04無線通信基本原理課件

無線通信基本原理

1.無線電波傳播的基礎(chǔ)理論

2.移動(dòng)通信基本原理

華信郵電咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司

無線設(shè)計(jì)研究院

04無線通信基本原理1.無線電波傳播的基礎(chǔ)理論04無線通信基本原理無線傳播基本原理－電波傳播方式：04無線通信基本原理無線傳播基本原理－電波傳播方式：04無線通信基本原理無線傳播基本原理－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(diǎn)300GHz（GigaHertz）。通常劃分成八個(gè)區(qū)域，參看下表：04無線通信基本原理移動(dòng)通信系統(tǒng)中頻段的劃分為：由上表可以看出移動(dòng)通信頻段位于UHF頻段范圍內(nèi)，是以空間波的方式進(jìn)行傳輸?shù)摹o線傳播基本原理－頻譜劃分04無線通信基本原理無線傳播基本原理－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(dòng)通信環(huán)境中，移動(dòng)臺(tái)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(dòng)臺(tái)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。04無線通信基本原理無線傳播基本原理－傳播途徑（多徑）時(shí)間接收信號強(qiáng)度發(fā)射信號04無線通信基本原理無線傳播環(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(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)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?yàn)槠潆妶鰪?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(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)起伏變化很大，衰落的振幅、相位、角度隨機(jī)。04無線通信基本原理無線傳播環(huán)境－信號衰落快衰落04無線通信基本原理無線傳播環(huán)境－信號衰落

慢衰落：移動(dòng)臺(tái)接收的信號除瞬時(shí)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(huì)產(chǎn)生電磁場的陰影。衰落深度與與位置/地點(diǎn)相關(guān)，衰落的速度取決于移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)的速度。04無線通信基本原理無線傳播環(huán)境－信號衰落慢衰落04無線通信基本原理無線傳播環(huán)境－信號衰落距離(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落

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；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。04無線通信基本原理無線傳播環(huán)境－信號衰落

抗快衰落主要措施－分集

時(shí)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。04無線通信基本原理無線傳播環(huán)境－傳播損耗在研究傳播時(shí)，特定接收機(jī)功率接收的信號電平是一個(gè)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(shí)，自由空間的路徑損耗增加6dB(信號場強(qiáng)衰減4倍）。04無線通信基本原理無線傳播環(huán)境－傳播損耗當(dāng)已知頻率f還可以簡化上式：式中γ＝2。γ稱為路徑損耗傾斜因子。在實(shí)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(huì)導(dǎo)致不同的傳播損耗，不同環(huán)境下γ的取值范圍：04無線通信基本原理無線傳播環(huán)境－傳播損耗04無線通信基本原理

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04無線通信基本原理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(yùn)算來完成。通過計(jì)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?！?/p>

移動(dòng)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(diǎn)，有各自的適用范圍。04無線通信基本原理無線傳播模型和校正PlaNET通用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）;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(dòng)臺(tái)天線有效高度增益修整因子;d為基站到移動(dòng)臺(tái)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(shí)的繞射路徑損耗;Kclutter為地貌衰減系數(shù)（dB）;Hmeff為移動(dòng)臺(tái)天線有效高度.04無線通信基本原理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)境對無線電波傳播中路徑損耗的影響。傳播模型是移動(dòng)通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)。采用模型的價(jià)值就是在保證精度的同時(shí)節(jié)省了人力、費(fèi)用和時(shí)間。04無線通信基本原理2.移動(dòng)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04無線通信基本原理蜂窩理論

移動(dòng)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(gè)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.....fn}。04無線通信基本原理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04無線通信基本原理蜂窩理論網(wǎng)絡(luò)無線設(shè)計(jì)時(shí)，將基站發(fā)射功率降

低，每一個(gè)基站覆蓋

范圍縮小，原

先由一個(gè)基站覆蓋的區(qū)域，現(xiàn)在由多個(gè)基站覆蓋，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)圖如同蜂窩一般。04無線通信基本原理蜂窩理論04無線通信基本原理移動(dòng)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04無線通信基本原理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)04無線通信基本原理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)04無線通信基本原理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)BTSBSCMSC/VLRBSC其它MSCBTSBTSBTSA接口Abis接口Um接口1:鑒權(quán)2:確認(rèn)3:登記4:業(yè)務(wù)權(quán)限HLR/AC04無線通信基本原理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)－3G04無線通信基本原理網(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)（RadioAccessNetwork，RAN）和核心網(wǎng)（CoreNetwork，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(gè)單元和用戶設(shè)備（UserEquipent，UE）一起構(gòu)成了整個(gè)UMTS系統(tǒng)。04無線通信基本原理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)－3G04無線通信基本原理移動(dòng)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04無線通信基本原理移動(dòng)通信系統(tǒng)的多址方式

FDMA?TDMA?CDMA?SDMA

移動(dòng)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(dòng)用戶服務(wù)是移動(dòng)通信技術(shù)不斷更新發(fā)展的主題。移動(dòng)通信系統(tǒng)正在采用或研制FDMA、TDMA、CDMA和SDMA多址方式。04無線通信基本原理FDMAFDMA信道每次只能傳遞一路電話，如果一個(gè)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(dòng)臺(tái)就會(huì)同時(shí)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(gè)天線，功率放大器的非線性會(huì)產(chǎn)生交調(diào)頻率（IM），產(chǎn)生額外的RF輻射時(shí)間頻率FDMAFDMA：FrequencyDivisionMultipleAccess頻分多址04無線通信基本原理TDMA多個(gè)用戶共享一個(gè)載波頻率，分享不同時(shí)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(shí)隙監(jiān)聽其他基站，實(shí)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(shí)現(xiàn)頻率時(shí)間TDMATDMA：TimeDivisionMultipleAccess時(shí)分多址04無線通信基本原理CDMA：CodeDivisionMultipleAccess

碼分多址頻率時(shí)間碼字CDMA所有用戶在同一時(shí)間、同一頻段上、根據(jù)編碼獲得業(yè)務(wù)信道04無線通信基本原理SDMA(SpaceDivisionMultipleAccess)：空分多址

SDMA即在相同時(shí)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(gè)波束覆蓋整個(gè)小區(qū)，智能天線可定位于每個(gè)MS。MSMSMSBTS04無線通信基本原理移動(dòng)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04無線通信基本原理a)話務(wù)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(shí)間（一般取忙時(shí)1小時(shí)）內(nèi)的呼叫次數(shù)n及呼叫占用信道的平均時(shí)間（T）成正比。

A=n×T/3600

系統(tǒng)忙時(shí)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。04無線通信基本原理話務(wù)量概念

平均用戶忙時(shí)話務(wù)量指一天中話務(wù)量最忙時(shí)間平均每個(gè)用戶的來話和去話話務(wù)量之和。在計(jì)算信道數(shù)時(shí)采用忙時(shí)話務(wù)量可以保證除忙時(shí)以外的其它時(shí)間的無線信道呼損率明顯低于忙時(shí)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。

04無線通信基本原理話務(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(shí)際情況，它有如下假設(shè)：

1、系統(tǒng)的信道數(shù)N為有限值，用戶數(shù)M>>N。

2、單位時(shí)間內(nèi)的呼叫次數(shù)與系統(tǒng)的用戶數(shù)無關(guān)，是一個(gè)獨(dú)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(shí)間長度的概率分布服從指數(shù)規(guī)律。04無線通信基本原理話務(wù)量概念－愛爾蘭B表對于這樣的系統(tǒng)，N個(gè)信道中有K個(gè)信道同時(shí)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(gè)信道都被占用時(shí)，再呼叫就會(huì)呼損，所以N個(gè)信道同時(shí)被占用的概率就等效為呼損率（GOS:Gradeofservice)，即

PN=(AN/N!)/(∑Ai/i!)=Bi從1到N上式稱為愛爾蘭公式04無線通信基本原理話務(wù)量概念－愛爾蘭B表根據(jù)上式可以得到呼損率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(shí)，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(shí)，可由該表求得N個(gè)信道所負(fù)荷的話務(wù)量。04無線通信基本原理話務(wù)量概念－愛爾蘭B表04無線通信基本原理b)dB概念介紹dBm是一個(gè)考征功率絕對值的值，計(jì)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(gè)相對值，但參考基準(zhǔn)不一樣。dBi的參考基準(zhǔn)為全方向性天線，dBd的參考基準(zhǔn)為偶極子，所以兩者略有不同。一般認(rèn)為，