無線通信基本原理

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

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（GigaHertz）。通常劃分成八個區(qū)域，參看下表：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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）時間接收信號強度發(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－信號衰落快衰落無線線傳傳播播環(huán)環(huán)境境－－信號號衰衰落落慢衰衰落落：：移動臺臺接收收的信信號除除瞬時時出現(xiàn)現(xiàn)快速速瑞利利衰落落外，，其場場強中中值隨隨著地地區(qū)位位置改改變出出現(xiàn)較較慢的的變化化，這這就是是所謂謂的慢慢衰落落或陰陰影衰衰落，，慢衰衰落的的場強中中值服服從對對數(shù)正正態(tài)分分布。電波波傳播播路徑徑上遇遇有高高大建建筑物物、樹樹林、、地形形起伏伏等障障礙物物的阻阻擋，，就會會產(chǎn)生生電磁磁場的的陰影影。衰衰落深深度與與與位置置/地點相相關，，衰落落的速速度取取決于于移動動臺移移動的的速度度。無線傳傳播環(huán)環(huán)境－－信號衰衰落慢衰落無線傳傳播環(huán)環(huán)境－－信號衰衰落距離(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落總的來來說，，在蜂蜂窩環(huán)環(huán)境中中有兩兩種影影響：：第一一種是是多徑徑，從從建筑筑物表表面或或其他他物體體反射射、散散射而而產(chǎn)生生的短短期衰衰落；；第二二種是是直接接可見見路徑徑產(chǎn)生生的主主要信信號強強度的的緩慢慢變化化，即即長期期場強強變化化。也也就是是說，，信道道工作作于符符合瑞瑞利分分布的的快衰衰落并并疊加加有信信號幅幅度滿滿足對對數(shù)正正態(tài)分分布的的慢衰衰落。。無線傳傳播環(huán)環(huán)境－－信號衰衰落抗快衰衰落主主要措措施－－分集集時間分分集空空間分分集頻率分分集極極化分分集克服慢慢衰落落的主主要方方法是是加大大發(fā)射射功率率，提提高接接收靈靈敏度度，宏宏觀分分集等等。無線傳傳播環(huán)環(huán)境－－傳播損損耗在研究究傳播播時，，特定定接收收機功功率接接收的的信號號電平平是一一個主主要特特性。。由于于傳播播路徑徑和地地形干干擾，，傳播播信號號減小小，這這種信信號減減小稱稱為傳傳播損損耗。。自由空空間的的傳播播損耗耗可以以由下下式表表示：：其中f為頻率率(MHz)，d為距離離(km)。上式式與距距離d，頻率率f成反比比，當當距離離或頻頻率增增加一一倍時時，自自由空空間的的路徑徑損耗耗增加加6dB(信號場場強衰衰減4倍）。。無線傳傳播環(huán)環(huán)境－－傳播損損耗當已知知頻率率f還可以以簡化化上式式：式中γ＝2。γ稱為路路徑損損耗傾傾斜因因子。。在實實際的的信號號空間間傳播播中，，地形形、信信號在在不同同介質質上的的繞射射、反反射、、穿透透都會會導致致不同同的傳傳播損損耗，，不同同環(huán)境境下γ的取值值范圍圍：無線傳傳播環(huán)環(huán)境－－傳播損損耗電波傳傳播受受地形形結構構和人人為環(huán)環(huán)境的的影響響，無無線傳傳播環(huán)環(huán)境直直接決決定無無線傳傳播方方式。。影響響無線線電波波傳播播方式式的主主要因因素有有：自然地地形（（高山山、丘丘陵、、平原原、水水域））人工建建筑的的數(shù)量量、分分布、、材料料特性性植被特特征天氣狀狀況無線傳傳播環(huán)環(huán)境－－傳播損損耗無線傳傳播模模型和和校正正隨著網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)規(guī)模的的擴大大，對對通信信質量量要求求的提提高，，網(wǎng)絡絡規(guī)劃劃、覆覆蓋預預測已已不可可能靠靠手工工運算算來完完成。。通過過計算算機應應用傳傳播模模型就就能夠夠很好好的解解決這這一問問題。。通過過模型型進行行預測測能夠夠得到到誤差差在10dB以內(nèi)的的路徑徑損耗耗的本本地均均值。。·移動通通信中中用到到的傳傳播模模型有有很多多,常見的的有：：●Hata-Okumura模型●Walfisch-Ikegami模型●Planet通用模模型不同的的模型型有不不同的的特點點，有有各自自的適適用范范圍。。無線傳傳播模模型和和校正正PlaNET通用模模型由由下面面的方方程確確定：：L(dB)=PTX-PRX=-K1-K2㏒d-K3㏒(Heff)-K4(Diffraction)-K5㏒(Heff)㏒d-K6(Hmeff)-Kclutter式中,PRX為接收收功率率（dBm）;PTX為發(fā)射射功率率（dBm）;K1為偏置置常量量(dB）;K2為距離離衰減減常數(shù)數(shù);K3為基站站天線線高度度補償償修正正系數(shù)數(shù);K4為多重重繞射射損耗耗修正正系數(shù)數(shù);K5為㏒(Heff)㏒d多重修修正因因子;K6為移動動臺天天線有有效高高度增增益修修整因因子;d為基站站到移移動臺臺之間間的距距離（（m）;Heff為基站站天線線有效效高度度（m）;K4(Diffraction)為有障障礙物物阻擋擋時的的繞射射路徑徑損耗耗;Kclutter為地貌貌衰減減系數(shù)數(shù)（dB）;Hmeff為移動動臺天天線有有效高高度.無線傳傳播模模型和和校正正傳播模模型用用于預預測地地形、、障礙礙物及及人為為環(huán)境境對無無線電電波傳傳播中中路徑徑損耗耗的影影響。。傳播模模型是是移動動通信信網(wǎng)小小區(qū)規(guī)規(guī)劃的的基礎礎。采采用模模型的的價值值就是是在保保證精精度的的同時時節(jié)省省了人人力、、費用用和時時間。。2.移動通通信基基本原原理一、蜂蜂窩理理論二、網(wǎng)網(wǎng)絡結結構三、多多址技技術四、概概念辨辨析蜂窩理理論移動通通信網(wǎng)網(wǎng)是由由大區(qū)區(qū)制演演變成成蜂窩窩結構構的。。在大大區(qū)制制條件件下，，用戶戶少，，話務務量低低，頻頻率相相對豐豐富。。大區(qū)區(qū)制的的網(wǎng)絡絡由一一個基基站，，功放放輸出出較大大功率率，覆覆蓋一一定的的區(qū)域域。在在此區(qū)區(qū)域內(nèi)內(nèi)，使使用信信道組組{f1、f2、f3.....fn}。蜂窩理理論隨用戶戶增多多，話話務量量增大大，網(wǎng)網(wǎng)絡容容量的的增加加，原原來信信道組組（f1,f2...fn)不能滿滿足需需要，，采用用的辦辦法是是頻率率復用用蜂窩理理論網(wǎng)絡無無線設設計時時，將將基站站發(fā)射射功率率降低，每每一個個基站站覆蓋蓋范圍縮縮小，，原先由一一個基基站覆覆蓋的的區(qū)域域，現(xiàn)現(xiàn)在由由多個個基站站覆蓋蓋，整整個網(wǎng)網(wǎng)絡圖圖如同同蜂窩窩一般般。蜂窩理理論移動通通信基基本原原理一、蜂蜂窩理理論二、網(wǎng)網(wǎng)絡結結構三、多多址技技術四、概概念辨辨析網(wǎng)絡結結構網(wǎng)絡結結構網(wǎng)絡結結構BTSBSCMSC/VLRBSC其它MSCBTSBTSBTSA接口Abis接口Um接口1:鑒權2:確認3:登記4:業(yè)務權權限HLR/AC網(wǎng)絡結結構－－3G網(wǎng)絡結結構－－3G功能上上，3G網(wǎng)絡單單元可可以分分為無無線接接入網(wǎng)網(wǎng)絡（（RadioAccessNetwork，RAN）和核核心網(wǎng)網(wǎng)（CoreNetwork，CN）。其中無無線接接入網(wǎng)網(wǎng)絡用用于處處理所所有與與無線線有關關的功功能，，而CN處理UMTS系統(tǒng)內(nèi)內(nèi)所有有的語語音呼呼叫和和數(shù)據(jù)據(jù)連接接與外外部網(wǎng)網(wǎng)絡的的交換換和路路由。。上述述的兩兩個單單元和和用戶戶設備備（UserEquipent，UE）一起起構成成了整整個UMTS系統(tǒng)。。網(wǎng)絡結結構－－3G移動通通信基基本原原理一、蜂蜂窩理理論二、網(wǎng)網(wǎng)絡結結構三、多多址技技術四、概概念辨辨析移動通通信系系統(tǒng)的的多址址方式式FDMA??TDMA??CDMA??SDMA移動通通信系系統(tǒng)必必須盡盡可能能有效效利用用分配配的頻頻率。。由于于頻率率資源源是有有限的的，將將有限限的資資源為為更多多的移移動用用戶服服務是是移動動通信信技術術不斷斷更新新發(fā)展展的主主題。。移動動通信信系統(tǒng)統(tǒng)正在在采用用或研研制FDMA、TDMA、CDMA和SDMA多址方方式。。傳統(tǒng)多多址技技術時間頻率FDMA頻率時間TDMAFDMA：：FrequencyDivisionMultipleAccess頻分多多址TDMA：：TimeDivisionMultipleAccess時分多多址FDMAFDMA信道每每次只只能傳傳遞一一路電電話，，如果果一個個FDMA信道被被分配配為話話音信信道，，但沒沒有使使用，，并且且處于于空閑閑狀態(tài)態(tài)，它它不能能被其其他用用戶使使用。。在分配配成語語音信信道后后，基基站和和移動動臺就就會同同時地地連續(xù)續(xù)不斷斷地發(fā)發(fā)射FDMA通常是窄帶帶系統(tǒng)，TACS為代表，每每信道25kHz帶寬FDMA比TDMA簡單，同步步和組幀比比特少，系系統(tǒng)開銷小小FDMA需要精確的的RF濾波器，需需要雙工器器（單天線線）非線性效應應：許多信信道共享一一個天線，，功率放大大器的非線線性會產(chǎn)生生交調頻率率（IM），產(chǎn)生額額外的RF輻射TDMA多個用戶共共享一個載載波頻率，，分享不同同時隙TDMA系統(tǒng)的數(shù)據(jù)據(jù)傳遞是不不連續(xù)的，，是分組發(fā)發(fā)射，可以以關閉不連連續(xù)發(fā)送，，可以利用用空閑時隙隙監(jiān)聽其他他基站，實實現(xiàn)切換處處理即使使用FDD方式也無需需雙工器可以按照不不同的用戶戶提供不同同的帶寬TDMA的效率是指指發(fā)射的數(shù)數(shù)據(jù)中信息息所占的百百分比質量控制通通過頻率規(guī)規(guī)劃來實現(xiàn)現(xiàn)CDMA：：CodeDivisionMultipleAccess碼分多址頻率時間碼字CDMA所有用戶在在同一時間間、同一頻頻段上、根根據(jù)編碼獲獲得業(yè)務信信道SDMA(SpaceDivisionMultipleAccess)：空分多址址SDMA即在相同時時隙、相同同頻率或相相同地址碼碼的情況下下，可以根根據(jù)信號不不同的中間間傳播路徑徑而區(qū)分。。SDMA是一種信道道增容方式式，例如空空分—碼分多址（（SD-CDMA）。波束形成天天線采用智智能天線，，基站的智智能天線形形成多個波波束覆蓋整整個小區(qū)，，智能天線線可定位于于每個MS。MSMSMSBTS移動通信基基本原理一、蜂窩理理論二、網(wǎng)絡結結構三、多址技技術四、概念辨辨析a)話務量概念念話務量的嚴嚴格定義應應該叫做話話務強度，，是電話系系統(tǒng)業(yè)務多多少的度量量，它與單單位時間（（一般取忙忙時1小時）內(nèi)的的呼叫次數(shù)數(shù)n及呼叫占用用信道的平平均時間（（T）成正比。。A=n×T/3600系統(tǒng)忙時話話務量（A）表示系統(tǒng)統(tǒng)的繁忙程程度，又稱稱話務負荷荷，單位為為愛爾蘭Erlang，用符號Erl表示。T以秒為單位位。話務量概念念平均用戶忙忙時話務量量指一天中中話務量最最忙時間平平均每個用用戶的來話話和去話話話務量之和和。在計算算信道數(shù)時時采用忙時時話務量可可以保證除除忙時以外外的其它時時間的無線線信道呼損損率明顯低低于忙時的的指標，這這是為了保保持一定的的服務質量量等級所必必須的。話務量概念念－愛爾蘭B表在話務理論論中，愛爾爾蘭B函數(shù)最符合合多信道共共用電話系系統(tǒng)的實際際情況，它它有如下假假設：1、系統(tǒng)的信信道數(shù)N為有限值，，用戶數(shù)M>>N。2、單位時間間內(nèi)的呼叫叫次數(shù)與系系統(tǒng)的用戶戶數(shù)無關，，是一個獨獨立常數(shù)。。3、用戶發(fā)出出呼叫后，，沒有空閑閑信道則放放棄呼叫要要求。4、通話時間間長度的概概率分布服服從指數(shù)規(guī)規(guī)律。話務量概念念－愛爾蘭B表對于這樣的的系統(tǒng)，N個信道中有有K個信道同時時被占用的的概率為Pk=(Ak/k!)/(∑Ai/i!)i從1到N其中k=1,2,3,...,N。當N個信道都被被占用時，，再呼叫就就會呼損，，所以N個信道同時時被占用的的概率就等等效為呼損損率（GOS:Gradeofservice)，即PN=(AN/N!)/(∑Ai/i!)=Bi從1到N上式稱為愛愛爾蘭公式式話務量概念念－愛爾蘭B表根據(jù)上式可可以得到呼呼損率B、與話務量量A及信道數(shù)N之間的關系系，得到愛愛爾蘭B表。在愛爾爾蘭B表中，當已已知話務量量和呼損率率時，可由由該表查出出需要的信信道數(shù)；已已知信道數(shù)數(shù)N和呼損率時時，可由該該表求得N個信道所負負荷的話務務量。話務量概念念－愛爾蘭B表b)dB概念介紹dBm是一個考征征功率絕對對值的值，，計算公式式為：10lgP（功率值/1mw）。dBi和dBddBi和dBd是考征增益益的值（功功率增益）），兩者都都是一個相相對值，但但參考基基準不一樣樣。dBi的參考基準準為全方向向性天線，，dBd的參考基準準為偶極子子，所以兩兩者略有不不同。一般般認為，表表示同一個個增益，用用dBi表示出來比比用dBd表示出來要要大2.15。dB是一個表征征相對值的的值，當考考慮甲的功功率相比于于乙功率大大或小多少少個dB時，按下面面計算公式式：10lg（甲功率/乙功率）-30dBm=1mW-20dBm=10mW-10dBm=100mW-7dBm=200mW-3dBm=500mW0dBm=1mW+3dBm=2mW+7dBm=5mW+10dBm=10mW+13dBm=20mW+20dBm=100mW+30dBm=1W+40dBm=10W+50dBm=100Wb)dB概念介紹dBm是一個考征征功率絕對對值的值，，計算公式式為：10lgP（功率值/1mw）。dBi和dBddBi和dBd是考征增益益的值（功功率增益）），兩者都都是一個相相對值，但但參考基基準不一樣樣。dBi的參考基準準為全方向向性天線，，d