移动通信基础知识

移动通信基础知识2017年3月模拟通信数字通信多媒体业务•数字调制技术•数据压缩•软切换•差错控制•短消息•高质量语音业务•模拟调制技术•小区制•硬切换•网络规划•多媒体业务•100kbps•分组数据业务•动态无线资源管理•随时随地的无线接入•无缝业务提供•网络融合与重用•多媒体终端•10Mbps数据速率•基于全IP核心网无处不在的业务环境AMPSTACSNMT-450NTT~kbpsHSCSD/GPRSIS-136+(PRS)EDGEIS-95BWCDMATD-SCDMACDMA2000-1XWibroHSPA/HSPA+CDMA20001XEV9.6kbps~14.4kbps0.144~2Mbps~10Mbps~100Mbps/1GbpsIMT-Advanced!3GPPLTE3GPP2AIEGSMIS-136PDCIS-95A1G2G3G4G移动通信系统发展2移动通信技术概述一机在手天下事尽知Car,Steamship,AircraftOfficeNetworkedHomePublicbuildingTourismMeetingsSportsSatellite移动通信技术概述单工通信发射机接收机f1(f2)送受话器电台（甲）发射机接收机送受话器f1(f1)f1(f2)f1(f1)PTT电台（乙）PTT所谓单工通信是指通信双方电台交替地进行收信和发信。根据收、发频率的异同，又可分为同频单工和异频单工。单工通信常用于点到点通信。–PTTswitch(PushToTalk)移动通信技术概述双工、半双工通信所谓双工通信，是指通信双方可同时进行传输消息的工作方式，有时亦称全双工通信。发射机接收机f1f2送话器受话器基站双工器发射机接收机f2f1f1送话器受话器移动台所谓半双工通信，是指移动台采用单工的“按讲”方式，基站工作情况与双工方式完全相同。移动通信技术概述话务量定义:T时间内发生平均呼叫次数和平均占用时长的乘积A=CT·tA为T时间里的话务量t为平均占用时长CT为T时间内一群话源所产生的平均呼叫次数话务量单位：爱尔兰erl话务量的概念移动通信技术概述无线环境噪声多径衰落多址干扰移动通信技术概述移动通信的电波传播•在移动通信中，由于移动体来往于地面的建筑群和各种障碍物之中,电波传播会发生直射、折射、绕射等各种情况，从而使电波传播的路径不同。使接收端收到的信号是这些信号的合成波。•移动体(汽车)在不同位置,不同的方向接收到的合成波信号强度会有起伏,而且相差很大,可达30dB以上。这种现象称为衰落,它严重地影响着通话质量。dBWithRespecttoRMSValue00.50.5l1.5-30-20-101001t,inseconds0103020x,inwavelength接收信号出现严重的衰落现象，是移动通信电波传播的一个基本特点移动通信技术概述衰落的原因•接收机运动→多普勒频移•信号多条路径传播→多径效应–多径信号相位相反→合成信号的幅度快速变化–多径信号传播路径不同→时延散布•无线电波散射→路径损耗•建筑物阻挡→阴影效应•强信号抑制弱信号→远近效应移动通信技术概述电波传播特性多径传输移动通信技术概述多普勒频移(效应)多普勒效应：运动中的移动台所接收的信号频率将随运动速度而变化，产生不同的频移，称为“多普勒效应”。移动通信技术概述远近效应移动通信是在运动过程中进行的，移动台之间会出现近处移动台干扰远处移动台的现象，称为远近效应。因此，一般要求移动台的发射功率具有自动调整的能力，同时移动台的接收机需要具有自动增益控制的能力，当通信距离迅速改变时能自动进行信号调整。MS1MS2BSDistanceDistance0d2d1ReceivedsignalstrengthMS1MS2BS移动通信技术概述13时间色散•时间色散也是多径衰落的一种，然而，和瑞利衰落相比，天线接收到的反射信号来自于和天线相距较远的物体。时间色散导致了码间串扰(Inter-SymbolInterference，ISI）现象的产生，即同一个bit的信息经过不同的路径传输后，到达接收天线的时间是不同的，这样接收方无法判断哪一个是正确的信息移动通信技术概述14时间对齐（TimeAlignment）•TDMA帧给每个移动终端分配了一个时隙，在这个时间段内移动终端可发送信息。信息必须在这个时间段内到达小区，如果部分信息没有在指定的时隙到达，而是在下一个时隙到达，就会给使用这个时隙的其他信息带来干扰。移动通信技术概述15接收信号强度•移动终端接入所需的最低信号强度称为接收灵敏度（ReceiverSensitivityLevel），为接收信息，移动终端接收的信号强度必须要高于此值，如果接收的信号强度低于此值，信息将丢失，并出现掉话。为保证正确接收信息，若瑞利衰减造成的最大衰减值（FadingDip）是ndb，则平均信号强度要高于接收灵敏度ndb，我们称此值为FadingMargin移动通信技术概述16天线分集接收•天线分天线分集接收充分利用了无线电波固有的特性，使接收信号的强度得以增强。两种主要的分集接收方法：空间分集和极化分集集接收•空间分集：如果使用两根接收天线，并且这两根天线间有一定的间距，则它们同时受较大衰落波谷影响的可能性是很小的，可在一定程度上减小衰落带来的影响。小区的接收设备可以比较这两个天线的信号，从中选择较好的一个作为接收信号，这样与仅使用一个接收天线相比，接收信号的强度得到了提高•极化分集：极化分集接收技术使用的是一根双极化天线，这个天线的尺寸和普通天线没有区别，但包括两个不同极化方向的天线阵列，最常用的是垂直/水平阵列和±45度斜向阵列。这两个阵列分别和小区中相应的接收分支（RxBranches）相连，这两个阵列也可既用作接收，又用作发射。在大部分应用中，空间分极接收和极化分极接收所带来增益的差别是可以忽略的，但极化分集接收占用的空间小。移动通信技术概述路径损耗•自由空间路径损耗计算公式：1010dB32.4520log(MHz)20log(km)fcLfd1500MHz150MHz移动通信技术概述移动通信的场强特征•移动通信环境下场强变化剧烈•场强变化的平均值随距离增加而衰减——路径损耗•由地形引起，场强特性曲线呈慢速变化——慢衰落（阴影效应）•由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，引起场强特性曲线的瞬时值呈快速变化——快衰落（多径效应）shadowfadingRayleighfadingpathlosslog(distance)ReceivedSignalPower(dB)移动通信技术概述噪声•移动信道中噪声(简称噪声)的来源是多方面的，一般可分为：①内部噪声；②自然噪声；③人为噪声。内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。不能预测的噪声统称为随机噪声。自然噪声及人为噪声为外部噪声，它们也属于随机噪声。依据噪声特征又可分为脉冲噪声和起伏噪声。脉冲噪声是在时间上无规则的突发噪声，例如，汽车发动机所产生的点火噪声，这种噪声的主要特点是其突发的脉冲幅度较大，而持续时间较短；从频谱上看，脉冲噪声通常有较宽频带；热噪声、散弹噪声及宇宙噪声是典型的起伏噪声。移动通信技术概述各种噪声功率与频率的关系246810024681000246810000-100102030405060大气噪声夏天冬天效区人为噪声市区人为噪声典型接收机热噪声银河噪声太阳噪声(安静期)Fa=10lgTaT0dB3×10T0=2903×1033×1043×1053×1063×1073×108Ta/Kf/MHz移动通信技术概述干扰•邻道干扰，是相邻的或邻近频道的信号相互干扰。目前，移动通信系统广泛使用的VHF、UHF电台，频道间隔是25kHz。然而，调频信号的频谱是很宽的，理论上说，调频信号含有无穷多个边频分量，当其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内，就会造成邻道干扰。•同道干扰，也称同频干扰，是指相同载频电台之间的干扰，是移动通信在组网中出现的一种干扰。在移动台密集之处，若频率管理或系统设计不当，就会造成同频干扰。在移动通信中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用相同的频率，称为同信道复用。显然，同信道小区相距愈远，同频道干扰就愈小，但频率利用率降低。因此，两者要兼顾考虑。•互调干扰，是指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生有用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。移动通信技术概述邻道干扰与同道干扰f1f2Channel1Channel2FrequencyPower同道干扰邻道干扰移动通信技术概述几个重要的定量参数•SNR.SignaltoInterferenceRatioindBSNR=receivedpowerofreferenceuserindBm/receivedpowerofallinterferersindBm•C/I.CarrieroverInterferenceindBCarrierPower(dBm)/receivedpowerofallinterferersindBm移动通信技术概述Intersymbolinterference(ISI)10110101011EyeDiagram:AnalysistooltomeasureISI•oscilloscopegeneratespersistenttrace•ifthereisnoISI–edgetransitionsarealigned“eye”isopen•asISIincreases–edgetransitionsbecomemisaligned“eyestartstoclose”移动通信技术概述移动通信的主要特点归纳•必须利用无线电波传输信息，传播特性差；–传播环境复杂：多径效应和阴影效应造成幅度衰落和时延扩展；–用户高速移动：多普勒频移造成电波传播特性的快速随机变化。•工作于复杂的干扰环境；–外部干扰：天电、机电和信道热噪声；–系统内部和不同系统之间的干扰：邻道、同道、互调和多址干扰。•网络结构多种多样，网络管理等都比较复杂，技术难度大；–用户注册和登记，鉴权和计费，安全和保密。•可利用的频谱资源有限，而通信业务量的需求与日俱增；–用户容量问题，业务容量问题。•移动通信设备(主要是移动台)必须适于在移动环境中使用，对设备的可靠性和工作条件要求高。移动通信技术概述WS/NWS/NC香农公式___=___________26传输技术——总览频谱拓展技术频效提升技术能效提升技术覆盖增强技术多址技术、用户调度、资源分配、用户/网络协作超密异构组网D2D、M2M大规模天线、FBMC、空间调制认知无线电、毫米波、可见光绿色通信干扰管理增加覆盖增加信道增加带宽增加SINR27香农公式大区制移动通信•大区制移动通信系统–覆盖范围30~50km；–发射功率50~200W；–天线很高(30m);–通信距离有限;–网络结构简单；–直接与PSTN相连。•大区系统的局限性–覆盖范围有限，–用户容量有限；–服务性能较差；–频谱利用率低。蜂窝网络结构概述小区制•大区制频谱利用率低，容量小。所以，可以通过频率的复用来解决。服务区划成半径2-20km的小区。每个小区一个基站，负责与本小区的移动用户的通信。蜂窝网络结构概述带状网带状网主要用于覆盖公路、铁路、海岸等。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的(图b)。带状网宜采用有向天线，使每个小区呈扁圆形(图a)。A铁道小区BAB小区河道ABC(a)(b)图3.34带状网蜂窝网络结构概述蜂窝的概念•1974年，Bell实验室提出蜂窝概念•蜂窝系统---“小区制”系统–将所要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在1~10km左右。在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。并可通过小区分裂进一步提高系统容量。–“频率复用”的概念：同频干扰的强弱与同频复用小区间距和小区半径的比值有关，信干比可控。–特点：用户容量大，服