第2章 3G关键技术 移动通信信道 2.1 扩频通信系统 2.2 数字调制技术 2.3 信源编码技术 2.4

信道编码技术 2.5 功率控制技术 2.6 发送接收技术 2.7 蜂窝组网技术 2.8

随着社会的不断进步、经济的飞速发展，对信息传输的需求越来越大，信息传输在工作、生活中的作用也越来越重要，“社会需求就是科学与技术发展的动力”，现代移动通信在经历了第一代模拟通信系统和第二代数字通信系统（以GSM和窄带CDMA为代表）之后，为适应市场发展的要求，由国际电信联盟（ITU）主导协调，自1996年开始了第三代（3G）宽带数字通信系统的标准化进程。

3G系统采用了无线宽带传输技术、复杂的编译码技术、调制解调技术、快速功率控制技术、多用户检测技术、智能天线技术、蜂窝组网技术等。

移动通信信道 扩频通信系统 数字调制技术 信源编码技术

信道编码技术 功率控制技术 发送接收技术 蜂窝组网技术

2.1 移动通信信道 信道是信号的传输介质，可分为有线信道和无线信道两类。 2.1 移动通信信道 信道是信号的传输介质，可分为有线信道和无线信道两类。 移动通信中的各种新技术，都是针对无线信道的特点，优化解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性。

2.1.1 无线电波的传播 表2-1 无线电波分类 波 段 波 长 频 率 主 要 用 途 长波 10km～1km 30kHz～300kHz 2.1.1 无线电波的传播 表2-1 无线电波分类 波 段 波 长 频 率 主 要 用 途 长波 10km～1km 30kHz～300kHz — 中波 1km～100m 300kHz～3MHz 调幅无线电广播 短波 100m～10m 3MHz～30MHz 微波 米波 （VHF） 10m～1m 30MHz～300MHz 调频无线电广播 分米波 （UHF） 1m～0.1m 300MHz～3GHz 电视、雷达、 导航、移动通信 厘米波 10cm～1cm 3GHz～30GHz 毫米波 10mm～1mm 30GHz～300GHz

从移动通信信道中的电波传播来看，可分为以下几种形式： （1）直射波 （2）反射波 （3）绕射波 （4）散射波

2.1.2 接收信号的4种效应 移动通信信道有3个主要特点：信号传播的开放性，接收点地理环境的复杂性和多样性，以及通信用户的随机移动性。

无线电波有3种主要传播形式：直射、反射、绕射，在它们的共同作用下，接收信号具有4种主要效应：阴影效应、远近效应、多径效应和多普勒效应。

（1）阴影效应 （2）远近效应 （3）多径效应 （4）多普勒效应

图2-1 多径效应

图2-2 多普勒效应

2.1.3 接收信号的3类损耗 在移动通信信道的3个主要特点和无线电波传播的3种主要形式的共同作用下，接收信号又具有3类不同层次的损耗：路径传播损耗、大尺度衰落损耗和小尺度衰落损耗。

（1）路径传播损耗 （2）大尺度衰落损耗 （3）小尺度衰落损耗

图2-3 大尺度衰落和小尺度衰落

2.1.4 移动通信中的噪声和干扰 在移动通信中，严重影响移动通信系统性能的主要噪声和干扰可分为四类：加性白高斯噪声（Additional White Gauss Noise，AWGN）、符号间干扰（Intersymbol Interference，ISI）、多址干扰（Multiple Access Interference，MAI）和相邻小区（扇区）干扰（Adjacent Cell (Sector) Interference，AC(S)I），下面分别予以简要介绍。

（1）加性白高斯噪声 （2-1）

（2）符号间干扰（ISI） 图2-4 AWGN信道

（3）多址干扰（MAI ） （4）相邻小区（扇区）干扰（AC(S)I）

2.1.5 移动通信信道的物理模型 在实际研究工作中，移动通信信道可以分为4种常用的信道模型。 （1）AWGN信道 （2）阴影衰落信道 2.1.5 移动通信信道的物理模型 在实际研究工作中，移动通信信道可以分为4种常用的信道模型。 （1）AWGN信道 （2）阴影衰落信道 （3）平坦瑞利衰落信道 （4）选择性衰落信道

2.2 扩频通信系统 CDMA是在扩频通信技术基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技术。

2.2.1 多址接入技术 图2-5 3种接入方式示意图

1．频分多址 频分多址（FDMA）是最成熟的多址复用方式之一，它是基于频率划分信道，把可以使用的总频段平均划分为N个频道，这些频道在频域上互不重叠，每个频道就是一个通信信道。

2．时分多址 时分多址（TDMA）也是非常成熟的通信技术。

3．码分多址 码分多址（CDMA）采用扩频通信技术，每个用户分配特定的地址码，利用地址码相互之间的正交性（或准正交性）完成信道分离的任务。

由于CDMA系统采用扩频技术，与FDMA和TDMA相比，CDMA具有如下独特的优点： （1）系统容量大且有软容量的特性 （2）可采用语音激活技术 （3）抗干扰能力强

（4）软切换 （5）可采用多种分集技术 （6）低信号功率谱 （7）频率规划简单，可同频组网 （8）保密性好

2.2.2 扩频通信系统 1．扩频通信和扩频通信系统 扩频通信，即扩展频谱通信，顾名思义是在发送端用某个特定的扩频函数（如伪随机编码序列）将待传输的信号频谱扩展至很宽的频带，变为宽带信号。

送入信道中传输，在接收端再利用相应的技术或手段将扩展了的频谱进行压缩，恢复到基带信号的频谱，从而达到传输信息、抑制传输过程中噪声和干扰的目的。 扩频通信系统是采用扩频通信技术的系统。

扩频通信系统有以下两个特点： （1）传输信号的带宽远大于被传输的原始信号的带宽； （2）传输信号的带宽主要由扩频函数决定，此扩频函数通常为伪随机（伪噪声）编码信号。

2．扩频通信的发展简史和应用 扩频通信技术起源于第二次世界大战，是基于军事领域的实际需要而产生的，目的是在敌方控制区内提供一种保密通信的方法。

随着时间的推移和技术的发展，特别是信号处理技术、大规模集成电路和计算机技术的发展，推动了扩频通信理论、方法、技术等方面的研究发展和普及应用，使最初只用于军事领域的扩频通信系统越来越广泛应用于卫星通信、个人移动通信、雷达、导航、测距等领域。

3．典型扩频通信系统框图 图2-6 典型的扩频通信系统框图

（1）信源和信宿 （2）编码和译码 （3）扩频和解扩 （4）调制和解调 （5）无线信道

4．扩频通信系统分类 （1）直接序列扩频通信系统 （2）跳频扩频系统 （3）跳时扩频系统 （4）线性脉冲调频系统 （5）混合扩频通信系统

5．扩频通信系统主要优缺点 扩频通信系统的主要优点如下。 （1）抗干扰能力强 （2）多址能力强 （3）保密性强，抗截获、抗检测能力强

（4）抗衰落能力强 （5）抗多径能力强 （6）高分辨率测距

2.2.3 信道化码和扰码 如果二进制数字信号用0或1表示，是单极性码；如果用−1表示0，1表示1，是双极性码。 1．基本概念 2.2.3 信道化码和扰码 1．基本概念 （1）基本函数运算 如果二进制数字信号用0或1表示，是单极性码；如果用−1表示0，1表示1，是双极性码。

单极性码的逻辑运算由模2加实现，运算规则是：

双极性码的逻辑运算由逻辑乘实现，运算规则是：

（2）相关函数 相关函数是任意两个信号之间的相似性的测度，分为周期相关函数和非周期相关函数两种，下面分别给出它们的定义。

设两个长度为N的序列a和b，非周期相关函数 定义为：

（2-2）

周期相关函数 定义为： （2-3） ,

其中·表示逻辑运算，当a和b是单极性码时，·表示模2加；当a和b是双极性码时，·表示逻辑乘。

当a ≠ b， 和 分别被称为非周期互相关函数和周期互相关函数；当a = b， 和 分别被称为非周期自相关函数和周期自相关函数。简写为 和

本书中的相关函数，如非特别声明，均指周期相关函数。

（3）正交函数 正交函数是具有零相关特性的函数，则互相关函数为0的两个序列是正交序列。

2．CDMA系统中的扩频码和地址码 在扩频通信系统中，决定系统性能的主要因素是扩频函数。

理想的扩频码和地址码必须具备以下特性： （1）良好的自相关和互相关特性，即尖锐的自相关函数和几乎处处为零的互相关函数；

（2）尽可能长的码周期，使干扰者难以通过扩频码的一小段去重建整个码序列，确保安全与抗干扰的要求；

（3）足够多的码序列，用来作为独立的地址，以实现码分多址的要求； （4）易于产生、复制、控制和实现。

目前常用的、较为理想的扩频码和地址码有： （1）伪随机（PN）码 （2）沃尔什（Walsh）码 （3）正交可变速率扩频增益码

3．常用的较理想的码序列 （1）伪随机（PN）码 伪随机码又称为伪噪声码，简称PN码。 伪噪声码是一种具有白噪声性质的码。

① 平衡特性：在每一个周期内，伪随机序列中0和1的个数接近相等；

② 游程特性：把随机序列中连续出现0或1的子序列称为游程。

③ 相关特性：随机序列的自相关函数具有类似于白噪声自相关函数的性质。

（2）m序列 m序列是一种伪随机序列，是由n级移位寄存器所能产生的周期最长的序列，又称最大长度序列。

m序列是最长线性移位寄存器序列的简称，它是由带线性反馈的移位寄存器产生的周期最长的一种序列。 n级非退化的线性移位寄存器的组成如图2-7所示。

图2-7 n级非退化的线性移位寄存器的组成

（2-4）

（2-5）

m序列是一种伪随机序列，它具有如下3个特性： 0−1分布特性 游程特性 位移相加特性 ① 随机特性 m序列是一种伪随机序列，它具有如下3个特性： 0−1分布特性 游程特性 位移相加特性

② 自相关函数 图2-8 m序列周期性自相关函数的波形图

③ 功率谱密度函数 m码功率谱的几个特点： m码的功率谱为离散谱，谱线间隔为 ；

m码的功率谱密度函数具有抽样函数 的包络，第一个零点在k = N处，即 。

图2-9 m码的功率谱密度示意图

m码的功率谱的宽度（通常定义为第一个零点处的频率）由码元的持续时间Tc决定，带宽 （单边），与码长N无关。

m码的直流分量与N2成反比，当m序列长度 时，直流分量 ，谱线间隔 ，m码的功率谱由离散谱向连续谱过渡，伪随机码过渡到随机码。

④ 互相关函数 m序列的自相关函数具有理想的双值函数，而m序列的互相关函数是指长度相同而序列结构不同的两个m序列之间的相关函数。

（3）Gold序列 Gold序列是R.Gold提出的一类伪随机序列，它具有良好的自相关和互相关特性，可以用作地址码的数量远大于m序列，而且易于实现，结构简单，在工程中得到广泛的应用。

R. Gold指出：给定移位寄存器级数n时，总可以找出一对互相关函数最小的码序列，采用移位相加的方法构成新码组，其互相关旁瓣都很小，而且自相关函数和互相关函数都是有界的，这个新码组被称为Gold码或Gold序列。

图2-10 Gold序列的移位寄存器乘积型结构图

图2-11 Gold序列的移位寄存器模2和型结构图

表2-2 Gold码序列的三值互相关函数特性 码长N = 2n−1 互相关函数值（非归一化） 出 现 概 率 n为奇数 −1 0.5 0.75 0.25

（4）Walsh序列 如果序列间的互相关函数值很小，特别是正交序列的互相关函数为0，这类序列称为第二类伪随机序列。

Walsh序列是第二类伪随机序列。 Walsh函数是以数学家Walsh的名字命名，他证明了Walsh函数的正交性。 Walsh函数是有限区间上的一组归一化正交函数集，可由哈达玛矩阵产生。

哈达玛矩阵H是由+1和−1两个元素组成的正交方阵。 所谓正交方阵是指任意两行（或两列）都是相互正交的。即 。

哈达玛矩阵有如下两个性质： 哈达玛矩阵是对称矩阵，即 ； 哈达玛矩阵的逆矩阵和哈达玛矩阵本身成比例，比例因子为1/N，即 。

（5）正交可变速率扩频增益（OVSF）码 OVSF码与Walsh序列码很相似，不同长度的码字很容易产生。 由简单的电路就可以生成各种长度的码字。 它们可以排成如图2-12所示的码树结构。

图2-12 OVSF码树结构图

图2-13 两个长度为8，属于不同分支的码字同步时正交 图2-13 两个长度为8，属于不同分支的码字同步时正交

图2-14 两个长度为8，属于不同分支的码字不同步时不正交 图2-14 两个长度为8，属于不同分支的码字不同步时不正交

4．信道化码和扰码 在3G系统中，扩频码和地址码主要可以划分成如下3类： （1）用户地址码 （2）信道地址码 （3）小区地址码

5．信道化码和扰码在3G中的应用 （1）cdma2000系统中信道化码和扰码 （2）WCDMA系统中信道化码和扰码 （3）TD-SCDMA系统中信道化码和扰码

图2-15 扩频、信道化码和扰码的关系

2.2.4 扩频通信技术 （1）香农公式。香农定理指出：在高斯白噪声信道中，通信系统的最大传信率（或称信道容量）为 1．扩频通信理论基础 2.2.4 扩频通信技术 1．扩频通信理论基础 （1）香农公式。香农定理指出：在高斯白噪声信道中，通信系统的最大传信率（或称信道容量）为 （2-12）

式中，B为信号带宽，S为信号的平均功率，N为噪声平均功率。 若白噪声的单边功率谱密度为No，噪声功率为N = NoB，则信道容量C表示为 （2-13）

由香农公式可以看出： ① 要增加系统的信息传输速率，则要求增加信道容量。

② 信道容量C为常数时，带宽B与信噪比S/N可以互换，即可以通过增加带宽B来降低系统对信噪比S/N的要求，也可通过增加信号功率，降低信号的带宽，这就为那些要求小的信号带宽的系统或对信号功率要求严格的系统找到了一个减小带宽或降低功率的有效途径。

③ 当B增加到一定程度后，信道容量C不可能无限地增加。考虑极限情况，令，考查C的极限值为 （2-14）

（2）差错概率公式。信息传输差错概率公式可表示为Eb/N0的函数，即： Pe = f(Eb/N0) （2-17）

式中，Pe为差错概率，Eb为二进制数字信息比特能量（W/Hz），N0是噪声单边功率谱密度（W/Hz），f为一个函数。

设二进制数字信息码元宽度为T，则信息带宽B为B = 1/T(Hz)。 传输信号功率（二进制数字信息功率）S为S = E/T(W)。 已扩频信号的带宽为W(Hz)，则噪声功率N为N = N0W(W)。

由上式可得信息传输差错概率公式为 Pe = f(Eb/N0) = f(STW/N) = f(S/NW/B) （2-18）

上面公式指出，差错概率Pe是传输信号功率与噪声功率之比（S/N）和传输信号带宽与信息带宽之比（W/B）二者乘积的函数，信噪比与带宽是可以互换的，同样增加带宽的方法可以换取信噪比上的好处。

2．扩频通信的主要性能指标 （1）扩频处理增益 处理增益G定义为频谱扩展后的信号带宽B2与频谱扩展前的信号带宽B1之比，即： （2-19）

其中，T1为信息数据脉冲宽度，T2为PN码的码元宽度，R1为信息速率，R1 = 1/T1，R2为PN码的码片速率，R2 = 1/T2。 处理增益也可表示为 （2-20）

式中，(S/N)out为扩频解扩后的信噪比，(S/N)in为扩频解扩前的信噪比。 在工程中，一般用对数形式表示即： （2-21）

（2）干扰容限 所谓干扰容限，是指在保证系统正常工作的条件下，接收机能够承受的干扰信号比有用信号高出的dB数，用Mj表示，有： （2-22）

其中，Ls为系统内部损耗，(S/N)0为系统正常工作时要求的最小输出信噪比，即相关器的输出信噪比或解调器的输入信噪比，G为系统的处理增益。

（3）频带利用率 数据传信速率，简称传信率或比特率Rb，是指每秒传输二进制码元的个数，单位为比特/秒（bit/s）。

频带利用率是反映数据传输系统对频带资源利用的水平和有效程度，定义为单位频带内的传信速率，常用表示。 （2-23）

3．直接序列扩频通信系统 直接序列扩频（Direct Sequence Spread Spectrum，DS-SS）通信系统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。

用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。 直接序列扩频通信系统的简化框图如图2-16所示。

图2-16 直接序列扩频通信系统的简化框图

在直接序列扩频通信系统中，通常对载波进行相移键控（Phase Shift Keying，PSK）调制。

图2-17 发送端的扩频过程

图2-18 接收端的解扩过程

2.2.5 各种蜂窝系统容量比较 移动通信系统的指标有3个：有效性、可靠性和安全性；前者属于数量指标，后两者属于质量指标。

（1）每个小区可用信道数（ch/cell）：它表征每个小区允许同时工作的用户数；

（2）每个小区每兆赫可用信道数（ch/cell/MHz）：它表征每个小区单位带宽允许同时工作的用户数；

（3）每小区爱尔兰数（Erl/cell）：它表征每小区允许的话务量。

1．频分多址（FDMA）的蜂窝系统容量 对于FDMA系统来说，系统容量的计算比较简单。

FDMA方式是把通信系统的总频段划分为若干个等间隔、互不交叠的频道分配给不同的用户使用，在相邻频道间无明显的串扰。

因此FDMA系统容量m的计算公式为 （2-24）

式中，W为无线系统总带宽，N为区群小区数，B为信道带宽。 每个载波信道又被分成M个时隙（时分信道），所以信道带宽B为载波间隔Bc/M。

2．时分多址（TDMA）的蜂窝系统容量 TDMA方式是把时间分割成周期性不交叠的帧，每一帧再分割成若干个不交叠的时隙，再根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内按指定的时隙发送信号；在接收端按不同时隙来区分出不同用户的信息，从而实现多址通信。

对于TDMA系统来说，系统容量的计算也比较简单。 TDAM系统容量m的计算公式为

式中，W为无线系统总带宽，N为区群小区数，B为信道带宽。 每个载波信道又被分成M个时隙（时分信道），所以信道带宽B为载波间隔Bc/M。

3．码分多址（CDMA）的小区容量 CDMA多址方式用不同码型的地址码来划分信道，每一地址码对应一个信道，每一信道对时间及频率都是共享的，而FDMA、TDMA系统信道的数量要受到频率或时隙的限制。

因此CDMA系统是干扰受限系统，现考虑一般CDMA系统的通信容量。

m个用户共用一个无线信道同时通信，每一个用户的信号受到其他m−1个用户信号的干扰。

假定系统的功率控制理想，即到达接收端的所有用户信号功率强度一样，则信干比（SIR）为 （2-25）

同时，一般扩频系统的信干比（SIR）为 （2-26）

式中，Rb为信息速率，Eb为比特能量，N0为干扰的功率谱密度，W为CDMA系统占据的有效频带宽度，W/Rb为CDMA系统的扩频增益，Eb/N0是归一化信噪比，取决于对误码率和话音质量的要求，并与系统的调制方式有关。

由上面两个公式可得CDMA系统的容量m为 （信道/小区） （2-27）

2.3 数字调制技术 调制的最基本功能是将基带信号通过载波调制，使其频谱搬移至适应不同信道特性的射频频带上进行传输。 2.3 数字调制技术 2.3.1 数字调制的概念 调制的最基本功能是将基带信号通过载波调制，使其频谱搬移至适应不同信道特性的射频频带上进行传输。

这种用基带数字信号控制高频载波，把基带数字信号变换为频带信号的过程称为数字调制。

在接收端通过解调器把频带信号还原成基带数字信号，这种数字信号的逆变换过程称为解调。

通常将数字调制和解调合起来称为数字调制，把包括调制和解调过程的传输系统称为数字信号的频带传输系统。

2.3.2 数字调制的基本原理 通常正弦波可用下式表示： 其中，变量t代表时间，a(t)是正弦波的振幅，w(t)是角频率，(t)是相位。

数字调制主要有3种形式：幅移键控（Amplitude Shift Keying，ASK）、频移键控（Frequency Shift Keying，FSK）和相移键控（Phase Shift Keying，PSK），它们分别是正弦波的幅度、频率、相位随着数字基带信号而变化。

2.3.3 数字调制的分类 数字调制主要有3种形式：幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。

若将由0和1组成的基带二进制信号进一步推广到多进制信号，将产生相应的MASK，MFSK，MPSK调制。

在实际的相移键控（PSK）方式中，为了克服在接收端产生的相位模糊问题，通常采用相对相移DPSK及DQPSK（Differential Quadrature Phase Shift Keying）代替绝对相移PSK。

表2-3 数字调制分类

2.3.4 基本调制方法性能分析 2ASK，2FSK，2PSK和2DPSK调制原理如图2-19所示。

数字信号在传输过程中由于干扰、噪声和波形畸变的影响，可能产生误码。二进制数字信号在AWGN信道上通过载波键控方式传输时，如果接收端采用理想的相干解调方式并消除码间干扰，则平均误比特率 和归一化信噪比 / 关系可以表示为

（1）2ASK： （2）2FSK： （3）2PSK：   （2-28） （2-29） （2-30）

图2-19 2ASK，2FSK，2PSK和2DPSK调制原理图

图2-20 3种调制方式的误比特率性能比较

2.3.5 现代数字调制技术 在移动通信系统中采用的调制技术如表2-4所示。

表2-4 移动通信系统中的调制技术 移动通信系统 调 制 技 术 第一代蜂窝模拟移动通信系统（1G） 表2-4 移动通信系统中的调制技术 移动通信系统 调 制 技 术 第一代蜂窝模拟移动通信系统（1G） 语音：FM（Frequency Modulation） 信令：2FSK 第二代蜂窝数字移动通信系统（2G） GSM系统 GMSK 日本PDC /4-DQPSK 美国IS-136 IS-95A、IS-95B 下行：QPSK，上行：OQPSK 2.5G GSM/GPRS 2.75G E-GPRS 8PSK 第三代移动通信系统（3G） cdma2000 下行：QPSK，上行：HPSK WCDMA TD-SCDMA QPSK，8PSK，16QAM（仅适用于HS-PDSCH信道）

（1）二相相移键控（BPSK） 图2-21 BPSK调制器原理图

图2-22 BPSK相干解调器原理图

（2）正交（四相）相移键控QPSK 图2-23 BPSK信号的单边功率谱密度

图2-24 QPSK的相位k示意图

图2-25 QPSK调制器的原理图

图2-26 QPSK信号相位形成图

图2-27 QPSK相干解调原理图

（3）差分四相相移键控DQPSK和/4-DQPSK

图2-29 /4-DQPSK的差分解调器原理图

（4）偏移四相相移键控（OQPSK） 图2-30 OQPSK信号产生

（5）HPSK 图2-32 HPSK原理框图

2.4 信源编码技术 2.4.1 信源编码概述 信源编码是信源研究中的一个核心问题，也是信息论所讨论的编码中最重要的编码之一。

信源编码的目的是压缩数据率，去除信号中的冗余度，提高传输的有效性。 其评价标准是在一定失真条件下要求数据速率越低越好。

信源编码按对信息处理有无失真可分为无失真编码和限失真编码，限失真编码符合大多数实际情况；按信号性质分，有语言编码、图像编码、传真编码等；按信号处理域分，有波形编码（或时域编码）和参量编码（或变换域编码）。

常见的脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）和增量调制（Delta Modulation，DM）等属于波形编码，各种类型的声码器属于参量编码。

信源编码要完成两大任务： （1）将信源输出的模拟信号转换成数字信号（模数转换，即A/D变换）； （2）实现数据压缩。

2.4.2 语音编码 通信系统中引入语音编码的目的是解除语音信源的统计相关性，压缩语音编码的码率，提高通信系统的有效性。

语音编码大致分成以下3类。 （1）波形编码 （2）参量编码 （3）混合编码

2.4.3 数字移动通信中的语音编码 （1）数据比特率 （2）语音质量 （3）复杂度和处理时延

表2-7 语音主观评判方法 MOS 质 量 等 级 收听注意力等级 应 用 5 质量完美：Excellent 可以完全放松，不需要注意力 表2-7 语音主观评判方法 MOS 质 量 等 级 收听注意力等级 应 用 5 质量完美：Excellent 可以完全放松，不需要注意力 公共骨干网 4 高质量：Good 需要注意力，但不需要明显集中注意力 3 质量尚可（及格）：Fair 中等程度的注意力 移动通信网 2 质量差（不及格）：Poor 需要集中注意力 合成语音 1 质量完全不能接受：Bad 即使努力听，也很难听懂

表2-8 几种低数据比特率语音编码参数与性能比较 表2-8 几种低数据比特率语音编码参数与性能比较 编码器类型\ 指标\参数 数据比特率（kbit/s） 复杂度 （MIPS） 时延 （ms） 质量 （MOS） 脉冲编码调制（PCM） 64 0.01 4.3 自适应差分脉冲编码调制（ADPCM） 32 0.1 4.1 自适应子带编码 16 1 25 4 多脉冲线性预测编码 8 10 35 3.5 随机激励线性预测编码 100 线性预测声码器 2 3.1

2.4.4 语音压缩编码原理 （1）波形编码原理 脉冲编码调制（Pulse Code Modulation，PCM）是实现模拟信号到数字信号的通用方法，具体步骤是抽样、量化和编码，PCM系统原理图如图2-33所示，抽样量化和编码示意图如图2-34所示。

图2-33 PCM系统原理图

图2-34 PCM抽样、量化和编码示意图

（2）参量编码原理 图2-35 语音产生的物理模型

（3）混合编码原理 混合编码是介于波形编码和参量编码之间的一种编码方法，兼有参量编码低速率和波形编码的高质量的优点。

波形编码的速率下限是16kbit/s，质量在4. 1到4. 5之间；参量编码的速率上限是4kbit/s，质量在3 波形编码的速率下限是16kbit/s，质量在4.1到4.5之间；参量编码的速率上限是4kbit/s，质量在3.5以下；混合编码的速率的范围在4～16kbit/s之间，质量维持在4左右。

2.4.5 第三代移动通信系统中的语音编码 （1）cdma2000系统中的EVRC声码器 （2）WCDMA系统中的AMR声码器

表2-9 EVRC语音编码 信 道 模 式 编码模式（信源速率） 全速率 9.6kbit/s 半速率 4.8kbit/s 1/8速率 1.2kbit/s

表2-10 AMR编码方案 信 道 模 式 编码模式（信源速率） 全速率 22.8kbit/s 12.2kbit/s，10.2kbit/s 7.95kbit/s，7.4kbit/s 6.7kbit/s，5.9kbit/s 5.15kbit/s，4.75kbit/s 半速率 11.4kbit/s

2.4.6 图像压缩编码 图像的信息量远大于语音、文字、传真和一般数据，它所占频带比其他类型的业务宽。 2.4.6 图像压缩编码 图像的信息量远大于语音、文字、传真和一般数据，它所占频带比其他类型的业务宽。 传输、处理、存储图像信息要比语音、文字、传真及一般数据技术更复杂、实现更困难。

图像一般可分为如下3类。 （1）静止图片 （2）准活动图像 （3）活动图像

表2-11 各类图像压缩编码标准 标 准 压缩比与数据比特率 应 用 范 围 JPEG 2～30倍 有灰度级的多值静止图片 JPEG2000 表2-11 各类图像压缩编码标准 标 准 压缩比与数据比特率 应 用 范 围 JPEG 2～30倍 有灰度级的多值静止图片 JPEG2000 2～50倍 移动通信中静止图片、数字照相与打印、电子商务 H.261  × 64kbit/s，其中 = 1,2,…，30 ISDN视频会议 H.263 8kbit/s～1.5Mbit/s POTS视频电话、桌面视频电话、移动视频电话 MPEG-1 不超过1.5Mbit/s VCD、光盘存储、视频监控、消费视频 MPEG-2 1.5Mbit/s～35Mbit/s 数字电视、有线电视、卫星电视、视频存储、HDTV MPEG-4 8kbit/s～35Mbit/s 交互式视频、因特网、移动视频、2D/3D计算机图形

2.5 信道编码技术 信道编码是移动通信系统中提高数据传输可靠性（减少差错）的有效方法。

信道编码通过加入校验位（即增加冗余）实现纠错和检错能力，其追求的目标是如何加入最少的冗余位而获得最好的纠错能力。

信道编码的目的是为了克服数字信号在存储或传输通道中产生的失真或错误，包括码间干扰产生的错误和外界干扰产生的突发性错误。

本节主要介绍第三代移动通信中常用的几种信道编码。

2.5.1 信道编码的定义 信道编码是为了保证通信系统的传输可靠性，克服信道中的噪声和干扰，而专门设计的一类抗干扰的技术和方法。

2.5.2 信道编码分类 从功能上看，信道编码可以分成3类。 （1）检错码 （2）纠错码 （3）混合检错纠错码

从结构上看，信道编码可以分成如下两大类。 （1）线性码 （2）非线性码

2.5.3 几种典型的信道编码 （1）线性分组码 （2）卷积码 （3）级联码和Turbo码 （4）ARQ与HARQ （5）交织编码

图2-36 （3, 1）卷积码编码器

图2-37 Turbo码编码原理图

表2-12 3G系统使用的信道编码 信道编码指标 WCDMA TD-SCDMA CDMA 2000 业务信道 信道编码 卷积码 码率 1/2或l/3 1/2、l/3或1/4 约束长度 9 高速信道编码 Turbo码 控制信道 1/2 1/2（反向）或1/4（前向）

图2-38 分组（块）交织器实现框图

2.6 功率控制技术 2.6.1 功率控制的意义 功率控制的目的是确保发射机输出合适的发射功率，使得到达接收端的信号强度大致相同，尽量降低对其他信道的干扰，进而提高系统容量。

图2-39 功率控制的作用

远近效应是指在上行链路中，如果小区内所有终端的发射功率相等，而各终端与基站的距离是不同的，由于传播路径不同，路径损耗会大幅度的变化，导致基站接收距离较近终端的信号强，接收较远距离终端的信号弱。

边缘问题是指在CDMA蜂窝移动通信系统中，移动终端进入小区边缘地区时，接收到其他小区的干扰大大增强，尤其是移动终端在此地区慢移动时，由于深度瑞利衰落的影响，差错编码和交织编码等抗衰落措施不能有效地消除其他小区信号对它的干扰。

2.6.2 功率控制的分类 在WCDMA系统中，若从通信的上行、下行信道角度来划分，可分为上行功率控制和下行功率控制（在cdma2000系统中，功率控制也称为前向功率控制和反向功率控制）；若从功率控制环路的类型来划分，又可分为开环功率控制、闭环功率控制两大类。

（1）上行（反向）功率控制 ① 上行开环功率控制 ② 上行闭环（内环）功率控制 ③ 上行闭环（外环）功率控制

（2）下行（前向）功率控制 ① 下行开环功率控制 ② 下行闭环（内环）功率控制 ③ 下行闭环（外环）功率控制

表2-13 第三代移动通信系统3种主流技术功率控制指标 方 式 指 标 信 道 WCDMA cdma2000 TD-SCDMA 功率控制方式和最大速度（Hz）或（次/s） 上行 信道 开环、闭环（1500Hz） 和外环（10～100Hz） 开环、闭环（800Hz） 和外环（50Hz） 开环、闭环（200Hz） 下行 闭环（1500Hz） 闭环（800Hz） 闭环（200Hz） 步长（dB） 0.25～4dB可变 0.25、0.5、1可变 1、2、3dB（闭环）可变

2.7 发送接收技术 对于CDMA这样一个自干扰的系统，研究干扰抑制技术有重要的意义，对多址干扰进行抑制将意味着系统容量的直接提高。 2.7 发送接收技术 2.7.1 多用户信号检测技术 对于CDMA这样一个自干扰的系统，研究干扰抑制技术有重要的意义，对多址干扰进行抑制将意味着系统容量的直接提高。

多用户检测是第三代移动通信系统中宽带CDMA通信系统抗干扰的关键技术。

任何无线信道特别是移动无线信道是时变信道，在时间域、频率域及空间域均存在随机扩散。 扩散和由之产生的衰落将严重恶化系统的性能，降低系统的频谱效率和系统容量。

对于CDMA系统，信道的扩散特别是时间扩散会使同一用户相邻符号间相互重叠产生相互干扰，即出现符号间干扰（Inter-Symbol Interference，ISI），而由于地址码正交性的破坏，不同地址用户之间还会出现多址干扰（Multi-Access Interference，MAI）。

传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别进行扩频码匹配处理，因而抗多址干扰能力较差。

多用户检测（Multi-User Detection，MUD）技术在传统检测技术的基础上，充分利用造成多址干扰的所有用户信号的信息对多个用户做联合检测或从接收信号中减掉相互间干扰的方法，有效地消除MAI的影响，从而具有优良的抗干扰性能。

多用户检测技术可分为线性检测和干扰消除两大类。 干扰消除多用户检测技术包括串行干扰消除多用户检测、并行干扰消除多用户检测和判决反馈多用户检测。

1．最佳多用户检测技术 图2-40 最大似然检测接收机

2．线性解相关多用户检测法 图2-41 线性解相关检测接收机

3．干扰消除多用户检测法 干扰消除多用户检测法包括串行干扰消除多用户检测和并行干扰消除多用户检测。

图2-42 并行干扰消除（PIC）检测器

2.7.2 分集技术 移动信道是复杂的信道，由于信号传播的开放性、接收点地理环境的复杂性和多样性、以及通信用户的随机移动性，使得移动通信信道存在4种主要效应（阴影效应、远近效应、多径效应和多普勒效应）和3类损耗，其中对传输可靠性影响较大的是小尺度衰落，其中选择性衰落包括时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落。

对抗选择性衰落、提高移动通信系统传输可靠性的有效手段是“分集”，分集重数越高，系统的传输可靠性亦越高。

1．分集技术的原理 分集技术是利用接收信号在结构上和统计特性上的不同特点来加以区分，并按一定的方法进行合并处理来实现对抗衰落。

2．分集技术的分类 按照信号的结构和统计特性，分集技术可分为空间分集、频率分集和时间分集3类。

按照合并方式，可分为选择性合并、等增益合并和最大比合并；按照信号收发，分集技术可分为发送分集、接收分集和收发联合分集，即多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）。

3．典型的分集接收技术 （1）空间分集 （2）频率分集

4．分集接收合并技术 合并时采用的准则与方式主要分为4种：最大比值合并（Maximal Ratio Combining，MRC）、等增益合并（Equal Gain Combining，EGC）、选择式合并（Selection Combining，SC）和切换合并（Switching Combining）。

（1）最大比合并 （2）等增益合并 （3）选择合并 （4）切换合并

图2-43 最大比合并原理图

图2-44 选择性合并原理图

图2-45 3种合并方式性能比较

图2-46 切换合并原理图

5．典型的发送分集技术 图2-47 开环发送分集原理框图

图2-48 闭环发送分集原理框图

表2-14 3G系统的主流技术中采用了发送分集技术 开环发送分集 闭环发送分集 WCDMA 时间切换发送分集，空时发送分集 两种模式闭环发送分集 cdma2000 正交发送分集，空时扩展发送分集 选择发送分集，发送分集天线阵列

2.7.3 Rake接收机 对采用CDMA技术的系统，无线信道传输中出现的时延扩展，可以被认为是信号的再次传输。

如果这些多径信号相互间的时延超过了一个码片的宽度，Rake接收机就可以对它们分别进行解调，通过对多个信号进行分别处理合成得到接收信号。

Rake接收不同于传统的空间、频率与时间分集技术，充分利用了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，所以又称为隐分集。

1．Rake接收机工作原理 Rake接收机由多个包含相关器的Rake支路组成，每个相关器接收一个多路信号。

不同信道具有不同的时延τ和衰落因子，对应不同的传播环境。

通过同步捕获/跟踪模块完成多径搜索，估计多径分量的延迟τ，识别具有较大能量的多径位置，完成路径选择。

Rake接收机利用相关器检测出多径信号中最强的M个支路信号，然后对每个Rake支路的输出进行加权、合并，以提供优于单路信号的接收信噪比，然后再在此基础上进行判决。Rake接收机的工作原理示意如图2-49所示。

图2-49 Rake接收机的工作原理示意图

2．第三代移动通信系统中的Rake接收 第三代移动通信系统中上、下行链路均采用导频信号，上、下行链路都可以采用相干解调，通过对各个路径信号的相位做出估计后，将接收的所有路径能量相加，提高信道解码的输入信噪比，克服移动通信环境中多径效应产生的严重信号衰落。

考虑到残留相位的影响，Rake接收机合并加权因子由非相关Rake接收中实数的 ，改为复数 。

2.7.4 智能天线技术 智能天线原名自适应天线阵列（Adaptive Antenna Array，AAA），最初应用于雷达、声纳等军事方面，主要用来完成空间滤波和定位，大家熟悉的相控阵雷达就是一种较简单的自适应天线阵。

在移动通信中自适应天线阵有一个较吸引人的名字—智能天线。 智能天线具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等智能功能，被认为是未来移动通信的关键技术。

1．智能天线的原理 智能天线是将无线电的信号导向具体的方向，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向（Direction of Arrival，DOA），旁瓣或零陷对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并删除或抑制干扰信号的目的，如图2-50所示。

图2-50 基站使用智能天线的波束赋形示意图

2．智能天线分类 智能天线可分为多波束天线与自适应天线阵列。 智能天线采用空分多址（SDMA）技术，利用信号在传输方向上的差别，将同频率或同时隙、同码道的信号区分开来，最大限度地利用有限的信道资源。

3．智能天线的实现 智能天线的实现重点在于数字信号处理部分，它根据一定的准则，使天线阵产生定向波束指向用户，并自动地调整系数以实现所需的空间滤波。 智能天线须要解决的两个关键问题是辨识信号的方向和数字赋形的实现。

智能天线技术的优点如下： （1）智能天线可以对高速率用户进行波束跟踪，起到空间隔离消除干扰的作用；

（2）大大增加系统容量； （3）增加覆盖范围，改善建筑物中和高速运动时的信号接收质量；

（4）提高信号接收质量，降低掉话率，提高语音质量； （5）减少发射功率，延长移动台电池寿命； （6）提高系统设计时的灵活性。

2.8 蜂窝组网技术 在通信频率资源紧张的情况下，为了扩大系统容量，采用分区制和频率重用的组网技术。

FDMA系统和CDMA系统均使用了频率重用技术，主要区别在于FDMA系统相邻小区使用不同的载频，而CDMA系统相邻小区既可以使用相同载频，也可以使用不同载频。

在移动通信中通常采用正六边形、无空隙、无重叠地覆盖一定区域，构成小区。 由于正六边形构成的网络形同蜂窝，因此将小区形状为正六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。

2.8.1 区群中的小区数目 由蜂窝结构构成的区群中，小区数目应满足下列公式： 式中，a，b为非负整数，不能同时为零。 2.8.1 区群中的小区数目 由蜂窝结构构成的区群中，小区数目应满足下列公式： 式中，a，b为非负整数，不能同时为零。 表2-15给出了不同a和b值时区群数N。

表2-15 区群内小区数N的取值 b\N\a 1 2 3 4 7 13 21 12 19 28 9 27 37 16 48

图2-51 N = 4和N = 7的蜂窝网小区覆盖

2.8.2 同频（信道）小区的距离 设小区的辐射半径为R（即六边形外接圆的半径），可以计算出同频信道小区中心间的距离D为 （2-54）

由公式可见，N越大，D/R的比值越大，同频小区的距离越远，抗同频干扰性能越好。 TDMA和FDMA的GSM系统通常取N = 7，CDMA系统N可以取1～7。

2.8.3 小区分裂技术 小区一般分为巨区、宏区、微区和微微区几类，具体指标及大体关系如表2-16所示。

表2-16 小区分类 蜂 窝 类 型 巨 区 宏区Macro Cell 微区Micro Cell 微微区Pico Cell 蜂窝半径（km） 表2-16 小区分类 蜂 窝 类 型 巨 区 宏区Macro Cell 微区Micro Cell 微微区Pico Cell 蜂窝半径（km） 100～500 ≤35 ≤1 ≤0.05 终端移动速度 （km/h） 1500 ≤500 ≤100 ≤10 运行环境 所有 乡村郊区 市区 室内 业务量密度 低 低到中 中到高 高 适用系统 卫星 蜂窝 蜂窝/无绳

当一个特定小区的用户容量和话务量增加时，小区可以被分裂成更小的小区，通过增加小区数（基站数）来增加信道的重用数，这个过程称为小区分裂。

图2-52 小区分裂图

2.8.4 扇区划分技术 蜂窝移动通信系统中的同频干扰可以通过使用定向天线代替基站中单独的一根全向天线来减小，其中每个定向天线辐射某一个特定的扇区。

这种使用定向天线来减少同频干扰，从而提高系统容量的技术叫做扇区划分技术。 通常一个FDMA系统划分为3个120°的扇区或6个60°扇区。

FDMA系统由于采用扇区划分技术会造成中继效率下降，话务量损失，因此一些运营商不用此方法，特别是在密集的市区，定向天线模式在控制无线信号传播时失效。

CDMA系统利用定向天线将小区分成几个扇区（120°3扇区），每个扇区的基站仅接收来自确定方向的用户信号，理论上可提高3倍的系统容量，由于相邻天线覆盖区有重叠，实际是2.55倍。

图2-53 CDMA小区6扇区组网的网络拓扑结构

小 结 1．移动通信中的各类新技术都是针对移动通信信道的特点而设计，用以解决移动通信的有效性、可靠性和安全性，因此分析移动通信信道的特点是研究移动通信关键技术的前提。 在移动通信中，无线电波主要以直射、反射和绕射传播。

信号传播的开放性，接收点地理环境的复杂性和多样性、以及通信用户的随机移动性是移动通信信道的特点。

在它们的共同作用下，接收信号具有4种效应和3类损耗。 在移动通信中主要的噪声和干扰有加性白高斯噪声、符号间干扰、多址干扰和相邻小区（扇区）干扰。

2．由于CDMA系统具有大容量、抗干扰抗多径抗衰落能力强、软切换、低功率、保密性好、可同频组网等独特的优势，使其成为3G系统的最佳接入方式。

CDMA技术的核心是扩频码和地址码的设计，常用的理想扩频码和地址码有PN码（m序列和Gold序列）、Walsh码和OVSF码，它们被广泛应用于WCDMA、cdma2000和TD-SCDMA系统中。

3．数字调制技术是对抗白噪声的基本技术手段，也是现代无线移动通信系统的核心处理单元。数字调制主要有3种形式：幅移键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）。 PSK调制被广泛应用于3G移动通信系统中。

4．信源编码的目的是压缩数据率，去除信号中的冗余度，提高传输的有效性。它包括模拟信号的数字化以及压缩编码，模拟信号的数字化一般采用A/D变换的方法。

3G系统的压缩编码包括语音编码、图像编码和多媒体数据编码。信源编码分成3类：波形编码、参量编码和混合编码。 高质量的混合编码是移动通信系统的首选方案。

5．信道编码是移动通信系统中提高数据传输可靠性（减少差错）的有效方法。其追求的目标是如何加入最少的冗余位而获得最好的纠错能力。

信道编码从结构上分为线性码和非线性码，从功能上分为检错码、纠错码和混合检错纠错码。 3G系统中的信道编码通常采用卷积码、Turbo码和交织编码等。

6．CDMA系统是自干扰系统，因此功率控制技术是CDMA系统的生命线。在保证服务质量（QoS）的前提下，通过控制发送端的发射功率来减少系统干扰，可以有效地解决远近效应和边缘问题，进而增加系统容量。

功率控制分上行功率控制和下行功率控制，从功率控制环路类型划分又可分为开环功率控制和闭环功率控制。 在3G的三大主流标准中，都采用了功率控制技术。

7．多用户检测技术是根据信息论中的最佳联合检测理论提出的有效抗多址干扰的技术，它可分为线性检测和干扰消除两类。 其中线性多用户检测技术主要有4种：解相关检测、最小均方误差检测、子空间斜投影检测和多项式扩展检测。

干扰消除多用户检测技术包括串行干扰消除多用户检测、并行干扰消除多用户检测和判决反馈多用户检测。

8．移动通信信道存在4种主要效应和3类损耗，对传输可靠性影响较大的是小尺度衰落，其中选择性衰落包括时间选择性衰落、频率选择性衰落和空间选择性衰落。

对抗衰落、提高移动通信系统传输可靠性的唯一手段是“分集”，分集重数越高，系统的传输可靠性亦越高。

按照信号的结构和统计特性，分集技术可分为空间分集，频率分集和时间分集3类；按照合并方式，可分为选择性合并，等增益合并、最大比合并和切换合并。

按照信号收发，分集技术可分为发送分集、接收分集和收发联合分集，即多输入多输出（MIMO）。

9．智能天线技术具有抑制信号干扰、自动跟踪以及数字波束调节等功能。在CDMA系统中，智能天线的应用提高了天线增益，减少了系统干扰，从而显著扩大了系统容量，提高了频谱利用率。 智能天线分为多波束天线和自适应天线阵列。

10．蜂窝组网技术是3G系统中的关键技术。在通信频率资源紧张的情况下，为了扩大系统容量，采用分区制和频率重用的组网技术。 蜂窝组网技术主要包括小区分裂技术和扇区划分技术。