电信传输原理第7章移动通信无线传输

第 7章 移 动 通 信 无 线 传 输 内容提要 2 移动通信概述移动通信的信道特征移动信道的噪声与干扰移动信道的传播模型蜂窝组网技术 7.1 移动通信概述 移动通信技术可以说从无线电通信发明之日就产生了。而现代移动通信技术的发展始于上世纪20年代，历经了模拟移动通信（1G）和数字移动通信（2G、3G、4G），目前5G正在研发阶段。 移动通信是指通信双方至少有一方处于运动状态中，并且其中的一部分传输介质是无线的通信方式，来进行信息的传递和交换。 按照移动体所处的位置不同，移动通信可分为陆地移动通信系统、海上移动通信系统和卫星移动通信系统。 7.1.1 移动通信的发展 1G移动通信系统：从二十世纪七十年代中期至八十年代中期，称为1G（第一代移动通讯技术），主要采用的是模拟技术和频分多址(FDMA)技术。 2G移动通信系统：2G时代从二十世纪八十年代中期开始， 主要采用的是数码的时分多址(TDMA)技术和码分多址(CDMA)技术，以GSM和IS-95为代表。 3G移动通信系统:3G是英3rd Generation的缩写，是指支持高速数据传输的第三代移动通信技术，第三代移动通信有更宽的带宽，其传输速度最低为384K，最高为2000kbps ，带宽可达5MHz以上。目 前3G存在四种标准：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX。 4G移动通信系统：4G是第四代移动通信及其技术的简称，该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式，是集3G与WLAN于一体，不仅音质清晰，并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等，支持交互式多媒体业务，如视频会议、无线因特网等，提供更广泛的服务和应用。 5G移动通信系统:国际电信联盟（ITU）从2012年开始组织全球业界开展5G标准化前期研究，持续推动全球5G共识形成。2017年底启动5G候选提案征集，2018年底启动5G技术评估和标准化，并于2020年底完成标准制定。 7.1.2 移动通信网络结构 用户终端通过基站经传输链路与核心网相连，这样就可以形成移动台 基站 核心网 固定用户或移动台 基站 核心网 移动用户等不同情况的通信链路,如图7-1所示。 图7 -1 移动通信网络结构简图 7.1.3 移动通信的特点信道特性差：移动通信中的用户可以在一定范围内自由活动，无线电波的传播特性一般要受到诸多因素的影响使电波会随着传输距离的增加而出现衰减，这些衰减和影响还是不断变化的，严重影响通信质量。传播环境干扰严重：由于移动通信开放式的传输环境，系统运行在复杂的干扰环境中，如外部噪声干扰、系统内干扰和系统间干扰。如何减少这些噪声和干扰的影响，也是移动通信系统要解决的重要问题。 移动通信的频谱资源非常有限：由于移动通信可利用的频率资源有限，如何提高移动通信系统的通信容量，始终是移动通信发展中的焦点。为了解决这一矛盾，一方面要开辟和启用新的频段；另一方面，要研究各种新技术和新措施，以压缩信号所占的频带宽度和提高频率利用率。通信系统复杂：由于移动台处于移动状态，是一个复杂的系统。对移动终端的要求高：移动通信终端长期处于位置不固定的移动状态，外界的影响时刻存在，这就要求移动终端要有很强的适应能力。 内容提要 9 移动通信概述移动通信的信道特征移动信道的噪声与干扰移动信道的传播模型蜂窝组网技术 信道是信号的传输介质，可分为有线信道和无线信道两类。有线信道包括明线、对称电缆、同轴电缆及光缆。无线信道有地波传播、短波电离层反射、超短波或微波视距中继、人造卫星以及各种散射信道等。移动通信采用无线通信方式。因此系统性能主要受无线信道的制约。 无线信号传播的开放性，接收点地理环境的复杂性和多样性，以及移动用户的随机移动性是移动无线信道的固有特征。7.2 移动通信的信道特征 7.2.1 表征衰落特性的常用数字特征场强中值：在移动通信中，接收信号的强弱值称为场强，为了表征电波传播的特性，则在T时间内超过 的概率为 ，在上式统计时间T内，当超过值的百分比为50%时，即称为场强中值。衰落深度：这是电波衰落程度的一种量度，用电平表示为：衰落深度/ ， 为接收电平值， 为场强中值。一般在移动通信系统中，衰落深度可达20 30分贝。0E 1% 100%n ii tP T 020lg iEdB E iE 0E 衰落速率：衰落速率描述接收信号场强变化快慢，即衰落的频繁程度。移动台移动速度越快，衰落越快，其平均衰落率表示为： （Hz） 式中，N为衰落率； 为移动台移动速度，单位为km/h； 为波长，应与同单位（km）;f为频率，一般以MHz为单位。 衰落持续时间：衰落持续时间是指场强低于某一给定电平值的持续时间。在移动通信中，常会出现移动台收不到基站信号或信号中断的情况。这种情况是由于接收到的信号电平值低于接收机门限电平所致。31.85 102N f 7.2.2 移动通信中无线电波传播的特性1.无线电波传播特性直线传播反射与折射绕射干涉2.无线电波传播特性传播的开放性接收点地理环境的复杂性与多样性 通信用户的随机移动性 7.2.3 移动信号传播的四种效应阴影效应：随移动台位置的不断变化而引起的接收点场强平均值的起伏变化叫做阴影效应。远近效应：由于各移动台与基站之间的距离远近不同导致在基站接收端，信号以强压弱，使离基站较远的移动台产生通信中断的现象称为远近效应。多径效应：在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，这种干扰或衰落是由于多径现象所引起的，故称这类干扰或衰落为多径效应。多普勒效应：由于移动台的高速运动而产生的传播信号频率的 扩散，称为多普勒效应。 7.2.4 移动信号传播的3类衰落损耗 在移动信道电波传播的特点、电波的传播形式及信号的四种效应下，信号从发射端经过无线信道到达接收端，功率会发生衰减，主要表现为以下3类衰落损耗:路径传播损耗、大尺度衰落、小尺度衰落。路径传播损耗：路径传播损耗，是指电波在空间传播所产生的损耗，即在发射端和接收端之间由传播环境引入的损耗的量。 大尺度衰落损耗：大尺度衰落损耗又称慢衰落，主要是指信号由于阴影效应而产生的损耗或由于大气参数变化引起折射率的缓慢变化还形成另一种慢衰落。小尺度衰落损耗：它反映了在微观范围(数十波长以下量级)内接收信号电平的平均值随机起伏变化的趋势，又称快衰落。主要是由于多径效应和多普勒效应而引起的损耗。 7.2.5 移动信道参数1.空间选择性角度扩展：角度扩展的倒数就是相关距离，描述空域的相关性。空间选择性衰落用相关距离表示相关距离：相关距离为两根天线上的信道响应应保持强相关时的最大空间距离。 2.频率选择性时延展宽：移动信道的多径环境引起的信号多径衰落从时域角度方面进行描述。频率选择性衰落用相干带宽描述， 其中，Tm为最大时延扩展。R 1c mB T 相关带宽：相关带宽为信道在两个频移处的频率响应保持强相关时的最大频率差。相干带宽越小，时延扩展越大；反之相干带宽越大，时延扩展越小。3.时间选择性衰落 时间选择性衰落是指不同的时间衰落特性不同。频率扩散：用户的快速移动，在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散，频率扩散引起时间选择性衰落。时间选择性衰落用相关时间 描述， 其中B为最大多普勒扩展。相关时间：相关时间为两个瞬时时间的信道冲击响应保持强相关时的最大时间间隔，T 1T B 内容提要 19 移动通信概述移动通信的信道特征移动信道的噪声与干扰移动信道的传播模型蜂窝组网技术 无线信道对信号传输的限制除了损耗和衰减外，另一个重要的限制因素是噪声和干扰，当噪声和干扰严重时，会使有用信号出现损伤，甚至无法恢复，导致通信质量下降。 在通信系统中，任何不需要的随机自发脉冲信号都称为噪声，噪声可分为内部噪声和外部噪声。无线电台（如基站与移动台接收机）之间的相互干扰则统称为干扰。干扰主要有邻道干扰、同频道干扰、互调干扰等。7.3 移动信道的噪声与干扰 7.3.1 移动信道的噪声噪声的分类与特性： 移动通信中，根据噪声来源的不同，可分为内部噪声和外部噪声。内部噪声：内部噪声是指系统设备（如电台）本身电气元件产生的各种噪声。它们的瞬时特征服从高斯分布，又称为高斯噪声。外部噪声：自然噪声和人为噪声统称为外部噪声。 7.3.2 移动信道的干扰 在移动通信系统中，基站或移动台的接收机必须能在其它通信系统产生的众多较强的干扰信号中检测出有用信号。在蜂窝移动通信网中，存在邻道干扰、同道干扰、互调干扰等问题，这些都是在组网过程中产生的干扰。邻道干扰：邻频道干扰是指相邻的或邻近的信道之间的相互干扰。同频道干扰：同频道干扰是指所有落到接收机通带内的，与有用信号频率相同或相近的无用信号的干扰。互调干扰：互调干扰是由传输信道中的非线性电路产生的。 内容提要 23 移动通信概述移动通信的信道特征移动信道的噪声与干扰移动信道的传播模型蜂窝组网技术 传播模型是非常重要的。传播模型是移动通信网小区规划的基础。在规划某-区域的蜂窝系统之前,选择信号覆盖区的蜂窝站址使其互不干扰，是一个重要的任务。所以传播环境对无线传播模型的建立起关键作用。 无线传播模型-般分为：室外传播模型和室内传播模型。7.4 移动信道的传播模型 7.4.1 室外传播模型 室外传播模型分为两类：宏蜂窝模型和微蜂窝模型。 宏蜂窝模型 一般是指适用于覆盖半径1km以外的传播模型，常用的宏蜂窝模型包括：Okumura-Hata模型、Walfisch-Ikegami模型； 微蜂窝模型一般是指适用于覆盖半径1km以内的传播模型，常用的微蜂窝模型包括LEE微蜂窝模型、标准微蜂窝模型。 7.4.2 室内无线传播模型 室内传播模型是指无线电波通过介质在室内分布系统进行传播采用的一种模型。一般说来，室内信道分为视距(LOS)和阻挡(OBS)两种，并且随着环境杂乱程度而不断变化。 常用的室内传播模型有: 分隔损耗（同楼层）模型、楼层间分隔损耗模型、对数距离路径损耗模型、Ericsson多重断点模型、衰减因子模型。 内容提要 27 移动通信概述移动通信的信道特征移动信道的噪声与干扰移动信道的传播模型蜂窝组网技术 7.5.1 移动通信网的体制 一般来说，移动通信网的服务区覆盖方式可分为两类：一是小容量的大区制；二是大容量的小区制。大区制：大区制是移动通信网的区域覆盖方式之一，一般在较大的服务区内设一个基站，负责移动通信的联络与控制。其覆盖范围半径为30km50km，天线高度约为几十米至百余米。小区制：小区制将所要覆盖移动通信网络的地区划分为若干小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在110公里左右，在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。7.5 蜂窝组网技术 7.5.2 组网方式 为了使得服务区达到无缝覆盖，提高系统的容量，就需要采用多个基站来覆盖给定的服务区。每个基站的覆盖区域称为一个小区。小区的形状：正六边形小区的形状最接近理想的圆形用它覆盖整个服务区所需的基站数最少，也就最经济。将小区形状为正六边形的小区制移动通信网称为蜂窝网。区群中的小区数目：区群的组成满足两个条件：一是区群之间可以邻接，且无空隙无重叠地进行覆盖；二是邻接之后的区群应保证各个相邻同信道小区之间的距离相等。 同频（信道）小区的距离：在不同小区组（区群）之间可以重复使用同一频率模式，称为频率重用。在频率重用时，为了避免产生同频道干扰，应使同频信道小区中心间的距离足够大。设小区的辐射半径（即六边形外接圆的半径），可以计算出同频信道小区中心间的距离D为 小区数N越大，同频小区的距离越远，抗同频干扰性能越好。中心激励与顶点激励：在每个小区中基站设在小区的中心，并采用全向天线对小区进行覆盖，通常称为中心激励。也可将基站设在每个正六边形小区相隔开的三个顶点上，并采用 三副扇形定向天线来覆盖整个小区，这就是顶点激励。 22 2 233 3 32 2aaD R b a ab b R N R 小区的分裂：小区一般分为巨区、宏区、微区、微微区几类。 当一个特定的小区的用户容量和话务量增加时，为了提高系统容量，小区可以被分裂成更小的小区，通过增加小区数（基站数）来增加信道的重用数，这种技术称为小区分裂。扇区划分：移动通信系统中的同频干扰可以采用定向天线来减少。每个定向天线辐射覆盖的某个特定的区域称为扇区，扇区的划分与系统提供的业务量相匹配，业务量高的地区， 扇区划分得密集一些，可以进一步提高系统容量。 7.5.3 移动通信系统的容量 移动通信系统的频谱资源非常有限，如何实现频谱利用率最大化，即实现蜂窝系统的容量最大，是系统设计中的一个重要方面。容量度量方法：蜂窝系统的通信容量一般用每个小区的可用信道数进行度量，也可用每小区的爱尔兰数度量，二者之间可以转化。提高容量的方法：信道分配技术；功率控制技术；自适应天线技术；小区分裂；小区扇区化（裂向）。 6.6 习 题1.什么是移动通信?它有哪些特点？2.移动通信使用哪些频段？3.阐述移动通信中无线电波传播的特性。4.阐述阴影效应、远近效应、多径效应、多普勒效应产生的原因5.在移动通信中接收信号有几类损耗？各有什么特点？6.在移动通信中主要的噪声和干扰有哪几种？产生的原因？7.移动通信系统是如何组网的？ 8.移动通信系统提高系统容量的方法有哪些？