無(wú)線通信基本原理

1、. 無(wú)線通信基本原理 1.無(wú)線電波傳播的基礎(chǔ)理論 2.移動(dòng)通信基本原理 .1.1.無(wú)線電波傳播的基礎(chǔ)理論無(wú)線電波傳播的基礎(chǔ)理論.無(wú)線傳播基本原理電波傳播方式： Free- space propagati onSi gnal strength decreasesexponenti al l y wi th di stancespecul ar refl ecti ondi ffuse refl ecti on Refl ecti onSpecul ar Refl ecti onam pl i tude: A - *A ( - pol ari sati on: m ateri al dependa

2、nt phase shi ftDi ffuse Refl ecti on.am pl i tude: A - *A ( random phasepol ari sati on : randomD .無(wú)線傳播基本原理電波傳播方式： Absor pt i onheavy ampl i t udeat t enuat i on mat er i aldependant phase shi f t sdepol ar i sat i on Di f f r act i onwedge- modelkni f e edgemul t i pl e kni f e edgesAA - 5.30 dB .無(wú)

3、線傳播基本原理頻譜劃分 通常無(wú)線電波所指的是從極低頻10KHz到極超高頻的頂點(diǎn)300GHz（Giga Hertz）。通常劃分成八個(gè)區(qū)域，參看下表：符號(hào)(中譯名)頻率范圍相當(dāng)米制劃分VLF(甚低頻)3至30kHz萬(wàn)米波LF(低頻)30到300kHz千米波MF(中頻)300至3 000kHz百米波HF(高頻)3至30MHz十米波VHF(甚高頻)30至300MHz米波UHF(超高頻)300至3000MHz分米波(十分之一米波)SHF(特高頻)3至30GHz厘米波(百分之一米波)EHF(極高頻)30至300GHz毫米波(千分之一米波).移動(dòng)通信系統(tǒng)中頻段的劃分為：移動(dòng)通信系統(tǒng)中頻段的劃分為：E-GSM

4、900GSM1800CDMA-800885-915MHz(MS)1710-1755MHz(MS)825-835MHz (MS)930-960MHz(BS)1805-1850MHz(BS)870-880MHz (BS)3G-FDD3G-TDD1920-1980MHz (MS)1880-1920MHz 2110-2170MHz (BS)2010-2025MHz 由上表可以看出移動(dòng)通信頻段位于由上表可以看出移動(dòng)通信頻段位于UHF頻段范圍內(nèi)，是以頻段范圍內(nèi)，是以空間波的方式進(jìn)行傳輸?shù)?。空間波的方式進(jìn)行傳輸?shù)?。無(wú)線傳播基本原理頻譜劃分.無(wú)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

5、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(guò)直達(dá)路徑，而是通過(guò)許多其他路徑完成的。.無(wú)線傳播基本原理傳播途徑（多徑）時(shí)間接收信號(hào)強(qiáng)度發(fā)射信號(hào).無(wú)線傳播環(huán)境信號(hào)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?chǎng)強(qiáng)度概率函數(shù)是服從瑞利分布，也稱(chēng)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

6、，衰落的振幅、相位、角度隨機(jī)。.無(wú)線傳播環(huán)境信號(hào)衰落快衰落.無(wú)線傳播環(huán)境信號(hào)衰落 慢衰落： 移動(dòng)臺(tái)接收的信號(hào)除瞬時(shí)出現(xiàn)快速瑞利衰落外，其場(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)中值服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。電波傳播路徑上遇有高大建筑物、樹(shù)林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會(huì)產(chǎn)生電磁場(chǎng)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。.無(wú)線傳播環(huán)境信號(hào)衰落慢衰落.無(wú)線傳播環(huán)境信號(hào)衰落距離距離(m)接收功率接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落慢衰落快衰落快衰落 總的來(lái)說(shuō)，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

7、反射、散射而產(chǎn)生的短期衰落；第二種是直接可見(jiàn)路徑產(chǎn)生的主要信號(hào)強(qiáng)度的緩慢變化，即長(zhǎng)期場(chǎng)強(qiáng)變化。也就是說(shuō)，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并疊加有信號(hào)幅度滿足對(duì)數(shù)正態(tài)分布的慢衰落。.無(wú)線傳播環(huán)境信號(hào)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。.無(wú)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(hào)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(hào)減小，這種信號(hào)減小稱(chēng)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

8、時(shí)，自由空間的路徑損耗增加6dB(信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)衰減4倍）。)log(20)log(204 .32kmMHzpdfL.無(wú)線傳播環(huán)境傳播損耗 當(dāng)已知頻率f還可以簡(jiǎn)化上式： 式中2。稱(chēng)為路徑損耗傾斜因子。在實(shí)際的信號(hào)空間傳播中，地形、信號(hào)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)境下的取值范圍：)log(100kmpdLL環(huán)境路徑損耗傾斜因子自由空間2市區(qū)蜂窩環(huán)境2.73.5市區(qū)陰影蜂窩環(huán)境35室內(nèi)視距1.61.8室內(nèi)非視距46.無(wú)線傳播環(huán)境傳播損耗25 dB/dec30 dB/dec20 dB/dec40 .50 dB/decpath loss. 電波傳播受地形結(jié)構(gòu)和人為環(huán)境的影響，

9、無(wú)線傳播環(huán)境直接決定無(wú)線傳播方式。影響無(wú)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(wú)線傳播環(huán)境傳播損耗.無(wú)線傳播模型和校正 隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)通信質(zhì)量要求的提高，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、覆蓋預(yù)測(cè)已不可能靠手工運(yùn)算來(lái)完成。通過(guò)計(jì)算機(jī)應(yīng)用傳播模型就能夠很好的解決這一問(wèn)題。通過(guò)模型進(jìn)行預(yù)測(cè)能夠得到誤差在10dB以內(nèi)的路徑損耗的本地均值。 移動(dòng)通信中用到的傳播模型有很多,常見(jiàn)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。.無(wú)線傳播模型和校正PlaN

10、ET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

11、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.無(wú)線傳播模型和校正 傳播模型用于預(yù)測(cè)地形、障礙物及人為環(huán)境對(duì)傳播模型用于預(yù)測(cè)地形、障礙物及人為環(huán)境對(duì)無(wú)線電波傳播中路徑損耗的影響。無(wú)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、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。費(fèi)用和時(shí)間。.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.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(duì)

12、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。.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(lái)信道組（f1,f2.fn)不能滿足需要，采用的辦法是頻率復(fù)用.蜂窩理論 網(wǎng)絡(luò)無(wú)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。.蜂窩理論.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.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)MSBTSBTSBSCBSSOMCMSC/VLRNMCEIRHLR/AUCDPPSPCSSEMCOSSPSTNISDNPDNNSS.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

13、.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)BTSBSCMSC/VLRBSC其它其它MSCBTSBTSBTSA接口接口Abis接口接口Um接口接口1:鑒權(quán)2:確認(rèn)3:登記4:業(yè)務(wù)權(quán)限HLR/AC.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3G.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3G 功能上，3G網(wǎng)絡(luò)單元可以分為無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)（Radio Access Network，RAN）和核心網(wǎng)（Core Network，CN）。 其中無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)用于處理所有與無(wú)線有關(guān)的功能，而CN處理UMTS系統(tǒng)內(nèi)所有的語(yǔ)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（User Equipent，UE）一起構(gòu)成了整個(gè)UMTS系統(tǒng)。.網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)3G.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

14、術(shù)四、概念辨析.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。. 傳統(tǒng)多址技術(shù)傳統(tǒng)多址技術(shù)時(shí)間頻率FDMA頻率時(shí)間TDMAFDMA：Frequency Division Multiple Access頻分多址TDMA：Time Division Multiple Access時(shí)分多址. 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(méi)有使用

15、，并且處于空閑狀態(tài)，它不能被其他用戶使用。在分配成語(yǔ)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(jiǎn)單，同步和組幀比特少，系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)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. 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(tīng)其他基站，實(shí)現(xiàn)切換處理即使使用FDD方式也無(wú)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)

16、據(jù)中信息所占的百分比質(zhì)量控制通過(guò)頻率規(guī)劃來(lái)實(shí)現(xiàn). CDMA：Code Division Multiple Access 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)信道得業(yè)務(wù)信道.SDMA(Space Division Multiple Access)：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(hào)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。MSMSMS

17、BTS.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.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=nT/3600 系統(tǒng)忙時(shí)話務(wù)量（A）表示系統(tǒng)的繁忙程度，又稱(chēng)話務(wù)負(fù)荷，單位為愛(ài)爾蘭Erlang，用符號(hào)Erl表示。T以秒為單位。.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(lái)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(wú)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(jí)所必須的。 .話務(wù)量

18、概念?lèi)?ài)爾蘭B表 在話務(wù)理論中，愛(ài)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)MN。 2、單位時(shí)間內(nèi)的呼叫次數(shù)與系統(tǒng)的用戶數(shù)無(wú)關(guān)，是一個(gè)獨(dú)立常數(shù)。 3、用戶發(fā)出呼叫后，沒(méi)有空閑信道則放棄呼叫要求。 4、通話時(shí)間長(zhǎng)度的概率分布服從指數(shù)規(guī)律。.話務(wù)量概念?lèi)?ài)爾蘭B表 對(duì)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:Grade of service)，即 PN=(AN/N!)/(

19、Ai/i!)=B i從1到N 上式稱(chēng)為愛(ài)爾蘭公式.話務(wù)量概念?lèi)?ài)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(ài)爾蘭B表。在愛(ài)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。.話務(wù)量概念?lèi)?ài)爾蘭B表.b) dB概念介紹dBmdBm是一個(gè)考征功率絕對(duì)值的值，計(jì)算公式是一個(gè)考征功率絕對(duì)值的值，計(jì)算公式為：為：10lgP10lgP（功率值（功率值/1mw/1mw）。）。 dBi dBi 和和dBddBddBidBi和和dBddBd是考征增益的值（功率增益），是考征增益的值（功率增益），兩者都是一個(gè)相對(duì)值，

20、兩者都是一個(gè)相對(duì)值， 但參考基準(zhǔn)不一樣。但參考基準(zhǔn)不一樣。dBidBi的參考基準(zhǔn)為全方向性天線，的參考基準(zhǔn)為全方向性天線，dBddBd的參的參考基準(zhǔn)為偶極子，所以兩者略有不同。一考基準(zhǔn)為偶極子，所以兩者略有不同。一般認(rèn)為，表示同一個(gè)增益，用般認(rèn)為，表示同一個(gè)增益，用dBidBi表示出來(lái)表示出來(lái)比用比用dBddBd表示出來(lái)要大表示出來(lái)要大2. 152. 15。dBdB是一個(gè)表征相對(duì)值的值，當(dāng)考慮甲的功是一個(gè)表征相對(duì)值的值，當(dāng)考慮甲的功率相比于乙功率大或小多少個(gè)率相比于乙功率大或小多少個(gè)dBdB時(shí)，按下時(shí)，按下面計(jì)算公式：面計(jì)算公式：10lg10lg（甲功率（甲功率/ /乙功率）乙功率）-30 d

21、Bm = 1 mW-20 dBm = 10 mW-10 dBm = 100 mW-7 dBm = 200 mW-3 dBm = 500 mW 0 dBm = 1 mW+3 dBm = 2 mW+7 dBm = 5 mW+10 dBm = 10 mW+13 dBm = 20 mW+20 dBm = 100mW+30 dBm = 1 W+40 dBm = 10W+50 dBm = 100W.b) dB概念介紹dBmdBm是一個(gè)考征功率絕對(duì)值的值，計(jì)算公式是一個(gè)考征功率絕對(duì)值的值，計(jì)算公式為：為：10lgP10lgP（功率值（功率值/1mw/1mw）。）。 dBi dBi 和和dBddBddBidBi和和dBddBd是考征增益的值（功率增益），是考征增益的值（功率增益），兩者都是一個(gè)相對(duì)值，兩者都是一個(gè)相