《現(xiàn)代傳輸技術(shù)》PPT課件VIP

第3章現(xiàn)代傳輸技術(shù),3.1光纖通信3.2移動(dòng)通信3.3數(shù)字微波通信3.4衛(wèi)星通信習(xí)題,3.1光纖通信,3.1.1光纖通信的特點(diǎn)光波是頻率極高的電磁波，其頻率位于0.3THz(1THz=1012Hz)到30PHz(1PHz=1015Hz)之間，可細(xì)分為頻率位于330PHz之間的紫外光，頻率位于0.33PHz之間的可見(jiàn)光和頻率位于0.3300THz之間的紅外光。目前，光纖通信使用的紅外光波，其頻率為1101441014Hz。在討論高頻電磁波時(shí)利用波長(zhǎng)這一單位比頻率更方便，波長(zhǎng)是電磁波在空間變化一周所經(jīng)歷的長(zhǎng)度，波長(zhǎng)取決于電磁波的頻率和光速，即=C/f。其中，為電磁波的波長(zhǎng)(m)，C為光速(C=3108m/s，即3108m/s)，f為電磁波的頻率(Hz)。對(duì)于光波，波長(zhǎng)常用微米(m)或納米(nm)來(lái)表示(1m=110-6m，1nm=110-9m)。,利用光波來(lái)攜帶信息進(jìn)行傳輸?shù)耐ㄐ欧绞椒Q為光波通信，光波通信可分為無(wú)線光通信和有線光通信，無(wú)線光通信是利用光波在大氣中直線傳播的特點(diǎn)來(lái)傳輸信息的。這種方式無(wú)需任何線路，簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)，但由于受到大氣氣溫不均勻等因素的影響使得光線發(fā)生偏移，大霧時(shí)甚至全被吸收，因而通信質(zhì)量不穩(wěn)定。目前，這種方式主要應(yīng)用于小容量、短距離的室內(nèi)通信和戶外的臨時(shí)性的應(yīng)急通信以及衛(wèi)星之間的通信。有線光通信是利用光導(dǎo)纖維(玻璃纖維絲)等將光波匯聚其中并進(jìn)行傳播的特點(diǎn)來(lái)傳播信息的，這種方式光波的傳播特性穩(wěn)定因而通信穩(wěn)定，目前的光波通信主要是指光纖通信，光纖通信優(yōu)良的傳輸性能使其成為了長(zhǎng)距離大容量信息傳輸?shù)氖走x方案。,光纖通信與電通信相比，主要區(qū)別有兩點(diǎn)，一是以很高頻率(1014Hz數(shù)量級(jí))的光波作載波；二是用光纖作為傳輸介質(zhì)。基于以上兩點(diǎn)，光纖通信有以下的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：傳輸頻帶很寬，通信容量大；中繼距離長(zhǎng)；不怕電磁干擾；保密性好、無(wú)串話干擾；節(jié)約有色金屬和原材料；線徑細(xì)、重量輕；抗化學(xué)腐蝕、柔軟可繞。缺點(diǎn)：強(qiáng)度不如金屬線；連接比較困難；分路、耦合不方便；彎曲半徑不宜太小。應(yīng)該指出，光纖通信的三個(gè)缺點(diǎn)都已克服，不影響光纖通信的實(shí)用。下面，我們著重介紹光纖通信的優(yōu)越性和它的應(yīng)用領(lǐng)域。,(1)傳輸頻帶很寬，通信容量大。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，人們對(duì)通信的要求越來(lái)越多。為了擴(kuò)大通信容量，有線通信從明線發(fā)展到電纜，無(wú)線通信從短波發(fā)展到微波和毫米波，它們都是通過(guò)提高載波頻率來(lái)擴(kuò)容的，光纖中傳輸?shù)墓獠ㄒ葻o(wú)線通信使用的頻率高得多，所以，其通信容量也就比無(wú)線通信大得多。目前，光纖通信使用的頻率一般位于3.51014Hz(波長(zhǎng)為1.05m)附近，如果利用它帶寬的一小部分，并假設(shè)一個(gè)話路占4kHz的頻帶，那么一對(duì)光纖可以傳送10億路電話，它比我們今天所使用的所有通信系統(tǒng)的容量還大許多。然而實(shí)際上，由于光纖制造技術(shù)和光電器件特性的限制，一對(duì)光纖要傳送10億路電話是有困難的。目前的實(shí)用水平為每對(duì)光纖傳送30000多話路(2.4Gb/s)。,如果像電纜那樣把幾十根或幾百根光纖組成一根光纜(即空分復(fù)用)，其外徑比電纜小得多，傳輸容量卻成百倍的增長(zhǎng)，如果再使用波分復(fù)用技術(shù)，其傳輸容量就會(huì)大得驚人了。這樣，就可以滿足任何條件下信息傳輸?shù)男枰?，?duì)各種寬頻帶信息的傳輸具有十分重要的意義。(2)中繼距離長(zhǎng)。我們知道，信號(hào)在傳輸線上傳輸，由于傳輸線的損耗會(huì)使信號(hào)不斷的衰減，信號(hào)傳輸?shù)木嚯x越長(zhǎng)，衰減就越嚴(yán)重，當(dāng)信號(hào)衰減到一定程度以后，對(duì)方就接收不到信號(hào)了。為了長(zhǎng)距離通信，往往需要在傳輸線路上設(shè)置許多中繼器，將衰減了的信號(hào)放大后再繼續(xù)傳輸。中繼器越多，傳輸線路的成本就越高，維護(hù)也就越不方便，若某一中繼器出現(xiàn)故障，就會(huì)影響全線的通信。因此，人們希望傳輸線路的中繼器越少越好，最好是不要中繼器。,減小傳輸線路的損耗是實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)中繼距離的首要條件。因?yàn)楣饫w的損耗很低，所以能實(shí)現(xiàn)很長(zhǎng)的中繼距離。目前，實(shí)用石英光纖的損耗可低于0.2dB/km，這比目前其他任何傳輸介質(zhì)的損耗都低。由石英光纖組成的光纖通信系統(tǒng)最大中繼距離可達(dá)200km還多。而現(xiàn)有的電通信中，同軸電纜系統(tǒng)最大中繼距離為6km，最長(zhǎng)的微波中繼距離也只有50km左右。如果將來(lái)采用非石英系極低損耗光纖，其理論分析損耗可下降到10-9dB/km，則中繼距離可達(dá)數(shù)千米甚至數(shù)萬(wàn)千米。這樣，在任何情況下，通信線路都可以不設(shè)中繼器了，它對(duì)降低海底通信的成本、提高可靠性和穩(wěn)定性具有特別重要的意義。,(3)抗電磁干擾。任何信息傳輸系統(tǒng)都應(yīng)具有一定的抗干擾能力，否則就無(wú)實(shí)用意義了。而當(dāng)代世界對(duì)通信的各種干擾源比比皆是，有天然干擾源，如雷電干擾、電離層的變化和太陽(yáng)的黑子活動(dòng)等；有工業(yè)干擾源，如電動(dòng)馬達(dá)和高壓電力線；還有無(wú)線電通信的相互干擾等，這都是現(xiàn)代通信必須認(rèn)真對(duì)待的問(wèn)題。一般說(shuō)來(lái)，現(xiàn)有的電通信盡管采取了各種措施，但都不能滿意地解決以上各種干擾的影響，惟有光纖通信不受以上各種電磁干擾的影響，這將從根本上解決電通信系統(tǒng)多年來(lái)困擾人們的干擾問(wèn)題。,(4)保密性好，無(wú)串話干擾。對(duì)通信系統(tǒng)的另一個(gè)重要要求是保密性好，然而無(wú)線電通信很容易被人竊聽(tīng)，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，就是我們以前所講的保密性好的有線電通信也不那么保密了。人們只要在明線或電纜附近設(shè)置一個(gè)特別的接收裝置，就可以竊聽(tīng)明線或電纜中傳輸?shù)男畔?，因此，現(xiàn)有的電通信都面臨著一個(gè)怎樣保密的問(wèn)題。,光纖通信與電通信不同，光波在光纖中傳輸是不會(huì)跑出光纖之外的，即使在轉(zhuǎn)彎處，彎曲半徑很小時(shí)，漏出的光波也十分微弱，如果在光纖或光纜的表面涂上一層消光劑，光纖中的光就完全不能跑出光纖。這樣，用什么方法也無(wú)法在光纖外面竊聽(tīng)光纖中傳輸?shù)男畔⒘?。此外，由于光纖中的光不會(huì)跑出來(lái)，我們?cè)陔娎|通信中常見(jiàn)的串話現(xiàn)象，在光纖通信中也就不存在了。同時(shí)，它也不會(huì)干擾其他通信設(shè)備或測(cè)試設(shè)備。,(5)節(jié)約有色金屬和原材料?，F(xiàn)有的電話線或電纜是由銅、鋁、鉛等金屬材料制成的，但從目前的地質(zhì)調(diào)查情況來(lái)看，世界上銅的儲(chǔ)藏量不多，有人估計(jì)，按現(xiàn)在的開(kāi)采速度只能再開(kāi)采50年左右。而光纖的材料主要是石英(二氧化硅)，地球上是取之不盡用之不竭的，并且很少的原材料就可拉制出很長(zhǎng)的光纖。例如，40克高純度的石英玻璃可拉制1km的光纖，而制造1km八管中同軸電纜需要耗銅120kg，鉛500kg。光纖通信技術(shù)的推廣應(yīng)用將節(jié)約大量的金屬材料，具有合理使用地球資源的戰(zhàn)略意義。,(6)線徑細(xì)，重量輕。通信設(shè)備體積的大小和重量的輕重對(duì)許多領(lǐng)域具有特殊重要的意義，特別是在軍事、航空和宇宙飛船等方面。光纖的芯徑很細(xì)，它只有單管同軸電纜的百分之一，光纜直徑也很小，8芯光纜橫截面直徑約為lmm，而標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜為47mm。線徑細(xì)對(duì)減小通信系統(tǒng)所占的空間具有重要意義。目前，利用光纖通信的這個(gè)特點(diǎn)，在市話繼線路中成功地解決了地下管道擁擠的問(wèn)題，節(jié)約了地下管道的建設(shè)投資。,光纜的重量比電纜要輕得多。例如，18管同軸電纜1m的重量為11kg，而同等容量的光纜1m重只有90g。近年來(lái)，許多國(guó)家在飛機(jī)上使用光纖通信設(shè)備，或?qū)⒃瓉?lái)的電纜通信改為光纖通信，獲得了很好的效果，它不但降低了通信設(shè)備的成本，飛機(jī)制造的成本，而且還提高了通信系統(tǒng)的抗干擾能力和飛機(jī)設(shè)計(jì)的靈活性。例如，美國(guó)在A7飛機(jī)上用光纖通信取代原有的電纜通信后，它使飛機(jī)減輕重量27磅。據(jù)飛機(jī)設(shè)計(jì)人員統(tǒng)計(jì)，高性能的飛機(jī)每增加一磅的重量，成本費(fèi)用要增加一萬(wàn)美元。如果考慮在宇宙飛船和人造衛(wèi)星上使用光纖通信，其意義就更大了。由于光纖通信上述的許多優(yōu)點(diǎn)，除了在公用通信和專用通信中廣泛使用之外，它還在其他許多領(lǐng)域，如測(cè)量，傳感、自動(dòng)控制和醫(yī)療衛(wèi)生等得到了十分廣泛的應(yīng)用。,3.1.2光纖及其傳輸特性從電磁波的傳播角度來(lái)看，光纖實(shí)際上是一個(gè)圓柱形波導(dǎo)，具有傳播高頻電磁波的能力。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，由具有高折射率的纖芯和具有低折射率的包層材料構(gòu)成。具有高折射率的材料充當(dāng)傳播介質(zhì)，類似于矩形金屬波導(dǎo)中的空氣介質(zhì)，能夠傳導(dǎo)電磁波；具有低折射率的材料充當(dāng)波導(dǎo)的管壁將電磁波的能量限定在波導(dǎo)內(nèi)。1.光纖的類型光纖的分類方法有很多，可以按制作光纖的材料、光纖的結(jié)構(gòu)、傳播光的波長(zhǎng)、傳播模式的多少以及用途等來(lái)分。這里主要介紹三種分類方法。,1)塑料光纖與石英光纖從本質(zhì)上說(shuō)，目前有三種可以使用的光纖，它們都由玻璃、塑料或二者結(jié)合制成。(1)塑料纖芯和塑料包層光纖，這種光纖也稱為塑料光纖，主要應(yīng)用于短距離的光電隔離、工業(yè)控制中的數(shù)據(jù)量較小的數(shù)據(jù)信號(hào)的傳輸和簡(jiǎn)單的光纖工藝品，如光纖裝飾畫(huà)等。(2)玻璃纖芯和塑料包層光纖(通常稱為PCS光纖，即塑料包層的石英光纖)，這種光纖也稱為玻璃光纖。(3)玻璃纖芯和玻璃包層光纖(通常稱為SCS光纖，即石英包層的石英光纖)，這就是通信中常用的光纖稱為通信光纖，其性能最好價(jià)格也最貴。下面主要討論通信光纖。,2)階躍光纖和梯度光纖光纖的光學(xué)特性決定于它的折射率分布，因此光纖纖芯和包層折射率在制造階段是沿徑向加以控制的，用控制預(yù)制棒中摻雜劑的種類和數(shù)量的方法來(lái)使之產(chǎn)生一定形狀的折射率分布。折射率分布的形狀有：階躍(突變)和漸變(高斯)，如圖3.1所示。,圖3.1光纖的折射率分布(a)階躍分布；(b)高斯分布,根據(jù)光纖橫截面上折射率分布的情況來(lái)分類，光纖可分為階躍折射率型即階躍光纖和漸變折射率型(也稱為梯度折射率型)即漸變光纖。階躍光纖，在纖芯中折射率分布是均勻的，在纖芯和包層的界面上折射率發(fā)生突變；漸變光纖，在纖芯中折射率的分布是變化的，而包層中的折射率通常是常數(shù)。在漸變光纖中，包層中的折射率常數(shù)用n2表示，纖芯中折射率分布可用方冪律式表示。,漸變光纖的折射率分布可以表示為n1=,(3.1),式中，g是折射率變化的參數(shù)，a是纖芯半徑，r是光纖中任意一點(diǎn)到中心徑向的距離，n1是光纖纖芯中心位置對(duì)應(yīng)的折射率，是漸變折射率光纖的相對(duì)折射率差，即,g=2，稱為拋物線分布；g=時(shí)，即為階躍光纖。,3)單模光纖和多模光纖光纖中的模式，簡(jiǎn)單也可理解為光在光纖中傳播時(shí)特定的路徑。如果光纖中只容許一種路徑的光束沿光纖傳播，則稱為單模光纖，如圖3.2(a)所示。如果光束的傳播路徑多于一條，則稱為多模光纖，如圖3.2(b)所示。單模光纖的纖芯直徑較之多模光纖小。,圖3.2三種光纖的纖芯和包層折射率分布,4)常用的三種通信光纖常用的三種光纖為單模階躍光纖、多模階躍光纖和多模漸變光纖，下面對(duì)它們分別作介紹。(1)單模階躍光纖如圖3.2(a)所示(圖中n0、n1、n2分別為空氣、纖芯和包層的折射率)。由于只容許光以一條路徑沿光纖傳播，因而纖芯是極小的，光束實(shí)際上是沿光纖軸線方向向前傳播，進(jìn)入光纖的光幾乎是以相同的時(shí)間通過(guò)相同的距離。,(2)多模階躍型光纖如圖3.2(b)所示，除了纖芯比較粗外，其結(jié)構(gòu)與單模光纖相同。這種光纖的數(shù)值孔徑(光纖接收入射光線能力大小的物理量，具體概念下面介紹)較大，因此允許更多的光線進(jìn)入光纜。入射角大于臨界角的光線沿纖芯呈“之”字型傳播，在纖芯與包層的界面上不斷地發(fā)生全反射；入射角小于臨界角的光線(圖中未畫(huà)出)則折射進(jìn)入包層，即被衰減?？梢钥闯?，此時(shí)光纖中的光是沿著不同路徑進(jìn)行傳播的，因而通過(guò)相同長(zhǎng)度的光纖就需要不同的傳輸時(shí)間,(3)多模漸變型光纖如圖3.2(c)所示，它的特點(diǎn)是纖芯的折射率呈現(xiàn)非均勻分布，中心最大，沿截面半徑向外逐漸減小，光在其中通過(guò)折射傳播。由于光線是以斜交叉穿入纖芯，光線在纖芯中不斷地從光密介質(zhì)到光疏介質(zhì)或從光疏介質(zhì)到光密界面中傳播，因此總是在不停地發(fā)生折射，形成一條連續(xù)的曲線。進(jìn)入光纖的光線有不同的初始入射角，在傳輸一段的距離后，入射角度變大并且遠(yuǎn)離中心軸線的光線要比靠近中心軸線的光線所走的路程長(zhǎng)。由于折射率隨軸向距離的增大而減小，而速度與折射率成反比，故遠(yuǎn)離軸線處的光傳播速度大于靠近軸線處的光傳播速度，因此，全部光線會(huì)以幾乎相同的軸向速度在光纖中傳播。,2.光纖的數(shù)值孔徑和截止波長(zhǎng)1)光纖的數(shù)值孔徑光源發(fā)出的光，其輻射角有大(如白織燈光源的輻射角約為360)有小(如日光燈的輻射角小于白織燈光源的輻射角)，是不是光源發(fā)出的光能全部被光纖捕獲即入射進(jìn)光纖呢？顯然是不可能的。那么如何來(lái)衡量光纖捕獲或聚集光的能力呢？可用數(shù)值孔徑NA這一性能參數(shù)來(lái)衡量。NA越大則光纖從光源接收的光能量就越大。從空氣中入射到光纖纖芯端面上的光線被光纖捕獲成為束縛光線的最大入射角max為臨界光錐的半角，如圖3.3所示，稱其為光纖的數(shù)值孔徑(NumericalAperture)，記為NA，它與纖芯和包層的折射率分布有關(guān)，而與光纖的直徑無(wú)關(guān)。,圖3.3光纖的數(shù)值孔徑的概念,對(duì)于階躍光纖，NA為,式中，是光纖纖芯和包層的相對(duì)折射率差。數(shù)值孔徑NA是光纖的一個(gè)極為重要的參數(shù)，它反映光纖捕捉光線能力的大小。NA越大，光纖捕捉光線的能力就越強(qiáng)，光纖與光源之間的耦合效率就越高。公式(3.2)的推導(dǎo)可以根據(jù)入射光線在光纖端面上的折射定律和在光纖纖芯和包層界面上的全反射定律很容易求證。,2)光纖的截止波長(zhǎng)與矩形波導(dǎo)類似，波導(dǎo)受限于最低頻率稱為截止頻率，低于截止頻率的電磁波將不能在波導(dǎo)中傳播。相反允許通過(guò)波導(dǎo)的最長(zhǎng)波長(zhǎng)稱為截止波長(zhǎng)，定義為可在波導(dǎo)內(nèi)傳播的最大波長(zhǎng)。換句話說(shuō)，只有工作頻率對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)小于截止波長(zhǎng)的電磁波才能在波導(dǎo)內(nèi)傳播。截止波長(zhǎng)可按下式計(jì)算：,(3.3),其中：C為截止波長(zhǎng)(m)。,3.光纖的傳輸特性從通信的角度來(lái)看，人們最關(guān)心的是一個(gè)數(shù)字光脈沖信號(hào)注入到光纖之后，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離傳輸后所遭受到的信號(hào)損傷，如脈沖的幅度、寬度等的變化。實(shí)驗(yàn)表明：一個(gè)很好的方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)傳輸后其幅度會(huì)下降，寬度會(huì)展寬變成了一個(gè)類似高斯分布的光脈沖信號(hào)。分析其原因就是由于光纖中存在損耗，使光信號(hào)的能量隨著距離的加大而減小，導(dǎo)致了光脈沖的幅度下降；另一方面光脈沖信號(hào)中的不同頻率成分的電磁信號(hào)傳播時(shí)，之間由于存在時(shí)延，因而使得原來(lái)能量集中的光脈沖信號(hào)，經(jīng)傳輸后能量發(fā)生了彌散，光脈沖的寬度變寬了。這里對(duì)它們的產(chǎn)生原因作一簡(jiǎn)單的分析。,1)光纖的損耗光纖的損耗限制了光纖最大無(wú)中繼傳輸距離。損耗用損耗系數(shù)()表示，單位為dB/km，即單位長(zhǎng)度km的光功率損耗dB(分貝)值。如果注入光纖的功率為p(z=0)，光纖的長(zhǎng)度為L(zhǎng)，經(jīng)長(zhǎng)度L的光纖傳輸后光功率為p(z=L)，由于光功率隨長(zhǎng)度是按指數(shù)規(guī)律衰減的，因此()為,(3.4),光纖的損耗系數(shù)與光纖的折射率波動(dòng)產(chǎn)生的散射如瑞利散射、光缺陷、石英的本征吸收、雜質(zhì)吸收(如OH根離子)等有關(guān)且是波長(zhǎng)的函數(shù)，即,(3.5),式中，c1為瑞利散射常數(shù)，c2為與缺陷有關(guān)的常數(shù)，A()為雜質(zhì)引起的波吸收。()與波長(zhǎng)的關(guān)系如圖3.4所示，可見(jiàn)有三個(gè)低損耗窗口，其中心波長(zhǎng)分別位于0.85m、1.30m和1.55m。,圖3.4光纖損耗與波長(zhǎng)的關(guān)系,2)光纖的色散模間延遲主要存在于多模光纖中，光能量在光纖中的傳輸是分配到光纖中存在的模式中去，然后由不同的模攜帶能量向前傳播。由于不同的模速度不一樣，因此到達(dá)目的地時(shí)不同的模之間存在時(shí)延差。對(duì)于多模光纖，其纖芯為50m遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光的波長(zhǎng)1.3m，因而波動(dòng)理論與幾何光學(xué)分析的結(jié)論是一致的?？梢詫⒁粋€(gè)模式看成是光線在光纖中一種可能的行進(jìn)路徑，由于不同的路徑其長(zhǎng)度不同，因此對(duì)應(yīng)的不同的模式其速度也不同。,設(shè)有一光脈沖注入長(zhǎng)為L(zhǎng)的光纖中，可以用幾何光學(xué)求出其最大的時(shí)延差，如圖3.5所示。設(shè)一單色光波注入光纖中，其能量將由不同的模式攜帶，利用路程最短的模(速度最快)與中心軸線光線相對(duì)應(yīng)，路徑最長(zhǎng)(速度最慢)的模與沿全反射路徑的光線相對(duì)應(yīng)，求出最大的時(shí)延差。,圖3.5模間時(shí)延差,光纖的色散利用的全反射定理有,(3.6),由于不同的光線在光纖中傳輸時(shí)間不同，因而輸入一個(gè)光脈沖，其能量在時(shí)間上相對(duì)集中，經(jīng)光纖傳輸后到達(dá)輸出端；輸出一個(gè)光脈沖，其能量在時(shí)間上相對(duì)彌散，這種現(xiàn)象稱為模式色散。通過(guò)合理設(shè)計(jì)光纖，模式色散可以減小(如漸變光纖)，甚至沒(méi)有(如單模光纖)。,由于模間色散的存在，展寬的光脈沖會(huì)達(dá)到某種程度使得前后光脈沖相互重疊，這是不希望的。一個(gè)粗略的判據(jù)是只要光脈沖在時(shí)間上的展寬不超過(guò)系統(tǒng)比特周期1/B的1/2即1/2B(B為系統(tǒng)的比特率)，就可接受。則模式色散有如下的限制,(3.7),因而光纖通信系統(tǒng)由于受模式色散的影響，其比特速率距離積為,如=0.01，n1=1.5(n1n2)，可得BLb，那么b個(gè)突發(fā)錯(cuò)誤就被分散到每一碼組中去，并且每個(gè)碼組中最多只有一個(gè)分散了的錯(cuò)誤，這樣由信道產(chǎn)生的突發(fā)性錯(cuò)誤就能夠被轉(zhuǎn)換成隨機(jī)性錯(cuò)誤，因此利用碼組本身的糾錯(cuò)能力就可以將它們一一糾正。,因此，如果m的數(shù)字越大，能糾正的突發(fā)長(zhǎng)度b也越長(zhǎng)，故m稱為交織度。它表示糾突發(fā)錯(cuò)誤的能力。但因?yàn)榻豢棔r(shí)，收發(fā)雙方均要進(jìn)行先存后讀的數(shù)據(jù)處理，所以有處理時(shí)間的延遲。m越大，處理時(shí)間也越長(zhǎng)，故必須把處理時(shí)間保持在允許的時(shí)延之內(nèi)。這種方法簡(jiǎn)便，既可糾正突發(fā)錯(cuò)誤，也可糾正隨機(jī)錯(cuò)誤，從而大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男阅埽跀?shù)字移動(dòng)通信中得到了廣泛應(yīng)用。例如，在GSM系統(tǒng)中，40ms中經(jīng)1/2碼率、約束長(zhǎng)度為5的卷積編碼后得到的912bit話音數(shù)據(jù)按8114矩陣進(jìn)行交織編碼，形成8個(gè)114bit的信息段，每個(gè)信息段占用一個(gè)時(shí)隙逐幀進(jìn)行傳輸。在WCDMA和TD-SCDMA系統(tǒng)中，也均采用了幀內(nèi)交織和幀間交織的方式，而在CDMA2000系統(tǒng)中則采用了塊交織的方式。,3.2.6數(shù)字調(diào)制與分集接收1.數(shù)字調(diào)制移動(dòng)通信的應(yīng)用環(huán)境及信道特性決定了其采用的調(diào)制技術(shù)也必將與其他通信系統(tǒng)有所不同。作為移動(dòng)通信系統(tǒng)中信號(hào)傳輸?shù)闹匾M成部分，數(shù)字調(diào)制技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)通信需要考慮的因素有：在衰落條件下傳輸質(zhì)量要好；占用頻帶盡量窄，頻譜特性要好，帶外輻射要?。活l譜利用率要高；可實(shí)現(xiàn)性要好。在給定信道條件下，尋找性能優(yōu)越的高效調(diào)制方式一直是重要的研究課題。用于數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)有兩類，一類是線性調(diào)制技術(shù)，另一類是恒定包絡(luò)數(shù)字調(diào)制技術(shù)，前者如PSK、16QAM，后者如MSK、GMSK等(也稱連續(xù)相位調(diào)制技術(shù))。,下面我們主要對(duì)MSK(最小移頻鍵控)、GMSK(高斯濾波最小移頻鍵控)技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。MSK以及GMSK都屬于頻率調(diào)制，即在調(diào)制時(shí)，載波的頻率隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化，并且在調(diào)制信號(hào)變化時(shí)已調(diào)信號(hào)的相位卻是連續(xù)的，不存在相位突變現(xiàn)象，所以相對(duì)于不連續(xù)相位調(diào)制而言，其主瓣較窄，旁瓣較低，滿足移動(dòng)通信的要求。同時(shí)，它們均為恒包絡(luò)調(diào)制，可使用高效率的C類功率放大器，大大降低了功率放大器的成本。,對(duì)于以往的FSK，在h=0.5的特殊情況時(shí)：,即,這表明，這時(shí)兩個(gè)頻率在一個(gè)碼元Tb結(jié)束時(shí)，其相位正好相差，即差半個(gè)周期的正弦波，產(chǎn)生最大的相位差，并同時(shí)在碼元交替點(diǎn)保持相位的連續(xù)性，如圖3.24(a)所示。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)信號(hào)為“0”時(shí)，在一個(gè)Tb時(shí)間內(nèi)，已調(diào)信號(hào)的載波頻率較低，正好有3個(gè)半波；而當(dāng)信號(hào)為“1”時(shí)，則在此周期中載波頻率較高，正好4個(gè)半波。它們的差正好是半個(gè)正弦波形，所以在碼元交替點(diǎn)波形具有平滑連續(xù)的特征，并且其頻譜的旁瓣最小。這種特殊情況(h=0.5)的FSK我們稱為最小移頻鍵控(MSK)，其頻譜特性如圖3.24(b)所示。,圖3.24MSK的波形、相位及頻譜,在一個(gè)碼元周期內(nèi)，MSK的傳號(hào)波形與空號(hào)波形是正交的，它們的互相關(guān)系數(shù)為0。從其特點(diǎn)來(lái)看，可知MSK適用于恒定包絡(luò)，且不濾波的場(chǎng)合。但在鄰道間隔很小的場(chǎng)合，移動(dòng)通信要求鄰道干擾要小于6070dB，因此簡(jiǎn)單的MSK不能滿足要求，必須采用GMSK。,2)GMSKGMSK是在MSK調(diào)制之前加一個(gè)高斯濾波器，這樣首先對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，因而經(jīng)其濾波后輸出的數(shù)據(jù)脈沖已沒(méi)有陡峭的邊沿，再經(jīng)MSK調(diào)制后，其相位將進(jìn)一步得到平滑，因此其頻譜特性也得到進(jìn)一步改善。如圖3.25(a)所示，它的電路就是在前置高斯濾波器后加一個(gè)頻率調(diào)制器，最簡(jiǎn)單的就是壓控振蕩器(VCO)，只是要求它的頻移和數(shù)據(jù)速率保持MSK所要求的條件。,圖3.25GMSK的原理及頻譜(a)電路原理框圖；(b)頻譜,GMSK的性能與濾波器性能有關(guān)，如果前置濾波器3dB的帶寬為B，那么我們以B與碼元速率fb的比值作為低通濾波器的參數(shù)，即B/fb=BTb，其值可大于1，也可小于1。當(dāng)BTb1時(shí)，表示濾波器的帶寬大于數(shù)據(jù)信號(hào)的基帶帶寬，BTb值越大，此時(shí)濾波作用越弱。當(dāng)BTb時(shí)，等于未加濾波器，因而其性能與MSK相同。當(dāng)BTb1時(shí)，濾波器的作用越顯著，旁瓣被濾除得也越多，但此時(shí)帶內(nèi)信號(hào)和主瓣頻譜都會(huì)受到一定的影響。,從圖3.25中可以看出，當(dāng)BTb在0.3以下時(shí)，旁瓣便迅速下降；而當(dāng)BTb=0.25時(shí)，則對(duì)其鄰道的干擾將低于-60dB，因此通常采用BTb為0.200.25的濾波器，此時(shí)GMSK的旁瓣很小，同時(shí)對(duì)鄰道的干擾小于-60dB，但其誤碼性能則比MSK稍差，這也是為削弱旁瓣而付出的代價(jià)。GSM數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)中，采用BTb=0.3的GMSK調(diào)制，在200kHz頻道間隔中實(shí)現(xiàn)了270.8kb/s的數(shù)字傳輸。GMSK信號(hào)的解調(diào)可采用相干解調(diào)、差分解調(diào)等方式，從而恢復(fù)出原始信號(hào)。,2.分集接收衰落是影響無(wú)線通信質(zhì)量的主要因素。快衰落深度可達(dá)3040dB，如果想利用加大發(fā)射功率的辦法來(lái)克服這種深度衰落是不現(xiàn)實(shí)的，因?yàn)檫@時(shí)功率需要提高100010000倍，而且會(huì)造成對(duì)其他電臺(tái)的干擾。分集接收是抗衰落的一種有效措施，廣泛應(yīng)用于移動(dòng)通信、短波通信等變參信道中。所謂分集接收，是指接收端將接收到的衰落特性相互獨(dú)立且攜帶同一信息的多路信號(hào)，按照一定的規(guī)則處理合并起來(lái)，使接收的有用信號(hào)能量最大，從而降低接收信號(hào)電平起伏、提高接收信號(hào)信噪比的方法。分集包含了兩重含義：一是分散傳輸，使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào)；二是集中處理，即把收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并以降低衰落的影響。,在移動(dòng)通信中可應(yīng)用兩類分集方式：一類稱之為“宏分集”；另一類稱之為“微分集”。“宏分集”主要用于蜂窩通信系統(tǒng)中，也稱為“多基站”分集。這是一種減少慢衰落影響的分集技術(shù)，其做法是通過(guò)設(shè)置在不同的地理位置上(如蜂窩小區(qū)的對(duì)角上)和在不同方向上的多個(gè)基站，同時(shí)和小區(qū)的一個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信(可以選用其中信號(hào)最好的一個(gè)基站進(jìn)行通信)。顯然，只要在各個(gè)方向上的信號(hào)傳播不是同時(shí)受到陰影效應(yīng)或地形的影響而出現(xiàn)嚴(yán)重的慢衰落，這種辦法就能保持通信不會(huì)中斷。蜂窩移動(dòng)通信中的切換也正是基于此。,“微分集”是一種減少快衰落影響的分集技術(shù)，在各種無(wú)線通信系統(tǒng)中都經(jīng)常使用。理論和實(shí)踐都表明，在空間、頻率、極化、場(chǎng)分量、角度及時(shí)間等方面分離的無(wú)線信號(hào)，都呈現(xiàn)相互獨(dú)立的衰落特性。據(jù)此，“微分集”可分為空間分集、頻率分集、極化分集、時(shí)間分集等。蜂窩移動(dòng)通信中常用的分集方式主要有空間分集、極化分集等。,1)空間分集空間分集的依據(jù)在于快衰落的空間獨(dú)立性，即在任意兩個(gè)不同的位置上接收同一信號(hào)，只要兩個(gè)位置的距離大到一定程度，則兩處所接收信號(hào)的衰落是不相關(guān)的。為此，可利用在空間水平相距為d的多副接收天線來(lái)實(shí)現(xiàn)分集。間隔距離d與工作波長(zhǎng)、地物及天線高度有關(guān)，d越大，相關(guān)性就越弱；分集的路數(shù)越多，分集效果也越好，當(dāng)然系統(tǒng)也就越復(fù)雜。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，通常在基站的每個(gè)扇區(qū)設(shè)置兩副接收天線，接收移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)，如圖3.26所示。為獲得較好的分集接收效果，要求兩副天線間的水平距離d0.11h(h為基站天線的架設(shè)高度)。,圖3.26空間分集,2)極化分集由于兩個(gè)不同極化的電磁波具有獨(dú)立的衰落特性，所以發(fā)送端和接收端可以用兩個(gè)位置很近但極化方式不同的天線分別發(fā)送和接收信號(hào)，以獲得分集效果。極化分集的好處在于不需要分集接收天線間保持足夠的空間距離，這樣對(duì)天線架設(shè)場(chǎng)地的要求可大大降低。實(shí)際應(yīng)用中通常采用正交極化分集，將兩個(gè)相互正交的天線振子陣列集成在同一天線體內(nèi)構(gòu)成雙極化天線，其安裝使用均如同單根天線，如圖3.27所示。,圖3.27極化分集,無(wú)論采用哪種分集手段都要解決接收端如何將分集信號(hào)合并的問(wèn)題，常用有以下三種方法：(1)選擇式合并。根據(jù)信噪比最大(或誤碼率最低)準(zhǔn)則，在兩路信號(hào)中選擇信噪比最大的一路作輸出。開(kāi)關(guān)的切換可以在中頻進(jìn)行，也可以在解調(diào)后的基帶進(jìn)行。這種方法電路簡(jiǎn)單，并可利用現(xiàn)有的備份切換技術(shù)，但它在兩路信號(hào)信噪比相當(dāng)時(shí)就不能帶來(lái)分集接收應(yīng)有的效果了。(2)等增益合并。將二路信號(hào)經(jīng)校相后線性相加。這一過(guò)程通常在中頻上進(jìn)行，電路較為復(fù)雜。當(dāng)兩路信號(hào)衰落都不太嚴(yán)重時(shí)，對(duì)改善信噪比有利。但當(dāng)某一路發(fā)生深衰落時(shí)，合并效果則不如選擇式合并，極端情況下甚至還會(huì)帶來(lái)信噪比惡化。,(3)最大比值合并。根據(jù)信號(hào)信噪比大小決定合并時(shí)各路信號(hào)的加權(quán)系數(shù)，信噪比高者加權(quán)系數(shù)大，信噪比弱者加權(quán)系數(shù)小。這種方式電路最復(fù)雜，當(dāng)然合并效果也最好。由此可以得出，三種合并方式性能比較，最大比值合并法最好，等增益合并法次之，選擇式合并法再次之。,3.2.7多址方式移動(dòng)通信中最常用的多址技術(shù)有頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)和碼分多址(CDMA)，隨著智能天線技術(shù)的發(fā)展成熟，空分多址(SDMA)技術(shù)開(kāi)始在數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信中得到應(yīng)用。空分多址(SDMA)通過(guò)空間的分割來(lái)區(qū)別不同的用戶。能實(shí)現(xiàn)空間分割的基本技術(shù)就是采用自適應(yīng)陣列天線，在不同的用戶方向上形成不同的波束，如圖3.28所示。從圖中可看出，SDMA使用定向波束天線來(lái)服務(wù)于不同用戶。不同的波束可采用相同的頻率和相同的多址方式，也可采用不同的多址方式。,圖3.28SDMA技術(shù)的原理,在極限情況下，自適應(yīng)陣列天線具有極窄的波束和無(wú)限快的跟蹤速度，它可以實(shí)現(xiàn)最佳的SDMA。此時(shí)，在每個(gè)小區(qū)內(nèi)，每個(gè)波束可提供一個(gè)無(wú)其他用戶干擾的惟一信道。采用窄波束天線可以有效的克服多徑干擾和同道干擾。盡管上述理想情況是不可實(shí)現(xiàn)的，它需要無(wú)限多個(gè)天線陣元，但采用適當(dāng)數(shù)目陣元也可以獲得較大的系統(tǒng)增益。SDMA技術(shù)直接來(lái)自于智能天線的概念。它可以用于所有常規(guī)的多址方式(FDMA，TDMA和CDMA)，只需要調(diào)整基站，不涉及到移動(dòng)臺(tái)。這使得可以把SDMA引入到現(xiàn)有的系統(tǒng)中。,智能天線技術(shù)已在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中得到了較好的應(yīng)用。智能天線系統(tǒng)由陣列天線和數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)組成，DSP的作用是實(shí)時(shí)處理接收到的和要通過(guò)天線陣列發(fā)射出去的信號(hào)。從陣列的N個(gè)天線中得到的N個(gè)復(fù)數(shù)信號(hào)輸入到DSP中，把每個(gè)天線的信號(hào)與適當(dāng)?shù)闹礧i相乘，最終把所有項(xiàng)相加輸出。輸出信號(hào)的形式如下：,(3.11),按照所需要的特性，適當(dāng)選擇加權(quán)矢量W=W1，W2，WN，就可以得到預(yù)定的天線輻射方向圖。為保證系統(tǒng)工作的實(shí)時(shí)性能，必須根據(jù)所接收到的數(shù)據(jù)，自適應(yīng)周期性地更新權(quán)值，且自適應(yīng)速率能夠補(bǔ)償由于源的運(yùn)動(dòng)和存在多徑而引起的變化。在蜂窩系統(tǒng)中，天線陣元可以由基站用自適應(yīng)的方法加以控制，使得波束始終指向移動(dòng)臺(tái)，能夠跟蹤它的運(yùn)動(dòng)。這種技術(shù)就是所謂的自適應(yīng)SDMA，這種方法有以下優(yōu)點(diǎn)：,(1)波束直接對(duì)準(zhǔn)用戶，多徑和信道之間的干擾大大地減少；(2)由于波束對(duì)準(zhǔn)用戶減少了電磁污染，所需功率也減少；(3)直達(dá)波束提高了通信的保密性，除非在波束輻射的方向上，否則通信不可能被截獲。其最終結(jié)果是系統(tǒng)容量得到大大提高、通信質(zhì)量得到明顯改善、移動(dòng)臺(tái)輻射更小更省電、通信更保密。智能天線技術(shù)已成為我國(guó)提出并被國(guó)際電聯(lián)(ITU)接納的第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(IMT-2000)標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA的核心技術(shù)。,3.2.8功率控制碼分多址與頻分多址以及時(shí)分多址相比較，具有容量大、低功率、軟切換、抗干擾強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。但是，在CDMA系統(tǒng)中，由于所有用戶均使用相同頻段的無(wú)線信道和相同的時(shí)隙，用戶間僅靠地址擴(kuò)頻碼的不同，即依靠它們之間的互相關(guān)特性加以區(qū)分。若用戶間的互相關(guān)不為零，則用戶間就存在著干擾，我們稱這類干擾為多址干擾。同時(shí)，由于CDMA為一干擾受限系統(tǒng)，即干擾的大小直接影響系統(tǒng)容量，因此有效地克服和抑制多址干擾就成為CDMA系統(tǒng)中最重要、最關(guān)鍵的技術(shù)。,除了多址干擾本身的直接影響以外，在上行鏈路中，如果保持小區(qū)內(nèi)所有移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率相同，由于小區(qū)內(nèi)移動(dòng)臺(tái)用戶的隨機(jī)移動(dòng)，使得移動(dòng)臺(tái)與基站間的距離是不同的，離基站近的移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)強(qiáng)，離基站遠(yuǎn)的移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)弱，那么將會(huì)產(chǎn)生以強(qiáng)壓弱的現(xiàn)象，這就是所謂的“遠(yuǎn)近效應(yīng)”。通常，路徑損耗的動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)80dB。在下行鏈路中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)位于相鄰小區(qū)的交界處時(shí)，收到所屬基站的有用信號(hào)功率很低，同時(shí)還會(huì)受到相鄰小區(qū)基站較強(qiáng)的干擾，這就是所謂的“角效應(yīng)”。除此之外，電波傳播中由于大型建筑物的阻擋，形成“陰影”效應(yīng)產(chǎn)生了慢衰落。再加上移動(dòng)信道固有的快衰落，這一切都將會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)容量下降和實(shí)際通信服務(wù)范圍縮小等。解決這些問(wèn)題的一個(gè)最有效的方法是采用功率控制技術(shù)。因此可以認(rèn)為，功率控制技術(shù)是CDMA走向?qū)嵱玫囊豁?xiàng)核心技術(shù)。,通常，根據(jù)通信的上、下行鏈路角度來(lái)考慮，功率控制可分為反向功率控制(簡(jiǎn)稱反向功控)與前向功率控制(簡(jiǎn)稱前向功控)；根據(jù)功控環(huán)路的類型來(lái)劃分，可分為開(kāi)環(huán)功率控制(簡(jiǎn)稱開(kāi)環(huán)功控)與閉環(huán)功率控制(簡(jiǎn)稱閉環(huán)功控)。1.反向功控與前向功控1)反向功控反向功控是指上行鏈路中的功率控制。它用來(lái)控制移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，使基站接收到的所有移動(dòng)臺(tái)發(fā)射到基站的信號(hào)功率或信干比SIR(定義為信號(hào)功率與噪聲干擾功率之比)基本相等，從而使各用戶之間相互干擾最小，以克服“遠(yuǎn)近效應(yīng)”、減小多址干擾，使CDMA系統(tǒng)的容量最大化，并能延長(zhǎng)移動(dòng)臺(tái)電池的使用壽命。,2)前向功控前向功控是指下行鏈路中的功率控制。它用來(lái)控制基站對(duì)每個(gè)移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率，使所有移動(dòng)臺(tái)接收到的信號(hào)功率或SIR基本相等，從而減小鄰小區(qū)干擾，提高系統(tǒng)容量。在蜂窩系統(tǒng)中，前向功率控制的作用遠(yuǎn)不如反向功控。如果基站采用同步CDMA，且選用完全正文擴(kuò)頻碼，理想情況下，基站發(fā)射給每個(gè)移動(dòng)臺(tái)擴(kuò)頻信號(hào)完全正交，則移動(dòng)臺(tái)間的干擾就不存在。因此在單小區(qū)同步碼分時(shí)，前向功控可以不予考慮。但是在實(shí)際的時(shí)變多徑衰落信道中，理想同步是達(dá)不到的，特別是在多小區(qū)情況下，因而前向功率控制也是必要的。如IS-95CDMA系統(tǒng)中，就只采用了快速反向功率控制；CDMA2000則同時(shí)采用了快速前向及反向閉環(huán)功率控制，以進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量和通信質(zhì)量。,2.開(kāi)環(huán)功控與閉環(huán)功控1)開(kāi)環(huán)功控開(kāi)環(huán)功控完全是由移動(dòng)臺(tái)(或基站)自主完成的。移動(dòng)臺(tái)(或基站)根據(jù)下行鏈路(或上行鏈路)接收到的信號(hào)質(zhì)量，對(duì)信道衰落情況進(jìn)行估計(jì)，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)(或基站)接收到的信號(hào)很強(qiáng)時(shí)，表明移動(dòng)臺(tái)與基站之間距離很近，或者是有一個(gè)很好的傳播路徑，這時(shí)移動(dòng)臺(tái)(或基站)可以降低它的發(fā)射功率；相反，增加自身的發(fā)射功率以抵消信道衰落。,開(kāi)環(huán)功控的基礎(chǔ)是建立在上行鏈路與下行鏈路具有一致的信道衰落情況之上的，然而實(shí)際的頻分雙工系統(tǒng)中，上、下行鏈路占用的頻段要相差45MHz以上，它遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于信號(hào)的相關(guān)帶寬。因此，上行鏈路與下行鏈路的信道快衰落是完全獨(dú)立和不相關(guān)的。但是對(duì)于陰影效應(yīng)產(chǎn)生的慢衰落而言，這類信道的不對(duì)稱性的影響相對(duì)小一些。所以開(kāi)環(huán)功控在實(shí)際系統(tǒng)中仍得到采用，主要用來(lái)對(duì)付慢衰落。但是它的控制精度受到信道不對(duì)稱影響，而只能起到粗控的作用。,2)閉環(huán)功控閉環(huán)功控則是由基站與移動(dòng)臺(tái)協(xié)同完成的，一般是指基站根據(jù)在上行反向鏈路上接收到的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)的質(zhì)量，產(chǎn)生功率控制命令，此功率控制命令再由基站通過(guò)前向下行鏈路傳送給各個(gè)移動(dòng)臺(tái)，移動(dòng)臺(tái)根據(jù)此命令在開(kāi)環(huán)所選擇的發(fā)射功率的基礎(chǔ)上，上升或下降一個(gè)固定量，以保持基站接收到的SIR基本相等。,閉環(huán)控制的主要優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，可以起到實(shí)際功控系統(tǒng)中的精控作用，所以它是實(shí)際系統(tǒng)中常采用的主要精控手段。由于從基站發(fā)出控制命令到移動(dòng)臺(tái)執(zhí)行命令改變發(fā)射功率，基站再檢測(cè)接收的移動(dòng)臺(tái)的信號(hào)質(zhì)量，這期間有一段時(shí)延，因而為保證功率控制對(duì)抗快衰落的性能，必須采用快速功率控制技術(shù)，如IS-95CDMA及CDMA2000系統(tǒng)中閉環(huán)功率控制的速率就達(dá)到了800次/秒，同時(shí)功率調(diào)整的步長(zhǎng)精確到1dB。,3.2.9組網(wǎng)技術(shù)1.移動(dòng)通信的工作方式移動(dòng)通信的工作方式根據(jù)通信方向不同可分為單向通信系統(tǒng)和雙向通信系統(tǒng)兩大類。如無(wú)線尋呼系統(tǒng)就是一種只能由尋呼中心向?qū)ず艚邮諜C(jī)(俗稱BB機(jī)、BP機(jī))單方向傳遞信息的單向通信系統(tǒng)；而移動(dòng)電話則是一種可雙方向通話的雙向通信系統(tǒng)。移動(dòng)通信的工作方式也可據(jù)通信時(shí)頻道的使用方式不同分為單工、半雙工和雙工等三種制式。,1)單工制單工制是通信雙方利用按鍵控制收信和發(fā)信的一種方式，任一時(shí)刻用戶只能處于發(fā)信或收信狀態(tài)。當(dāng)A方發(fā)話時(shí)，先按下“收發(fā)控制按鈕”(簡(jiǎn)稱PTT)，這時(shí)A方發(fā)信機(jī)處于發(fā)射狀態(tài)，B方則應(yīng)松開(kāi)PTT處于接收狀態(tài)才能收信。B方回答時(shí)，則應(yīng)B方按下PTT，A方松開(kāi)PTT，B方才能發(fā)話，A方才能收聽(tīng)。單工制又分同頻單工和異頻單工兩種。通信雙方收發(fā)使用同一頻率的稱為同頻單工；收發(fā)使用不同頻率的稱為異頻單工。單工制通信方式如圖3.29所示，圖中括號(hào)內(nèi)的f1或f2為異頻單工。,圖3.29單工制通信方式,這種制式常用于簡(jiǎn)單的專用調(diào)度系統(tǒng)，如公安、部隊(duì)的對(duì)講指揮通信或車輛無(wú)線調(diào)度系統(tǒng)等。,2)雙工制雙工制是通信雙方均可同時(shí)收發(fā)的工作方式，即任一方在發(fā)話的同時(shí)仍能收聽(tīng)對(duì)方的方式，它不必按鍵發(fā)話，像普通電話一樣使用方便。大多數(shù)雙工制系統(tǒng)收發(fā)使用相隔足夠距離的不同頻率工作，稱為頻分雙工(FDD)，如圖3.30所示。模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)、GSM及CDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)等都采用了頻分雙工體制。,圖3.30雙工制通信方式,3)半雙工制半雙工制是指基地臺(tái)采用雙工方式即收發(fā)信機(jī)同時(shí)工作，而移動(dòng)臺(tái)仍采用按鍵發(fā)話的異頻單工制工作，如圖3.31所示。單工、半雙工、雙工制各有其特點(diǎn)，究竟采用哪一種方式應(yīng)根據(jù)不同移動(dòng)通信系統(tǒng)的實(shí)際需要來(lái)選定。,圖3.31半雙工制通信方式,2.大區(qū)制與小區(qū)制一般來(lái)說(shuō)，移動(dòng)通信網(wǎng)的服務(wù)區(qū)域覆蓋方式可分為兩類，一是小容量的大區(qū)制結(jié)構(gòu)，另一是大容量的小區(qū)制結(jié)構(gòu)。1)大區(qū)制由移動(dòng)通信中電波傳播特性可知，一個(gè)基站僅能為一定覆蓋區(qū)內(nèi)的移動(dòng)用戶提供服務(wù)，這樣的覆蓋區(qū)稱為無(wú)線區(qū)。大區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)是指用一個(gè)或者用盡量少的基站來(lái)覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)，如圖3.32所示。,圖3.32大區(qū)制結(jié)構(gòu),大區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)希望用一個(gè)基站來(lái)覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)，因此基站一般都采用較大的發(fā)信功率，如3050W或更高；基站天線一般架設(shè)在服務(wù)區(qū)的中心，高度往往很高，以有效接收移動(dòng)臺(tái)的微弱信號(hào)，盡可能擴(kuò)大服務(wù)區(qū)域，其覆蓋半徑最大可達(dá)3050km。為解決因移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率小、天線低矮而造成的移動(dòng)臺(tái)能收到基站信號(hào)(下行信號(hào))而基站收不到移動(dòng)臺(tái)信號(hào)(上行信號(hào))的問(wèn)題，可在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)設(shè)立若干個(gè)分集接收臺(tái)(如圖3.32所示)，以保證服務(wù)區(qū)內(nèi)的雙向通信質(zhì)量。,大區(qū)制結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建網(wǎng)成本低、控制簡(jiǎn)單，適用于用戶密度不大、通信容量較小的系統(tǒng)，因此這種體制獲得了廣泛的應(yīng)用，如車輛調(diào)度、警察、消防、救護(hù)等通信系統(tǒng)一般都采用大區(qū)制。為解決大區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)系統(tǒng)容量有限、覆蓋有限、頻率利用率低的問(wèn)題，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家提出了小區(qū)制(蜂窩)的概念。,2)小區(qū)制小區(qū)制是將整個(gè)服務(wù)區(qū)劃分成若干個(gè)小無(wú)線區(qū)，每個(gè)小無(wú)線區(qū)分別設(shè)置一個(gè)基站，負(fù)責(zé)與本區(qū)內(nèi)所有移動(dòng)臺(tái)的無(wú)線電通信；同時(shí)設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)移動(dòng)電話交換中心(MSC)，實(shí)現(xiàn)對(duì)這些基站的統(tǒng)一控制與交換接續(xù)，實(shí)現(xiàn)服務(wù)區(qū)內(nèi)移動(dòng)用戶與移動(dòng)用戶、移動(dòng)用戶與固定電話用戶之間的通信聯(lián)絡(luò)，如圖3.33所示。,圖3.33小區(qū)制結(jié)構(gòu),小區(qū)制通過(guò)頻率重復(fù)使用技術(shù)，能夠有效地解決波道數(shù)有限和用戶數(shù)量大的矛盾。小區(qū)制中同一小區(qū)使用相同的頻率組，相鄰小區(qū)使用不同的頻率組，空間相隔幾個(gè)小區(qū)后使用過(guò)的頻率組可重復(fù)使用而互不干擾，這就是頻率復(fù)用。因?yàn)闊o(wú)線區(qū)越小，同頻復(fù)用時(shí)的距離也就越小，這樣一個(gè)較大的服務(wù)區(qū)內(nèi)，同一個(gè)或一組頻率可以被重復(fù)使用的次數(shù)也就越多，這實(shí)際上等效于增加了單位面積上使用的頻道數(shù)，提高了通信區(qū)域的容量密度，從而有效地提高了頻譜利用率。同時(shí)，隨著用戶數(shù)的不斷增加，無(wú)線區(qū)還可以進(jìn)一步劃小(稱為小區(qū)分裂)，進(jìn)一步提高頻譜利用率和系統(tǒng)容量，在一定程度上不斷適應(yīng)用戶數(shù)增長(zhǎng)的需要。,通過(guò)無(wú)線區(qū)的彼此鄰接，小區(qū)制能根據(jù)需要擴(kuò)大移動(dòng)通信網(wǎng)的覆蓋區(qū)域，實(shí)現(xiàn)大區(qū)域(地區(qū)、省、全國(guó)，甚至全球)覆蓋。小區(qū)制移動(dòng)通信系統(tǒng)中，雖然相鄰小區(qū)使用不同信道，但小區(qū)制蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)可以采用位置登記和越區(qū)信道切換、漫游通信等技術(shù)，使移動(dòng)用戶能在很大范圍內(nèi)得到連續(xù)的服務(wù)，并且可通過(guò)聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)國(guó)內(nèi)或國(guó)際漫游。采用小區(qū)制后，單個(gè)基站的服務(wù)半徑不大，這樣基站和移動(dòng)臺(tái)都可以用較小的功率發(fā)信，有利于減小電臺(tái)之間的相互干擾，延長(zhǎng)移動(dòng)臺(tái)電池的持續(xù)工作時(shí)間，如現(xiàn)在移動(dòng)臺(tái)的功率可降到幾百毫瓦。但是，在這種結(jié)構(gòu)中，移動(dòng)用戶在通話過(guò)程中，從一個(gè)小區(qū)轉(zhuǎn)入另一個(gè)小區(qū)的概率增加，移動(dòng)臺(tái)需要經(jīng)常更換工作信道而不引起通話中斷(這個(gè)過(guò)程稱為越區(qū)切換)，由于基站、移動(dòng)臺(tái)數(shù)目眾多，所以造成系統(tǒng)控制交換非常復(fù)雜，建網(wǎng)的成本很高。,從理論上分析，無(wú)線區(qū)越小，頻率利用率越高，用戶容量也越大。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展和移動(dòng)用戶數(shù)目的巨增，無(wú)線區(qū)的半徑也越來(lái)越小，從半徑1km至數(shù)公里的宏小區(qū)，到半徑200300m的微小區(qū)，半徑100m以下的微微小區(qū)也已出現(xiàn)。然而，無(wú)線區(qū)的微小化也會(huì)帶來(lái)一些不利因素，如移動(dòng)臺(tái)在一次通話過(guò)程中越區(qū)的概率將增加，通話中信道切換的頻度增加。所以，對(duì)可能在高速運(yùn)載體上使用的移動(dòng)電話系統(tǒng)，其基站的覆蓋半徑不宜過(guò)小。,小區(qū)半徑過(guò)小還會(huì)使系統(tǒng)的控制接續(xù)復(fù)雜程度大為提高，系統(tǒng)投資也大為增加。城區(qū)中小區(qū)的半徑主要取決于此區(qū)域內(nèi)的用戶密度，當(dāng)用戶密度很高，無(wú)法再通過(guò)小區(qū)裂變來(lái)滿足容量需求時(shí)，可通過(guò)增加新的頻段獲得更多的無(wú)線頻道來(lái)增加系統(tǒng)容量，如目前廣泛使用的GSM網(wǎng)絡(luò)就是使用了900M及1800M兩頻段的雙頻網(wǎng)絡(luò)。目前，公用蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)中基站的覆蓋半徑市區(qū)大約為0.63km，郊區(qū)為36km左右。半徑在200300m的微小區(qū)甚至更小的微微小區(qū)則適用于運(yùn)動(dòng)速度較低的系統(tǒng)，如公用無(wú)繩電話系統(tǒng)。,3.區(qū)域覆蓋小區(qū)制面臨的首要問(wèn)題是如何進(jìn)行無(wú)線服務(wù)區(qū)的劃分。影響無(wú)線區(qū)域劃分的因素有很多，如服務(wù)區(qū)域范圍、用戶數(shù)及容量密度。就目前大多數(shù)移動(dòng)通信網(wǎng)的無(wú)線區(qū)組成來(lái)看，可根據(jù)用戶的區(qū)域分布分為帶狀網(wǎng)和面狀網(wǎng)。帶狀網(wǎng)是指無(wú)線電場(chǎng)強(qiáng)覆蓋區(qū)域呈帶狀，其業(yè)務(wù)范圍要在一個(gè)狹長(zhǎng)的帶狀區(qū)域內(nèi)進(jìn)行，也稱鏈狀網(wǎng)，主要用于鐵路、高速公路和沿江通信，如圖3.34所示。當(dāng)業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域?yàn)槊鏍顣r(shí)，構(gòu)成面狀網(wǎng)，蜂窩移動(dòng)電話網(wǎng)和公用無(wú)繩電話網(wǎng)一般都屬于面狀網(wǎng)。,圖3.34帶狀網(wǎng),1)無(wú)線區(qū)的形狀由于電波傳播和地形地物有關(guān)，因此小區(qū)的劃分應(yīng)根據(jù)環(huán)境和地形條件而定。為了研究方便，假定整個(gè)服務(wù)區(qū)的地形地物相同，并且基站采用全向天線，它的覆蓋區(qū)域大體是一個(gè)圓，即無(wú)線小區(qū)是圓形的。又考慮到用多個(gè)圓形小區(qū)彼此鄰接來(lái)覆蓋整個(gè)區(qū)域時(shí)，圓形小區(qū)之間必然會(huì)有很多重疊區(qū)域。在考慮重疊區(qū)域后，每個(gè)小區(qū)的覆蓋區(qū)域用圓的內(nèi)接正多邊形來(lái)近似，將是實(shí)際的。不難看出由正多邊形彼此鄰接構(gòu)成平面時(shí)，只能是正三角、正方形和正六邊形，如圖3.35所示。,圖3.35小區(qū)的形狀,以上三種圖形比較，正六邊形和圓的近似程度最好，而且用正六邊形彼此鄰接填滿整個(gè)服務(wù)區(qū)所需的正六邊形個(gè)數(shù)最少，見(jiàn)表3.2。換而言之，在其他條件都相同時(shí)，面狀網(wǎng)無(wú)線區(qū)域組成方式以正六邊形為最佳。因此，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中無(wú)線小區(qū)都采用正六邊形。又由于正六邊形相鄰排列的布局結(jié)構(gòu)與蜂窩很相似，所以采用小區(qū)制的移動(dòng)電話系統(tǒng)又被稱作蜂窩(房)移動(dòng)電話系統(tǒng)。,表3.2三種小區(qū)形狀的比較,2)單位無(wú)線區(qū)群小區(qū)制移動(dòng)通信系統(tǒng)提高頻譜利用率和系統(tǒng)容量的關(guān)鍵在于頻率復(fù)用。蜂窩移動(dòng)電話系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用正六邊形作為覆蓋服務(wù)區(qū)的最小單元，由若干個(gè)正六邊形無(wú)線區(qū)彼此鄰接排布，構(gòu)成單位無(wú)線區(qū)群，再由若干無(wú)線區(qū)群彼此鄰接排布構(gòu)成整個(gè)服務(wù)區(qū)。為了防止同頻干擾，構(gòu)成單位無(wú)線區(qū)群中的各個(gè)無(wú)線區(qū)不能使用相同的無(wú)線信道，在不同的無(wú)線區(qū)群中相同的無(wú)線信道則可重復(fù)使用，如圖3.36所示，圖中數(shù)字為使用的頻率組的編號(hào)。,圖3.36單位無(wú)線區(qū)群TACS系統(tǒng)7小區(qū)無(wú)線區(qū)群；(b)GSM系統(tǒng)4小區(qū)無(wú)線區(qū)群,設(shè)一蜂窩系統(tǒng)有S個(gè)可用的雙向信道。該系統(tǒng)每個(gè)區(qū)群有N個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)分配K個(gè)信道(KS)，也就是說(shuō)該系統(tǒng)有N個(gè)信道組，每個(gè)信道組有K個(gè)信道。由此可知：S=KN如果區(qū)群(簇)在系統(tǒng)中復(fù)制了M次，則雙向信道的總數(shù)C可以作為容量的一個(gè)度量，故有C=MKN=MS由上式可以看出，通過(guò)采用小區(qū)制頻率復(fù)用，系統(tǒng)的容量大大提高了。N減小，同頻小區(qū)間的間隔可以更近，覆蓋同樣大小的地理區(qū)域，區(qū)群數(shù)M增加，從而使容量C增大。因此，N越小越好。但間隔近了同頻道干擾也就增強(qiáng)了，故無(wú)線區(qū)群中小區(qū)數(shù)目N的值必須在頻率利用率與系統(tǒng)性能間進(jìn)行折中。,3)中心激勵(lì)與頂點(diǎn)激勵(lì)如果基地臺(tái)位于小區(qū)的中心，采用全向天線，在理想情況下小區(qū)的覆蓋區(qū)域是一個(gè)圓形，這稱為“中心激勵(lì)”方式，如圖3.37(a)所示。若在每個(gè)蜂窩的相間的三個(gè)角頂點(diǎn)上設(shè)置基地臺(tái)，并采用三個(gè)互成120的扇形定向天線，同樣能夠?qū)崿F(xiàn)小區(qū)覆蓋，這稱為“頂點(diǎn)激勵(lì)”激勵(lì)方式，如圖3.37(b)所示。,圖3.37無(wú)線區(qū)的激勵(lì)方式(a)中心激勵(lì)；(b)頂點(diǎn)激勵(lì),由于“頂點(diǎn)激勵(lì)”方式采用定向天線，對(duì)來(lái)自120主瓣以外的同信道干擾信號(hào)而言，天線的方向性能提供一定的隔離度，降低了同信道的干擾。假設(shè)采用7小區(qū)復(fù)用，對(duì)于120扇區(qū)，第一層的干擾源數(shù)目由6下降到2。這是因?yàn)?個(gè)同頻小區(qū)中只有2個(gè)能接收到相應(yīng)信道組的干擾，參見(jiàn)圖3.38?？紤]在標(biāo)有“5”的中心小區(qū)的右邊扇區(qū)的移動(dòng)臺(tái)所受到的干擾，在中心小區(qū)的右邊有3個(gè)標(biāo)“5”的同頻小區(qū)的扇區(qū)，3個(gè)在左邊。,圖3.38定向小區(qū)的干擾,在這6個(gè)同頻小區(qū)中，只有2個(gè)小區(qū)輻射的信號(hào)能進(jìn)入中心小區(qū)，因此，中心小區(qū)的移動(dòng)臺(tái)只會(huì)受到來(lái)自這兩個(gè)小區(qū)的前向鏈路的干擾。倘若不采用定向小區(qū)，則中心小區(qū)將受到周邊全部6個(gè)同頻小區(qū)的干擾。同頻干擾的降低，可以降低同頻復(fù)用的距離，增加頻率復(fù)用的次數(shù)，所以頂點(diǎn)激勵(lì)能進(jìn)一步提高頻譜的利用率。,4)小區(qū)的分裂以上的分析是假設(shè)整個(gè)服務(wù)區(qū)的用戶密度是均勻分布的，所以無(wú)線覆蓋區(qū)的半徑是相同的，每個(gè)無(wú)線區(qū)分配的信道數(shù)也是相同的。但是在實(shí)際的移動(dòng)通信網(wǎng)中，各地區(qū)的用戶密度通常是不均勻的，例如，用戶密度市區(qū)比郊區(qū)高，而商業(yè)地帶比城市其他地區(qū)高。因此，小區(qū)的服務(wù)半徑的大小應(yīng)該由該小區(qū)的用戶密度來(lái)確定，所以一個(gè)城市的各個(gè)小區(qū)并不一樣大，用戶密度較低的郊區(qū)小區(qū)半徑較大，用戶密度高的市區(qū)和市中心小區(qū)半徑則小一些。,移動(dòng)電話網(wǎng)在建網(wǎng)初期無(wú)線小區(qū)的半徑可以較大一些，隨著用戶數(shù)的不斷增長(zhǎng)，原有無(wú)線小區(qū)的用戶密度上升，話務(wù)阻塞率增高，服務(wù)等級(jí)下降，此時(shí)就可以采用小區(qū)分裂的方法進(jìn)行擴(kuò)容，即將原有無(wú)線區(qū)一分為三或一分為四。由于新的小區(qū)半徑縮小，整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)區(qū)的小區(qū)數(shù)增多，頻率復(fù)用次數(shù)增加，系統(tǒng)的容量就可以大大增加了，如圖3.39所示。從理論上說(shuō)，通過(guò)小區(qū)的多次分裂，系統(tǒng)的容量是無(wú)限制的，但小區(qū)的最小半徑受到移動(dòng)電話交換機(jī)處理越區(qū)信道切換能力的限制，同時(shí)基站越多，系統(tǒng)的投資也越高，所以移動(dòng)電話小區(qū)的半徑通常在11.5km左右。,圖3.39小區(qū)裂變,4.多波道共用移動(dòng)通信系統(tǒng)中，為保證一定的用戶容量，基站的無(wú)線頻道數(shù)往往不止一個(gè)，這多個(gè)無(wú)線信道在眾多用戶間如何有效分配，是移動(dòng)通信組網(wǎng)要研究的一個(gè)問(wèn)題。移動(dòng)通信信道的分配有固定信道分配和動(dòng)態(tài)信道分配兩種方式。(1)固定信道分配。固定信道分配方式是將系統(tǒng)內(nèi)的n個(gè)用戶分成m個(gè)組，每組的n