006-無線通信基本原理

1、無線通信基本原理 1.無線電波傳播的基礎理論 2.移動通信基本原理 華信郵電咨詢設計研究院有限公司 無線設計研究院,1.無線電波傳播的基礎理論,無線傳播基本原理－電波傳播方式：,無線傳播基本原理－電波傳播方式：,無線傳播基本原理－頻譜劃分,通常無線電波所指的是從極低頻10KHz到極超高頻的頂點300GHz（Giga Hertz）。通常劃分成八個區(qū)域，參看

2、下表：,移動通信系統(tǒng)中頻段的劃分為：,由上表可以看出移動通信頻段位于UHF頻段范圍內(nèi)，是以空間波的方式進行傳輸?shù)摹?無線傳播基本原理－頻譜劃分,無線傳播基本原理－傳播途徑,在UHF頻段，從發(fā)射機到接收機的電磁波的主要傳播模式是直射和散射，即視距直線傳播以及從建筑物平面反射或從人工、自然物體折射。在典型的蜂窩移動通信環(huán)境中，移動臺一般比基站天線矮很多，接收機與發(fā)射機之間的直達路徑往往被建筑物或其他物體所阻礙。所以，在蜂窩基站與移動臺之

3、間的通信不一定是通過直達路徑，而是通過許多其他路徑完成的。,無線傳播基本原理－傳播途徑（多徑）,無線傳播環(huán)境－信號衰落,快衰落： 大量傳播路徑的存在就產(chǎn)生了所謂的多徑現(xiàn)象，其合成波的幅度和相位隨移動臺的運動產(chǎn)生很大的起伏變化，這就是所謂的快衰落或多徑衰落，因為其電場強度概率函數(shù)是服從瑞利分布，也稱為瑞利衰落。 合成波的振幅和相位隨移動臺的運動起伏變化很大 ，衰落的振幅、相位、角度隨機。,無線傳播環(huán)境

4、－信號衰落,快衰落,無線傳播環(huán)境－信號衰落,慢衰落： 移動臺接收的信號除瞬時出現(xiàn)快速瑞利衰落外，其場強中值隨著地區(qū)位置改變出現(xiàn)較慢的變化，這就是所謂的慢衰落或陰影衰落，慢衰落的場強中值服從對數(shù)正態(tài)分布。電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會產(chǎn)生電磁場的陰影。衰落深度與與位置/地點相關，衰落的速度取決于移動臺移動的速度。,無線傳播環(huán)境－信號衰落,慢衰落,無線傳播環(huán)境－信號衰落,總的來說，在蜂窩環(huán)境

5、中有兩種影響：第一種是多徑，從建筑物表面或其他物體反射、散射而產(chǎn)生的短期衰落；第二種是直接可見路徑產(chǎn)生的主要信號強度的緩慢變化，即長期場強變化。也就是說，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并疊加有信號幅度滿足對數(shù)正態(tài)分布的慢衰落。,無線傳播環(huán)境－信號衰落,抗快衰落主要措施－分集 時間分集 空間分集 頻率分集 極化分集 克服慢衰落的主要方法是加大發(fā)射功率，提高接收靈敏度

6、，宏觀分集等。,無線傳播環(huán)境－傳播損耗,在研究傳播時，特定接收機功率接收的信號電平是一個主要特性。由于傳播路徑和地形干擾，傳播信號減小，這種信號減小稱為傳播損耗。自由空間的傳播損耗可以由下式表示：其中f為頻率(MHz)，d為距離(km)。上式與距離d，頻率f成反比，當距離或頻率增加一倍時，自由空間的路徑損耗增加6dB(信號場強衰減4倍）。,無線傳播環(huán)境－傳播損耗,當已知頻率f還可以簡化上式：式中γ＝2。γ稱為路徑損耗傾斜因

7、子。在實際的信號空間傳播中，地形、信號在不同介質(zhì)上的繞射、反射、穿透都會導致不同的傳播損耗，不同環(huán)境下γ的取值范圍：,無線傳播環(huán)境－傳播損耗,電波傳播受地形結(jié)構和人為環(huán)境的影響，無線傳播環(huán)境直接決定無線傳播方式。影響無線電波傳播方式的主要因素有： 自然地形（高山、丘陵、平原、水域） 人工建筑的數(shù)量、分布、材料特性 植被特征 天氣狀況,無線傳播環(huán)境－傳播損耗,無線傳播模型和校正,隨著網(wǎng)絡規(guī)模的擴大，對通信質(zhì)量要求的提高，網(wǎng)絡規(guī)劃

8、、覆蓋預測已不可能靠手工運算來完成。通過計算機應用傳播模型就能夠很好的解決這一問題。通過模型進行預測能夠得到誤差在10dB以內(nèi)的路徑損耗的本地均值。· 移動通信中用到的傳播模型有很多,常見的有： ● Hata-Okumura模型 ● Walfisch-Ikegami模型 ● Planet通用模型不同的模型有不同的特點，有各自的適用范圍。,無線傳播模型和校正,PlaNET通用

9、模型由下面的方程確定： L (dB) = PTX - PRX = - K1 - K2 ㏒d - K3 ㏒(Heff) - K4 (Diffraction)- K5 ㏒(Heff) ㏒d - K6 (Hmeff) - Kclutter 式中, PRX為接收功率（dBm）;PTX為發(fā)射功率（dBm）;K

10、1為偏置常量(dB）; K2為距離衰減常數(shù);K3為基站天線高度補償修正系數(shù);K4為多重繞射損耗修正系數(shù);K5為㏒ (Heff) ㏒ d多重修正因子;K6為移動臺天線有效高度增益修整因子;d為基站到移動臺之間的距離（m）; Heff為基站天線有效高度（m）; K4(Diffraction)為有障礙物阻擋時的繞射路徑損耗;Kclutter為地貌衰減系數(shù)（dB）; Hmeff為移動臺天線有效高度.,無線傳播模型和校正,傳播模型用于

11、預測地形、障礙物及人為環(huán)境對無線電波傳播中路徑損耗的影響。 傳播模型是移動通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎。采用模型的價值就是在保證精度的同時節(jié)省了人力、費用和時間。,2.移動通信基本原理,一、蜂窩理論二、網(wǎng)絡結(jié)構三、多址技術四、概念辨析,蜂窩理論,移動通信網(wǎng)是由大區(qū)制演變成蜂窩結(jié)構的。在大區(qū)制條件下，用戶少，話務量低，頻率相對豐富。大區(qū)制的網(wǎng)絡由一個基站，功放輸出較大功率，覆蓋一定的區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，使用信道組{f1、f2、f3.

12、....fn}。,蜂窩理論,隨用戶增多，話務量增大，網(wǎng)絡容量的增加，原來信道組（f1,f2...fn)不能滿足需要，采用的辦法是頻率復用,蜂窩理論,網(wǎng)絡無線設計時，將基站發(fā)射功率降 低，每一個基站覆蓋 范圍縮小，原 先由一個基站覆蓋的區(qū)域，現(xiàn)在由多個基站覆蓋，整個網(wǎng)絡圖如同蜂窩一般。,蜂窩理論,移動通信基本原理,一、蜂窩理論二、網(wǎng)絡結(jié)構三、多址技術四、概念辨析,網(wǎng)絡結(jié)構,網(wǎng)絡結(jié)構,網(wǎng)絡結(jié)構,,BTS,BSC,,MSC/VLR,BS

13、C,,,,其它MSC,BTS,,,BTS,BTS,,A接口,Abis接口,,,,Um接口,,,,,,1:鑒權,2:確認,3:登記,4:業(yè)務權限,HLR/AC,,網(wǎng)絡結(jié)構－3G,網(wǎng)絡結(jié)構－3G,功能上，3G網(wǎng)絡單元可以分為無線接入網(wǎng)絡（Radio Access Network，RAN）和核心網(wǎng)（Core Network，CN）。 其中無線接入網(wǎng)絡用于處理所有與無線有關的功能，而CN處理UMTS系統(tǒng)內(nèi)所有的語音呼叫

14、和數(shù)據(jù)連接與外部網(wǎng)絡的交換和路由。上述的兩個單元和用戶設備（User Equipent，UE）一起構成了整個UMTS系統(tǒng)。,網(wǎng)絡結(jié)構－3G,移動通信基本原理,一、蜂窩理論二、網(wǎng)絡結(jié)構三、多址技術四、概念辨析,移動通信系統(tǒng)的多址方式FDMA ? TDMA ? CDMA ? SDMA,移動通信系統(tǒng)必須盡可能有效利用分配的頻率。由于頻率資源是有限的，將有限的資源為更多的移動用戶服務是移動通信技術不斷更新發(fā)展的主題。移動通信系統(tǒng)正在采

15、用或研制 FDMA、TDMA、CDMA和SDMA多址方式。,傳統(tǒng)多址技術,FDMA：Frequency Division Multiple Access頻分多址TDMA：Time Division Multiple Access時分多址,FDMAFDMA信道每次只能傳遞一路電話，如果一個FDMA信道被分配為話音信道，但沒有使用，并且處于空閑狀態(tài)，它不能被其他用戶使用。在分配成語音信道后，基站和移動臺就會同時地連續(xù)不斷地發(fā)射FD

16、MA通常是窄帶系統(tǒng)，TACS為代表，每信道25kHz帶寬FDMA比TDMA簡單，同步和組幀比特少，系統(tǒng)開銷小FDMA需要精確的RF濾波器，需要雙工器（單天線）非線性效應：許多信道共享一個天線，功率放大器的非線性會產(chǎn)生交調(diào)頻率（IM），產(chǎn)生額外的RF輻射,TDMA多個用戶共享一個載波頻率，分享不同時隙TDMA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳遞是不連續(xù)的，是分組發(fā)射，可以關閉不連續(xù)發(fā)送，可以利用空閑時隙監(jiān)聽其他基站，實現(xiàn)切換處理即使使用FDD方式

17、也無需雙工器可以按照不同的用戶提供不同的帶寬TDMA的效率是指發(fā)射的數(shù)據(jù)中信息所占的百分比質(zhì)量控制通過頻率規(guī)劃來實現(xiàn),CDMA：Code Division Multiple Access 碼分多址,所有用戶在同一時間、同一頻段上、根據(jù)編碼獲得業(yè)務信道,SDMA(Space Division Multiple Access)：空分多址,SDMA 即在相同時隙、相同頻率或相同地址碼的情況下，可以根據(jù)信號不同的中間傳播路徑而區(qū)分。SDM

18、A是一種信道增容方式，例如空分—碼分多址（SD-CDMA）。 波束形成天線采用智能天線，基站的智能天線形成多個波束覆蓋整個小區(qū)，智能天線可定位于每個MS。,移動通信基本原理,一、蜂窩理論二、網(wǎng)絡結(jié)構三、多址技術四、概念辨析,a)話務量概念,話務量的嚴格定義應該叫做話務強度，是電話系統(tǒng)業(yè)務多少的度量，它與單位時間（一般取忙時1小時）內(nèi)的呼叫次數(shù)n及呼叫占用信道的平均時間（T）成正比。 A=n×T

19、/3600 系統(tǒng)忙時話務量（A）表示系統(tǒng)的繁忙程度，又稱話務負荷，單位為愛爾蘭Erlang，用符號Erl表示。T以秒為單位。,話務量概念,平均用戶忙時話務量指一天中話務量最忙時間平均每個用戶的來話和去話話務量之和。在計算信道數(shù)時采用忙時話務量可以保證除忙時以外的其它時間的無線信道呼損率明顯低于忙時的指標，這是為了保持一定的服務質(zhì)量等級所必須的。,話務量概念－愛爾蘭B表,在話務理論中，愛爾蘭B函數(shù)最符合多信道共用電話系統(tǒng)的實際情

20、況，它有如下假設： 1、系統(tǒng)的信道數(shù)N為有限值，用戶數(shù)M>>N。 2、單位時間內(nèi)的呼叫次數(shù)與系統(tǒng)的用戶數(shù)無關，是一個獨立常數(shù)。 3、用戶發(fā)出呼叫后，沒有空閑信道則放棄呼叫要求。 4、通話時間長度的概率分布服從指數(shù)規(guī)律。,話務量概念－愛爾蘭B表,對于這樣的系統(tǒng)，N個信道中有K個信道同時被占用的概率為 Pk=(Ak/k!)/(∑Ai/i!) i從1到N其中k=1,2,3,...,N。當N個信道都被占用時，再呼

21、叫就會呼損，所以N個信道同時被占用的概率就等效為呼損率（GOS:Grade of service)，即 PN=(AN/N!)/(∑Ai/i!)=B i從1到N 上式稱為愛爾蘭公式,話務量概念－愛爾蘭B表,根據(jù)上式可以得到呼損率B、與話務量A及信道數(shù)N之間的關系，得到愛爾蘭B表。在愛爾蘭B表中，當已知話務量和呼損率時，可由該表查出需要的信道數(shù)；已知信道數(shù)N和呼損率時，可由該表求得N個信道所負荷的話務量。,話務量概念－

22、愛爾蘭B表,b) dB概念介紹,dBm是一個考征功率絕對值的值，計算公式為：10lgP（功率值/1mw）。 dBi 和dBddBi和dBd是考征增益的值（功率增益），兩者都是一個相對值， 但參考基準不一樣。dBi的參考基準為全方向性天線，dBd的參考基準為偶極子，所以兩者略有不同。一般認為，表示同一個增益，用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2. 15。dB是一個表征相對值的值，當考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個dB時，按

23、下面計算公式：10lg（甲功率/乙功率）,b) dB概念介紹,dBm是一個考征功率絕對值的值，計算公式為：10lgP（功率值/1mw）。 dBi 和dBddBi和dBd是考征增益的值（功率增益），兩者都是一個相對值， 但參考基準不一樣。dBi的參考基準為全方向性天線，dBd的參考基準為偶極子，所以兩者略有不同。一般認為，表示同一個增益，用dBi表示出來比用dBd表示出來要大2. 15。dB是一個表征相對值的值，當考慮甲的功率相比

24、于乙功率大或小多少個dB時，按下面計算公式：10lg（甲功率/乙功率）,e)覆蓋率和通信概率覆蓋率：面積覆蓋率，人口覆蓋率通信概率：覆蓋區(qū)域中正常通信的概率,c)下行、上行（前向、反向）鏈路BTS->MS為下行鏈路（又稱為前向），反之為上行鏈路（反向）d) 雙工方式(TDD、FDD) TDD和FDD分別指時分雙工和頻分雙工。 FDD：上下行鏈路分別占用對稱的雙向頻段； TDD：上下行鏈路工作于同