数字集群移动通信18课时(地铁专业).ppt

城市轨道交通通信与专用设备维护 name 李永芳Mobile授课人 李永芳 Page19 2 教学提要 课程目标 在掌握移动通信系统的知识基础上 掌握城市轨道交通通信系统的组成 组网结构 系统设备及一般故障处理 为从事城市轨道交通通信系统设备和终端维护 网络管理与优化等工作打好理论基础 课程特点 课堂教学与实际工作案例相结合校内教师与南京地铁工程师共同教学 授课人 李永芳 Page19 3 主要内容及学时分配表 授课人 李永芳 Page19 4 任课教师内容分配 授课人 李永芳 Page19 5 教学要求 学习目标 通过本课程的学习 掌握城轨交通通信各子系统的组成 组网结构 设备功能及常见故障处理方法 学习策略 勤思考 多动笔 多翻阅参考书参考书目 城市轨道交通通信 李伟章等编著中国铁道出版社 数字集群移动通信系统 第3版 郑祖辉等电子工业出版社 数字集群移动通信系统原理与应用 徐小涛人民邮电出版社 城市轨道交通通信与信号 贾毓杰机械工业出版社 授课人 李永芳 Page19 6 本次课主要内容 无线通信的干扰 无线通信概述 无线电波的基本概念 城市轨道交通通信概述 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 7 一 城市轨道交通通信概述 作用为了确保城市轨道交通系统列车运行的安全 可靠 准点 高密度和高效率 实现运输的集中统一指挥 行车调度自动化和列车运行自动化 城市轨道交通系统必须配备专用的 完整的 独立的通信系统 供各职能部门之间的有机联系和行车的调度指挥 授课人 李永芳 Page19 8 一 城市轨道交通通信概述 系统组成 八大系统 广播系统 传输系统 无线通信系统 公务电话系统 时钟系统 专用电话系统 电视监控系统 电源系统 负责为各种应用业务提供通道 保证通信系统正常工作 是调度员和车站 车场 值班员指挥列车运行和指导设备操作的通信工具 为系统提供统一的时间标准 CCTV 监视站厅 站台情况 对工作人员和乘客进行运营广播 与市电连接 为行车调度员 司机 车站值班员之间提供移动通信 授课人 李永芳 Page19 9 城轨无线通信系统 无线通信系统为控制中心调度员 车辆段调度员 车站值班员等固定用户与列车司机 公安 环控 维修等用户提供移动通信手段 无线通信将主要采用数字集群调度系统 信道集中控制方式 集群式调度系统由无线交换机 基站 中继器 漏泄同轴电缆 车载台 便携台和有线传输通道组成 无线调度系统分为行车调度 环控调度 公安调度和维修调度等通话组 组间不能交叉呼叫 各组享有不同的优先权 不同的无线用户也拥有不同的优先权 一 城市轨道交通通信概述 授课人 李永芳 Page19 10 二 无线电波的基本概念 无线电波是一种能量传输形式 在传播过程中 电场和磁场在空间是相互垂直的 同时这两者又都垂直于传播方向 授课人 李永芳 Page19 11 二 无线电波的基本概念 无线电波的传播方向 授课人 李永芳 Page19 12 二 无线电波的基本概念 无线电波传播方式 授课人 李永芳 Page19 13 二 无线电波的基本概念 无线电波传播方式 授课人 李永芳 Page19 14 二 无线电波的基本概念 无线电波的波长 速度与频率的关系 该关系可用式 表示 其中 为速度 单位为m s 为频率 单位为Hz 为波长 单位为m 由上述关系式不难看出 同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时 速度是不同的 因此波长也不一样 因此 无线电波在空气中的传播速度略小于光速 通常我们就认为它等于光速 即C 3 108m s 授课人 李永芳 Page19 15 二 无线电波的基本概念 无线电波传播的几个基本概念1 多径效应移动通信中无线电波在传播过程中会遇到各种各样的建筑物 树木 植被以及起伏的地形 会引起电波的反射 散射和绕射等 授课人 李永芳 Page19 16 二 无线电波的基本概念 2 阴影效应有大型建筑物和其他物体的阻挡而在传播接收区域上形成半盲区的现象 授课人 李永芳 Page19 17 二 无线电波的基本概念 3 远近效应由于接收用户的随机移动性 移动用户与基站间的距离也是随机地变化 若各移动用户发射功率一样 那么到达基站的信号强弱会有不同 离基站近信号强 离基站远信号弱 通信系统的非线性则进一步加重了这种情况 出现强者更强 弱者更弱和以强压弱的现象 通常称这类现象为远近效应 授课人 李永芳 Page19 18 二 无线电波的基本概念 4 多普勒效应由于接收的移动用户高速运动而引起传播速率的扩散而引起的 其扩散程度与用户运动的速度成正比 授课人 李永芳 Page19 19 二 无线电波的基本概念 电磁波频段与波段 C L F 授课人 李永芳 Page19 20 三 无线通信系统概述 概念 无线通信是利用无线电波在空间传递信息的一种通信方式 电磁波是它的载体 分类 无线通信 固定通信 移动通信 专用移动通信 公用移动通信 地铁无线通信 铁路无线通信 授课人 李永芳 Page19 21 三 无线通信系统概述 组成 发射机 接收机和天线等设备组成 天线 授课人 李永芳 Page19 22 射频传输距离受以下因素的影响 天线高度 障碍物 发射功率 接收器灵敏度 三 无线通信系统概述 授课人 李永芳 Page19 23 四 无线通信的干扰 无线通信的干扰分类 邻道干扰 同频干扰 远近效应 互调干扰 码间干扰 多址干扰 多径干扰 授课人 李永芳 Page19 24 干扰 同频干扰 定义 指所有落到接收机通带内的与有用信号频率相同的无用信号的干扰 也叫同信道干扰 产生原因 1 采用频率复用技术时 不满足最小同频复用距离 2 不同通信系统间信道频率分配不当引起 3 系统设备工作在非线性区产生互调所造成的 克服方法 1 频率复用时 保证满足最小同频复用距离 2 频率规划时 对可能受到的同频干扰进行充分的分析和计算 四 无线通信的干扰 授课人 李永芳 Page19 25 干扰 互调干扰 定义 多个不同频率的信号加到非线性器件后 由于非线性变换将产生许多组合频率信号 其中落到接收机通带内对有用信号造成干扰的部分频率信号称为互调干扰 产生原因 电路的非线性是造成互调干扰的根本原因 1 发射机互调 发射机末端的功率放大器存在非线性特性 2 接收机互调 接收机中高频放大器或混频器的非线性 四 无线通信的干扰 授课人 李永芳 Page19 26 干扰 邻道干扰 定义 邻道干扰是一种来自相邻或相近频道的干扰 是不可以避免 只可以减小的 引入因素 1 发信机边带扩展 发信频谱太宽 漏到邻道 2 发信机边带噪声 宽带噪声延伸到很远 3 发信机的杂散辐射 本振的谐波 互调等落到邻道 4 来自蜂窝内的邻道干扰 频距较小所引发的 四 无线通信的干扰 提高邻道选择性 提高对相邻频道干扰的抑制能力提高阻带衰减 提高对相近频道干扰的抑制能力合理信道分配 同一频道组频道之间设置相隔波道数 解决邻道干扰的措施 授课人 李永芳 Page19 27 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 28 授课人 段俊毅 通信中衰落分类 慢衰落和快衰落慢衰落 阴影衰落快衰落 多径衰落 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 29 授课人 段俊毅 阴影衰落 移动通信中 由障碍物阻挡造成的阴影效应 接受信号强度下降 使该场强中值随地理改变缓慢变化 又称慢衰落 阴影衰落产生的原因 1 路径损耗 这是慢衰落的主要原因 2 障碍物阻挡电磁波产生的阴影区 因此慢衰落也被称为阴影衰落 3 天气变化 障碍物和移动台的相对速度 电磁波的工作频率等有关 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 30 授课人 段俊毅 多径效应 在通信系统中 由于通信地面站天线波束较宽 受地物 地貌和海况等诸多因素的影响 使接收机收到经折射 反射和直射等几条路径到达的电磁波 这种现象就是多径效应 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 31 授课人 段俊毅 抗衰落技术产生的前提 无线通信条件相当恶劣 有诸多因素影响 会造成功率的大量损耗 又有由于地形起伏和障碍物的遮拦所引起的阴影衰落 还有各种反射物和散射体产生的直射波 反射波和散射波所引起的相互干涉和串扰以及移动台运动和传播媒质随时间变化频移和频展等产生的多径衰落 抗衰落目的 改善传输的可靠性 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 32 多径衰落 不同路径到达的电磁波射线相位不一致且具有时变性 导致接收信号呈衰落状态 这些电磁波射线到达的时延不同 又导致码间干扰 若多射线强度较大 且时延差不能忽略 则会产生误码 这种误码靠增加发射功率是不能消除的 而由此多径效应产生的衰落叫多径衰落 它也是产生码间干扰的根源 对于数字通信 雷达最佳检测等都会产生十分严重的影响 授课人 段俊毅 Page19 32 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 33 什么是分集接收分集接收技术是一项主要的抗衰落技术 它可以大大提高多径衰落信道下的传输可靠性 其本质就是采用两种或两种以上的不同方法接收同一信号以克服衰落 其作用是在不增加发射机功率或信道带宽的情况下充分利用传输中的多径信号能量 以提高系统的接收性能 MobileCommunicationTheory 分集接收是抗衰落的有效措施之一 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 34 分集技术的分类 从信号传输的方式来看 分集技术分为显分集和隐分集两大类 其中显分集指利用多副天线接收信号的分集 构成明显的分集信号的传输方式 隐分集只需一副天线来接收信号的分集 分集隐含在传输信号之中 在接收端利用信号处理技术来实现分集接收 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 35 几种常用的显分集技术 在显分集技术中又分为宏分集与微分集两种形式 宏分集 也称为 多基站 分集 以减少由于阴影效应而引起的大范围慢衰落为目的 它的作法是把多个基站设置在不同的地理位置和不同方向上 同时和小区内的一个移动台进行通信 可以选用其中信号最好的一个基站进行通信 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 36 微分集是以抗快衰落为目的 同一天线场地使用两个或多个天线的分集方式 理论和实践都表明 在空间 频率 极化 场分量 角度及时间等方面分离的无线信号 都呈现互相独立的衰落特性 因此可采用空间分集 时间分集 频率分集 极化分集 角度分集和多径分集等多种分集技术 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 37 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 38 宏观分集 MobileCommunicationTheory 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 39 是一种减小快衰落影响的分集技术 在各种无线通信系统中都经常使用 理论和实践都表明 在空间 频率 极化 场分量 角度及时间等方面分离的无线信号 都呈现互相独立的衰落特性 据此 微分集又可分为下列六种方式 微观分集 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 40 空间分集 空间分集的依据在于快衰落的空间独立性 即在任意两个不同的位置上接收同一个信号 只要两个位置的距离大到一定程度 或移动的时间足够长大 大于信道的相干时间 则两处所收信号的衰落是不相关的 空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为h的天线 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 41 两路收信号经时延 相位或幅度调整后 将按一定的规则进行合成 以减少电波衰落的影响 同时可以提高收信电平 空间分集需要增加收信机 其频谱利用率比频率分集高 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 42 频率分集 由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的 因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息 以实现频率分集 根据相关带宽的定义 即 式中 为延时扩展 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 43 频率分集 例如 市区中 3 s Bc约为53kHz 这样频率分集需要用两部以上的发射机 频率相隔53kHz以上 同时发送同一信号 并用两部以上的独立接收机来接收信号 它不仅使设备复杂 而且在频谱利用方面也很不经济 授课人 李永芳 Page19 44 极化分集 由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性 因而发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号 以获得分集效果 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 45 场分量分集 由电磁场理论可知 电磁波的 E场和H场载有相同的消息 而反射机理是不同的 例如 一个散射体反射E波和H波的驻波图形相位差90 即当E波为最大时 H波为最小 在移动信道中 多个E波和H波叠加 结果表明EZ HX和HY的分量是互不相关的 因此 通过接收三个场分量 也可以获得分集的效果 场分量分集不要求天线间有实体上的间隔 因此适用于较低工作频段 例如低于100MHz 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 46 场分量分集 当工作频率较高时 800 900MHz 空间分集在结构上容易实现 场分量分集和空间分集的优点是这两种方式不像极化分集那样要损失3dB的辐射功率 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 47 角度分集 角度分集的作法是使电波通过几个不同路径 并以不同角度到达接收端 而接收端利用多个方向性尖锐的接收天线能分离出不同方向来的信号分量 由于这些分量具有互相独立的衰落特性 因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 48 时间分集 快衰落除了具有空间和频率独立性之外 还具有时间独立性 即同一信号在不同的时间区间多次重发 只要各次发送的时间间隔足够大 那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的 接收机将重复收到的同一信号进行合并 就能减小衰落的影响 时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 49 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 50 时间分集 此外 时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象 由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关 因而为了使重复传输的数字信号具有独立的特性 必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系 4 3 式中 fm为衰落频率 v为车速 为工作波长 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 51 例如 移动体速度v 30km h和工作频率为450MHz 可算得 T 40ms 若移动台处于静止状态 即v 0 由式 6 3 可知 要求 T为无穷大 表明此时时间分集的得益将丧失 换句话说 时间分集对静止状态的移动台无助于减小此种衰落 授课人 李永芳 Page19 52 式中 ak为第k个信号的加权系数 合并方式接收端收到M M 2 个分集信号后 如何利用这些信号以减小衰落的影响 这就是合并问题 一般均使用线性合并器 把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出 假设M个输入信号电压为r1 t r2 t rM t 则合并器输出电压r t 为 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 53 选择不同的加权系数 就可构成不同的合并方式 常用的有以下三种方式 选择式合并 选择式合并是指检测所有分集支路的信号 以选择其中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出 由上式可见 在选择式合并器中 加权系数只有一项为1 其余均为0 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 54 图4 2二重分集选择式合并 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 55 最大比值合并 最大比值合并是一种最佳合并方式 其方框图如图4 3所示 为了书写简便 每一支路信号包络rk t 用rk表示 每一支路的加权系数ak与信号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比 即 由此可得最大比值合并器输出的信号包络为 式中 下标R表征最大比值合并方式 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 56 图4 3最大比值合并方式 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 57 等增益合并 等增益合并无需对信号加权 各支路的信号是等增益相加的 其方框图如图4 4所示 等增益合并方式实现比较简单 其性能接近于最大比值合并 等增益合并器输出的信号包络为 式中 下标E表征等增益合并 4 7 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 58 图4 4等增益合并 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 59 五 衰落与分集接收技术 授课人 李永芳 Page19 60 本次课主要内容 一 集群通信系统的概念二 集群通信的工作方式三 集群通信的组网结构 授课人 李永芳 Page19 61 一 集群通信系统概念 集群 Trunking 这个概念应用于无线通信系统 就是把有限的信道动态地 自动地最佳分配给系统的所有用户 所谓集群通信系统 是很多用户自动分享数量相对较少的无线信道 并动态地使用这些信道的移动通信系统 授课人 李永芳 Page19 62 调度席1 调度席2 调度席3 一 集群通信系统概念 常规工作模式 授课人 李永芳 Page19 63 信道1 信道2 信道3 信道4 BS1 BS2 BS3 BS4 BS 基站 一 集群通信系统概念 常规工作模式 授课人 李永芳 Page19 64 班长席 一 集群通信系统概念 集群模式 授课人 李永芳 Page19 65 一 集群通信系统概念 集群模式 授课人 李永芳 Page19 66 在 工作模式下 信道是公用资源 所有用户可根据需要选择使用 在 工作模式下 信道是专用资源 所有用户不能根据需要选择使用 选择恰当的词填入空格 使句子表述正确 常规 集群 课堂测验 授课人 李永芳 Page19 67 一 集群通信系统的概念 共用频率共用设施共享覆盖共享业务分担费用改善服务具有调度指挥功能兼容有线通信具有控制 交换 中继功能 特点 授课人 李永芳 Page19 68 集群通信系统工作频率 我国的集群通信系统的工作频率为806 821MHz和851 866MHz 800MHz频段 它共有600个信道 信道间隔为25KHz 现我国无委会又分配了350MHz频段 信道间隔为25KHz和12 5KHz两种 专门供公 检 法 司法 安全 海关 军队和武警等八个部门使用 一 集群通信系统的概念 授课人 李永芳 Page19 69 五 集群通信与蜂窝通信比较 两者各有特点 各有其主要用处 授课人 李永芳 Page19 70 一 移动通信工作频率 移动通信中载频 载波以及信道的含义载频是指发射和接收信号的频率 载波就是一个特定频率的无线电波 单位Hz 信息的载体 信道是一个逻辑概念 是用户传递信息的通道 是人为定义的 授课人 李永芳 Page19 71 二 集群通信的工作方式 单频 同频 单工 通信双方使用相同工作频率 f1 通信双方采用 按 讲 方式 同一电台收发信机交替工作 双频单工 通信双方使用两个频率f1和f2 通信双方采用 按 讲 方式 同一电台收发信机交替工作 授课人 李永芳 Page19 72 二 集群通信的工作方式 单一频率 授课人 李永芳 Page19 73 二 集群通信的工作方式 半双工制 一方使用双工 一方使用双频单工 双工制 全双工 通信双方使用两个频率f1和f2 通信双方无需 按 讲 开关 同一电台收发信机同时工作 授课人 李永芳 Page19 74 二 集群通信的工作方式 半双工制 授课人 李永芳 Page19 75 二 集群通信的工作方式 R T T R f1 f2 f1 f2 A B 双工制 全双工 授课人 李永芳 Page19 76 四 移动通信的多址方式 授课人 李永芳 Page19 77 第二章集群通信系统概述 本次课内容 一 集群通信系统的发展二 集群通信系统的概念及特点三 集群通信系统的工作频率四 集群通信与蜂窝通信比较 授课人 李永芳 Page19 78 课堂小结 一 集群通信系统的发展二 集群通信系统的概念三 集群通信系统的特点四 集群通信系统的工作频率五 集群通信与蜂窝通信比较 授课人 李永芳 Page19 79 作业 1 简述集群通信系统的概念 2 简述集群通信系统与蜂窝通信系统的区别 授课人 李永芳 Page19 80 第二章 集群通信系统概述 本次课主要内容 集群通信系统的组网集中式控制方式的单区单基站系统集中式控制方式的单区多基站系统分散式控制方式的单区单基站系统分散式控制方式的单区多基站系统 授课人 李永芳 Page19 81 一 集群通信系统的组网 集群控制方式主要有两种 集中式控制方式 系统受控制器集中控制分散式控制方式 无集中控制 分散处理两种方式的结构基本上都由基站 系统管理终端 系统集群逻辑控制部分 调度台和用户台 车载台和手持机 组成 授课人 李永芳 Page19 82 1 集中式控制方式单区单基站系统 主要由若干个转发器和天馈系统组成 每个信道一个转发器 通常单基站集群通信系统有5 20个信道 每个信道的转发器是一部全双工的收发信机 含功放和电源 而天馈系统则有发信机合路器 收信机合路器 馈线 发信天线和收信天线等 主要由集群控制管理模块 转发器接口电路 电话互连器 交换单元及电源等组成 功能 主要是指具有控制 交换功能的通信中心 由一台计算机及系统管理软件组成 并与系统控制器连接 一般是RS 232接口 值机员可通过此终端上对系统进行管理控制 包括输入修改运行参数 优先等级修改 信道状态报告 用户入网控制 设备状态 告警及信息打印输出等 分有线调度台和无线调度台 有线调度台通过有线传输电路与控制中心直接相连 无线调度台则由收发信机 控制单元 天线 电源和操作台组成 通常 一个群用户有一个调度台 主要是车载台和手持机 移动台也由收发信机 天线 电源 电池 和控制单元组成 授课人 李永芳 Page1