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移动通信理论与实战第3章移动通信的物理层处理技术

3.1物理层概述

(1)物理层是移动通信系统的最底层，负责将数字信号转换为可以在物理信道上传输的模拟信号，并在接收端将模拟信号还原为数字信号。这一层的关键任务包括信道的传输、信号的调制与解调、信号的传输质量监控以及信道资源的分配等。物理层的设计直接影响着移动通信系统的性能、可靠性和覆盖范围。

(2)在物理层中，信道编码技术是一个至关重要的环节，它通过增加冗余信息来提高信号的传输可靠性。信道编码技术主要包括分组码、卷积码和Turbo码等，这些编码方式能够在一定程度上纠正由于信道噪声和干扰导致的错误，从而保证数据的准确传输。此外，物理层还涉及信号的调制与解调过程，调制技术将数字信号转换为适合在无线信道中传输的模拟信号，而解调技术则负责将接收到的模拟信号还原为原始的数字信号。

(3)物理层还负责多址接入技术的实现，这是允许多个用户共享同一无线信道的机制。常见的多址接入技术包括频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）和正交频分复用（OFDM）等。这些技术通过不同的方式将多个用户的信号在频域或时域上进行分离，从而实现高效的数据传输。物理层的这些技术不仅要求在理论上具有坚实的基础，还需要在实际应用中不断优化和改进，以满足不断增长的移动通信需求。

3.2信道编码技术

(1)信道编码技术是提高移动通信系统抗干扰能力的关键手段之一。以4GLTE系统为例，其采用了256-QAM调制方式，在20MHz频谱带宽下，理论峰值数据传输速率可达1Gbps。为了应对信道中可能出现的错误，LTE系统采用了卷积码和Turbo码进行信道编码。例如，在下行链路中，LTE采用了1/3的卷积码进行基本编码，再结合Turbo码进行迭代解码，显著提高了数据传输的可靠性。

(2)在实际应用中，信道编码技术需要适应不同的信道环境和数据传输需求。例如，在高速移动环境下，信道衰落严重，此时可采用低密度奇偶校验（LDPC）码和极化码等先进编码技术。LDPC码在5GNR标准中得到了广泛应用，其迭代解码性能优异，能够有效应对信道衰落和干扰。极化码在信道容量极限方面具有优势，被选为5G控制信道编码方案。

(3)信道编码技术的性能评估通常采用比特错误率（BER）和误包率（PER）等指标。例如，在LTE系统中，下行链路的基本传输速率下，LDPC码在5%的PER时，其BER可降至10^-3以下。而在5GNR系统中，极化码在相同的PER条件下，BER可降至10^-4以下。这些数据表明，信道编码技术在提高移动通信系统传输性能方面发挥着重要作用。

3.3信号调制与解调

(1)信号调制是将数字信号转换为适合在无线信道中传输的模拟信号的过程，而解调则是将接收到的模拟信号还原为原始数字信号。在移动通信系统中，常用的调制方式包括调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）和正交频分复用（OFDM）。例如，在3G蜂窝网络中，WCDMA系统采用了QPSK调制方式，其最高数据传输速率可达384kbit/s。而在4GLTE系统中，256-QAM调制被广泛应用于下行链路，理论峰值数据传输速率可达1Gbps。

(2)在实际应用中，调制和解调技术的性能受到多种因素的影响，如信噪比、信道带宽和干扰等。以OFDM调制为例，其在多径信道中表现出色，能够有效抑制符号间干扰（ISI）和频率选择性衰落。在LTE系统中，OFDM调制技术被广泛应用于下行链路，其性能在多个场景下进行了测试。例如，在室内场景下，OFDM调制在信噪比为20dB时，可以实现超过100Mbit/s的数据传输速率。

(3)调制和解调技术的选择对移动通信系统的整体性能至关重要。例如，在5GNR系统中，毫米波频段的应用对调制和解调技术提出了更高的要求。为了提高毫米波频段的数据传输速率，5GNR系统采用了256-QAM和1024-QAM等高阶调制方式。此外，为了应对毫米波频段中存在的信道特性，5GNR系统还采用了波束赋形和大规模MIMO等技术，以进一步提高信号调制和解调的性能。

3.4多址接入技术

(1)多址接入技术是移动通信系统中实现多个用户共享有限无线资源的关键技术。在2G时代，全球移动通信系统（GSM）采用了时分多址（TDMA）技术，使得多个用户在同一频段上通过不同的时隙进行数据传输。TDMA技术提高了频谱利用率，并在全球范围内得到了广泛应用。例如，GSM网络在900MHz和1800MHz频段上，每个载波可以支持多达8个用户同时通信。

(2)随着通信技术的进步，码分多址（CDMA）技术应运而生。CDMA技术允许多个用户在同一时间使用相同的频谱资源进行通信，通过不同的码序列来区分不同用户的信号。在3GUMTS系统中，CDMA技术被广泛采用，其数据传输速率可达2