Системы и сети мобильной связи

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации 
 
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ 
__________________________________________________________________________ 
 
 
 
 
 
 
 
М.А. РАЙФЕЛЬД, А.А. СПЕКТОР 
 
 
 
СИСТЕМЫ И СЕТИ  
МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ 
 
 
 
Утверждено Редакционно-издательским советом университета 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
НОВОСИБИРСК 
2019 

УДК 621.396.2.037.3(075.8) 
Р 186 
 
 
Рецензенты:  
канд. техн. наук, доцент А.В. Кривецкий 
канд. техн. наук, доцент Ю.В. Морозов 
 
 
Работа подготовлена на кафедре теоретических основ радиотехники 
для студентов факультета радиотехники и электроники, обучающихся 
по направлениям: 11.03.02 – Инфокоммуникационные технологии  
и системы связи, профиль «Системы мобильной связи»; 
11.04.02 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи, 
магистерская программа «Методы обработки информации  
в телекоммуникационных системах»; 11.03.01 – Радиотехника; 
11.04.01 – Радиотехника, магистерская программа «Статистические 
методы обработки сигналов и изображений» 
 
 
Райфельд М.А. 
Р 186  
Системы и сети мобильной связи: учебное пособие / 
М.А. Райфельд, А.А. Спектор. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 
2019. – 96 с. 

ISBN 978-5-7782-3833-6 

Материал учебного пособия направлен на изучение принципов передачи информации в современных системах мобильной связи. Рассматриваются вопросы кодирования и цифровой модуляции, применения широкополосных сигналов, основные разновидности каналов 
мобильной связи. Приводится описание системы IS-95. 
Адресовано студентам РЭФ, обучающимся по направлениям бакалавриата и магистратуры «Инфокоммуникационные технологии и системы связи». 
 
УДК 621.396.2.037.3(075.8) 
 
ISBN 978-5-7782-3833-6 
© Райфельд М.А., Спектор А.А., 2019 
 
© Новосибирский государственный 
 
технический университет, 2019 

Оглавление 
 
Введение .................................................................................................................. 7 

Глава 1. Фазоманипулированные сигналы в системах связи ...................... 9 

1.1. Некоторые теоретические положения ...................................................... 9 

1.1.1. Общие сведения о многостанционных  системах связи ................. 9 

1.1.2. Фазоманипулированные сигналы в системах связи ..................... 12 

1.1.3. М-последовательности и коды Голда ............................................ 16 

1.2. Краткие сведения о моделирующей программе .................................... 27 

1.3. Домашнее задание .................................................................................... 29 

1.3.1. Генерирование М-последовательностей........................................ 29 

1.3.2. КФ М-последовательностей ........................................................... 30 

1.3.3. Генерирование кодов Голда ............................................................ 30 

1.3.4. КФ кодов Голда ............................................................................... 30 

1.4. Экспериментальное исследование .......................................................... 31 

1.4.1. Изучение принципа генерирования М-последовательностей ............................................................................................... 31 

1.4.2. Изучение КФ М-последовательностей .......................................... 31 

1.4.3. Изучение принципа генерирования кодов Голда.......................... 32 

1.4.4. Изучение КФ кодов Голда .............................................................. 32 

1.5. Сравнение кодов Голда и М-последовательностей ............................... 33 

Контрольные вопросы .................................................................................... 33 

Глава 2. Каналы мобильной связи .................................................................. 35 

2.1. Некоторые теоретические положения .................................................... 35 

2.2.1. Канал с аддитивным белым гауссовским шумом ............................... 35 

2.1.2. Многолучевые каналы с замираниями ................................................ 36 

2.2. Краткое описание правил работы  с системой MatLab ......................... 40 

2.3. Экспериментальное исследование .......................................................... 46 

Изучение каналов мобильной связи с помощью моделей 
MatLab/Simulink ........................................................................................ 46 

Контрольные вопросы .................................................................................... 50 

Глава 3. Блочное и сверточное кодирование ................................................. 51 

3.1. Некоторые теоретические положения .................................................... 52 

3.1.1. Блочное систематическое кодирование ......................................... 52 

3.1.2. Сверточное кодирование................................................................. 54 

3.2. Указания по использованию пакета Simulink для создания модели 
кодера и декодера ..................................................................................... 58 

3.2.1. Модель блочного кодирования....................................................... 58 

3.2.2. Модель сверточного кодирования ................................................. 60 

3.3. Экспериментальное исследование .......................................................... 61 

3.3.1. Исследование блочного кодера ...................................................... 61 

3.3.2. Исследование сверточного кодера ................................................. 62 

Контрольные вопросы .................................................................................... 62 

Глава 4. Помехоустойчивые спектрально-эффективные виды  
модуляции (BPSK, DBPSK, QPSK, OQPSK, MSK) ........................ 63 

4.1. Некоторые теоретические положения .................................................... 65 

4.1.1. Общие сведения о видах модуляций,  используемых в системах подвижной связи ................................................................. 65 

4.1.2. Двоичная фазовая манипуляция (BPSK) ....................................... 65 

4.1.3. Дифференциальная фазовая манипуляция  (DBPSK) ................... 65 

4.1.4. Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) и квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом (OQPSK) ........................... 66 

4.1.5. Манипуляция с минимальным фазовым сдвигом (MSK) ............ 67 

4.2. Указания по использованию пакета Simulink для создания моделей модуляторов и демодуляторов ......................................................... 67 

4.2.1. Источники данных ........................................................................... 68 

4.2.2. Модели модулятора и демодулятора BPSK .................................. 69 

4.2.3. Модели модулятора и демодулятора DBPSK ............................... 70 

4.2.4. Модели модулятора и демодулятора QPSK .................................. 70 

4.2.5. Модели модулятора и демодулятора OQPSK ............................... 70 

4.2.6. Модели модулятора и демодулятора MSK .................................... 71 

4.3. Экспериментальное исследование .......................................................... 72 

Контрольные вопросы .................................................................................... 72 

Глава 5. Исследование прямого канала трафика системы IS-95 ............... 73 

Общие сведения о системе IS-95 .............................................................. 73 

Структура прямого канала IS-95 .............................................................. 74 

5.1. Структура схемы макета .......................................................................... 77 

5.2. Экспериментальное исследование .......................................................... 80 

Контрольные вопросы .................................................................................... 84 

Глава 6. Исследование обратного канала трафика системы IS-95 ............ 85 

Общие сведения о системе IS-95 .............................................................. 85 

Структура обратного канала IS-95 ........................................................... 86 

6.1. Структура экспериментального макета .................................................. 88 

6.2. Экспериментальное исследование .......................................................... 91 

Контрольные вопросы .................................................................................... 94 

Библиографический список ................................................................................. 95 
 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Содержание учебного пособия освещает проблемы нескольких 
учебных дисциплин, таких как «Теоретические основы систем мобильной связи», «Системы и сети мобильной связи», «Специальные 
программные средства обработки информации». Ряд вопросов, рассматриваемых в пособии, могут быть полезны обучающимся по 
направлению «Радиотехника». 
Пособие состоит из шести глав, материал которых направлен на 
изучение принципов передачи информации в современных системах 
мобильной связи.  
В первой главе рассматривается применение сигналов с фазокодовой модуляцией, где определяющую роль играют свойства бинарных 
последовательностей, используемых для модуляции. Поэтому основное внимание уделено методам получения последовательностей и исследованию их корреляционных характеристик. 
Во второй главе описаны основные разновидности каналов мобильной связи – канал с аддитивным белым гауссовским шумом и 
многолучевой канал с замираниями сигнала. Дается краткое описание 
системы MatLab, применение которой эффективно при экспериментальном изучении каналов мобильной связи. 
Третья глава посвящена методам помехоустойчивого кодирования, 
применяемым в системах мобильной связи, основное внимание уделено методам блочного и сверточного кодирования. 
Материал четвертой главы знакомит с помехоустойчивыми спектрально-эффективными видами модуляции, такими как двоичная фазовая манипуляция, дифференциальная фазовая манипуляция, квадратурная фазовая манипуляция, квадратурная фазовая манипуляция со 
сдвигом, манипуляция с минимальным фазовым сдвигом. Рассматривается использование пакета Simulink для создания моделей модуляторов и демодуляторов. 
 

Пятая и шестая главы посвящены изучению прямого и обратного 
каналов трафика системы IS-95. Приводятся общие сведения о системе 
IS-95, рассмотрены структурные схемы прямого и обратного каналов, а 
также представлены структуры лабораторных макетов, используемых 
при проведении экспериментов. 
В каждой главе учебного пособия содержится достаточно подробное теоретическое введение в проблему, даны задания для самостоятельного закрепления полученных знаний, для экспериментальных исследований, а также контрольные вопросы. 

Г л а в а  1  

ФАЗОМАНИПУЛИРОВАННЫЕ СИГНАЛЫ  
В СИСТЕМАХ СВЯЗИ 
 
Содержанием первой главы является изложение принципов генерирования и применения в современной связи фазоманипулированных 
(ФМ) сигналов, получение которых основано на использовании рекуррентных двоичных последовательностей. Рассматриваются методы 
получения и корреляционные свойства М-последовательностей и кодов Голда, применяемых для формирования ФМ-сигналов. 

1.1. Некоторые теоретические положения 

1.1.1. Общие сведения о многостанционных  
системах связи 

Одной из основных проблем систем подвижной связи является беспрепятственная работа любых двух абонентов в условиях одновременной работы в общем канале многих других абонентов. Суть проблемы 
состоит в обеспечении правильной адресации сигнала, который должен 
оказаться на выходе приемного устройства адресата-получателя сообщения. Вместе с тем должно быть сведено к минимуму влияние чужих 
сигналов на приемное устройство принимающего абонента. Существуют различные способы разделения каналов, одним из современных способов является разделение по форме сигналов. Суть его заключается в 
том, что в роли переносчика информации для данного абонента используется определенный индивидуальный адресный сигнал. 
Общий принцип связи на основе адресного разделения каналов иллюстрирует рис. 1.1. Источник сообщения ИСi , желающий передать 
информацию l-му получателю сообщения ПСl , осуществляет модуля

цию l-го адресного сигнала передаваемым сообщением. Как и во всех 
радиотехнических системах, сигнал далее в высокочастотном модуляторе переносится на высокую (несущую) частоту. Сформированный 
высокочастотный сигнал поступает затем в общий радиоканал, в котором одновременно присутствуют сигналы других абонентов, участвующих в связи в это же время. Нередко в таких системах связи всеми 
абонентами используется одна и та же несущая частота, так что разделение абонентов путем частотно-избирательной фильтрации невозможно. Единственным признаком, по которому обеспечивается селективное восприятие получателем сообщения адресованной ему информации, является форма адресного сигнала. Имеющийся в его приемном 
устройстве селектор каналов выполняет согласованную обработку этого адресного сигнала, например, путем согласованной фильтрации либо корреляционной обработки. 
 

i
ИС  
Модулятор l-го
адресного сигнала 

Генератор l-го
адресного сигнала 

Высокочастотный 
модулятор

Генератор несущего
колебания

Общий
радиоканал 

Детектор
высокочастотного сигнала 

Селектор
адресного сигнала 
ПСl

 
Рис. 1.1. Многостанционная система связи, основанная  
на разделении информации по форме сигналов 

При таком принципе действия большое значение имеют свойства 
сигналов, используемых в качестве адресов. Идеальными были бы 
такие свойства, при которых поступление чужой информации, передаваемой при помощи чужих адресных сигналов, приводило к нулевому выходному эффекту приемного устройства l-го абонента при 
обеспечении нормальной чувствительности к информации, передаваемой с использованием l-го адресного сигнала. Такие или близкие к 
ним качества систем связи достигаются в системах, работающих в 
синхронных режимах, если адресные сигналы составляют ортогональный ансамбль.  
В настоящее время наряду с синхронными системами связи широкое применение находят асинхронно-адресные системы связи (ААСС), 
в которых синхронизация отсутствует. В этих системах любой абонент 
направляет свое сообщение другому абоненту в произвольный момент 
времени, используя для этого определенный (индивидуальный) сигналпереносчик информации, играющий роль адреса получателя сообщения. Техническим признаком, объединяющим абонентов в общую систему, служит, во-первых, использование общей несущей частоты и, 
во-вторых, использование общей базисной системы адресных сигналов, применяемых для разделения абонентов. 
Общей чертой систем связи, конфигурация которых представлена 
на рис. 1.1, является практически автономный набор аппаратуры приема и передачи у каждого абонента. Вместе с тем всех абонентов объединяют указанные общие признаки. Технически каждый абонент 
представляет собой почти независимую станцию связи. Поэтому системы связи с такой конфигурацией получили название многостанционных систем. Подчеркнем отличие таких систем связи от классических многоканальных систем, чьей определяющей особенностью является наличие общего (единственного) передатчика для всех источников сообщений и общего приемника для всех получателей. Применение принципа многоканальной передачи информации возможно и 
оправдано тогда, когда имеется значительное количество абонентов с 
фиксированным местоположением в двух разнесенных пунктах. В отличие от этого многостанционный принцип используется для обеспечения связи между абонентами, которые произвольно распределены в 
пространстве, что не позволяет их сгруппировать для привязки к общей приемно-передающей аппаратуре. Более того, многостанционный 
доступ является эффективным средством, позволяющим решить проблему обеспечения связью подвижных объектов. 

Как уже было сказано, в ААСС каждый абонент имеет свободный 
доступ в общий канал связи в произвольный момент времени. Поэтому ААСС относят к системам связи со свободным доступом. Свободный доступ является большим достоинством таких систем связи. Вместе с тем совокупность сигналов других абонентов, осуществляющих 
работу в то же самое время, представляет собой помеху двум абонентам. Такая помеха называется взаимной. Реальная работоспособность 
ААСС определяется свойствами используемого ансамбля адресных 
сигналов, которые должны обеспечивать приемлемый уровень взаимной помехи при работе значительного числа или даже всех абонентов, 
входящих в эту систему. 

1.1.2. Фазоманипулированные сигналы в системах связи 

Очень часто в ААСС применяются фазоманипулированные (ФМ) 
сигналы, в которых для модуляции фазы используются различные коды. Основное применение в настоящее время находят двоичные (бинарные) коды, в которых используются символы 1 и 0. Представим 
полезный сигнал, предназначенный для l-го абонента в общем канале 
связи, в виде 

 


0
( )
( )cos{
( ) }
Re
( )
l
l
l
l
s t
S t
t
f t
s t



 

, 
(1.1) 

где 
0
[
( ) ]
( )
( )
l
j
t
f t
l
l
s t
S t e





 – радиосигнал, представленный в комплексной форме; 
( )
lf t  – кодовая комбинация, являющаяся адресным 
сигналом l-го получателя сообщения; 
0
  – несущая частота высокочастотного колебания, задаваемая генератором несущего колебания (см. 
рис. 1.1); 
( )
lS t  – сообщение, адресованное l-му получателю. Кодовая 
комбинация 
( )
lf t  принимает значения 1 и 0, что приводит, как видно 
из выражения (1.1), к значениям начальной фазы, равным   или 0.  
Изменения начальной фазы происходят всякий раз, когда изменяется 
значение 
( )
lf t . Выполнив простое преобразование (1.1), приведем его 
к следующему виду: 

 
0
( )
( )
( )Re{
}
j
t
l
l
l
s t
S t a t
e 

, 
(1.2) 

где 
( )
( )
l
jf t
la t
e


 – по существу та же кодовая последовательность, 
что и 
( )
lf t , однако ее значениями являются 1 (при 
( )
0
lf t 
) и –1 (при 

( )
1
lf t  ). Из уравнения (1.2) видно, что ФМ-сигнал может быть сформирован при помощи балансного модулятора, в котором выполняется 
перемножение высокочастотной несущей и кодовой последовательности со значениями 1 и –1. Пример ФМ-сигнала для трехэлементной 
кодовой последовательности 
( )
(1,  1,  
1)
la t 

 показан на рис. 1.2. 
 

 
Рис. 1.2. Фазоманипулированный сигнал 

На рис. 1.3 представлен процесс формирования комплексной ам
плитуды ФМ-сигнала 
( )
( )
 
 
( )
( )
l
jf t
l
l
l
S t e
S t a t
 
 при модуляции. Здесь 
считается, что передаваемое сообщение 
( )
lS t  также имеет характер 
бинарного кода со значениями 1 и –1. В результате модуляция приводит к инверсии адресной кодовой комбинации 
( )
la t  при значениях 
сообщения 
( )
1.
lS t  
 
Кроме сигналов (1.1) и (1.2) в общем канале в каждый момент времени присутствует I сигналов других источников, которые можно 
представить в виде 

 
0
(
)

0
( )
Re
(
)
(
)
i
I
j
t
i
i
i
i
i
n t
S t
a t
e
 






 
 





. 
(1.3) 

Здесь i , 
i  – временной и фазовый сдвиг сигнала i-го абонента, определяемые его удалением относительно получателя сообщения. Для l-го 

получателя информации выражение (1.3) представляет собой взаимную помеху. Приемник l-го получателя сообщения выполняет корреляционную обработку поступающих сигналов, при которой в качестве 
опорного используется сигнал, отличающийся от (1.2) отсутствием 
модуляции сообщением 
( )
lS t , т. е. имеет вид 

 


0
0
( )
( )cos
Re
( ) j
t
l
l
l
s t
a t
t
a t e 



. 
(1.4) 

Предполагается, что в приемном устройстве получателя сообщения 
при помощи устройства фазовой синхронизации производится восстановление начальной фазы высокочастотного колебания, благодаря чему достигается синфазность полезного сигнала и опорного колебания 
коррелятора. При этом фазы опорного сигнала и компонентов помехи (1.3) не совпадают. Примем, однако, далее для упрощения фазовые 
сдвиги 
i  равными нулю. Очевидно, что это приведет к завышенным 
оценкам влияния взаимных помех на ААСС, качество которых в действительности будет более высоким. 
 

 
Рис. 1.3. Процесс формирования комплексной огибающей  
ФМ-сигнала