移動通信技術 課件 第1章 移動通信概述

1.1移動通信發(fā)展歷程

1.2歷代移動通信技術比較

1.3移動通信中的損耗和效應

1.4移動通信標準化組織1.1移動通信發(fā)展歷程目前，移動通信技術主要經(jīng)歷了如圖1.1所示的更迭，第五代移動通信5G蓬勃發(fā)展，并已逐步進入應用階段。據(jù)報道，第六代移動通信6G已開始研制，預計2027年前后便可投入應用。1.1.1第一代移動通信技術(1G)——模擬移動通信1986年，第一代移動通信系統(tǒng)(1G)在美國芝加哥誕生，主要采用的是模擬調制技術與頻分多址接入(FrequencyDivisionMultipleAccess，F(xiàn)DMA)技術，進行模擬信號的傳輸，即將電磁波進行頻率調制后，將語音信號轉換到載波電磁波上，載有信息的電磁波被發(fā)射到空間后，由接收設備接收，并從載波電磁波上還原語音信息，完成一次通話。由于各個國家的1G通信標準并不一致，導致第一代移動通信沒能實現(xiàn)“全球漫游”，這大大阻礙了1G的發(fā)展。1G的主要缺點是容量非常有限、頻譜利用率低以及信令干擾話音業(yè)務，除此之外，還存在語音品質低、信號不穩(wěn)定、安全性差等問題。1G主要基于蜂窩結構組網(wǎng)，實現(xiàn)措施主要包括模擬語音調制技術、FDMA技術和載波復用技術。代表性的商用系統(tǒng)包括美國的先進移動電話系統(tǒng)(AMPS)、英國的全球接入通信系統(tǒng)(TACS)和北歐移動電話系統(tǒng)(NMT)。它們的主要缺陷體現(xiàn)在傳輸速率低、通話設備體積龐大、樣式笨重及價格高等方面。1.1.2第二代移動通信技術(2G)——數(shù)字移動通信2G與1G的顯著不同在于，2G采用數(shù)字調制技術，因此，2G的系統(tǒng)容量較1G增加3～5倍。隨著系統(tǒng)容量的增加，2G時代的手機可以上網(wǎng)了，雖然數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群苈?，但文字信息的傳輸由此開始了，這成為當今移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的基礎。2G通信系統(tǒng)分別采用數(shù)字時分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)技術。2G時代也是移動通信標準爭奪的開始，當時主要通信標準有以摩托羅拉為代表的CDMA美國標準和以諾基亞為代表的GSM歐洲標準。隨著GSM標準在全球范圍內更加廣泛的使用，我國主要采用GSM標準，后來聯(lián)通引入了CDMA技術，美國和韓國主要采用CDMA。2G中引入了包括均衡、交織、RAKE接收和功率控制等新技術。2G數(shù)字蜂窩系統(tǒng)包括GSM、IS-95CDMA及IS-136TDMA系統(tǒng)。GSM是這些系統(tǒng)中部署最廣泛的系統(tǒng)。IS-136是一種基于TDMA的系統(tǒng)，被設計作為AMPS的數(shù)字演進，使用30kHz的信道。中國、日本和其他一些亞洲國家及地區(qū)部署的個人手持式電話系統(tǒng)(PHS)通常也被認為是一種2G系統(tǒng)。PHS是一種與數(shù)字增強型無繩電話(DECT)系統(tǒng)類似的無繩電話系統(tǒng)，它具有從一個小區(qū)向另一個小區(qū)切換的功能，在1880～1930?MHz頻段上運行。為了適應數(shù)據(jù)業(yè)務的發(fā)展需要，在第二代技術中還誕生了2.5G，代表性的商用系統(tǒng)有GSM系統(tǒng)的GPRS和CDMA系統(tǒng)的IS-95B；有時也將增強型數(shù)據(jù)速率GSM演進技術(EDGE)、CDMA2000等技術歸屬于2.5G，這些技術的數(shù)據(jù)傳輸速率與實際所用的速率之間會有差異。2G提供數(shù)字化的話音業(yè)務及低速數(shù)據(jù)業(yè)務，它克服了模擬移動通信系統(tǒng)的弱點，話音質量和保密性能得到了大幅提高，并可進行省內、省際自動漫游。第二代移動通信替代第一代移動通信系統(tǒng)完成模擬技術向數(shù)字技術的轉變。2G的缺點為：標準不統(tǒng)一，只能在同一制式覆蓋區(qū)域漫游，無法進行全球漫游；帶寬有限，不能提供高速數(shù)據(jù)傳輸；抗干擾、抗衰落能力不強，系統(tǒng)容量不足；頻率利用率低。1989年，高通公司提出了CDMA，將其作為一種更有效、品質更高的無線技術，并且用一個系統(tǒng)對它進行驗證。1993年，高通公司取得了非凡的成功，電信工業(yè)協(xié)會TIA采納了其提議，將CDMA作為IS-95標準，以替代早前作為AMPS數(shù)字演進的IS-54TDMA標準。與GSM等其他數(shù)字無線系統(tǒng)不同，在IS-95CDMA系統(tǒng)內，多個用戶在同一時間共享同一信道。它不再采用在給定的頻道內對多個用戶的時間進行分片的技術，而是給每個用戶分配一個不同的正交擴頻碼，以便接收器用此來進行信號區(qū)分。速率高很多的碼序列可以擴展所占用的帶寬，將其與用戶數(shù)據(jù)符號相乘來應用正交擴頻碼。IS-95CDMA使用1.25?MHz帶寬，傳輸9.2?kb/s或速率更低的語音信號，將信號擴展到更高的帶寬上，能更好地避免多徑衰落及干擾。CDMA界提出3G演進計劃并進行部署，走在了那些正為GSM運營商所獲得的同類系統(tǒng)的前列。他們能夠獲得3G速率，而不必改變1.25?MHz的信道帶寬或者放棄后向兼容性，這樣對運營商來說更容易移遷。當GSM運營商還在尋找更多通過GPRS和EDGE逐步演進到3G的技術時，CDMA運營商已快速地部署了其3G網(wǎng)絡，即CDMA20001xEV-DO(EV-DO)，它是CDMA20001x演進到3G的一條路徑的一個階段。1.1.3第三代移動通信技術(3G)——數(shù)字移動通信國際電信聯(lián)盟(ITU)將3G正式命名為國際移動電話系統(tǒng)(IMT-2000)。歐洲電信標準協(xié)會(ETSI)稱3G為通用移動通信系統(tǒng)(UMTS)。相比于2G，3G依然采用數(shù)字數(shù)據(jù)傳輸，但通過開辟新的電磁波頻譜、制定新的通信標準，使得3G的傳輸速度達到384?kb/s，在室內穩(wěn)定環(huán)境下甚至達到2?Mb/s，是2G時代的140倍。由于采用了更寬的頻帶，傳輸?shù)姆€(wěn)定性也大大提升。速度和穩(wěn)定性的大幅提升，使大數(shù)據(jù)的傳送更為普遍，移動通信有了更多樣化的應用，因此3G被視為是開啟移動通信新紀元的關鍵技術。國際電信聯(lián)盟(ITU)確定了3G標準。1994年，中國聯(lián)通成立；1998年，郵政、電信分營；2000年，電信業(yè)重組，中國移動、中國電信正式成立；2001年，中國電信南北分拆，成立中國電信和中國網(wǎng)通；2008年，電信業(yè)第三次重組，形成了中國移動、中國電信、中國聯(lián)通三大運營商“三分天下”的市場格局。2009年我國3G牌照發(fā)放后，中國移動還承擔了建設運營我國自主知識產權3G標準TD-SCDMA的使命，中國電信采用CDMA2000，中國聯(lián)通采用WCDMA。從事WCDMA(WidebandCDMA)標準研究和設備開發(fā)的廠商很多，其中包括諾基亞、摩托羅拉、西門子、NEC、阿爾卡特等。該標準提出了“GSM(2G)—GPRS—EDGE—WCDMA(3G)”的演進策略。CDMA2000(窄帶CDMA)由美國高通公司推出，摩托羅拉、朗訊和三星都有參與，韓國是CDMA2000的主導者。該標準提出了“CDMA(2G)—CDMA20001x—CDMA20003x(3G)”的演進策略。其中CDMA20001x被稱為2.5G移動通信技術，中國電信就是采用這一技術向3G過渡的。CDMA20003x內，通過使用多載波技術，數(shù)據(jù)速率能達到2?Mb/s，從理論上來說，通過在前向鏈路中再增加64個業(yè)務信道，CDMA20001x可以將容量增加到IS-95的兩倍，這些新增的業(yè)務信道與之前已有的64個信道正交；上行鏈路通過采用相干調制進行改進，下行鏈路通過采用快速(800?Hz)功率控制和上行鏈路匹配；通過發(fā)射分集選項和補充波束指向控制選項，高級天線能力也被集成到新標準中。這些升級的關鍵在于它們都是后向兼容的。CDMA2000和IS-95A/B可以在同一載波上進行部署，這樣就可以實現(xiàn)平滑遷移。為獲得更高的數(shù)據(jù)速率(最高至2Mb/s)、提高整個系統(tǒng)在分組數(shù)據(jù)場景時的吞吐量，CDMA20001x也演進成為CDMA20001xEV-DO。顧名思義，該標準僅適用于數(shù)據(jù)業(yè)務，不支持語音業(yè)務和其他實時業(yè)務。雖然它使用一個1.25MHz的信道帶寬并具有與IS-95相同的無線特性，但它不能部署在和CDMA20001xRTT或IS-95相同的載波上。為部署數(shù)據(jù)，需要服務提供商提供一個專用于數(shù)據(jù)業(yè)務的載波。高通公司最初開發(fā)EV-DO作為高數(shù)據(jù)速率的一種解決方案，用在滿足IMT-2000的2?Mb/s低移動性要求的固定和移動應用中。不過后來它升級到滿足全移動性要求，名副其實地成為第一個真正給移動用戶提供和帶寬相似的速度的系統(tǒng)。實際上第一個EV-DO的部署是在2002年，整整比另一個由GSM運營商部署的類似系統(tǒng)HSDPA早3年。據(jù)CDMA開發(fā)小組所言，截止到2009年7月，EV-DO已擁有超過1.2億用戶。UMTS最初由ETSI開發(fā)，是作為IMT-2000的一個基于GSM演進的3G系統(tǒng)。1998年，隨著GSM走向全球，全世界6個地區(qū)的電信標準機構聯(lián)合起來組成3GPP，繼續(xù)開發(fā)UMTS及繼承GSM的一些其他標準。1999年，3GPP完成并發(fā)布了第一個3GUMTS標準，該標準通常稱為UMTSRelease99。UMTSRelease99被廣泛地部署在世界各地，取得了成功。UMTS包括一個提供交換、路由和用戶管理的核心網(wǎng)(CN)，通用移動通信系統(tǒng)(UTRAN)和用戶設備(UE)。其基本的體系結構建立在GSM體系結構基礎上，并與它們向后兼容，不過它的每個網(wǎng)元都為獲得3G能力進行了升級：基站收發(fā)信臺(BTS)稱為Node-B，基站控制器(BSC)稱為無線接入網(wǎng)絡(RAN)，網(wǎng)絡交換子系統(tǒng)(NSS)稱為CN，移動臺(MS)則被稱為UE。盡管UMTS仍保留著GSM/GPRS的體系結構，但其中被稱為WCDMA的3G空中接口卻徹底脫離了2G空中接口。WCDMA是一種直接序列擴頻CDMA系統(tǒng)，其中的用戶數(shù)據(jù)和偽隨機碼相乘，該偽隨機碼提供信道化、同步和加擾。WCDMA指定為FDD和TDD運行，不過目前FDD是部署最廣泛的。系統(tǒng)運行在5MHz帶寬上，能夠同時支持100多個語音呼叫，所提供的峰值數(shù)據(jù)速率為384～2048?kb/s。比起CDMA2000，除了信道帶寬，WCDMA具有支持單個用戶使用多碼、擴頻因子和數(shù)據(jù)速率的選擇更多等顯著優(yōu)點。高速分組接入(HSPA)由3GPP提出，指UMTS-WCDMA的兩種主要改進技術的結合：Release5內引入的高速下行分組接入(HSDPA)和Release6內引入的高速上行分組接入(HSUPA)；2005年年末，HSDPA首先由AT&T公司部署，很快就遍及全球。到2010年2月，HSPA已由303家運營商在130個國家部署，還有許多正在計劃中。其中大部分HSPA都是現(xiàn)存UMTS系統(tǒng)的一種軟件升級。20世紀90年代末，因特網(wǎng)的應用模式表明，大多數(shù)應用在下行鏈路要求較高的吞吐量，于是3GPPUMTS的演進一開始將重點放在了改進下行鏈路上。HSDPA定義了一種新的下行傳輸信道，理論上能夠提供高達14.4Mb/s的峰值吞吐量。該下行傳輸信道稱為高速下行共享信道(HS-DSCH)，與之前的WCDMA信道有所不同，它采用時分多址作為主要的多址接入技術，有限使用碼分多址。HSDPA有16個沃爾什碼，其中15個用于用戶業(yè)務。一個用戶可以用5、10或15個碼來獲得更高的吞吐量。不過一般來說，UE會把碼數(shù)限制在5或10個。為獲得更高的速率，該信道使用2?ms的幀長度，以便與WCDMA信道使用的10、20、40或80?ms的幀長度相區(qū)別。實際部署的HSDPA提供的常見用戶吞吐量范圍為500?kb/s～2?Mb/s。HSUPA，也稱增強型上行鏈路，它給UMTS-WCDMA引入一條新的上行信道，即增強型專用信道E-DCH。與HSDPA給下行鏈路所帶來的特性相同，HSUPA也給上行鏈路引入了同樣的先進技術特征，如多碼傳輸、HARQ、短的傳輸時間間隔以及快速調度等。HSUPA最多能支持5.8?Mb/s的峰值上行吞吐量，實際部署提供的常見用戶吞吐量在500?kb/s至1?Mb/s之間。這些較高的上行速率和較低的時延使一些應用得以實現(xiàn)。TD-SCDMA執(zhí)行技術采用由中國大唐電信制定的3G標準。該標準的提出不經(jīng)過2.5G的中間環(huán)節(jié)，直接向3G過渡，非常適用于GSM系統(tǒng)向3G升級。1.1.4LTE移動通信技術——移動互聯(lián)網(wǎng)通信LTE(長期演進)是3G的演進，并非真正意義上的4G技術，而是3G與4G技術之間的過渡，可以稱它為3.9G的全球標準，真正的4G始于2012年。2012年1月20日，國際電信聯(lián)盟ITU通過了4G(IMT-Advanced)標準，共有4種，分別是LTE、LTE-Advanced、WiMAX以及WirelessMAN。其中WiMAX(全球微波接入互操作性)基于IEEE802.16的BWAMAN（寬帶無線接入城域網(wǎng))技術，它又常被稱為IEEEWirelessMAN，為企業(yè)和家庭用戶提供“最后一英里”的寬帶無線連接方案。WirelessMAN事實上可以看做WiMax的升級版WirelessMAN-Advanced，即為IEEE802.16m標準，能夠提高網(wǎng)絡覆蓋，改建鏈路預算，并且可以節(jié)省功耗。我國自主研發(fā)的TD-LTE則是LTE-Advanced技術的標準分支之一，在4G領域的發(fā)展中占有重要席位。4G改進了3G的空中接入技術，其主要特點有：采用正交頻分多址(OFDM)和多輸入多輸出天線(MIMO)作為其無線網(wǎng)絡演進的唯一標準；通信速度是3G通信速度的數(shù)十倍乃至數(shù)百倍，LTE在20MHz的頻譜帶寬下能夠提供下行326Mb/s與上行86Mb/s的峰值速率；采用軟件無線電技術，即可以使用軟件編程取代相應的硬件功能，通過軟件應用和更新即可實現(xiàn)多種終端通信的無線通信；使用智能天線技術和MIMO技術，在發(fā)送端和接收端都可以同時利用多個天線工作，傳輸和接收信息。2013年12月，工信部在其官網(wǎng)上宣布向中國移動、中國電信、中國聯(lián)通頒發(fā)“LTE/第四代數(shù)字蜂窩移動通信業(yè)務(TD-LTE)”經(jīng)營許可，即4G牌照，至此，我國移動通信產業(yè)進入了新時代。統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，截止到2018年年底，我國已有超過640萬座基站，移動用戶總數(shù)達到15.7億，人均擁有1.1部手機，實現(xiàn)了歷史性飛躍。4G時代，中國移動繼續(xù)承擔了建設運營我國主導的TD-LTE標準的重任，建成了全球最大的TD-LTE4G網(wǎng)絡，激活了TD-LTE產業(yè)鏈，極大提升了我國在世界通信業(yè)的話語權和影響力。中國移動牽頭的第四代移動通信系統(tǒng)(TD-LTE)關鍵技術與應用項目獲得了2016年度國家科技進步獎特等獎。截止到2019年6月30日，中國移動基站數(shù)已達到398萬個，其中，4G基站多達271萬個，覆蓋全國超過99%的人口；用戶總數(shù)達到9.35億，4G用戶數(shù)突破7.3億?！?G改變生活”是4G時代中國社會的真實寫照。由于4G的高速網(wǎng)絡能力，催生了移動互聯(lián)網(wǎng)浪潮，使得我國互聯(lián)網(wǎng)產業(yè)迅速崛起，成長為與美國并列的全球前二大國。高鐵、掃碼支付、共享單車和網(wǎng)購成為我國的“新四大發(fā)明”，其中后三項都依賴于以4G為核心的移動互聯(lián)網(wǎng)。當然，4G也為廣大用戶提供了便捷豐富的通信手段，尤其是在中國移動全網(wǎng)升級高清語音后，用戶可以撥打高清視頻電話、高速上網(wǎng)，方便了工作、家庭及娛樂生活。很大程度上，4G已經(jīng)改變了中國人的生活面貌，為人們打開了全新“視”界。1.1.5第五代移動通信技術(5G)——萬物互聯(lián)隨著移動通信系統(tǒng)帶寬和能力的增加，移動網(wǎng)絡的速率也飛速提升，從2G時代的10?kb/s，發(fā)展到4G時代的1?Gb/s，足足增長了10萬倍。歷代移動通信的發(fā)展，都以典型的技術特征為代表，同時誕生出新的業(yè)務和應用場景。而5G則不同于傳統(tǒng)的移動通信，它將不再由某項業(yè)務能力或者某個典型技術特征定義，取而代之的是更高速率、更大帶寬、更強能力的技術，而且是一個多業(yè)務多技術融合的網(wǎng)絡，更是面向業(yè)務應用和用戶體驗的智能網(wǎng)絡，最終打造以用戶為中心的信息生態(tài)系統(tǒng)。盡管相關的技術還沒有完全定型，但是5G的基本特征已經(jīng)明確：高速率(峰值速率大于20?Gb/s，相當于4G的20倍)，低時延(網(wǎng)絡時延從4G的50?ms縮減到1?ms)，海量設備連接(滿足1000億量級的連接)以及低功耗(基站更節(jié)能，終端更省電)。5G將滲透到未來社會的各個領域，它將使信息突破時空限制，提供極佳的交互體驗，為用戶帶來身臨其境的信息盛宴，如虛擬現(xiàn)實；5G將拉近萬物的距離，通過無縫融合的方式，便捷地實現(xiàn)人與萬物的智能互聯(lián)；5G將為用戶提供光纖般的接入速率、“零”時延的使用體驗、千億設備的連接能力以及超高流量密度、超高連接數(shù)和超高移動性等多場景的一致服務和業(yè)務，及用戶感知的智能優(yōu)化，同時將為網(wǎng)絡帶來超百倍的能效提升，比特成本也降低至原來的百分之一，最終實現(xiàn)“信息隨心至，萬物觸手及”。2013年初，歐盟在第七框架計劃中啟動了面向5G研發(fā)的項目，從此5G技術開始進入研究階段。在數(shù)字化、全球化趨勢愈發(fā)猛烈的背景下，對移動通信的需求也隨之提高，4G通信需要發(fā)展更高的通信速率和可靠的通信能力，5G時代已經(jīng)到來，隨之而來的便是要對5G的實現(xiàn)做出可行的設想和具體的研究。在新的信息時代，5G通信會具有以下的特點：實現(xiàn)更優(yōu)的用戶體驗，實現(xiàn)更高的網(wǎng)絡平均吞吐速率和超低的傳輸時延；使用更高頻段的頻譜；其核心技術主要是高密度無線網(wǎng)絡技術與大規(guī)模MIMO的無線傳輸技術等。2019年6月6日我國5G牌照發(fā)放后，我國正式進入5G時代。憑借著大帶寬、高可靠、低時延、海量連接等新型技術，5G被廣泛視為經(jīng)濟社會轉型升級的助推器，是大國競爭的戰(zhàn)略棋子。在5G時代，我國已經(jīng)邁出了堅實一步。工信部表示，2021年計劃新建5G基站60萬個，在實現(xiàn)地級以上城市深度覆蓋的基礎上，加速向有條件的縣、鎮(zhèn)延伸，引導地方政府加大對5G網(wǎng)絡建設的支持力度，進一步落實5G站址、用電等相關政策，通過推進5G虛擬專網(wǎng)等多種方式，按需做好工業(yè)、能源、交通、醫(yī)療、教育等重點領域的網(wǎng)絡建設，實現(xiàn)更廣泛圍、更多層次的5G網(wǎng)絡覆蓋。1.2歷代移動通信技術比較移動通信技術經(jīng)過30多年的發(fā)展，從原來只能傳輸模擬聲音信號到如今成為信息時代各種信息形式傳播的重要基石，通過一代代的經(jīng)驗吸取與不斷改良，使通信能力飛速提升。歷代移動通信技術的比較如表1.1所示。5G移動通信項目面臨的主要難題是高維度信道建模、估計以及復雜度控制。在將來的研究中，隨著對5G核心技術難題的不斷破解，技術研究與標準制定不斷完善，5G移動通信技術會成為將來移動通信的主流，在數(shù)字信息時代創(chuàng)造更多的可能性，促進社會的進一步發(fā)展。1.3移動通信中的損耗和效應1.3.1移動通信中的信號損耗1.傳播波的分類在移動通信系統(tǒng)中，影響電波傳播的三種基本傳播機制是反射波、繞射波和散射波。(1)反射波：當電波傳播遇到比波長大得多的物體時發(fā)生反射。反射發(fā)生于地球表面、建筑物和墻壁表面等。(2)繞射波：當接收機和發(fā)射機之間的無線電波傳播路徑被尖利的邊緣阻擋時發(fā)生繞射。由阻擋表面產生的二次波散布于空間，甚至于阻擋體的背面。繞射使得無線電波信號繞地球曲線表面?zhèn)鞑ィ軌騻鞑サ阶钃跷锖竺妗?3)散射波：當電波穿行的介質中存在小于波長的物體并且單位體積內阻擋體的個數(shù)非常巨大時發(fā)生散射。散射波產生于粗糙表面、小物體或其他不規(guī)則物體。在實際移動通信環(huán)境中，接收信號比單獨繞射和反射的信號要強，這是因為當電波遇到粗糙表面時，反射能量由于散射而散布于所有方向。像燈柱和樹木這樣的物體在所有方向上散射能量，這就給接收機提供了額外的能量。2.電波損耗移動通信本身固有的特性和傳播中具有的特點會在一定程度上對接收點信號產生損耗影響，主要分為三類。1)路徑傳播損耗路徑傳播損耗又稱衰耗，是指電波在遠距離的空間傳播中由于傳輸介質的因素而造成的損耗。這些損耗既有自由空間損耗，也有散射、反射、繞射等引起的損耗。它反映電磁波在大范圍的傳播中接收信號所發(fā)生變化的特點。如圖1.2所示，在高樓林立的市區(qū)，由于終端天線的高度比周圍建筑物低很多，因此通常不存在從終端到基站的視距傳播。即使有這樣一條視距傳播路徑存在，由于地面與周圍建筑物的反射，多徑傳播仍會發(fā)生，就像圖1.2中所示的情況，移動接收機所收到的信號由許多平面波組成。2)慢衰落損耗慢衰落損耗是指電波在傳輸過程中遇到阻礙物的阻礙產生陰影效應之后形成的損耗，反映了中等范圍內接收電平的均值變化所產生的損耗。之所以稱為慢衰落，是因為它的變化率比信息傳送率慢。比如，當上午的太陽照向大地時，在高樓的背面往往產生陰影，陽光遇到大樓的阻礙，產生了衰落，這就是慢衰(落)。3)快衰落損耗快衰落損耗是指電波在傳輸過程中產生多徑傳輸形成信號疊加并表現(xiàn)出信號幅度的快速起伏變化而產生的損耗。它的起伏變化速率比慢衰(落)要快，所以稱為快衰(落)。1.3.2移動通信中電波傳輸效應移動信道及傳播的特點會對接收地點的信號產生四種效應。1.陰影效應陰影效應是指在移動臺位置變化時，電波傳播會遇到大型建筑物阻擋路徑而形成一定接收區(qū)域上的電磁陰影，從而引起接收點場強變化的現(xiàn)象。陰影效應和慢衰落之間有強烈的因果關系，可以這樣理解，正是因為移動通信中高大建筑物的阻擋所引起的陰影效應才造成了移動信道的慢衰落損耗。2.遠近效應遠近效應是指在發(fā)射功率一定的情況下由于接收用戶與基站之間距離的變化而引起信號強弱變化的現(xiàn)象。遠近效應極易引起邊緣小區(qū)用戶的掉話從而產生通信中斷現(xiàn)象，在CDMA網(wǎng)絡中遠近效應顯著。為此CDMA系統(tǒng)引入功率控制技術來對抗該效應，達到平衡小區(qū)邊緣用戶和小區(qū)中心用戶的信號強度和質量的目的。3.多徑效應多徑效應是指電磁波在傳播中經(jīng)過各種傳播方式之后會通過不同的路徑到達接收點，并且它們的信號強弱、到達的時間和方向等都會有所不同。接收端接收到的信號是通過這些路徑傳播過來的信號的矢量之和，這種現(xiàn)象就稱為多徑效應。多徑效應能保證非視距情況下的通信連續(xù)性。4.多普勒效應多普勒效應是指因接收用戶位移的高速變化導致傳播頻率擴散而形成的現(xiàn)象，其移動速度與擴散程度成正比。多普勒效應示意圖如圖1.3所示。音調的變化同聲源與觀察者間的相對速度和聲速的比值有關。這一比值越大，改變就越顯著。當終端以恒定速率v在長度為d的路徑上運動時，收到來自遠端源S發(fā)出的信號，無線電波從源S發(fā)出，在X點與Y點分別被終端接收時所走的路徑差為Δl。設Δt是終端從X運動到Y所需的時間，θ是X和Y處與入射波的夾角。由于遠端距離很遠，可假設X、Y處的θ是相同的。所以，由路程差造成的接收信號相位變化值為由此可得頻率變化值，即多普勒頻移fd為由式(1-2)可以看出，多普勒頻移與終端運動速度、終端運動方向及無線電波入射方向之間的夾角有關。若終端朝向入射波方向運動，則多普勒頻移為正(即接收頻率上升)；若終端背向入射波方向運動，則多普勒頻移為負(即接收頻率下降)。1.3.3無線電波傳播模型無線電波傳播模型的選擇是必要的，這是因為傳播模型能夠估測在不同類型環(huán)境下發(fā)射機和接收機之間的無線電波傳播路徑的損耗值，這是移動通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎。傳播模型的價值在于可以保證精度，同時節(jié)省人力、費用和時間。1.無線電波傳播模型的一般分類一般來講，無線電波傳播模型可分為經(jīng)驗模型、確定性模型和半經(jīng)驗或半確定模型。(1)經(jīng)驗模型是根據(jù)大量測量結果統(tǒng)計分析后導出的公式，應用經(jīng)驗模型可以容易和快速地預測路徑損耗，不需要有關環(huán)境的詳細信息，但是不能提供非常精確的路徑損耗估算值。(2)確定性模型是對具體現(xiàn)場環(huán)境直接應用電磁場理論進行計算，如射線追蹤方法，環(huán)境的描述可以從地形地物數(shù)據(jù)庫中得到。(3)半經(jīng)驗或半確定模型是基于把確定性方法應用于一般的市區(qū)或室內環(huán)境中導出的公式，為了改善半經(jīng)驗或半確定模式和實驗結果的一致性，有時需要根據(jù)實驗結果對公式進行修正，得到的公式是天線周圍某個規(guī)定特性的函數(shù)。有很多無線電波傳播模型都可以預測在不同類型環(huán)境下發(fā)射機和接收機之間的路徑損耗。2.蜂窩移動通信的傳播模型分類蜂窩移動通信的最大特點就是小區(qū)制。小區(qū)的大小和范圍直接和傳播條件有關，可以根據(jù)需要選擇小區(qū)的大小和范圍。移動通信系統(tǒng)中主要采用宏小區(qū)、微小區(qū)(微蜂窩)和微微小區(qū)(微微蜂窩)三種形式。經(jīng)驗模型或半經(jīng)驗模型對具有均勻特性的宏小區(qū)是合適的，半經(jīng)驗模型還適用于均勻的微小區(qū)，在那里，模型所考慮的參數(shù)能很好地表征整個環(huán)境。確定性模型適合于微小區(qū)和微微小區(qū)，不管它們的形狀如何，然而確定性模型對宏小區(qū)卻是不能勝任的，因為對這種環(huán)境所需的計算機CPU時間使人無法忍受。在無線通信系統(tǒng)中，電波通常在非規(guī)則非單一的環(huán)境中傳播。在估計信道損耗時，需要考慮傳播路徑上的地形地貌，也要考慮到建筑物、樹木、電線桿等阻擋物。不同的室外傳播環(huán)境模型適用于不同的環(huán)境，圖1.4顯示了在不同的環(huán)境下接收信號強度的不同。一般來說，接收功率Pr與距離d的指數(shù)d-n成正比，在空間自由傳播環(huán)境中，n?=?2，在其他情況下有3≤n≤4。圖1.5只是給出了接收信號強度隨距離變化的趨勢，然而在實際無線傳播中它們并不是線性關系。在實際的傳播環(huán)境中，從覆蓋區(qū)域來分，室外傳播環(huán)境可以分為兩類：宏蜂窩傳播模型和微蜂窩傳播模型。假設宏蜂窩傳播模型傳輸功率可達到幾十瓦特，蜂窩半徑為幾十千米。相比之下，微蜂窩傳播模型的覆蓋范圍則小一些(200～1000?m)，在微蜂窩傳播模型中假定基站不高(3～10?m)，發(fā)射功率有限(10?mW～1?W)，所預測的區(qū)域也只在基站附近。3.電波傳播模型的主要類型電波傳播模型是指通過對電波傳播的環(huán)境進行不同方法的分析后所得到的電波傳播的某些規(guī)律、結論以及具體方法。利用電波傳播模型不僅可以估算服務區(qū)內的場強分布，還可以對移動通信網(wǎng)進行規(guī)劃與設計。電波傳播模型主要包括以下四種：(1)統(tǒng)計模型：通過對移動通信服務區(qū)內的場強進行實地測量，在大量實測數(shù)據(jù)中用統(tǒng)計的方法總結出場強中值隨頻率、距離、天線高度等因素的變化規(guī)律并用公式或曲線表示出來的模型。(2)實驗模型：通過實驗方法得出某些電波的傳播規(guī)律，但不像統(tǒng)計模型那樣用公式或曲線表示出來的模型。(3)確定性模型：通過將地形、地物等電波傳播的環(huán)境適當理想化后，采用電磁場理論或者幾何光學法的確定性的方法來求取場強的變化規(guī)律的模型。(4)回歸模型：通過將計算或實測得到的路徑損耗隨傳播距離的改變而變化的數(shù)據(jù)按距離乘方法則做線性回歸處理，擬合出路徑損耗的規(guī)律的模型。4.自由空間損耗與幾種模型1)自由空間損耗在研究傳播時，特定收信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的干擾，傳播信號減弱，這種“信號強度減弱”稱為傳播損耗。在研究電波傳播時，首先要研究兩個天線在自由空間條件下的特性。以理想全向天線為例，經(jīng)推導，自由空間的傳播損耗為多數(shù)模型是預期無線電波傳播路徑上的路徑損耗的，所以傳播環(huán)境對無線傳播模型的建立起關鍵作用，確定某一特定地區(qū)的傳播環(huán)境的主要因素有：自然地形(高山、丘陵、平原、水域等)、人工建筑的數(shù)量、高度、分布和材料特性、該地區(qū)的植被特征、天氣狀況、自然和人為的電磁噪聲狀況。另外，無線傳播模型還受到系統(tǒng)工作頻率和移動臺運動狀況的影響。在同一地區(qū)，工作頻率不同，接收信號的衰落狀況各異；靜止的移動臺與高速運動的移動臺的傳播環(huán)境也大不相同。一般分為：室外傳播模型和室內傳播模型。2)常用的統(tǒng)計模型——Okumura-Hata模型(奧村模型)1962年，奧村等人于東京近郊，在不同地形和環(huán)境地物條件下用寬范圍的頻率，通過改變基站和移動臺天線高度，測量模型的信號強度，得到一系列統(tǒng)計圖表，用于對信號衰耗的估計，這就是?Okumura?模型。在測試時，Okumura?模型是以準平坦地形作為分析和描述傳播特性的基準。對于不規(guī)則地形必須進行環(huán)境修正。Hata模型是在?Okumura?模型大量測試數(shù)據(jù)的基礎上用公式擬合得到的，稱為?Okumura-Hata模型。Okumura-Hata?模型將統(tǒng)計圖表轉換為公式，當計算信號衰耗時，不但省去查圖表的麻煩，而且方便計算機處理。盡管如此，Okumura-Hata?模型仍然被稱為奧村模型。Okumura-Hata模型的適用頻率范圍是150～1500?MHz，適用于小區(qū)半徑為1～20?km的宏蜂窩系統(tǒng)，基站有效天線高度在30?m到200?m之間，移動臺有效天線高度在1?m到10?m之間。Okumura-Hata模型以市區(qū)傳播損耗為標準，在此基礎上對其他地形做了修正。實測中在基本確定了設備的功率、天線的高度后，可利用Okumura-Hata模型對信號覆蓋范圍做一個初步的測算。在市區(qū)，Okumura-Hata模型傳播損耗經(jīng)驗公式如下：在GSM系統(tǒng)中，取頻率f?=?870?MHz，式(1-4)可簡化為對于中小城市，傳播模型的天線修正因子為對于大城市，天線修正因子為在郊區(qū)，Okumura-Hata經(jīng)驗公式修正為在農村，Okumura-Hata經(jīng)驗公式修正為圖1.6顯示了不同地區(qū)采用Okumura-Hata模型計算得到的不同路徑損耗值。當計算隧道中的電波傳播情況時，需要考慮隧道的傳播損耗，這時可以把隧道簡化成一個有耗波導來考慮。實驗結果顯示，在特定距離下，傳播損耗隨頻率增加而下降。當工作頻段在2?GHz以下時，損耗曲線與工作頻率的關系呈指數(shù)衰減。對于GSM頻段，可以近似認為，損耗與距離呈現(xiàn)4次方的反指數(shù)變化，即兩個天線之間距離增加1倍，損耗增加12?dB；在UHF頻段還要考慮樹葉對傳播的影響。研究表明，一般夏天樹木枝葉繁茂，因此夏天信號的損耗會比冬天時大10dB左右，垂直極化的信號損耗大于水平極化的信號損耗。3)?COST-231-Hata模型在不少城市的高密度區(qū)，經(jīng)過小區(qū)分裂，站距已縮小到數(shù)百米。而在基站密集的地域使用?Okumura-Hata?模型將出現(xiàn)預測值明顯偏高的問題，另外?Okumura-Hata?模型只適用于低頻段，為此，EURO-COST(科學和技術研究歐洲協(xié)會)組成?COST-231?工作委員會并對較高頻段的傳播曲線進行了分析，提出了?Okumura-Hata?的擴展模型，即?COST-231-Hata?模型。COST-231-Hata?模型路徑損耗計算的經(jīng)驗公式為顯然，Okumura-Hata?模型和?COST-231-Hata?模型在計算路徑損耗時，從方程形式上來看，沒有區(qū)別，考慮因素也一致，其主要區(qū)別在于各種因素的系數(shù)，即包括公式(1-4)、公式(1-8)中的前兩項、a(hre)以及增加?CM?校正因子，在中等城市和郊區(qū)，CM?=?0dB，在市中心，CM?=?3?dB。a(hre)更新為：對于中小城市，對于大城市，hre?=?1.5?m時，a(hre)?=?0。COST-231-Hata?模型的適用頻率范圍是1500～2000?MHz，適用于通信距離d為1～35?km，基站有效天線高度在30～200?m之間，移動臺有效天線高度在1～10?m之間。COST-231-Hata模型和Okumura-Hata模型主要的區(qū)別在于頻率衰減的系數(shù)不同。COST-231-Hata模型的頻率衰減因子為33.9，而Okumura-Hata模型的頻率衰減因子為24.16。另外，COST-231Hata模型還增加了一個大城市中心衰減因子CM，大城市中心地區(qū)路徑損耗增加3?dB。4)通用模型通用模型是由COST-231-Hata模型發(fā)展而來的，其不受頻段限制，應用范圍更加廣泛，但在使用前需要數(shù)字地圖和傳播校正的采樣數(shù)據(jù)，確定當?shù)氐匚镄畔⒌乃p因子，從而更加準確地預測出規(guī)劃網(wǎng)絡在當?shù)丨h(huán)境下的傳播特性。通用模型路徑損耗公式具體如下：1.4移動通信標準化組織1.4.1國際電信聯(lián)盟(ITU)國際電信聯(lián)盟(ITU)簡稱國際電聯(lián)，成立于1865年，是制定國際電信標準的專門機構，也是聯(lián)合國機構中歷史最長的一個國際組織。ITU的宗旨是：維持和擴大國際合作，以改進并合理地使用電信資源；促進技術設施的發(fā)展及其有效的運用，以提高電信業(yè)務的效率，擴大技術設施的用途，并盡量使公眾得以普遍利用；協(xié)調各國行動，以達到上述的目的。ITU的原組織有全權代表會、行政大會、行政理事會和四個常設機構：總秘書處、國際電報和電話咨詢委員會(CCITT)、國際無線電咨詢委員會(CCIR)及國際頻率登記委員會(IERB)。CCITT和CCIR在ITU常設機構中占有很重要的地位，然而隨著技術的進步，各種新技術、新業(yè)務不斷涌現(xiàn)，它們相互滲透、相互交叉，已不再有明顯的界限。如果CCITT和CCIR仍按原來的業(yè)務范圍分工和劃分研究組，已經(jīng)不能準確地反映電信技術的發(fā)展現(xiàn)狀和客觀要求。1993年3月1日，ITU第一次世界電信標準大會(WTSC-93)在芬蘭首都赫爾辛基隆重召開，ITU的改革首先從機構上進行，對原有的三個機構CCITT、CCIR、IFRB進行了改組，取而代之的是電信標準化部門(TSS，即ITU-T)、無線電通信部門(RS，即ITU-R)和電信發(fā)展部門(TDS，即ITU-D)。電信標準化部門由原來從事標準化工作的部門CCITT和CCIR合并而成。主要職責是完成電聯(lián)有關電信標準方面的目標，即研究電信技術、操作和資費等問題，出版建議書，目的是在世界范圍內實現(xiàn)電信標準化，包括公共電信網(wǎng)上的無線電系統(tǒng)互聯(lián)和為實現(xiàn)互聯(lián)所應具備的性能。無線電通信部門的核心工作是管理國際無線電頻譜和衛(wèi)星軌道資源。它的主要任務包括制定無線電通信系統(tǒng)標準，確保有效使用無線電頻譜，并開展有關無線電通信系統(tǒng)發(fā)展的研究。此外，ITU-R從事有關減災和救災工作所需無線電通信系統(tǒng)發(fā)展的研究，具體內容由無線電通信研究組的工作計劃予以涵蓋。電信發(fā)展部門成立的目的在于幫助普及以公平、可持續(xù)和支付得起的方式獲取信息通信技術(ICT)，并將此作為促進和加深社會和經(jīng)濟發(fā)展的手段。ITU-D的主要職責是鼓勵發(fā)展中國家參與電聯(lián)的研究工作，組織召開技術研討會，使發(fā)展中國家了解電聯(lián)的工作，盡快應用電聯(lián)的研究成果，同時鼓勵國際合作，向發(fā)展中國家提供技術援助，在發(fā)展中國家建設和完善通信網(wǎng)。1.4.23GPP3GPP于1998年成立，是由歐洲的ETSI、日本的無線工業(yè)及商貿聯(lián)合會(ARIB)和電信技術委員會(TTC)、韓國的電信技術協(xié)會(TTA)以及美國的T1合作成立的通信標準化組織。3GPP主要是制訂以GSM/GPRS核心網(wǎng)為基礎，UTRA(FDD為W-CDMA技術，TDD為TD-CDMA技術)為無線接口的第三代技術規(guī)范。3GPP的主要目標為充分挖掘GSM的技術潛力、研發(fā)多種GSM改進型技術和保持3GPP標準的長期競爭力。3GPP還不斷地推進UTRA技術的增強和演進，研發(fā)了HSDPA、HSUPA、HSPA+?和E-UTRA技術。2008年，3GPP完成了首個4G標準版本(Release8)，最早于2009年在北歐投入商用，到2016年，已在170個國家商用了357個4G網(wǎng)絡。3GPP標準所定義的4G系統(tǒng)稱為EPS，無線接入網(wǎng)技術統(tǒng)稱為LTE。LTE標準不斷升級并加入新的特性，如2009年推出R9(Release9)，2011年完成了R10版本。R10相對于R8、R9引入了載波聚合、高階MIMO、異構網(wǎng)絡等重要改進，支持更高的傳輸速率，被稱為LTE-Advance或LTE-A。2012年的R11版本和2014年的R12版本也體現(xiàn)出LTE-A不斷引入新的技術和特性，滿足新的需求。2015年的R13版本和2017年的R14版本則稱為LTE-APro，將LTE的應用場景進一步擴大到物聯(lián)網(wǎng)和公共安全等領域。3GPP的組織機構分為項目合作和技術規(guī)范兩大職能部門。項目合作組(PCG)是3GPP的最高管理機構，負責全面協(xié)調工作；技術規(guī)范組(TSG)負責技術規(guī)范制定工作，受PCG的管理。技術規(guī)范部(TSG)主要分為四個部門。(1)?TSGGERAN(GSM/EDGERadioAccessNetwork，GSM/EDGE無線接入網(wǎng)絡)，負責GSM/EDGE無線接入網(wǎng)技術規(guī)范的制定。(2)?TSGRAN，