移动通信加卫星通信.ppt

,3.1,移动通信的基本理论,3,.2 GSM,数字蜂窝移动通信系统,3.3,码分多址,(CDMA),蜂窝移动通信系统,3.4,卫星通信系统,移动通信原理与系统,3.1,：,移动通信的基本理论,现代综合业务通信网中不可缺少的一环就是移动通信。由于移动通信几乎集中了有线和无线通信的最新技术成就，不仅可以传送话音信息，而且还能够传送数据信号，使用户随时随地快速而可靠地进行多种信息交换，因此，它和卫星通信、光缆通信一起被列为现代通信领域中的三大新兴通信手段。,3.1,移动通信的基本理论,概述,移动通信中的电波传播与分集接收,干扰与噪声,移动通信信号的调制技术,概述,1,：移动通信的概念,移动通信,-,指的是通信双方至少有一方处在运动状态中所进行的信息交换。移动体与固定点之间、移动体相互之间信息的交换都可以称为移动通信。其中移动体可以是人,也可以是车、船、飞机等处在移动状态中的物体。,概述,2,：移动通信的分类,按设备的使用环境可分为陆地移动通 信、海上移动通信和航空移动通信；,按服务对象可分为专用移动通信和公用移动通信；,按系统组成结构可分为蜂窝移动电话系统、集群调度移动电话系统、无中心个人无线电话系统、公用无绳电话系统和移动卫星通信系统。,概述,3,：,移动通信的特点,1,.,电波衰落现象,2.,远近效应,3.,干扰大,4.,多普勒效应,5.,环境条件差,概述,4,：,移动通信系统的组成,移动通信系统一般由移动台（,MS,）、基站（,BS,）、移动业务交换中心（,MSC,）等组成。,BS,MSC,市话局,MS,市话网,（,PSTN,）,移动电话网,概述,5,：,移动通信的服务区域,1.,大区制,大区制概念的提出早于小区制,主要为早期的通信系统所采用,满足了当时系统中小容量的需求。,大区制是指把一个通信服务区域仅规划为一个或少数几个无线覆盖区,简称无线区。所谓无线区是指当基站采用全向天线时,在无障碍物的开阔地,以通信距离为半径所形成的圆形覆盖区。每个无线区的半径在,2545 km,左右,用户容量为几十至数百个。每个无线区仅为一个基站所覆盖,基站基本上是相互独立的。,图,1-2,借助市话交换局的大区制移动通信示意图,大区制的缺点是,:,由于一个基站所能提供的信道数有限,因而系统容量不高,不能满足用户数目日益增加的需要,这是由制式本身决定的,无法克服。移动台的天线低,发射功率受限,在大的覆盖区内,上行链路,(,由移动台到基站,),的通信就无法保证了,为此,常采用分集接收技术。即在服务区内设置若干个分集接收点,R,d,与基站相连,(,如图,1-3,所示,),以保证上行链路的通信质量。,大区制只适合于在中小城市或专用移动网等业务量不大的情况下使用。,为了适应大城市或更大区域的服务要求,必须采用小区制组网方式,以在有限的频谱条件下,达到扩大容量的目的。,图,1-3,采用分集接收台的示意图,2.,小区制,根据服务区域的形状不同,小区制又可分为带状区和面状区,(,蜂窝网,),等。面状区的蜂窝网结构又可分为宏蜂窝结构、微蜂窝结构以及智能蜂窝结构三种。,小区制是指把一个通信服务区域分为若干个小无线覆盖区,每个小区的半径在,220 km,左右,用户容量可达上千个。每个小区设置一个基站,负责本区移动台的联系和控制,各个基站通过移动业务交换中心相互联系,并与市话局连接。每个小区只需提供较少的几个无线电信道,(,一个信道组,),就可满足通信的要求,邻近的小区使用不同的信道组。,小区中的基站天线采用全向天线,在理想情况下,它覆盖的面积可视为一个以基站为中心,以最大可通信距离为半径的圆。为了不留空隙地覆盖整个面状服务区,各个圆形覆盖区之间一定存在很多重叠区。通过理论分析,通信系统现在大都采用与圆形较接近的正六边形作为小区的形状结构,因为这种结构既避免了相邻覆盖区间的重叠,又不会产生空隙,区域衔接更紧密,产生的相互干扰更小。又由于该结构看上去像是蜂窝,所以称其为,“,蜂窝式移动通信”。蜂窝结构示意图如图,1-4,所示。,图,1-4,蜂窝结构示意图,小区制结构的最大特点是,:,采用信道复用技术,大大缓解了频率资源紧缺的问题,提高了频率利用率,增加了用户数目和系统容量。所谓信道复用技术指的是,:,相邻小区不使用相同的信道组,但相隔几个小区间隔的不相邻小区可以重复使用同一组信道,以充分利用频率资源。不使用同一组信道的若干个相邻小区就组成了一个区群,(,图中的阴影区域即为一个区群,),即整个通信服务区也可看成是由若干个区群构成的。,小区制结构的另一特点是,:,信道距离缩短,发射机功率降低,于是互调干扰亦减小。,小区制结构也存在着一些问题,:,由于信道复用,可能产生同信道干扰,这就涉及到一些相关技术,:,分集接收技术、功率控制技术、小区半径最优化技术等。信道复用带来的另一问题是,:,当移动台从一个小区驶入另一个无线区时,即越区过程中必须进行信道自动切换,以保证移动台越区时通话不间断,这又涉及到了越区切换技术。为此,还要及时掌握移动台动态位置,位置登记技术。另外,为进一步提高信道的利用率和通信的质量,可以采用码分多址,(CDMA),方式和信道动态分配方法等。,概述,6,：,移动通信的传输方式,1.,单工通信,所谓单工通信是指通信双方交替进行收信和发信的通信方式,发送时不接收,接收时不发送。单工通信常用于点到点的通信,如图,1-5,所示。根据收发频率的异同,单工通信可分为同频单工和异频单工。,图,1-5,单工通信,同频单工是指通信双方在相同的频率,f,1,上由收发信机轮流工作。平时双方的接收机均处于收听状态,当某方需要发话时,即按下发话按钮,关掉自己的接收机而使发射机工作,此时由于对方的接收机仍处于收听状态,故可实现通信。这种操作通常称为,“,按,-,讲,”,方式。同频单工的优点是,:,仅使用一个频率工作,能够最有效地使用频率资源,;,由于是收发信机间断工作,线路设计相对简单,价格也便宜。其缺点是,:,通信双方要轮流说话,即对方讲完后我方才能讲话,使用不方便。,异频单工是指通信双方的收发信机轮流工作,且工作在两个不同的频率,f,1,和,f,2,上。例如基站以,f,1,发射,移动台以,f,1,接收,而移动台以,f,2,发射,基站以,f,2,接收。异频单工只是在有中转台的无线电通信系统中才使用。,2.,双工通信,图,1-6,双工通信,双工通信的特点是,:,同普通有线电话很相似,使用方便。其缺点是,:,在使用过程中,不管是否发话,发射机总是工作的,故电能消耗很大,这对以电池为能源的移动台是很不利的。针对此问题的解决办法是,:,要求移动台接收机始终保持在工作状态,而令发射机仅在发话时才工作。这样构成的系统称为准双工系统,也可以和双工系统兼容。这种准双工系统目前在移动通信系统中获得了广泛的应用。,3.,半双工通信,半双工通信是介于单工通信和全双工通信之间的一种通信方式,如图,1-7,所示。其中,移动台的工作情况与单工通信时相似,:,采用,“,按,-,讲,”,方式,即按下按讲开关,发射机才工作,而接收机总是在工作。基站的工作情况与全双工通信时相似,只是可以采用双工器,使收发信机共用一副天线。,半双工通信的特点是,:,设备简单，功耗小，克服了单工通信断断续续的现象,但操作仍不太方便。所以半双工方式主要用于专业移动通信系统中,如汽车调度等。,图,1-7,半双工通信,1,频率资源简介,表,1-1,频段的划分及主要用途,概述,7,：,移动通信的频段分配,2,频率分配现状及发展趋势,(1)1979,年,国际电信联盟,(ITU),首次给陆地移动通信划分出主要频段。根据,ITU,的规定,1980,年我国国家无线电管理委员会制定出陆地移动通信使用的频段,(,以,900 MHz,为中心,),。,集群移动通信,:806821 MHz(,上行,);851866 MHz(,下行,),。,军队,:825845 MHz(,上行,);870890 MHz(,下行,),。,大容量公用陆地移动通信,:890915 MHz(,上行,);935960 MHz(,下行,),。,此时,我国大容量公用陆地移动通信采用的是,TACS,体制的模拟移动通信系统,相邻频道间隔为,25 kHz,。,(2),为支持个人通信发展,1992,年,ITU,在世界无线电管理大会,(WARC,92),上,对工作频段作了进一步划分,:,未来移动通信频段,17102690 MHz,在世界范围内可灵活应用,并鼓励开展各种新的移动业务。,18852025 MHz,和,21102200 MHz,用于,IMT-2000,系统,以实现世界范围的移动通信。,移动卫星通信频段,小低轨道移动卫星通信,:148149.9 MHz(,上行,);,137138 MHz,、,400.15401 MHz(,下行,),。,大轨道移动卫星通信,:16101626.5 MHz(,上行,);,2483.52500 MHz(,下行,),。,第三代移动卫星通信,:19802010 MHz(,上行,);,21702200 MHz(,下行,),。,1995,年,修改为,19802025 MHz(,上行,);,21602200 MHz(,下行,),。,此时,我国大容量公用陆地移动通信采用的是,GSM,体制的数字移动通信系统,相邻频道间隔为,200kHz,。上行链路采用,905915 MHz,频段,下行链路采用,950960 MHz,频段。随着业务的发展,可据需要向下扩展,相应缩小模拟公用移动电话网的频段,(890905 MHz,935950 MHz),。,(3)2000,年,ITU,在世界无线电管理大会,(WARC,2000),上,为,IMT-2000,重新分配了频段,标志着建立全球无线系统新时代的到来。这些频段是,805960MHz,、,17101885MHz,和,25002690 MHz,。,目前各国在应用以,800/900 MHz,频段为主的大容量模拟和数字蜂窝移动通信的基础上,正在开发研制,13 GHz,频段能够用于个人通信的移动通信设备,并且已经有大量,1800 MHz,频段的通信产品供应市场。预计近几年,第三代移动通信系统和手持机将大规模地进入世界范围的市场。,概述,8,：,多址技术,所谓多址技术就是使多个用户接入并共享同一个无线通信信道,以提高频谱利用率的技术。即把同一个无线信道按照时间、频率等进行分割,使不同的用户都能够在不同的分割段中使用这一信道,而又不会明显地感觉到他人的存在,就好像自己在专用这一信道一样。占用不同的分割段就像是拥有了不同的地址,使用同一信道的多个用户就拥有了多个不同的地址。这就是多址技术,亦称多址接入技术。,如在蜂窝移动通信系统中,多个移动用户要同时通过一个基站和其他移动用户进行通信,就必须对基站和不同的移动用户发出的信号赋予不同的特征,使基站能从众多移动用户的信号中区分出是哪一个移动用户发来的信号,同时各个移动用户又能够识别出基站发出的信号中哪个是发给自己的。蜂窝移动通信系统中多址技术的简单模型如图,1-32,所示。,图,1-32,蜂窝移动通信系统中多址技术简单模型,不同的多址方式对通信系统的容量和质量影响很大,因此,寻求更好的多址方式就成为重要的研究目标。按照信道资源的共享方式,多址技术通常可分为三类,:,固定分配多址,(FAMA,Fixed Assignment Multiple Access),、按需分配多址,(DAMA,Demand Assignment Multiple Access),和随机多址,(RMA,Random Multiple Access),。,FAMA,的信道分配形式固定,只适用于用户数量比较少,通信业务量比较稳定的系统。,DAMA,根据用户的需要为其分配一定的信道容量,适用于通信业务量随时间变化,且这种变化又难以预测的情况,但实现,DAMA,需要一个专用信道,以供所有用户以固定分配或随机接入方式提出呼叫申请。当网络由大量用户组成,而这些用户又只是间歇性地工作时,采用,FAMA,或,DAMA,效率会很低,这时可采用随机多址技术。目前已得到广泛应用的随机多址技术有两类,:,扩频码分多址,(SS,CDMA),和,ALOHA,多址。,1.,频分多址,(FDMA),频分多址技术按照频率来分割信道,即给不同的,用户分配不同的载波频率以共享同一信道。频分多址技术是模拟载波通信、微波通信、卫星通信的基本技术,也是第一代模拟移动通信的基本技术。,在,FDMA,系统中,信道总频带被分割成若干个间隔相等且互不相交的子频带,(,地址,),每个子频带分配给一个用户,每个子频带在同一时间只能供给一个用户使用,相邻子频带之间无明显的干扰。,以模拟系统,TACS,为例,其总频带宽度为,45 MHz,频道间隔,(,子频带,),为,25 kHz,那么在,935,960 MHz,的上行频带内,每,25 kHz,取一个载波频率,可以得到,935,935.025,935.05,959.05,959.075,和,960 MHz,一共,1000,个互不交叠的载频。频分多址方式将移动台发出的信号调制到移动通信频带内的不同载频上,这些载频在频率轴上分别排开,互不重叠。基站可以根据载频的不同来识别发射地址,(,移动台,),从而完成多址连接。所以,FDMA,中,每个载频对应一个信道,而且由于信道在时间轴和空间轴上没有被分割,因此信号可以在每一个载频信道上连续传输。,FDMA,示意图如图,1-33,所示。,图,1-33 FDMA,示意图,2.,时分多址,(TDMA),时分多址技术按照时隙来划分信道,即给不同的用户分配不同的时间段以共享同一信道。时分多址技术是数字数据通信和第二代移动通信的基本技术。,在,TDMA,系统中,时间被分割成周期性的帧,每一帧再分割成若干个时隙,(,地址,),。无论帧或时隙都是互不重叠的。然后,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送信号,在满足定时和同步的条件下,基站可以分别在各时隙中接收到各移动台的信号而互不混扰。同时,基站发向多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,就能在合路的信号中把发给它的信号区分出来。,图,1-34 TDMA,示意图,与,FDMA,技术相比,TDMA,具有如下特性,:,(1),每载频多路。,TDMA,系统能够在每一载频上产生多个时隙,而每个时隙都是一个信道,因而能够进一步提高频谱利用率,增加系统容量。,(2),传输速率高。每一载频含有时隙多,则频率间隔宽,传输速率也就高。,(3),对新技术开放。例如当因语音编码算法的改进而降低比特速率时,TDMA,系统的信道很容易重新配置以接纳新技术。,(4),共享设备成本低。由于每一载频为许多客户提供业务,因此,TDMA,系统共享设备的每客户平均成本与,FDMA,系统相比是大大降低了。,(5),不存在频率分配问题。对时隙的管理和分配通常要比对频率的管理与分配简单而经济，所以,TDMA,系统更容易进行时隙的动态分配。,(6),基站可以只用一台发射机。可以避免像,FDMA,系统那样因多部不同频率的发射机同时工作而产生的互调干扰。,同时,TDMA,也具有一定的缺陷,:,必须有精确的定时和同步。,(2),移动台较复杂。,(3),传输开销大。,3.,码分多址,(CDMA),码分多址技术按照码序列来划分信道,即给不同的用户分配一个不同的编码序列以共享同一信道。码分多址技术是第二代移动通信的演进技术和第三代移动通信的基本技术。,在,CDMA,系统中,每个用户被分配给一个惟一的伪随机码序列,(,扩频序列,),各个用户的码序列相互正交,因而相关性很小,由此可以区分出不同的用户。与,FDMA,划分频带和,TDMA,划分时隙不同,CDMA,既不划分频带又不划分时隙,而是让每一个频道使用所能提供的全部频谱,因而,CDMA,采用的是扩频技术,它能够使多个用户在同一时间、同一载频以不同码序列来实现多路通信。,CDMA,示意图如图,1-35,所示。,图,1-35 CDMA,示意图,以上三种多址技术相比较,CDMA,技术的频谱利用率最高,所能提供的系统容量最大,它代表了多址技术的发展方向,;,其次是,TDMA,技术,目前技术比较成熟,应用比较广泛,;FDMA,技术由于频谱利用率低,将逐渐被,TDMA,和,CDMA,所取代,或者与后两种方式结合使用,组成,TDMA/FDMA,、,CDMA/FDMA,方式。,4.,空分多址,(SDMA),空分多址技术是按照空间的分割来构成不同信道的。理论上讲,空间中的一个信源可以向无限多个方向,(,角度,),传输信号,从而可以构成无限多个信道。但是由于发射信号需要用天线,而天线又不可能是无穷多个,因而空分多址的信道数目是有限的。,实际上,空分多址技术是卫星通信的基本技术。在一颗卫星上安装多个天线,这些天线的波束分别指向地球表面上的不同区域,使各区的地球站所发射的电波不会在空间出现重叠,这样即使是工作在相同时隙、相同频率或相同地址码的情况下,这些地球站信号之间也不会形成干扰,从而可以使系统的容量大大增加。,实际上,SDMA,技术具有众多优点,包括,:,(1),系统容量大幅度提高。,(2),扩大覆盖范围。,(3),兼容性强。,(4),大幅度降低来自其他系统和其他用户的干扰。,(5),功率大大降低。,(6),定位功能强。,2.,移动信道中的电波传播与分集接收,1,电波传播,图,1-15,移动通信系统中的电波传播,(1).,电波传播方式,图,1-16,移动通信电波传播方式示意图,1),直射波,电波传播过程中没有遇到任何的障碍物,直接到达接收端的电波,称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。,2),反射波,电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,会在物体表面发生反射,形成反射波。反射常发生于地表、建筑物的墙壁表面等。,3),绕射波,电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时,会由阻挡表面产生二次波,二次波能够散布于空间,甚至到达阻挡体的背面,那些到达阻挡体背面的电波就称为绕射波。由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性,使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。,4),散射波,电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时,会在其表面发生散射,形成散射波。散射波可能散布于许多方向,因而电波的能量也被分散于多个方向。,(2).,电波传播现象,图,1-17,移动通信电波传播路径损耗和多径衰落,移动通信电波传播最具特色的现象是多径衰落,或称多径效应。无线电波在传输过程中会受到地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等,从而使电波沿着各种不同的路径传播,这称为多径传播。由于多径传播使得部分电波不能到达接收端,而接收端接收到的信号也是在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条路径上信号的合成信号,因而会产生信号的频率选择性衰落和时延扩展等现象,这些被称为多径衰落或多径效应。,所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关,即传输信道对信号中不同频率成分有不同的、随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致,因此衰落信号波形将产生失真。,所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径,路径长度不同,且传输路径随移动台的运动而不断变化,因而可能导致发射端一个较窄的脉冲信号,s,0,(,t,)=,a,0,(,t,),在到达接收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号 。时延扩展可直观地理解为在一串接受脉冲中,最大传输时延和最小传输时延的差值,即最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值,记为,。实际上,就是脉冲展宽的时间。时延扩展示意图如图,1-18,所示。,图,1-18,时延扩展示意图,移动台接收信号的强度随移动台的运动产生随机变化,(,即衰落,),这种变化的周期从几分之一秒至几小时不等。因此移动通信电波传播中的衰落又常分为慢衰落和快衰落两种。,慢衰落,(,也称长期衰落,),指的是接收信号强度随机变化缓慢,具有十几分钟或几小时的长衰落周期。慢衰落主要是由电波传播中的阴影效应以及能量扩散所引起的,具有对数正态分布的统计特性。,快衰落,(,也称短期衰落或多径衰落,),指的是接收信号强度随机变化较快,具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。快衰落主要是由电波传播中的多径效应所引起的,具有莱斯分布或瑞利分布的统计特性。当发射机和接收机之间有视距路径时一般服从莱斯分布,无视距路径时一般服从瑞利分布。,路径损耗是上述现象的一个综合结果,指的是信号从发射天线经无线路径传播到接收天线时的功率损耗,可以用发射天线的绝对功率电平与接收天线的绝对功率电平之差值来表示。路径损耗的一个主要原因是电波会随着距离而扩散,从而使接收机的接收功率随着传输距离的增加而减小,;,路径损耗的另一个原因是地表以及地表上的各种障碍物的影响。因而,影响路径损耗的几点要素是,:,传输距离、天线高度和频率间隙等。例如,发射机的功率电平是,10 dB,若路径损耗为,50 dB,则接收机的接收功率电平是,-40 dB,。,(,3).,电波传播的分类,当电波频率、移动体和电波传播环境不同时,电波传播特性也不相同。在对电波传播特性进行研究时,可以根据电波的频率分为甚低频,(VLF),、低频,(LF),、中频,(MF),、高频,(HF),、甚高频,(VHF),、特高频,(UHF),和更高频,(,超高频、极高频等,),几种情况。其中甚高频和特高频是目前移动通信电波传播研究工作应侧重的频段。,电波传播也可以根据移动通信系统的类型,分为陆地移动通信的电波传播、海上移动通信的电波传播、空中移动通信的电波传播和卫星移动通信的电波传播等。而陆地移动通信的电波传播又可分为自由空间电波传播、建筑物内电波传播、隧道内电波传播、小区,(,微小区、微微小区,),电波传播等。,图,1-19,不同途径的电波传播示意图,(a),沿地球表面传播的地波,;(b),沿空间直射或经地表反射传播的空间波,;,(c),沿空间经电离层反射或折射传播的空间波,1),地形的分类与定义,各种各样的地形可归结为两大类,:,准平坦地形和不规则地形。所谓准平坦地形是指在电波传播路径上,地面起伏平缓,起伏高度不超过,20 m,峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度的地形。当然,平坦地形也包括在这一类中。所谓不规则地形是指除准平坦地形之外的所有地形,如丘陵、孤立山岳、倾斜地带和水陆混合地形等。,2),地物的分类与定义,(1),开阔地。呈开阔状地面,在电波传播的路径上无高大树木或建筑物,或在,400 m,内没有任何阻挡物的场地,如荒野、广场、沙漠和戈壁滩等。在这种情况下,到达接收端的大都是直射波,相当于电波在自由空间中传播的情况。,(2),郊区。在电波传播的路径上有些高度较低且分布稀疏的障碍物,如果木林,郊区公路网和树木、房屋稀少的田园地带等。,(3),市区。有密集的建筑物和较多的高层楼房区域,如城市市区和茂盛林区等。,4.,典型电波传播的分析,1),自由空间电波传播,自由空间是指相对介电常数和导磁率为,1,的均匀介质所存在的空间,该空间具有各向同性、电导率为零的特点,它是一种理想的传播环境。电波在自由空间传播时与在真空中传播一样,只有直线传播的扩散损耗。,对于移动通信系统而言,其自由空间路径损耗,L,bs,仅与传输距离,d,和电波频率,f,有关,而与收、发天线增益无关。可用下式来表示,:,L,bs,=32.44+20lg,d,+20 lg,f,式中,传输距离,d,的单位为,km,电波频率,f,的单位为,MHz,，,L,bs,单位为,dB,。,从上式可看出,传播距离,d,越远,自由空间路径损耗,L,bs,越大,当传播距离,d,加大一倍时,自由空间路径损耗,L,bs,就增加,6dB;,电波频率,f,越高,自由空间路径损耗,L,bs,就越大,当电波频率,f,提高一倍时,自由空间传播损耗,L,bs,就增加,6 dB,。,在无线电传播中,自由空间传播是最简单的形式。当讨论其他传播方式时,常用自由空间传播作为参考。,2),由建筑物外部向内部的穿透传播,发射机在建筑物外部时,电磁波可能会在穿透建筑物后继续传播,称为穿透传播。穿透传播会造成穿透损耗。穿透损耗可定义为建筑物室外场强与室内场强之比,(,用,dB,表示,),。影响穿透损耗的几点要素有建筑物结构,(,砖石、钢筋混凝土、土等,),和建筑物厚度、电波频率、楼层高度、进入室内的深度等。,简单来说,钢筋混凝土结构的穿透损耗大于砖石或土结构的穿透损耗,;,建筑物厚度大的穿透损耗比厚度小的低,;,电波频率越高,穿透能力越强,越容易通过门窗到达室内,越有利于在建筑物内部传播,;,楼层越高,穿透损耗越小,;,建筑物内的损耗随电波穿透深度,(,即进入室内的深度,),而增大。,5.,电波传播的估算,对移动环境中电波传播特性的研究,可以采用两种方法,:,理论分析方法和实测分析方法。理论分析方法通常用射线表示电磁波束的传播,在确定收发天线的高度、位置和周围环境的具体特征后,可根据直射、折射、反射、散射、透射等波动现象,用电磁波理论计算电波传播路径损耗及有关信道参数。实测分析方法是在典型的传输环境中进行现场测试,并用计算机对大量实测数据进行统计分析。这两种方法最终都要建立有普遍适用性的数学模型,以进行传播预测。在实际工作中,人们往往把二者结合起来,从而能够实现对电波传播特性更准确的估算。,目前,常用的电波传播模型有,OkumuraHata,模型和,WalfishIkegami,模型。,OkumuraHata,模型由国际无线电咨询委员会,(CCIR),推荐,其特点是以准平坦地形城市市区环境作为基准,对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。,OkumuraHata,模型中值路径损耗经验公式为,L,b,69.55,26.16 lg,f,-13.82lg,h,b,-,(,h,m,),(44.9-6.55 lg,h,b,)lg,d,其中,L,b,为市区准平滑地形电波传播损耗中值,(dB),f,是工作频率,(MHz),h,b,是基站天线有效高度,(m),h,m,是移动台天线有效高度,(m),d,为移动台与基站之间的距离,(km),(,h,m,),是移动台天线高度因子。,WalfishIkegami,模型由欧洲电信科学技术研究联合会推荐,其特点是从对众多城市的电波实测中得出的一种小区域覆盖范围内的电波损耗模式。,不管是用哪一种模型来估算电波传播损耗,只是基于理论分析和实际测试结果的近似计算。由于移动通信的实际环境千差万别,因而很难用一种数学模型来精确地表征各种不同地区的传播特性。随着移动通信的发展,小区半径越来越小,小区传播环境的特殊性也越来越突出,也就越难归纳出统一的传播模型。,抗噪声和干扰技术,1.,噪声的分类与特性,图,1-36,噪声的分类,内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。例如,在电阻一类的导体中由电子的热运动所引起的热噪声,真空管中由电子的起伏性发射或半导体中由载流子的起伏变化所引起的散弹噪声及电源哼声等。电源哼声及接触不良或自激振荡等引起的噪声是可以消除的,但热噪声和散弹噪声一般无法避免,而且它们的准确波形不能预测。这种不能预测的噪声统称为随机噪声。,外部噪声又包括自然噪声和人为噪声,这些噪声也属于随机噪声。自然噪声主要是指自然界引起的各种噪声,包括大气噪声、宇宙噪声和热噪声等。人为噪声是指各种电气装置,(,如电动机、电焊机、电气开关等,),中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射。这种噪声电磁波除直接辐射外,还可以通过电力线传播,并由电力线和接收机天线间的电容性耦合而进入接收机。在移动信道中,人为噪声主要是车辆的点火噪声。汽车的流量越大,这种人为噪声的影响就越大。,依据特征不同,噪声又可分为脉冲噪声和起伏噪声两种。脉冲噪声在频谱上通常有较宽的频带,而在时间上却无规则,例如,汽车发动机所产生的点火噪声,这种噪声的主要特点是其突发的脉冲幅度较大,而持续时间较短。除脉冲噪声之外的都可归属为起伏噪声。热噪声、散弹噪声及宇宙噪声是典型的起伏噪声。,2.,干扰的分类及抗干扰技术,1),同频道干扰,在移动通信系统中,为了提高频率利用率,相隔一定距离要重复使用相同的频道,这种方法称作同频道再用。同频道再用带来的问题是同频道干扰,再用距离越近,同频道干扰越大,;,再用距离越远,同频道干扰越小,但频率利用率也会降低。实际情况下,随着系统规模不断扩大,频率复用度必然增加,从而同频道干扰的产生机率也会大大增加。此外,在移动信道中,还存在着其他各种各样的干扰信号,凡是与有用信号具有相同频率的无用信号,(,如多径传输形成的多径信号,),或者与有用信号具有不同频率,但频差不大,能进入同一接收机通带的无用信号,都能产生同频道干扰。构成同频道干扰的频率范围为,f,0,B,i,/2,f,0,为载波频率,B,i,为接收机的中频带宽。,改善同频道干扰主要采用以下几种措施,:,(1),调整基站发动机功率或天线高度,使重叠区落在人烟稀少的地区,但实际操作很难把握。,(2),使用频率偏置技术。,(3),使用黑噪声技术。,(4),采用时延均衡技术。,图,1-37,时延均衡技术消除同频干扰的原理框图,2),互调干扰,互调干扰是由发射机中的非线性电路产生的。例如,当多部不同频率的发射机设置在同一地点时,它们的信号都可能通过电磁耦合或其他途径窜入其他发射机中。在发射机非线性器件的作用下,会产生许多谐波和组合频率分量,其中与接收机所需信号频率,0,相邻近的组合频率分量会顺利地进入接收机而形成干扰。,近年来,移动通信发展迅猛,竞争日趋激烈,为了提高竞争力,扩大覆盖范围,必然要增加发射机数量,天线架设越来越密集,互调干扰问题不可避免。,减小发射机互调干扰的措施有,:,(1),尽量增大基站发射机之间的耦合损耗,L,e,。各发射机分用天线时,要增大天线间的空间隔离度,;,在发射机的输出端接入高质量的带通滤波器,增大频率隔离度,;,避免馈线相互靠近和平行敷设。,(2),改善发射机非线性器件的性能,提高其线性动态范围。,(3),在共用天线系统中,各发射机与天线之间加入单向隔离器或高质量的谐振腔。,3),邻道干扰,所谓邻道干扰是指相邻的或邻近频道信号的相互干扰。目前,移动通信系统广泛使用,VHF,、,UHF,其都有一定的频道间隔,但是,调频信号的频谱是很宽的,理论上说,调频信号含有无穷多个边频分量,当其中某些边频分量落入邻道接收机的通带内,而邻道接收机的滤波性能不够好时,就会造成邻道干扰。,图,1-38,给出第一频道,(No.1),发送的调频信号落入邻道,(No.2),示意图。其中,N,L,为落入邻近频道的最低边频次数,F,m,为调制信号的最高频率,B,R,是频道间隔,B,i,为接收机的中频带宽。,F,TR,为频偏,那么落入邻道接收机通带的最低边频次数为,由以上分析可知,克服邻道干扰有下列措施,:,(1),降低基站的发射功率,;,(2),移动台采用自动功率控制装置,;,(3),在无线近区设置强信号吸收装置。,(,三,),调制和解调,无线通信系统的发射机和接受机原理：,调制分类：,按调制信号的不同：模拟信号调制和数字信号调制,按调制的参数不同：调幅,AM,、调频,FM,、调相,PM,(1),模拟信号调制,(a),调幅,(AM),AM,低频调制信号,高频载波信号,调幅信号,(b),调频,(FM),FM,调频信号,低频调制信号,高频载波信号,u,F,(c),调相,(PM),(2),数字信号调制,数字通信就是采用这种数字调制方式的通信,移动通信系统出现在半个世纪以前，,80,年代以后得到了迅速发展。数字程控交换技术的采用，综合业务数字网（,ISDN,）的开发成功，智能网研究的新进展，为实现个人通信打下了网络基础。特别是随着蜂窝组网技术的完善和大容量系统的出现，移动通信已经成为发展速度最快、最受欢迎、最灵活方便的通信技术之一。,3.2 GSM,数字蜂窝移动通信系统,数字蜂窝移动通信系统是将通信范围分为若干相距一定距离的小区，移动用户可以从一个小区运动到另一个小区，依靠终端对基站的跟踪，从而使通信不中断。移动用户还可以从一个城市漫游到另一个城市，甚至到另一个国家与原注册地的用户终端通话。数字蜂窝移动通信系统的组成原理如图,3.2-1,所示，主要由三部分组成：控制交换中心、若干基地台和诸多移动终端，通过控制交换中心进入公用有线电话网，从而实现移动电话与固定电话、移动电话与移动电话之间的通信。从基站到移动台的传输方向称为下行链路,(,或前向链路,),，从移动台到基站的传输方向称为上行链路,(,或反向链路,),。目前广泛应用的是第二代移动通信系统，采用窄带时分多址,(TDMA),和窄带码分多址,(CDMA),数字接入技术，已形成的国家和地区标准有欧洲的,GSM,系统、美国的,IS-54,系统和,IS-95,系统、日本的,PDC,系统。我国主要采用欧洲的,GSM,系统。,图,3.2,1,数字蜂窝移动通信系统组成原理图,3.2.1GSM,系统的主要性能和特点,GSM,系统的主要性能如下所述。,1.,工作频率,GSM900,系统：上行链路频率,890,915MHz,，下行链路频率,935,960 MHz,，双工间隔为,45 MHz,，工作带宽为,25 MHz,，载频间隔,200 kHz,。,GSM1800,系统：上行链路频率,1710,1785 MHz,，下行链路频率,1805,1880 MHz,，双工间隔为,95 MHz,，工作带宽为,75 MHz,，载频间隔为,200 kHz,；,EGSM900,系统：上行链路频率,880,915 MHz,，下行链路频率,925,960 MHz,。,EGSM900,比,GSM900,在上,/,下行频段向下扩展了,10 MHz,工作带宽，以解决目前,GSM900,系统频道拥挤问题。,2.,发射类别,271kF7W,，即,8,个基本物理信道采用时分多址,(TDMA),方式和高斯滤波最小移频键控,(GMSK,，,BT=0.3),调制，每载波信息速率为,270.833 kb/s,。,3.,小区结构和频率再用,农村地区可采用宏小区，小区半径可达,35 km,；城市地区的小区半径为,10,20 km,；市中心等业务量密集地区可采用微小区，半径,0.5 km,左右。地域覆盖模式为,9,小区的区群，同频保护比为,=9 dB,。,4.,业务信道,语音编码器的基本速率为,13.0 kb/s,，加纠错保护后的总速率为,22.8 kb/s,；透明数据速率,2.4 kb/s,、,4.8 kb/s,和,9.6 kb/s,；非透明数据基本速率,12.0 kb/s,。,5.,小区选择,由移动台进行小区选择，小区选择的条件是以路径损耗测量结果为依据。如果传输质量不满足指标要求或者不能对基站发射的寻呼块进行译码或者不能接入上行线路，则移动台就开始重新选择小区。,GSM,系统具有下列主要特点：,(1)GSM,系统是由几个分系统组成的，并且可与各种公用通信网,(PSTN,、,ISDN,、,PDN,等,),互连互通。各分系统之间或各分系统与各种公用通信网之间都明确和详细定义了标准化接口规范，保证任何厂商提供的,GSM,系统或子系统都能互连；,(2)GSM,系统能提供国际间的自动漫游功能，所有,GSM,移动用户都可进入,GSM,系统而与国别无关；,(3)GSM,系统除了可以提供话音业务外，还可以提供各种数字业务；,(4)GSM,系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全；,(5)GSM,系统具有灵活和方便的组网结构，频率重复利用率高，业务承担能力强，保证在话音和数据通信两个方面都能满足用户对大容量、高密度业务的要求；,(6)GSM,系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高等。,3.2.2GSM,系统的结构及功能,GSM,系统的典型结构如图,3.2-2,所示，主要由三个相关的子系统组成，它们是网络子系统,(NSS),、操作支持子系统,(OSS),和基站子系统,(BSS),。移动台,(MS),也是一个子系统，但通常被认为是基站子系统的一部分。这些子系统通过一定的网络接口互相连接，并与用户相连。,基站子系统也叫无线子系统，提供并管理着移动台和网络子系统之间的无线传输通道，同时也管理着移动台与