移動通信無線基礎(chǔ)知識

無線基礎(chǔ)知識教材

目錄一 基礎(chǔ)知識與基本概念 -4-.1. 第一代移動通信系統(tǒng)及其主要特點。 -4-.2. 第二代移動通信系統(tǒng)及其主要特點 -4-.3. 第三代移動通信系統(tǒng)及其主要特點 -4-.4. 何謂“雙工”方式？何謂“多址”方式？ -4-.5. 發(fā)信功率及其單位換算 -5-.6. 接收機的熱噪聲功率電平（底噪） -5-.7. 接收機靈敏度 -6-.8. 信噪比、帶寬和信道容量——香農(nóng)定律 -7-.9. 電場強度、電壓及功率電平的換算 -7-.10. MIMO（多入多出）技術(shù) -8-.11. 智能天線是怎么回事？ -8-.12. 載頻間隔，發(fā)射（調(diào)制）帶寬和接收（噪聲）帶寬 -8-二 電波傳播基礎(chǔ)理論 -9-.13. 陸地移動通信中無線電波傳播的主要特點 -9-.14. 路徑（中值）損耗 -9-.15. 快衰落遵循什么分布規(guī)律？基本特征和克服方法。 -9-.16. 慢衰落遵循什么分布規(guī)律？基本特征及對工程設(shè)計參數(shù)的影響？ -10-.17. 移動通信中的多普勒頻移 -10-.18. 遠(yuǎn)近效應(yīng)及其克服方法 -11-.19. 什么是自由空間的傳播模式？ -11-.20. 2G系統(tǒng)的宏小區(qū)傳播模式 -11-.21. 3G系統(tǒng)的宏小區(qū)傳播模式 -12-.22. 微小區(qū)傳播模式 -12-.23. 室內(nèi)傳播模式 -15-.24. 為什么有時會收到很遠(yuǎn)的基站發(fā)射的電波 -15-.25. 信號中值電平及其統(tǒng)計特性 -16-.26. 接收靈敏度、最低功率電平和無線覆蓋區(qū)邊緣位置百分比的關(guān)系 -17-.27. 無線覆蓋區(qū)邊緣位置百分比和無線覆蓋區(qū)整區(qū)位置百分比的關(guān)系 -18-.28. 全鏈路平衡和最大允許路徑損耗 -19-三 室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)與器件相關(guān)概念介紹 -21-.29. 什么是室內(nèi)覆蓋系統(tǒng) -21-.30. 天線的定義及主要功能 -22-.31. 天線增益 -22-.32. 主瓣、副瓣和定向天線的前后比 -22-.33. 何謂“分集”？ -22-.34. 功分器 -24-.35. 定向耦合器 -24-.36. 3dB電橋 -25-.37. 濾波器 -25-.38. 頻段合路器 -25-.39. 應(yīng)用功能對比：頻段合路器ＶＳ電橋ＶＳ功分器 -26-22-23-基礎(chǔ)知識與基本概念第一代移動通信系統(tǒng)及其主要特點近代的陸地移動通信系統(tǒng)，也稱為蜂窩移動通信系統(tǒng)；自80年代起，已歷經(jīng)三代。第一代的主要特點是利用模擬傳輸方式實現(xiàn)話音業(yè)務(wù)，以AMPS（美國、南美洲）、TACS（英國、中國）和NMT（北歐）為代表。主要商用時間從80年代初開始到90年代前期。它的主要特點是：模擬話音直接調(diào)頻；多信道共用和頻分多址接入方式；頻率復(fù)用的蜂窩小區(qū)組網(wǎng)方式和越區(qū)切換；無線信道的隨機變參特征使無線電波受多徑快衰落和陰影慢衰落的影響環(huán)境噪聲和多類電磁干擾的影響；無法與固定網(wǎng)迅速向數(shù)字化推進(jìn)相適應(yīng)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)很難開展；安全保密性差，易被“竊聽”，易被“仿制燒號”。第二代移動通信系統(tǒng)及其主要特點第二代蜂窩移動通信系統(tǒng)以數(shù)字傳輸方式實現(xiàn)話音和低速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以GSM,IS-95CDMA為主;PHS為輔。主要商用時間從90年代中期開始到現(xiàn)在。它的主要特點是：低速率話音編碼技術(shù)和數(shù)字調(diào)制；每載波多路、時分多址或碼分多址接入；Rake接收機和自適應(yīng)均衡技術(shù)；與固定網(wǎng)向數(shù)字化推進(jìn)相適應(yīng)，具有中低速數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)能力；先進(jìn)的開放的技術(shù)規(guī)范（如A接口和U接口），有利于形成既競爭又相互促進(jìn)的機制；安全保密性強，不易“竊聽”，不易“仿制”；有利于大規(guī)模集成。第三代移動通信系統(tǒng)及其主要特點第三代蜂窩移動通信系統(tǒng)以更高速的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)和更好的頻譜利用率為目標(biāo)，采用寬帶CDMA為主流技術(shù)，目前已形成兩類三種空中接口標(biāo)準(zhǔn)，即WCDMA-FDD（簡稱WCDMA）、WCDMA-TDD（簡稱TD-SCDMA）和CDMA2000。它的主要特點是：新型的調(diào)制技術(shù)，包括多載波調(diào)制和可變速率調(diào)制技術(shù)；高效的信道編譯碼技術(shù)，除了沿用第二代的卷積碼外，還對高速數(shù)據(jù)采用了Turbo糾錯編碼技術(shù)；Rake接收多徑分集技術(shù)以提高接收靈敏度和實現(xiàn)軟切換；軟件無線電技術(shù)易于多模工作；智能天線技術(shù)有利于提高載干比；多用戶檢測技術(shù)以消除和降低多址干擾；可與固定網(wǎng)中的電路交換和分組交換網(wǎng)很好地相適應(yīng)，滿足各類用戶對話音及高、中、低速率數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求。何謂“雙工”方式？何謂“多址”方式？“雙工”（Duplexer）是相對于“單工”而言的收發(fā)信機工作方式。在無線對講（集群）電話問世之初，由于技術(shù)及成本因素，發(fā)信機采用了“按下講話”的方式，即有一個通話按鈕，按下時表示發(fā)信，放開時才能接收，也就是說，此種通話方式不能像固定電話那樣同時收發(fā)，故稱之為“單工”。而技術(shù)的進(jìn)步和制造成本的下降，使雙工濾波器能夠滿足各類工作頻段的使用要求，從而使無線對講電話也能像固定電話那樣同時接收和發(fā)送，不需要在講話時按下按鈕,這種通話方式就是“雙工”方式。當(dāng)收信和發(fā)信采用一對頻率資源時，稱為“頻分雙工”（FDD）；而當(dāng)收信和發(fā)信采用相同頻率僅以時間分隔時稱為“時分雙工”（TDD）。“多址”（MultiAccess）是指在多信道共用系統(tǒng)中，終端用戶選擇通信對象的傳輸方式，在蜂窩移動通信系統(tǒng)中，用戶可以通過選擇“頻道”、“時隙”或“PN碼”等多種方式進(jìn)行選址，它們分別對應(yīng)地被稱為“頻分（FrequencyDivision）多址”、“時分（TimeDivision）多址”和“碼分（CodeDivision）多址”，簡稱FDMA、TDMA和CDMA.發(fā)信功率及其單位換算通常發(fā)信機功率單位為“瓦特”（W），它也可以表示為dBW，即以1W為基準(zhǔn)的功率分貝值，即Pt（dBW）=10lg為了便于計算，發(fā)信功率單位也可用“毫瓦”（mW）表示，同樣，它也可以表示為dBmW（簡寫為dBm），即以1mW為基準(zhǔn)的功率分貝值，即：Pt（dBm）=10lg而因為1W=1000mW所以1dBW=30dBm接收機靈敏度無線接收機的靈敏度是接收弱信號能力的量度，通常用v、dBv、dBmW表示；接收機的靈敏度是一個系統(tǒng)指標(biāo),它不僅取決于接收機射頻通道的性能(噪聲系數(shù)和帶寬),而且與基帶單元的解調(diào)性能(門限及算法)有關(guān).;外加噪聲對接收機的影響主要是在射頻通道引入了一個加性白噪聲.接收機的靈敏度指標(biāo)標(biāo)稱值通常是在靜態(tài)（實驗室屏蔽房內(nèi)）條件下，為獲得規(guī)定的終端通話質(zhì)量（如C/N=18dB或FER=1×10等），在接收機輸入端輸入的電壓電平（v和dBv）或功率電平（dBm）。三階互調(diào)干擾當(dāng)收信機在接收有用信號的同時收到二個或二個以上具有特殊頻率關(guān)系的無用信號時，由于收信機前端電路的非線性，當(dāng)無用信號足夠大時，也將產(chǎn)生互調(diào)干擾響應(yīng)。如圖，特殊頻率關(guān)系是指兩者間隔相等（f）。當(dāng)然f的大小可以使無用信號在通帶內(nèi)或通帶外都可以產(chǎn)生干擾響應(yīng)，而且無用信號無論是已調(diào)或未調(diào)的都可構(gòu)成三階互調(diào)干擾響應(yīng)。收信機的三階互調(diào)干擾相應(yīng)將折算為同頻干擾處理，其產(chǎn)物也應(yīng)滿足系統(tǒng)組網(wǎng)所要求的載干比（例如G網(wǎng)為12dB）。我們可以列出2G和3G各系統(tǒng)之間的可能產(chǎn)生的三階互調(diào)干擾頻率組合表。2G/3G三階互調(diào)干擾頻率組合表NO第一干擾信號（DL/TX）第二干擾信號（DL/TX）第三干擾信號（DL/TX）被干擾接收頻率（UL/RX）1C800G1800(M)G1800(U)C8002C800G1800(U)PHSC8003G900(M)G1800(M)PHSC8004C800G1800(M)G1800(U)G900(M/U)5G900(M/U)G1800(M)G1800(U)G900(M/U)6G900(M)G1800(U)PHSG900(M)7C800G900(U)G1800(M)G1800(M)8C800G900(M)G1800(M)G1800(U)9C800G900(U)G1800(U)G1800(U)10G1800(M)G1800(U)PHSG1800(U)11C800G900(U)G1800(M)PHS12C800G900(M)G1800(U)PHS13C800G900(M/U)G1800(U)WCDMA(1920～1940)14C800G900(M)PHSWCDMA(1955～1980)15G1800(M)G1800(U)PHSWCDM(1920～1955)16G1800(M)PHSG1800(M)17G1800(U)PHSWCDMA(1950～1980)例一：表中第四項為三階II型互調(diào)第一干擾信號，C800下行：870~880MHz第二干擾信號，G1800（M）下行：1805~1820MHz第三干擾信號，G1800（U）下行：1840~1850MHz可計算得：1850-1805+870=915MHz1840-1820+880=900MHz1840-1820+870=890MHz等被干擾接收頻率恰巧位于G900（M/U）整個上行頻段（890~915MHz）內(nèi)。例二：表中第六項也為三階II型三個干擾信號分別為：G900（M）下行：935~954MHzG1800（U）下行：1840~1850MHzPHS：1890~1910MHz而935-(1890-1850)=895MHz954-(1900-1850)=904MHz恰與G900(M)上行頻段890~909MHz相同。例三：表中第16項為三階I型二個干擾信號分別為G1800（M）下行：1805~1820MHzPHS：1890~1910MHz而2×1805-1900=1710MHz2×1815-1905=1725MHz恰與G1800(M)上行頻段1710~1725MHz重疊。三階互調(diào)干擾的特點三階互調(diào)干擾的第一個特點是將發(fā)信頻譜擴(kuò)大了三倍。如G網(wǎng)，基站發(fā)信頻段為935～960MHz(25MHz帶寬)則因為：可見，其可能的三階互調(diào)產(chǎn)物帶寬為75MHz，是主信號頻段的三倍，由此可見，系統(tǒng)工作頻帶愈寬，互調(diào)干擾的危害性也越大，據(jù)此特點，我們在分析互調(diào)干擾時，應(yīng)該按運營商的實際工作頻段來分析，而不應(yīng)將該網(wǎng)的整個頻段為基礎(chǔ)來分析。如對G網(wǎng)，我們應(yīng)將其拆分為G900（M）和G900(U)來分析，前者下行發(fā)信為935~954MHz,而后者下行發(fā)信為954~960MHz。據(jù)此，我們在上題中列出2G和3G各系統(tǒng)之間的可能產(chǎn)生的三階互調(diào)干擾頻率組合表。三階互調(diào)干擾的第二個特點是三階互調(diào)產(chǎn)物以三倍（dB）數(shù)增加，在功放特性曲線的線性段內(nèi)，當(dāng)輸入信號增加XdB時，輸出信號也增加XdB；而三階互調(diào)產(chǎn)物卻增加了3XdB,信號與三階互調(diào)產(chǎn)物相對電平則應(yīng)增加2XdB。在工程上，對互調(diào)產(chǎn)物的量化表示有多種簡稱，可以歸納為：－IMP3或IP3：指三階互調(diào)產(chǎn)物的絕對值電平（dBm），通常應(yīng)標(biāo)明測試功率，如果未標(biāo)明，則指1dB壓縮點處的互調(diào)電平。－IM3：指三階互調(diào)產(chǎn)物的相對電平（dBc），即功率與互調(diào)產(chǎn)物的相對電平差。－OIP3：指截獲點的互調(diào)產(chǎn)物電平（dBm）Po：即額定輸出功率（dBm）這里，還必須強調(diào)指出的是，任何互調(diào)產(chǎn)物的電平與輸出功率密切相關(guān)，所以互調(diào)指標(biāo)必須標(biāo)明測試功率，反之，一旦知道某功率電平下的互調(diào)產(chǎn)物，就可以對該放大器的非線性程度一目了然。三階互調(diào)干擾的第三個特點是互調(diào)產(chǎn)物對接收系統(tǒng)的影響應(yīng)按被干擾系統(tǒng)的多址方式?jīng)Q定。當(dāng)被干擾系統(tǒng)是頻分多址和時分多址系統(tǒng)時，三階互調(diào)產(chǎn)物應(yīng)按同頻干擾保護(hù)比要求來滿足，即：對于G網(wǎng)，應(yīng)至少比信號低12dB(無跳頻時)對于PHS網(wǎng)，應(yīng)至少比信號低17dB。如果被干擾系統(tǒng)是碼分多址系統(tǒng)，則其三階互調(diào)產(chǎn)物也應(yīng)滿足被干擾系統(tǒng)的最大干擾容限的要求，即噪聲惡化不大于0.8dB為準(zhǔn)。來自工，科，醫(yī)等非無線電設(shè)備的干擾：此類非無線電設(shè)備的干擾大多產(chǎn)生帶外寬帶噪聲或強信號阻塞，可與（b）種情況合并討論。dBc與dBm在第6題中，我們已經(jīng)闡明了dBm或dBW都是用分貝數(shù)表示的絕對功率電平值，它以1mW或1W功率電平為基準(zhǔn)。通常，發(fā)信機的雜散輻射，鄰道輻射和互調(diào)輻射功率電平可以用絕對值（dBm）來表示，也可以用相對值（dBc）來表示。例如：某發(fā)信機額定功率電平為30dBm，其雜散輻射電平為-70dBc，且絕對值不應(yīng)大于-36dBm，該項指標(biāo)表明：雜散輻射絕對電平為30dBm-70dB=-40dBm且滿足絕對值不大于-36dBm的要求。又如：GSM與PHS系統(tǒng)的發(fā)射功率與下行雜散輻射功率如下表所示GSMPHS下行發(fā)射功率+43dBm+36dBm下行雜散輻射≤1GHz–36dBm帶內(nèi)–103dBm＞1GHz–30dBm-90dBc表明：GSM的下行雜散輻射功率在≤1GHz頻段內(nèi)為–36dBm，在＞1GHz頻段內(nèi)為–30dBm，相對于載波功率，也可分別表示為-79dBc和-73dBc，而PHS則用相對功率電平表示為-90dBc，計算時可以折成絕對電平：+36dBm-90dBc=-54dBm。信噪比、帶寬和信道容量——香農(nóng)定律香農(nóng)（shannon）信道容量公式可以用來論證信噪比，信道帶寬和信道容量之間的關(guān)系，即：式中，C是給定信號速率條件下的最大容量B是傳輸帶寬Pr為載頻功率，它是距離d的函數(shù)N為接收機射頻輸入端的噪聲功率由于Pr隨距離d的增大而降低；故信道容量也將隨著距離d的增大而減小。對于G網(wǎng)，當(dāng)載/噪比為12dB時，其最大信號速率應(yīng)為而同樣的信號速率，對于傳輸帶寬已擴(kuò)頻至1.2288MHz的IS-95C網(wǎng)而言，其載噪比可以低至-6dB。通常香農(nóng)公式中的噪聲是指高斯白噪聲。香農(nóng)公式告訴我們，當(dāng)傳輸帶寬與載噪比確定以后，能傳輸?shù)淖畲笮盘査俾室簿痛_定，因而限制了信道容量。若要增加信道容量，則可以增加傳輸帶寬或者提高載噪比來達(dá)到。電場強度、電壓及功率電平的換算電場強度（E）是指長度為1米的天線所感應(yīng)到的電壓，以v/m、v/m、dBv/m計，對半波偶極天線而言，其有效長度為，故其感應(yīng)的電壓e為：e=E（v）式中：E為電場強度（v/m），為波長（m）由于半波偶極天線的特性阻抗是73.13，而移動通信接收機的輸入阻抗通常為50，因此，接收機的輸入開路電壓A=e=E若以dBv計，則：A（dBv）=E（dBv/m）+20lg－1.65=E+20lg－11.6例如：對于900MHz頻段，=0.33m，當(dāng)采用半波偶極天線時，輸入電壓A與接收場強E之間的關(guān)系為：A（dBv）=E（dBv/m）-21.33若采用其他增益天線，只需加上該天線相對于半波偶極天線的增益G即可對于移動通信系統(tǒng)，按慣例是以電動勢（開路電壓）作為靈敏度指標(biāo)值。因此，其電壓與功率的換算應(yīng)為：P=當(dāng)R=50時Pi=A－137（dBW）或=A－107（dBm）。智能天線是怎么回事？智能天線系統(tǒng)是以陣列天線和實時自適應(yīng)信號處理算法為基礎(chǔ)，能夠從多個路徑信號和干擾信號中把有用信號區(qū)分出來，自動地產(chǎn)生多個窄波束方向圖，把主瓣指向不同的移動臺用戶，并自動抑制干擾方向的副瓣電平。智能天線所具有的這種精確跟蹤能力和干擾抑制能力特別適用干擾自限的碼分多址系統(tǒng)，從而提高了系統(tǒng)容量。智能天線使用后將有以下優(yōu)點：智能天線波束成型的結(jié)果等效于天線增益的提高，從而提高了接收靈敏度。智能天線的波束成型算法可以克服多徑衰落引起的性能惡化，并利用了多徑能量改善系統(tǒng)性能。智能天線波束成型以后，大大降低位于零點附近的干擾信號，使多用戶干擾問題緩解，同時小區(qū)間的干擾也大大減少。智能天線獲取的上行信息可用于實現(xiàn)用戶定位。智能天線使用多個小功率發(fā)射及代替大功率發(fā)射機，提高了設(shè)備的可靠性并降低了成本。智能天線具備定位和跟蹤用戶終端的功能，從而可以自適應(yīng)地調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)以滿足業(yè)務(wù)要求，并實現(xiàn)信道的動態(tài)分配。智能天線根據(jù)上行定位信息可以一次性地完成用戶的接力切換，避免了頻繁的軟切換以及大量無線資源的占用，提高了通信質(zhì)量、系統(tǒng)容量和效率。智能天線在發(fā)射功率和接收抗干擾方面的優(yōu)勢，相當(dāng)于在同樣功率情況下，覆蓋范圍的增加，降低了建網(wǎng)投資。電波傳播基礎(chǔ)理論陸地移動通信中無線電波傳播的主要特點陸地移動通信中無線電波傳播有兩個最顯著的特點：第一、隨著移動體的行進(jìn)，由于建筑物、樹林、起伏的地形及其他人為的、自然的障礙物的連續(xù)變化，接收信號場強會產(chǎn)生兩種衰落，即多徑快衰落和陰影慢衰落。前者是快速的微觀變化，故稱之為快衰落；后者是緩慢的宏觀變化，是由阻擋物引起的陰影效應(yīng)所造成的慢衰落。這兩種衰落疊加在一起就是陸地移動通信電波傳播的主要特性。第二、在城市環(huán)境中，衰落信號的平均強度與自由空間或光滑球面?zhèn)鞑ハ啾纫〉枚?，并且接收信號的質(zhì)量還要受到環(huán)境噪聲的嚴(yán)重影響。通常，隨距離增大而衰落的平均強度用電波傳播的路徑（中值）損耗表示。路徑（中值）損耗通常移動通信電波傳播的路徑（中值）損耗與距離和頻率有關(guān)，與收發(fā)天線的高度有關(guān)，也與地形地貌有關(guān)。各類場強預(yù)測模式都是人工模型，就是以某些特定的地形為基礎(chǔ)，經(jīng)過大量測試及計算機模擬分析以后提出的參考標(biāo)準(zhǔn)，隨后再加以修正。當(dāng)工作頻率確定以后，在特定的天線高度下，人工傳播模型都有三個特征值：斷點、斜率和附加修正因子。L=K+nlg+CK——當(dāng)d=d時的路徑(中值)損耗，d即為斷點n——路徑（中值）損耗隨距離而變化的斜率（衰減因子）C——對地形地貌的修正因子快衰落遵循什么分布規(guī)律？基本特征和克服方法。在移動通信傳播環(huán)境中，到達(dá)移動臺天線的信號不是單一路徑，而是來自許多路徑的眾多反射波的合成。由于電波通過各個路徑的距離不同，因而各條路徑的反射波到達(dá)的時間不同，相位也不同。不同相位和幅度的多個信號在接收端疊加，有時同相增強，有時反相減弱。這樣，接收信號的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生了衰落。這種衰落是由多徑傳播所引起的，稱為多徑快衰落。它的變化速率與移動體行進(jìn)速度及工作頻率（波長）有關(guān)，其變化范圍可達(dá)數(shù)十分貝。衰落的平均速率為2/（為車速m/s；為波長m）。大量統(tǒng)計結(jié)果表明，絕大多數(shù)的多徑衰落遵循瑞利（Raxleigh）分布。一般來說，模擬移動通信系統(tǒng)主要考慮接收信號幅度的變化；而數(shù)字移動通信系統(tǒng)還需考慮信號的時延和擴(kuò)展。在第二代和第三代數(shù)字移動通信系統(tǒng)中，都采用了以下三個措施減少多徑快衰落的影響：采用合理的糾錯編碼（如卷積碼、Turbo碼等）、交織保護(hù)和重傳協(xié)議，以增加信號的冗余度，并進(jìn)行時間分集；利用快速功控和（接收和/或發(fā)信）分集緩解功率損失；使用多個Rake接收指峰進(jìn)行多徑分集接收，更好地集中能量。慢衰落遵循什么分布規(guī)律？基本特征及對工程設(shè)計參數(shù)的影響？在移動通信傳播環(huán)境中，電波在傳播路徑上遇到起伏的山丘、建筑物、樹林等障礙物阻擋，形成電波的陰影區(qū)，就會造成信號場強中值的緩慢變化，引起衰落。通常把這種現(xiàn)象稱為陰影效應(yīng)，由此引起的衰落又稱為陰影慢衰落。另外，由于氣象條件的變化，電波折射系數(shù)隨時間的平緩變化，使得同一地點接收到的信號場強中值也隨時間緩慢地變化。但因為在陸地移動通信中隨著時間的慢變化遠(yuǎn)小于隨地形的慢變化，因而通常在工程設(shè)計中忽略了隨時間的慢變化，而僅考慮隨地形的慢變化。慢衰落的速率與頻率無關(guān)，主要取決于阻擋物的尺寸和結(jié)構(gòu)以及收發(fā)天線的高度和移動體的速度；而慢衰落的深度取決于信號頻率和阻擋物的材質(zhì)。大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，陰影衰落服從對數(shù)—正態(tài)分布，正態(tài)分布有兩個特征值，即均值（）和偏差（），按照對數(shù)—正態(tài)分布的特征可知，當(dāng)覆蓋區(qū)邊緣的接收場強中值恰巧等于均值（）時，系統(tǒng)接收場強沒有余量，只能保證覆蓋區(qū)邊緣50%的地點滿足通信要求。在移動通信系統(tǒng)的無線工程設(shè)計中，必須提供接收場強的余量才能保證更多地點的可通率，這個余量與偏差（）有關(guān)。按對數(shù)—正態(tài)分布規(guī)律余量（dB）01.281.642覆蓋區(qū)邊緣可通率（%）5084909597.7而值根據(jù)不同地形特征由實測得到，也可根據(jù)國際電聯(lián)的相關(guān)推薦數(shù)據(jù)進(jìn)行比較選擇而定。移動通信中的多普勒頻移移動通信中的多普勒（Doppler）效應(yīng)是由于接收端的移動用戶高速運動引起傳輸頻率的擴(kuò)散而引起的，其擴(kuò)散程度與用戶運動的速度成正比。如圖（ａ）所示，當(dāng)移動體以速度V前進(jìn)時，如果接收電波傳播方向與其成夾角θ，則移動體所接收的信號強度可用下式表示：式中：，λ為波長式中一個附加的頻率成份即由于多普勒效應(yīng)而引起的其頻率為：而為最大多普勒頻移多普勒頻移可以為正值，也可為負(fù)值，取決于入射角θ圖（b）所示為前進(jìn)方向有阻擋物引起反射而出現(xiàn)駐波的情況。當(dāng)靠近移動體的阻擋物也是移動體時，接收信號強度及其多普勒頻移將取決于阻擋物速度及反射角的具體情況。什么是自由空間的傳播模式？所謂自由空間是指相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率均恒為1的均勻介質(zhì)所存在的空間，這相當(dāng)于一個真空的空間，在360°的球體具有各向同性，電導(dǎo)率為零等特性。自由空間傳播與真空傳播一樣，只有擴(kuò)散損耗的直線傳播，而沒有反射、折射、繞射、色散等等現(xiàn)象，其傳播速度等于光速，因此，自由空間是一種科學(xué)的抽象，但它可以作為實際傳播模式的參考。特別在室內(nèi)視線可見的范圍內(nèi)，其傳播模式非常接近于自由空間模型。自由空間的路徑中值損耗L=32.45+20lgf+20lgd式中f：工作頻率（MHz）d：收發(fā)天線間距（km）需要指出,對于自由空間以及下面以平面大地理論為基礎(chǔ)的各類人工模式,其適用條件是:d>5(hb+hm).2G系統(tǒng)的宏小區(qū)傳播模式國際電聯(lián)推薦用奧村（Okumura-Hata）模式所提供的曲線及其歸納的經(jīng)驗公式作為第二代移動通信系統(tǒng)中城市宏小區(qū)傳播模型。L=[69.55+26.16lgf-13.82lgh-α(hm)]+[44.9-6.55lgh]lgd（dB）該模型使用范圍：f：150～1500MHzh：30～200mh：1～10md：1～20kmh以1.5m為基準(zhǔn)對于中小城市α(hm)=[1.1lgf-0.7]h-[1.56lgf-0.7]（dB）對大城市α(hm)=8.29[lg（1.54h）]-1.1（dB）當(dāng)f300MHzα(hm)=3.2[lg（11.75h）]-4.97（dB）當(dāng)f>300MHz3G系統(tǒng)的宏小區(qū)傳播模式前述奧村模式工作頻率的上限只有1500MHz。因此，歐洲科學(xué)和技術(shù)研究協(xié)會（Euro-Cost）組成了COST—231工作委員會，提出了奧村模式的擴(kuò)展模型，即COST—231Hata模型。其路徑損耗的計算公式為：L（dB）=[46.3+33.9lgf-13.82lgh-α(hm)]+[44.9-6.55lgh]lgd+C式中，C為大城市中心校正因子。在中小城市和郊區(qū)，C=0，在市中心，C=3dB該模型適用于下列參數(shù)范圍：f：1500～2300MHzh：30～200mh：1～10md：1～20km微小區(qū)傳播模式隨著3G的問世，微小區(qū)覆蓋更顯重要，我們介紹兩種傳播模型——COST—231WI模型該模型廣泛用于建筑物高度近似一致的市、郊小區(qū)，該模型考慮了自由空間損耗、從建筑物頂?shù)浇置娴膿p耗以及街道走向?qū)﹄姴▊鞑ニズ牡挠绊?。如圖所示為該模型的傳播示意圖——雙線模型雙線模型的基本假設(shè)是：從發(fā)射天線到接收天線有兩條路徑，即視距可見直達(dá)波和地面反射波。其路徑損耗為收發(fā)之間距離d的函數(shù)，并且可以用3條不同斜率的線段來表示。雙線模型中首先要確定一個突發(fā)點，即發(fā)射天線到該點的距離恰好是從發(fā)射到接收的第一菲涅爾半徑橢球碰到地面的那一點的距離。d=(4hthr)/對于f=1900MHz時40+25logdd＜L=40+25log（）+40log（）≤d＜440+25log（）+40log（4）+60log（）d≥4對于建筑物相對較少的微小區(qū)，采用雙線模型是比較合適的。室內(nèi)傳播模式同樣，室內(nèi)傳播模式也有多種版本，我們推薦從歐洲無繩電話（1.9GHz）演繹的一個試驗?zāi)Ｐ?，可以用于室?nèi)多層環(huán)境，即Motely—Kennan模型，其公式為：L=L（d）+10lg++式中，L（d）表示參考點（1m）處的路徑損耗，為衰減斜率，N、N分別表示信號穿過不同類型的墻和地板的數(shù)目，L、L則是對應(yīng)的損耗因子，J、I分別表示各種墻和地板類型數(shù)目。模型提出者給出的建議值是：L（d）=37dBL=20dB（對所有地板）L=3dB（對所有墻體）=2如果電波需穿透一層地板和二堵墻體的話，則L=37+20lgd+20+2×3=63+20lgd（dB）誠然，在實際工程中，還是需對地板和墻體的衰耗根據(jù)實際結(jié)構(gòu)材質(zhì)進(jìn)行一些修正。為什么有時會收到很遠(yuǎn)的基站發(fā)射的電波我們可以得到一個基本信息就是通常情況下幾公里或者十幾公里后電波傳播將被衰減到相當(dāng)?shù)偷碾娖?，這也使蜂窩小區(qū)頻率復(fù)用技術(shù)成為可能。但在實際環(huán)境中，有時往往還可以收到上百公里以外的信號，構(gòu)成同頻干擾，這是為什么呢？以平面大地理論為基礎(chǔ)的傳播模型將地球半徑等效用K表示，K稱為等效地球半徑因子。式中，為介電常數(shù)為介電常數(shù)隨高度h的變化率根據(jù)相關(guān)國際組織的測定，在“標(biāo)準(zhǔn)大氣”條件下，為-7.9×10-8/m，代入上式可求得K=4/3。但對于非標(biāo)準(zhǔn)大氣的狀況，K值有很大變化，如下表所示K值表傳播情況最佳理想一般較壞壞氣象標(biāo)準(zhǔn)大氣無表面層，亞標(biāo)準(zhǔn)，薄霧有表面層水面上有霧，濕氣或無霧地面霧典型溫帶，無霧，無大氣波導(dǎo)，大氣混合很好的白天或晚上干燥，山區(qū)，無霧平地，溫和，有些霧海岸海岸，水面，熱帶K值1.331~1.330.66~1.00.66~0.50.5~0.4*本表對99.9%~99.99%的路徑可靠由上述公式不難發(fā)現(xiàn)：當(dāng)K>1時，為正折射，射線朝地球方向彎曲；當(dāng)K<1時，為負(fù)折射，射線背地球方向彎曲。也就是說，當(dāng)某地出現(xiàn)濃霧時，射線將背地面方向上翹，本地移動通信變壞；如果周邊地區(qū)恰好為晴天的話。射線會朝向地面彎曲，好像是一個基站天線被拉高以后再向遠(yuǎn)處傳播。這樣就會造成上百公里以外的兩地可以收到同頻信號的情況。當(dāng)然，這種情況出現(xiàn)是可能的，但帶有絕大的偶然性。信號中值電平及其統(tǒng)計特性一般中值的定義是：在給定的短時間和短區(qū)間內(nèi)，有50%時間的電平超過某個數(shù)值時，該數(shù)值就稱為電平中值；顯然，中值的概念是在統(tǒng)計意義上標(biāo)志了信號的強弱，它可以按地型地貌采用不同人工模型計算。目前使用的路測儀或測試手機所顯示的接收電平應(yīng)該是短時間和短區(qū)間的電平中值。無論等電平位置區(qū)或者同一位置不同時間所測得的接收電平都應(yīng)該是一組符合對數(shù)-正態(tài)分布規(guī)律的數(shù)據(jù)。下面一組數(shù)據(jù)來自于某一測試手機，該手機置于桌面，周圍有少量人員走動，約半小時內(nèi)測得的信號電平(dBm)為：-80-81.5-79.8-79.6-79.5-83-80.5-80.7-80.9-79.9-80.6-80.4-80.2-78.2-79.3-81-80.5-80.3-80.3-80.1這是一組反映時間偏差的典型統(tǒng)計數(shù)據(jù)按照對數(shù)-正態(tài)分布的規(guī)律,我們可以從上述數(shù)據(jù)中得出該位置的信號中值電平及其時間偏差.上列祥本共有20個取值,將最高的三個數(shù)(紅色的,占16%)剔除,余下的17個數(shù)值作算術(shù)平均即為該位置在該時段的中值電平(-80.7dBm)；當(dāng)然祥本數(shù)據(jù)愈多結(jié)果將愈精確。該中值與17個數(shù)值中最高的差值即為時間偏差[-80.7dBm-(-79.6dBm)]=1.1dB.上述統(tǒng)計特性也告訴我們，著眼于某點位置的測試值與理論計算值（或仿真模擬）間的誤差是沒有多大的實際意義的。應(yīng)該注意的是只要測試值在︱μ±σ︱之間都應(yīng)認(rèn)為是合理的。值根據(jù)不同地形特征由實測得到，也可根據(jù)國際電聯(lián)的相關(guān)推薦數(shù)據(jù)進(jìn)行比較選擇而定。室內(nèi)環(huán)境中σ如取5dB，則當(dāng)覆蓋區(qū)邊緣可通率為90%時，其位置波動范圍為1.28，約6.4dB；當(dāng)覆蓋區(qū)邊緣可通率為95%時，其位置波動范圍為1.64，約8.2dB；也就是說，如果工程要求-75dBm（邊緣可通率95%），則意味著其信號電平的位置波動范圍為-83.2dBm~-66.8dBm；如果工程要求-75dBm（邊緣可通率90%），則意味著其信號電平的位置波動范圍為-81.4dBm~-68.6dBm。同理，如果工程要求覆蓋區(qū)邊緣信號電平為-75dBm，既使位置不移動，隨時間而波動也會使信號電平變化，如以上列計算的時間偏差1.1dB.來算，其信號電平的時間波動范圍也應(yīng)是-76.1dBm~-73.9dBm。接收靈敏度、最低功率電平和無線覆蓋區(qū)邊緣位置百分比的關(guān)系通常，在進(jìn)行項目設(shè)計時，我們會得到一個數(shù)據(jù)，即所需覆蓋區(qū)邊緣的可通率和最低功率電平（如:90%和-85dBm）。與這個數(shù)據(jù)有關(guān)的技術(shù)指標(biāo)主要是：接收機靈敏度S（dBm）；在實際噪聲環(huán)境中的惡化量d（dB）；對覆蓋區(qū)及其邊緣的可通信概率（%）這些參數(shù)之間的關(guān)系可用下式表示：P=S+d+xS—接收機靈敏度指標(biāo)值（dBm）d—在實際噪聲環(huán)境中的惡化量d（dB）—陰影慢衰落的偏差值（dB）x—與覆蓋區(qū)邊緣的可通率有關(guān)的系數(shù)S是指接收機在靜態(tài)條件下（試驗室內(nèi)），滿足一定的誤碼性能的條件下，其射頻輸入端所需的最低信號電平，通常用功率電平（dBm）表示。當(dāng)一個接收機置于實際通信環(huán)境中時，由于噪聲及多徑衰落的影響，其誤碼性能將被惡化，此時，為了保證誤碼性能達(dá)到系統(tǒng)的要求，就必須加大射頻輸入端的信號電平到S+d，d值即實際環(huán)境中由于噪聲和多徑衰落造成的惡化量。接下來的問題是，當(dāng)覆蓋區(qū)邊緣信號電平達(dá)到接收機需要的最低輸入保護(hù)電平（S+d）時，能否保證正常通信呢？答案是能保證，但不能完全保證。因為移動通信的電波傳播陰影慢衰落特性，服從對數(shù)—正態(tài)分布。因此必須具有一定的衰落余量才能保證需要的通信效果，在工程上歸結(jié)為覆蓋區(qū)邊緣或整個覆蓋區(qū)的可通信概率。通信概率與系統(tǒng)余量的關(guān)系見下圖：當(dāng)系統(tǒng)余量為0時，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為50％當(dāng)系統(tǒng)余量為σ時，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為84％當(dāng)系統(tǒng)余量為2σ時，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為97％當(dāng)系統(tǒng)余量為3σ時，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為99.7％當(dāng)系統(tǒng)余量為1.28σ時，覆蓋區(qū)邊緣可通概率為90％例如：G網(wǎng)接收機靈敏度為-102dBm，環(huán)境惡化量為9dB，當(dāng)陰影衰落偏差為6dB時，如果需要覆蓋區(qū)邊緣可通率為90%，其最低信號功率電平應(yīng)為：P=－102dBm+9dB+1.28×6dB=－85.3dBm此時，能滿足整個覆蓋區(qū)95%的可通率。無線覆蓋區(qū)邊緣位置百分比和無線覆蓋區(qū)整區(qū)位置百分比的關(guān)系覆蓋區(qū)可通率是衡量整個覆蓋區(qū)整個覆蓋區(qū)范圍內(nèi)進(jìn)行滿意通話（誤碼率指標(biāo)達(dá)到規(guī)定要求）的成功概率。它與覆蓋區(qū)邊緣的通信概率有何關(guān)系呢？通過誤差函數(shù)，可由邊緣可通概率得出覆蓋區(qū)可通概率?，F(xiàn)將誤差函數(shù)介紹如下：如下圖，設(shè)在半徑為Ro的圓內(nèi)，有效覆蓋區(qū)（可通信區(qū)）的面積為Fu，而P（x≥Pmin）是在一個逐漸增加的環(huán)形面積dA內(nèi)接收信號小段中值電平x≥Pmin的概率，則有：假定在接收區(qū)內(nèi)信號電平md按r-n規(guī)律衰減，n為衰減指數(shù)，略去繁瑣的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，可以將其結(jié)果示于下圖中，圖中以σ/n為橫坐標(biāo)，以r＝Ro的環(huán)形區(qū)域dA內(nèi)的邊緣通信概率P（Ro）為參變量，可算得一組曲線。只需給定n和σ值，就可以根據(jù)覆蓋區(qū)邊緣可通信概率確定相應(yīng)的區(qū)內(nèi)通信概率。無線覆蓋區(qū)的區(qū)內(nèi)通信概率示意圖小區(qū)邊界上信號高于門限的總區(qū)域百分比于信號高于門限的概率的關(guān)系曲線整個覆蓋區(qū)可通概率可以根據(jù)覆蓋區(qū)邊緣可通概率用一個誤差函數(shù)積分求得，隨陰影損耗偏差和衰減指數(shù)n而變，如下圖：接收靈敏度、最低功率電平與覆蓋區(qū)位置百分比關(guān)系室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)與器件相關(guān)概念介紹什么是室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)是針對室內(nèi)用戶群，用于改善建筑物內(nèi)移動通信環(huán)境的一種成功的方案，室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)原理是利用室內(nèi)天線分布系統(tǒng)將移動基站的信號均勻分布在室內(nèi)每個角落，從而保證室內(nèi)區(qū)域擁有理想的信號覆蓋。室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)近幾年在全國各地的移動通信運營商中得到了廣泛應(yīng)用。需要室內(nèi)覆蓋的地方室內(nèi)盲區(qū)大型建筑、停車場、辦公樓、賓館和公寓等。話務(wù)量高的大型室內(nèi)場所車站、機場、商場、體育館、購物中心等，增加微蜂窩建立分層結(jié)構(gòu)。發(fā)生頻繁切換的室內(nèi)場所

高層建筑的頂部，收到多個基站的功率近似的信號。室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)的功能覆蓋方面，由于建筑物自身的屏蔽和吸收作用，造成了無線電波較大的傳輸衰耗，形成了移動信號的弱場強區(qū)甚至盲區(qū);容量方面，建筑物諸如大型購物商場、會議中心，由于移動電話使用密度過大，局部網(wǎng)絡(luò)容量不能滿足用戶需求，無線信道發(fā)生擁塞現(xiàn)象;質(zhì)量方面，建筑物高層空間極易存在無線頻率干擾，服務(wù)小區(qū)信號不穩(wěn)定，出現(xiàn)乒乓切換效應(yīng)，話音質(zhì)量難以保證，并出現(xiàn)掉話現(xiàn)象。室內(nèi)分布系統(tǒng)的分類按信號源的不同，室內(nèi)分布系統(tǒng)可分為（微、宏）蜂窩室內(nèi)分布系統(tǒng)和直放站室內(nèi)分布系統(tǒng)。按所采用設(shè)備的不同，室內(nèi)分布系統(tǒng)也可以分為無源系統(tǒng)和有源系統(tǒng)。按分布方式不同，室內(nèi)分布系統(tǒng)分為同軸電纜系統(tǒng)、光纖系統(tǒng)和泄漏電纜系統(tǒng)特點蜂窩分布系統(tǒng)的優(yōu)點是信號穩(wěn)定、可靠，通信質(zhì)量好；缺點是建設(shè)周期較長，一次性投資大，還要解決傳輸線路等問題。因此蜂窩系統(tǒng)大多應(yīng)用于星級酒店、高級寫字樓等比較大型的室內(nèi)建筑。直放站分布系統(tǒng)（包括同頻、光纖、移頻直放站作為信號源）的優(yōu)點是投資省、安裝方便快捷，可以很快解決信號弱和盲區(qū)問題；缺點是無法解決話務(wù)量問題。因此直放站系統(tǒng)大多應(yīng)用于小型酒店、小型娛樂場所等規(guī)模較小的室內(nèi)建筑無源系統(tǒng)主要由無源器件組成，設(shè)備性能穩(wěn)定、安全性高、維護(hù)簡單。有源系統(tǒng)是指當(dāng)覆蓋范圍比較大，饋線傳輸距離比較遠(yuǎn)時，需增加干線放大器補償信號損耗，達(dá)到理想的強度和覆蓋效果。同軸電纜分布式系統(tǒng)采用同軸電纜傳輸，將射頻信號傳輸?shù)浇ㄖ飪?nèi)部各個地方。光纖分布系統(tǒng)利用光纖將信號引入，進(jìn)入建筑物以后采用同軸電纜傳輸。因此光纖分布系統(tǒng)是用于大面積、遠(yuǎn)距離復(fù)雜區(qū)域的室內(nèi)覆蓋。泄漏電纜系統(tǒng)不需要室內(nèi)天線，在電纜通過的地方，信號即可泄漏出來，完成覆蓋。泄漏電纜室內(nèi)分布系統(tǒng)安裝方便，但造價高，對電纜的性能要求高，使用較少。天線的定義及主要功能（1）天線的定義：能夠有效地向空間某特定方向輻射電磁波或能夠有效地接收空間某特定方向來的電磁波的裝置。（2）天線的功能：能量轉(zhuǎn)換導(dǎo)行波和自由空間波的轉(zhuǎn)換；定向輻射（接收）具有一定的方向性。天線增益系指天線在某一規(guī)定方向上的輻射功率通量密度與參考天線（通常采用理想點源）在相同輸入功率時最大輻射功率通量密度的比值。當(dāng)用理想點源作為參考天線時，所得增益往往被稱為天線的絕對增益，用dBi來表示；而當(dāng)用半波振子作為參考天線時，所得增益稱為天線的相對增益，用dBd表示，兩種換算單位相差2.15dB，即0dBd=2.15dBi。天線增益越高，方向性越好，能量越集中，波瓣越窄，天線長度或?qū)挾仍酱蟆Ｖ靼?、副瓣和定向天線的前后比觀察天線輻射的方向性圖，可以發(fā)現(xiàn)在360°范圍內(nèi)，有許多波束，我們將天線的輻射能量主要集中于內(nèi)的一個波束稱為主波束或主瓣。主瓣以外的所有波瓣通稱副瓣或旁瓣，副瓣能量增加時，天線的定向性降低，也更易受干擾。主瓣與副瓣、旁瓣之間能量突降的位置稱為零點。零點是電場矢量相位變化的結(jié)果。設(shè)計合適的零點位置可以對抗干擾。與主瓣指向相差180°位置的副瓣稱為背瓣或后瓣，移動通信中是將180°±30°區(qū)域內(nèi)所有副瓣的最大電平定義為背瓣電平，主瓣電平與背瓣電平的比值稱為前后比。在主瓣方向，與最大電平相差3dB（指左右兩邊）的夾角稱為半功率波束寬度，通常移動通信系統(tǒng)中基站天線的水平面半功率波束寬度設(shè)計為65°或90°，甚至更窄而用于扇形覆蓋區(qū)。何謂“分集”？眾所周知，移動通信的傳播信道是一個典型的變參信道，特別由于移動端天線高度和環(huán)境的影響，在收發(fā)之間通常是一條非視距（NLOS）的傳播鏈路，無線電波的信號將受多徑衰落和陰影衰落的嚴(yán)重影響。按照慣性思維，在衰落存在時，欲保持通信質(zhì)量，可以加大發(fā)射功率。但是，加大發(fā)射功率不但有許多困難和限制，實際上也不是解決問題的好辦法。通過天線采用分集技術(shù)則可以較好地克服信號衰落，改善通信質(zhì)量的技術(shù)。分集原理：用多種可能的途徑采樣接收信號，對接收到的信號進(jìn)行組合或分類，以選擇最好的信號。如果多個接收信號不相關(guān)，通?？偸强梢垣@得較好的接收信號，從而對抗多徑帶來的快速衰落。分集技術(shù)原理分集技術(shù)可以通過上圖加以描述：有二種途徑采集到接收信號1#和信號2#，假設(shè)兩信號的來源