移动通信-知识点总结

本文最后更新于 2024年1月27日 下午

移动通信-知识点总结

移动通信的定义是：通信的双方至少有一个在移动。

移动通信环境

无线电波传播的实质是多径传播。
### 移动通信的特点 移动通信所面对的问题可以由“四三二一”总结为：
- 四个效应
多径效应、阴影效应、远近效应、多普勒效应 - 三个干扰
共道干扰、邻道干扰、互调干扰 - 两个噪声
内部噪声、外部噪声 - 一个矛盾
日益增长的通信需求矛盾与有限的通信资源之间的矛盾

移动通信方式

传播类型 频段 特点* 应用举例
地波/地表面波 2MHz以下 趋于沿弯曲的地球表面传播，有一定的绕射能力。
在低频和甚低频段，地波能够传播超过数百千米或数千千米。		 微波、AM
天波 2-30MHz 经电离层多次反射后返回地面的无线电波叫天波。
通过数次反射，天波可以实现长距离无线传输。		 业余无线电波
视距传播 30MHz以上 在空间波所能直达的两点间的传播。
其距离同在地面上人的视线能及的距离相仿，一般不超过50km。		 移动通信

衰落

衰落是指在发送信号功率一定的前提下，接收到的无线电信号的功率出现路损模型无法预测的、有尺度的变化。
根据无线电波传播效应，通常将无线信道衰落按照持续时间或者幅度分为两类：大尺度衰落和小尺度（小尺度一般与信号波长为一个量级）衰落，尺度指时间或者距离的大小。

大尺度衰落

无线电信号的幅度和相位在长时间和长距离内的波动称为大尺度衰落。
大尺度衰落主要由路径损耗和阴影效应造成。

  • 路径损耗
    无线电信号通过大尺度距离的信道传输时，随传输路径的增加，电波能量扩散，导致接收信号平均功率衰减，其衰减量与传输距离有关，距离越大，衰减量越多。它是发送功率与接收的平均功率的差值。
    大多数的路损模型中认为自由空间损耗是理论上信号遭受的最小路损，自由空间损耗可以描述为：
    \[L_{fs}|_{dB}=32.44+20lgd_{km}+20lgf_{Mhz}\]

  • 阴影效应
    由于高大障碍物遮挡，导致信号被削弱甚至是阻挡而出现的功率的随机波动。其衰落特性服从对数正态分布。

大尺度衰落由路径损耗和阴影效应引起，由阴影效应造成的大尺度衰落又被称为慢衰落(slow fading)或者长期衰落(long-term fading)。慢衰落下，信号的功率服从对数正态分布。

小尺度衰落

小尺度衰落称为快衰落(fast fading)或者短期衰落(short-term fading)，由多径效应或多普勒效应引起。无线电信号在传输过程中其幅度或相位在短时间和短距离内的快速波动(fluctuation)。
发生小尺度衰落时，在视距传播下(LOS)，信号功率的包络线服从莱斯分布；在非视距传播下(NLOS)，信号功率的包络线服从瑞利分布。

  • 多径效应
    波在传输过程中遇到各种障碍物时会发生反射、绕射和散射现象，从而产生多条传播路径。由于路径长度不同，波到达接收者的时间也不同，产生相移。多径效应会引起信号的时延拓展(time dispersion)。

  • 多普勒效应
    接收机和发送机发生相对移动时，其接收到的波会发生频移。如果接收者远离波源移动（两者远离），则接收到的频率会逐渐降低。如果接收者靠近波源移动（两者靠近），则接收到的频率会逐渐升高。
    多普勒效应的频移量表示为：
    \[Δf=-\frac{1}{2π}\frac{Δφ}{Δt}=\frac{v}{λ}cosα=\frac{v}{c}fcosα\] 其中\(α\)是接收者与波源连线与水平面的夹角。

    多普勒效应会引起信号的频率拓展(frequency dispersion)。

噪声

在传播的过程中由于各种各样的因素，会造成接收方除了接收到有衰落的原调制信号外，还会接收到某些杂信号，这些杂信号称为噪声(noise)。噪声分为来自传输器件的内部噪声和环境中的外部噪声。

内部噪声

内部噪声是移动通信中最重要的噪声。最典型的内部噪声是热噪声(thermal noise)，它由电子和电路器件内部粒子的热运动产生。热噪声的功率可以表示为：
\[N=kTBF\] 其中，\(k=1.3805×10^{-23}J/K\)为玻尔兹曼常数；\(T\)为环境的开尔文温度；\(B\)为带宽；\(F\)为噪声系数，在理想条件下\(F=1\)。
化作对数即为：
\[N|_{dB}=[kTBF]=-228.6+10lgT|_{K}+10lgf|_{Hz}+F|_{dB}\]

外部噪声

移动通信中需要考虑到的外部噪声主要有三类：
- 大气噪声(atmospheric noise)
大气噪声的主要噪声源是电离层(ionosphere)中的带电粒子，这些带电粒子的放电会产生噪声。大气噪声的功率随着时间、季节、天气的变化而变化。
- 宇宙噪声(cosmic noise)
宇宙噪声的主要噪声源是大气层外某些星体的自然辐射和宇宙射线，在移动通信中主要考虑太阳的辐射。
- 人为噪声(man-made noise)
由于人类活动和人造电子设备产生的噪声。产生人为噪声的主要噪声源是汽车的点火器、电动马达、电视接收天线等。移动通信中主要考虑汽车的点火噪声(ignition noise)。

路径损耗模型

路径损耗模型的分类

基本的无线传输链路模型由接收天线和发送天线的功率\(P_t\)和\(P_r\)以及它们的增益\(G_t\)和\(G_r\)、以及传播过程中的损耗\(L\)组成：
\[P_r|_{dB}=P_t|_{dB}+G_t|_{dB}+G_r|_{dB}-L|_{dB}\] 定义路径损耗(path loss)为发送机发送的信号功率和接收机接收信号的平均功率之比。
路径损耗模型则是通过实验和理论分析，将具体环境下的路径损耗通过数学模型表达出来。路径损耗模型的分类如下表所示：

名称 特点 设置对象* 典型模型
麦克斯韦方程 1. 有助于了解电磁波在具体空间中的传播特性
2.对于实际工程过于复杂		 传输器件：比如天线和传输线
自由空间损耗模型 1. 非常容易计算
2.对于传播环境的描述过于简单，因此过于理想化
经验模型 基于实验测量和统计性质，模型只含有少量的参数，因此不精确 宏蜂窝 奥村模型（基于城市地带），COST-231模型
确定性模型/射线追踪模型 1.场所特定/地限性(site-specific)
2.需要大量的关于场地的几何信息
3.最精确的一类模型		 微蜂窝和皮蜂窝 两射线模型(适用于开阔地带)
半经验模型 确定性模型和经验模型的折中方案 Walfish-Ikegami模型和Lee模型

路径损耗模型的作用

利用路径损耗模型可以实现链路预算和对于移动台的定位。
- 链路预算是指：知道无线电波在具体环境中的路径损耗可以得到接收信号的功率、从而得到一个大致的信号覆盖范围，从而帮助规划位置和数量天线的设置，还可以帮助确定发送天线功率、灵敏度、增益和尺寸的设置。
- 通过对比估计和实际的信号功率，利用路径损耗模型也可以实现对于移动台的定位。

链路模型

在移动通信链路中，发送功率和接收功率的差异除了考虑收发天线增益\(G_t\)和\(G_r\)和路径损耗外，通常还要考虑大气散射损耗\(L_g\)、收发天线的馈线损耗\(L_t\)和\(L_r\)，以及噪声\(N\)，因此在基本无线传输链路模型下，增加了如下的环节：
\[P_r|_{dB}=P_t|_{dB}+G_t|_{dB}+G_r|_{dB}-L_t|{dB}-L_r{dB}-L_{fs}|_{dB}-L_{g}|_{dB}\] 其中：\(P_t|_{dB}+G_t|_{dB}-L_t|{dB}\)为发送机的有效辐射功率。如果采用全向天线，那么天线的增益为\(G|_{dB}=1\)。
载噪比CNR表示为：
\[CNR|_{dB}=P_r|_{dB}-N|_{dB}\] 噪声的功率表示为： \[N|_{dB}=[kTBF]=-228.6+10lgT|_{K}+10lgB|_{Hz}+F|_{dB}\]

无线资源利用技术

复用技术

复用技术的对象是基带信号，本质上是一种提高资源利用效率的技术。

复用技术名称 优点 缺点
频分复用 不需要时间同步和动态调整 -对信道资源的平均分配导致资源利用率不高
-不灵活
-需要保护带，是一种额外开销
时分复用 -只需要一个频率的载波就可以实现
-用户数多时仍有高吞吐量		 -对信道资源的平均分配导致资源利用率不高
-需要同步
-需要转换时间，是一种额外开销
时分复用+频分复用 可以抵御频率选择性干扰 -对信道资源的平均分配导致资源利用率不高
-需要精准同步
-需要转换时间和保护带，额外开销增大
码分复用 -高带宽利用率
-不需要同步
-抗干扰性强
 -对信道资源的平均分配导致资源利用率不高
-需要更复杂的信号检测技术
  • 空分复用
    在空分复用中使用多个有向天线在不同方向发送和接收不同路的信号。
    空分复用比较容易实现，因此几乎所有的移动通信系统都使用了空分复用。

多址技术

多址技术本质上是一种多用户场景连接同一传输媒体下的资源协调方式。

复用技术指多路信号合为一路信号，共享传输媒体，复用技术的对象是基带信号。
多址技术指多个终端共同连接同一个传输媒体，多址技术的对象是频带信号。 双工指上行链路和下行链路共享同一个传输媒体，进行的复用。


多址技术可以简单分为竞争的多址技术(contention)和基于非竞争的多址技术(conflict free)。移动通信中使用的多址技术大多以基于非竞争的、非动态的多址技术为主：比如时分多址、频分多址、码分多址和空分多址。这样的多址技术的实质是对频带信号(即调制后的信号)的复用技术。

频分多址/FDMA

频分多址是对频带信号的频分复用，频分多址通过滤波实现。
频分复用的优点是：
- 复杂度低，易于同步。
- 鲁棒性(robust)好。 - 使用频分复用的物理层比特开销不大。

缺点是：
- 频段是稀缺资源，频分多址的频带固定分配给固定链路，链路空闲会造成分配的频带被浪费。
- 同时对射频干扰滤波器(RF filter)要求较高以减少邻道干扰。

时分多址/TDMA

时分多址将一帧分为多个时隙并分配给各用户。每一时隙会预留一些保护时间以避免多径效应带来的时移对帧同步的影响。
原始的时分多址需要一个中央结点控制其他所有节点进行帧同步。
时分多址的优点是：
- 运用时分多址时，发送机会不时地开关机，因此能耗较低。
- 自带时隙，不需要双工器。

时分多址的缺点是：
- 对于同步的要求更高。
- 相比于频分多址其保护时间的开销更大。

时分多址被广泛应用于2G通信系统，应用时分多址时通常需要自适应均衡器。

空分多址/SDMA

空分多址是对频带信号的空分复用，空分多址技术可以由如下几种方法实现：
- 将全向天线服务的移动通信服务区小区化，相隔一定距离的不同的区群可以使用同一频率。
- 基站使用多个有向天线划分为多个扇区。不同的天线接收来自不同扇区的信号。
- 天线发送信号时进行波束赋形(beamforming)，使发送的电磁波的能量集中在某个方向上。

空分多址的优点是实现简单，因此大部分移动通信系统都采用了空分多址。其缺点是对天线的类型有所指定，不灵活。

码分多址/CDMA

时分多址和频分多址所使用的时间和频率带宽都是容量有限的资源，这些容量被称为硬容量。而码分复用利用不同的码片序列，称为伪随机码序列(presudo random code/presudo noise code,PN code)区分不同的用户。理论上码分复用可以支持无限个码片序列对应的用户，因此码分复用所使用的码片序列是一种无限容量的资源。
同码分复用，码分多址中的特定码片序列只能够被指定的接收机接收。
码分多址中要求用于区分不同用户的码片序列必须彼此不相关，以在接收机可以清晰地分辨各用户的信号。
当不同码片序列并非完全不相关时，不同码片序列彼此出现相互干扰，称为多址干扰(multi access interference). 多址干扰是码分多址特有的一种干扰现象，会造成解扩的困难。

码分多址的优点是：
- 所有的用户都可以用同一个频率，且不需要用户同步。
- 理论上用户容量无穷。
- 载波生成简单，对于直接序列码分多址，只需要将伪随机码与用户信息相乘（异或）即可得到载波。

码分多址的缺点是：
- 需要精准的功率控制来解决远近效应。
- 码片的定时(timing)和获取(acquiring)对接收机的要求更高。
- 带宽小。
- 会出现多址干扰，影响解扩。

宽带码分多址/WCDMA

宽带码分多址是一种宽带直接序列扩频/直接序列码分多址，其带宽在5MHz左右。宽带码分多址的实现方式有两步：
- 信道化(channelization)
对频带信号使用正交的信道化码以扩频增加信号带宽。信道化码是一种短码，其长度与扩频因子有关。
常见的编码方式为正交可变扩频因子编码(OVSF,orthogonal variable spreading factor coding)。
具体的编码规则为：
扩频因子始终为\(2^n\)。对于一组由1和-1组成的序列，在下一次扩增中会扩增为两种形式：
- 在该序列后添加与该序列符号完全相反的序列。
- 在该序列后添加与该序列符号完全相同的序列。

由这个规则生成的码片树如下图所示：

根据扩频因子，系统所使用的信道化码从这个码片树中被选择出来。

信道化码在上行链路和下行链路中有不同的作用：
在上行链路中，信道化码用于区分控制信道和专用信道(dedicated channel)。
在下行链路中，信道化码用于区分连接同一个扇区/小区的不同用户。

  • 加扰(scrambling)
    对信道化后的基带信号添加伪随机码(presudo code)以区分不同的小区/用户，同时也避免了小区之间由于使用同一个信道化码而产生的干扰。扰码的长度非常长，因此又被称为长码。
    在上行链路中，扰码用于区分不同的移动台。
    在下行链路中，扰码用于区分不同的扇区/小区。

最终所使用的代码是信道化码和扰码的乘积。

远近效应和功率控制技术

码分多址系统中，远近效应(near-far effect)尤为明显。简单来讲，远近效应用一句话可以概括为：“近水楼台先得月”：用户接收到的基站功率与其距离基站的远近有关。
- 对于距离基站近的用户，其收到的基站功率较高。
- 对于距离基站远的用户，其收到的基站功率较低。

为了减少远近效应，采用码分多址的通信系统会使用更加精准和复杂的功率控制(power control)技术来调整发送给不同距离用户的信号功率。

抗衰落技术

差错补偿技术

无线信道中最重要的差错补偿技术有三个：分集技术、误差控制编码和信道均衡。
#### 信道均衡技术 对于频率选择性信道，信道中的信号由于带宽有限而发生时延拓展，导致符号频谱出现重叠——这是导致码间串扰(ISI)的主要原因。

码间串扰出现的原因有二：其一是因为信道带宽有限，其二是多径效应，无论是哪一种都会引起时延拓展，进而导致符号频谱重叠。

信道均衡技术(channel equalization)可以有效的减少码间串扰。
简单来说，信道均衡的想法是在接收端的滤波器后和判决器之间增加一个新的器件——均衡器。均衡器是一种FIR滤波器，它能够根据信道的脉冲响赋予调整接收信号在各频点权重\(C_i\)。具体赋予权重的方式多样，常见的是使用最小均方误差算法(MMSE,minimum mean squared error)来赋予权重。信道均衡要求信道有相关性。
自适应信道均衡(adaptive cahnnel equalization)技术可以根据信道状态信息(channel state information, CSI)自动调整权重，使得码间串扰的程度减少到最小。

误差控制编码

误差控制编码是在信源编码阶段使用一些可以规避或者减少特定误差的编码方式的抗衰落技术。误差控制编码技术有前向纠错(forward error-correction，FEC)和自动请求重发(auto-repeat request,ARQ)两种。

  • 前向纠错
    前向纠错技术指在发送端，发送方根据发送数据的内容生成一组校验码，附加在数据前或后方。
    在接收方，接收者收到数据后按照相同的方式计算出一个校验码，并与发送方附带的校验码进行比对，如果两者不一致，则说明数据在传输的过程中发生了改变。某些校验方式还可以找到具体出错的比特位置，并且自动进行校正。
    根据编码器中是否需要内存(memory)，前向纠错码又分为卷积码(convolutional code)和分组码(block code)。
    经典的分组码是线性分组码，通常以\((n,k)\)线性分组码表示，其意义是：对于\(k\)比特的信息，使其添加上\(n-k\)比特的校验信息。在线性分组码中，通常以\(\frac{n}{k}\)表示编码效率。
    卷积码是编码器冲激响应与一段比特数据进行离散时间卷积，从而生成校验码，卷积序列的长度和编码的有效性与编码器的冲激响应序列长度和卷积的序列长度——即内存的大小有关。

  • 自动请求重发
    自动请求重发是一种后向校错(backward error correction)，它依赖于接收者。简单来说，如果接收者收到数据后发现数据有错，会通过反馈机制告知发送者重新发送该数据。
    自动请求重发的缺点是会有重传时延。

分集技术

分集(diversity)技术的理论基础是：相互独立的信道中的衰落也是相互独立的。因此，分集技术的基本思想是划分不同的逻辑信道，以对不同信道中的误差进行分别补偿，然后将这些信号进行合并，以得到一个较为完整的信号。
分集技术不会消除误差，但是会减小误码率，一般与其他技术连用。
分集技术包括了宏分集和微分集两大类，其中微分集又可以分为空间分集、时间分集、频率分集和极化分集等等。

  • 宏分集
    宏分集是一种多基站技术，其使用多个不同位置的基站(NodeB)对UE发送相同的信号。只要在各个方向上的信号传播受到的阴影效应不是同时的，这种办法就可以保证通信不会中断。
    3G中采用的软切换是一种宏分集技术。

  • 微分集
    微分集是针对于单个基站所使用的通信资源而言的。

    • 空间分集
      空间分集技术是使用多个有向天线将接收和发送空间划分为多个扇区(sector)的方法。常见的空间分集技术包括了4G中的MIMO 多天线技术(multi-input multi-output)以及5G的massive-MIMO技术等。

    • 时间分集
      常见的两种时间分集技术是交织和Rake接收机技术。
      交织(interleaving)是一种按照一定规律、将多份字符在同一位置切断、重组，以避免突发差错的技术。
      突发差错(burst error)通过交织和解交织(deinterleaving)被拆散为随机差错(random error)，并被校错机制捕捉。交织可以减少突发差错对数据的影响。 Rake接收机技术本质上也是一种时间分集，其用于对抗码分多址中由于多径时延导致的码片相关。

    • 频率分集技术
      频率分集技术主要包括了直接序列扩频(direct sequence spread spectrum,DS-SS)和正交频分复用(OFDM)，在后文中详细提到。

  • 合并技术
    接收到的多个相同的信号需要以某种合并(combining)方式合并为单个符号信号。合并技术包括最大比值合并(Maximum Ratio Combining, MRC)、等增益合并(Equal Gain Combining,EGC)和选择合并(selection combining)。最大比值合并需要对所有信号进行扫描和跟踪，因此效果更好。等增益合并的效果更差，但是易于实现。选择合并只会保留信号最强的一个分支，所需要的计算量更小。

扩频技术/码分复用技术

应用扩频技术的原因是因为在传输过程中符号的频谱常常会受到窄带信号的干扰，导致在接收方不能正确识别符号。因此使用扩频技术通过为来自不同数据的字符信号加上不同的伪随机序列进而扩展每个符号的频谱带宽。
扩频技术/码分复用技术的要点有二： - 码片序列的作用是原来的单个字符通过与频带扩展序列进行运算变为符号持续时间更短的多个字符（称为码片，chip）。也就是说，相比于原来每个符号的符号持续时间，单个码片的符号持续时间更短，在频域上表现为更宽的频谱。
- 不同的用户信号使用不同且唯一的码片序列。

具体而言，信道中的符号信号会受到宽带和窄带干扰的影响。在接收一侧，接收方使用解扩技术(despread)将符号频谱收窄的同时，也将窄带干扰信号的带宽拓宽，宽带干扰信号的带宽不受影响。这个混合的信号通过带通滤波器之后便可以复原。

此外，码片序列只有收发方拥有，因此码分复用技术有很好的保密性。
扩频因子(spreading factor)/处理增益(processing gain)用于表示扩频效率。扩频因子表示为宽带信号带宽与原信号带宽之比，是对一个比特对应多少个码片的直接反映。
\[G_p=\frac{B_{SS}}{B}\] 按照使用频带扩展序列的方式，扩频技术又分为直接序列扩频、跳频扩频和跳时扩频。

直接序列扩频

直接序列扩频(direct sequence spread spectrum,DS-SS)是使用一段直接生成的伪随机码与用户数据进行异或运算，得到受调后的数字信号。
直接扩频序列减少了频率选择性衰落，但是需要对每个符号非常精准的功率控制以使的每个字符的功率相等。移动通信中主要采用的是直接序列扩频。

跳频扩频和跳时扩频

跳频扩频(frequency hopping spread spectrum,FH,SS)是指用伪随机码序列进行频移键控，使载波频率不断跳变而扩展频谱的一种方法。
跳频扩频主要用于军用通信中，它可以有效的避开干扰，发挥通信效能。
同理，跳时扩频(time hopping spread spectrum)根据伪随机码序列选择不同时隙中的载波信号的方法，由于难以同步，因此现在比较少地使用这一系统。

Rake 接收机技术

在码分多址中，如果多径信号的时延超过了一个码片持续时间，那么接收到的噪声是非相关的，Rake接收机技术可以处理这种非相关的噪声。
Rake接收机技术指的是使用一种形状如“耙（rake）”的多分支天线技术。Rake接收机上每个天线的分支可以接收一路多径信号。Rake接收机对收到的各个多径信号进行调整：利用多个相关检测器检测多径信号，并调整成时延相同的信号。各路调整后的信号叠加，输出最终的信号。Rake接收机技术可以有效解决码分多址中的频率选择性衰落。

正交频分复用

正交频分复用是一种多载波调制技术，也是一种扩频技术。相比于传统的多载波调制技术，正交频分复用最大的不同是每个信道所使用的子载波在频谱上有所交叠。OFDM的技术的核心思想是将宽频率载波划分成多个带宽较小的正交子载波，并使用这些正交子载波发送及接收信号。
由于每个子载波的带宽小于相干带宽， OFDM可以有效克服频率选择性衰落。

循环前缀

由于多径效应造成的传输信号的相移可能会使得原来的载波之间不再具有正交性，并且导致码间串扰，因此有必要在每个载波前面添加一定的保护间隔，并且这个保护间隔中的信号是原信号的多个复制，称为循环前缀(CP,cyclic prefix)。

导频信号

如果循环前缀的持续时间大于信道时延扩展的时间，则平稳多径信道的影响可以通过其对每个子载波的系数振幅和相位的影响精确地为信道建模。
导频信号的作用就是使得接收端能够根据信道中导频信号幅度和相位的变化对信道进行建模和估计，从而在接收端实现信道均衡。

正交频分复用的特点

正交频分复用的优点是：
- 高频谱利用率
正交频分复用在载波之间不需要保护频带，大大提高了频谱利用率。
- 实现简单
在发送端和接收端只需要分别使用逆快速傅里叶变换和快速傅里叶变换就可以实现调制和解调。

  • 信噪比高
    由于正交频分复用中使用了比特映射，更多的比特可以被调制到一条子载波上，因此正交频分复用的信噪比很高。

  • 抵御窄带干扰
    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，可以抵御窄带干扰。

其缺点是：
- 高峰均比
由于正交频分复用信号是一组不同频率的正弦信号的和，其幅度变化非常大，因此正交频分复用有非常高的峰值-均值比(peak-to-average power rato, PAPR).高均峰比对信号的接收实现造成了困难。

蜂窝移动通信组网技术

工作方式

目前的移动通信大多采用全双工技术，可以分为频分双工(FDD)和时分双工(TDD)两种。
- 频分双工(FDD)
利用两个不同的频率进行区分上行和下行通信，并且收发频带之间有一定保护间隔以提高抗干扰能力。
- 时分双工(TDD)
上行和下行通信工作在同一频率，但是不同时隙区分上行和下行通信。

3GPP提出的2G、3G、4G标准中都使用了FDD，此外，3G和4G系统中使用了TDD。

划分小区/频率重用技术

由于移动通信所使用的频段是有限的，因此将覆盖的地理区域分割为多个更小的区域，称为小区(cell)，一个基站覆盖一个小区。相邻的小区之间必须使用不同的频率，由于无线电的衰减，在一定距离后又可以重新使用这个频率。
共同使用全部可用频率的若干个小区组成一个小区簇/区群(clustering)。
频率重用(frequency reuse)技术所指就是不同的区群之间使用对应的相同频率，使用各相同频率的两个小区的间隔应当相等，称为再用距离。

划分小区的优点是由于频率重用实现了高利用率和大容量；并且干扰被限制在了小区内部；同时小区之间的重叠可以保证即使一个小区掉话另一个小区也可以保持通话，具有鲁棒性。其缺点是带来了更多的建设成本和更复杂的移动性管理功能。

移动性管理

越区切换

越区切换（HO，hand-over/hand-off）指在作出越区切换决定后，将一个连接的所有无线电资源切换给另一个基站的情况。

切换过程分为：
- 硬切换（hard handover）
移动台越过两个基站服务区的重叠部分后，先断开原来基站的连接，再建立和新基站的连接。
- 软切换（soft handover）
移动台在两个BTS服务区的重叠部分处，在保持和原来基站连接的前提下，建立和新基站的连接。当移动台越过重叠部分后，再断开原来基站的连接。
更软切换(softer handover)则是发生在同一个基站的扇区和扇区之间软切换。

越区切换需要考虑何时切换的问题，越区切换的主要判决依据是功率电平(power level)和通信质量测量(quality measurements)。判决过程需要考虑：
- 触发方式(比如由功率电平触发、通信质量触发)
- 判决依据的阈值
- 目标小区选择过程

越区切换的控制分为测量过程和判定过程： - 移动控制(Mobile Controlled)：两者全部由移动台完成的策略。
- 网络控制(Network Controlled)：两者全部由网络控制器完成的策略。
- 移动台辅助控制(Network Controlled and Mobile assisted Handovers,MAHO)：
移动台测量到每个小区的信号强度，并报告给网络控制器，网络控制器决定是否进行切换以及切换的小区。
GSM中采用的是移动台辅助控制切换。

位置管理

用户设备在特定的情况下（比如开机、关机、间隔一定时间、参数变化等）需要向网络报告其位置，这个过程称为位置登记(Location Registration)。
位置管理的区域称为位置区(LA,Location Area)，位置区中含有若干个小区。位置区越大，包含的小区数目越多，需要进行跨区登记的负荷就越轻。但是位置区越大，寻呼被叫移动台时浪费的呼叫资源就更多。

蜂窝移动电话网演进

网络架构和关键技术

移动通信系统 用户终端 接入网 核心网 关键技术
2G
特点：全球通 		MS(Mobile Station)
SIM卡：存储用户通信数据
TE：终端设备
特点是机卡分离 		BSS(BaseStation Subsystem)
BTS：基站收发信机，负责收发信号
BSC：用于控制基站收发信机，和无线信道的交换 		NSS(Network and Switching Subsystem)
MSC：移动交换中心，负责交换数据
HLR:记录和管理本地常驻用户永久和半永久设备信息
VLR:记录和管理漫游用户临时设备信息
AUC：鉴权中心，负责授权和空中接口加密 		多址：FDMA+TDMA
双工：FDD
信道编码：卷积码
调制方式：GMSK
切换方式：移动台辅助控制的硬切换
越区切换/频率重用
3G
特点：多媒体 		UE(User Equipment)
USIM卡：存储用户通信数据
TE：终端设备 		RAN(Radio Access Network)
NodeB:基站，负责收发信号
RNC:负责控制基站和分配无线资源 		CN(Core Network)
 多址：FDMA+CDMA
双工：FDD+TDD
信道编码：卷积码和涡轮码
调制方式：QPSK
切换：软切换
Rake接收机技术/宏分集/功率控制
电路交换域
MSC：移动交换中心，负责交换数据
VLR:记录和管理漫游用户临时设备信息
GMSC:外部基于电路的网络的接口
分组交换域
SGSN:负责移动性、会话管理和计费
GGSN:确保和管理与外部分组交换网络的连接
公共部分
AUC：鉴权中心，负责授权和空中接口加密
HLR:记录和管理本地常驻用户永久和半永久设备信息
4G
特点：全IP 		eRAN(enhanced RAN)
eNodeB:负责收发信号，并带有管理控制功能 		EPC(Evolved Packet Core)
MME:信令处理
S-GW:连接不同的网络
P-GW:功能类似于GGSN，用于提供IP接入等功能
HSS:数据库，存储用户信息 		多址：OFDMA（下行）SC-FDMA（单载波FDMA，上行）
双工：FDD+TDD
信道编码：DPC
调制方式：QAM
MIMO多天线技术/载波聚合
5G
特点：万物互联 		NG-RAN(Next Generation RAN)
gNB：5G基站 		5GC(5G Corenetwork)
AMF：类似于MME，进行控制面的处理
UPF:进行用户面业务处理 		多址：NOMA
双工：FDD+TDD
Massive-MIMO/NFV+SDN/边缘计算

第五代移动通信系统/5G

5G的正式名称为IMT-2020。相比于4G，在用户设备上5G的移动设备不再限制于移动电话，而统称为移动设备，实现设备到设备(D2D)的通信。接入网方面使用密集蜂窝组网和密集多天线(Massive-MIMO)等技术，扩大容量。此外，5G中还有意将核心网的部分功能转移到接入网上，以减小时延，这样的技术称为边缘计算。核心网方面，5G核心网除了使用SDN外，还使用了网络功能虚拟化（NFV）技术，将4G的核心网功能虚拟化为软件功能。

特点与应用场景

  • 增强移动宽带(eMBB)
    相比于4G，5G拥有更大的带宽和更高的数据率，并且有更广的覆盖范围。应用例如8K超高清视频直播。
  • 海量机器类通信(mMTC)
    5G支持更高密度的连接，ITU定义5G的物联网连接数支持100万连接/平方公里。应用例如物联网、智慧城市。
  • 超可靠低时延通信(uRLLC)
    由于更高的数据率与低时延技术的应用，5G的传输时延更低，并且可靠性接近100%。应用例如自动驾驶、远程医疗。

组网技术

5G的组网技术分为两类：非独立组网技术(NSA)和独立组网技术(NA)。
简单来说，非独立组网使用4G和5G融合基站，用户通过5G基站和4G基站接入4G核心网。非独立组网主要聚焦于eMBB业务，是5G前期的过渡组网方式。
独立组网是一种独立于4G的组网方式，用户面和控制面都建立在5G核心网上。

第六代移动通信系统/6G

6G的网络架构可以概括为“空天地一体化”或者“天地一体化”。
#### 关键技术 - 人工智能
类似于ANN，PSO等等优化算法被应用于优化网络环境。
- 卫星/无人机通信
卫星/无人机(UAV)等可以在低空运作的航空器被用做基站，实现空天地一体化。

卫星定位系统

卫星通信和地面微波通信

地面的微波通信采用的频段是1到40GHz，其支持两个固定微波站之间的长距离视距(LOS)通信，微波通信会受到自由空间损耗/传输距离、对流层(troposphere，比如雨衰rainfall)和地形的影响，支持的通信范围受到地球曲率(earth curvature)的限制，通常在几十到几百公里。地面微波通信可以用做长途通信(long haul)和电视传输。
而卫星通信采用的频段是1-10GHz左右。卫星通信中使用卫星作为中继站，可以覆盖为由于地形和遮挡物微波通信无法覆盖的区域提供可靠的无线通信方式，覆盖区域可以达到上百公里。卫星通信受到自由空间损耗、对流层和电离层(ionosphere)的影响。

地面微波通信频段-ITU：https://www.itu.int/en/ITU-R/terrestrial/broadcast/Pages/Bands.aspx

卫星定位原理

卫星定位系统使用卫星进行定位，其需要：
- 实时定位信息(real-time location information)。 - 自主完整性检查(autonomous integrity checking):提供方法让用户确定导航方案的准确性。
- 为安全导航提供足够的精度(sufficient accuracy for safe navigation)。

在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以上的卫星。用户的位置坐标可以假设为\((x_u,y_u,z_u)\). 在GPS观测中，每一个卫星可以通过向接收机发信测量回传时间得到其与接收机之间的大致距离，称为拟极差（pseudorange）\(ρ_i\)。利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星就可以组成3个方程式： \[\begin{cases} \rho_1=\sqrt{(x_1-x_u)^2+(y_1-y_u)^2+(z_1-z_u)^2}\\ \rho_2=\sqrt{(x_2-x_u)^2+(y_2-y_u)^2+(z_2-z_u)^2}\\ \rho_3=\sqrt{(x_3-x_u)^2+(y_3-y_u)^2+(z_3-z_u)^2}\\ \end{cases}\] 其中第\(i\)颗卫星的坐标为\((x_i,y_i,z_i)\)。
这个方程组的解即为用户在地球上的位置\((x_u,y_u,z_u)\)。
因此至少需要3颗卫星就能知道地球上用户的位置，实现定位。
事实上，如果考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误差\(Δt\)，那么方程将会有4个未知数： \[\begin{cases} \rho_1=\sqrt{(x_1-x_u)^2+(y_1-y_u)^2+(z_1-z_u)^2}+cΔt\\ \rho_2=\sqrt{(x_2-x_u)^2+(y_2-y_u)^2+(z_2-z_u)^2}+cΔt\\ \rho_3=\sqrt{(x_3-x_u)^2+(y_3-y_u)^2+(z_3-z_u)^2}+cΔt\\ \end{cases}\] 其中\(c\)为光速。
因而需要引入第4颗卫星，形成4个方程式进行求解，从而得到钟差\(Δt\)和用户坐标\((x_u,y_u,z_u)\)。

卫星的定位原理-北斗卫星定位系统：http://www.beidou.gov.cn/zy/kpyd/201710/t20171021_4626.html

卫星定位系统结构

卫星定位系统的架构分为：
- 空间段(space segment)
卫星。主要的用途是中继，它可以接收并存储来自地面段的信息。其对时间的精准度要求非常高，通常内部设置有原子钟。此外，卫星也支持通过激光与其他卫星建立无线连接。
- 地面段(ground segment)
由监测站、控制站、上注站(uploading station)组成。主要作用为监测卫星的运行状况和估计板载时钟状态(estimate the on-board clock state)。
- 用户段(user segment)
由用户群和接收机组成。功能为获取卫星的信号并追踪从卫星接收到的信号、接收卫星数据、对PVT（位移、速度、时间）进行估计。

卫星定位系统类型

全球定位系统

名称 发射国家和地区 卫星数 轨道平面数 多址方式
GPS 美国 32 6 CDMA
GALILEO 欧盟 30 3 CDMA
GLONASS 俄罗斯 24 3 CDMA/FDMA
COMPASS 中国 55* 3 CDMA

北斗系统发射卫星数量：http://www.beidou.gov.cn/xt/fsgl/ ，第55颗卫星于2020年6月发射。

区域定位系统：
- 印度：IRNSS(Indian Regional Navigational Satellite System)：由7颗近地卫星组成。 - 日本：QZSS（准天顶卫星システム）：由5*颗卫星组成。与GPS系统协作，负责提供亚太地区的导航。
> QZSS系统卫星数量： https://qzss.go.jp/en/technical/qzssinfo/index.html ，第5颗卫星于2022年1月发射。

学习笔记 > 移动通信
移动通信-知识点总结
https://l61012345.top/2022/06/22/学习笔记/移动通信/知识点总结/
作者
Oreki Kigiha
发布于
2022年6月22日
更新于
2024年1月27日
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