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(chǔ)理論 2.移動通信基本原理 1.1.無線電波傳播的基礎(chǔ)理論無線電波傳播的基礎(chǔ)理論無線傳播基本原理電波傳播方式： Free- space propagati onSi gnal strength decreasesexponenti al l y wi th di stancespecul ar refl ecti ondi ffuse refl ecti on Refl ecti onSpecul ar Refl ecti onam pl i tude: A - *A ( - pol ari sati on: m ateri al dependant

2、phase shi ftDi ffuse Refl ecti on.am pl i tude: A - *A ( random phasepol ari sati on : randomD 無線傳播基本原理電波傳播方式： Absor pt i onheavy ampl i t udeat t enuat i on mat er i aldependant phase shi f t sdepol ar i sat i on Di f f r act i onwedge- modelkni f e edgemul t i pl e kni f e edgesAA - 5.30 dB 無線傳播基本

3、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，參看下表：符號(中譯名)頻率范圍相當(dāng)米制劃分VLF(甚低頻)3至30kHz萬米波LF(低頻)30到300kHz千米波MF(中頻)300至3 000kHz百米波HF(高頻)3至30MHz十米波VHF(甚高頻)30至300MHz米波UHF(超高頻)300至3000MHz分米波(十分之一米波)SHF(特高頻)3至30GHz厘米波(百分之一米波)EHF(極高頻)30至300GHz毫米波(千分之一米波)移動通信系統(tǒng)中頻段的劃分為：移動通信系統(tǒng)中頻段的劃分為：E-GSM900GSM

4、1800CDMA-800885-915MHz(MS)1710-1755MHz(MS)825-835MHz (MS)930-960MHz(BS)1805-1850MHz(BS)870-880MHz (BS)3G-FDD3G-TDD1920-1980MHz (MS)1880-1920MHz 2110-2170MHz (BS)2010-2025MHz 由上表可以看出移動通信頻段位于由上表可以看出移動通信頻段位于UHF頻段范圍內(nèi)，是以頻段范圍內(nèi)，是以空間波的方式進(jìn)行傳輸?shù)??？臻g波的方式進(jìn)行傳輸?shù)摹o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(jī)到接收機(jī)的電磁波的主要傳播模式是直

5、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(jī)與發(fā)射機(jī)之間的直達(dá)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間的通信不一定是通過直達(dá)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）時間接收信號強(qiáng)度發(fā)射信號無線傳播環(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(qiáng)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

6、、角度隨機(jī)。無線傳播環(huán)境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(qiáng)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(qiáng)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(guān)，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)境信號衰落距離距離(m)接收功率接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落慢衰落快衰落快衰落 總的來說，在蜂窩環(huán)境中有兩種影響：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

7、；第二種是直接可見路徑產(chǎn)生的主要信號強(qiáng)度的緩慢變化，即長期場強(qiáng)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，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(jī)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(dāng)距離或頻率增加一倍時，自由空間的路徑損耗增加6d

8、B(信號場強(qiáng)衰減4倍）。)log(20)log(204 .32kmMHzpdfL無線傳播環(huán)境傳播損耗 當(dāng)已知頻率f還可以簡化上式： 式中2。稱為路徑損耗傾斜因子。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(dǎo)致不同的傳播損耗，不同環(huán)境下的取值范圍：)log(100kmpdLL環(huán)境路徑損耗傾斜因子自由空間2市區(qū)蜂窩環(huán)境2.73.5市區(qū)陰影蜂窩環(huán)境35室內(nèi)視距1.61.8室內(nèi)非視距46無線傳播環(huán)境傳播損耗25 dB/dec30 dB/dec20 dB/dec40 .50 dB/decpath loss 電波傳播受地形結(jié)構(gòu)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

9、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(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，對通信質(zhì)量要求的提高，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、覆蓋預(yù)測已不可能靠手工運算來完成。通過計算機(jī)應(yīng)用傳播模型就能夠很好的解決這一問題。通過模型進(jìn)行預(yù)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通用模型由下面的方程確定： L (d

10、B) = 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）;K1為偏置常量(dB）; K2為距離衰減常數(shù);K3為基站天線高度補(bǔ)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

11、系數(shù)（dB）; Hmeff為移動臺天線有效高度.無線傳播模型和校正 傳播模型用于預(yù)測地形、障礙物及人為環(huán)境對傳播模型用于預(yù)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。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(chǔ)。采用傳播模型是移動通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)。采用模型的價值就是在保證精度的同時節(jié)省了人力、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。費用和時間。2.移動通信基本原理一、蜂窩理論二、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)三、多址技術(shù)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(gòu)的。在大區(qū)制條件下，用戶少，話務(wù)量低，頻率相對豐富。大區(qū)制的網(wǎng)絡(luò)由一個基站，功放輸出較大功

12、率，覆蓋一定的區(qū)域。在此區(qū)域內(nèi)，使用信道組f1、f2、f3.fn。蜂窩理論 隨用戶增多，話務(wù)量增大，網(wǎng)絡(luò)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(fù)用蜂窩理論 網(wǎng)絡(luò)無線設(shè)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(luò)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(luò)結(jié)構(gòu)三、多址技術(shù)四、概念辨析網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)MSBTSBTSBSCBSSOMCMSC/VLRNMCEIRHLR/AUCDPPSPCSSEMCOSSPSTNISDNPDNNSS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)BTSBSCMSC/VLRBSC其它其它MSCB

13、TSBTSBTSA接口接口Abis接口接口Um接口接口1:鑒權(quán)2:確認(rèn)3:登記4:業(yè)務(wù)權(quán)限HLR/AC網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3G網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3G 功能上，3G網(wǎng)絡(luò)單元可以分為無線接入網(wǎng)絡(luò)（Radio Access Network，RAN）和核心網(wǎng)（Core Network，CN）。 其中無線接入網(wǎng)絡(luò)用于處理所有與無線有關(guān)的功能，而CN處理UMTS系統(tǒng)內(nèi)所有的語音呼叫和數(shù)據(jù)連接與外部網(wǎng)絡(luò)的交換和路由。上述的兩個單元和用戶設(shè)備（User Equipent，UE）一起構(gòu)成了整個UMTS系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3G移動通信基本原理一、蜂窩理論二、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)三、多址技術(shù)四、概念辨析移動通信系統(tǒng)的多址方式FDMA TDMA CDMA

14、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(wù)是移動通信技術(shù)不斷更新發(fā)展的主題。移動通信系統(tǒng)正在采用或研制 FDMA、TDMA、CDMA和SDMA多址方式。 傳統(tǒng)多址技術(shù)傳統(tǒng)多址技術(shù)時間頻率FDMA頻率時間TDMAFDMA：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

15、臺就會同時地連續(xù)不斷地發(fā)射FDMA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(yīng)：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(guān)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 Div

16、ision Multiple Access 碼分多址頻率時間碼字CDMA所有用戶在同一時間、同一頻段上、根據(jù)編碼獲所有用戶在同一時間、同一頻段上、根據(jù)編碼獲得業(yè)務(wù)信道得業(yè)務(wù)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。SDMA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。MSMSMSBTS移動通信基本原理一、蜂窩理論二、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)三、多址技術(shù)四、概念辨析a)話務(wù)

17、量概念 話務(wù)量的嚴(yán)格定義應(yīng)該叫做話務(wù)強(qiáng)度，是電話系統(tǒng)業(yè)務(wù)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=nT/3600 系統(tǒng)忙時話務(wù)量（A）表示系統(tǒng)的繁忙程度，又稱話務(wù)負(fù)荷，單位為愛爾蘭Erlang，用符號Erl表示。T以秒為單位。話務(wù)量概念 平均用戶忙時話務(wù)量指一天中話務(wù)量最忙時間平均每個用戶的來話和去話話務(wù)量之和。在計算信道數(shù)時采用忙時話務(wù)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(biāo)，這是為了保持一定的服務(wù)質(zhì)量等級所必須的。 話務(wù)量概念愛爾蘭B表 在話務(wù)理論中，愛爾蘭B函數(shù)最符合多信道共用電話系統(tǒng)的實際情況，它有如下

18、假設(shè)： 1、系統(tǒng)的信道數(shù)N為有限值，用戶數(shù)MN。 2、單位時間內(nèi)的呼叫次數(shù)與系統(tǒng)的用戶數(shù)無關(guān)，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(wù)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(dāng)N個信道都被占用時，再呼叫就會呼損，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(wù)量概念愛爾蘭B表 根據(jù)上式可以得到呼

19、損率B、與話務(wù)量A及信道數(shù)N之間的關(guān)系，得到愛爾蘭B表。在愛爾蘭B表中，當(dāng)已知話務(wù)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(fù)荷的話務(wù)量。話務(wù)量概念愛爾蘭B表b) dB概念介紹dBmdBm是一個考征功率絕對值的值，計算公式是一個考征功率絕對值的值，計算公式為：為：1010lgPlgP（功率值（功率值/1/1mwmw）。）。 dBi dBi 和和dBddBddBidBi和和dBddBd是考征增益的值（功率增益），是考征增益的值（功率增益），兩者都是一個相對值，兩者都是一個相對值， 但參考基準(zhǔn)不一樣。但參考基準(zhǔn)不一樣。dBidBi的參考基準(zhǔn)為全方向性天線

20、，的參考基準(zhǔn)為全方向性天線，dBddBd的參的參考基準(zhǔn)為偶極子，所以兩者略有不同。一考基準(zhǔn)為偶極子，所以兩者略有不同。一般認(rèn)為，表示同一個增益，用般認(rèn)為，表示同一個增益，用dBidBi表示出來表示出來比用比用dBddBd表示出來要大表示出來要大2. 152. 15。dBdB是一個表征相對值的值，當(dāng)考慮甲的功是一個表征相對值的值，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個率相比于乙功率大或小多少個dBdB時，按下時，按下面計算公式：面計算公式：1010lglg（甲功率（甲功率/ /乙功率）乙功率）-30 dBm = 1 mW-20 dBm = 10 mW-10 dBm = 100 mW-7 dBm = 200 mW-3 dBm = 500 mW 0 dBm = 1 mW+3 dBm = 2 mW+7 dBm = 5 mW+10 dBm = 10 mW+13 dBm = 20 mW+20 dBm = 100mW+30 dBm = 1 W+40 dBm = 10W+50 dBm = 100Wb) dB概念介紹dBmdBm是一個考征功率絕對值的值，計算公式是一個考征功率絕對值的值，計算公式為：為：1010lgPlgP（功率值（功率值/1/1mwmw）。）。 dBi dBi 和和dBddBddBidBi和和dBddBd是考征增益的值（功率增益），是考征增