第2章-移动通信的基本概念xinppt课件

1、1,第2章 移动通信的基本概念,授课人：李玲香,2,引言,研究任何无线电通信系统的总体，必须首先对电波传播路径作分析，因为它直接关系到通信设备能力和天线高度的确定； 关系到通信距离的计算和频道的选择； 关系到如何实现优化可靠的信道的技术措施和系统指标的确定,3,教学目标,掌握信道及无线信道的结构； 熟悉VHF、UHF电波传播特性； 掌握移动信道的特征； 掌握任意地形地区的传播损耗中值的估算； 掌握移动通信系统的组成； 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,学习完本课程，你将能够,4,第2 移动通信基础知识,2.1 无线电波的传播特性 2.2 移动信道的特征 2.

2、3 陆地信道的场强估计与损耗 2.4 蜂窝系统工作原理 2.5 移动通信系统的基本网络结构,5,1、什么叫无线电波？ 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,2.1 无线电波的传播特性,一、无线电磁波,6,2、电磁波的传播,2.1 无线电波的传播特性,7,3、无线电波传播特点,无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。 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,2.1 无线电波的传播特性,8,3、波长、频率和传播速度的关系,可用式 / 表示。其中，为速度，单位为米/秒； 为频率，单位为赫兹；为波长，单位

3、为米,2.1 无线电波的传播特性,9,4、无线电波频段的划分,2.1 无线电波的传播特性,10,5、VHF、UHF,VHF：甚高频（30MHz300MHz）。目前使用情况：150MHz UHF：特高频（300MHz3000MHz）。目前使用情况：450MHz、800MHz、 900MHz、1800MHz、1900MHz、2000MHz,2.1 无线电波的传播特性,为何移动通信通信主要使用VHF和UHF频段？ （1）VHF/UHF频段适合于移动通信： 从VHF/UHF频段电波的传播特性来看，主要是视距范围内，一般为几十公里，而大部分车辆的日常移动半径在几十公里范围内，因此，这个频段适合于移动通信

4、。 （2）天线长度决定波长，这个频段信号发射和接收时，所使用的无线较短便于移动。 （3）抗干扰能力强：VHF/UHF频段，可以使用较小的发射功率获得及爱好的信噪比,11,6、超短波的传播,目前GSM和CDMA移动通信使用的频段都属于UHF（特高频）超短波，其高端属于微波。 超短波和微波又称空间波，空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。 超短波和微波均属于视距传播,2.1 无线电波的传播特性,12,7、电波传播方式,发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率f30 MHz时，典型的传播通路如图所示,2.1 无线电波的传播特性,13,二、直射波,直射波传播可按自由空间传播来

5、考虑。 所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。 特点：电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射,产生原因：由于辐射能量的扩散而引起的。直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗,结论：自由空间电波传播损耗只与工作频率f和传播距离d有关。当f或d增大一倍时，Lfs将分别增大6dB,2.1 无线电波的传播特性,14,自由空间传播模型一般用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径是接受的场强，比如卫星通信系统和微波视距通信的无线链路就是典型的自由空间传播,结论：自由空间电波传播损耗只与工作频率f和传播距离d有关。当f或d增大一倍时，

6、Lfs将分别增大6dB。 自由空间传播导致大部分发射信号大部分都散失在空间中，从而需要增加发射台的发射功率提高移动台的接收灵敏度,15,三、大气中的电波传播,特点：折射、能量吸收 由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。 结论：大气折射有利于超视距的传播，但在视线距离内，因为由折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰落。 障碍物会带来绕射损耗,2.1 无线电波的传播特性,16,四、反射波,产生反射的条件： 两种不同介质的光滑界面 界面尺寸比波长大得多,2.1 无线电波的传播特性,17,结论： 反射波与直射波的合成场强随反射系数R和路径差d变化。有时

7、同相相加，有时反相抵消，因此造成了合成波的衰落现象。 故在固定选址中，尽量减弱地面反射,2.1 无线电波的传播特性,18,五、视距传播的极限距离,由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。 视线所能到达的最远距离称为视线距离d0（见下图,2.1 无线电传的播特性,19,已知地球半径为R=6370km，设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR（单位为m），理论上可得视距传播的极限距离d0为,实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球半径R=8500km，可得修正后的视距传播的极限距离d0为,由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，视线距离越远

8、,2.1 无线电传的播特性,20,六、绕射损耗,在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗。通常将这种损耗称为绕射损耗。 设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图所示，图中x表示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直距离，在传播理论中x称为菲涅尔余隙,图 菲涅尔余隙 （a）中所示的x被定义为负值。 （b）中所示的x被定义为正值,2.1 无线电传的播特性,21,根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图2-4所示。横坐标为x/x1，x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有,绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系,由图2-6可见，当横

9、坐标x/x10.5时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。 当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为6dB，当x0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加,2.1 无线电传的播特性,22,例2-1 设图 2-3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。 试 求出电波传播损耗。 解：先由式(2-13)求出自由空间传播的损耗Lf s为,Lf s = 32.45+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB,由式(2- 16)求第一菲涅尔区半径x1为,式中，=c/f, c为光速，f为频率,2.1 无线电

10、波的传播特性,查得附加损耗(x/x1-1)为16.5dB, 因此电波传播的损耗L为 L = Lf s+16.5 = 116.0dB,23,一、信道分类,按信道特性参数的变化状态分类： （1）恒参信道：指传输信道特性的变化量极微且变化速度极慢。即，在足够长的时间内，其参数基本不变。 （2）变参信道：指传输特性的参数随时间变化极快。 移动信道即为典型的“变参信道,2.2 移动通信的特征,24,2.2 移动通信的特征,镜面发射：反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁波遇到比其波长大的多的物体时就会发生反射。反射是产生多径衰落的主要因素。 漫反射：漫反射产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。在

11、实际的移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引发散射。 绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射。当发射机和接收机之间不存在视距路径（LOS，Line of sight）（视距路径是指移动台可以看见基站天线；非视距（NLOS）（非视距是指移动台看不见基站天线），围绕阻挡体也产生波的弯曲,二、传播路径与信号衰落,在移动信道中，仅出现镜面发射和漫发射的情况，被认为视距传播，而绕射则被称为非视距传播,在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射,25,建筑物反射波 绕射波 直达波 地面反射波,1、多径传播模型,2.2 移动通信的特征,26,2、多径效

12、应与瑞利衰落,在陆地移动通信系统中，移动台往往受到各种障碍物和其他物体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和。其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化 ，这种衰落称之为快衰落或瑞利衰落,3、阴影效应与慢衰落,电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，其局部中值电平随地点、时间以及移动台速度做比较平缓的变化， 称为慢衰落,在蜂窝移动通信中，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落,2.2 移动通信的特征,27,三、多普勒频移,当移动台在运动中通信时，

13、接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移（Doppler Shift），可用下式表示,2.2 移动通信的特征,28,二 多普勒频移,由于移动台移动而产生的 频率偏移现象称为多普勒效应,式中，v为车速，为波长，fm为i=0时的最大多普勒频移。 影响：使工作频率产生小范围的“晃动”，对采用载波提取方式进行解调的接收机有影响,2.2 移动通信的特征,29,多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关。 若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升）；反之若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降）。 信号经

14、过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽,说明,2.2 移动通信的特征,30,三、多径效应,接收技术无线环境-多径效应,2.2 移动通信的特征,31,1、衰落,2.2 移动通信的特征,在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面的影响而发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做衰落。 衰落根据其时间特性可以分为二类：快衰落和慢衰落,32,2、衰落有什么影响,衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。 衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的误码。 衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延有关的同步。 衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程

15、。 所以，对抗衰落是无线通信必需认真解决的问题,33,3、如何对抗衰落,频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致，所以衰落信号波形将产生失真。 非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率无关，即信号经过传输后，各频率分量所遭受的衰落具有一致性，即相关性，因而衰落信号的波形不失真。 对于移动信道来说，存在一个相关带宽，当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落,衰落根据其频率特性可以分为二类：非频率选择性衰落（又称平衰落）和频率选择性衰落,34,3

16、、如何对抗衰落,频率选择性衰落主要是多径效应引起的。 多径效应最严重的后果之一是在信道传递函数中引入一个非理想的Hc(f)，破坏奈奎斯特准则和匹配滤波准则，从而产生码间串扰，是有效的Eb/No 恶化； 对抗频率选择性就是要消除非理想Hc(f)的影响。 对抗频率选择性衰落的主要方法：分集技术、PAKE 技术、均衡技术和纠错技术,非频率选择性衰落主要体现为接收电平的降低. 统计特性:平均接收电平及接收电平降低到某个门限值以下的概率. 抗衰落原理：衰落储备法。 衰落储备的实现方法：减少通信距离；增加发送功率；调整天线高度；选择合适路由，降低噪声系数及对归一化信噪比的要求等,35,2、信号快衰落,快衰

17、落：（信号传播多路径引起的）直射波，反射波和散射波在接收地点产生干涉场，使信号产生快速且深度的衰落。在典型的移动信道中，瑞利深度可达30dB，衰落速率约为30-40次/秒（很快）。 多径衰落的信号包络服从瑞利分布，相位服从均匀分布，故把这种多径衰落称为瑞利衰落。 快衰落产生原因：多径效应。 抗多径衰落的措施：分集技术,2.2 移动通信的特征,36,四、阴影效应,阴影衰落是移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应。 阴影衰落的信号电平起伏起是相对缓慢的，又称为慢衰落。 特点是衰落与无线电传播地形和地物的分布、高度有关。 慢衰落速率主要决定

18、于传播环境，即移动台周围地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速度等，而与频率无关,2.2 移动通信的特征,37,针对慢衰落特性，因为它的变化速度十分慢，通常可以通过调整设备参量（如调整发射功率）来弥补。 为了防止因衰落(包括快衰落和慢衰落)引起的通信中断，在信道设计中， 必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。 衰落储备的实现方法：减少通信距离；增加发送功率；调整天线高度；选择合适路由，降低噪声系数及对归一化信噪比的要求等,2.2 移动通信的特征,38,五、远近效应与功率控制,每个用户对于其他用户都相当于

19、干扰，远近效应会严重影响系统容量,采用功率控制技术减少了相互之间的干扰，提高了系统整体容量,远近效应：近端无用信号压制远端有用信号产生的干扰,2.2 移动通信的特征,39,1、时延扩展,时延扩展示意图,由于多径引起的接收信号脉冲的宽度扩展的现象，扩展的时间是最大的传输时延和最小时延的差值。时延扩展随环境、地形和地物的状况而不同，一般与频率无关,六、多径时散和相关带宽,40,时延扩展的大小可以直观地理解为在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，记为。如果发送的窄脉冲宽度为T，则接收信号宽度为T +。 对于模拟移动通信系统来说，多径效应引起接收 信号的幅度变化；对于数字移动通信系统来说

20、，多径效应引起脉冲信号的时延扩展，时延扩展将引起码间串扰（Inter Symbol Interference，ISI），严重影响数字信号的传输质量,41,1、时延扩展,值越小，时延扩展就越轻微；反之，值越大，时延扩展就越严重。 表2-2给出时延扩展的一些典型实测数据,42,2、 相关带宽,根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落与非频率选择性衰落，后者又称为平坦衰落。 频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应。 非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率无关，即信号经过传输后，各频率分量所遭受的衰落具有一致性，即相关

21、性，因而衰落信号的波形不失真。 对于移动信道来说，存在一个相关带宽，当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落,43,结论,相关带宽是移动信道的一个特性； 相关带宽表征的是信号两个频率分量基本相关的频率间隔； 相关带宽实际上是对移动信道对具有一定带宽信号传输能力统计的度量。 当码元速率较低，信号带宽远小于信道带宽时，信号通过信道传输 失真，后各频率分量的变化具有一致性，则信号波形不失真，无码间串扰，此时出现的衰落为非选择性衰落；当码元速率较高，信号带宽大于相关带宽时，信号通过信道后各频率分量的变化不一致的，将引起波形失真，造成码间串扰，此时出

22、现的衰落为频率选择性衰落。 在实际应用中，对于多个频率分量的的信号，相关带宽为最带时延Tm的倒数，即B=1/Tm,44,例：某市区实测最带时延Tm3.5us，其相关带宽为：B=1/Tm=280KHz 对于带宽为25Hz的窄带数字信号，其衰落为非频率选择性衰落。 总之，窄带信号通过移动信道是将引起非频率选择性衰落；宽带扩频信号通过移动信道是将引起频率选择性衰落,45,移动信道特征小结,传播路径为多路径，信号存在衰落 多路径传播产生多径衰落，也称瑞利衰落，也是快衰落，一般可以采用分集接收加以解决。 地形、地物、气象条件等因素引起阴影效应产生慢衰落，工程中均采用衰落储备加以解决 频率选择性衰落可采用

23、GSM跳频技术和CDMA扩频技术解决 由于移动台移动会产生多普勒效应。 信号存在严重的远近效应现象，采用功率控制加以解决,2.2 移动通信的特征,46,2.3 陆地移动信道的场强估算与损耗,设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强，或接收信号中值。 这些给定条件包括发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线高度、收发信机之间距离等。 这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。这里的信号中值是长区间中值,47,一、地形、地物分类,不同地形和传播环境条件下的电波传播特性是不同的饿，一般通过对地形和传播环境分类进行电波船工的估算，即估算移动信道中信号电场强度中值。

24、 实际地形虽然千差万别，但从电波传播的角度考虑，可分为两大类，即准平坦地形和不规则地形。 除了地形加以分类外，不同地物环境的条件也不同，可根据地物的密集程度，把传播环境分为四类： 开阔地区 郊区 中小城市和大城市地区 隧道区,2.3 陆地移动信道的场强估算与损耗,48,二、 中等起伏地形上传播损耗的中值,移动通信中电波传播的实际情况复杂多变的。人们通过大量的实测和分析，总结归纳除了多种经验模型和公式，在一定的条件下，使用这些模型对移动通信电波传播特性进行估计，都能得到比较准确的预测结果。 Okumura模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于VHF和UHF频段。 该模型的特点是：以准平坦地形大

25、城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正,2.3 陆地移动信道的场强估算与损耗,49,1、市区传播损耗的中值,准平坦地形大城市地区的中值路径损耗,okumura模型中准平坦地形大城市地区的中值路径损耗（dB）由下式给出: LT = Lbs+Am(f,d ) 在考虑了基站天线高度修正因子与移动台天线高度修正因子的情况下，准平滑地形，市区路径损耗中值应该为: LT = Lbs+Am(f,d ) Hb(hb,d ) Hm(hm,f,2.3 陆地移动信道的场强估算与损耗,50,式中，Lbs为自由空间路径损耗，由计算公式给出；Am(f，d)为在大城市地区当

26、基站天线高度 hb=200m、移动台天线高度hm=3m时相对于自由空间的中值损耗，又称基本中值损耗； Hb(hb，d)为基站天线高度增益因子（dB），即实际基站天线高度相对于以标准天线高度hb=200m的增益，为距离的函数； Hm(hm，f )为移动台天线高度增益因（dB），即实际移动台天线高度相对于以标准天线高度hm =3m的增益为频率的函数,2.3 陆地移动信道的场强估算与损耗,说明,51,准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗,2.3 陆地移动信道的场强估算与损耗,52,图（a）基站天线高度增益因子,图（b）移动台天线高度增益因子,2.3 陆地移动信道的场强估算与损耗,53,例2-3

27、-1：计算准平滑地形，城市地区的路径衰耗中值 。已知：hb=200m,hm=3m, d=10km, f=900MHz,解：首先求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为,查教材图2-15，可求得Am(f,d)，即,城市街道地区的传播衰耗中值,54,若hb=50m,hm=2m，其他条件不变，求损耗中值,查图2-16得,查图2-17得,在上题结果的基础上，要再加入基站和移动台的高度增益因子,则修正后的路径衰耗中值为,55,2不规则地形及不同环境中的中值路径损耗,2.3 陆地移动信道的场强估算与损耗,1）计算自由空间的传播衰耗Lbs为,2）计算准平滑地形市区的信号中值,3）计算任意地形地物情况下的信号中值,

28、KT为地形地物修正因子,T,T,A,K,L,L,56,式中： Kmr：郊区修正因子； Q0，Qr：开阔区，准开阔区修正因子； Kh，Khf：丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值； Kjs：孤立山丘地形修正因子； Ksp：斜坡地形修正因子； Ks：水路混合地形修正因子 根据实际的地形地物情况，KT因子可能只有其中的某几项或为零,57,例2-3-2：某一移动电话系统，工作频率为450MHZ，基地站天线高度为70m，移 动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20km，求传播路径的衰耗中值,解： 求自由空间的传播衰耗Lbs,58,由图2-15查得,由图2-16查得,由图2-

29、17查得,计算准平滑地形市区的衰耗中值,所以准平滑地形市区衰耗中值为,59,计算任意地形地物情况下的衰耗中值,根据已知条件可知,60,例：若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且Qm=15mr，其它条件不变，再求传播路径的衰耗中值,解：根据已知条件，由图2-18查得,查表得：斜坡修正因子,所以地形地物修正因子KT为,因此传播路径衰耗中值LA为,郊区修正因子,61,3. 其它因素的影响,街道走向的影响 电波传播的衰耗中值与街道的走向（相对于电波传播方向）有关。在纵向街道上衰耗较小，横向街道上衰耗较大。也就是说，在纵向街道上的场强中值高于基准场强中值，在横向街道上的场强中值低于基准场强中值,建筑

30、物的穿透衰耗 一般来说波长越短，穿透能力越强。各个建筑物对电波的吸收也是不同的。不同的材料，结构和楼房层数，其吸收衰耗的数据都不一样。例如，砖石的吸收较小，钢筋混凝土的大些，钢结构的最大。 如果移动台要在室内使用，在计算传播衰耗和场强时，需要把建筑物的穿透衰耗也计算进去，才能保持良好的可通率,62,3. 其它因素的影响,隧道中的传播衰耗 空间电波在隧道中传播时，由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受到较大的衰耗。 电波在隧道中的衰耗还与工作频率有关，频率越高，衰耗越小。当隧道出现分支或转弯时，衰耗会急剧增加，弯曲度越大，衰耗越严重,植被衰耗 树木、植被对电波有吸收作用。在传播路径上，由树木、植被

31、引起的附加衰耗不仅取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度及季节变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树木的路径长度等多方面因素。 一般来说，垂直极化波比水平极化波的衰耗稍大些,63,解决电波在隧道中的传播问题，通常可采用两种措施： 在较高频段（数百兆赫），使用强方向性天线，把电磁波集中射入隧道中内，但传播距离也不能很长。 在隧道中，纵向沿隧道壁铺设导波线(通常为泄漏电缆)，使电磁波沿着导波线在隧道中传播，从而减小传播衰耗,64,2.4 蜂窝系统的工作原理,移动通信系统为什么会引入蜂窝的概念？ 早期的移动通信系统是在其覆盖区域中心设置一个大功率发射机，采用高架天线发射到整个覆盖地区（半

32、径可达几千米）。这种系统的主要矛盾是它同时能提供给用户使用的信道数极为有限，远远不足了移动通信业务迅速增长的需要。 传输损耗很大,一、什么是蜂窝,65,根据移动网的服务区覆盖方式的不同可将移动通信网划分为：大区制和小区制,大区制的定义 大区制就是在一个服务区域（如一个城市）内只有一个基地站，并由它负责移动通信的联络和控制。 适用范围 为了增大通信用户量，大区制通信网只有增多基站的信道数，但这总是有限的。因此，大区制只能适用于小容量的通信网，例如用户数在1000以下。这种制式的控制方式简单，设备成本低，适用于中小城市、工矿区以及专业部门，是发展专用移动通信网可选用的制式,2.4 蜂窝系统的工作原

33、理,1、大区制移动通信网络,66,66,1、大区制移动通信网络,大区制移动通信示意图,大区制的结构与技术要求如图所示,67,67,1）通常为了扩大服务区域的范围： 基地站天线架设得都很高； 发射机输出功率也较大（一般在200W左右）； 其覆盖半径大约为3050,2）存在两个方向通信不一致的问题： 原因：因为电池容量有限，通常移动台发射机的输出功率较小，故移动台距基地站较远时，移动台可以收到基地站发来的信号（即下行信号），而基地站却收不到移动台发出的信号（即上行信号）。 解决：可以在适当地点设立若干个分集接收站，如图3-1虚线所示，以保证在服务区内的双向通信质量,1、大区制移动通信网络,68,6

34、8,1、大区制移动通信网络,3）存在同频间的相互串扰： 在大区制中，为了避免相互间的干扰，在服务区内的所有频道（一个频道包含收、发一对频率）的频率都不能重复。 譬如，移动台MS1使用了频率f1和f2。那么，另一个移动台MS2就不能再使用这对频率了，否则将产生严重的相互串扰。 （4）因而，这种体制的频率利用率及通信的容量都受到了限制，满足不了用户数量急剧增长的需要,69,69,1、大区制移动通信网络,此外，根据我国具体情况，在开展移动通信业务的初期，由于用户较少，且主要集中在经济欠发达的县市范围，为节约初期工程投资，通常也按大区制设计考虑。 但是，从远期规划来说，为了满足用户数量增长的需要，提高

35、频率的利用率，就需采用小区制的办法,大区制的应用 大区制结构简单、投资少、见效快，所以在用户较少的地域，这种体制目前仍得到一定的运用,70,2、小区制蜂窝移动通信网络,小区制的含义 小区制就是把整个服务区域划分成为若干个小区，每个小区分别设置一个基地站，负责本区移动通信的联络和控制。同时，又可在移动业务交换中心的统一控制下，实现小区之间移动用户通信的转接，以及移动用户与市话用户的联系。 因此，采用小区制组网，整个移动网络的覆盖区可以看成是由若干正六边形的无线小区相互邻接而构成的自状服务区。由于这种服务区的形状很像蜂窝，我们便将这种系统称之为蜂窝式移动通信系统，与之相对应的网络称之为蜂窝式网络,

36、70,71,2、小区制蜂窝移动通信网络,小区制的结构与技术要求 小区制的整个服务区域划分成为若干个小区共同覆盖，每人小区各设一个小功率基地站，基地站天线架设得都比较高，发射功率一般为510W，以满足各无线小区移动通信的需要。 例如，图3-1中的服务区域一分为五，如图3-2所示。每人小区各设一个小功率基地站（BS1BS5），发射功率一般为510W，以满足各无线小区移动通信的需要。且由于空间距离的存在，不同的基地站可以使用相同频率，譬如，移动台MS1在1小区使用的收发频率分别为f1 和f2 时，而在3小区的另一移动台MS3也可使用这对频率进行通信。这是由于1区与3区相距较远，且隔着2、4、5区，功

37、率又小，所以使用相同频率也不会互相干扰,71,72,二）小区制蜂窝移动通信网络,按照图3-2的情况，只需三对频率（即三个频道），就可与五个移动台通话。而原大区制要与五个移动台通话，必须使用5对频率,72,73,二）小区制蜂窝移动通信网络,很明显，小区制提高了频率的利用率，而且由于基地站功率减小，也使相互间的干扰减少了。 但是这种体制，在移动台通话过程中，从一个小区转入另一个小区的概率增加了，移动台需要经常地更换工作频道。无线小区的范围越小，通话中转换频道的次数就越多，这样对控制交换功能的要求就提高了，再加上基地数量的增加，建网的成本也高。虽然如此，小区制众多的优点是现代移动通信网广泛采用小区制

38、的重要理由。 小区制的应用 随着移动用户的发展，无线网络的扩容，由大区制变为小区制；移动户量数量较大时，采用此方式组网，因此这种体制适用公共移动通信系统,73,74,74,二、服务区,服务区是指移动台可以获得通信服务的区域。无线组网服务区的划分主要有带状服务区和面状服务区。 （一）带状服务区 1、带状服务区的结构 所谓带状服务区是指无线电场强覆盖呈带状的区域。如图3-3所示，这种区域的划分能按照纵向排列进行。 在业务区比较狭窄时基地台可以使用强方向性的天线（定向天线），整个系统是许多细长区域环连而成。因为这种系统呈链状，故也称“链状网,75,75,一）带状服务区,图3-3 带状服务区示意图,7

39、6,76,一）带状服务区,2、带状服务区的小区频率配置的方法 （1）为了避免相邻小区使用同一频率造成电波相互干扰（即同频干扰），往往： 把各相邻小区采用两个频率为一组（或A频率群与B频率群）依次配置，叫做二频制。 同样，当A、B、C三个频率组成一组时，称为三频制。 有的国家（如德国）把A区域频率定为f1 ，B区域频率定为f2 ，C区域频率定为f3 ，f1 、f2 、f3 皆为固定台频率，f4 为移动台频率，共同组成一组，称为四频制，如图3-4所示,77,77,一）带状服务区,图3-4 带状服务区频组分配方式,78,78,一）带状服务区,2）频率的配置： 首先是考虑通信质量，那么采用四频制组网最

40、为合适； 其次是考虑系统容量，那么采用二频制组网最为合适，其频率的利用率最高。 实际组网的过程中，要兼顾通信质量和系统容量，因此建议采用三频制组网方式 3、组网中同频干扰的影响 （1）交叠区： 在移动通信中，由于移动台经常处于运动状态，所以在基地台与移动台之间的电波传播状况也随时随地发生变化，以致小区域与小区域之间很难找到一个明显的分界线,79,79,一）带状服务区,但为了在区域的边缘地区也能保证随时随地通信不中断，往往设计时要考虑一定的场强交叠区。 这个交叠区的大小与地形、地物的影响有密切关系。 （2）交叠区的深度： 一般希望相邻两个区域的场强交叠有一适当的深度，使得移动台接收一个区域的基地

41、台的信号很差，而接收另一区域的基地台信号却很好（移动台对两个基地台的通话都不良的概率等于分别对每一个基地台不良的概率之积，一般很小），这样就可以调整交叠区深度减少可能出现的弱电场地带,80,80,一）带状服务区,3）但是在二频制的情况下，重叠过深就会导致更加严重的越区干扰。 如图3-5所示，越区干扰最严重出现在区域的端点上。这时，干扰信号D和有用信号S之比与其传播距离有如下关系： D / S = r / (3r - 2a) （二频制时） 同理，可以得出 D / S = r / (5r - 3a) （三频制时） D / S = r / (2n-1)r - na （ n频制时） （3-1） 式中：

42、r 为基地台到边界的距离（即基地台的场强作用之半径）； a为交叠距离,81,81,一）带状服务区,式（3-1）是按平面大地计算电波传播距离来处理的，若用 dB表示为 D / S = 40log r / (3r - 2a) （二频制时） D / S = 40log r / (5r - 3a) （三频制时） D / S = 40log r / (2n-1)r - na （ n频制时） （3-2） 若无重叠区时，即a0情况， D / S = -19dB （二频制时） D / S = -28dB （三频制时） D / S = -40log 1/(2n -1) （ n 频制时） （3-3,82,一）带状

43、服务区,82,图3-5 有用信号和干扰信号的传播距离,4、带状服务区的应用 带状服务区主要应用于覆盖沿海区域或内河道的船舶通信、高速公路的通信和铁路沿线上的列车无线调度通信，其业务范围是一个狭长的带状区域,83,83,二）面状服务区,二）面状服务区 1、面状服务区的结构 所谓面状服务区是指无线电场强覆盖呈宽广平面的区域，如图3-6,图3-6 面状服务区结构图,84,84,二）面状服务区,在带状服务区中，其每个无线小区使用的无线频率，不能同时在相邻区域内使用，否则将产生同频干扰。 有时，由于地形起伏大，即使隔一个小区还不能使用相同的频率，而需要相隔两个小区才能重复使用。 如果从减小干扰考虑，重复

44、使用的频率最好是三个或三个以上的小区为好。但从无线频道的有效利用和成本来说是不利的,85,85,二）面状服务区,2、构成小区的几何图形 由于电波的传播和地形地物有关，所以小区的划分应根据环境和地形条件而定。 为了研究方便，假定整个服务区的地形地物相同。并且基地台采用全向天线，它的覆盖面积大体上是一个圆，即无线小区是圆形的。又考虑到多个小区彼此邻接来覆盖整个区域时，用圆内接正多边形近似地代替圆。 不难看出由圆内接多边形彼此邻接构成平面时，只能是正三角形、正方形和正六边形。如图3-7所示,86,86,二）面状服务区,图3-7 构成小区的几何图形,87,87,二）面状服务区,表一 正多边形交叠区域的

45、特性比较,现将这三种面状区域组成的特性比较如表3-1,88,88,二）面状服务区,由图3-7和表一比较可知，正六边形的中心间隔最大，覆盖面积最大，交叠区面积小，交叠区域距离、所需的频率个数最小。 因此，对于同样大小的服务区域，采用正六边形构成小区制所需的小区数最少，由于交叠距离最小，将使位置登记等有关技术问题较易解决。 由此可知，面状区域组成方式最好是正六边形，而正三角形和正方形因为重叠面积较大，一般不采用。 3、正六边形无线区群的构成方法 现代移动通信广泛应用蜂窝状区域网，即用正六边形方式构成无线区群，再以这些群组成服务区,89,89,二）面状服务区,1）无线区群的构成方法如下： 首先，由若

46、干个正六边形小区构成单位无线区群，再由单位无线区群彼此邻接形成大服务区域。 若同频无线小区之间的距离大于同频复用距离，则各个单位无线区群可以使用相同的波道组，以实现频谱的有效利用。 （2）单位无线区群的构成应满足以下两个条件： 若干单位无线区群能彼此邻接； 相邻单位无线区群区中的同频小区中心间隔距离相等。 满足以上两个条件的关系式如下： N = a2 + ab + b2 （3-4,90,90,二）面状服务区,式中N为构成单位无线区群的正六边形的数目，a、b 均为正数，包括零在内，但a、b不能同时为零。 按式（3-4）可确定N = 1，3，4，7，9，12，13，16，19，21，25，27，3

47、6。并给出常见的单位无线区群的构成图形，如图3-8所示,图3-8 常见的单位无线区群的图形,91,91,二）面状服务区,由图3-8所示的单位无线区群彼此邻接排布都可扩大服务区。 但是如何选择单位无线区群好呢？ 这根据系统所要求的同波道复用距离而定。在进行蜂窝状网的频率分配时，每个无线小区分给一个波道组，每个单位无线区群分给一组波道组，如图3-9所示，图中的号码分别表示互不相同的波道组,92,92,二）面状服务区,当服务区扩大后，见图3-9，为了实现频率复用，不同的单位无线区群可以使用相同的信道组，其条件是：相同号码的无线区中心之间的距离dg 大于或等于同波道复用距离D。 dg 取决于单位无线区

48、群中无线小区数N和无线小区半径r； 可用下式计算： dg/r = 或 dg = r （3-5） dg 、r与N三者的关系，由公式3-5可得。在满足所要求的同频复用距离（即 dg D）的前提下，N取值越大，dg就越大、则同频干扰越小、但通信质量越好；N取值越小、dg就越小、则同频干扰增大，但频率的利用率提高,93,93,二）面状服务区,4、基站激励方式 在各种蜂窝方式中，根据基站所设位置的不同有两种激励方式。 （1）中心激励方式 在设计时，若基地台位于无线区的中心，则采用全向天线实现无线区的覆盖，这称为“中心激励”方式，如图3-10（a）所示,94,94,二）面状服务区,2）顶点激励方式 若在每

49、个蜂窝相同的三个角顶上设置基地台，并采用三个互成120扇形覆盖的定向天线，同样能实现小区覆盖，这称为“顶点激励”方式，如图3-10（b）所示。 由于“顶点激励”方式采用定向天线，对来自120主瓣之外的同信道干扰信号来说，天线方向性能提供一定的隔离度，降低了干扰，因而允许以较小的同频道复用比（D /r ）工作，构成单位无线区群的无线区数N可以降低,95,95,二）面状服务区,5、小区分裂 以上的分析是假定整个服务区的容量密度（用户密度）是均匀的，所以无线区的大小相同，每个无线区分配的信道数也相同。 但是，就一个实际的通信网来说，各地区的容量密度通常是不同的。例如，市区密度高，市郊密度低。 为了适

50、应此种情况，对于容量密度高的地区，应将无线区适当地划小一些，或分配给每个无线区的信道数应多一些。当容量密度不同时，无线区域划分的一个例子如图3-11所示。图中的号码表示信道数,96,二）面状服务区,96,图3-11 容量密度不等时区域划分的一例,97,97,二）面状服务区,考虑到用户数随时间的增长而不断增长；当原有无线区的容量密度高到出现话务阻塞时，可以将原无线区再细分为更小的无线区，以增大系统的容量和容量密度。 其划分方法是：将原来有的无线区一分为三或一分为四，图3-12所示是一分为四的情形,98,98,子模块一 无线网络的构成,移动通信网的体制 服务区 区域定义 蜂窝小区的等级 小区频率配

51、置,99,99,三、区域定义,三、区域定义 在小区制移动通信网中，基站设置很多，移动台又没有固定的位置，移动用户只要在服务区域内，无论移动到何处，移动通信网必须具有交换控制功能，以实现位置更新、越区切换和自动漫游等功能。 在GSM移动通信系统中，区域定义如图3-13所示,100,100,三、区域定义,101,101,三、区域定义,一）服务区 服务区是指移动台可获得服务的区域，即不同通信网（如PLMN、PSTN或ISDN）用户无需知道移动台的实际位置而可与之通信的区域。 一个服务区可由一个或若干公用陆地移动通信网（PLMN）组成，可以是一个国家的一部分，也可以是若干个国家。 （二）PLMN区 P

52、LMN是由一个公用陆地移动通信网（PLMN）提供通信业务的地理区域。 PLMN可以认为是网络（如ISDN或PSTN）的扩展，一个PLMN区可由一个或若干个移动业务交换中心（MSC）组成,102,102,三、区域定义,在该区内具有共同的编号制度和共同的路由计划。MSC构成固定网与PLMN之间的功能接口，用于呼叫接续等。 （三）MSC区 MSC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构成的PLMN网的一部分。一个MSC区可以由一个或若干个位置区组成。 （四）位置区 位置区是指移动台可任意移动但不需要进行位置更新的区域。位置区可由一个或若干个小区（或基站区）组成。为了呼叫移动台，可在一

53、个位置区内所有基站同时发寻呼信号,103,103,三、区域定义,五）基站区 位于同一基站的一个或数个基站收发信台（BTS）包括的所有小区所覆盖的区域，即为基站区。 （六）小区 采用基站识别码或全球小区识别码进行识别的无线覆盖区域，即为小区。采用全向天线时，小区即为基站区。采用定向天线时，一个基站区内含有多个小区。 总之，无线区域的划分和组成，应根据地形地物情况，容量密度，通信容量，有效利用频谱等因素综合考虑,104,104,三、区域定义,尤其是当整个服务区的地形地物复杂时，更应根据实际情况划分无线区： 先利用50万分之一（或百万分之一）的地形图作整体安排，初步确定基地台位置及无线区大小，找出几

54、种可能的方案； 然后根据现场调查和勘测，以资比较。从技术、经济、使用、维护等几方面考虑，确定一个最佳的区域划分和组成方案。 最后，根据无线区的范围和通信质量要求进行电波传播电路的计算,105,105,子模块一 无线网络的构成,移动通信网的体制 服务区 区域定义 蜂窝小区的等级 小区频率配置,106,106,四、蜂窝小区的等级,一）宏蜂窝小区 1 、传统的宏蜂窝小区： 传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区构成，每小区的覆盖半径大多为125km。 由于覆盖半径较大，所以基站的发射功率较强，一般在10W以上，天线也做得较高。 每个小区分别设有一个基站，它与处于其服务区内的移动台建立无线通信链路。 若干个小区

55、组成一个区群（蜂窝），区群内各个小区的基站可通过电缆、光缆或微波链路与移动交换中心（MSC）相连。移动交换中心通过PCM电路与市话交换局相连接,107,107,一）宏蜂窝小区,2、实际宏蜂窝小区： （1）在实际的宏蜂窝内，通常存在着两种特殊的微小区域。 一是“盲点”。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，通信质量严重低劣； 二是“热点”。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。 （2）以上两“点”问题，往往通过设置直放站、分裂小区等办法来加以解决。但从原理上讲，这两种方法也不能无限制地使用,108,108,

56、一）宏蜂窝小区,直放站实质是一个宽带放大器，设置不合理（包括选址及安装等）或设置得过多，都极易造成对周围信号的干扰； 小区分裂实质就是采用使宏基站变密的办法（即将覆盖面大的基站分裂成覆盖面较小的基站）来增加系统的容量，但当基站小到一定程度时，由于干扰和基站投入等问题，这种办法将难以再进行。 （3）特别是近几年来，随着移动通信的迅速发展业务需求的剧增，这些方法更是难奏其效，这样便产生了微蜂窝小区技术,109,109,二）微蜂窝小区,二）微蜂窝小区 1、微蜂窝小区是在宏蜂窝小区的基础上发展起来的一门技术。 （1）微蜂窝小区的特征: 覆盖半径大约为30300m； 发射功率较小，一般在1w以下； 基站

57、天线置于相对低的地方，如屋顶下方，高于地面510m; 传播主要沿着街道的视线进行，信号在楼顶的泄漏小,110,110,二）微蜂窝小区,2）微蜂窝的主要作用： 因此，微蜂窝最初被用来加大无线覆盖，消除宏蜂窝中的“盲点”。 同时由于低发射功率的微蜂窝基站允许较小的频率复用距离，每个单元区域的信道数量较多，因此业务密度得到了巨大的增长，且RF干扰很低，将它安置在宏蜂窝的“热点”上，可满足该微小区域质量与容量两方面的要求,111,111,二）微蜂窝小区,2、实际中的微蜂窝 （1）在实际设计中，微蜂窝作为无线覆盖的补充，一般用于： 宏蜂窝覆盖不到又有较大话务量的地点，如地下会议室、娱乐室、地铁、隧道等。

58、 作为热点应用的场合一般是话务量比较集中的地区，如购物中心、娱乐中心、会议中心、商务楼、停车场等地。 （2）在话务重很高的商业街道等地则可采用多层网形式进行连续覆盖，即分级蜂窝结构。 3、分级蜂窝结构： 不同尺寸的小区重叠起来，不同发射功率的基站紧密相邻并同时存在，使得整个通信网络呈现出多层次的结构,112,112,二）微蜂窝小区,相邻微蜂窝的切换不回到所在的宏蜂窝上， 宏蜂窝的广域大功率覆盖可看成是宏蜂窝上层网络，并作为移动用户在两个微蜂窝区间移动时的“安全网”，而大量的微蜂窝则构成微蜂窝下层网络。 随着容量需求的进一步增长，运营者可按同一规则安装第3或第4层网络，即微微蜂窝小区,113,三

59、）微微蜂窝,三）微微蜂窝 1、微微蜂窝实质就是微蜂窝的一种，只是： 它的覆盖半径很小，一般只有1030m； 基站发射功率更小，大约为几十毫瓦； 其无线一般装于建筑物内业务集中地点。 2、微微蜂窝也是作为网络覆盖的一种补充形式而存在的，它主要用来解决商业中心、会议中心等室内“热点”的通信问题。 3、在目前的蜂窝式移动通信系统中，我们主要通过在宏蜂窝下引入微蜂窝和微微蜂窝以提供更多的“内含”蜂窝，形成分级蜂窝结构，从而解决网络内的“盲点”和“热点”，提高网络的容量,113,114,三）微微蜂窝,4、多元蜂窝系统： （1）一个多层次网络，往往是由一个上层宏蜂窝网络和数个下层蜂窝网络组成的多元蜂窝系统

60、。 （2）分级蜂窝包括宏蜂窝、微蜂窝和微微蜂窝，每种蜂窝执行早已定义好的不同功能，即： 宏蜂窝用于处理快速移动车辆的业务； 微蜂窝处理慢速移动，集中于步行或交通阻塞车辆的业务； 微微蜂窝用于覆盖商场和办公区等室内区域。 （3）将负载按这种方式分层的原因与切换功能有关： 因为车载电话在微蜂窝间快速移动会产生频繁切换，加重网络的负担，从网络管理出发，将产生频繁切换的业务转移到较小切换的宏蜂窝，以提高网络效率,114,115,三）微微蜂窝,慢速移动的车辆，由于它穿过蜂窝边界带花较长的时间，产生切换的时能性较小，因此由微蜂窝处理这类业务。 （4）当有用户接入时，系统根据所测得的信号强度和各蜂窝的容量为