5无线网络技术基础知识

GPDI无线网络技术基础知识广东省电信规划设计院有限公司殷涛2014年7月2课程简介•面向对象：初级无线设计人员•课程目的：理解和掌握无线通信基本原理、常用名词术语的基本含义，理解移动通信网络的主要技术；了解移动通信发展历程和趋势。•课程要求：理解和掌握无线通信的概念、系统组成、频段的划分、常用通信使用频段、电波传播的基本知识及描述天线特性的各种参数的定义，理解双工、多址、编码、调制、功控等技术；了解移动通信发展历程和趋势。3推荐参考书籍•《无线通信原理与应用》，TheodoreS.Rappaport编著，蔡涛等译，电子工业出版社出版；•《移动通信中的关键技术》，吴伟陵编著，北京邮电大学出版社；•《现代移动通信系统》，祁玉生等编著，人民邮电出版社出版；4背景知识•通信按传输媒介分为无线通信和有线通信两大类。•有线通信：信号在有线媒体中进行传送。有线媒介有：同轴电缆、光纤、双绞线等。•无线通信：信号以电磁波的形式通过空间（无线媒介）进行传送，具有信道不可预见性大，传播环境复杂，但使用灵活、方便等特点。广播、移动通信、卫星通信、微波通信、无线接入等都是无线通信。5内容提纲•无线通信基本常识–无线通信分类–无线频段的划分–常用通信使用的频段–波长λ、频率f与光速c的关系–仙农（Shannon）定理–话音质量主观评分（MOS）•电波传播知识•天线知识•移动通信网络主要技术•移动通信演进路线6无线通信分类•按工作波长分类：长波、中波、短波等•按无线应用分类：移动、无线接入、微波、卫星等•按技术体制分类：模拟、数字、数模兼容•按工作状态分类：固定、移动等•按在通信网中的位置分类：无线传输、无线接入7无线频段的划分序号频段名称频率范围波段名称（波长）1极低频（ELF）3~30Hz极长波（100~10Mm）2超低频（SLF）30~300Hz超长波（10~1Mm）3特低频（ULF）300~3000Hz特长波（1~0.1Mm）4甚低频（VLF）3~30kHz甚长波（100~10km）5低频（LF）30~300kHz长波（10~1km）6中频（MF）300~3000kHz中波（1000~100m）7高频（HF）3~30MHz短波（100~10m）8甚高频（VHF）30~300MHz米波（10~1m）9特高频（UHF）300~3000MHz分米波（1~0.1m）10超高频（SHF）3~30GHz厘米波（10~1cm）11极高频（EHF）30~300GHz毫米波（10~1mm）12至高频300~3000GHz丝米波（1~0.1mm）8电磁波频谱•电磁波具有很广的频谱范围，无线电仅仅是其中的一小部分。•根据国家无线电管理委员会1982年《无线电频率划分规定》，无线电频谱的范围为3Hz～3000GHz，见上表。•无线电频谱是一种宝贵的自然资源，属国家所有。•无线电频谱既具有自然资源的共有属性，又具有自身的独特性。–有限性：3Hz～3000GHz，目前技术水平只使用了十分之一。–非耗竭性：可以使用，但不会消耗掉。–使用不当会造成危害9电磁波频谱CDMA2000ULTDD1755FDDUL1785FDD185018801920FDDUL1935WCDMAUL19401955FDDUL1980201020251805GSMUL1710GSMDLFDDDLSCDMAMobilesatelliteTDDsatellite2110CDMA2000DLFDDDL2125WCDMADL21302145FDDDL2170220023002483.5250025702170Spaceresearch&operationMobilesatellite26202690TDD*2400ISM(WLAN,cordless,blue-tooth)SatelliteTDD2320237035003600450470Broadcast806TetraUL821825890960CTCDMAUL885870880835840851GWCDMAULCTCDMADLGWCDMADLTetraDLEGSMULGSMUL915930EGSMDLGSMDL935866698DigitalDividend1、FDD-LTE未分配频段：1800MHz带宽30M2、FDD-LTE未分配频段：2.1GHz带宽5M3、FDD-LTE未分配频段：2.1GHz带宽25M3G移动:1880-1920/2010-2025电信:1920-1935/2110-2125联通:1940-1955/2130-2145GSM1800移动:1710-1735/1805-1830联通:1740-1755/1835-1850GSM900移动:890-909/935-954联通:909-915/954-960铁道:885-889/930-934CDMA800电信:825-835/870-880军队:835-840/880-885FDD,已分配FDD,已划分，未分配TDD,已分配Non-IMT频段分配给IMT，没有划分给TDD或FDD可能的LTE频段10频率占用费估算•费用标准（单位：万元/MHz/年）1、960MHz以下：全国区域1700，省级区域170，市级区域17。2、960~2300MHz：全国区域1500，省级区域150，市级区域15。3、2300~2690MHz：全国区域1200，省级区域120，市级区域12。•各运营商频率占用费估算1、中国移动：38×1700＋85×1500＋50×1200＝252100万元/年2、中国联通：12×1700+60×1500＝110400万元/年3、中国电信：20×1700+30×1500＝79000万元/年4、合计：441500万元/年注：3G频段频率占用费优惠使用，2011年按25%收取，2012年按50%收取，2013年按75%收取，2014年以后按100%收取。以上计算按全额标准。若按2012年收费标准，则三大运营商总的频率占用费为340250万元/年。11常用通信使用频段（续）•微波4～11GHz,13GHz,15GHz,18GHz•卫星1.5GHz,2.5GHz,4/6GHz,11/14GHz,12/14GHz,20GHz,30GHz,40GHz•无线接入2.4GHz,3.5GHz,5.8GHz,26GHz,28GHz,38GHzWIFI：IEEE802.11b/g：2.4GHz，802.11a/h：5.8GHzWAPI：GB15629.1104：2.4GHz，GB15629.1101：5.8GHzWIMAX：802.16d（固定接入）：2-66GHz，802.16e（移动接入）：2-6GHz3.5G固定接入：3.5GHzLMDS：26GHz12波长λ、频率f与光速的关系•c=f*λ–c为光速，数值为3×108m/s。–f为频率，单位Hz–λ为波长，单位为m无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒介有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用Ｃ＝３０００００km／s表示。在媒介中的传播速度为：Ｖε`＝Ｃ/√ε，式中ε为传播媒质的相对介电常数。空气的相对介电常数与真空的相对介电常数很接近，略大于１。因此，无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。13仙农（Shannon）定理•C=B×log(1+S/N)C－信道容量（bit/s)B－信道带宽(Hz)S－信号功率（W）,N－噪声功率（W）S/N－功率信噪比–仙农定理揭示了信道容量、信道带宽和信噪比的关系。–在移动通信中，信噪比S/N是最主要的矛盾，可以用带宽来换取信噪比，即当C不变时，增加带宽B可以降低接收机接收信噪门限值log(1+S/N)。这就是扩频通信的基本原理，即用频带换取信噪比。•推荐：绝世经典《AMathematicalTheoryofCommunication》,byC.E.Shannon,1948.14话音质量平均主观评分（MOS）•话音质量的评定往往采用主观评定的方法，原CCITT按平均主观评分（MOS）将话音质量划分为5级：•MOS得分和信噪比有重要关系，比如当信噪比大于29dB时可达MOS4级，当信噪比大于20dB时可达3级。级别(分值)评定类别人的印象标准5优几乎无噪声和失真，细节清晰可辨4良有可感觉到的轻微噪声和失真3中有令人烦恼的噪声和失真2差有令人烦恼的噪声和严重失真1劣语言几乎不可懂15内容提纲•无线通信基本常识•电波传播知识–自由空间传播–非自由空间传播–降雨损耗对电波传播的影响–多普勒频移–极化–分集–干扰•天线知识•移动通信网络主要技术•移动通信演进路线16电磁波传播的方式•自由空间传播：自由空间是指一种理想的、均匀的、各向同性的介质空间，当电磁波在该介质中传播时，不发生反射、折射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗。卫星通信、微波视距通信是典型的自由空间传播。•非自由空间传播：电磁波在非自由空间里传播，会产生反射、折射、散射、吸收等基本现象。陆地蜂窝移动通信是典型的非自由空间传播。17自由空间的传播损耗•距离发射点为d处的接收功率：Pr＝Pt*λ2/(4π)2d2L•传播损耗计算公式：PL＝20lgd+20lgf+32.45,单位dB。－d为发射机与接收机之间的距离，单位km；－f为射频中心频率，单位MHz。18自由空间的传播损耗（举例）•自由传播损耗计算举例：•规律1、无线电波发射传播过程中，电平值（dBm）在天线附近空间急剧下降。2、同一频段下，距离每扩大10倍，损耗增加20dB。3、同一位置下，26GHz比13GHz损耗大6dB。天线间的距离10m100m1km3km5km10km13GHz频段损耗(dB)74.7394.73114.73124.27128.71134.7326GHz频段损耗(dB)80.75100.75120.75130.29134.73140.7519非自由空间的传播损耗•非自由空间的三种基本传播特性：–绕射电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播这种现象叫做电波的绕射。频率越低，绕射能力越强，频率越高，绕射能力越弱。绕射使无线电波能够在障碍物后面形成场强。–反射当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射。反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。–散射当波穿行的介质存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常大时，发生散射。散射波产生于粗糙的表面、小物体或其他不规则物体，在实际通信系统中，树叶、街道标志、和灯柱等会引发散射。20无线电波的多径传播－反射、绕射、散射21非自由空间的传播损耗（理论上）•一般来说，接收功率Pr与距离d的指数dn成反比，在自由空间传播环境中n＝2，在非自由空间传播环境有：n=3。PrœPt/dn•双线传播模型：双线传播模型是指接收天线接收到直射波以外，还接收到1路地面反射波的模型。在直射波与反射波的共同作用下，随着传播距离的增加信号的衰落速度远大于自由空间损耗。Pr＝Pt*ht2hr2/d4可见，接收功率随距离成4次方衰减。22快衰落与慢衰落快衰落：在足够短的时间间隔内接收信号电平的快速变化，快衰落主要是由多径传播引起的，其幅度分布服从瑞利分布，因此快衰落也叫多径衰落、瑞利衰落。慢衰落：是短期信号电平中值在较长时间间隔内的变化。慢衰落主要是由电波传播路径地形地貌不断变化造成的阴影效应引起的，其幅度服从对数正态分布。慢衰落也叫阴影衰落。23室外传播模型（实际应用）•在实际无线通信系统中，电波传播的环境是非常复杂的，其路径损耗也是随着环境的不同而千变万化。因此，预测路径损耗非常困难。•前人在大量实际测试的基础上，总结出许多的实用的传播模型。24（1）Okumura模型•Okumura模型是Okumu