移动通信技术与应用

1 概述

1.1 移动通信定义及其主要特点

（1）定义

通信的双方，至少有一方在移动中进行信息传输和交换，包括固定点与移动体之间、移动体之间、移动的人之间的通信。

（2）主要特点

• 必须利用无线电波进行信息传输
• 在强干扰环境下工作（多普勒效应、阴影效应、多径效应）
• 可利用的频谱资源有限
• 移动性使得网络管理复杂
• 对用户设备（移动台）性能要求高。

1.2 移动通信的发展趋势和方向

• 移动电话发展的速度大大超过固定有线电话，成为信息通信产业的亮点；
• 移动数据业务的比例将日益增长，移动互联网成为人们生活的必需；
• 移动通信终端设备正朝着智能化、宽带化、标准化的方向发展，并逐步成为接入互联网的主要设备；
• 移动通信网络正朝着融合化、智能化、全球化的方向发展。

2 无线信道

2.1 移动通信系统电波传播的主要特点

（1）传播方式

接收信号由多个电波合成：直射、反射、绕射、散射；

（2）传输中受到的影响

• 随无线电波传播距离变化而导致的路径传输损耗；
• 由于传播环境的地形变化、建筑物以及其他障碍物对无线电波的遮挡而引起的阴影衰落；
• 无线电波在传播路径上受到环境中地形或建筑物等作用而产生反射、绕射和散射，使得接收机接收到的信号是多个路径传来的不同信号的叠加，这种多径传播会导致接收端信号的幅度、相位和到达时间的随机变化，即多径衰落；
• 移动台终端在无线电波传播径向方向运动在接收端产生多普勒频移，接收信号在频域发生扩展，产生附加的调频噪声，导致接收信号的失真；
• 由其他发射机发射的干扰信号；
• 由外部环境中的噪声引起的干扰。

（3）移动信道

随参信道，衰落特性是路径传输损耗、阴影衰落和小尺度衰落综合作用的结果。

2.2 衰落

由于移动通信无线信号传播路径复杂化导致其传输特性变化十分剧烈，造成所接收信号的电场强度起伏不定，这种现象称为衰落。

（1）分类

• 根据频率特性：非频率选择性衰落、频率选择性衰落
• 根据时间特性：快衰落、慢衰落

（2）影响

• 接收电平降低，无法保证正常通信；
• 接收波形畸变，产生严重的误码；
• 传播延时变化，破坏与时延有关的同步；
• 在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程。

（3）大尺度衰落（慢衰落）

接收信号在一定时间内随传播距离和环境变化呈现的变化，一般较缓慢。主要包括路径传输损耗和阴影衰落。

路径传输损耗：距离越远、频率越高损耗越大

室外传播模型：Okumura模型（适用于频率在1500MHz-1920MHz的宏蜂窝设计）；Hata模型（适用于频率在150-1500MHz、小区半径大于1km的宏蜂窝系统路径损耗预测）

室内传播模型：Keenan-Motley模型（考察由墙壁和地板造成的损耗）

阴影衰落：电波在无线传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被等障碍物时，在障碍物的后面形成电波的阴影区。

包络近似服从对数正态分布

\[P(r)=\frac{1}{\sqrt{2\pi\mu s}}exp\left[-\frac{(r-m)^2}{2\mu_s^2}\right]\]

解决办法：多设基站。

（4）小尺度衰落（快衰落）

短距和短时传播后信号强度的急速变化。主要是多径效应。

多径衰落：无线电波在传播路径上受到环境中地形或建筑物等作用而产生反射、绕射和散射，使得接收机接收到的信号是多个路径传来的不同信号的叠加，这种多径传播会导致接收端信号的幅度、相位和到达时间的随机变化，即多径衰落。

包络一般服从与瑞利衰落或莱斯衰落。

时间色散：

• 平均附加时延：功率延迟分布的一阶矩
• rms时延扩展：功率延迟分布的二阶矩的平方根

相关带宽：两衰落信号相关时的频率间隔就称为相关带宽。

相关性系数等于0.9时，\(\Delta f=\frac{1}{6\pi\sigma_\tau}\)

相关性系数等于0.5时，\(\Delta f=\frac{1}{2\pi\sigma_\tau}\)

由此可以看出，时延扩展与时延扩展越大，相关带宽越窄，信道容许传输的不失真频带就越窄；反之，时延扩展越小，相关带宽越宽，信道容许传输的不失真频带就越宽。

时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。

解决办法：分集接收。

相关时间：多普勒频移在时域的表示，用于在时域描述信道频率色散的时变特性。

\[T_c=\sqrt{\frac{9}{16\pi f_m^2}}\]

3 语音编码、信道编码、调制

3.1 语音编码技术

（1）语音可压缩编码的依据

• 外因：语音信号本身存在很大的冗余度。语音信号幅度分布的非均匀性，小幅度出现的概率大，大幅度出现的概率小；语音信号样点间的相关性，短时相关性（短时平稳性、LP技术）和长时相关性（浊音信号准周期性、长时预测）。
• 内因：人耳的听觉感知特性。人耳的掩蔽效应，量化噪声被语音信号屏蔽；人耳对幅度的分辨率有限，能容忍一定的量化失真；人耳对相位失真不敏感。

（2）语音压缩编码的分类

波形编码：以波形逼近为原则进行压缩编码（PCM，ADPCM等），码率较高，音质很好。

参数编码：Vocoder，基于语音产生模型，对语音信号的特征参数进行编码，码率较低，音质较差，例如LPC-10。

混合编码：结合波形和参数编码的优点，基于语音产生模型，利用分析合成技术，提高编码音质，例如CELP。

（3）移动通信对数字语音编码的要求

• 速率较低，纯编码速率低于16kbps；
• 在一定编码速率下的音质尽可能高；
• 编码时延要短，控制在几十毫秒内；
• 编码算法应具有较好的抗误扰码性能，计算量小，性能稳定；
• 算法复杂度适中，编译码器应便于大规模集成。

（4）关键技术

语音信号的短时分析：语音信号为时变信号，是一个非平稳过程，只有在一个短时间范围内其特性基本保持相对稳定，一般按帧进行，帧长10-30ms时语音信号保持相对稳定。通常采用隐马尔可夫模型来分析。

基音估计Pitch：周期性语音短时自相关函数和短时平均幅度差函数。

线性预测LP：信号样点值可用过去相邻的有限数目的样点值的线性组合来逼近。在时域最小均方误差意义下，可决定唯一的一组预测器系数。编码端去除短时相关性，得到残差。

矢量量化VQ：

（5）CELP混合编码算法

Codebook Excitation Linear Prediction 码本激励线性预测

帧长20-30ms，一帧中有2-5个子帧，每个子帧中搜索最佳的码字矢量作为激励信号。激励由两部分构成：固定码本和自适应码本。

合成-分析思想ABS（Analysis-by-Synthesis）：编码端已经包含了解码合成模块，利用反馈误差进行闭环控制；编码过程中已经对解码所产生的语音合成误差进行了可控修正；CELP在计算合成误差过程中以波形失真为准则，即在提取语音参量的过程中引入了波形编码的思想。

感觉加权误差准则：利用人耳掩蔽效应，共振峰相对谱谷处能够容忍更多的量化噪声。利用感觉加权滤波器进行噪声谱整形，使共振峰区域的噪声增大，其他区域的噪声功率减小。

主要编码参数：固定码本索引、自适应码本索引、固定码本和自适应码本增益、LP系数。

CELP如何提取相关性压缩冗余？

• 帧内相关性（短时相关性）：利用线性预测LP分析将语音信号帧表示为线性滤波器系数和激励信号的组合，压缩了帧内样本与样本之间的相关性。
• 帧间相关性（长时相关性）：自适应码本搜索过程是对LP滤波后的残差信号寻找基音周期的过程，通过计算语音的基音周期，利用前一帧的语音样本对要进行处理的当前帧进行预测，从而压缩了需要传输的信息量。
• 去除帧内相关性和帧间相关性后的语音残差信号可以用随机噪声进行逼近，这部分工作由固定码本完成。

（6）语音压缩编码质量的评价

主观评价：MOS，主观意见打分，5分最好，1分最差。

客观评价：通过某些特性来评价解码语音质量，如信噪比、PESQ等。

3.2 信道编码

（1）定义

在信息码中增加一定数量的监督码元，使它们满足一定的约束关系，这样由信息码元和监督码元共同组成一个由信道传输的码字，具有一定的抗干扰能力。

常用的信道编码：奇偶校验码、重复码、循环冗余校验码、卷积码、Turbo码、LDPC码、极化码。

（2）目的

为了保证信息传输的可靠性，提高传输质量。

（3）分类

根据监督元与信息组之间的关系可分为：分组码、卷积码。

根据监督元与信息元之间的关系可分为：线性码、非线性码。

根据码的功能可分为：检错码、纠错码。

分组码——将信息码分成k比特一组，然后将每组的比特数扩展成n，也就是在信息比特中插入n-k个比特。

卷积码——编码简单，设备简单；性能高；解码远比编码复杂，限制了编码的相关长度；适合解离散的差错，对于连续的差错效果不理想。

（4）交织

在无线信道中由于发生深衰落或遇到突发干扰，误码的分布就不是平稳的纯随机的，而是存在随机误码和突发误码。交织可以将一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随即差错的编码技术消除随机差错。

交织编码并不是一类信道编码，而是一类信息处理手段。它本身不具有信道编码最基本的检错和纠错功能，只是将信道改造成随机独立差错的信道，即将突发差错变为随机差错，以便更适合于纠正随机独立差错的信道编码来利用。

（5）Turbo码—并行级联码

利用短码的并联构造长码，译码时再转化为短码来译码，性能接近香农极限。

由两个编码器经过一个交织器并联而成，编码器采用卷积码编码，输入的数据比特流直接输入编码器1，同时把这一数据流经过交织器重新排列次序后输入编码器2。由这两组编码器产生的奇偶校验比特连同输入的信息比特组成Turbo码编码器的输出。由于输入信息直接输出，故编码为系统码，码率为1/3。

编码器结构

译码器结构

（6）LDPC码（Low-density Parity-check，低密度奇偶校验码）

一类具有稀疏校验矩阵的线性分组码，具有逼近香农限的优异性能，并且具有译码复杂度低、可并行译码以及译码错误的可检测性等特点。

（7）极化码

可以达到香农极限。

3.3 调制技术

（1）信号空间分析

信号的几何表示：数字调制将若干比特映射为几种可能的发送信号之一，接收机将收到的信号与各个可能的发送信号相比较，找到最近的作为检测结果。为此需要一个度量来反映信号之间的距离。通过将信号投影到一组基函数上，就能将信号波形和向量一一对应起来，将问题从无限维的函数空间转到了有限维的向量空间，从而可以利用向量空间中距离的概念。

其中，线性带通调制的基函数为

\[\phi_1(t)=\sqrt{\frac{2}{T}}cos(2\pi f_ct)\] \[\phi_2(t)=\sqrt{\frac{2}{T}}sin(2\pi f_ct)\]

信号可以表示为

\[s_i(t)=s_{i1}\sqrt{\frac{2}{T}}cos(2\pi f_ct)+s_{i2}\sqrt{\frac{2}{T}}cos(2\pi f_ct)\]

信号星座图：\(\{s_i(t)\}\)的系数向量\(s_i=\{s_{i_1},...,s_{i_N}\}\)称为\(\{s_i(t)\}\)的信号星座点，所有信号星座点\(\{s_{1},...,s_{M}\}\)构成信号星座图。星座点间的距离可以表示为

\[||s_i-s_k||=\sqrt{\sum\limits_{j=1}^{N}(s_{ij}-s_{kj})^2}=\sqrt{\int\limits_0^T(s_{i}(t)-s_{k}(t))^2dt}\]

（2）调制方式

移动通信信道具有带宽有限、强噪声干扰、衰落与码间串扰的特点。因此需要选择高频谱利用率、高功率效率、抗衰落、抗码间串扰的特点。

分类：

• 非恒包络：ASK、QAM、APSK
• 恒包络：FSK、PSK、CPM

PSK：

QAM：

MSK（最小频移键控）：包络恒定，带宽较窄，能进行相干解调，但要求邻道干扰小于-60~-70dB。

GMSK（高斯最小频移键控）：在MSK调制器之前，用高斯低通滤波器对输入数据进行处理。

（3）多载波调制（Multicarrier Modulation）

把数据流分解为若干个子数据流，从而使子数据流具有低得多的传输比特率，利用这些数据分别去调制若干个载波。各子载波在理想传播条件下正交，子载波上的数据速率远小于总数据速率；各子信道的带宽远小于系统总带宽；每个子信道的带宽小于信道的相干带宽。

对信道的时间弥散性不敏感。

（4）OFDM（Orthogonal Frequency Division Multiplexing，正交频分复用）

把高速数据流通过串并转换，分配到多个并行的正交子载波上进行数据传输，将频率选择性信道转化为一组频率平坦衰落的信道，各子载波频谱相互重叠。

可以看作是MFSK与另一种多进制数字调制（如MPSK或QAM）的结合。

优点：频谱利用效率提高，最大限度地利用有限的频谱资源；调制和解调可以采用FFT和IFFT来实现，简单方便成本低；可以与自适应技术相结合，提高系统性能；支持非对称速率服务。

缺点：易受频率偏差和相位噪声的影响，导致各子载波之间的正交性遭到破坏，从而导致子载波间干扰（ICI）；存在较高的峰值平均功率比（Peak to Average Power Ratio，PAPR），对器件的要求更高，增加系统的复杂性，可能导致信号的正交性遭到破坏。

4 性能增强技术

4.1 扩频技术

（1）扩频通信系统

特点：传输信号带宽远大于原始信号带宽；传输信号带宽主要由扩频函数决定，扩频函数通常为伪随机编码信号。

作用：用高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽，达到提高系统抗干扰能力的目的，可以抗人为干扰、抗窄带干扰、 抗多径干扰。

分类：直接序列扩频、频率跳变扩频、时间跳变扩频、线性脉冲跳频扩频、混合扩频。

扩频系统可以消除码间干扰和窄带干扰的原因：

由香农公式

\[C=Blog_2\left(1+\frac{S}{N}\right)\]

对其进行变换

\[\frac{C}{B}=1.44ln\left(1+\frac{S}{N}\right)\]

对于干扰环境，S/N«1，可以近似得出

\[\frac{C}{B}=1.44\frac{S}{N}\]

或

\[B=0.7C\frac{N}{S}\]

可以看出，对于任意给定的噪声信号功率比N/S，只要增大用于传输信息的带宽B，就可以增大在信道中无差错地传输信息的速率C。在信道中当传输系统的信号噪声功率比下降时，可以用增大系统传输带宽B的办法来获得较低的信息差错率。

干扰信号与伪随机码进行相关计算之后，干扰信号的能量被扩展到整个传输频带内，降低了干扰信号的功率谱密度。由于有用信号和本地参考伪随机码有很好的相关性，在通过相关处理后被压缩到中频窄带内，经过中频滤波器之后，绝大多数干扰信号和噪声的功率被中频滤波器滤除，大大改善了系统的输出信噪比。

（2）直接序列扩频（DSSS）

在发信机端，待传输的数据信号与伪随机码波形相乘，用形成的符合码对载波进行调制，然后由天线发射出去。在收信机端，要产生一个与发信机中的伪随机码同步的本地参考伪随机码，对接收信号进行相关处理，也就是解扩。解扩后的信号送到解调器解调，恢复出传送的消息。

（3）频率跳变扩频（FHSS）

用二进制伪随机码序列控制射频载波振荡器输出信号的频率，使发射信号的载波频率随伪随机码的变化而跳变。相当于瞬时的窄带通信系统，由于跳频速率快，跳变的频谱范围比实际信息带宽更宽。

（4）扩频码

理想扩频码应具有的特性：有足够多的地址码；有尖锐的自相关性；有处处为零的互相关性；尽可能大的复杂度。

Walsh码：正交码，具有良好的自相关性和处处为零的互相关性，但由于码组内各码所占频谱带宽不同等原因，不能作扩频码使用。

PN码：用一种周期性的脉冲信号近似随机噪声的性能，常用作扩频码。典型PN码：m序列、Gold序列。

4.2 分集技术（Diversity）

在独立的衰落路径上发送相同的数据，由于独立路径在统一时刻经历深衰落的概率很小，因此经过适当的合并后，接收信号的衰落程度就会减小。一般可以将接收端的瞬时信噪比和平均信噪比提高10~20dB。

（1）分类

微分集：对抗多径衰落

宏分集：对抗阴影效应

（2）实现方法

空间分集：使用多个接收天线，即天线阵列。对于均匀散射环境以及全向的发射和接收天线，达到独立深衰落需要的最小间距近似为波长的一半（0.38）。优点是分集增益高；缺点是需要另外的接收天线。

极化分集：使用不同极化方式（垂直极化、水平极化）的两根发送或接收天线。优点是天线可以装在同一个地点，节省空间；缺点是对应于两种极化方向最多有两个分集支路，且发送或接收功率要分配到两个极化天线上所以有3dB的功率损失。

角度分集：通过将天线的波束宽度限制在一定角度内，用定向天线可以实现角度分集。

频率分集：不同的载波发送相同的窄带信号，载波的间隔要大于信道的相干带宽，需要增大发射功率。采用RAKE接收。

时间分集：在不同的时间发送相同的信息，降低了数据速率。同一信息重复发送的时间间隔必须大于信道的相干时间，不适合于静止的应用，因为静止信道的相干时间无限大。采用编码和交织可以实现时间分集。

（3）合并方式

选择式合并（SC）：选择信噪比最大的一路输出。

最大比值合并（MRC）：各个支路信号加权后合并，信噪比越大权重越高。

等增益合并（EGC）：各支路信号等增益相加。

性能：最大比值合并>等增益合并>选择式合并

（4）RAKE接收

RAKE接收机主要由一组相关器构成，每个相关器和多径信号中的一个不同时延的分量同步，输出就是携带相同信息但时延不同的信号，将这些输出信号以适当的时延对齐，然后按某种方法合并，就可以增加信号的能量，改善信噪比。

实现方式：

• A-RAKE：对所有多径分别进行接收
• S-RAKE：选择到达接收端的所有多径分量中能量最大的L个
• P-RAKE：直接合并最先到达的L个路径

4.3 多输入多输出（MIMO）

（1）定义

在发射端和接收端同时采用多个天线，从而在共享的无线信道上建立多条并行的信息传输通道的技术。

（2）种类

空间复用：将高速数据流分成多路低速数据流，经过编码后调制到多个发射天线上进行发送，接收端利用最小均方误差或者串行干扰消除技术区分并行数据流。

空间分集：将同一信息进行正交编码后从多个天线上发射出去，接收端将信号区分并合并，从而获得分集增益。

波束赋形：对信道进行准确估计，采用多个天线产生一个具有指向性的波束，将信号能量集中在欲传输的方向，从而提升信号质量，降低用户间干扰。

（3）核心技术

空时信号处理：利用在空间中分布的多个天线将时间域和空间域结合起来处理，有效利用了随机衰落和可能存在的多径传播来成倍地提高业务传输速率。

STTC（空时格形码）

STBC（空时分组码）

4.4 均衡技术

分类

时域均衡：利用均衡器产生的时间波形直接校正已畸变的波形，使总的冲激响应满足无码间串扰的条件，分为线性均衡和非线性均衡。

频域均衡：从校正系统的频率特性出发，使总的传输函数（信道传输函数和均衡器传输函数）满足无码间串扰的条件，即校正幅频特性和群时延特性。

自适应均衡

均衡器能够基于对信道特性的测量随时调整系数，以适应信道特性的变化。存在两种工作模式：训练模式和跟踪模式。

5 组网技术

5.1 蜂窝组网

（1）小区制

分类：

• 带状服务区：二频制、三频制
• 面状服务区：蜂窝式网络

特点：

• 可以提高频率利用率（相隔一定距离的小区可以同时使用相同的工作频率组）
• 具有组网的灵活性
• 网路构成复杂

（2）簇

定义：共同使用全部可用频率的\(N_R\)个小区称为一个簇，\(N_R\)称为簇的大小。小区簇内的任意两个小区不能使用相同的频率，只有不同簇内的小区才能进行频率复用。

条件：簇间可以邻接，且保证簇间的无缝覆盖；邻接之后的小区簇应保证各个相邻同信道小区之间的距离应相等。

同频复用因子Q：同频复用距离D与小区半径R的比值。

\[Q=\frac{D}{R}=\sqrt{3N_R}\]

Q越大代表小区间同频干扰越小，Q越小则容量越大，相同小区半径下同频干扰将越大。

接收信干比：

\[\frac{S}{I}=\frac{S}{\sum\limits_{i=1}^{i_0}I_i}=\frac{R^{-n}}{\sum\limits_{i=1}^{i_0}D_i^{-n}}\]

其中，\(S\)是来自目标基站中的想获得的信号功率；\(I_i\)是第\(i\)个同频干扰小区内基站的干扰功率；\(R\)为小区半径；\(i_0\)为同频干扰小区数；\(n\)是路径衰减指数，一般取值在2~4之间。

只考虑第一层干扰小区时，假设所有干扰基站与目标基站之间的距离相等，都等于同频复用距离\(D\)，则可以化简为

\[\frac{S}{I}=\frac{(\sqrt{3N})^n}{i_0}\]

其中，\(N\)为小区簇大小。

激励方式：中心激励、顶点激励。

小区分裂：对于容量密度高的地区，应将小区适当地划小一些，或分配给每个小区的信道数适当多一些。

5.2 多址接入技术

（1）定义

当把多个用户接入一个公共的传输媒质实现相互通信时，需要给每个用户的信号赋予不同的特征，以区分不同的用户。

多址接入技术的应用可以允许多个用户终端同时共享无线通信信道，从而提高频谱利用率。

（2）分类

频分多址接入（FDMA)、时分多址接入（TDMA）、码分多址接入（CDMA）、空分多址接入（SDMA）

（3）频分多址接入（FDMA）

原理：总频带被分割成若干个间隔相等且没有交集的子频带，每个子频带分配给不同的用户，每个子频带在同一时刻只能供给一个用户使用，相邻子频带间有保护间隔，且频带之间无明显干扰。一个子频带相当于一个信道，语音信号在前向信道上从基站发送到移动台，并且在反向信道上从移动台发送到基站。

干扰：邻道干扰、同频干扰和互调干扰。

特点：

• 通常在窄带系统中实现；
• 符号周期远大于平均时延扩展；
• 基站复杂度高；
• 必须使用带通滤波器滤除其它频率的信号，从而限制邻近信道间的相互干扰；
• 越区切换困难。

（4）时分多址接入（TDMA）

原理：按照时隙来划分不同的信道。

特点：

• 突发传输速率高，发射信号速率随时隙数N的增大而提高。如果达到100kbps以上，码间串扰将增大，必须采用自适应均衡，用以补偿传输失真。
• 不需要双工器；
• 基站复杂性减小；
• 抗干扰能力强，频带利用率高，系统容量大；
• 越区切换简单。

（5）码分多址接入（CDMA）

原理：给每个的用户分配一个的唯一的伪随机码序列，各用户之间的码序列相互准正交。

干扰：多址干扰、远近效应。

特点：

• 多用户共享频率；
• 通信容量大；
• 容量的软特性；
• 信号被扩展在较宽的频谱上，从而减少多径衰落；
• 信道数据速率很高；
• 平滑的软切换和有效的宏分集；
• 低信号功率谱密度。

（6）空分多址接入（SDMA）

原理：采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的波束，按照空间的分割构成不同的信道。

特点：

• 系统容量大幅度提高；
• 扩大覆盖范围；
• 兼容性强；
• 大幅度降低干扰；
• 功率大大降低；
• 定位功能强；
• 不能单独使用，需要配合其它多址方式结合使用。

（7）系统容量

\[m =\frac{B_t}{B_cN} =\frac{B_t}{B_c\sqrt{\frac{2}{3}\left(\frac{C}{I}\right)_{min}}}\]

6 GSM

6.1 系统概述

（1）GSM系统的业务

基本电信业务

• 承载业务：GSM网络传输中具有流量、误码率和传输模式等技术参数的数据业务，包括受限话音、异步双工数据、同步双工数据、分组的组合与分解、同步双工分组数据等。
• 电信业务：电话业务、紧急呼叫业务、短消息业务、传真业务、传真/语音交替业务。

附加业务

来电显示、多方会议、收费通知等。

（2）体系结构

移动台（MS）：用户顺利进行GSM业务的基本设备，由移动终端MT和用户识别SIM卡组成。

基站子系统（BSS）：基站子系统通过空中接口与移动台相连，负责完成无线信号收发和无线资源管理，是一种在特定的蜂窝区域内建立无线电覆盖的设备。由基站控制器（BSC）、基站收发信台（BTS）、分组处理单元（PCU）组成。

网络和交换子系统（NSS）：负责GSM系统内各个指令的交换和路由选择，管理用户的各种数据，可以进行用户安全的管理和移动性的管理。由移动业务交换中心（MSC）、访问位置寄存器（VLR）、归属访问位置寄存器（HLR）、设备识别寄存器（EIR）和鉴权中心（AUC）组成。

操作支持子系统（OSS）：由操作维护中心（OMC）及外围设备构成，主要负责GSM系统的维护、测试等运营工作。

6.2 信道

（1）时隙和帧结构

GSM的时隙帧结构有5个层次，即时隙、TDMA帧、复帧、超帧和超高帧。

• 时隙是物理信道的基本单元，时长为0.577ms；
• TDMA帧由8个时隙组成，时长为4.615ms；
• 复帧分为：26帧业务复帧和51帧控制复帧；
• 超帧由51个业务复帧或26个控制复帧组成，总帧数为1326，时长6.12s；
• 超高帧由2048个超帧组成，总时长3小时28分53秒760毫秒

（2）逻辑信道

分类

业务信道：主要用于传输客户编码及加密后的语音和数据信息，还传输少量的随路控制信令。主要分为全速率业务信道（TCH/F）和半速率业务信道（TCH/H），或语音业务信道和数据业务信道。

控制信道：主要用于传输信令和同步信号。按照信息种类的不同，可分为广播信道（BCH）、公共控制信道（CCCH）和专用控制信道（DCCH）。

（3）逻辑信道与物理信道的映射

一个GSM载频只提供8个物理信道，小于逻辑信道数，因此需要进行信道复用。

在载频\(C_0\)上，TS0是逻辑控制信道，重复周期为51个TS；TS1是逻辑控制信道，重复周期为102个TS；TS2是逻辑业务信道，重复周期为26个TS；TS3~TS7是逻辑业务信道，重复周期为26个TS。其它载频的TS0~TS7时隙全部是业务信道。

（4）突发脉冲

TDMA帧中的一个时隙称为一个突发，一个时隙中的物理内容，即在此时隙内被发送的无限早搏所携带的信息比特串，称为一个突发脉冲序列。

分类：普通突发脉冲序列（NB）、频率校正突发脉冲序列（FB）、同步突发脉冲序列（SB）、接入突发脉冲序列（AB）、空闲突发脉冲序列（DB）。

6.3 无线传输技术

（1）语音编解码技术

RPE-LTP语音编码：规则脉冲激励-长时预测。对模拟语音信号进行8kHz抽样，调整20ms为一帧后进行编码，编码后的语音帧长为20ms，含260比特，比特率13kbps。

（2）信道编解码技术

（3）交织编码技术

二次交织：信道编码后首先进行内部交织，然后进行块间交织。

（4）调制解调技术

高斯滤波最小频移键控（GMSK）

（5）其它技术

抗衰落：分集技术、自适应滤波技术、跳频技术

延长续航：功率自适应（APC）、不连续发射（DTX）、非连续接收（DRX）

6.4 控制与管理

入网位置登记、漫游、越区切换

6.5 通用分组无线业务（GPRS）

基于分组交换传输数据的高效率网络，移动台和外部网络之间不使用永久连接，从而得到更高的数据传输效率。

6.6 增强数据传输速率技术（EDGE）

Enhanced Data rate for GSM Revolution

特点：引入了新的调制方式8PSK、引入新的编码方式MCS、引入链路自适应功能、引入递增冗余重传机制、对链路RLC/MAC协议进行修改、完善了链路质量控制算法。

7 CDMA IS-95

7.1 系统概述

在CDMA中用到了三种码：

短码：用于区分不同的小区。

Walsh码：用于区分不同的前向信道。

长码：用于区分不同的反向信道。

7.2 前向信道

由基站发往移动台的无线通信链路，也称下行链路。IS-95系统的前向链路最多可以有64个同时传输的信道，不同的信道采用统一射频载波发射，通过正交的Walsh序列来区分。

（1）导频信道

定义：传送导频信息，由基站连续不断地发送一种无调制的直接序列扩频信号。

作用：移动台通过此信道可以快速而精准地捕获信道的定时信息与之同步，并提取相干载波进行信号的解调；移动台通过对周围基站的导频信号强度进行检测和比较，决定在什么时候进行越区切换。

（2）同步信道

作用：传输同步信息，在基站覆盖范围内，各移动台可利用这些信息进行同步捕获。

（3）寻呼信道

功能：向覆盖区域内的移动台广播系统配置参数，在呼叫持续阶段传输寻呼移动台的信息，向尚未分配业务信道的移动台传送控制消息。

（4）前向业务信道

定义：基站向移动台传送业务信息的信道，传输必要的随路信令（功率控制、过境切换指令等）。

功率控制子信道：传送功率控制信息。

随路信道：伴生的子信道，传送必要的随路指令。

7.3 反向信道

移动台至基站方向的传输链路，反向链路与前向链路的根本区别在于：前向链路采用彼此正交的Walsh码进行信道化，而反向链路使用长码进行信道化。用长码的不同相位偏置来区分不同用户。

（1）接入信道

与前向链路的寻呼信道相对应，作用是在移动台没有占用业务信道之前，提供移动台至基站的传输通路，发送非业务信息。

（2）反向业务信道

传输业务信息，也可以用来传送辅助业务和信令信息。

前向信道与反向信道的区别：

• 卷积编码：前向信道编码率为1/2，反向信道编码率为1/3；
• Walsh调制：前向信道中用于区分信道，反向信道中用于提供64阶调制；
• PN长码：前向信道中用于加扰数据，需要抽样到符号速率，反向信道中用于区分用户，不需要改变速率
• 调制方式：前向信道使用QPSK，反向信道使用OQPSK。

7.4 增强技术

（1）语音编解码技术

Qualcomm公司的码激励线性预测算法（QCELP），可以依靠门限值来调整速率，门限值随背景噪声的变化而变化。

（2）RAKE接收机

（3）功率控制

（4）语音激活

语音占空（DSI）与低速语音编码相结合，提高系统容量，减少干扰。

（5）越区切换

移动台在通信期间，由于位置发生改变，而改变与网络的连接关系。分为硬切换和软切换。

软切换：需要切换时，移动台先与目标基站建立通信链路，再切断与原基站之间的通信链路，即先通后断。

7.5 IS-95 特点

大容量、软容量、软切换、话音质量高、发射功率低、语音激活、保密

8 3G

8.1 第三代移动通信系统的主要特点

全球化：IMT-2000是一个全球性的系统，包含多种系统，在设计上具有高度的通用性，该系统中的业务以及它与固定网之间的业务可以兼容，以提供全球漫游。

综合化：能把现有的寻呼系统、蜂窝无线通信系统、卫星移动通信系统综合在统一系统中。

多媒体化：提供高质量多媒体业务，如语音、可变数据速率和高清图像等。

个人化：用户可用唯一个人电信号码（PTN）在任何终端上获取需要的业务，实现个人移动性。

8.2 WCDMA

WCDMA是一种由3GPP具体指定的、基于GSMMAP核心网、以UTRAN为无线接口的第三代移动通信系统，支持两种基本的工作方式，采用直接序列扩频码分多址、频分双工（FDD）方式，支持各种可变的用户数据速率

（1）网络结构

用户终端设备（UE）：包括移动设备ME和通用用户识别模块USIM

通用陆地无线接入网络（UTRAN）：由一个或几个无线网格子系统RNS构成，一个RNS由一个无线网络控制器RNC和一个或多个节点B组成。

核心网络（CN）：负责与其他网络的连接和对UE的通信和管理。

（2）信道

逻辑信道涉及传输的信息，传输信道主要映射信息传输的方式。高层信息以逻辑信道的形式从RLC层传输到MAC层，逻辑信道先映射到传输信道，传输信道再映射到物理信道。

传输信道：分为专用传输信道和公共传输信道。WCDMA仅存在一种专用传输信道，即专用信道DCH，只能为一个用户传输用户数据。DCH分为上行和下行，支持快速功率控制、分集技术和软切换。WCDMA支持6类基本的公共传输信道，即随机接入信道（RACH）、广播信道（BCH）、寻呼信道（PCH）、下行接入信道（FACH）、上行链路公共分组信道（CPCH）、下行链路共享信道（DSCH）、高速下行共享信道（HS-DSCH）。

物理信道：上行物理信道、下行物理信道。

（3）空中接口特性

• 空中接口：WCDMA
• 信号带宽：5MHz
• 码片速率：3.84Mcps
• 语音编码：AMR语音编码
• 同步方式：支持同步/异步基站运营模式
• 功率控制：上下行闭环加外环功率控制方式
• 发射分集方式：下行包括开环发射分集和闭环发射分集，提高UE的接收性能
• 解调方式：导频辅助的相干解调方式，提高解调性能
• 编码方式：卷积码和Turbo码
• 调制方式：上行BPSK，下行QPSK

8.3 CDMA2000

（1）网络结构

（2）空中接口特性

• 空中接口：CDMA2000 兼容IS-95
• 信号带宽：N×1.25MHz， N=1,3,6,9,12
• 码片速率：N×1.2288Mcps
• 语音编码：8k/13k QCELP或8k EVRC语音编码
• 同步方式基：站需要GPS/GLONASS同步方式运行
• 功率控制：上下行闭环加外环功率控制
• 发射分集方式：下行可以采用正交发射分集OTD (Orthogonal Transmit Diversity)和空时扩展分集STS (Space Time Spreading)，提高信道的抗衰落能力，改善了下行信道的信号质量
• 解调方式：上行采用导频辅助的相干解调方式，提高了解调性能
• 编码方式：卷积码和Turbo码
• 调制方式：上行BPSK和下行QPSK调制方式

8.4 TD-SCDMA

（1）网络结构

（2）关键技术

综合的多址方式：TD-SCDMA空中接口采用四种多址技术-TDMA、CDMA、FDMA、SDMA，以得到动态调整的最优资源分配

灵活的配置：TD-SCDMA上下行链路间的时隙分配可以被一个灵活的转换点改变，以满足不同的业务要求，实现3G所有对称和非对称业务。

功率控制：根据通信距离的不同，实时地调整手机的发射功率，以克服呼吸效应和远近效应。

智能天线：基站系统通过自适应算法，使智能天线动态地在覆盖空间中形成针对特定用户的定向波束，充分利用下行信号能量并最大程度的抑制干扰信号。

动态信道分配：根据用户的需要进行实时动态的资源（频率、时隙、码字等）分配。

（3）技术优势

• 方便地支持非对称业务和语音+数据的混合业务。
• 具有较好的网络兼容性和灵活的组网方式，支持2G向3G演进和平滑过渡。
• 频谱利用率高，规划灵活性强。支持单载波和多载波方式。
• 系统性能稳定。系统收发信使用同一频段，上下行链路的无线环境一致性好，适合使用智能天线技术: CDMA和TDMA结合的多址方式有利于使用联合检测技术。这些技术都能减少干扰，提高系统性能的稳定性。
• 系统设备成本低。由于TD-SCDMA上行和下行链路使用同-载波，有利于使用智能天线等新技术，降低了系统设备成本。
• 具有低的建设、运营和维护成本。

9 4G

9.1 第四代移动通信系统

（1）特点

• 带宽配置灵活，支持1.25~20MHz的可变带宽。峰值数据，下行达到100Mbps，上行达到50Mbps；
• 频谱效率高，可达到3GPP R6的2~4倍；
• 时延小，用户平面时延不超过5ms，控制平面时延不超过100ms；
• 提高了小区边缘数据传输速率，用户性能得到提高；
• 支持与现有的3GPP和非3GPP系统的互操作；
• 支持增强型的多媒体广播和组播业务；
• 实现合理的终端复杂度、成本和耗电，降低建网成本，实现低成本演进；
• 支持增强的IP多媒体子系统和核心网，追求后向兼容；
• 取消CS域，CS域业务在PS域实现；
• 支持简单的邻频共存和邻区域共存。

9.2 LTE

（1）关键技术

双工方式：支持FDD、TDD以及半双工FDD方式。

帧结构：类型1 帧长度10ms，由20个时隙组成，每个时隙长度0.5ms，每两个相邻时隙称为一个子帧，共有10个子帧；类型2 帧长度10ms，分为两个等长的半帧，半帧又分为8个长为0.5ms的常规时隙和下行导频时隙、上行导频时隙、保护时隙三个特殊时隙，特殊时隙总长1ms。

正交频分复用（OFDM）：频谱效率高，避免用户间的干扰；带宽扩展性强；由于循环前缀的加入和OFDM将宽带转化为多窄带进行传输，所以有良好的抗多径衰落能力。

（2）CDMA与OFDM技术的比较

调制技术

在CDMA系统中，下行链路虽支持多种调制但每条链路的符号调制方式必须相同，上行链路不支持多种调制。并且，在这种非正交的链路中，采用高阶调制方式的用户必将会对采用低阶调制的用户产生很大的干扰。

在OFDM系统中，每条链路都可以独立调制，同时容纳多种混合调制方式。采用自适应调制，增加了系统的灵活性，系统可以在频谱利用率和误码率之间取得最佳平衡。

峰均功率比（PAPR）

CDMA系统的PAPR一般在5～11dB，并会随着数据速率和使用码数的增加而增加。

在OFDM系统中，由于信号包络的不恒定性，使得该系统对非线性很敏感。如果没有改善非线性敏感性的措施，OFDM技术将不能用于使用电池的传输系统和手机等。

抗窄带干扰能力

CDMA的最大优势就表现在其抗窄带干扰能力方面。因为干扰只影响整个扩频信号的一小部分；

OFDM中窄带干扰也只影响其频段的一小部分，而且系统可以不使用受到干扰的部分频段，或者采用前向纠错和使用较低阶调制等手段来解决。

抗多径干扰能力

CDMA采用了RAKE分集接收技术来区分和绑定多路信号能量。为了减少干扰源，RAKE接收机提供一些分集增益。然而由于多路信号能量不相等，试验证明，如果路径数超过7或8条，这种信号能量的分散将使得信道估计精确度降低，RAKE的接收性能下降就会很快。

OFDM技术与RAKE接收的思路不同，它是将待发送的信息码元通过串并变换，降低速率，从而增大码元周期，以削弱多径干扰的影响。同时它使用循环前缀（CP）作为保护间隔，大大减少甚至消除了码间干扰，并且保证了各信道间的正交性，从而大大减少了信道间干扰。当然，这样做也付出了带宽的代价，并带来了能量损失：CP越长，能量损失就越大。

均衡技术

在CDMA系统中，信道带宽远远大于信道的平坦衰落带宽。由于扩频码自身良好的自相关性，使得在无线信道传输中的时延扩展可以被看作只是被传信号的再次传送。如果这些多径信号相互间的延时超过一个码片的长度，就可被RAKE接收端视为非相关的噪声，而不再需要均衡。

对OFDM系统，在一般的衰落环境下，均衡不是改善系统性能的有效方法，因为均衡的实质是补偿多径信道特性。而OFDM技术本身已经利用了多径信道的分集特性，因此该系统一般不必再作均衡 。

9.3 LTE-Advanced

（1）关键技术

物理层传输技术优化：上行采用SC-FDMA技术；对干扰抑制技术做进一步的优化；使用QPSK、16QAM、64QAM三种调制方式。

多载波聚合技术：将多个LTE兼容的载波连接起来以提供更大的传输带宽。可以沿用LTE的物理信道和调制编码方法，从而实现LTE到LTE-Advanced的平滑过渡。

中继技术：扩大小区的覆盖范围，提高小区边缘用户的吞吐量，降低干扰，复杂度远远低于基站。

MIMO增强技术：下行支持8*8 MIMO，上行支持4*4 MIMO。

协作多点传输技术

分布式天线

基站间协同

增强型多媒体广播多播业务