移动通信技术及应用-第2章 移动通信概论2.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 蜂窝系统工作原理4 什么是蜂窝频率复用多址方式 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 蜂窝系统工作原理4 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又称带状网 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 使每个小区是扁圆形 带状网进行频率复用可采用双频制 也可用多频制 蜂窝系统工作原理4 2 面状服务区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 分别称它们为正三角形区域 正四边形区域和正六边形区域 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 蜂窝系统工作原理4 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 蜂窝系统工作原理4 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 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 蜂窝系统工作原理4 图2 25区群的组成 蜂窝系统工作原理4 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 对于前者 基站使用全向天线形成圆形覆盖区 对于后者 每个基站使用三个120 扇形覆盖的定向天线实现共同覆盖 从经济效益上看 前者投资较少 可是同信道重用比不能选得很小 否则同道干扰严重 后者虽然好像每个小区的基站投资由上表可见 在服务区面积一定的情况下 正六边形相邻区域的中心间隔最大 即覆盖面积一定时 需要最少的小区个数 也就是需要较少的发射站 因此 正六角形小区覆盖相对于四边形和三角形费用少 正六边形构成的网络形同蜂窝 所以把小区制移动通信网称为蜂窝网 需要注意的是 交叠区宽度和区域的切换方式与控制方式有关 蜂窝系统工作原理4 图2 26两种激励方式示意图 蜂窝系统工作原理4 盲点与热点在实际的宏蜂窝内 通常存在着两种特殊的微小区域 盲点 与 热点 盲点是指由于网络漏覆盖或电波在传播过程中遇到障碍物而造成阴影区域等原因 使得该区域的信号强度极弱 通信质量严重低略 热点是指由于客观存在商业中心或交通要道等业务繁忙区域 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 蜂窝系统工作原理4 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 室内室外分开覆盖以有利于网络优化 吸收室内话务量等等 但直放站的使用也会带来新问题 如时延 多径 电路噪声 直放站的自激等等 直放站 Repeater 的设置 蜂窝系统工作原理4 图2 27直放站原理图 蜂窝系统工作原理4 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 例如城市中心商业区的用户密度最高 居民区的用户密度也高 而市郊区的用户密度较低 因此 在用户密度高的市中心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 如下图2 28所示 蜂窝系统工作原理4 图2 28小区的分裂 蜂窝的种类 宏蜂窝小区 Macro cell 1 35km10W以上微蜂窝小区 Micro cell 1Km内1 2W其它蜂窝小区 蜂窝系统工作原理4 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 蜂窝系统工作原理4 2 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 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 这是利用了电波的传播损耗以实现频率再用 频率复用的优势是可以极大地提高频谱效率 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 蜂窝系统工作原理4 1 频率复用概述 2 频率复用距离的计算频率复用距离的计算取决于许多因素 如频率分组数 衰落和屏蔽对频率复用的影响 同道干扰的概率等等 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 设两个地区彼此相距D时 不会产生明显的同道干扰 则称D称为复用空间保护距离 设小区的半径为R 则称D R为共道干扰抑制因子 根据蜂窝系统的几何关系 设区群数为k 则有 蜂窝系统工作原理4 式中k是由 C I s所确定 可推出 公式推导1 频率复用因子 frequencyreusefactor N每小区只分配给可用信道的1 N 若N大 则分配给每小区的信道数就少 每簇小区数N满足 此处 i j为非负整数 N 9 6 4 19N 4 2 1 7寻找最近的同信道邻近小区 1 沿六角形的中心连线移i个小区 2 逆时针转60 再移j个小区 公式推导2 每簇小区数 N 计算 公式推导3 所以 对于7 21复用方式 即7个基站 21个小区使用21组频率 则复用保护距离D为 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 反而每个小区内分得的频点数少了 结果致使小区的容量下降 所以 k到底取多少 还是要综合考虑各方面的因素 蜂窝系统工作原理4 相关知识1 相关知识2 载波干扰比C I在上式2 63中谈到k是由 C I s所确定 而系统的载波干扰比C I又是由系统所选用的调制方式和带宽来确定的 例如 当蜂窝网络每个区群共有7个小区 基站收发信机采用全向天线 只考虑到第一频道组的共道小区的干扰 如图2 29所示 蜂窝系统工作原理4 图2 29蜂窝网络共道小区分布 此时的载波干扰比C I计算如下 式中 Ii为第i频道组的共道干扰电平 共有6个 n为环境躁声功率 可忽略 考虑到电波传播损耗为4次幂规律 则接收到的信号功率和干扰功率分别为 式中 A为常数 考虑到上述情况 而且Di都相同 则有 规定系统的载干比门限为 C I s 只要满足 就可以保证通信质量 蜂窝系统工作原理4 相关知识1 考虑衰落和屏蔽情况下的频率复用距离计算衰落和屏蔽情况下的频率复用距离可分为三种情况加以考虑 一是只考虑衰落 二是只考虑屏蔽 三是同时考虑衰落和屏蔽 这时我们需要先考察同频干扰概率 通过计算我们发现 若当同频干扰概率的标准方差 6dB 干扰概率P 10 2时 既有衰落又有屏蔽情况下较只有屏蔽情况下的同频干扰概率增大8dB左右 当 8dB 干扰概率P为10 3时 既有衰落又有屏蔽情况下较只有屏蔽情况下的同频干扰概率增大10dB左右 当 12dB 两者差别就小多了 由此 我们可以得出结论 在郊区和较低层建筑的市区 衰落对干扰概率影响很大 而在高建筑较多的城市 则主要由屏蔽引起的 所以 在进行频率复用距离计算时 分几种情况进行 蜂窝系统工作原理4 若移动台在某个接收点收到来自基站的有用信号包络S1 又收到另一基站的不需要信号 干扰信号 的包络S2 则同频干扰概率定义为 式中r为射频率保护比 r 接收的有用信号 接收的干扰信号 最小 蜂窝系统工作原理4 考虑通信概率的频率复用距离计算根据同频干扰容限的条件下 去找出最小所需的D R比的计算方法如下 假定90 的覆盖区有75 的边缘覆盖率 并假定载频信号和一个干扰信号都服从对数正态衰落 并且不相关 它们的标淮偏差都为6dB 则合成偏差为 6 8 4dB 为了保证载干比大于18dB D I 18dB 且在边缘地区通信概率大于75 相应的衰落储备应大于0 6 8 4dB 5dB 考虑到干扰源可能会多于一个 需再增加4dB的储备 在最坏的条件下 所需的D R比应能保证C I的比值大于27dB 由于传播特性与距离的4次方成正比 假定是光滑地球平面 则路径传播衰减为 蜂窝系统工作原理4 式中 Ll 干扰的传播衰减 Lc 信号的传播衰减 则 由此可见满足同频干扰比27dB条件下 选N 12即可满足要求 实际工程中 同频复用距离的大小还取决于许多的因素 包括业务量 基站的位置 周围的电磁环境等等 CDMA系统中还要考虑软切换增益等等 它的大小需要进行综合性 系统性的计算 蜂窝系统工作原理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 蜂窝系统工作原理4 相关知识1 一 信道分割原理信道复用与多址通信的异同点 先赋予各个信号不同的特征 然后根据每个信号特征之间的差别来区分信号 从而实现互不干扰的通信 1 目的相同 充分利用信道资源 提高传输的有效性 2 数学基础相同 信号正交分割原理 即信道分割理论 1 信道复用是在两点之间的信道中同时传送互不干扰的多个相互独立的用户信号 而多址通信则是在多点之间实现互不干扰的多方通信 不同点 2 信号复用的目的在于区分多路 而多址通信的目的在于区分多个动态地址 例如用户号码等 3 复用技术通常在中频或基带上实现 而多址技术通常在射频上实现 它利用射频辐射的电磁波来寻找识别动态地址 4 复用技术是一个点对点传输问题 而多址技术则是一个点对多点的通信问题 相关知识2 信号正交分割的原理是使分割域内的各个信号相互正交 即若信号集合 s1 t s2 t sN t 中任意两个信号满足 i j i j 则称 s1 t s2 t sN t 为正交信号族 其中的任意两个信号si t sj t 在区间 t1 t2 内称为正交信号 相关知识3 复用技术和多址通信的关键是如何设计具有正交特性的信号集合 使各信号之间互不干扰 正交信号的正交划分和设计是通过信号的正交分量 i i 1 2 N 的划分来实现的 即 式中 si t 为第i个用户信号 i为第i个用户信号si t 的正交参量 正交参量应满足 相关知识4 接收时 采用一个正交识别器就可以分离出信号 即 正交信号识别器原理框图 相关知识5 1 频分多址技术 FDMA 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 蜂窝系统工作原理4 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 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 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 再有 所有信道都可以作为单信号被扩大 控制 并转换为频带传送至目的地 所以FDMA技术主要优点在于经济实用 图2 30FDMA系统的工作示意图 蜂窝系统工作原理4 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 还有FDMA的基站必须要设置N套调制解调器 设备比较复杂 且FDMA信道大于通常需要的特定数字压缩信道 对于通信过程FDMA信道也是浪费的 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 另外 目前TDMA和CDMA都可以结合FDMA共同作用 也就是说 特定频带可以独立用于其它频带的TDMA或CDMA信号 蜂窝系统工作原理4 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 无论帧或时隙都是互不重叠的 每个时隙就是一个通信信道 分配给一个用户 在每一帧内依次排列 互不干扰 在接收端再利用时间的正交性 通过时间选择 选通门 从混合信号中选出相应的信号 近年来 TDMA有较多的应用 如GSM MMDS LMDS等系统中都主要使用了TDMA技术 在TDMA系统中 总的带宽约等于各个用户信号带宽的总和 在这一点上 TDMA与FDMA是相似的 蜂窝系统工作原理4 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 前面说到 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 显然 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 但同时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和混乱而导致接收端移动台无法正常接收信息 蜂窝系统工作原理4 图2 31TDMA系统的工作示意图 蜂窝系统工作原理4 在TDMA系统中 每帧中的时隙结构 或称为突发脉冲 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 蜂窝系统工作原理4 3 码分多址技术 CDMA 码分多址系统采用一组彼此正交 或准正交 的伪随机噪声 PN 序列用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 码分多址通信系统中各用户发射的信号共同使用整个频带 发射时间又是任意的 所以各用户的发射信号在时间上 频率上都可能相互重叠 因此 采用传统的滤波器或选通门是不能分离信号的 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 移动用户之间的信息传输也是由基站进行转发和控制的 蜂窝系统工作原理4 为了实现双工通信 正向传输 由基站到移动台 和反向传输 由移动台至基站 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 蜂窝系统工作原理4 基本工作原理如下 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或很小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 称之为相关检测 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 蜂窝系统工作原理4 假设在某一时刻用户信息数据分别为 图2 32码分多址收发系统示意图 蜂窝系统工作原理4 图2 33码分多址原理波形示意图 蜂窝系统工作原理4 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和忽略噪声时 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 蜂窝系统工作原理4 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