无线通信基础知识

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频率复用和蜂窝小区


移动通信网的区域覆盖方式分为两类：一类是小容 量的大区制；另一类是大容量的小区制。 大区制是指一个基站覆盖整个服务区。为了增大单 基站的服务区域，天线架设要高，发射功率要大。 但是这只能保证移动台可以接收到基站的信号。反 过来，当移动台发射时，由于受到移动台发射功率 的限制，就无法保障通信了。 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。
移动用户和基站之间的距离 ζ 由于阴影产生的对数损耗（dB），服从 零平均和标准偏差σdB的对数正态分布 ， m 路径 损耗指数 实验数据表明m＝4，标准差σ＝8dB，是合理的
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式中, r
多径衰落的基本特性


由于移动信道中直射、反射和折射现象的同 时存在，使得发射信号通过不同的传播路径， 形成幅度、相位及到达时间相互区别的多个 信号而到达接收台。并且不同多径成分的相 位、幅度等都是随机、独立变化的。这样接 收信号的幅度将急剧变化，产生多径衰落。 多径效应引起的问题：额外的路径损耗、突 发性误码、严重的码间干扰
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各种系统

双工方式和多址方式要统一考虑； 主要多址方式：FDMA、TDMA、CDMA； 窄带系统采用方式：
FDMA/FDD、TDMA/FDD、TDMA/TDD；

宽带系统采用方式：
TDMA、CDMA/FDD、TDD；

空分多址（SDMA）是一种辅助方式。
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FDMA方式

FDMA/FDD系统工作示意图
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切换和位置管理

与上述两个问题紧密相关的两个问题是：
位置更新（Location Update）和寻呼（Paging）。 位置更新解决问题是移动台如何发现位置变化以 及何时报告它的当前位置。 寻呼解决的问题是如何有效地确定移动台当前处 于哪一个小区。
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多址接入技术



基本概念 实现不同地点、不同用户接入网络的技术 多址接入与信道 信道：传输信息的通道 无线信道：(f，t，C，S) 分类： 频分多址 (FDMA)，频道划分，频带独享，时间共享 时分多址 (TDMA)，时隙划分，时隙独占，频率共享 码分多址 (CDMA)，码型划分，时隙，频率共享 空分多址 (SDMA)，空间角度划分，频率/时隙/码共享
2
P r
Ar P Gt t 2 4d
自由空间的电波传播
自由空间的传播损耗
当Gt=Gr=1时， 分贝式
4d L
P L t P r
2
L 32.45 20 log f 20 log d
Pr (dBm) 10 log Pr (mW )
接收换算
Pr (dBW ) 10 log Pr (W )
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电波传播机制

反射（Reflection） 当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生 反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁 表面
4
电波传播机制

绕射（Diffraction） 当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的 边缘阻挡时，发生绕射。
5
电波传播机制

散射（Scattering） 当电磁波的传播路由上存Leabharlann Baidu小于波长的物体、并 且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时， 发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它 不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。
基础知识

无线电波传播特性 移动通信网的概念和特点 蜂窝小区和原理及相关技术 多址接入和系统容量
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自由空间的电波传播
自由空间的传播损耗 在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存 在电磁波能量扩散而引起的传播损耗 接收功率 2Gr 式中，Pt为发射功率，以球面波辐射 , Ar 4 Ar为接收天线的有效面积， λ 为工作波长，Gt，Gr 分别表示发射天线和接收天线增益，d为发射天线 和接收天线间的距离。
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频率复用和蜂窝小区

考虑一个共有S个可用的双向信道的蜂窝系统,如果每个小区 都分配K个信道(k<S)，并且S个信道在N个小区中分为各不相 同的、各自独立的信道组，而且每个信道组有相同的信道数 目，那么可用无线信道的总数为：
S K N

共同使用全部可用频率的N个小区叫做一簇。如果簇在系统 中共同复制了M次，则信道的总数C，可以作为容量的一个度 量:
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移动通信网的基本概念

切换和位置更新：采用蜂窝式组网后，切换 技术就是一个重要的问题。对于不同的多址 方式，切换技术也有所不同。位置更新是移 动通信所特有的，由于移动用户要在移动网 络中任意移动，网络需要在任何时刻联系到 用户，以有效的管理移动用户。完成这种功 能的技术称为移动性管理。
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移动通信网的基本组成
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多普勒频移
原因:移动体在x轴上以速度v移动时会引起多
普勒（Doppler）频率漂移
表达式
多普勒频移 f d 式中 v 移动速度 λ 波长
fm ＝
v
v
cosα

入射电波
x
α 入射波与移动台移动方向之间的夹角

最大多普勒(Doppler)频移
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多普勒频移



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。
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三种多址技术的比较
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各种系统组网情况


TACS系统 GSM系统 IS-95系统 PHS系统 WCDMA系统 TD-SCDMA
FDMA/FDD FDMA/TDMA/FDD FDMA/CDMA/FDD FDMA/TDMA/TDD FDMA/CDMA/FDD FDMA/TDMA/CDMA/TDD
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切换和位置管理


位置管理：在移动通信系统中，用户可以在系统覆 盖范围内任意移动，为了能把一个呼叫传送到随机 移动的用户，就必须有一个高效的位置管理系统来 跟踪用户的位置变化。 位置管理包括两个主要任务：位置登记和呼叫传递。 位置登记的步骤是在移动台的实时位置信息已知的 情况下，更新位置数据库和认证移动台。呼叫传递 的步骤是在有呼叫给移动台的情况下，根据HLR （Home Location Register 归属寄存器）和VLR （Visitor Location Register 访问寄存器）中可用的 位置信息来定位移动台。
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FDMA方式(续)
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FDMA方式(续)
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FDMA方式(续)

基本概念：每个用户占用一个频道 用户地址：频道号 FDMA的特点



比较简单、容易实现，适用于模拟和数字通信系统 是以频率复用为基础的蜂窝结构，以频带划分各种 小区 需要周密的频率规划，是一个频道受限和干扰受限 系统 符号时间远大于延时扩展，不需要均衡 基站是多部不同载波频率发射机同时工作 不宜在大容量的系统中使用
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频率复用和蜂窝小区


实际上，由于无线系统覆盖区的地形地貌不 同，无线电波传播环境不同，产生的电波的 长期衰落和短期衰落不同，一个小区的实际 无线覆盖是一个不规则的形状。 当用六边形来模拟覆盖范围时，基站发射机 或者安置在小区的中心(中心激励小区)或者安 置在六边形的顶点之中的三个上(顶点激励小 区)。
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时延扩展（多径时散）

(delay spread）在多径传播条件下，当发射端发送 一个极窄的脉冲信号 s (t ) a (t ) 时，经过多条不同 的传播路径后，接收端信号则为一串脉冲组成（可 能是离散的，也可能联成一片），即
i 0 i
s (t )

ai ( i ) e jt E (t ) e jt
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切换和位置管理
信号的强度或质量下降到由系统规定的一定参数 以下，此时移动台被切换到信号强度较强的相邻 小区。 由于某小区业务信道容量全被占用或几乎全被占 用，这时移动台被切换到业务信道容量较空闲的 相邻小区。 由第一种原因引起的切换一般由移动台发起，由 第二种原因引起的切换一般由上级实体发起。
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移动通信网的基本概念


无线蜂窝式小区覆盖和小功率发射：蜂窝式组网 放弃了点对点传输和广播覆盖模式，将一个移动 通信服务区划分成许多以正六边形为基本几何图 形的覆盖区域，称为蜂窝小区。一个较低功率的 发射机服务一个蜂窝小区，在较小的区域内设置 相当数量的用户。 频率复用：蜂窝系统的基站工作频率，由于传播 损耗提供足够的隔离度，在相隔一定距离的另一 个基站可以重复使用同一组工作频率，称为频率 复用。
i 1
N
这样，信号在时间轴上被“展宽”了，因此称这种 现象为时延扩展.
10
典型的时延谱
11
a
典型的时延谱说明




Tm为最大时延扩展 a 为平均延时 为均方值时延扩展，表征时延扩展的程度。 由于时延扩展, 接收信号中一个码元的波形会扩 展到其他码元周期中，引起码间串扰。 为了避免码间干扰，应使码元周期大于多径效应 引起的时延扩展。
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阴影衰落的基本特性
阴影衰落（慢衰落） 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
特点 衰落与传播地形和地物分布、高度有关
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阴影衰落的基本特性
表达式 l (r, ) r m 1010 传播路径损耗和阴影衰落 分贝式 10log l (r, ) 10m log r
MS 移动台 手持机 HS
公共电话网 PSTN 基站 BTS 基站 BTS
基站控制器 BSC
MS 移动台
基站 BTS 基站 BTS
基站控制器 BSC 移动交换机 MSC
网络管理
数据库 VLR/HLR
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移动通信网的基本组成

移动通信无线服务区由许多正六边形小区覆 盖而成，呈蜂窝状，通过接口与公众通信网 （PSTN、PSDN）互联。移动通信系统包括移 动交换子系统（SS）、操作维护管理子系统 （OMS）和基站子系统（BSS）（通常包括移 动台），是一个完整的信息传输实体。
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移动通信网的基本概念


移动通信在追求最大容量的同时，还要所追 求最大的覆盖，也就是无论移动用户移动到 什么地方移动通信系统都应覆盖到。这个通 信网就是移动通信网。 移动通信网络由两部分组成：一部分为空中 网络，另一部分为地面网络部分。
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移动通信网的基本概念


空中网络是移动通信网的主要部分，主要包括： 多址接入：在给定的频率资源下，如何提高系统的 容量是蜂窝移动通信系统的重要问题。由于采用何 种多址接入方式直接影响到系统的容量，所以一直 是人们研究的热点。 频率复用和蜂窝小区：蜂窝小区和频率复用是一种 新的概念和想法。它主要是解决频率资源限制的问 题，并大大增加系统的容量。蜂窝小区和频率复用 实际上是一种蜂窝组网的概念是由美国贝尔实验室 最早提出的。蜂窝式组网理论的内容如下：
C MKN MS
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其中，N叫做簇的大小，典型值为4、7或12。
切换和位置管理

信道切换原理：当移动用户处于通话状态时， 如果出现用户从一个小区移动到另一个小区 的情况，为了保证通话的连续，系统要将对 该MS的连接控制也从一个小区转移到另一个 小区。这种将正在处于通话状态的MS转移到 新的业务信道上（新的小区）的过程称为 “切换”（Handover）。
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频率复用和蜂窝小区


小区制移动通信系统的频率复用和覆盖有两 种：带状服务覆盖区和面状服务覆盖区。 带状服务覆盖区（双频组频率配置 ）
f1
f2
f1
f2
f1
f2
f1
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面状服务覆盖区

FrequencyReusePattern of N=4
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Frequency Reuse Pattern of N=7
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移动通信网的基本概念


多信道共用和越区切换：由若干无线信道组成的移 动通信系统，为大量的用户共同使用并且仍能满足 服务质量的信道利用技术，称为多信道共用技术。 事实上，不是所有的呼叫都能在一个蜂窝小区内完 成全部接续业务的，为了保证通话的连续性，当正 在通话的移动台进入相邻无线小区时，移动通信系 统必须具备业务信道自动切换到相邻小区基站的越 区切换功能，即切换到新的信道上，从而不中断通 信过程。