无线通信技术概要介绍

无线通信技术概要介绍 基础知识无线电波传播特性移动通信网的概念和特点蜂窝小区和原理及相关技术多址接入和系统容量 自由空间的电波传播自由空间的传播损耗在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗接收功率式中，Pt为发射功率，以球面波辐射,Ar为接收天线的有效面积，λ为工作波长，Gt，Gr分别表示发射天线和接收天线增益，d为发射天线和接收天线间的距离。 自由空间的电波传播自由空间的传播损耗当Gt=Gr=1时，分贝式接收换算 电波传播机制反射（Reflection）当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面 电波传播机制绕射（Diffraction）当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。 电波传播机制散射（Scattering）当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。 阴影衰落的基本特性阴影衰落（慢衰落）移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应特点衰落与传播地形和地物分布、高度有关 阴影衰落的基本特性表达式传播路径损耗和阴影衰落分贝式式中,r移动用户和基站之间的距离ζ由于阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏差σdB的对数正态分布，m路径损耗指数实验数据表明m＝4，标准差σ＝8dB，是合理的 多径衰落的基本特性由于移动信道中直射、反射和折射现象的同时存在，使得发射信号通过不同的传播路径，形成幅度、相位及到达时间相互区别的多个信号而到达接收台。并且不同多径成分的相位、幅度等都是随机、独立变化的。这样接收信号的幅度将急剧变化，产生多径衰落。多径效应引起的问题：额外的路径损耗、突发性误码、严重的码间干扰 时延扩展（多径时散）(delayspread）在多径传播条件下，当发射端发送一个极窄的脉冲信号时，经过多条不同的传播路径后，接收端信号则为一串脉冲组成（可能是离散的，也可能联成一片），即这样，信号在时间轴上被“展宽”了，因此称这种现象为时延扩展. 典型的时延谱 典型的时延谱说明Tm为最大时延扩展为平均延时为均方值时延扩展，表征时延扩展的程度。由于时延扩展,接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰。为了避免码间干扰，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展。 多普勒频移原因:移动体在x轴上以速度v移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移表达式多普勒频移cosα式中v移动速度λ波长xα入射波与移动台移动方向之间的夹角＝最大多普勒(Doppler)频移入射电波 多普勒频移多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关：若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升）；反之若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降）。信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。 移动通信网的基本概念移动通信在追求最大容量的同时，还要所追求最大的覆盖，也就是无论移动用户移动到什么地方移动通信系统都应覆盖到。这个通信网就是移动通信网。移动通信网络由两部分组成：一部分为空中网络，另一部分为地面网络部分。 移动通信网的基本概念空中网络是移动通信网的主要部分，主要包括：多址接入：在给定的频率资源下，如何提高系统的容量是蜂窝移动通信系统的重要问题。由于采用何种多址接入方式直接影响到系统的容量，所以一直是人们研究的热点。频率复用和蜂窝小区：蜂窝小区和频率复用是一种新的概念和想法。它主要是解决频率资源限制的问题，并大大增加系统的容量。蜂窝小区和频率复用实际上是一种蜂窝组网的概念是由美国贝尔实验室最早提出的。蜂窝式组网理论的内容如下： 移动通信网的基本概念无线蜂窝式小区覆盖和小功率发射：蜂窝式组网放弃了点对点传输和广播覆盖模式，将一个移动通信服务区划分成许多以正六边形为基本几何图形的覆盖区域，称为蜂窝小区。一个较低功率的发射机服务一个蜂窝小区，在较小的区域内设置相当数量的用户。频率复用：蜂窝系统的基站工作频率，由于传播损耗提供足够的隔离度，在相隔一定距离的另一个基站可以重复使用同一组工作频率，称为频率复用。 移动通信网的基本概念多信道共用和越区切换：由若干无线信道组成的移动通信系统，为大量的用户共同使用并且仍能满足服务质量的信道利用技术，称为多信道共用技术。事实上，不是所有的呼叫都能在一个蜂窝小区内完成全部接续业务的，为了保证通话的连续性，当正在通话的移动台进入相邻无线小区时，移动通信系统必须具备业务信道自动切换到相邻小区基站的越区切换功能，即切换到新的信道上，从而不中断通信过程。 移动通信网的基本概念切换和位置更新：采用蜂窝式组网后，切换技术就是一个重要的问题。对于不同的多址方式，切换技术也有所不同。位置更新是移动通信所特有的，由于移动用户要在移动网络中任意移动，网络需要在任何时刻联系到用户，以有效的管理移动用户。完成这种功能的技术称为移动性管理。 移动通信网的基本组成 移动通信网的基本组成移动通信无线服务区由许多正六边形小区覆盖而成，呈蜂窝状，通过接口与公众通信网（PSTN、PSDN）互联。移动通信系统包括移动交换子系统（SS）、操作维护管理子系统（OMS）和基站子系统（BSS）（通常包括移动台），是一个完整的信息传输实体。 频率复用和蜂窝小区移动通信网的区域覆盖方式分为两类：一类是小容量的大区制；另一类是大容量的小区制。大区制是指一个基站覆盖整个服务区。为了增大单基站的服务区域，天线架设要高，发射功率要大。但是这只能保证移动台可以接收到基站的信号。反过来，当移动台发射时，由于受到移动台发射功率的限制，就无法保障通信了。大区制只能适用于小容量的通信网，例如用户数在1000以下。这种制式的控制方式简单，设备成本低，适用于中小城市、工矿区以及专业部门，是发展专用移动通信网可选用的制式。 频率复用和蜂窝小区小区制移动通信系统的频率复用和覆盖有两种：带状服务覆盖区和面状服务覆盖区。带状服务覆盖区（双频组频率配置）f1f2f1f2f1f2f1 面状服务覆盖区FrequencyReusePatternofN=4 FrequencyReusePatternofN=7 频率复用和蜂窝小区实际上，由于无线系统覆盖区的地形地貌不同，无线电波传播环境不同，产生的电波的长期衰落和短期衰落不同，一个小区的实际无线覆盖是一个不规则的形状。当用六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机或者安置在小区的中心(中心激励小区)或者安置在六边形的顶点之中的三个上(顶点激励小区)。 频率复用和蜂窝小区考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统,如果每个小区都分配K个信道(k<S)，并且S个信道在N个小区中分为各不相同的、各自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信道数目，那么可用无线信道的总数为：共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇。如果簇在系统中共同复制了M次，则信道的总数C，可以作为容量的一个度量:其中，N叫做簇的大小，典型值为4、7或12。 切换和位置管理信道切换原理：当移动用户处于通话状态时，如果出现用户从一个小区移动到另一个小区的情况，为了保证通话的连续，系统要将对该MS的连接控制也从一个小区转移到另一个小区。这种将正在处于通话状态的MS转移到新的业务信道上（新的小区）的过程称为“切换”（Handover）。 切换和位置管理信号的强度或质量下降到由系统规定的一定参数以下，此时移动台被切换到信号强度较强的相邻小区。由于某小区业务信道容量全被占用或几乎全被占用，这时移动台被切换到业务信道容量较空闲的相邻小区。由第一种原因引起的切换一般由移动台发起，由第二种原因引起的切换一般由上级实体发起。 切换和位置管理位置管理：在移动通信系统中，用户可以在系统覆盖范围内任意移动，为了能把一个呼叫传送到随机移动的用户，就必须有一个高效的位置管理系统来跟踪用户的位置变化。位置管理包括两个主要任务：位置登记和呼叫传递。位置登记的步骤是在移动台的实时位置信息已知的情况下，更新位置数据库和认证移动台。呼叫传递的步骤是在有呼叫给移动台的情况下，根据HLR（HomeLocationRegister归属寄存器）和VLR（VisitorLocationRegister访问寄存器）中可用的位置信息来定位移动台。 切换和位置管理与上述两个问题紧密相关的两个问题是：位置更新（LocationUpdate）和寻呼（Paging）。位置更新解决问题是移动台如何发现位置变化以及何时报告它的当前位置。寻呼解决的问题是如何有效地确定移动台当前处于哪一个小区。 多址接入技术基本概念实现不同地点、不同用户接入网络的技术多址接入与信道信道：传输信息的通道无线信道：(f，t，C，S)分类：频分多址(FDMA)，频道划分，频带独享，时间共享时分多址(TDMA)，时隙划分，时隙独占，频率共享码分多址(CDMA)，码型划分，时隙，频率共享空分多址(SDMA)，空间角度划分，频率/时隙/码共享 三种多址技术的比较 各种系统组网情况TACS系统FDMA/FDDGSM系统FDMA/TDMA/FDDIS-95系统FDMA/CDMA/FDDPHS系统FDMA/TDMA/TDDWCDMA系统FDMA/CDMA/FDDTD-SCDMAFDMA/TDMA/CDMA/TDD 各种系统双工方式和多址方式要统一考虑；主要多址方式：FDMA、TDMA、CDMA；窄带系统采用方式：FDMA/FDD、TDMA/FDD、TDMA/TDD；宽带系统采用方式：TDMA、CDMA/FDD、TDD；空分多址（SDMA）是一种辅助方式。 FDMA方式FDMA/FDD系统工作示意图 FDMA方式(续) FDMA方式(续) FDMA方式(续)基本概念：每个用户占用一个频道用户地址：频道号FDMA的特点比较简单、容易实现，适用于模拟和数字通信系统是以频率复用为基础的蜂窝结构，以频带划分各种小区需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限系统符号时间远大于延时扩展，不需要均衡基站是多部不同载波频率发射机同时工作不宜在大容量的系统中使用 FDMA中的干扰问题互调干扰概念：指系统内由于非线性器件(功率放大器)产生各种组合频率成分落入本频道接收机通带内造成对有用信号的干扰。解决办法：减小产生互调干扰的条件，尽可能提高系统的线性程度，并选用无互调的频率集。(频率规划)邻信道干扰概念：指相邻信道信号中存在的寄生辐射落入本频道带内造成对有用信号的干扰原因：带外抑制不够，非线性器件产生寄生辐射解决方法：规定收发信机的技术指标，即规定发射机的寄生辐射和接收机的中频选择性，还可采用加大频道间的隔离度 TDMA方式时分多址（TDMA）方式：时分多址是在一个宽带的无线载波上，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。如下图所示，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（突发信号），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。同时，基站发向各个移动台的信号都按顺序安排在预定的时隙中传输，各移动台只要在指定的时隙内接收，就能在合路的信号（TDM信号）中把发给它的信号区分出来。 TDMA方式 TDMA方式(续) TDMA方式(续) TDMA方式(续)基本概念：基于时间分割信道用户地址：时隙引入的概念：时隙，帧，复帧，Burst等特点：以频率复用为基础的蜂窝结构，小区内以时隙分离用户每个时隙传输一路数字信号，时隙动态配置依靠软件系统需要严格的系统定时同步由于速率较高，往往需要采用均衡器系统是时隙受限和干扰受限的 TDMA的系统定时TDMA系统突发定时关系移动台的移动性导致各移动台到基站的距离不同，因此发送信号的延时也不相同。导致基站接收的信号相互交叠，干扰解决办法：用户提前发送重要问题：系统定时，保护时间和定时提前量系统定时：全网同步，切换位/时隙/帧/复帧同步定时保护时间GuardPeriods根据基站覆盖小区的半径和电波传播时延确定 CDMA方式 CDMA方式 CDMA方式 CDMA特点方法：窄带调制信号与伪随机序列（PN码）直接相乘（直扩），或由PN序列控制载波发射频率（跳频），达到展宽频谱的目的。性能：（1）各用户使用同一频段，频谱效率较高；（2）具有抗多径、抗干扰特性；（3）采用RAKE接收机提高抗多径性能；（4）PN码具有类似噪声的性能；（5）发射谱密度低，信号隐蔽。 空分多址（SDMA）方式空分多址方式就是通过空间的分割来区别不同的用户。在移动通信中，能实现空间分割的基本技术就是采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的波束。 蜂窝移动通信系统的容量分析蜂窝系统的无线容量可定义为：信道/小区其中：m是无线容量大小，分配给系统的总的频谱，是信道带宽，N是频率重用的小区数。 蜂窝移动通信系统的容量分析理论上讲各种多址接入方式都有相同的容量。下面列举一个简单的例子。在实际情况下用于移动通信的三种多址系统并不具有相同的容量 FDMA和TDMA蜂窝系统的容量对于模拟FDMA系统来说，如果采用频率重用的小区数为N，根据对同频干扰和系统容量的讨论可知，对于小区制蜂窝网即频率重用的小区数N由所需的载干比来决定。则可求得FDMA的无线容量如下：信道/小区 FDMA和TDMA蜂窝系统的容量对于数字TDMA系统来说，由于数字信道所要求的载干比可以比模拟制的小4~5dB（因数字系统有纠错措施），因而频率复用距离可以在近一些。则可求得TDMA的无线容量如下：m’是每个频道包含的时隙数。信道/小区 CDMA蜂窝系统的容量决定CDMA数字蜂窝系统容量的主要参数是：处理增益、、话音负载周期、频率再用效率、以及基站天线扇区数。若不考虑蜂窝系统的特点，只考虑一般扩频通信系统，接收信号的载干比可以写成： CDMA蜂窝系统的容量式中，是信息的比特能量；是信息的比特速率；是干扰的功率谱密度；是总频段宽度（即CDMA信号所占的频谱宽度）；类似于通常所谓的归一化信噪比，其取值决定于系统对误比特率或话音质量的要求，并与系统的调制方式和编码方案有关；是系统的处理增益。2021/10/21 CDMA蜂窝系统的容量若m个用户共用一个无线信道，显然每一用户的信号都受到其他m–1个用户信号的干扰。假设到达一个接收机的信号强度和各干扰强度都相等，则载干比为：或即2021/10/21信道/小区 CDMA蜂窝系统的容量如果把背景热噪声考虑进去，则能够接入此系统的用户数可表示为：结果表明，在误比特率一定的条件下，降低热噪声功率，减小归一化信噪比，增大系统的处理增益都将有利于提高系统的容量。2021/10/21信道/小区 三种系统容量的比较在给定的一个窄带码分系统的频谱带宽内（1.25MHz）内，将CDMA系统容量与FDMA、TDMA系统容量进行比较，结果如下：模拟TACS系统，采用FDMA方式设：分配给系统的总频宽=1.25MHz信道带宽=25kHz频率重用的小区数N=7系统容量（信道/小区） 三种系统容量的比较数字GSM系统，采用TDMA方式设：分配给系统的总频宽=1.25MHz载频间隔=200kHz,每载频时隙数为8,频率重用的小区数N=4系统容量（信道/小区） 三种系统容量的比较数字CDMA系统设：分配给系统的总频宽=1.25MHz话音编码速率=9.6kbit/s话音占空比d=0.35扇形分区系数G=2.55信道复用效率F=0.6归一化信噪比=7dB系统容量（信道/小区） 三种系统容量的比较三种体制的系统容量的比较结果为：需要说明的是以上的比较中CDMA系统容量是理论值，即是在假设CDMA系统的功率控制是理想的条件下得出的。当前比较普遍的看法是CDMA数字蜂窝移动通信系统的容量是模拟FDMA系统的8~10倍。 话务量和呼损呼叫话务量：话务量是度量通信系统通话业务量或繁忙程度的指标。话务量是指单位时间（1小时）内进行的平均电话交换量。C：每小时的平均呼叫次数（包括呼叫成功和呼叫失败的次数）t0:每次呼叫平均占用信道的时间（包括接续时间和通话时间）如果在一个小时内不断地占用一个信道，则其呼叫话务量为1Erl(爱尔兰)。 话务量和呼损呼损率：在一个通信系统中，造成呼叫失败的概率称为呼叫损失概率，简称呼损率（B）设A´为呼叫成功而接通电话的话务量，简称完成话务量。C0为一小时内呼叫成功而通话的次数，其中A-A´为损失话务量 话务量和呼损呼损率也称为系统的服务等级(或业务等级)。呼损率与话务量是一对矛盾，即服务等级与信道利用率是矛盾的。ErlangB公式(也叫阻塞呼叫清除公式)求解呼叫阻塞概率。式中A流入业务的流量强度，n系统容量（电路数量）。 话务量和呼损例如，有一个系统容量n=10（条线），流入的业务强度A=6erlang，系统服务的用户很多，可计算这个系统的呼损率为B=0.043142（4.3%）在不同呼损率B的条件下，信道的利用率也是不同的 爱尔兰呼损表B1%2%5%10%20%nAAAAA10.01010.0200.0530.1110.2551.3601.6572.2192.8814.010104.4605.0926.2167.5119.6852012.03113.18115.24917.16321.635