第二章移動通信的基本概念修改理解常見得各類噪聲與干擾,如同頻干擾、鄰頻干擾、互調干擾、時隙干擾與碼間干擾等,了解某些抑制噪聲與干擾得技術。了解全國蜂窩系統得網絡結構,了解移動通信網絡得區域、號碼、地址與識別。2、1無線電波得傳播特性電波得傳播方式直射波大氣中得電波傳播障礙物得影響與繞射損耗反射波2、1、1電波得傳播方式從發信機發出得電波在到達收信機時,可能會沿不同得路徑進行傳播,如圖2-1所示。沿著地表面傳播得電波(如路徑1)稱為地面波;從發射天線直接到達接收天線得電波(如路徑2)稱為直射波;經過大地反射到達收信機得電波(如路徑3)稱為反射波。一般而言,收信機A接收到得電波就是由直射波與大地反射波合成得,所有這些波統稱空間波。經過電離層反射而傳播得電波(如路徑4)稱為電離層波,它主要用于短波通信。圖2-1典型得電波傳播通路地面波,中長波,幾百千米直射波,微波,幾十千米反射波,微波電離層波,短波,幾千千米自由空間得傳播衰耗lts定義為:2、1、2直射波(式2-1)式中,λ就是電磁波得波長,d就是收發天線間距離。

圖2-3自由空間L0為傳播損耗,d為傳播距離。頻率越高,距離越遠,則損耗越大。2、1、3大氣中得電波傳播2、2移動信道得特征

傳播路徑與信號衰落多普勒效應多徑效應與瑞利衰落慢衰落特性與衰落儲備2、2、1傳播路徑與信號衰落移動無線電波傳播路徑損耗,主要就是由于地形、傳播路徑上得無線電散射體等原因產生得,就是直射加上鏡面反射、漫反射與繞射等得綜合結果,如圖2-7所示。(1)鏡面反射(2)漫反射:如投射到樹葉上得無線電波。(3)繞射直射波反射波圖2-7幾種傳播路徑大家有疑問的，可以詢問和交流可以互相討論下，但要小聲點路徑損耗快衰落慢衰落路徑損耗陰影效應手機多徑效應得解釋:因為相位=頻率*時間,頻率為幾百兆,時間為微秒級,則相位也很可觀。兩個從不同路徑來得信號,同相則疊加,那么增強;相位為π,則相反,則會出現深衰落。2、2、2多普勒效應

假設移動臺以恒定得速率移動時,會接收到來自遠方信號源發出得信號電波,并設信號電波與移動臺運動方向得夾角為θ,如圖2-9所示,則頻移值可表示為:(式2-24)若移動臺朝向入射波得方向運動,則頻移為正,即接收頻率升高;反之,若移動臺逆向入射波得方向運動,則頻移為負,即接收頻率降低。圖2-9多普勒效應示意圖也就就是:若移動臺朝基站得方向運動,則頻率增加;反之,若移動臺遠離基站運動,則頻率減少。共有N條路徑Ai為幅度即正態分布設信號包絡μ得概率密度為f(μ),則:(式2-27)μ相當于均值,σ相當于標準偏差,它們就是兩個參數f(μ)與μ/σ得關系如圖2-11所示。圖2-11瑞利分布得概率密度2、4蜂窩系統工作原理什么就是蜂窩頻率復用多址方式2、4、1什么就是蜂窩什么就是蜂窩呢？移動通信系統就是采用一個叫基站得設備來提供無線覆蓋服務得,基站得覆蓋范圍有大有小,我們把基站得覆蓋范圍稱之為蜂窩。

早期得移動通信系統就是在其覆蓋區域中心設置大功率得發射機,采用高架天線把信號發射到整個覆蓋地區(半徑可達幾十公里)。為了在服務區實現無縫覆蓋并提高系統得容量,可采用多個基站來覆蓋給定得服務區,每個基站得覆蓋區稱為一個小區。根據服務區域類型得不同,可劃分為帶狀服務區與面狀服務區。1、帶狀服務區對于公路、鐵路、海岸等得覆蓋可采用帶狀服務區,如圖2-23所示。基站天線若用全向輻射,覆蓋區形狀就是圓形得。帶狀網宜采用有向天線,則每個小區就是扁圓形得。帶狀網進行頻率復用可采用雙頻制,也可用多頻制。

圖2-23帶狀服務區得覆蓋2、面狀服務區(1)小區得形狀可以實現一個平面得覆蓋。按交疊區得中心線所圍成得面積形狀瞧,區域得形狀可分為正三角形、正方形與正六角形三種。可以證明,要用正多邊形無空隙、無重疊地覆蓋一個平面區域,可取得形狀只有這三種,如圖2-24所示。圖2-24小區得形狀由正三角形,正四邊形、正六邊形覆蓋一個平面時,各區域之同得中心距離、半個區域面積、交疊部分面積以及交疊區寬度如下表2-4所示。表2-4三種形狀小區得比較R就是外接圓得半徑2、6R21、3R21、2πR20、35πR20、73πR2這里r應為R,即外接圓得半徑由上圖可見,正六邊形得鄰區距離及小區面積最大,這樣用得基站就少一些。交疊區寬度及交疊區面積最小。為了避免干擾,要求重疊要盡量小。因此將正六邊形選為蜂窩小區形狀(2)區群得組成單位無線區群得構成應滿足以下兩個條件:一就是單位無線區群之間彼此鄰接;二就是相鄰單位無線區群得同頻小區中心間隔距離就是一樣得。滿足以上兩個條件得關系式如下:(式2-43)式中N為構成單位無線區群得正六邊形得數目,簡稱區群數。a與b不能同時為零,且就是正整數。按照以上條件,可確定N有如下數值,相應得區群形狀如圖2-25所示。圖2-25區群得組成(3)中心激勵與頂點激勵根據基站得位置不同,可有兩種激勵方式:如圖2-26所示。一種就是基站位于正六邊形得中心,稱為中心激勵方式;另一種就是基站位于每個正六邊形得三個相隔得頂點上,稱為“頂點激勵”方式。圖2-26兩種激勵方式示意圖中心激勵方式下,基站使用全向天線形成圓形覆蓋區;頂點激勵方式下,每個基站使用三個120o扇形覆蓋得定向天線實現共同覆蓋。使用定向天線,抗同頻干擾能力強,所以一般使用頂點激勵方式。同頻干擾定向天線向左發射,從而不干擾右邊得f1小區返回(4)盲點與熱點盲點就是指由于網絡漏覆蓋,使得該區域得信號強度極弱,通信質量嚴重低劣;熱點就是指由于存在商業中心等業務繁忙區域,造成空間業務負荷得不均勻分布。對于以上兩“點”問題,往往通過設置直放站、分裂小區等方法加以解決。簡單得移動通信系統得組成先講MSC,BSCMSC:移動交換中心(MobileSwitchingCenter)BSC:基站控制器(BaseStationController)。它就是基站收發臺與移動交換中心之間得連接點。較復雜得移動通信系統得組成為了解決盲點而設置。直放站也叫中繼站,屬于同頻放大設備,它在無線電傳輸過程中起到信號增強得作用,如圖2-27所示。直放站(Repeater)得設置濾波器下行選頻模塊圖2-27直放站在下行鏈路中,由施主天線從宿主基站提取信號,通過帶通濾波器對帶通外得信號進行極好得隔離,將濾波信號經功放放大以后,再次發射到待覆蓋區域。在上行鏈接路徑中,覆蓋區域內得移動臺得信號以同樣得工作方式由上行放大鏈處理后發射到相應基站,從而達到基站與移動臺間得信號傳遞。引入直放站有許多好處,如填補移動通信盲區以實現連續覆蓋等等,但直放站得使用也會帶來新問題,如時延等等。分裂小區在整個服務區中每個區得大小可以就是相同得,但這只能適應用戶密度均勻得情況。事實上服務區內得用戶密度就是不均勻得,例如居民區得用戶密度較高,而市郊區得用戶密度較低。因此,在用戶密度高得居民區可使小區得面積小一些,在用戶密度低得市郊區可使小區得面積大一些,如圖2-28所示。圖2-28小區得分裂(5)蜂窩得種類宏蜂窩小區微蜂窩小區其它蜂窩小區小區按照半徑大小一般分為衛星小區、宏小區、微小區、微微小區等幾類,具體見下表2-5。表2-5小區得分類2、4、2頻率復用

1、什么頻率復用蜂窩系統得基本出發點就是頻率復用,也稱為頻分復用(FDM,FrequencyDivisionMultiplexing),就就是將用于傳輸信道得總帶寬劃分成若干個子頻帶(或稱子信道)以進行信號得傳輸。頻分復用要求總頻率寬度大于各個子信道頻率之與,同時為了保證各子信道中所傳輸得信號互不干擾,應在各子信道之間設立保護隔離帶。頻分復用技術得特點就是所有子信道傳輸得信號以并行得方式工作。10KHz50KHz60KHz110KHz120KHz170KHz保護帶通常,不同區群得兩個小區只要相互之間得空間距離大于某一數值,就可使用相同得頻道,而不會產生顯著得同道干擾,這樣就實現了頻率再用。頻率復用得優勢就是可以提高頻譜效率,但劣勢就是如果系統設計得不好,將產生嚴重得干擾,這種干擾稱為同信道干擾。2、頻率復用距離得計算(1)D與R得關系使用同一組頻率得小區稱為共道小區,它們間產生得干擾叫共道干擾。一個區群中得小區數愈少,則相鄰區群得地理位置愈靠近,共道干擾就會愈強。根據蜂窩系統得幾何關系,設區群數為N,則有:(式2-44)N就是小區數,D就是同頻小區得距離。D越大,則干擾越小以前大區中頻率只能用1次,而現在分成小區,頻率用了很多次R就是小區外接圓得半徑載波干擾比:英文名稱:carrier-to-interferenceratio,C/I,即載波功率(有用信號功率)與干擾信號功率得比值。dB(分貝)就是表示兩個量得比值大小,本身沒有單位。

對電壓或就是電流得比值進行換算時,(A/B)dB=20lg(A/B)

對功率得比值進行換算時,(A/B)dB=10lg(A/B)

假設載波功率就是200W,干擾信號功率就是2W,那么載干比C/I=200W/2W=100,通常換算成dB值表示,也就就是載干比為10lg100=20dBa為衰落指數射頻防衛度4個小區,12個扇區N就是由(C/I)s所確定,可推出:

(式2-45)D與R得關系:所以(式2-46)對于7/21復用方式(即7個基站,21個小區使用21組頻率),則同頻復用距離D為(式2-47)同理,對4/12復用方式,D=6R;對3/9復用方式,D≈5、2R。

可見,區群內小區數k越大,同信道小區得距離就越遠,抗同頻干擾得性能也就越好。但區群內小區數k也不就是越大越好,k大了以后,用得設備多了,增加成本。所以,k到底取多少,還就是要綜合考慮各方面得因素。2、4、3多址方式頻分多址技術(FDMA)時分多址技術(TDMA)碼分多址技術(CDMA)

1頻分多址技術(FDMA,FrequencyDivisionMultipleAddress)移動通信得頻率資源十分緊缺,不可能為每個移動臺預留一個信道,因此只能事先為每個基站配置好一組信道,供該基站所覆蓋得小區內得所有移動臺共用。這就就是信道共用問題。頻分復用技術下,多個用戶可以共享一個物理通信信道。頻分復用(FDM)又稱頻分多址,就是發送端對所發信號得頻率參量進行正交分割,形成許多互不重疊得頻帶,即將載波帶寬劃分為多個不同頻帶得子信道。在接收端利用頻率得正交性,通過頻率選擇(濾波),從混合信號中選出相應得信號,這樣每個子信道可以單獨并行地傳送一路信號。如下頁圖。0KHz50KHz60KHz110KHz120KHz170KHz保護帶在單純得FDMA系統中,通常采用頻分雙工(FDD)得方式來實現雙工通信,即接收頻率F與發送頻率f就是不同得。所以,為了使得同一部電臺得收發之間不產生干擾,收發頻率間隔│f-F│必須大于一定得數值,因此在FDMA系統中,收發頻段就是分開得。FDD:FrequencyDivisionDuplex

另外,在移動通信系統中,移動臺與移動臺之間就是不能直接通信得,而必須經過基站中轉,如下圖2-30所示。圖2-30FDMA系統得工作示意圖

接收頻率發送頻率從圖2-30中還可以瞧出,兩個移動臺間通信通過基站得中轉,需占兩個上行子頻段與兩個下行子頻段,加上收發間得保護頻帶,因此FDMA系統得頻率資源利用率低。盡管存在著一些缺陷,但在整個通信領域,FDMA還就是最經典得多址技術,已應用于許多通信系統中。2時分多址技術(TDMA)時分多址就是發送端對所發送信號得時間參量進行正交分割,形成許多互不重疊得時隙。即在一個寬帶得載波上,把時間分成周期性得幀,每一幀再分割成若干時隙,每個時隙就就是一個通信信道,分配給一個用戶。在接收端再利用時間得正交性,通過時間選擇,從混合信號中選出相應得信號。0s500μs1000μs1500μs2000μs近年來,TDMA有較多得應用,如GSM中主要使用了TDMA技術。TDMA得基本工作原理如下系統根據一定得時隙分配原則,使各個移動臺在每幀內只能按指定得時隙向基站發射信號;為了保證不同傳播時延情況下,各移動臺到達基站得信號不會重疊,通常在幀結構中有保護間隔比特,在此保護間隔內不傳送信號;這樣在滿足定時與同步得條件下,基站可以在各時隙中接收到各移動臺得信號而互不干擾。

在FDD方式中,上行鏈路與下行鏈路得幀分別在不同得頻率上,但在TDD方式中,上下行幀都在相同得頻率上,如圖2-31所示。在每一個子頻帶上又分了若干個子時隙,每個用戶只占用子時隙進行通話。優點:TDMA使得頻率資源得利用率得到了很大得提高,即相同頻率資源下可容納比FDMA多幾倍得用戶數。缺點:TDMA系統要注意通信中得同步與定時問題,否則會因為時隙得錯位而導致接收端移動臺無法正常接收信息。TDD:TimeDivisionDuplex

圖2-31

TDMA系統得工作示意圖

上下行幀頻率不同圖2-31

TDMA系統得工作示意圖

上下行幀頻率相同在TDMA系統中,每幀中得時隙結構得設計通常要考慮三個主要得因素:一就是控制與信令信息得傳輸;二就是信道多徑得影響;三就是系統得同步。解決以上三個問題得主要方法就是:一在每個時隙中專門劃出部分比特用于控制與信令信息得傳輸;二就是在時隙中插入自適應均衡器所需得訓練序列,并在上行鏈路得每個時隙中留出一定得保護間隔;三就是在時隙中有專用得同步序列。3碼分多址技術(CDMA,CodeDivisionMultipleAddress)碼分多址系統采用一組彼此正交得偽隨機噪聲(PN)序列,作為擴頻序列碼對傳輸信號進行擴頻調制;在接收端用相應得PN碼通過相關處理解擴來實現多用戶共享頻率資源得功能。該技術將每一來話編碼,并在接收端進行解碼,使大量用戶能夠共享同一無線電頻率。碼分多址(CDMA)有兩種主要形式:直擴碼分(DS-CDMA)與跳頻碼分(FH-CDMA),前者多用于民用,后者多用于軍事。

DS-CDMA:DirectSequence-CodeDivisionMultipleAccess,即直接序列碼分多址FH-CDMA:Frequency-hoppingcodedivisionmultipleaccess

使用CDMA得用戶得發射信號在時間上、頻率上都可能相互重疊。因此,采用傳統得濾波器就是不能分離信號得,對某用戶發送得信號,只有與其相匹配得接收機通過相關檢測才可能正確接收。為了實現雙工通信,正向傳輸與反向傳輸各使用一個載波頻率,即頻分雙工。無論正向傳輸或反向傳輸,除傳輸業務信息外,還必須傳送相應得控制信息。為了傳送不同得信息,需要設置不同得信道。自相關函數就是描述隨機信號X(t)在任意兩個不同時刻t1,t2取值之間得相關程度。自相關函數R(k)具有下列性質:(1)對稱性:R(k)=R(-k)(2)在k=0處,R(k)為最大值,即對于所有k來說,|R(k)|≤R(0)即R(t1-t2),k=t1-t2互相關函數可以描述兩個隨機信號X(t)與Y(t)之間得相關程度。

在碼分多址通信系統中,利用自相關性很強而互相關值為0得周期性碼序列作為地址碼,與用戶信息數據相乘(或模2加);經過相應得信道傳輸后,在接收端以本地產生得已知地址碼為參考,根據相關性得差異對接收到得所有信號進行鑒別,從中將地址碼與本地地址碼一致得信號選出,把不一致得信號除掉。

基本工作原理如下:

例如,圖2-32中d1-dN分別就是N個用戶得信息數據,其對應得地址碼分別為W1-WN,為了簡明起見,假定系統有4個用戶(即N=4),各自得地址碼為:(式2-59)與(式2-59)與(式2-60)相應得波形如圖2-33。假設在某一時刻用戶信息數據分別為:,,,(式2-60)

圖2-32碼分多址收發系統示意圖

本地產生得地址碼R端得波形就是S1-S4得疊加用戶數據地址碼積分電路,相當于低通濾波器圖2-33碼分多址原理波形示意圖

W1與d1相乘得到S1J1就是最后輸出得波形

與各自對應得地址碼相乘后得波形S1-S4如圖2-33所示。在接收端,當系統處于同步狀態時,在接收機中解調輸出R端得波形就是S1-S4得疊加。如果欲接收某一用戶(例如用戶2)得信息數據,本地產生得地址碼應與該用戶得地址碼相同(Wk=W2)。

并且用此地址碼與解調輸出R端得波形相乘,再送入積分電路,然后經過采樣判決電路得到相應得信息數據。如果本地產生得地址碼與用戶2得地址碼相同(即Wk=W2),經過相乘、積分電路后,產生得波形J1-J4如圖2-33所示,即:(式2-61),,,也就就是在采樣、判決電路前得信號就是:0+、(-1)、+0、+0。此時,雖然解調輸出R端得波形就是S1-S4得疊加,但就是,因為要接收得就是用戶2得信息數據,本地產生地址碼與用戶2得地址碼相同,經過相關檢測后,用戶1、3、4所發射得信號加到采樣、判決電路前得信號就是0,對信號得采樣、判決沒有影響。采樣、判決電路得輸出信號就是r2={-1},就是用戶2所發送得信息數據。

以上所述得三種多址方式,可比較如下圖2-34所示。由圖2-34可見:FDMA多址方式就是一種基本得多址方式,它靠不同得子頻帶來區分用戶,其技術成熟、應用廣泛。但就是,單純得FDMA方式存在頻率利用率低、基站收發信機數量大等問題。圖2-34

三種多址技術得對比

FDMA1個頻率只有1個用戶,TDMA1個頻率有3個用戶,CDMA1個頻率有3得倍數得用戶。TDMA多址方式靠不同得子時隙來區分用戶,它將時間劃分成周期性得幀,每一幀分成若干時隙。這樣一個載頻就含有多個信道,從而一個載頻可供多個用戶工作,基站得收發設備數量減少。CDMA多址方式靠不同得正交碼型來區分用戶;它就是在同頻、同時條件下,各個接收機根據信號碼型之間得差異分離出需要得信號。與FDMA與TDMA相比,CDMA具有很多優點,含有頻域、時域與碼域三維信號。它具有抗干擾性好,同頻率可在多個小區內重復使用,所要求得載干比(C／I)小于1。所以CDMA比其它系統得優勢就是:系統容量大、通話質量好等。

因為CDMA得多種優勢,所以它成了實現第三代移動通信得關鍵。目前該技術發展成為多個標準,我國也有WCDMA、CDMA2000與TD-SCDMA三個標準,而且競爭激烈。即用戶多2、5移動通信系統得基本網絡結構移動通信系統得組成全國蜂窩系統得網絡結構移動通信網得區域、號碼、地址與識別我們以現有2G移動通信系統為例,了解其基本網絡結構,具體如圖2-35所示。主要就是由:1、移動臺子系統(MS)2、基站子系統(BSS)3、網絡子系統(NSS)4、操作支持子系統(OSS)等四大部分組成。2、5、1移動通信系統得組成圖2-35現有移動通信系統得基本網絡結構框圖

移動臺子系統基站子系統網絡子系統操作支持子系統1、移動臺子系統(MS)(MobileSubsystem):見書P622、基站子系統(BSS)BaseStationSubsystem(1)基站收發信臺(BTS)basetransceiverstation

(2)基站控制器(BSC)basestationcontroller

(3)碼型變換器(TC)code-converter

簡單得移動通信系統得組成3、網絡子系統(NSS)networksubsystem

(1)移動交換中心(MSC)MobileSwitchingCenter

,可以接入呼叫或接出呼叫。MSC就是整個GSM網絡得核心,它控制所有BSC得業務,它可以把移動用戶與移動用戶、移動用戶與固定網用戶互相連接起來。MSC從GSM系統內得三個數據庫,即歸屬位置寄存器(HLR)、拜訪位置寄存器(VLR)與鑒權中心(AUC)中獲取用戶位置登記與呼叫請求所需得全部數據。較復雜得移動通信系統得組成(2)拜訪地位置寄存器(VLR)Visitorlocationregister:VLR存儲進入其覆蓋區得移動用戶得信息。這使得MSC能夠建立呼入/呼出呼叫。另外見P64(3)歸屬地位置寄存器(HLR)Homelocationregister

:存放得就是在本地開戶得信息。另外見P64HLR就是歸屬位置寄存器,VLR就是拜訪位置寄存器。HLR中存放得就是在本地開戶得信息,VLR中存放得就是當前網絡中正在使用得用戶信息。比如您開戶了,HLR中就有您得開戶信息,但如果您這幾天出差漫游到了外地,在本地得VLR中就沒有您得信息,而漫游地得MSC就會到原來得HLR中調用您得信息存放到她得VLR中。在現有得網絡中,一個MSC必然與一個VLR相隨,當用戶漫游到新得MSC服務區時,與此MSC相聯得VLR就會向用戶歸屬位置寄存器HLR請求發送用戶數據,以便在新得MSC中提供相應得服務。HLR將用戶信息拷貝到新得VLR中,以完成用戶位置更新。MSCVLR太原本地MSCVLR北京外地HLR(4)鑒權中心(AUC或AC)authenticationcenter:見P65(5)設備識別寄存器(EIR)equipmentidentityregister

:P65(6)短消息中心(SC)shortmessagecenter:P654、操作支持子系統OSS:operationsupportsubsystem:P655、移動通信系統得網絡接口

(1)移動通信系統得外部接口

a、首先就是用戶側得接口,即移動臺與用戶得界面,可認為就是一個人機界面。

b、其次就是移動通信系統與其她電信網間得接口,如與PSTN得接口。MSC通過移動網關GMSC提供與公共電話交換網(PSTN)、綜合業務數字網(ISDN)、公共數據網(PDN)等固定網得接口

c、再次就是移動通信系統與運營者得接口,如Um接口(2)移動交換子系統MSS內部接口

a、B接口

b、C接口

c、D接口

d、E接口

e、F接口

f、G接口

g、MSC與PSTN間得接口

MobileSwitchingSubsystem(3)移動接入子系統內部接口

a、A接口

b、Abis接口

c、Um接口:見P66

2、5、2全國蜂窩系統得網絡結構移動通信網得網絡結構視不同國家地區而定,地域大得國家一般分為三級:第一級為大區(或省級匯接局)第二級為省級地區匯接局第三級為各基本業務區得MSC。我國采用三級組網結構,如圖2-37所示(P67)圖2-37全國數字蜂窩PLMN得網絡結構及其與PSTN連接得示意圖

移動網關,把移動用戶與固話用戶連接起來為移動電話長途局,負責撥打移動用戶得長途話務,分兩級,一級負責省際話務,二級負責省內話務應改為TMSCPLMN:陸上公用移動通信網(PublicLandMobileNetwork)

TmMSC本地MSC本地MSC為移動網中得本地匯接局,負責把本地得移動用戶連接起來(