无线通信原理与应用PPT课件.ppt

1 数字移动通信2002年10月 2 第2章蜂窝系统设计的基础 2 1无线通信基础知识2 2蜂窝移动通信的基本技术2 3蜂窝通信中的干扰与信道配置2 4蜂窝通信系统的容量与服务等级 3 2 1无线通信基础知识 2 1 1无线通信的频谱环境 长波30 300KHz10 1km中波0 3 1 5MHz1000 200m短波1 5 30MHz100 10m超短波 米波30 300MHz10 1m微波 分米波0 3 3GHz100 10cm厘米波3 30GHz10 1cm毫米波30 300GHz10 1mm亚毫米波300 3000GHz1 0 1mm光波 红外光3 103 3 105GHz100 1 m可见光3 105 3 106GHz0 8 0 4 m 4 2 1 1无线通信的频谱环境 传播方式 5 2 1无线通信基础知识 2 1 1无线通信的频谱环境在陆地移动通信中 电波频率越低 绕射性能越强 电波频率越高 反射性能越强 6 2 1 2工作方式 移动通信按工作方式及频率使用方式分 可分为 单工 同频 异频单工 双工 同频 异频双工 和半双工通信 7 2 1 2工作方式 一 单工通信1 单工通信概念 所谓单工通信是指通信双方的电台交替地进行收信和发信 某一方收发信不能同时进行 8 2 1 2工作方式 2 单工通信分类根据收发频率的异同 又可分为同频单工 收发采用相同的频率 和异频单工 收发采用两个不同的频率 两个频率相隔一个较大的间隔 150MHz频段为5 7MHz 450MHz频段为10MHz 900MHz频段为45MHz 两类 9 2 1 2工作方式 3 单工通信工作原理 10 2 1 2工作方式 4 单工通信的特点 优点 设备简单 收发合用部分电路或部件 省电 成本低 缺点 由于使用PTT Push To Talk 按讲开关 使用不方便 不习惯 5 单工通信应用 特殊训练的场合 如部队 警察 调度等通话相对少而简练的场合 11 2 1 2工作方式 二 双工通信 也称全双工通信 1 双工通信概念 所谓双工通信是指通信双方可同时进行信息传输 而不需交替地进行收信和发信 某一方收发信机能同时工作 的工作方式 区别于后面的半双工通信 这种方式也称为全双工通信 12 2 1 2工作方式 2 双工通信分类 双工通信可分为频分双工 FDD 收发采用两个不同的频率 间隔同前 也称异频双工 和时分双工 TDD 收发采用一个的频率 也称为同频双工 家用无绳电话中多为此种方式 两类 13 2 1 2工作方式 3 双工通信工作原理 14 2 1 2工作方式 4 双工通信的特点 优点 使用方便 同普通电话一样 缺点 设备较复杂 耗电大 特别对移动环境下以电池作为电源的移动台则更不利 改进做法 移动台采用单工方式 基地台采用双工方式 即所谓的半双工通信 15 2 1 3调制方式分类 调制方式 种类的表示符号 对于调制种类的符号表示要反映调制形式的全貌和所需带宽 不同的调制种类由四部分构成 最前面的数字表示这种调制种类所占用的带宽 单位为kHz 第二部分为一个字母 说明主载波的调制形式 第三部分为一个数字 说明信息传输种类 第四部分为一个字母 表明辅助特性 16 2 1 3调制方式分类 调制种类的符号表 调制种类的符号表 17 2 2蜂窝移动通信的基本技术 调制种类的符号表 大区制移动通信的构成 2 2 1大区制移动通信系统及其局限性 基地台 市话 移动台 移动台 大区制的缺陷 覆盖范围有限 系统容量受限 系统设备受限 18 第一个移动电话服务诞生于1946年用于无线电调度 如急救 警察 出租车等基本特点是发射功率大 基站覆盖区域大蜂窝概念有限的频率资源和不断增加的用户之间的矛盾 七十年代贝尔实验室提出了蜂窝覆盖的概念 随后得以发展并商用化固态技术的成熟手持机面向公众 如BB机 对讲机等模拟蜂窝电话获得成功AMPS TACS 2 2 2蜂窝概念的形成 19 2 2 3小区制移动通信系统构成及其特点小区制蜂窝移动通信的构成 20 小区制移动通信系统特点 利用小区覆盖 频率重用提高系统容量 系统需要进行频率规划 克服同频干扰 系统需要进行过境切换 保证通话连续 系统需要进行用户管理 保证漫游实现 21 2 2 4蜂窝通信的基本原理一 小区 区群与频率重用 小区形状的确定 小区的实际覆盖 想象的覆盖 理想的覆盖 实际的覆盖 22 无线区群构成 区群内每个小区使用不同的频率 区群的形状能够无缝覆盖整个区域 区群间同频小区的距离保持相等 无线区群的几种形状 N 3 N 4 N 7 23 无线区群N的数目 N i2 ij j2其中 i与j是正整数 i 0 j 0 i j 0 i j 同频小区之间距离D 小区半径r 同频复用因子Q D r 24 无线区群N的数目 N i2 ij j2 25 二 信道总数与频率重用 蜂窝通信的基本原理 26 频率重用与同信道干扰 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 全向天线中心激励的同信道干扰 27 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 6 7 5 4 3 2 1 定向天线顶点激励的同信道干扰 频率重用与同信道干扰 28 三 小区分裂 分裂前小区结构 分裂后小区结构 29 四 过境切换 30 2 3信道分配策略 1 固定分配 2 分区分组配置法原则 尽量减小占用的总频段 以提高频段的利用率 同一区群内不能使用相同的信道 以避免同频干扰 小区内采用无三阶互调的相容信道组 以避免互调干扰 31 2 3信道分配策略 1 固定分配 1 分区分组配置法举例设给定的频段以等间隔划分为信道 按顺序分别标明各信道的号码为 1 2 3 若每个区群有7个小区 每个小区需6个信道 按上述原则进行分配 可得到 第一组1 5 14 20 34 36第二组2 9 13 18 21 31第三组3 8 19 25 33 40第四组4 12 16 22 37 39第五组6 10 27 30 32 41第六组7 11 24 26 29 35第七组15 17 25 28 38 42 32 2 3信道分配策略 1 固定分配 1 分区分组配置法特点避免三阶互调 但未考虑同一信道组中的频率间隔 可能会出现较大的邻道干扰 每组信道数增加时 频谱利用率降低 33 2 3信道分配策略 1 分区分组配置法无三阶互调信道组校验方法 在一个信道组内 若任意两个信道序号的差值均不相等 则该信道组是无三阶互调的信道组 34 2 3信道分配策略 1 固定分配 2 等频距配置法1 方法按等频率间隔来配置信道的 只要频距选得足够大 就可以有效地避免邻道干扰 这样的频率配置可能正好满足产生互调的频率关系 但正因为频距大 干扰易于被接收机输入滤波器滤除而不易作用到非线性器件 这也就避免了互调的产生 35 2 3信道分配策略 1 固定分配 2 等频距配置法举例等频距配置时可根据群内的小区数N来确定同一信道组内各信道之间的频率间隔 例如 第一组用 l 1 N l 2N l 3N 第二组用 2 2 N 2 2N 2 3N 等 例如N 7 则信道的配置为 第一组1 8 15 22 29 第二组2 9 16 23 30 第三组3 10 17 24 31 第四组4 11 18 25 32 第五组5 12 19 26 33 第六组6 13 20 27 34 第七组7 14 21 28 35 36 若按N 7 采用顶点激励 37 2 3信道分配策略 2 动态分配法 1 引入原因以上讲的信道配置方法都是将某一组信道固定配置给某一基站 这只能适应移动台业务分布相对固定的情况 事实上 移动台业务的地理分布是经常会发生变化的 如早上从住宅区向商业区移动 傍晚又反向移动 发生交通事故或集会时又向某处集中 此时 某一个小区业务量增大 原来配置的信道可能不够用了 而相邻小区业务量小 原来配置的信道可能有空闲 小区之间的信道又无法相互调剂 因此频率的利用率不高 这就是固定配置信道的缺陷 38 2 3信道分配策略 2 动态分配法 2 方法为了进一步提高频率利用率 使信道的配置能随移动通信业务量地理分布的变化而变化 有两种办法 动态配置法 随业务量的变化重新配置全部信道 如能理想地实现 频率利用率可提高20 一50 但要及时算出新的配置方案 且能避免各类干扰 电台及天线共用器等装备也要能适应 这是十分困难的 柔性配置法 准备若干个信道 需要时提供给某个小区使用 控制比较简单 只要预留部分信道使各基站都能共用 可应付局部业务量变化的情况 是一种比较实用的方法 39 2 4切换策略 定义 切换是移动台与基站间的通信链路从当前基站转移到另一个基站的过程 又称为自动链路转移ALT AutomaticLinkTransfer 切换的目的 保证当前通话中的MS越出小区当前蜂窝小区时 现有通话不中断 另外 当通话中的MS改变小区时能明显避开强干扰时 且MS优选小区拥塞时 MS切换到临近小区 40 2 4切换策略 为了适应这些要求 系统设计者必须要指定一个起动切换的最恰当的信号强度 一旦将某个特定的信号强度指定为基站接收机中可接受的话音质量的最小可用信号 Pr最小可用电平 90dBm到 100dBm Pr切换 Pr最小可用电平 Pr切换 Pr最小可用电平切换过程中要掌握移动台的速度 41 2 4切换策略 图2 3说明切换的情况 42 2 4切换策略 图2 3说明切换的情况 43 2 4切换策略 越区切换的准则 参数控制 在决定何时需要进行越区切换时 通常是根据移动台处接收的平均信号强度 也可以根据移动台处的信噪比 或信干比 误比特率等参数来确定 1 相对信号强度准则 在任何时候都选择具有最强接收信号的基站 这种准则的缺点是 在原基站的信号强度仍满足要求的情况下 会引发太多不必要的越区切换 44 2 4切换策略 2 具有门限规定的相对信号强度准则 仅允许移动用户在当前基站的信号足够弱 低于某一门限 且新的基站强于本基站的信号情况下 才可以进行越区切换 门限选择很重要 如果太高 则与准则1相同 若太低 则可能会因链路质量较差而导致通信中断 3 具有滞后余量的相对信号强度准则 仅允许移动用户在新的基站的信号强度比原基站信号强度强很多 即大于滞后余量 的情况下才进行越区切换 可以防止 乒乓效应 45 2 4切换策略 4 具有门限规定和滞后余量的相对信号强度准则 具有滞后余量和门限规定的相对信号强度准则 仅允许移动用户在当前基站的信号强度低于规定门限并且新基站的信号强度高于当前基站一个给定滞后余量时进行越区切换 46 2 4切换策略 切换控制 过程控制 在第一代模拟蜂窝系统中 信号能量的检测是由基站来完成 由MSC来管理 基站设置一备用的定位接收机 由MSC控制 来完成 用来监视相邻基站中的有切换可能的MS的信号能量 MSC根据每个基站的定位接收机的数据来决定是否切换 47 2 4切换策略 48 2 4切换策略 移动台辅助MAHO IS 95和GSM在第二代的TDMA数字移动通信系统中 切换是由MS来辅助完成的 MS检测周围基站的下行信号能量 并且将这些检测数据连续的回送到当前为它服务的基站 当从一个相邻小区的基站中接收到的信号能量比当前基站的高出一定电平时 或维持一段时间时 就准备切换 这种方式在切换频繁的微蜂窝环境下特别实用 49 2 4 1优先切换 使切换具有优先权的一种办法叫做信道监视方法 即保留小区中所有可用信道的一小部分 专门为那些可能要切换到该小区的通话所发出的切换请求服务 缺点改进 50 2 4 2实际切换中需要注意的事项 切换与移动速度切换与系统容量覆盖方式的改进 51 2 4 2实际切换中需要注意的事项 切换与移动速度切换与系统容量覆盖方式的改进什么是 小区拖尾 切换的处理方式1 硬切换新的连接建立前 先中断旧的连接2 软切换维持旧的连接 又同时建立新的连接 并利用新旧连接的分集合并来改善通信质量 当与新基站建立可靠连接之后再中断旧连接 52 2 5干扰和系统容量 干扰是蜂窝系统性能的主要限制因素 干扰是增加系统容量的瓶颈 干扰源包括同一小区的其他MS 相邻簇的相同频率的基站 非蜂窝干扰 分为 同频干扰 邻频干扰 特点 难以控制 原因是随机的多径 53 2 5干扰和系统容量 干扰是蜂窝无线系统性能的主要限制因素 干扰是增加容量的一个重要瓶颈 而是常常导致掉话 蜂窝系统两种主要的干扰是 同频干扰和邻频干扰 54 2 5 1同频干扰和系统容量 频率复用意味着在一个给定的覆盖区域内 存在着许多使用同一组频率的小区 这些小区称为同频小区 这些小区之间的信号干扰叫做同频干扰 同频干扰不能简单的通过增大发射机的发射功率来克服 这是因为增大发射率会增大对相邻同频小区的干扰 解决办法 通过系统设计 增大同频小区间的距离 55 2 5 1同频干扰和系统容量 若如果每个小区的大小都差不多 基站也都发射相同的功率 则同频干扰比例与发射功率无关 而变为小区半径 月 和相距最近的同频小区的中心之间距离 D 的函数 增加D r R 及的值 相对于小区的覆盖距离 同频小区间的空间隔离就会增加 从而来自同频小区的射频能量减小而使干扰减小 参数Q 同频复用比例 56 同频干扰和系统容量 N i2 ij j2其中 i与j是正整数 i 0 j 0 i j 0 i j 同频小区之间距离D 小区半径r 同频复用因子Q D r 57 同频干扰和系统容量 58 1 2个同频小区之间的干扰 59 1 2个同频小区之间的干扰 S I 为dB 60 2 多个同频小区之间的干扰 61 2 多个同频小区之间的干扰 对移动通信信道的测量表明 在任一信道接收的平均信号能量随基站发射机和MS间的距离的幂指数下降 在距离发射天线d处接收到的平均信号功率Pr可以由下式来估算 Pr P0 d d0 n指数在市区一般为2到4之间 设基站发射功率相同 整个覆盖区的衰减指数相同 62 2 多个同频小区之间的干扰 63 2 多个同频小区之间的干扰 64 2 5 2邻频干扰 邻频干扰 来自所使用信号频率的相邻频率的信号干扰 l由于接收滤波器不理想 使得相邻频率的信号泄漏到了传输带宽内而引起的 l发信机在相邻频道内的边频分量 例如FM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 就会造成邻道干扰 65 2 5 2邻频干扰 远近效应 基站附近的发射机 MS或非蜂窝系统的发射装置 对远距离MS的通信信道的邻频干扰 如图所示 66 2 5 2邻频干扰 克服邻频干扰的措施 1 提高滤波器的选择性2 提高发信机的频率稳定度和准确度 以及降低频谱扩散度3 对移动台进行功率控制4 基站天线附近设置场强吸收装置 使远区场强不受影响5 改进信道分配策略 使小区的信道间隔尽可能的大 67 2 5 3功率控制 在实际的蜂窝系统中 每个MS的发射功率是受控于服务基站的 这是为了保证每个MS的发射功率最小 以保持反向链路的良好质量 功率控制不仅有助于延长MS的电池寿命 而且可以显著地减小系统中反向信道的S I 以后我们将认识到 FDMA和TDMA的系统容量是带宽受限的 而CDMA是干扰受限的 因此 功率控制对于CDMA系统来说更为重要 68 功率控制技术 前向功率控制前向功率控制的作用减小对相邻小区移动用户的干扰小区呼吸功能的实现前向功率控制的实现前向功率控制随移动台功率调整而变化前向功率控制随小区业务量实时调整为了满足每个业务信道前向功率控制的需要 考虑 6dB 6dB 的调整范围 最小的调节步长为0 125dB 69 反向功率控制 反向开环功率控制控制移动台起呼时功率移动台以导频功率为参考依据反向闭环功率控制目的 使各个移动台发送的功率正好满足解调要求 实现途径 在话音解码时计算误帧率 由基带处理插入功率控制比特 70 2 6中继和服务等级 1中继的基本概念什么是中继 是信号转接 是群线 是信道共用 2什么是话务量 用什么来衡量 3中继理论中的基本概念建立时间 给正在请求的用户分配一个无线信道所需要的时间阻塞呼叫 由于拥塞而遭受拒绝的呼叫保持时间 通话平均保持时间 H以秒为单位 话务量强度 信道的平均占用率Erlang为单位 A 负载 整个系统的话务量强度服务等级GOS 阻塞率请求速率 单位时间内平均的呼叫次数 表示为 秒 71 2 6中继和服务等级 每个用户提交的话务量强度等于呼叫请求速率乘以保持时间 也就是 每个用户产生的话务量强度表示为 Au H 忙时话务量 对于一个有U个用户和不确定数目的信道的系统 总共的话务量A为 A UAu在一个有C个信道的中继系统中 如果话务量是在信道中平分的话 则每个信道的话务量强度Ac为 Ac UAu C 72 2 6中继和服务等级 提供的话务量并不是中继系统所承载的话务量 只是提供给系统的话务量 最大可能承载的话务量决定于信道总数 表示为C 以Erlang为单位 4中继系统有两种 1 塞呼叫清除系统 对每一个请求服务的用户 有空闲信道则进入 无则被拒绝 ErlangB公式 2 阻塞呼叫延迟 如果不能立即获得一个信道 呼叫请求一直延迟到有信道空闲为止 用一个队列来保存阻塞呼叫 它的GOS定义为呼叫在队列中等待了一定时间后被阻塞的概率 73 2 6中继和服务等级 表2 4ElangB系统的容量 74 2 6中继和服务等级 1中继的基本概念什么是中继 是信号转接 是群线 是信道共用 2什么是话务量 用什么来衡量 3中继理论中的基本概念建立时间 给正在请求的用户分配一个无线信道所需要的时间阻塞呼叫 由于拥塞而遭受拒绝的呼叫保持时间 通话平均保持时间 H以秒为单位 话务量强度 信道的平均占用率Erlang为单位 A 负载 整个系统的话务量强度服务等级GOS 阻塞率请求速率 单位时间内平均的呼叫次数 表示为 秒 75 2 6中继和服务等级 每个用户提交的话务量强度等于呼叫请求速率乘以保持时间 也就是 每个用户产生的话务量强度表示为 Au H 忙时话务量 对于一个有U个用户和不确定数目的信道的系统 总共的话务量A为 A UAu在一个有C个信道的中继系统中 如果话务量是在信道中平分的话 则每个信道的话务量强度Ac为 Ac UAu C 76 2 6中继和服务等级 提供的话务量并不是中继系统所承载的话务量 只是提供给系统的话务量 最大可能承载的话务量决定于信道总数 表示为C 以Erlang为单位 4中继系统有两种 1 塞呼叫清除系统 对每一个请求服务的用户 有空闲信道则进入 无则被拒绝 ErlangB公式 2 阻塞呼叫延迟 如果不能立即获得一个信道 呼叫请求一直延迟到有信道空闲为止 用一个队列来保存阻塞呼叫 它的GOS定义为呼叫在队列中等待了一定时间后被阻塞的概率 77 2 6中继和服务等级 表2 4ElangB系统的容量 78 ElangB系统的容量图 79 ElangC系统的容量图 80 2 7提高蜂窝系统容量 随着移动服务需求的提高 分配给每个小区的信道数最终变得难以支持所要达到的用户数 需要蜂窝设计技术来给单位覆盖区域提供更多的信道 在实际中 采用小区分裂 裂向和覆盖区域逼近等技术来增大蜂窝系统的容量 81 2 7提高蜂窝系统容量 2 7 1小区分裂思想 将小区划分为更小的小区 称为微小区 各微小区相应地降低天线高度和减小发射功率 小区数的增加 将