第三讲
移动通信的基本技术（一）
2
主要内容
? 电波传播分析
? 编码和解码技术
电波传播分析
4
电波传播方式
直 射 波
反 射 波
绕 射 波
散 射 波
? ?
5
电波传播方式
1) 直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物,直接到达接收端的电波,
称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。
2) 反射波：电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,会在物体
表面发生反射,形成反射波。 反射常发生于地表,建筑物的墙壁表面等。
3) 绕射波：电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时,会由阻挡表面产生二次
波,二次波能够散布于空间,甚至到达阻挡体的背面,那些到达阻挡体背
面的电波就称为绕射波。 由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性,
使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。
4) 散射波：电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时,
会在其表面发生散射,形成散射波。 散射波可能散布于许多方向,因而电
波的能量也被分散于多个方向。
6
电波传播现象
阴影 效应
路径 损耗多径 衰落
移动 电台
发射 台
穿透 损耗
7
电波传播现象
? 移动通信电波传播最具特色的现象是多径衰落,或称多
径效应。无线电波在传输过程中会受到地形、地物的
影响而产生反射、绕射、散射等,从而使电波沿着各种
不同的路径传播,这称为多径传播。由于多径传播使得
部分电波不能到达接收端,而接收端接收到的信号也是
在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条
路径上信号的合成信号,因而会产生信号的频率选择性
衰落和时延扩展等现象,这些被称为多径衰落或多径效
应。
? 所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与
频率有关,即传输信道对信号中不同频率成分有不同的、
随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致,因
此衰落信号波形将产生失真。
8
电波传播现象
所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径,路
径长度不同,且传输路径随移动台的运动而不断变化,因而
可能导致发射端一个较窄的脉冲信 s0(t)=a0δ(t)在到达接
收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号。时延扩
展可直观地理解为在一串接受脉冲中,最大传输时延和最小
传输时延的差值,即最后一个可分辨的延时信号与第一个延
时信号到达时间的差值,记为 Δ,Δ就是脉冲展宽的时间。
?
…
a
0
n >>4
t
9
电波传播现象
移动台接收信号的强度随移动台的运动产生随机变化 (即衰落 ),这种变化的周期从几分之一秒至几小时不等。 因此
移动通信电波传播中的衰落又分为慢衰落和快衰落两种。
(也称长期衰落 )指的是接收信号强度随机变化缓
慢,具有十几分钟或几小时的长衰落周期。慢衰落主要是由
电波传播中的阴影效应以及能量扩散所引起的,具有对数正
态分布的统计特性。
快衰落 (也称短期衰落或多径衰落 )指的是接收信号强度
随机变化较快,具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。快衰落
主要是由电波传播中的多径效应所引起的,具有莱斯分布或
瑞利分布的统计特性。当发射机和接收机之间有视距路径
时一般服从莱斯分布,无视距路径时一般服从瑞利分布 。
10
电波传播现象
路径损耗是上述现象的一个综合结果,指的是信号从发射天线经无
线路径传播到接收天线时的功率损耗,可以用发射天线的绝对功率电平
与接收天线的绝对功率电平之差值来表示 。 路径损耗的一个主要原因是
电波会随着距离而扩散,从而使接收机的接收功率随着传输距离的增加
而减小 ; 路径损耗的另一个原因是地表以及地表上的各种障碍物的影响 。
因而,影响路径损耗的几点要素是, 传输距离, 天线高度和频率间隙等 。
例如,发射机的功率电平是 10 dB,若路径损耗为 50 dB,则接收机的接
收功率电平是 -40 dB。
11
典型电波传播的分析
自由空间是指相对介电常数和导磁率为 1的均匀介质所存在的空间,该
空间具有各向同性、电导率为零的特点,它是一种理想的传播环境。 电波
在自由空间传播时与在真空中传播一样,只有直线传播的扩散损耗。
对于移动通信系统而言,其自由空间路径损耗 Lbs仅与传输距离 d和电
波频率 f有关,而与收、发天线增益无关。可用下式来表示,
Lbs=32.44+20lgd+20 lgf
式中,传输距离 d的单位为 km,电波频率 f的单位为 MHz,Lbs单位为 dB。
12
电波传播的估算
对移动环境中电波传播特性的研究,可以采用两种方法, 理论分析方法
和实测分析方法 。 理论分析方法通常用射线表示电磁波束的传播,在确
定收发天线的高度, 位置和周围环境的具体特征后,可根据直射, 折射,
反射, 散射, 透射等波动现象,用电磁波理论计算电波传播路径损耗及
有关信道参数 。 实测分析方法是在典型的传输环境中进行现场测试,并
用计算机对大量实测数据进行统计分析 。 这两种方法最终都要建立有普
遍适用性的数学模型,以进行传播预测 。 在实际工作中,人们往往把二
者结合起来,从而能够实现对电波传播特性更准确的估算 。
13
常用的电波传播模型有 Okumura Hata模型和 WalfishIkegami。
Okumura Hata模型由国际无线电咨询委员会 (CCIR)推荐,其特点是
以准平坦地形城市市区环境作为基准,对其他传播环境和地形条件等因素分
别以校正因子的形式进行修正 。 Okumura Hata模型中值路径损耗经验
公式为 L
b＝ 69.55＋ 26.16 lgf-13.82lghb-α(hm)＋ (44.9-6.55 lghb)lgd
其中,Lb为市区准平滑地形电波传播损耗中值 (dB),f是工作频率 (MHz),hb是
基站天线有效高度 (m),hm是移动台天线有效高度 (m),d为移动台与基站之间
的距离 (km),α(hm)是移动台天线高度因子 。
电波传播的估算
14
电波传播的估算
Walfish Ikegami模型由欧洲电信科学技术研究联合
会推荐,其特点是从对众多城市的电波实测中得出的一种小
区域覆盖范围内的电波损耗模式。
不管是用哪一种模型来估算电波传播损耗,只是基于理
论分析和实际测试结果的近似计算。由于移动通信的实际
环境千差万别,因而很难用一种数学模型来精确地表征各种
不同地区的传播特性。随着移动通信的发展,小区半径越来
越小,小区传播环境的特殊性也越来越突出,也就越难归纳
出统一的传播模型。
编码和解码技术
16
信源编,解码
所谓信源编码是指将信号源中多余的信息除去,从而形成一个适合用来传
输的信号的过程。信源编码的目的是提高系统传输效率,去除冗余度。语
音编码属于信源编码，移动通信中采用的语音编码方法主要取决于无线移
动信道的条件, 由于频率资源十分有限,因此要求编码信号的速率较低 ; 由
于移动信道的传播条件恶劣,因而编码算法应有较好的抗误码特性。 另外,
从用户的角度出发,还应有较好的话音质量和较短的时延。移动通信对数
字语音编码的要求如下,
· 速率较低,纯编码速率应低于 16 kb/s;
· 在一定编码速率下的音质应尽可能高 ;
· 编码时延要短,要控制在几十毫秒之内 ;
· 编码算法应具有较好的抗误码性能,计算量小,性能稳定 ;
· 编码器应便于大规模集成。
17
信源编,解码
常用数字移动通信系统语音编码类型
18
由于通信信道,尤其是无线通信信道,容易受到外界干
扰和噪声的影响,因此导致信息在传输过程中发生改变,从
而在接收端接收不到完全正确的信息。 为了保证通信的可
靠性,必须采用信道编码。信道编码能够检查和纠正接收信
息流中的差错。
信道编码定理指出, 在编码速率小于信道容量的条件下,
通过编码可以使译码错误概率任意小,从而达到可靠通信。
该定理证明, 确实存在一种编码方式,其误码率随着码长 n的
增长趋于任意小。这说明信道编码属于冗余编码,而且冗余
度与误码率存在一定的反比关系。 需要指出的是冗余度越
高,误码率就越小,系统的可靠性就越高 ; 但同时,编码位数
就越多,需要的传输速率就越高,占用的信道带宽就越宽。
因此,必须研究编码技术,在保证系统可靠性的前提下,尽量
降低传输速率,减小信道带宽。
信道编,解码
19
信道编码的基本思想是按一定规则给数字序
列 m(称为信息码元 )增加一些多余的码元 (称为监
督码元 ),使不具有规律性的信息序列 m变换为具有
某种规律性的数码序列 C; 数码序列中 C的信息序列
码元 m与多余码元之间是相关的。 接收端的译码器
利用这种预知的编码规则进行译码,检验接收到的
数字序列 R是否符合既定的规则,从而发现 R中是否
有错，甚至纠正其中的差错。 根据相关性来发现
和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本
思想 。
信道编,解码
20
纠错编码是应用最广泛的编码,又可分为如下
几类,
(1) 按照纠正差错的类型可分为纠正随机错误的
编码和纠正突发错误的编码两种。随机错误是指码
元间的错误互相独立,即每个码元的错误概率与它
前后码元的错误与否无关 ; 突发错误是指一个码元
的错误往往影响其前后码元的错误概率,换句话说,
一个码元产生错误,则后面几个码元都可能发生错
误。在移动通信系统中,既要纠正随机错误,又要纠
正突发错误。
信道编,解码
21
(2) 按照信息码元和监督码元之间的约束方式不同可
分为分组码和卷积码两种。分组码是指编码的规则仅局限
于本码组之内,本码组的监督码元仅和本码组的信息码元相
关 ; 卷积码是指本码组的监督码元不仅和本码组的信息码元
相关,还与本码组相邻的前 n-1个码组的信息码元相关。
(3) 按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系
可分为线性码和非线性码两种。线性码是指信息码元与监
督码元之间的关系为线性关系,即监督码元是线性码元的线
性组合,编码规则可用线性方程来表示 ; 非线性码的信息码
元与监督码元之间不存在线性关系。
信道编,解码
22
(4) 按照码字的结构不同,可分为系统码和非系统码两种。
系统码是指前 k个码元与信息码组一致的编码 ; 非系统码不
具有系统码的特性。
(5) 按照码字中每个码元的取值可分为二进制码和多进
制码。 二进制码的码元有 0和 1两个取值,M进制码的码元
有 M个取值。 二进制码是应用最广泛的编码制式。
信道编,解码
23
信道编,解码
根据发送端信道编码的特性,接收端在解码后
采取的差错控制方式有,
· 前向纠错 (FEC)。发送端的信道编码器将信息
码组编成具有一定纠错能力的码。接收端信道译码
器对接收码字进行译码,若传输中产生的差错数目
在码的纠错能力之内时,译码器对差错进行定位并
加以纠正。
· 自动请求重发 (ARQ)。用于检测的纠错码在
译码器输出端只给出当前码字传输是否可能出错的
指示,当有错时按某种协议通过一个反向信道请求
发送端重传已发送码字的全部或部分。
24
信道编,解码
· 混合纠错 (HEC)是 FEC与 ARQ方式的结合。发
端发送同时具有自动纠错和检测能力的码组,收端
收到码组后,检查差错情况,如果差错在码的纠错能
力以内,则自动进行纠正。如果信道干扰很严重,错
误很多,超过了码的纠错能力,但能检测出来,则经
反馈信道请求发端重发这组数据。
· 信息反馈 (IRQ)也称回程校验方式。收端把收
到的数据,原封不动地通过反馈信道送回到发端,发
端比较发的数据与反馈来的数据,从而发现错误,并
且把错误的消息再次传送,直到发端没有发现错误
为止。
移动通信的基本技术（一）
2
主要内容
? 电波传播分析
? 编码和解码技术
电波传播分析
4
电波传播方式
直 射 波
反 射 波
绕 射 波
散 射 波
? ?
5
电波传播方式
1) 直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物,直接到达接收端的电波,
称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。
2) 反射波：电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,会在物体
表面发生反射,形成反射波。 反射常发生于地表,建筑物的墙壁表面等。
3) 绕射波：电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时,会由阻挡表面产生二次
波,二次波能够散布于空间,甚至到达阻挡体的背面,那些到达阻挡体背
面的电波就称为绕射波。 由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性,
使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。
4) 散射波：电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时,
会在其表面发生散射,形成散射波。 散射波可能散布于许多方向,因而电
波的能量也被分散于多个方向。
6
电波传播现象
阴影 效应
路径 损耗多径 衰落
移动 电台
发射 台
穿透 损耗
7
电波传播现象
? 移动通信电波传播最具特色的现象是多径衰落,或称多
径效应。无线电波在传输过程中会受到地形、地物的
影响而产生反射、绕射、散射等,从而使电波沿着各种
不同的路径传播,这称为多径传播。由于多径传播使得
部分电波不能到达接收端,而接收端接收到的信号也是
在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条
路径上信号的合成信号,因而会产生信号的频率选择性
衰落和时延扩展等现象,这些被称为多径衰落或多径效
应。
? 所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与
频率有关,即传输信道对信号中不同频率成分有不同的、
随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致,因
此衰落信号波形将产生失真。
8
电波传播现象
所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径,路
径长度不同,且传输路径随移动台的运动而不断变化,因而
可能导致发射端一个较窄的脉冲信 s0(t)=a0δ(t)在到达接
收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号。时延扩
展可直观地理解为在一串接受脉冲中,最大传输时延和最小
传输时延的差值,即最后一个可分辨的延时信号与第一个延
时信号到达时间的差值,记为 Δ,Δ就是脉冲展宽的时间。
?
…
a
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n >>4
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9
电波传播现象
移动台接收信号的强度随移动台的运动产生随机变化 (即衰落 ),这种变化的周期从几分之一秒至几小时不等。 因此
移动通信电波传播中的衰落又分为慢衰落和快衰落两种。
(也称长期衰落 )指的是接收信号强度随机变化缓
慢,具有十几分钟或几小时的长衰落周期。慢衰落主要是由
电波传播中的阴影效应以及能量扩散所引起的,具有对数正
态分布的统计特性。
快衰落 (也称短期衰落或多径衰落 )指的是接收信号强度
随机变化较快,具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。快衰落
主要是由电波传播中的多径效应所引起的,具有莱斯分布或
瑞利分布的统计特性。当发射机和接收机之间有视距路径
时一般服从莱斯分布,无视距路径时一般服从瑞利分布 。
10
电波传播现象
路径损耗是上述现象的一个综合结果,指的是信号从发射天线经无
线路径传播到接收天线时的功率损耗,可以用发射天线的绝对功率电平
与接收天线的绝对功率电平之差值来表示 。 路径损耗的一个主要原因是
电波会随着距离而扩散,从而使接收机的接收功率随着传输距离的增加
而减小 ; 路径损耗的另一个原因是地表以及地表上的各种障碍物的影响 。
因而,影响路径损耗的几点要素是, 传输距离, 天线高度和频率间隙等 。
例如,发射机的功率电平是 10 dB,若路径损耗为 50 dB,则接收机的接
收功率电平是 -40 dB。
11
典型电波传播的分析
自由空间是指相对介电常数和导磁率为 1的均匀介质所存在的空间,该
空间具有各向同性、电导率为零的特点,它是一种理想的传播环境。 电波
在自由空间传播时与在真空中传播一样,只有直线传播的扩散损耗。
对于移动通信系统而言,其自由空间路径损耗 Lbs仅与传输距离 d和电
波频率 f有关,而与收、发天线增益无关。可用下式来表示,
Lbs=32.44+20lgd+20 lgf
式中,传输距离 d的单位为 km,电波频率 f的单位为 MHz,Lbs单位为 dB。
12
电波传播的估算
对移动环境中电波传播特性的研究,可以采用两种方法, 理论分析方法
和实测分析方法 。 理论分析方法通常用射线表示电磁波束的传播,在确
定收发天线的高度, 位置和周围环境的具体特征后,可根据直射, 折射,
反射, 散射, 透射等波动现象,用电磁波理论计算电波传播路径损耗及
有关信道参数 。 实测分析方法是在典型的传输环境中进行现场测试,并
用计算机对大量实测数据进行统计分析 。 这两种方法最终都要建立有普
遍适用性的数学模型,以进行传播预测 。 在实际工作中,人们往往把二
者结合起来,从而能够实现对电波传播特性更准确的估算 。
13
常用的电波传播模型有 Okumura Hata模型和 WalfishIkegami。
Okumura Hata模型由国际无线电咨询委员会 (CCIR)推荐,其特点是
以准平坦地形城市市区环境作为基准,对其他传播环境和地形条件等因素分
别以校正因子的形式进行修正 。 Okumura Hata模型中值路径损耗经验
公式为 L
b＝ 69.55＋ 26.16 lgf-13.82lghb-α(hm)＋ (44.9-6.55 lghb)lgd
其中,Lb为市区准平滑地形电波传播损耗中值 (dB),f是工作频率 (MHz),hb是
基站天线有效高度 (m),hm是移动台天线有效高度 (m),d为移动台与基站之间
的距离 (km),α(hm)是移动台天线高度因子 。
电波传播的估算
14
电波传播的估算
Walfish Ikegami模型由欧洲电信科学技术研究联合
会推荐,其特点是从对众多城市的电波实测中得出的一种小
区域覆盖范围内的电波损耗模式。
不管是用哪一种模型来估算电波传播损耗,只是基于理
论分析和实际测试结果的近似计算。由于移动通信的实际
环境千差万别,因而很难用一种数学模型来精确地表征各种
不同地区的传播特性。随着移动通信的发展,小区半径越来
越小,小区传播环境的特殊性也越来越突出,也就越难归纳
出统一的传播模型。
编码和解码技术
16
信源编,解码
所谓信源编码是指将信号源中多余的信息除去,从而形成一个适合用来传
输的信号的过程。信源编码的目的是提高系统传输效率,去除冗余度。语
音编码属于信源编码，移动通信中采用的语音编码方法主要取决于无线移
动信道的条件, 由于频率资源十分有限,因此要求编码信号的速率较低 ; 由
于移动信道的传播条件恶劣,因而编码算法应有较好的抗误码特性。 另外,
从用户的角度出发,还应有较好的话音质量和较短的时延。移动通信对数
字语音编码的要求如下,
· 速率较低,纯编码速率应低于 16 kb/s;
· 在一定编码速率下的音质应尽可能高 ;
· 编码时延要短,要控制在几十毫秒之内 ;
· 编码算法应具有较好的抗误码性能,计算量小,性能稳定 ;
· 编码器应便于大规模集成。
17
信源编,解码
常用数字移动通信系统语音编码类型
18
由于通信信道,尤其是无线通信信道,容易受到外界干
扰和噪声的影响,因此导致信息在传输过程中发生改变,从
而在接收端接收不到完全正确的信息。 为了保证通信的可
靠性,必须采用信道编码。信道编码能够检查和纠正接收信
息流中的差错。
信道编码定理指出, 在编码速率小于信道容量的条件下,
通过编码可以使译码错误概率任意小,从而达到可靠通信。
该定理证明, 确实存在一种编码方式,其误码率随着码长 n的
增长趋于任意小。这说明信道编码属于冗余编码,而且冗余
度与误码率存在一定的反比关系。 需要指出的是冗余度越
高,误码率就越小,系统的可靠性就越高 ; 但同时,编码位数
就越多,需要的传输速率就越高,占用的信道带宽就越宽。
因此,必须研究编码技术,在保证系统可靠性的前提下,尽量
降低传输速率,减小信道带宽。
信道编,解码
19
信道编码的基本思想是按一定规则给数字序
列 m(称为信息码元 )增加一些多余的码元 (称为监
督码元 ),使不具有规律性的信息序列 m变换为具有
某种规律性的数码序列 C; 数码序列中 C的信息序列
码元 m与多余码元之间是相关的。 接收端的译码器
利用这种预知的编码规则进行译码,检验接收到的
数字序列 R是否符合既定的规则,从而发现 R中是否
有错，甚至纠正其中的差错。 根据相关性来发现
和纠正传输过程中产生的差错就是信道编码的基本
思想 。
信道编,解码
20
纠错编码是应用最广泛的编码,又可分为如下
几类,
(1) 按照纠正差错的类型可分为纠正随机错误的
编码和纠正突发错误的编码两种。随机错误是指码
元间的错误互相独立,即每个码元的错误概率与它
前后码元的错误与否无关 ; 突发错误是指一个码元
的错误往往影响其前后码元的错误概率,换句话说,
一个码元产生错误,则后面几个码元都可能发生错
误。在移动通信系统中,既要纠正随机错误,又要纠
正突发错误。
信道编,解码
21
(2) 按照信息码元和监督码元之间的约束方式不同可
分为分组码和卷积码两种。分组码是指编码的规则仅局限
于本码组之内,本码组的监督码元仅和本码组的信息码元相
关 ; 卷积码是指本码组的监督码元不仅和本码组的信息码元
相关,还与本码组相邻的前 n-1个码组的信息码元相关。
(3) 按照信息码元和附加的监督码元之间的检验关系
可分为线性码和非线性码两种。线性码是指信息码元与监
督码元之间的关系为线性关系,即监督码元是线性码元的线
性组合,编码规则可用线性方程来表示 ; 非线性码的信息码
元与监督码元之间不存在线性关系。
信道编,解码
22
(4) 按照码字的结构不同,可分为系统码和非系统码两种。
系统码是指前 k个码元与信息码组一致的编码 ; 非系统码不
具有系统码的特性。
(5) 按照码字中每个码元的取值可分为二进制码和多进
制码。 二进制码的码元有 0和 1两个取值,M进制码的码元
有 M个取值。 二进制码是应用最广泛的编码制式。
信道编,解码
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信道编,解码
根据发送端信道编码的特性,接收端在解码后
采取的差错控制方式有,
· 前向纠错 (FEC)。发送端的信道编码器将信息
码组编成具有一定纠错能力的码。接收端信道译码
器对接收码字进行译码,若传输中产生的差错数目
在码的纠错能力之内时,译码器对差错进行定位并
加以纠正。
· 自动请求重发 (ARQ)。用于检测的纠错码在
译码器输出端只给出当前码字传输是否可能出错的
指示,当有错时按某种协议通过一个反向信道请求
发送端重传已发送码字的全部或部分。
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信道编,解码
· 混合纠错 (HEC)是 FEC与 ARQ方式的结合。发
端发送同时具有自动纠错和检测能力的码组,收端
收到码组后,检查差错情况,如果差错在码的纠错能
力以内,则自动进行纠正。如果信道干扰很严重,错
误很多,超过了码的纠错能力,但能检测出来,则经
反馈信道请求发端重发这组数据。
· 信息反馈 (IRQ)也称回程校验方式。收端把收
到的数据,原封不动地通过反馈信道送回到发端,发
端比较发的数据与反馈来的数据,从而发现错误,并
且把错误的消息再次传送,直到发端没有发现错误
为止。
