1、广州大学华软软件学院,移动通信技术,复习,1.无线通信的传播方式是什么？ 利用电磁波的辐射和传播，经过空间传送信息的通信方式。 2.无线电波传播的方式？ 地面波、空间波、散射波及天波等。 3.对工作于VHF和UHF频段的移动通信来说，电波传播方式主要是？ 空间波。,4.空间波主要包含哪些？ 直射波、反射波、绕射波、散射波以及它们的合成波等。 5.自由空间传播损耗公式？或,复习,第2章 移动通信的基本概念 目 录,2,2.2 移动信道的特征,2,移动信道属于无线信道，但要与一般具有可移动功能的无线接入的无线信道有所区别，它是移动的动态信道，取决于用户所在环境条件的不同而不同，其信道参数是时变的。
2、利用移动信道进行通信，首先必须分析和掌握信道的基本特点和实质，然后才能针对存在的问题一一对症下药，给出相应的技术解决方案。,2.2 移动信道的特征,2.2.1传播路径,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，如图所示。,（1）镜面反射：当无线电波投射到两种不同媒质间的平滑分界面，并且界面线尺寸与辐射信号波长相比相差很大的情况下，则发生镜面反射。,2.2 移动信道的特征,（2）漫反射：当无线电波投射到粗糙表面，且表面粗糙程度与辐射信号波长相似时，则产生漫反射，它服从惠更斯原理。般情况下，漫反射无线电波的强度小于
3、镜面反射无线电波的强度，因为沿不平表面传播时散射了能量，使反射无线电波沿发散路径前进。,2.2 移动信道的特征,（3）绕射：当无线电波由于地形外廓的变化，遮避住其传播路径时，则会出现绕射。在移动无线电通信中，仅出现镜面反射和漫反射的情况，被认为是视距传播，而绕射则被认为是非视距传播。,2.2 移动信道的特征,2.2.2 四种效应,2.2 移动信道的特征,远近效应,多径效应,阴影效应,多普勒效应,1,2,3,4,多普勒效应,上图显示当波源向左移动时，其左边的频率变得较高，而右边的频率则变得较低。,多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。 Dopp
4、ler频移：,V：移动台速度 ：信号到达角度,2.2 移动信道的特征,移动电波传播损耗主要由两方面构成，一是路径传播的损耗，二是衰落产生的损耗。路径传播的损耗：是指电波在空间传播中由于自身能量的散发而导致的损耗。在移动通信环境中，信号的多径传播和阴影效应是不可避免的，而这两种现象都会使信号的强度随时间而产生随机变化，这种变化称之为衰落。,2.2.2 衰落,2.2 移动信道的特征,2.2 移动信道的特征,1、快衰落在陆地移动通信中，移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和。由多径产生的衰落，衰落速率(每秒种信号包络经过中值电平次数的一半)可达每
5、秒30次40次，衰落深度(信号的变动范围)约为30dB左右，称这样的衰落为快衰落(多径衰落)或瞬时性衰落。,2.2 移动信道的特征,。,理解,2.2 移动信道的特征,2.2 移动信道的特征,2、慢衰落所谓慢衰落是指接收天线处的场强中值随移动台运动时周围地形、建筑物等的变化而出现的波动，其变化速率较为缓慢。产生慢衰落有两个主要原因：阴影效应和气象条件。慢衰落的统计特性：接收信号的局部均值服从对数正态分布。,2.2 移动信道的特征,2.2 移动信道的特征,2.2.3 噪声和干扰,噪声按照来源可分为外部噪声和内部噪声。外部噪声又分为自然噪声和人为噪声两类。,2.2 移动信道的特征,2.2.3 噪声和
6、干扰,干扰主要有如下四种： （1）邻道干扰 邻道干扰是指相邻或邻近信道之间的干扰。 （2）同频干扰由相同频率的无用信号对接收机形成的干扰，称为同信道干扰，也称同频干扰。 同信道复用：在移动通信中，为提高频谱利用率，在相隔一定距离之外，要重复使用相同频率。,2.2 移动信道的特征,互调干扰是由传输信道中的非线性网络所产生的，当几个不同频率的信号同时加入一非线性网络时，就会产生各种组合频率成分，这些组合成分有可能便构成干扰信号，即互调干扰。在工程设计中，可忽略高阶互调的影响，主要考虑三阶互调干扰。 选择信道组的原则：信道组内无三阶互调产物，且占用频段最小。构成规律：任意两个信道序号差值均不相等，则
7、该信道组是无三阶互调的信道组，否则就有三阶互调干扰。,（3）互调干扰,2.2 移动信道的特征,试检验信道序号为1、2、8、12、21、24、26的信道 组是否为无三阶互调的相容信道组。,2.2 移动信道的特征,在移动通信系统中，当基地台同时接收从几个距离不同的移动台发来的信号时，若这些信号的频率相同或相近，则距基地台最近的移动台就会对距离远的移动台造成干扰或抑制，甚至有些信号会被淹没，使基地台很难收到远距离的移动台的信号，这就是近端对远端的干扰，也称远近效应 。,（4）近端对远端的干扰,2.2 移动信道的特征,典型信号衰落特性,什么是蜂窝 频率复用 多址方式,2.4 蜂窝系统工作原理,2.4.
8、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）。,2.4 蜂窝系统工作原理,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。,2.4 蜂窝系统工作原理,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又称带状网，如图所示。基站天线若用全向辐射，覆盖区形状是圆形的。带状网
9、宜采用有向天线，使每个小区是扁圆形。带状网进行频率复用可采用双频制，也可用多频制。,2.4 蜂窝系统工作原理,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，分别称它们为正三角形区域、正四边形区域和正六边形区域。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，如图所示 。,2.4 蜂窝系统工作原理,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所示。,三种形状小区的比较,2.4 蜂窝系统工作原理,（2）区群的
10、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：,（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。,2.4 蜂窝系统工作原理,按照以上条件，可确定N有如下数值，相应的区群形状如图所示。,区群的组成,2.4 蜂窝系统工作原理,（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：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。对于前者，基站使用全向天线形成圆形覆盖区；对于后
11、者，每个基站使用三个120扇形覆盖的定向天线实现共同覆盖。从经济效益上看，前者投资较少，可是同信道重用比不能选得很小，否则同道,2.4 蜂窝系统工作原理,干扰严重；后者虽然好像每个小区的基站投资由上表可见，在服务区面积一定的情况下，正六边形相邻区域的中心间隔最大，即覆盖面积一定时，需要最少的小区个数，也就是需要较少的发射站。因此，正六角形小区覆盖相对于四边形和三角形费用少。正六边形构成的网络形同蜂窝，所以把小区制移动通信网称为蜂窝网。需要注意的是，交叠区宽度和区域的切换方式与控制方式有关。,2.4 蜂窝系统工作原理,两种激励方式示意图,2.4 蜂窝系统工作原理,（4）盲点与热点 在实际的宏蜂窝
12、内，通常存在着两种特殊的微小区域“盲点”与“热点”。盲点是指由于网络漏覆盖或电波在传播过程中遇到障碍物而造成阴影区域等原因，使得该区域的信号强度极弱，通信质量严重低略；热点是指由于客观存在商业中心或交通要道等业务繁忙区域，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。,2.4 蜂窝系统工作原理,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。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
13、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。,直放站（Repeater）的设置,2.4 蜂窝系统工作原理,直放站原理图,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、室内室外分开覆盖以有利于网络优化、吸收室内话务量等等，但直放站的使用也会带来新问题，如时延、多径、电路噪声、直放站的自激等等。,2.4 蜂窝系统工作原理,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。例如城市中心商业区的用户密度最高，居民区的用户密度也高，而市郊区的用户密度较低。因此，在用户密度高的市中心
14、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，如下图所示。,2.4 蜂窝系统工作原理,（5）蜂窝的种类,宏蜂窝小区 微蜂窝小区 其它蜂窝小区,2.4 蜂窝系统工作原理,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。,小区的分类,2.4 蜂窝系统工作原理,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，Frequency Division Multiplexing），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
15、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。,2.4 蜂窝系统工作原理,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，这是利用了电波的传播损耗以实现频率再用。频率复用的优势是可以极大地提高频谱效率，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。,2.4 蜂窝系统工作原理,2频率复用距离的计算频率复用距离的计算取决于许多因素，如频率分组数、衰落和屏蔽对频率复用的影响、同道干扰的概率等等。 （1）D与R的关系,使用同一组频率的小区称为共道小
16、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。,2.4 蜂窝系统工作原理,设两个地区彼此相距D时，不会产生明显的同道干扰，则称D称为复用空间保护距离。设小区的半径为R，则称D/R为共道干扰抑制因子。根据蜂窝系统的几何关系，设区群数为k，则有：,（式2-44）,式中k是由（C/I）s所确定，可推出：,（式2-45）,2.4 蜂窝系统工作原理,所以,（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），则复用保护距离D为（式2-47）,同理，对4/12复用方式，D=6R；对3/9复用方式，D5.2R。,2.4 蜂窝系统
17、工作原理,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，反而每个小区内分得的频点数少了，结果致使小区的容量下降。所以，k到底取多少，还是要综合考虑各方面的因素。,2.4 蜂窝系统工作原理,（2）载波干扰比C/Ik是由（C/I）s所确定，而系统的载波干扰比C/I又是由系统所选用的调制方式和带宽来确定的。例如，当蜂窝网络每个区群共有7个小区，基站收发信机采用全向天线，只考虑到第一频道组的共道小区的干扰，如图所示 。,蜂窝网络共道小区分布,2.4 蜂窝系统工作原理,此时的载波干扰比C/I计算如下：,（式2-48）,式中，Ii为
18、第i频道组的共道干扰电平，共有6个，n为环境躁声功率，可忽略。,2.4 蜂窝系统工作原理,考虑到电波传播损耗为4次幂规律，则接收到的信号功率和干扰功率分别为,（式2-49）,（式2-50）,式中，A为常数。考虑到上述情况，而且Di都相同，则有,（式2-51）,2.4 蜂窝系统工作原理,规定系统的载干比门限为（C/I）s，只要满足,（式2-52）,就可以保证通信质量。,2.4 蜂窝系统工作原理,（3）考虑衰落和屏蔽情况下的频率复用距离计算衰落和屏蔽情况下的频率复用距离可分为三种情况加以考虑，一是只考虑衰落，二是只考虑屏蔽，三是同时考虑衰落和屏蔽。这时需要先考察同频干扰概率：,2.4 蜂窝系统工作
19、原理,通过计算发现，若当同频干扰概率的标准方差6dB，干扰概率P10-2时，既有衰落又有屏蔽情况下较只有屏蔽情况下的同频干扰概率增大8dB左右；当8dB，干扰概率P为10-3时，既有衰落又有屏蔽情况下较只有屏蔽情况下的同频干扰概率增大10dB左右；当12dB，两者差别就小多了。,2.4 蜂窝系统工作原理,由此，可以得出结论，在郊区和较低层建筑的市区，衰落对干扰概率影响很大，而在高建筑较多的城市，则主要由屏蔽引起的。所以，在进行频率复用距离计算时，分几种情况进行。,2.4 蜂窝系统工作原理,若移动台在某个接收点收到来自基站的有用信号包络S1，又收到另一基站的不需要信号（干扰信号）的包络S2，则同
20、频干扰概率定义为,（式2-53）,式中r为射频率保护比， r = 接收的有用信号/接收的干扰信号最小,2.4 蜂窝系统工作原理,（4）考虑通信概率的频率复用距离计算根据同频干扰容限的条件下，去找出最小所需的DR比的计算方法如下：假定90的覆盖区有75%的边缘覆盖率，并假定载频信号和一个干扰信号都服从对数正态衰落，并且不相关。它们的标淮偏差都为6dB，则合成偏差为68.4dB。,2.4 蜂窝系统工作原理,为了保证载干比大于18dB（DI18dB），且在边缘地区通信概率大于75，相应的衰落储备应大于0.68.4dB5dB。考虑到干扰源可能会多于一个，需再增加4dB的储备。在最坏的条件下，所需的DR
21、比应能保证CI的比值大于27dB。,2.4 蜂窝系统工作原理,由于传播特性与距离的4次方成正比，假定是光滑地球平面，则路径传播衰减为：,（式2-54）,式中，Ll-干扰的传播衰减；Lc-信号的传播衰减。,（式2-55）,2.4 蜂窝系统工作原理,则,（式2-56）,（式2-57）,由此可见满足同频干扰比27dB条件下，选N=12即可满足要求。实际工程中，同频复用距离的大小还取决于许多的因素，包括业务量、基站的位置、周围的电磁环境等等。,2.4 蜂窝系统工作原理,思考题,思考题,频分多址技术（FDMA） 时分多址技术（TDMA） 码分多址技术 (CDMA),2.4 蜂窝系统工作原理,2.4.3
22、多址方式 多址技术主要是解决如何使多用户共享系统天线资源的问题。 多址技术实质是属于信号正交划分与设计技术。 1什么频率复用,在发送端，信号正交划分与设计技术是使信号按某种参量相互正交或准正交。例如：c，f，t 按照这些参量分割，可以实现的多址连接有：,1 频分多址技术（FDMA）,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。,2.4 蜂窝系统工作原理,频分复用（FDM）又称频分多址定义：是发送端对所发信号的频率参量进行正交分割，形
23、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。,2.4 蜂窝系统工作原理,FDMA系统的工作示意图,2.4 蜂窝系统工作原理,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。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。,2.4 蜂窝系统工作原理,FDMA的缺点：1.两个移动台间通信通过基站的中转，需占两个上行子频段和两个下行子频段，加上收
24、发间的保护频带，因此FDMA系统的频率资源利用率低；2.FDMA的基站必须要设置N套调制解调器，设备比较复杂；3.FDMA信道大于通常需要的特定数字压缩信道，对于通信过程FDMA信道也是浪费的。但是，FDMA还是最经典的多址技术。目前TDMA和CDMA都可以结合FDMA共同作用。,2.4 蜂窝系统工作原理,2 时分多址技术（TDMA）,定义：发送端对所发送信号的时间参量进行正交分割，形成许多互不重叠的时隙。即在一个宽带的载波上，把时间分成周期性的帧，每一帧再分割成若干时隙（无论帧或时隙都是互不重叠的），每个时隙就是一个通信信道，分配给一个用户，在每一帧内依次排列，互不干扰。,2.4 蜂窝系统工
25、作原理,在接收端再利用时间的正交性，通过时间选择（选通门）从混合信号中选出相应的信号。 TDMA的应用：GSM、MMDS、LMDS等系统中都主要使用了TDMA技术。 TDMA与FDMA的相似处： 总的带宽约等于各个用户信号带宽的总和。,2.4 蜂窝系统工作原理,TDMA的基本工作原理：系统根据一定的时隙分配原则，使各个移动台在每帧内只能按指定的时隙向基站发射信号；为了保证不同传播时延情况下，各移动台到达基站的信号不会重叠，通常在帧结构中有保护间隔比特，在此保护间隔内不传送信号；这样在满足定时和同步的条件下，基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰。,2.4 蜂窝系统工作原理,TDMA系
26、统的工作示意图,2.4 蜂窝系统工作原理,在FDD方式中，上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上，但在TDD方式中，上下行帧都在相同的频率上。在每一个子频带上又分了若干个子时隙，每个用户只占用子时隙进行通话。显然，TDMA使得频率资源的利用率得到了很大的提高，即相同频率资源下可容纳比FDMA多几倍的用户数。（优点）但同时TDMA系统要注意通信中的同步和定时问题，否则会因为时隙的错位和混乱而导致接收端移动台无法正常接收信息。（缺点）,2.4 蜂窝系统工作原理,在TDMA系统中，每帧中的时隙结构（或称为突发脉冲）的设计通常要考虑三个主要的因素：1.控制和信令信息的传输；2.信道多径的影响；3.系
27、统的同步。解决这些问题的主要方法：1.在每个时隙中专门划出部分比特用于控制和信令信息的传输；2.在时隙中插入自适应均衡器所需的训练序列，并在上行链路的每个时隙中留出一定的保护间隔；3.在时隙中有专用的同步序列。,2.4 蜂窝系统工作原理,3 码分多址技术(CDMA),定义：采用一组彼此正交(或准正交)的伪随机噪声(PN)序列用作为扩频序列码对传输信号进行扩频调制，在接收端用相应的PN码通过相关处理解扩来实现多用户共享频率资源的功能。该技术将每一来话编码，并在接收端进行解码，使大量用户能够共享同一无线电频率。CDMA有两种主要形式：直扩码分(DS-CDMA)（民用）与跳频码分（FH-CDMA）（
28、军事）。,2.4 蜂窝系统工作原理,CDMA基本工作原理：在码分多址通信系统中，利用自相关性很强而互相关值为0或很小的周期性码序列作为地址码，与用户信息数据相乘（或模2加），经过相应的信道传输后，在接收端以本地产生的已知地址码为参考，根据相关性的差异对接收到的所有信号进行鉴别，从中将地址码与本地地址码一致的信号选出，把不一致的信号除掉（称之为相关检测）。,2.4 蜂窝系统工作原理,三种多址技术的对比,2.4 蜂窝系统工作原理,三种多址方式比较：,FDMA多址方式是一种基本的多址方式，它靠不同的子频带来区分用户，其技术成熟、应用广泛。但是，单纯的FDMA方式存在频率利用率低、基站收发信机数量大、
29、互调干扰严重等问题。 TDMA多址方式靠不同的子时隙来区分用户，它将时间划分成周期性的帧，每一帧分成若干时隙，这样一个载频就含有多个信道，从而一个载频可供多个用户工作，基站的收发设备数量减少，其互调干扰也就大大减小。 CDMA多址方式靠不同的正交码型来区分用户，它是在同频、同时条件下，各个接收机根据信号码型之间的差异分离出需要的信号。,2.4 蜂窝系统工作原理,与FDMA和TDMA相比，CDMA具有许多独特的优点：含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干扰性好，抗多径衰落，保密安全性高，同频率可在多个小区内重复使用等属性。这些属性使CDMA比其它系统有非常重要的优势：系统容量
30、大、系统容量配置灵活、通话质量好等。,2.4 蜂窝系统工作原理,CDMA成了实现第三代移动通信的关键。该技术发展成为多个标准，我国也有WCDMA、CDMA 2000和TD-SCDMA三大阵营，互不相让，竞争激烈。,2.4 蜂窝系统工作原理,第2章 移动通信的基本概念 小 结,1.移动信道的特征 3.蜂窝系统工作原理,1什么是快衰落？ 2什么是慢衰落？ 3什么是蜂窝呢？ 4盲点和热点的解决方式分别是？,思考题,1.什么是快衰落？在陆地移动通信中，移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和，这种由多径产生的衰落，称为快衰落。2.什么是慢衰落？接收天线处的场强中值随移动台运动时周围地形、建筑物等的变化而出现的波动称为慢衰落。,思考题,3.什么是蜂窝呢？ 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。 4.盲点和热点的解决方式分别是？设置直放站、分裂小区等方法。,思考题,Thank You!,
