第二章移动通信的基本概念修改

第二章移动通信的基本概念无线电波的传播特性移动信道的特征*陆地移动信道的场强估算与损耗蜂窝系统工作原理移动通信系统的基本网络结构无线环境下的噪声与干扰学习目标•理解并掌握直射波、反射波、地面波、自由空间传播、多径效应、多普勒频移、快衰落、慢衰落等概念。•初步了解地形、地物的分类，以及任意地形地区的传播损耗中值的估算。•掌握蜂窝、小区、区群、中心激励、顶点激励、移动通信系统的组成、多址技术等概念。理解常见的各类噪声与干扰，如同频干扰、邻频干扰、互调干扰、时隙干扰和码间干扰等，了解某些抑制噪声和干扰的技术。了解全国蜂窝系统的网络结构，了解移动通信网络的区域、号码、地址与识别。2.1无线电波的传播特性•电波的传播方式•直射波•大气中的电波传播•障碍物的影响与绕射损耗•反射波2.1.1电波的传播方式从发信机发出的电波在到达收信机时，可能会沿不同的路径进行传播，如图2-1所示。沿着地表面传播的电波（如路径1）称为地面波；从发射天线直接到达接收天线的电波（如路径2）称为直射波；经过大地反射到达收信机的电波（如路径3）称为反射波。一般而言，收信机A接收到的电波是由直射波和大地反射波合成的，所有这些波统称空间波。经过电离层反射而传播的电波（如路径4）称为电离层波，它主要用于短波通信。图2-1典型的电波传播通路地面波，中长波，几百千米直射波，微波，几十千米反射波，微波电离层波，短波，几千千米自由空间的传播衰耗lts定义为：2.1.2直射波24dlts(式2-1)式中，λ是电磁波的波长，d是收发天线间距离。图2-3自由空间L0为传播损耗，d为传播距离。频率越高，距离越远，则损耗越大。2.1.3大气中的电波传播2.2移动信道的特征•传播路径与信号衰落•多普勒效应•多径效应与瑞利衰落•慢衰落特性和衰落储备2.2.1传播路径与信号衰落移动无线电波传播路径损耗，主要是由于地形、传播路径上的无线电散射体等原因产生的，是直射加上镜面反射、漫反射和绕射等的综合结果，如图2-7所示。（1）镜面反射（2）漫反射：如投射到树叶上的无线电波。（3）绕射直射波反射波图2-7几种传播路径路径损耗快衰落慢衰落路径损耗阴影效应手机•多径效应的解释：•因为相位=频率*时间，频率为几百兆，时间为微秒级，则相位也很可观。•两个从不同路径来的信号，同相则叠加，那么增强；相位为π，则相反，则会出现深衰落。2.2.2多普勒效应假设移动台以恒定的速率移动时，会接收到来自远方信号源发出的信号电波，并设信号电波与移动台运动方向的夹角为θ，如图2-9所示，则频移值可表示为：cosf（式2-24）若移动台朝向入射波的方向运动，则频移为正，即接收频率升高；反之，若移动台逆向入射波的方向运动，则频移为负，即接收频率降低。图2-9多普勒效应示意图也就是：若移动台朝基站的方向运动，则频率增加；反之，若移动台远离基站运动，则频率减少。共有N条路径Ai为幅度即正态分布设信号包络μ的概率密度为f（μ），则：)2exp()(222f)0,0(（式2-27）μ相当于均值，σ相当于标准偏差，它们是两个参数f（μ）与μ/σ的关系如图2-11所示。图2-11瑞利分布的概率密度2.4蜂窝系统工作原理•什么是蜂窝•频率复用•多址方式2.4.1什么是蜂窝什么是蜂窝呢？移动通信系统是采用一个叫基站的设备来提供无线覆盖服务的，基站的覆盖范围有大有小，我们把基站的覆盖范围称之为蜂窝。早期的移动通信系统是在其覆盖区域中心设置大功率的发射机，采用高架天线把信号发射到整个覆盖地区（半径可达几十公里）。为了在服务区实现无缝覆盖并提高系统的容量，可采用多个基站来覆盖给定的服务区，每个基站的覆盖区称为一个小区。根据服务区域类型的不同，可划分为带状服务区和面状服务区。1．带状服务区对于公路、铁路、海岸等的覆盖可采用带状服务区，如图2-23所示。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。带状网宜采用有向天线，则每个小区是扁圆形的。带状网进行频率复用可采用双频制，也可用多频制。图2-23带状服务区的覆盖2．面状服务区（1）小区的形状可以实现一个平面的覆盖。按交叠区的中心线所围成的面积形状看，区域的形状可分为正三角形、正方形和正六角形三种。可以证明，要用正多边形无空隙、无重叠地覆盖一个平面区域，可取的形状只有这三种，如图2-24所示。图2-24小区的形状由正三角形，正四边形、正六边形覆盖一个平面时，各区域之同的中心距离、半个区域面积、交叠部分面积以及交叠区宽度如下表2-4所示。表2-4三种形状小区的比较R是外接圆的半径2.6R21.3R21.2πR20.35πR20.73πR2这里r应为R，即外接圆的半径由上图可见，正六边形的邻区距离及小区面积最大，这样用的基站就少一些。交叠区宽度及交叠区面积最小。为了避免干扰，要求重叠要尽量小。因此将正六边形选为蜂窝小区形状（2）区群的组成单位无线区群的构成应满足以下两个条件：一是单位无线区群之间彼此邻接；二是相邻单位无线区群的同频小区中心间隔距离是一样的。满足以上两个条件的关系式如下：22babaN（式2-43）式中N为构成单位无线区群的正六边形的数目，简称区群数。a和b不能同时为零，且是正整数。按照以上条件，可确定N有如下数值，相应的区群形状如图2-25所示。图2-25区群的组成（3）中心激励和顶点激励根据基站的位置不同，可有两种激励方式：如图2-26所示。一种是基站位于正六边形的中心，称为中心激励方式；另一种是基站位于每个正六边形的三个相隔的顶点上，称为“顶点激励”方式。图2-26两种激励方式示意图中心激励方式下，基站使用全向天线形成圆形覆盖区；顶点激励方式下，每个基站使用三个120º扇形覆盖的定向天线实现共同覆盖。使用定向天线，抗同频干扰能力强，所以一般使用顶点激励方式。同频干扰定向天线向左发射，从而不干扰右边的f1小区返回（4）盲点与热点盲点是指由于网络漏覆盖，使得该区域的信号强度极弱，通信质量严重低劣；热点是指由于存在商业中心等业务繁忙区域，造成空间业务负荷的不均匀分布。对于以上两“点”问题，往往通过设置直放站、分裂小区等方法加以解决。简单的移动通信系统的组成MSC(移动交换中心)BS基站BS基站BS基站PSTN公用电话交换网手机手机手机BSC(基站控制器)先讲MSC，BSCMSC：移动交换中心（MobileSwitchingCenter）BSC：基站控制器（BaseStationController）。它是基站收发台和移动交换中心之间的连接点。MSC(移动交换中心)BS基站BS基站BS基站PSTN公用电话交换网手机手机手机BSC(基站控制器)MSC(移动交换中心)BS基站BS基站BS基站手机手机手机BSC(基站控制器)较复杂的移动通信系统的组成为了解决盲点而设置。直放站也叫中继站，属于同频放大设备，它在无线电传输过程中起到信号增强的作用，如图2-27所示。直放站（Repeater）的设置滤波器下行选频模块图2-27直放站在下行链路中，由施主天线从宿主基站提取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波信号经功放放大以后，再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台的信号以同样的工作方式由上行放大链处理后发射到相应基站，从而达到基站与移动台间的信号传递。引入直放站有许多好处，如填补移动通信盲区以实现连续覆盖等等，但直放站的使用也会带来新问题，如时延等等。分裂小区在整个服务区中每个区的大小可以是相同的，但这只能适应用户密度均匀的情况。事实上服务区内的用户密度是不均匀的，例如居民区的用户密度较高，而市郊区的用户密度较低。因此，在用户密度高的居民区可使小区的面积小一些，在用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些，如图2-28所示。图2-28小区的分裂（5）蜂窝的种类•宏蜂窝小区•微蜂窝小区•其它蜂窝小区小区按照半径大小一般分为卫星小区、宏小区、微小区、微微小区等几类，具体见下表2-5。表2-5小区的分类2.4.2频率复用1．什么频率复用蜂窝系统的基本出发点是频率复用，也称为频分复用（FDM，FrequencyDivisionMultiplexing），就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带（或称子信道）以进行信号的传输。频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和，同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰，应在各子信道之间设立保护隔离带。频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作。10KHz50KHz60KHz110KHz120KHz170KHz保护带•通常，不同区群的两个小区只要相互之间的空间距离大于某一数值，就可使用相同的频道，而不会产生显著的同道干扰，这样就实现了频率再用。•频率复用的优势是可以提高频谱效率，但劣势是如果系统设计得不好，将产生严重的干扰，这种干扰称为同信道干扰。2．频率复用距离的计算（1）D与R的关系使用同一组频率的小区称为共道小区，它们间产生的干扰叫共道干扰。一个区群中的小区数愈少，则相邻区群的地理位置愈靠近，共道干扰就会愈强。根据蜂窝系统的几何关系，设区群数为N，则有：3DRN（式2-44）N是小区数，D是同频小区的距离。D越大，则干扰越小以前大区中频率只能用1次，而现在分成小区，频率用了很多次R是小区外接圆的半径•载波干扰比：英文名称：carrier-to-interferenceratio，C/I，即载波功率（有用信号功率）与干扰信号功率的比值。•dB（分贝）是表示两个量的比值大小，本身没有单位。对电压或是电流的比值进行换算时，(A/B)dB=20lg(A/B)对功率的比值进行换算时，(A/B)dB=10lg(A/B)假设载波功率是200W，干扰信号功率是2W，那么载干比C/I=200W/2W=100，通常换算成dB值表示，也就是载干比为10lg100=20dBa为衰落指数射频防卫度4个小区，12个扇区N是由（C/I）s所确定，可推出：41()()6sDCIR（式2-45）D与R的关系：()3DkR所以sICk)(32（式2-46）对于7/21复用方式（即7个基站，21个小区使用21组频率），则同频复用距离D为（式2-47）同理，对4/12复用方式，D=6R；对3/9复用方式，D≈5.2R。33*217.9DkRRR可见，区群内小区数k越大，同信道小区的距离就越远，抗同频干扰的性能也就越好。但区群内小区数k也不是越大越好，k大了以后，用得设备多了，增加成本。所以，k到底取多少，还是要综合考虑各方面的因素。2.4.3多址方式•频分多址技术（FDMA）•时分多址技术（TDMA）•码分多址技术(CDMA)1频分多址技术（FDMA,FrequencyDivisionMultipleAddress)移动通信的频率资源十分紧缺，不可能为每个移动台预留一个信道，因此只能事先为每个基站配置好一组信道，供该基站所覆盖的小区内的所有移动台共用。这就是信道共用问题。频分复用技术下，多个用户可以共享一个物理通信信道。频分复用（FDM）又称频分多址，是发送端对所发信号的频率参量进行正交分割，形成许多互不重叠的频带，即将载波带宽划分为多个不同频带的子信道。在接收端利用频率的正交性，通过频率选择(滤波)，从混合信号中选出相应的信号，这样每个子信道可以单独并行地传送一路信号。如下页图。0KHz50KHz60KHz110KHz120KHz170KHz保护带在单纯的FDMA系统中，通常采用频分双工（FDD）的方式来实现双工通信，即接收频率F和发送频率f是不同的。所以，为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰，收发频率间隔│f-F│必须大于一定的数值，因此在FDMA系统中，收发频段是分开的。FDD:FrequencyDivisionDuplex另外，在移动通信系统中，移动台与移动台之间是不能直接通信的，而必须经过基站中转，如下图2-30所示。图2-30FDMA系统的工作示意图接收频率发送频率从图2-30中还可以