无线移动通信基础知识

一、无线移动通信的特点

1. 复杂的无线传播环境导致信号衰落
2. 用户具有移动性
3. 电波传播条件恶劣
4. 在强干扰条件下工作
5. 具有多普勒效应
6. …

二、无线移动通信的电波传播机制及其应用

1. 直射波：卫星通信、微波通信
2. 反射波：短波通信、流星余迹远距离通信
3. 绕射波：中波/长波/甚长波均以地面波的形式绕射传播
4. 散射波：对流层散射通信
5. 透射波：室内接收

三、移动信道三大损耗

3.1 路径损耗

• 路径损耗是指无线电磁波在传输过程中由于传输介质的因素而造成的损耗。

• 电磁波在穿透任何介质的时候都会有损耗，故随着信号传输距离的增加，信号的功率会不断的降低（在没有中继的情况下）

3.2 快衰落损耗

• 快衰落主要是反映小范围移动的接收电平均值的起伏变化趋势。它的起伏速率比慢衰落快。
• 快衰落特点：动态信道，在一个符号持续期间信道是时变的，不能假定信道的时域增益恒定不变。由于频域扩展严重，信号频谱失真。

3.3 慢衰落损耗

• 慢衰落指在电磁波在传输路径上遇到障碍物产生阴影效应造成的损耗。
• 慢衰落的特点： 静态信道，可以假定在一个符号持续期间信道的时域增益恒定不变。信号频谱不失真。

四、移动信道四大效应

4.1 阴影效应

• 在移动台的移动过程中，建筑物或其他障碍物的阻挡导致接收信号损耗的现象称为阴影效应
• 移动台在运动的情况下，由于大型建筑物和其他物体对电波的传输路径的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区，从而形成电磁场阴影，这种随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强中值的起伏变化叫做阴影效应。
• 可以理解为你站在一个高大建筑物的影子里面，阳光无法照射到你的身上，这就好比建筑物挡住了信号直射到你的移动终端上。

4.2 多径效应

更多关于多经衰落详解请点击

• 在实际的无线电波传播信道中，常有许多时延不同的传输路径，在接收端会把各个路径接收到的信号进行叠加，有时候会使叠加后的信号与原信号相比产生严重失真，这称为多径效应。
• 最大时延扩展（多径时延扩展）：指的是由于信号会经过多条不同的路径到达接收端，导致发送端发送的一路信号会在接收端的不同时间都收到这一路信号，接收端第一次收到该信号和最后一次收到该信号之间的时间差就是最大时延差（最大时延扩展），当发送信号各符号间的时间间隔小于最大时延差，则就会造成符号间干扰；当发送信号各符号间的时间间隔大于最大时延差，则就不会造成符号间干扰。
  如下图，Td为最大时延扩展，多径效应产生了时间弥散。
  
  下图为有符号间干扰：符号周期小于最大时延扩展Td（Td就等于下图中的tao max）
  下图为无符号间干扰，符号周期大于最大时延扩展Td（Td就等于下图中的tao max）

4.3 多普勒效应

• 信号频率在信号源移向观察者时变高，而在信号源远离观察者时变低。即移动台在移动中通信，接收信号频率会发生变化的现象。 如下图，多普勒效应产生了频率弥散（多普勒频移）。
  

4. 远近效应

• 所谓远近效应，就是指当基站同时接收两个距离不同的移动台发来的信号时，由于距离基站较近的移动台信号较强，距离较远的移动台信号较弱，则距离基站近的移动台的强信号将对另一移动台信号产生严重的干扰。信号的强度与距基站的距离有直接关系。
• 解决办法：扩频码、功率控制、多用户检测、自适应技术

多径效应和多普勒效应引起的衰落的解决办法请继续往后面看

五、大尺度衰落与小尺度衰落

5.1 大尺度衰落

• 描述发射机和接收机长距离（数百或数千米）或长时间范围内的信号场强变化

• 即由于移动台和基站空间上的距离以及无线电波传播过程中受到建筑物阻挡而产生的衰落

• 路径损耗和阴影衰落为大尺度衰落

5.2 小尺度衰落

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• 信号的多径传播导致接收电平在较小范围内的衰落称为小尺度衰落

• 描述发射机和接收机短距离（数个或数十个波长）或短时间范围内的信号场强变化

• 包括由移动台和基站的相对运动造成多普勒频移引起的时间选择性衰落和由多径引起的频率选择性衰落

• 造成小尺度衰落的因素有：多径效应和多普勒效应

• 基于多经时延扩展可分为：平坦衰落（信号带宽小于相干带宽）和频率选择性衰落（信号带宽大于相干带宽）

• 基于多普勒扩展可分为：快衰落（符号周期大于相干时间，也称为时间选择性衰落）和慢衰落（符号周期小于相干时间，也称为非时间选择性衰落）

• 小尺度衰落造成的信号包络分布：瑞利分布和莱斯分布（莱斯分布是在瑞利分布的基础上增加了一条直射路径的影响）

六、相干带宽与相干时间

更多关于相干带宽和相干时间的详细内容请点击

6.1 相干带宽

• 相干带宽是描述时延扩展的，相干带宽等于多径时延扩展的倒数。

6.2 相干时间

• 相干时间是描述多普勒扩展的，相干时间等于多普勒频移的倒数。

七、3种快衰落

有书上这样分类3种快衰落：

7.1 频率选择性衰落

• 频率选择性衰落是指在不同的频率衰落特性不同的现象，引发频率选择性衰落的原因多是时延扩展，时域的时延扩展导致的不同频率的信号经过频率选择性衰落信道的时候具有不同的响应。

7.2 时间选择性衰落

• 时间选择性衰落是指在不同的时间衰落特性不同的现象，根据信号与系统中的时域与频域的对应关系，频域的多普勒频移会在相应的时域引起相应的时间选择性衰落。

7.3 空间选择性衰落

• 空间选择性衰落是指在不同的空间位置衰落特性不同的现象，在无线通信系统中天线的点波束产生了扩散而引起了空间选择性衰落。

八、如何解决衰落问题

8.1 分集接收技术解决多径效应引起的频率选择性衰落

• 分集接收技术是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的方法。
• 在同一时间段内，由于两个非相关的衰落信号同时处于深度衰落的概率很小，因此合成信号的衰落幅度会明显减小。
• 分集技术是为了解决多径效应引起的衰落而产生的。
• 分集的两重含义：分散传输和集中处理。分散传输：使接收端获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；集中处理： 接收机把收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。
• 利用不同路径、不同频率、不同电波到达角度、不同时间和不同集化等方式去接收载有同一信息的信号，并将同一信息的各个信号分量按某种原则加以合并的信息处理技术。
• 分集技术主要解决两个问题：一是如何获得同一信号的多个彼此尽可能不相关的接收信号；二是如何有效的利用所接收到的各支路信号，采取妥善的方式将它们合并。
• 空间分集：在接收端架设几副天线，各天线的位置间要求有足够的间距(一般在100个信号波长以上)，以保证各天线上获得的信号基本互相独立。
• 频率分集：采用两个或两个以上具有一定频率间隔的频率同时发送和接收同一信息，然后进行合成或选择。要求两个分集接收信号相关性较小。
• 角度分集：利用天线波束指向不同使信号不相关的原理构成的一种分集法。
• 极化分集：分别接收水平极化和垂直极化波而构成的一种分集方法，两个极化方向上的电磁波相关性极小。
• 选择式集中：从几个分散信号中设法选择其中信噪比最好的一个作为接收信号。
• 等增益相加式：将几个分散信号以相同的支路增益进行直接相加，相加后的信号作为接收信号。
• 最大比值相加式：控制各支路增益，使它们分别与本支路的信噪比成正比，然后再相加获得接收信号。

8.2 均衡技术解决多径效应引起的频率选择性衰落

• 在衰落信道中引入均衡的目的是减轻或消除由于频率选择性衰落造成的符号间的干扰 ISI。
• 时域均衡，它主要从时间响应考虑以使包含均衡器在内的整个系统的冲激响应满足理想的无码间干扰的条件。目前广泛利用横向滤波器来实现，它可以根据信道的特性的变化而不断的进行调整，实现比频域方便，性能一般也比频域好；特别是在时变的移动信道中，几乎都采用时域的实现方式。
• 频域均衡，它主要从频域角度来满足无失真传输条件，它是通过分别校正系统的幅频特性和群时延特性来实现的。主要用于早期的固定式有线传输网络中。

8.3 自动增益控制（AGC）解决多径效应引起的平坦衰落

8.4 交织编码技术解决多普勒效应引起的时间选择性衰落

• 交织编码是为了解决多普勒效应引起的衰落而产生的。
• 交织编码可以克服时间选择性衰落，即它可以把由于时间选择性衰落带来的大突发性差错信道改造成近似独立性差错的AWGN信道。
• 交织编码的目的是把一个较长的突发差错离散成随机差错，再用纠正随机差错的编码（FEC）技术消除随机差错。交织深度越大，则离散度越大，抗突发差错能力也就越强。但交织深度越大，交织编码处理时间越长，从而造成数据传输时延增大，也就是说，交织编码是以时间为代价的。因此，交织编码属于时间隐分集。在实际移动通信环境下的衰落，将造成数字信号传输的突发性差错。利用交织编码技术可离散并纠正这种突发性差错，改善移动通信的传输特性。

8.5 RAKE接收技术解决多径效应

• RAKE接收技术是指利用多个并行相关器检测多径信号，并按照一定的准则合成一路信号供解调使用的接收技术。
• 一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而RAKE接收采取变废为宝的方法，利用多径信号来增强信号。

九、移动通信发展历程

1G：FDMA

• 模拟通信系统，移动端就是俗称的大哥大
• 技术标准：FDMA

2G：TDMA

• 数字通信系统（2G以后的都是数字通信系统）
• 技术标准：TDMA
• 代表作：GSM全球移动通信系统（Global System for Mobile Communication），GSM网络由移动台MS、基站子系统BSS、网络子系统NSS、操作维护子系统OSS四部分组成，其中BSS由基站BTS和基站控制器BSC组成，NSS由移动业务交换中心MSC、归属位置寄存器HLR、拜访位置寄存器VLR、设备识别寄存器EIR和鉴权中心AUC组成。
• GSM网络结构

2.5G

• 代表作：GPRS：Gerneral Packer Radio Service（通用无线分组业务）
• AT指令控制GPRS模块，可实现给指定号码打电话和发送短信

2.75G

• EDGE，它是一种被称之为从2.5G的GPRS到3G之间的2.75G通信技术，它是从GPRS网络平滑过渡而来的，能提供高达150Kbps的上网速度，但其仍然属于GSM网络。在投入EDGE以后，运营商可以使GPRS数据速度增加3倍多，可以确保较高的质量和较快的速度，并能促进移动多媒体业务的增长。

3G：CDMA

• 中国移动：TD-SCDMA（时分同步码分多址）
• 中国联通：WCDMA（宽带码分多址）
• 中国电信：CDMA，CDMA2000
• 从此，懂一点CDMA
• 码分多址(CDMA)的本质-正交之美

4G：OFDMA

• 代表：LTE（Long Term Evolution 长期演进项目，实际上它只是3.9G）、VoLTE（可支持打电话和上网同时进行）
• TDD-LTE 是时分双工，即发射和接收信号是在同一频率信道的不同时隙中进行的，发射和接收信道彼此之间采用一定的保护时间予以分离。
• FDD-LTE 是频分双工，即采用两个对称的频率信道来分别发射和接收信号，发射和接收信道彼此之间采用一定的频段保护间隔予以分离。（TDD-LTE和FDD-LTE才是真正意义上的4G）
• TDD-LTE 和 FDD-LTE 都是 4G 网络，都采用了 MIMO 天线技术，支持对已用频率资源的重复利用。由于双工方式不同，彼此不兼容。 TDD 可以更方便的使用智能天线技术。同样单载波宽度情况下，TDD 所需要的频谱宽度比 FDD 小一半。TDD 传送和 FDD一样的数据时需要更大的功率。 TDD 系统需要全网时间严格同步， FDD 则不需要。在高速环境下， FDD 往往可以提供比 TDD 更高的速率。
• 技术标准：OFDMA（正交频分多址）
• 给小白讲解OFDM

5G：NOMA

• 技术标准：NOMA（非正交多址） 非正交多址技术NOMA基础知识
• 非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA) 技术以不同功率将多个信息流在时域/频域/码域重叠的信道上传输，在相同无线资源上为多个用户同时提供无线业务
• 移动通信技术发展到今天，频谱资源也变得越来越紧张了。同时，为了满足飞速增长的移动业务需求，人们已经开始在寻找既能满足用户体验需求又能提高频谱效率的新的移动通信技术。在这种背景下，人们提出了非正交多址技术（NOMA）。
• 非正交多址技术（NOMA）的基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除（SIC）接收机实现正确解调。虽然，采用SIC技术的接收机复杂度有一定的提高，但是可以很好地提高频谱效率。用提高接收机的复杂度来换取频谱效率，这就是NOMA技术的本质。
• NOMA的子信道传输依然采用正交频分复用（OFDM）技术，子信道之间是正交的，互不干扰，但是一个子信道上不再只分配给一个用户，而是多个用户共享。同一子信道上不同用户之间是非正交传输，这样就会产生用户间干扰问题，这也就是在接收端要采用SIC技术进行多用户检测的目的。在发送端，对同一子信道上的不同用户采用功率复用技术进行发送，不同的用户的信号功率按照相关的算法进行分配，这样到达接收端每个用户的信号功率都不一样。SIC接收机再根据不同户用信号功率大小按照一定的顺序进行干扰消除，实现正确解调，同时也达到了区分用户的目的。
• 5G的3个典型应用场景：连续广域覆盖、大规模机器类通信、低时延高可靠通信

十、码间干扰

10.1 码间干扰产生的原因

• 在无线通信系统中，由于多径传输，信道衰落等影响（或者说信道特性不理想），接收端会产生严重的码间干扰。另一方面，实际信道的频带总是有限的，并且偏离理想特性，当传输信号的带宽大于无线信道的相关带宽时，信号将会产生频率选择性衰落，接收信号就会产生失真，在时域上表现为波形发生时散效应，即接收信号产生码间干扰，导致系统误码率增大。码间干扰是无线通信信道中传输高速数据时的最主要障碍。
• 多径效应导致的时域色散（时散效应）的后果就是使得当前码元出现很长的拖尾，拖尾一直延伸到下一个码元当中，从而对下一个码元的判决造成干扰。
  

10.2 消除码间干扰的办法

10.2.1 基本思想

• 既然码间干扰是由当前码元的长长的拖尾对后续码元的判决产生的影响造成的，那么我们只要保证这个拖尾在后续码元的判决时刻正好为0（而在其他时刻值是多少就不管了）不就行了，如下图：
  

10.2.2 消除码间干扰的时域条件

10.2.3 消除码间干扰的频域条件

10.2.4 OFDM如何消除多径效应干扰

• OFDM如何消除多径效应干扰

十一、多址技术

11.1 FDMA（频分多址）

• 基本原理：将整个频谱划分为多个子频段，每个频段每次只能分配给一个用户。

• 将频率范围进行均匀地切分，其中的一份被称为一个信道。在单纯的 FDMA 系统中，通常采用频分双工（FDD）的方式来实现收发双方的双工通信。对于基站和移动台来说，他们收和发所用频率是不一样的，将可用的频率分为两部分。一部分用于移动台发给基站，称为上行信道；一部分用于移动台收来自基站的发出的信号，称为下行信道。把编号相同的信道之间的距离称为收发间隔。为了使同一个接收器间不产生干扰，收发频率间隔必须大于一定数值，以保证在这个间隔下接收频率和发送频率的衰落特性互不相关。 采用频分多址，每一个信道每一次只能分配给一个用户。
  
  注意实际在GSM网络中，下行信道频率（基站发，移动台收）要比上行信道频率（基站收，移动台发）高，而上图正好画反了。为什么GSM下行的频率要比上行的频率高呢

• FDMA优势：由于每个信道只传一路信号，传输速率低，因此由多经时延引起的码间交叠的概率减小，误码概率较低；不同用户的信道间有频带间隔，从而降低了信道间的干扰。

• FDMA缺点：频率规划复杂，频谱的有效利用率低，系统容量小；基站对应多部收发信机，增加了设备成本和通信成本；当移动台在小区中进行长距离移动时，需要不停地越区切换，更换频点，即要进行硬切换，此时用户会感觉到明显的瞬时中断，这对数据业务造成的影响很大。

11.2 TDMA（时分多址）

• 基本原理：把时间分割成周期性的帧，每帧再分割成若干不重叠的时隙，每个用户占用一个时隙。在满足定时和同步的条件下，移动台只能在指定的时隙内向基站发送信号或者接收基站发来的信号，并且每一个时隙仅允许一个用户使用。

• 把时间分成若干帧，再把每个帧分成若干个时隙，无论是帧还是时隙之间它们都是互不重叠的，把每个时隙称为时分多址的一个信道。将不同的用户放在不同的时隙上进行通信，同时在时隙中会设置一些保护间隔，这是为了避免相邻时隙之间发生重叠。在 TDMA 方式下由两种双工方式：时分双工（TDD）和频分双工(FDD)。
  

• 时分双工：将时间作为分割收发信号的参量，收发工作在相同的频率上。一帧中一半的时隙用于发送，另一半的时隙用于接收信号。
  

• 频分双工：收和发的频率不同，但同一方向的频率相同（意思就是上行为一个方向，下行为一个方向，上行和下行所用频率不同，但是所有的上行频率都一样，所有的下行频率都一样）。上行和下行是放在不同频点上进行的。
  
  注意上面这张图才真正的是GSM网络中实际的频率分配的样子，即下行频率要比上行频率高。

• TDMA优势：频率复用率提高，系统容量增加；TDMA收发在指定的时隙进行，收时不发，发时不收，可抗干扰，基站只需一部发射机，基站的复杂性降低；移动台不连续地突发式传输信息，越区切换可在信息传输的间隙中中进行，信息不会丢失；功控设备简单，基站用不同的时隙接收用户信号，克服了远近效应；保密性较好。

• TDMA缺点：通信双方只允许在规定的时隙中发收信息，需要精确的系统同步、帧同步和位同步，同步的好坏对系统的性能影响很大；当码元传输速率提高到100kbit/s以上后，由于多径或者时延扩展，造成接收端码间干扰显著增大，需要采用时域自适应均衡技术进行抑制，增加了设备复杂度。

11.3 CDMA（码分多址）

• CDMA利用不同的码字传输不同的信息，即先将信号用带宽很宽的伪随机序列进行调制，再用载波调制发射，接收端使用相同的伪随机序列与信号执行相关的处理，即可恢复信号。
• 在发送端：不同的用户使用互不相同、 相互正交或准正交的地址码，分别去调制不同用户的数据信号。
• 在接收端：利用地址码的正交性，通过地址识别即相关检测，从混合信号中选出相应的信号。系统的基站可以发射和接收多个不同的码字调制后的信号，用户发送信号前也要用相应的码字来进行调制。
• 特点：所有用户在相同时间段占有相同带宽，而且各个用户是同时发送和接收信号的。
• CDMA优势：采用软切换的技术，克服了硬切换传输断续的缺点；用户按不同的序列码区分，载波可在相邻的小区内使用，频率规划比FDMA和TDMA的简单；频谱利用率高，节约了频谱资源和功率资源；使用多用户检测技术，大大降低了用户端的发射功率和射频辐射，更加绿色环保，降低了建网成本。
• CDMA缺点：存在较为严重的远近效应问题，需要采用有效的功率控制措施和多用户检测技术以克服远近效应问题。
• 从此，懂一点CDMA
• 码分多址(CDMA)的本质-正交之美

11.4 三种多址技术的比较

• FDMA：将频率划分为不同的分组，双工方式为 FDD。
• TDMA：在频率上没有变化，时域上切分成很多小组，双工方式有 TDD和 FDD 两种。
• CDMA：不论从时域还是频域来看都是混叠在一起的信号，只有在码字上才能够进行区分。

11.5 SDMA（空分多址）

• 原理：利用自适应阵列天线，将空间分隔成互不重叠的区域；在不同的用户方向上形成不同的波束，各个波束发出的信号在空间上互不重叠。
• 目的： 在空间上区分用户。（想想生活中常见的基站上面天线分成的几个扇区）
  

11.6 OFDMA（正交频分多址）

• 将传输带宽划分为正交的一系列子载波集，将不同的子载波分配给不同的用户，占用不同子载波的用户间满足相互正交，理想同步时，系统没有多址干扰。
• FDMA 系统：不同的用户在相互分离的不同频段上进行传输，在各个用户的频段之间插入保护间隔；
• OFDMA 系统：不同的用户在相互重叠但彼此正交的子载波上同时进行传输的，利用 OFDM 技术为不同的用户分配不同的信道资源。由于这种正交性，从而用户间也不会相互干扰。
• OFDMA 在灵活性和频谱效率上有明显优势。

11.7 NOMA（非正交多址）

• 非正交多址技术NOMA基础知识

十二、移动通信的关键技术

12.1 物理层的关键技术

物理层位于OSI（开放系统互联）模型中的第一层，为通信提供实现透明传输的物理链接，为数据传输提供可靠的环境。

12.1.1 调制技术

• 数字基带调制技术：ASK、FSK、PSK；QAM（正交幅度调制）、MSK（最小频移键控）、GMSK（高斯最小频移键控）
• 多载波调制及数：多载波调制技术是为了满足不断提高的码元传输速率而产生的一种并行调制技术。OFDM是一种广泛使用的多载波调制技术。

12.1.2 抗衰落技术

• 信道编码：常见的有LDPC（低密度奇偶校验码）RS-CC码和Turbo码等
• 均衡技术：是指各种用来克服码间干扰的方法。
• 分集接收技术：是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的方法。
• RAKE接收技术：是指利用多个并行检测器检测多径信号，并按照一定的准则合成一路信号供解调使用的接收技术。

12.2 数据链路层的关键技术

• 数据链路层位于OSI（开放系统互联）模型中的第二层，介于物理层和网络层之间，主要是在物理层提供服务的基础上实现相邻节点的数据传送。
• 帧同步技术：要能够从比特流中区分出帧的起始与终止，因此需要设计帧同步技术。
• 多址接入技术：多址接入方案允许多个移动用户同时共享有限的无线频谱资源，从而获得高的系统容量。
• 差错控制技术：前向纠错法、反馈重传法和混合纠错法三大类，主要目的是降低系统的误码率。常用的差错控制编码有分组码、循环码、卷积码、Turbo码和级联码等。
• 流量控制技术：防止在端口阻塞的情况下丢帧，即发送方发送的数据接收方来不及接收时，就要控制发送方发送数据的速率。流量控制具体的技术有缓存、拥塞避免和窗口机制等。
• 链路管理技术：主要用于面向连接的服务。作用是：在收发节点间建立有效链接的过程中，建立一种状态确认与交换机制，保证链接建立后传输过程的有效开展，并在传输过程中，随时监控链路状态，以保证传输的连续性。

12.3 网络层的关键技术

• 网络层介于运输层和数据链路层之间，是OSI参考模型的第三层。
• 网络层的主要功能是提供路由，即选择到达目标节点的最佳路径，并沿该路径传送数据包。除此之外，网络层还具有无线资源管理（RRM）和移动性管理（MM）等功能。
• 路由选择策略：固定式路由选择、泛洪算法、随机路由选择、自适应算法。
• 无线资源管理的目标包括 保证每个业务的覆盖、保证请求连接的质量、保证较低的阻塞率和提高系统的利用率。
• 移动性管理用于保证在用户或终端的移动过程中，用户通信和对业务的访问不受网络接入点变化的影响，即不受位置变化和接入技术变化的影响。

12.4 其它层与跨层的关键技术

• 高层技术的应用包括运输层的TCP/UDP技术在无线通信中的应用和RTP实时传输技术的应用等。

12.5 OSI 七层模型和TCP/IP模型及对应协议（详解）

• OSI 七层模型和TCP/IP模型及对应协议（详解）

备注：几个基本概念

• 信号带宽：信号的最高频率和最低频率的差值，单位是Hz
• 信道带宽：信道所能允许通过的最高频率和最低频率的差值，单位是Hz
• 信道容量：信道所能无差错传输的最大比特率，单位是bps