第二章移动通信的基本概念修改.ppt

第二章移动通信的基本概念 无线电波的传播特性移动信道的特征 陆地移动信道的场强估算与损耗蜂窝系统工作原理移动通信系统的基本网络结构无线环境下的噪声与干扰 学习目标 理解并掌握直射波 反射波 地面波 自由空间传播 多径效应 多普勒频移 快衰落 慢衰落等概念 初步了解地形 地物的分类 以及任意地形地区的传播损耗中值的估算 掌握蜂窝 小区 区群 中心激励 顶点激励 移动通信系统的组成 多址技术等概念 理解常见的各类噪声与干扰 如同频干扰 邻频干扰 互调干扰 时隙干扰和码间干扰等 了解某些抑制噪声和干扰的技术 了解全国蜂窝系统的网络结构 了解移动通信网络的区域 号码 地址与识别 2 1无线电波的传播特性 电波的传播方式直射波大气中的电波传播障碍物的影响与绕射损耗反射波 2 1 1电波的传播方式 从发信机发出的电波在到达收信机时 可能会沿不同的路径进行传播 如图2 1所示 沿着地表面传播的电波 如路径1 称为地面波 从发射天线直接到达接收天线的电波 如路径2 称为直射波 经过大地反射到达收信机的电波 如路径3 称为反射波 一般而言 收信机A接收到的电波是由直射波和大地反射波合成的 所有这些波统称空间波 经过电离层反射而传播的电波 如路径4 称为电离层波 它主要用于短波通信 图2 1典型的电波传播通路 地面波 中长波 几百千米 直射波 微波 几十千米 反射波 微波 电离层波 短波 几千千米 自由空间的传播衰耗lts定义为 2 1 2直射波 式2 1 式中 是电磁波的波长 d是收发天线间距离 图2 3自由空间 L0为传播损耗 d为传播距离 频率越高 距离越远 则损耗越大 2 1 3大气中的电波传播 2 2移动信道的特征 传播路径与信号衰落多普勒效应多径效应与瑞利衰落慢衰落特性和衰落储备 2 2 1传播路径与信号衰落 移动无线电波传播路径损耗 主要是由于地形 传播路径上的无线电散射体等原因产生的 是直射加上镜面反射 漫反射和绕射等的综合结果 如图2 7所示 1 镜面反射 2 漫反射 如投射到树叶上的无线电波 3 绕射 图2 7几种传播路径 路径损耗 快衰落 慢衰落 路径损耗 阴影效应 手机 多径效应的解释 因为相位 频率 时间 频率为几百兆 时间为微秒级 则相位也很可观 两个从不同路径来的信号 同相则叠加 那么增强 相位为 则相反 则会出现深衰落 2 2 2多普勒效应 假设移动台以恒定的速率移动时 会接收到来自远方信号源发出的信号电波 并设信号电波与移动台运动方向的夹角为 如图2 9所示 则频移值可表示为 式2 24 若移动台朝向入射波的方向运动 则频移为正 即接收频率升高 反之 若移动台逆向入射波的方向运动 则频移为负 即接收频率降低 图2 9多普勒效应示意图 也就是 若移动台朝基站的方向运动 则频率增加 反之 若移动台远离基站运动 则频率减少 共有N条路径Ai为幅度 即正态分布 设信号包络 的概率密度为f 则 式2 27 相当于均值 相当于标准偏差 它们是两个参数 f 与 的关系如图2 11所示 图2 11瑞利分布的概率密度 2 4蜂窝系统工作原理 什么是蜂窝频率复用多址方式 2 4 1什么是蜂窝 什么是蜂窝呢 移动通信系统是采用一个叫基站的设备来提供无线覆盖服务的 基站的覆盖范围有大有小 我们把基站的覆盖范围称之为蜂窝 早期的移动通信系统是在其覆盖区域中心设置大功率的发射机 采用高架天线把信号发射到整个覆盖地区 半径可达几十公里 为了在服务区实现无缝覆盖并提高系统的容量 可采用多个基站来覆盖给定的服务区 每个基站的覆盖区称为一个小区 根据服务区域类型的不同 可划分为带状服务区和面状服务区 1 带状服务区对于公路 铁路 海岸等的覆盖可采用带状服务区 如图2 23所示 基站天线若用全向辐射 覆盖区形状是圆形的 带状网宜采用有向天线 则每个小区是扁圆形的 带状网进行频率复用可采用双频制 也可用多频制 图2 23带状服务区的覆盖 2 面状服务区 1 小区的形状 可以实现一个平面的覆盖 按交叠区的中心线所围成的面积形状看 区域的形状可分为正三角形 正方形和正六角形三种 可以证明 要用正多边形无空隙 无重叠地覆盖一个平面区域 可取的形状只有这三种 如图2 24所示 图2 24小区的形状 由正三角形 正四边形 正六边形覆盖一个平面时 各区域之同的中心距离 半个区域面积 交叠部分面积以及交叠区宽度如下表2 4所示 表2 4三种形状小区的比较 R是外接圆的半径 2 6R2 1 3R2 1 2 R2 0 35 R2 0 73 R2 这里r应为R 即外接圆的半径 由上图可见 正六边形的邻区距离及小区面积最大 这样用的基站就少一些 交叠区宽度及交叠区面积最小 为了避免干扰 要求重叠要尽量小 因此将正六边形选为蜂窝小区形状 2 区群的组成单位无线区群的构成应满足以下两个条件 一是单位无线区群之间彼此邻接 二是相邻单位无线区群的同频小区中心间隔距离是一样的 满足以上两个条件的关系式如下 式2 43 式中N为构成单位无线区群的正六边形的数目 简称区群数 a和b不能同时为零 且是正整数 按照以上条件 可确定N有如下数值 相应的区群形状如图2 25所示 图2 25区群的组成 3 中心激励和顶点激励根据基站的位置不同 可有两种激励方式 如图2 26所示 一种是基站位于正六边形的中心 称为中心激励方式 另一种是基站位于每个正六边形的三个相隔的顶点上 称为 顶点激励 方式 图2 26两种激励方式示意图 中心激励方式下 基站使用全向天线形成圆形覆盖区 顶点激励方式下 每个基站使用三个120 扇形覆盖的定向天线实现共同覆盖 使用定向天线 抗同频干扰能力强 所以一般使用顶点激励方式 同频干扰 定向天线向左发射 从而不干扰右边的f1小区 返回 4 盲点与热点 盲点是指由于网络漏覆盖 使得该区域的信号强度极弱 通信质量严重低劣 热点是指由于存在商业中心等业务繁忙区域 造成空间业务负荷的不均匀分布 对于以上两 点 问题 往往通过设置直放站 分裂小区等方法加以解决 简单的移动通信系统的组成 先讲MSC BSC MSC 移动交换中心 MobileSwitchingCenter BSC 基站控制器 BaseStationController 它是基站收发台和移动交换中心之间的连接点 较复杂的移动通信系统的组成 为了解决盲点而设置 直放站也叫中继站 属于同频放大设备 它在无线电传输过程中起到信号增强的作用 如图2 27所示 直放站 Repeater 的设置 滤波器 下行选频模块 图2 27 直放站在下行链路中 由施主天线从宿主基站提取信号 通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离 将滤波信号经功放放大以后 再次发射到待覆盖区域 在上行链接路径中 覆盖区域内的移动台的信号以同样的工作方式由上行放大链处理后发射到相应基站 从而达到基站与移动台间的信号传递 引入直放站有许多好处 如填补移动通信盲区以实现连续覆盖等等 但直放站的使用也会带来新问题 如时延等等 分裂小区 在整个服务区中每个区的大小可以是相同的 但这只能适应用户密度均匀的情况 事实上服务区内的用户密度是不均匀的 例如居民区的用户密度较高 而市郊区的用户密度较低 因此 在用户密度高的居民区可使小区的面积小一些 在用户密度低的市郊区可使小区的面积大一些 如图2 28所示 图2 28小区的分裂 5 蜂窝的种类 宏蜂窝小区微蜂窝小区其它蜂窝小区 小区按照半径大小一般分为卫星小区 宏小区 微小区 微微小区等几类 具体见下表2 5 表2 5小区的分类 2 4 2频率复用1 什么频率复用 蜂窝系统的基本出发点是频率复用 也称为频分复用 FDM FrequencyDivisionMultiplexing 就是将用于传输信道的总带宽划分成若干个子频带 或称子信道 以进行信号的传输 频分复用要求总频率宽度大于各个子信道频率之和 同时为了保证各子信道中所传输的信号互不干扰 应在各子信道之间设立保护隔离带 频分复用技术的特点是所有子信道传输的信号以并行的方式工作 10KHz 50KHz 60KHz 110KHz 120KHz 170KHz 保护带 通常 不同区群的两个小区只要相互之间的空间距离大于某一数值 就可使用相同的频道 而不会产生显著的同道干扰 这样就实现了频率再用 频率复用的优势是可以提高频谱效率 但劣势是如果系统设计得不好 将产生严重的干扰 这种干扰称为同信道干扰 2 频率复用距离的计算 1 D与R的关系 使用同一组频率的小区称为共道小区 它们间产生的干扰叫共道干扰 一个区群中的小区数愈少 则相邻区群的地理位置愈靠近 共道干扰就会愈强 根据蜂窝系统的几何关系 设区群数为N 则有 式2 44 N是小区数 D是同频小区的距离 D越大 则干扰越小 以前大区中频率只能用1次 而现在分成小区 频率用了很多次 R是小区外接圆的半径 载波干扰比 英文名称 carrier to interferenceratio C I 即载波功率 有用信号功率 与干扰信号功率的比值 dB 分贝 是表示两个量的比值大小 本身没有单位 对电压或是电流的比值进行换算时 A B dB 20lg A B 对功率的比值进行换算时 A B dB 10lg A B 假设载波功率是200W 干扰信号功率是2W 那么载干比C I 200W 2W 100 通常换算成dB值表示 也就是载干比为10lg100 20dB a为衰落指数 射频防卫度 4个小区 12个扇区 N是由 C I s所确定 可推出 式2 45 D与R的关系 所以 式2 46 对于7 21复用方式 即7个基站 21个小区使用21组频率 则同频复用距离D为 式2 47 同理 对4 12复用方式 D 6R 对3 9复用方式 D 5 2R 可见 区群内小区数k越大 同信道小区的距离就越远 抗同频干扰的性能也就越好 但区群内小区数k也不是越大越好 k大了以后 用得设备多了 增加成本 所以 k到底取多少 还是要综合考虑各方面的因素 2 4 3多址方式 频分多址技术 FDMA 时分多址技术 TDMA 码分多址技术 CDMA 1频分多址技术 FDMA FrequencyDivisionMultipleAddress 移动通信的频率资源十分紧缺 不可能为每个移动台预留一个信道 因此只能事先为每个基站配置好一组信道 供该基站所覆盖的小区内的所有移动台共用 这就是信道共用问题 频分复用技术下 多个用户可以共享一个物理通信信道 频分复用 FDM 又称频分多址 是发送端对所发信号的频率参量进行正交分割 形成许多互不重叠的频带 即将载波带宽划分为多个不同频带的子信道 在接收端利用频率的正交性 通过频率选择 滤波 从混合信号中选出相应的信号 这样每个子信道可以单独并行地传送一路信号 如下页图 0KHz 50KHz 60KHz 110KHz 120KHz 170KHz 保护带 在单纯的FDMA系统中 通常采用频分双工 FDD 的方式来实现双工通信 即接收频率F和发送频率f是不同的 所以 为了使得同一部电台的收发之间不产生干扰 收发频率间隔 f F 必须大于一定的数值 因此在FDMA系统中 收发频段是分开的 FDD FrequencyDivisionDuplex 另外 在移动通信系统中 移动台与移动台之间是不能直接通信的 而必须经过基站中转 如下图2 30所示 图2 30FDMA系统的工作示意图 接收频率 发送频率 从图2 30中还可以看出 两个移动台间通信通过基站的中转 需占两个上行子频段和两个下行子频段 加上收发间的保护频带 因此FDMA系统的频率资源利用率低 尽管存在着一些缺陷 但在整个通信领域 FDMA还是最经典的多址技术 已应用于许多通信系统中 2时分多址技术 TDMA 时分多址是发送端对所发送信号的时间参量进行正交分割 形成许多互不重叠的时隙 即在一个宽带的载波上 把时间分成周期性的帧 每一帧再分割成若干时隙 每个时隙就是一个通信信道 分配给一个用户 在接收端再利用时间的正交性 通过时间选择 从混合信号中选出相应的信号 0s 500 s 1000 s 1500 s 2000 s 近年来 TDMA有较多的应用 如GSM中主要使用了TDMA技术 TDMA的基本工作原理如下 系统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射信号 为了保证不同传播时延情况下 各移动台到达基站的信号不会重叠 通常在帧结构中有保护间隔比特 在此保护间隔内不传送信号 这样在满足定时和同步的条件下 基站可以在各时隙中接收到各移动台的信号而互不干扰 在FDD方式中 上行链路和下行链路的帧分别在不同的频率上 但在TDD方式中 上下行帧都在相同的频率上 如图2 31所示 在每一个子频带上又分了若干个子时隙 每个用户只占用子时隙进行通话 优点 TDMA使得频率资源的利用率得到了很大的提高 即相同频率资源下可容纳比FDMA多几倍的用户数 缺点 TDMA系统要注意通信中的同步和定时问题 否则会因为时隙的错位而导致接收端移动台无法正常接收信息 TDD TimeDivisionDuplex 图2 31TDMA系统的工作示意图 上下行帧频率不同 图2 31TDMA系统的工作示意图 上下行帧频率相同 在TDMA系统中 每帧中的时隙结构的设计通常要考虑三个主要的因素 一是控制和信令信息的传输 二是信道多径的影响 三是系统的同步 解决以上三个问题的主要方法是 一在每个时隙中专门划出部分比特用于控制和信令信息的传输 二是在时隙中插入自适应均衡器所需的训练序列 并在上行链路的每个时隙中留出一定的保护间隔 三是在时隙中有专用的同步序列 3码分多址技术 CDMA CodeDivisionMultipleAddress 码分多址系统采用一组彼此正交的伪随机噪声 PN 序列 作为扩频序列码对传输信号进行扩频调制 在接收端用相应的PN码通过相关处理解扩来实现多用户共享频率资源的功能 该技术将每一来话编码 并在接收端进行解码 使大量用户能够共享同一无线电频率 码分多址 CDMA 有两种主要形式 直扩码分 DS CDMA 与跳频码分 FH CDMA 前者多用于民用 后者多用于军事 DS CDMA DirectSequence CodeDivisionMultipleAccess 即直接序列码分多址FH CDMA Frequency hoppingcodedivisionmultipleaccess 使用CDMA的用户的发射信号在时间上 频率上都可能相互重叠 因此 采用传统的滤波器是不能分离信号的 对某用户发送的信号 只有与其相匹配的接收机通过相关检测才可能正确接收 为了实现双工通信 正向传输和反向传输各使用一个载波频率 即频分双工 无论正向传输或反向传输 除传输业务信息外 还必须传送相应的控制信息 为了传送不同的信息 需要设置不同的信道 自相关函数是描述随机信号X t 在任意两个不同时刻t1 t2取值之间的相关程度 自相关函数R k 具有下列性质 1 对称性 R k R k 2 在k 0处 R k 为最大值 即对于所有k来说 R k R 0 即R t1 t2 k t1 t2 互相关函数可以描述两个随机信号X t 和Y t 之间的相关程度 在码分多址通信系统中 利用自相关性很强而互相关值为0的周期性码序列作为地址码 与用户信息数据相乘 或模2加 经过相应的信道传输后 在接收端以本地产生的已知地址码为参考 根据相关性的差异对接收到的所有信号进行鉴别 从中将地址码与本地地址码一致的信号选出 把不一致的信号除掉 基本工作原理如下 例如 图2 32中d1 dN分别是N个用户的信息数据 其对应的地址码分别为W1 WN 为了简明起见 假定系统有4个用户 即N 4 各自的地址码为 式2 59 与 式2 59 和 式2 60 相应的波形如图2 33 假设在某一时刻用户信息数据分别为 式2 60 图2 32码分多址收发系统示意图 本地产生的地址码 R端的波形是S1 S4的叠加 用户数据 地址码 积分电路 相当于低通滤波器 图2 33码分多址原理波形示意图 W1与d1相乘得到S1 J1是最后输出的波形 与各自对应的地址码相乘后的波形S1 S4如图2 33所示 在接收端 当系统处于同步状态时 在接收机中解调输出R端的波形是S1 S4的叠加 如果欲接收某一用户 例如用户2 的信息数据 本地产生的地址码应与该用户的地址码相同 Wk W2 并且用此地址码与解调输出R端的波形相乘 再送入积分电路 然后经过采样判决电路得到相应的信息数据 如果本地产生的地址码与用户2的地址码相同 即Wk W2 经过相乘 积分电路后 产生的波形J1 J4如图2 33所示 即 式2 61 也就是在采样 判决电路前的信号是 0 1 0 0 此时 虽然解调输出R端的波形是S1 S4的叠加 但是 因为要接收的是用户2的信息数据 本地产生地址码与用户2的地址码相同 经过相关检测后 用户1 3 4所发射的信号加到采样 判决电路前的信号是0 对信号的采样 判决没有影响 采样 判决电路的输出信号是r2 1 是用户2所发送的信息数据 以上所述的三种多址方式 可比较如下图2 34所示 由图2 34可见 FDMA多址方式是一种基本的多址方式 它靠不同的子频带来区分用户 其技术成熟 应用广泛 但是 单纯的FDMA方式存在频率利用率低 基站收发信机数量大等问题 图2 34三种多址技术的对比 FDMA1个频率只有1个用户 TDMA1个频率有3个用户 CDMA1个频率有3的倍数的用户 TDMA多址方式靠不同的子时隙来区分用户 它将时间划分成周期性的帧 每一帧分成若干时隙 这样一个载频就含有多个信道 从而一个载频可供多个用户工作 基站的收发设备数量减少 CDMA多址方式靠不同的正交码型来区分用户 它是在同频 同时条件下 各个接收机根据信号码型之间的差异分离出需要的信号 与FDMA和TDMA相比 CDMA具有很多优点 含有频域 时域和码域三维信号 它具有抗干扰性好 同频率可在多个小区内重复使用 所要求的载干比 C I 小于1 所以CDMA比其它系统的优势是 系统容量大 通话质量好等 因为CDMA的多种优势 所以它成了实现第三代移动通信的关键 目前该技术发展成为多个标准 我国也有WCDMA CDMA2000和TD SCDMA三个标准 而且竞争激烈 即用户多 2 5移动通信系统的基本网络结构 移动通信系统的组成全国蜂窝系统的网络结构移动通信网的区域 号码 地址与识别 我们以现有2G移动通信系统为例 了解其基本网络结构 具体如图2 35所示 主要是由 1 移动台子系统 MS 2 基站子系统 BSS 3 网络子系统 NSS 4 操作支持子系统 OSS 等四大部分组成 2 5 1移动通信系统的组成 图2 35现有移动通信系统的基本网络结构框图 移动台子系统 基站子系统 网络子系统 操作支持子系统 1 移动台子系统 MS MobileSubsystem 见书P622 基站子系统 BSS BaseStationSubsystem 1 基站收发信台 BTS basetransceiverstation 2 基站控制器 BSC basestationcontroller 3 码型变换器 TC code converter 简单的移动通信系统的组成 3 网络子系统 NSS networksubsystem 1 移动交换中心 MSC MobileSwitchingCenter 可以接入呼叫或接出呼叫 MSC是整个GSM网络的核心 它控制所有BSC的业务 它可以把移动用户与移动用户 移动用户和固定网用户互相连接起来 MSC从GSM系统内的三个数据库 即归属位置寄存器 HLR 拜访位置寄存器 VLR 和鉴权中心 AUC 中获取用户位置登记和呼叫请求所需的全部数据 较复杂的移动通信系统的组成 2 拜访地位置寄存器 VLR Visitorlocationregister VLR存储进入其覆盖区的移动用户的信息 这使得MSC能够建立呼入 呼出呼叫 另外见P64 3 归属地位置寄存器 HLR Homelocationregister 存放的是在本地开户的信息 另外见P64 HLR是归属位置寄存器 VLR是拜访位置寄存器 HLR中存放的是在本地开户的信息 VLR中存放的是当前网络中正在使用的用户信息 比如你开户了 HLR中就有你的开户信息 但如果你这几天出差漫游到了外地 在本地的VLR中就没有你的信息 而漫游地的MSC就会到原来的HLR中调用你的信息存放到他的VLR中 在现有的网络中 一个MSC必然与一个VLR相随 当用户漫游到新的MSC服务区时 与此MSC相联的VLR就会向用户归属位置寄存器HLR请求发送用户数据 以便在新的MSC中提供相应的服务 HLR将用户信息拷贝到新的VLR中 以完成用户位置更新 MSC VLR 太原本地 MSC VLR 北京外地 HLR 4 鉴权中心 AUC或AC authenticationcenter 见P65 5 设备识别寄存器 EIR equipmentidentityregister P65 6 短消息中心 SC shortmessagecenter P654 操作支持子系统OSS operationsupportsubsystem P65 5 移动通信系统的网络接口 1 移动通信系统的外部接口a 首先是用户侧的接口 即移动台和用户的界面 可认为是一个人机界面 b 其次是移动通信系统与其他电信网间的接口 如与PSTN的接口 MSC通过移动网关GMSC提供和公共电话交换网 PSTN 综合业务数字网 ISDN 公共数据网 PDN 等固定网的接口c 再次是移动通信系统与运营者的接口 如Um接口 2 移动交换子系统MSS内部接口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与PSTN间的接口 MobileSwitchingSubsystem 3 移动接入子系统内部接口a A接口b Abis接口c Um接口 见P66 2 5 2全国蜂窝系统的网络结构 移动通信网的网络结构视不同国家地区而定 地域大的国家一般分为三级 第一级为大区 或省级汇接局 第二级为省级地区汇接局第三级为各基本业务区的MSC 我国采用三级组网结构 如图2 37所示 P67 图2 37全国数字蜂窝PLMN的网络结构及其与PSTN连接的示意图 移动网关 把移动用户和固话用户连接起来 为移动电话长途局 负责拨打移动用户的长途话务 分两级 一级负责省际话务 二级负责省内话务 应改为TMSC PLMN 陆上公用移动通信网 PublicLandMobileNetwork TmMSC 本地MSC 本地MSC 为移动网中的本地汇接局 负责把本地的移动用户连接起来 1 在各省或大区设有两个一级移动汇接中心 通常为单独设置的移动业务汇接中心 2 每个省内至少应设有两个以上的二级移动汇接中心 并把它们置于省内主要城市 每个二级移动汇接中心与相应的两个一级移动汇接中心有电路连接 3 省内移动通信网中的每一个移动端局 至少应与省内两个二级汇接中心相连 2 5 3移动通信网的区域 号码 地址与识别 1 区域定义移动通信中移动台没有固定的位置 移动通信网要实现位置更新等功能 因此 区域的定义如图2 38所示 2 38区域的定义 服务区是指移动台可获得服务的区域 一个服务区可由一个或若干个公用陆地移动通信网 PLMN 组成 可以是一个国家或若干个国家 PLMN是由一个公用陆地移动通信网提供通信业务的地理区域 一个PLMN区可由一个或若干个移动业务交换中心 MSC 组成 MSC区是由一个移动业务交换中心所控制的所有小区共同覆盖的区域 一个MSC区可以由一个或若干个