无线通信基本原理

无线通信基本原理1.无线电波传播的基础理论2.移动通信基本原理1.无线电波传播的基础理论无线传播基本原理－电波传播方式：•Free-spacepropagationSignalstrengthdecreasesexponentiallywithdistancespecularreflectiondiffusereflection•ReflectionSpecularReflectionamplitude:A--*A(1)phase:---polarisation:materialdependantphaseshiftDiffuseReflection.amplitude:A--*A(1)phase:--randomphasepolarisation:randomD无线传播基本原理－电波传播方式：•Absorptionheavyamplitudeattenuationmaterialdependantphaseshiftsdepolarisation•Diffractionwedge-modelknifeedgemultipleknifeedgesAA-5..30dB无线传播基本原理－频谱划分•通常无线电波所指的是从极低频10KHz到极超高频的顶点300GHz（GigaHertz）。通常划分成八个区域，参看下表：符号(中译名)频率范围相当米制划分VLF(甚低频)3至30kHz万米波LF(低频)30到300kHz千米波MF(中频)300至3000kHz百米波HF(高频)3至30MHz十米波VHF(甚高频)30至300MHz米波UHF(超高频)300至3000MHz分米波(十分之一米波)SHF(特高频)3至30GHz厘米波(百分之一米波)EHF(极高频)30至300GHz毫米波(千分之一米波)移动通信系统中频段的划分为：E-GSM900GSM1800CDMA-800885-915MHz(MS)1710-1755MHz(MS)825-835MHz(MS)930-960MHz(BS)1805-1850MHz(BS)870-880MHz(BS)3G-FDD3G-TDD1920-1980MHz(MS)1880-1920MHz2110-2170MHz(BS)2010-2025MHz由上表可以看出移动通信频段位于UHF频段范围内，是以空间波的方式进行传输的。无线传播基本原理－频谱划分无线传播基本原理－传播途径•在UHF频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是直射和散射，即视距直线传播以及从建筑物平面反射或从人工、自然物体折射。•在典型的蜂窝移动通信环境中，移动台一般比基站天线矮很多，接收机与发射机之间的直达路径往往被建筑物或其他物体所阻碍。所以，在蜂窝基站与移动台之间的通信不一定是通过直达路径，而是通过许多其他路径完成的。无线传播基本原理－传播途径（多径）时间接收信号强度发射信号无线传播环境－信号衰落快衰落：大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，这就是所谓的快衰落或多径衰落，因为其电场强度概率函数是服从瑞利分布，也称为瑞利衰落。合成波的振幅和相位随移动台的运动起伏变化很大，衰落的振幅、相位、角度随机。无线传播环境－信号衰落快衰落无线传播环境－信号衰落慢衰落：移动台接收的信号除瞬时出现快速瑞利衰落外，其场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这就是所谓的慢衰落或阴影衰落，慢衰落的场强中值服从对数正态分布。电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。衰落深度与与位置/地点相关，衰落的速度取决于移动台移动的速度。无线传播环境－信号衰落慢衰落无线传播环境－信号衰落距离(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落总的来说，在蜂窝环境中有两种影响：第一种是多径，从建筑物表面或其他物体反射、散射而产生的短期衰落；第二种是直接可见路径产生的主要信号强度的缓慢变化，即长期场强变化。也就是说，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落。无线传播环境－信号衰落抗快衰落主要措施－分集时间分集空间分集频率分集极化分集克服慢衰落的主要方法是加大发射功率，提高接收灵敏度，宏观分集等。无线传播环境－传播损耗•在研究传播时，特定接收机功率接收的信号电平是一个主要特性。由于传播路径和地形干扰，传播信号减小，这种信号减小称为传播损耗。•自由空间的传播损耗可以由下式表示：•其中f为频率(MHz)，d为距离(km)。上式与距离d，频率f成反比，当距离或频率增加一倍时，自由空间的路径损耗增加6dB(信号场强衰减4倍）。)log(20)log(204.32kmMHzpdfL无线传播环境－传播损耗•当已知频率f还可以简化上式：•式中γ＝2。γ称为路径损耗倾斜因子。在实际的信号空间传播中，地形、信号在不同介质上的绕射、反射、穿透都会导致不同的传播损耗，不同环境下γ的取值范围：)log(100kmpdLL环境路径损耗倾斜因子γ自由空间2市区蜂窝环境2.7～3.5市区阴影蜂窝环境3～5室内视距1.6～1.8室内非视距4～6无线传播环境－传播损耗25dB/dec30dB/dec20dB/dec40..50dB/decpathloss电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播环境直接决定无线传播方式。影响无线电波传播方式的主要因素有：•自然地形（高山、丘陵、平原、水域）•人工建筑的数量、分布、材料特性•植被特征•天气状况无线传播环境－传播损耗无线传播模型和校正随着网络规模的扩大，对通信质量要求的提高，网络规划、覆盖预测已不可能靠手工运算来完成。通过计算机应用传播模型就能够很好的解决这一问题。通过模型进行预测能够得到误差在10dB以内的路径损耗的本地均值。·移动通信中用到的传播模型有很多,常见的有：●Hata-Okumura模型●Walfisch-Ikegami模型●Planet通用模型不同的模型有不同的特点，有各自的适用范围。无线传播模型和校正•PlaNET通用模型由下面的方程确定：L(dB)=PTX-PRX=-K1-K2㏒d-K3㏒(Heff)-K4(Diffraction)-K5㏒(Heff)㏒d-K6(Hmeff)-Kclutter式中,PRX为接收功率（dBm）;PTX为发射功率（dBm）;K1为偏置常量(dB）;K2为距离衰减常数;K3为基站天线高度补偿修正系数;K4为多重绕射损耗修正系数;K5为㏒(Heff)㏒d多重修正因子;K6为移动台天线有效高度增益修整因子;d为基站到移动台之间的距离（m）;Heff为基站天线有效高度（m）;K4(Diffraction)为有障碍物阻挡时的绕射路径损耗;Kclutter为地貌衰减系数（dB）;Hmeff为移动台天线有效高度.无线传播模型和校正传播模型用于预测地形、障碍物及人为环境对无线电波传播中路径损耗的影响。传播模型是移动通信网小区规划的基础。采用模型的价值就是在保证精度的同时节省了人力、费用和时间。2.移动通信基本原理一、蜂窝理论二、网络结构三、多址技术四、概念辨析蜂窝理论移动通信网是由大区制演变成蜂窝结构的。在大区制条件下，用户少，话务量低，频率相对丰富。大区制的网络由一个基站，功放输出较大功率，覆盖一定的区域。在此区域内，使用信道组{f1、f2、f3.....fn}。蜂窝理论•随用户增多，话务量增大，网络容量的增加，原来信道组（f1,f2...fn)不能满足需要，采用的办法是频率复用蜂窝理论•网络无线设计时，将基站发射功率降低，每一个基站覆盖范围缩小，原先由一个基站覆盖的区域，现在由多个基站覆盖，整个网络图如同蜂窝一般。蜂窝理论移动通信基本原理一、蜂窝理论二、网络结构三、多址技术四、概念辨析网络结构MSBTSBTSBSCBSSOMCMSC/VLRNMCEIRHLR/AUCDPPSPCSSEMCOSSPSTNISDNPDNNSS网络结构网络结构BTSBSCMSC/VLRBSC其它MSCBTSBTSBTSA接口Abis接口Um接口1:鉴权2:确认3:登记4:业务权限HLR/AC网络结构－3G网络结构－3G•功能上，3G网络单元可以分为无线接入网络（RadioAccessNetwork，RAN）和核心网（CoreNetwork，CN）。其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功能，而CN处理UMTS系统内所有的语音呼叫和数据连接与外部网络的交换和路由。上述的两个单元和用户设备（UserEquipent，UE）一起构成了整个UMTS系统。网络结构－3G移动通信基本原理一、蜂窝理论二、网络结构三、多址技术四、概念辨析移动通信系统的多址方式FDMA•TDMA•CDMA•SDMA移动通信系统必须尽可能有效利用分配的频率。由于频率资源是有限的，将有限的资源为更多的移动用户服务是移动通信技术不断更新发展的主题。移动通信系统正在采用或研制FDMA、TDMA、CDMA和SDMA多址方式。•传统多址技术时间频率FDMA频率时间TDMAFDMA：FrequencyDivisionMultipleAccess频分多址TDMA：TimeDivisionMultipleAccess时分多址•FDMA•FDMA信道每次只能传递一路电话，如果一个FDMA信道被分配为话音信道，但没有使用，并且处于空闲状态，它不能被其他用户使用。•在分配成语音信道后，基站和移动台就会同时地连续不断地发射•FDMA通常是窄带系统，TACS为代表，每信道25kHz带宽•FDMA比TDMA简单，同步和组帧比特少，系统开销小•FDMA需要精确的RF滤波器，需要双工器（单天线）•非线性效应：许多信道共享一个天线，功率放大器的非线性会产生交调频率（IM），产生额外的RF辐射•TDMA•多个用户共享一个载波频率，分享不同时隙•TDMA系统的数据传递是不连续的，是分组发射，可以关闭不连续发送，可以利用空闲时隙监听其他基站，实现切换处理•即使使用FDD方式也无需双工器•可以按照不同的用户提供不同的带宽•TDMA的效率是指发射的数据中信息所占的百分比•质量控制通过频率规划来实现•CDMA：CodeDivisionMultipleAccess码分多址频率时间码字CDMA所有用户在同一时间、同一频段上、根据编码获得业务信道SDMA(SpaceDivisionMultipleAccess)：空分多址SDMA即在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下，可以根据信号不同的中间传播路径而区分。SDMA是一种信道增容方式，例如空分—码分多址（SD-CDMA）。波束形成天线采用智能天线，基站的智能天线形成多个波束覆盖整个小区，智能天线可定位于每个MS。MSMSMSBTS移动通信基本原理一、蜂窝理论二、网络结构三、多址技术四、概念辨析a)话务量概念话务量的严格定义应该叫做话务强度，是电话系统业务多少的度量，它与单位时间（一般取忙时1小时）内的呼叫次数n及呼叫占用信道的平均时间（T）成正比。A=n×T/3600系统忙时话务量（A）表示系统的繁忙程度，又称话务负荷，单位为爱尔兰Erlang，用符号Erl表示。T以秒为单位。话务量概念•平均用户忙时话务量指一天中话务量最忙时间平均每个用户的来话和去话话务量之和。在计算信道数时采用忙时话务量可以保证除忙时以外的其它时间的无线信道呼损率明显低于忙时的指标，这是为了保持一定的服务质量等级所必须的。话务量概念－爱尔兰B表•在话务理论中，爱尔兰B函数最符合多信道共用电话系统的实际情况，它有如下假设：1、系统的信道数N为有限值，用户数MN。2、单位时间内的呼叫次数与系统的用户数无关，是一个独立常数。3、用户发出呼叫后，没有空闲信道则放弃呼叫要求。4、通话时间长度的概率分布服从指数规律。话务量概念－爱尔兰B表•对于这样的系统，N个信道中有K个信道同时被占用的概率为Pk=(Ak/k!)/(∑Ai/i!)i从1到N•其中k=1,2,3,...,N。当N个信道都被占用时，再呼叫就会呼损，所以N个信道同时