客户资料库中。

鉴权流程（重点）

1. 当移动客户开机请求接入网路时，MSC／VLR通过控制信道将三参数组的一个参数伪随机数RAND传送给客户，SIM卡收到RAND后，用此RAND与SIM卡存储的客户鉴权键Ki，经同样的A3算法得出一个符号响应SRES，并将其传送回MSC／VLR。
2. MSC／VLR将收到的SRES与三参数组中的SRES进行比较。由于是同一RAND，同样的Ki和A3算法，因此结果SRES应相同。MSC／VLR比较结果相同就允许该用户接入，否则为非法客户，网路拒绝为此客户服务。

加密流程（重点）

GSM系统为确保用户信息(话音或非话音业务)以及与用户有关的信令信息的私密性，在BTS与MS之间交换信息时专门采用了一个加密程序。

1. 在鉴权程序中，当移动台客户侧计算出SRES时，同时用另一算法(A8算法)也计算出了密钥Kc。

2. 根据MSC／VLR发送出的加密命令，BTS侧和MS侧均开始使用密钥Kc。

   在MS侧，由Kc、TDAM帧号和加密命令M一起经A5算法，对客户信息数据流进行加密(也叫扰码)，在无线路径上传送。

   在BTS侧，把从无线信道上收到加密信息数据流、TDMA帧号和Kc，再经过A5算法解密后，传送给BSC和MSC。

第六章 CDMA移动通信系统

软容量

软容量是CDMA的特色

• 在FDMA、TDMA系统中，当小区服务的用户数达到最大信道数，已满载的系统再无法增添一个信号，此时若有新的呼叫，该用户只能听到忙音。
• CDMA系统是一个自干扰系统，用户数和服务级别之间有着更灵活的关系。
• 在CDMA系统中，用户数目和服务质量之间可以相互折中，灵活确定。用户数的增加相当于背景噪声的增加，造成话音质量的下降。如果能控制住用户的信号强度，在保持高质量通话的同时，就可以容纳更多的用户。 如系统运营者可以在话务量高峰期将某些参数进行调整，例如可将目标误帧率稍稍提高，从而增加可用信道数。同时，在相邻小区的负荷较轻时，本小区受到的干扰较小，容量就可以适当增加。
• 体现软容量的另一种形式是小区呼吸功能。所谓小区呼吸功能是指各个小区的覆盖大小是动态的。当相邻两小区负荷一轻一重时，负荷重的小区通过减少导频发射功率，使本小区的边缘用户由于导频强度不足，切换到邻小区。使负荷分担，即相当于增加了容量。

CDMA信道结构

• CDMA信道包含反向CDMA信道(CDMA上行信道)和正向CDMA信道(CDMA下行信道)。
• 反向CDMA信道由接入信道和反向业务信道组成。正向CDMA信道由导频信道、寻呼信道和正向业务信道组成。

导频信道

传输由基站连续发送的导频信号。导频信号是一种无调制的直接序列扩频信号，令移动台可迅速而精确地捕获信道的定时信息，并提取相干载波进行信号的解调。移动台通过对周围不同基站的导频信号进行检测和比较，可以决定什么时候需要进行过境切换。
移动台利用导频信道来获得初始系统同步，完成对来自基站信号的时间、频率和相位的跟踪。

CDMA功率控制

• 在CDMA系统中，功率控制被认为是所有关键技术的核心。
• 因为CDMA是一个自干扰系统，所有用户共同使用同一频率，所以“远近效应”问题更加突出。CDMA功率控制的目的就是克服远近效应，使系统既能维持高质量通信，又不对占用同一信道的其它用户产生干扰，从而提高系统容量。

CDMA功率控制的目标

• 克服反向链路的远近效应；基站从各个移动台接收到的功率相同；
• 保证接收机的解调性能情况下，尽量降低发射功率，减小对其他用户的干扰。

当达到以下条件，系统容量最大

• 当在可接受的信号质量下，发射功率最小
• 基站从各个移动台接收到的功率相同

功率控制的原则

当信道的传播条件突然改善时，功率控制应作出快速反应（例如几微秒），以防止信号突然增强而对其他用户产生附加干扰；
相反，当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止许多用户因为单个用户的信号电平突然变大而增大背景干扰。

功率控制的分类

• 功率控制分为前向功率控制和反向功率控制。
• 反向功率控制又分为仅由移动台参与的开环功率控制和移动台、基站同时参与的闭环功率控制。

反向开环功率控制

它由移动台根据在小区中接受功率的变化，自动调节移动台发射功率来完成。它可以补偿阴影、拐弯等效应及平均路径衰落，但必须具有很大的动态范围。

反向闭环功率控制

需要基站根据目前所需信噪比与实际接收的信噪比之差随时命令移动台调整发射功率（即闭环调整）。基站目前所需的信噪比是根据初始设定的误帧率随时调整的（即外环调整）。
基站每1.25ms测量收到的信噪比，与目标信噪比相比较，决定是增加移动台功率还是降低移动台功率

CDMA切换

切换的目的：实现移动通信系统的“无缝隙”覆盖，即当移动台从一个小区进入另一个小区时，保证通信的连续性。

CDMA中有三种切换的类型：硬切换﹑软切换和更软切换。

硬切换是“通前断”（break before make），而软切换是“断前通”（work before break）。

硬切换

硬切换为传统模式，在CDMA中，硬切换发生在具有不同发射频率的两个CDMA基站之间。CDMA的硬切换过程和GSM的大体相似。

在切换过程中，移动台与新的基站联系前，先中断与原基站的通信，再与新基站建立联系。硬切换过程中有短暂的中断，容易掉话。

软切换

软切换发生在具有相同载频的CDMA基站之间。软切换允许原工作蜂窝小区和切换到达的新小区同时在软切换过程中为这次呼叫服务。

软交换可以减小呼叫中断的可能性，并减少了在切换过程中的切换信令的乒乓效应。乒乓效应常常发生在移动台在同样的几个小区之间时，切换交替发生。

CDMA软切换优点

• 软切换提高质量

  • 改善话音质量
  • 控制手机干扰
  • 降低掉话率
  • 改善小区覆盖

• 软切换需要手机协助完成

  • 手机搜索强的导频信号
  • 手机上报导频信号搜索情况
  • 基站引导手机进行软切换

更软切换

更软切换与软切换类似，但这种切换由基站完成，并不通知MSC，适用于同一基站具有相同频率的不同扇区之间进行的切换。是一种蜂窝内的切换，发生在两个扇区或三个扇区之间。