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文檔簡(jiǎn)介

任務(wù)1.1移動(dòng)通信基礎(chǔ)

1.1.1移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展過程

1.1.1.1第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)

所謂移動(dòng)通信就是指移動(dòng)體之間、移動(dòng)體與固定體之間的通信。現(xiàn)代意義上的移動(dòng)通信系統(tǒng)起源于20世紀(jì)20年代,距今已有90余年的歷史。

20世紀(jì)70年代中期至80年代中期是第一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信系統(tǒng)發(fā)展階段。

1983年,AMPS首次在芝加哥投入商用,1985年,已經(jīng)擴(kuò)展到47個(gè)地區(qū)。其他國(guó)家也相繼開發(fā)出各自的蜂窩狀移動(dòng)通信網(wǎng)。

第一代蜂窩網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)通信系統(tǒng)由于受到傳輸帶寬的限制,不能進(jìn)行移動(dòng)通信的長(zhǎng)途漫游,只能是一種區(qū)域性的移動(dòng)通信系統(tǒng)。第一代移動(dòng)通信有多種制式,我國(guó)于1987年11月引入,主要采用的是

英國(guó)的TACS系統(tǒng),在廣東省建成并投入商用。第一代移動(dòng)通信有很多不足之處,比如容量有限、制式太多、互不兼容、保密性差、通話質(zhì)量不高、不能提供數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、不能提供自動(dòng)漫游等。

1.1.1.2第二代移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)

20世紀(jì)80年代中期至20世紀(jì)末,是2G這樣的數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)逐漸成熟和發(fā)展的時(shí)期。由于第一代移動(dòng)通信系統(tǒng)(1G)——模擬蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)存在頻譜利用率低、費(fèi)用高、通話易被竊聽(不保密)、業(yè)務(wù)種類受限、系統(tǒng)容量低等問題,主要還是系統(tǒng)容量已不能滿足日益增長(zhǎng)的移動(dòng)用戶需求。為了解決這些問題,推出了新一代數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)。

數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)(2G)主要采用的是數(shù)字的時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)和碼分多址(CDMA)技術(shù)。全球主要有GSM

CDMA

兩種體制。CDMA標(biāo)準(zhǔn)是美國(guó)提出的。GSM

技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是歐洲提出的,目前全球絕大多數(shù)國(guó)家使用這一標(biāo)準(zhǔn)。

盡管2G技術(shù)在發(fā)展中不斷得到完善,但隨著用戶規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,頻率資源己接近枯竭,語音質(zhì)量不能達(dá)到用戶滿意的標(biāo)準(zhǔn),數(shù)據(jù)通信速率太低,無法在真正意義上滿足移動(dòng)多媒體業(yè)務(wù)的需求。

1.1.1.3第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)(3G)

20世紀(jì)90年代末開始是第三代移動(dòng)通信技術(shù)(3G)發(fā)展和應(yīng)用階段,同時(shí)4G移動(dòng)通信也進(jìn)入了研究階段。自2000年左右開始,伴隨著對(duì)第三代移動(dòng)通信的大量論述,以及2.5G(B2G)產(chǎn)品GPRS(通用無線分組業(yè)務(wù))系統(tǒng)的過渡,3G走上了通信舞臺(tái)的前沿。

3G也稱為IMT-2000(InternationalMobileTelecommunication2000)。早在1985年,國(guó)際電信聯(lián)盟[](InternationalTelecommunicationsUnion,ITU)就提出了第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)的概念,當(dāng)時(shí)稱為“未來公眾陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)(FPLMTS)”。1996年ITU將3G命名為IMT-2000,其含義為該系統(tǒng)將在2000年左右投入使用,工作于2000MHz頻段,最高傳輸速率為2000Kbps。

1.1.1.4第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)(4G)

20世紀(jì)90年代末,4G的研究就已經(jīng)開始了,到現(xiàn)在已過去十幾年?,F(xiàn)在的4G在之前被稱為B3G(Beyond3G,超3G)技術(shù)。2000年確定了3G國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)之后,ITU就啟動(dòng)了4G的相關(guān)工作。2003年ITU對(duì)4G的關(guān)鍵性指標(biāo)進(jìn)行定義,確定了4G的傳輸速率為1Gbit/s。在2005年10月18日結(jié)束的ITU-RWP8F第17次會(huì)議上,ITU給B3G技術(shù)一個(gè)正式的名稱IMT-Advanced,將未來新的空中接口技術(shù)叫做IMT-Advanced技術(shù)。2007年,ITU給4G分配了新的頻譜資源。

移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)路線如圖1-1所示。圖11移動(dòng)通信技術(shù)演進(jìn)路線

4G是集3G與WLAN與一體、能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像且圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下的技術(shù)。4G能夠以高達(dá)100Mbit/s的速度下載,比撥號(hào)上網(wǎng)快2000倍,上傳速度可達(dá)20Mbit/s,并能滿足幾乎所有用戶對(duì)無線服務(wù)的要求。同時(shí),在價(jià)格方面,4G收費(fèi)與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)差不多,計(jì)費(fèi)方式還會(huì)更加靈活。通信也更加靈活,人們不僅可以隨時(shí)隨地通信,還可以雙向下載傳遞資料、照片、視頻,還可以與陌生人聯(lián)網(wǎng)打游戲。用4G,你可以感受到到比10M寬帶更好的體驗(yàn)和便捷。4G與3G相比,它的頻譜利用率更高,通信費(fèi)用更加便宜,傳輸速率更高,語言、數(shù)據(jù)、影像等多媒體通信服務(wù)質(zhì)量更高。

目前,4G已經(jīng)進(jìn)入商用時(shí)代,我們期待一個(gè)更好的移動(dòng)通信系統(tǒng)的建成。下一代移動(dòng)通信技術(shù)B4G(超4G)也已經(jīng)進(jìn)入研究當(dāng)中了。5G標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)在4G的演進(jìn)中經(jīng)歷B4G之后誕生,在此過程中必須想法設(shè)法不斷提高頻譜利用率,克服頻譜資源稀缺的大難題。

1.1.2移動(dòng)通信信道

1.1.2.1電波傳播特性1.電波傳播方式1)直射波:電波傳播過程中沒有遇到任何的障礙物,直接到達(dá)接收端的電波,稱為直射波。直射波更多出現(xiàn)于理想的電波傳播環(huán)境中。2)反射波:電波在傳播過程中遇到比自身的波長(zhǎng)大得多的物體時(shí),會(huì)在物體表面發(fā)生反射,形成反射波。反射常發(fā)生于地表、建筑物的墻壁表面等。

3)繞射波:電波在傳播過程中被尖利的邊緣阻擋時(shí),會(huì)由阻擋表面產(chǎn)生二次波,二次波能夠散布于空間,甚至到達(dá)阻擋體的背面,那些到達(dá)阻擋體背面的電波就稱為繞射波。由于地球表面的彎曲性和地表物體的密集性,使得繞射波在電波傳播過程中起到了重要作用。

4)散射波:電波在傳播過程中遇到障礙物表面粗糙或者體積小但數(shù)目多時(shí),會(huì)在其表面發(fā)生散射,形成散射波。散射波可能散布于許多方向,因而電波的能量也被分散于多個(gè)方向。

2.VHF和UHF電波傳播特性

電磁波從發(fā)射天線發(fā)出,傳到接收天線,可以有不同的傳播方式,當(dāng)頻率大于30MHZ時(shí),典型的傳播方式如圖1-2所示。圖1-2典型的傳播方式

沿路徑①從發(fā)射天線直接到接收天線的電波稱為直射波,它是VHF和UHF頻段的主要傳播方式;沿路徑②的電波經(jīng)過地面反射到達(dá)接收機(jī),稱為反射波;沿路徑③的電波延地球表面?zhèn)鞑?稱為地表面波,由于地表面波的損耗隨頻率的升高而急劇增大,傳輸距離隨之迅速減小,因此,在VHF和UHF頻段地表面波的傳播損耗可以忽略不計(jì).此外,在移動(dòng)信道中,電波遇到各種障礙物時(shí)會(huì)發(fā)生反射和散射現(xiàn)象,從而對(duì)直射波引起干涉而產(chǎn)生多徑衰落現(xiàn)象.這里主要介紹直射波和反射波的傳播特性.

1)直射波

直射波傳播可按自由空間傳播來考慮。所謂自由空間傳播系指天線周圍為無限大真空時(shí)的電波傳播,它是理想傳輸條件。電波在自由空間傳播時(shí),其能量既不會(huì)被障礙物所吸收,也不會(huì)產(chǎn)生反身射或折射。雖然電波在自由空間傳播時(shí)不受阻擋,也不產(chǎn)生反射、折射、繞射、散射和吸收。但是當(dāng)電波經(jīng)過一段路徑傳播之后,能量仍會(huì)受到衰減,這是由于輻射能量的擴(kuò)散而引起的。

自由空間傳播損耗常用的計(jì)算公式:

Lfs(dB)=32.45+20lg(km)+20lgf(MHz)(1—1)

由上式可知,當(dāng)工作頻率提高一倍,或者說工作波長(zhǎng)減小一半時(shí),電波在自由空間傳播損耗就增加6dB.同樣當(dāng)傳輸距離增加一倍時(shí),傳播損耗也增加6dB.

在實(shí)際情況下,電波在直射傳播的路徑上可能存在山丘,建筑物等障礙物,由這些障礙物引起的附加衰耗(除自由空間傳播衰耗外),稱為繞射衰耗或繞射損耗.這時(shí),電波傳播損耗應(yīng)為自由空間傳播衰耗Lfs(dB)與附加衰耗之和.用公式表示為:

L(dB)=Lfs(dB)+附加衰耗(1—2)

2)反射波

當(dāng)電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時(shí),如果界面尺寸比電波波長(zhǎng)大得多時(shí)就會(huì)產(chǎn)生鏡面反射,即電波在傳播過程中遇到比自身的波長(zhǎng)大得多的物體時(shí),會(huì)在物體表面發(fā)生反射,形成反射波。因此從發(fā)射天線到接收天線的電波包括直射波和反射波,如圖1-3所示。圖1-3反射波和直射波

由圖可知,反射路徑比直射路徑要長(zhǎng)一些,亦即反射波和直射波存在一定的路徑差△d有了路徑差,由于電波傳播速度為常數(shù),因而就會(huì)產(chǎn)生時(shí)延差Δt,時(shí)延差Δt又可換算為相位差Δφ.相位差Δφ的大小對(duì)接收到的信號(hào)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響.當(dāng)Δφ=(2n+1)π時(shí)(其中n為正整數(shù)),直射波和反射波恰好反相而起相互抵消作用,如圖1-4所示.

顯然,這種是不利的,這就是光滑地面反射電波所引起的影響.如果當(dāng)Δφ=2nπ,即反射波和直射波到達(dá)接收點(diǎn)時(shí)相位相同時(shí),直射波和反射波相互疊加,更有利于通信的正常進(jìn)行.實(shí)際情況下,外界條件往往是不穩(wěn)定的,它會(huì)隨著各種因素的變化而隨機(jī)變化的,路徑差△d以及相位差Δφ也會(huì)隨機(jī)變化,因此直射波和反射波有時(shí)同相疊加,有時(shí)反相抵消,造成了合成波的衰落現(xiàn)象.此外,移動(dòng)信道中還會(huì)有更多的物體,包括固定建筑物及其它移動(dòng)車輛,它們都可能產(chǎn)生反射,因此多徑傳播造成的衰落現(xiàn)象尤為突出。

圖1-4反射波和直射波抵消作用

1.1.2.2移動(dòng)信道特征

1.多經(jīng)效應(yīng)與快衰落

在陸上移動(dòng)信道中,移動(dòng)臺(tái)往往工作在城市建筑群和其它地形地物較為復(fù)雜的環(huán)境中,基地臺(tái)和移動(dòng)臺(tái)之間的電波傳播不在是單純的直射波形式,而出現(xiàn)多個(gè)路徑的反射,以致到達(dá)接收天線的信號(hào)是來自不同傳播路徑的各個(gè)分量的合成.由于各個(gè)分量的相互干涉而產(chǎn)生深度的快衰落,即多徑衰落或多徑效應(yīng).由于多徑衰落后的信號(hào)包絡(luò)服從瑞利分布,所以多徑衰落又稱作瑞利衰落或快衰落,快衰落深度可達(dá)20~30dB,衰落速率(多普勒頻移)與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度及工作頻率有關(guān)。

2.陰影效應(yīng)與慢衰落

移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)除瞬時(shí)值出現(xiàn)快速起伏的瑞利衰落外,其場(chǎng)強(qiáng)中值(具有50%場(chǎng)強(qiáng)的概率值)隨著所處位置改變而呈現(xiàn)較慢的變動(dòng),稱為慢衰落。發(fā)生慢衰落的主要原因是障礙物的陰影效應(yīng),即在電波傳播的路徑上遇到建筑物,樹林等障礙物的阻擋,產(chǎn)生了電磁場(chǎng)的陰影。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)通過不同的障礙物時(shí),就造成接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)中值的緩慢變動(dòng)。變動(dòng)的大小取決于障礙物狀況及工作頻率。變化的速率不僅與障礙物有關(guān),而且還和移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度有關(guān)。造成慢衰落的另一個(gè)原因是由于大氣折射條件變化,使電波折射系數(shù)隨時(shí)間變化,多徑傳播到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)時(shí)延也隨之變化,從而造成同一地點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)中值隨時(shí)間的慢變化,即慢衰落。

3.多普勒頻移

多普勒頻移就是快衰落時(shí)場(chǎng)強(qiáng)的衰落速率,它是指當(dāng)移動(dòng)臺(tái)具有一定速度的時(shí)候,基站接收到移動(dòng)臺(tái)的載波頻率將隨移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度的不同,將產(chǎn)生不同的頻移,通常把這種現(xiàn)象稱為多普勒頻移。反之也如此。由于移動(dòng)臺(tái)處在移動(dòng)中,所以工作時(shí)有多普勒移fD產(chǎn)生,fD與與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度及工作頻率有關(guān),當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在電波主射線上移動(dòng)時(shí),移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻移為有

fD=f(v/c)(1—3)

4.衰落儲(chǔ)備

為了防止因衰落(包括快衰落和慢衰落)引起的通信中斷,在信道設(shè)計(jì)中,使信號(hào)的電平留有足夠的余量,以使中斷率小于規(guī)定的指標(biāo)。這種電平余量稱為衰落儲(chǔ)備。衰落儲(chǔ)備的大小決定于地形地物工作頻率及要求的通信可靠性指標(biāo)。通信可靠性也稱作可通率,并用T表示,它與中斷率的關(guān)系是T=1-R.

1.1.3移動(dòng)通信噪聲與干擾

1.1.3.1移動(dòng)通信噪聲信道對(duì)信號(hào)傳輸特性的影響除傳輸損耗和衰落以外,另一個(gè)重要的因素就是噪聲和干擾。通信系統(tǒng)中任何不需要的信號(hào)都是噪聲或干擾。不過就噪聲和干擾產(chǎn)生的根源和特點(diǎn)還是分為噪聲和干擾為好。移動(dòng)通信中的噪聲來源是多方面的,一般可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲兩種如圖1-5所示。圖1-5噪聲的分類

1.內(nèi)部噪聲

內(nèi)部噪聲是系統(tǒng)設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲,例如,在電阻一類的導(dǎo)體中由電子的熱運(yùn)動(dòng)所引起的熱噪聲,真空管中由電子的起伏性發(fā)射或半導(dǎo)體中由載流子的起伏變化所引起的散彈噪聲及電源哼聲等。電源哼聲及接觸不良或自激振蕩等引起的噪聲是可以消除的,但熱噪聲和散彈噪聲一般無法避免,而且它們的準(zhǔn)確波形不能預(yù)測(cè)。這種不能預(yù)測(cè)的噪聲統(tǒng)稱為隨機(jī)噪聲。

內(nèi)部噪聲主要是指熱噪聲。它的瞬時(shí)值服從高斯分布,所以,又稱為高斯噪聲.理論分析和實(shí)踐表明,從直流到微波的頻率范圍內(nèi),單位頻帶(1HZ)內(nèi)部噪聲功率,即噪聲功率密度為一常數(shù),故又稱為白噪聲.

2.外部噪聲

外部噪聲又包括自然噪聲和人為噪聲,這些噪聲也屬于隨機(jī)噪聲。自然噪聲主要是指自然界引起的各種噪聲,包括大氣噪聲、宇宙噪聲和熱噪聲等。人為噪聲是指各種電氣裝置(如電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī)、電氣開關(guān)等)中電流或電壓發(fā)生急劇變化而形成的電磁輻射。這種噪聲電磁波除直接輻射外,還可以通過電力線傳播,并由電力線和接收機(jī)天線間的電容性耦合而進(jìn)入接收機(jī)。在移動(dòng)信道中,人為噪聲主要是車輛的點(diǎn)火噪聲。汽車的流量越大,這種人為噪聲的影響就越大。

1.1.3.2移動(dòng)通信干擾

1.鄰道干擾

鄰道干擾是一種來自相鄰的或相近的頻道的干擾。相近頻道可以是相隔幾個(gè)或幾十個(gè)波道。鄰道干擾有兩個(gè)方面,一是由于工作頻帶緊隨的若干頻道的寄生發(fā)射產(chǎn)生的干擾,二是指移動(dòng)通信網(wǎng)內(nèi),一組空間離散的鄰近頻道引入的干擾。鄰道干擾的一部分落入被干擾接收機(jī)通帶內(nèi),接收機(jī)選擇性好壞對(duì)它無影響:另一部分干擾的實(shí)際影響跟接收機(jī)選擇性和傳輸距離遠(yuǎn)近造成的附加損耗有關(guān)。鄰道干擾的抑制涉及到發(fā)信機(jī)的寄生輻射、接收機(jī)選擇性及鄰近頻道間隔等因素。

2.同頻干擾

同頻干擾就是指所有落到接收機(jī)通帶內(nèi)的有用信號(hào)頻率相同或相近的無用信號(hào)的干擾,亦稱同信道干擾或載波干擾。

在移動(dòng)無線電通信系統(tǒng)中,為了增加頻譜利用率,有可能有兩條或多條信道都被分配在一個(gè)相同頻率上工作,這樣就形成一種同波道結(jié)構(gòu)。在同波道環(huán)境中,當(dāng)有兩條或多條同頻波道在同時(shí)進(jìn)行通信時(shí),就有可能產(chǎn)生同波道干擾。

3.互調(diào)干擾

電路的非線性是產(chǎn)生互調(diào)干擾的主要原因。當(dāng)兩個(gè)或更多個(gè)信號(hào)加到非線性器件中時(shí),產(chǎn)生了互調(diào)干擾分量,發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都能產(chǎn)生這些干擾分量,因而互調(diào)干擾就成了一個(gè)值得注意的問題。這些分量出現(xiàn)在不同的頻率上,而且能在另一些信道上引起干擾。如果干擾和有用信號(hào)差不多大小或比有用信號(hào)大,則有用信號(hào)就受到嚴(yán)重的干擾。如果干擾比有用的信號(hào)弱,只在沒有信號(hào)時(shí),干擾才能被聽到。

兩個(gè)或更多個(gè)發(fā)射機(jī)互相靠得很近時(shí),每個(gè)發(fā)射機(jī)與其他發(fā)射機(jī)之間通常通過天線系統(tǒng)耦合,從每個(gè)發(fā)射機(jī)來的輻射信號(hào)進(jìn)入其他發(fā)射機(jī)的末級(jí)放大器和傳輸系統(tǒng),于是就形成了互調(diào)。而這些產(chǎn)物落到末級(jí)放大器的通帶內(nèi)并被輻射出去,這種輻射可能落在除了已指配的發(fā)射機(jī)頻率之外的那些信道上。

互調(diào)產(chǎn)物(干擾)也可能在接收機(jī)中產(chǎn)生。兩個(gè)或更多個(gè)強(qiáng)的帶外信號(hào),可以推動(dòng)射頻放大器進(jìn)入非線性工作區(qū),甚至在第一級(jí)混頻器中互相調(diào)制。這些分量能干擾進(jìn)來的有用信號(hào)或者當(dāng)工作信道上沒有信號(hào)的時(shí)候,在輸出端能夠聽到干擾聲。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中,互調(diào)干擾分為發(fā)射機(jī)互調(diào)和接收機(jī)互調(diào)兩種。另外,在天線、饋線、雙工器等處,由于接觸不良或不同金屬的接觸,也會(huì)產(chǎn)生非線性作用,由此而出現(xiàn)的互調(diào)現(xiàn)象。

(1)發(fā)射機(jī)互調(diào):在發(fā)射機(jī)末級(jí)功率放大器,經(jīng)天線進(jìn)來的其它信號(hào),與發(fā)射信號(hào)產(chǎn)生相互調(diào)制,稱為發(fā)射機(jī)互調(diào)。

(2)接收機(jī)互調(diào):幾個(gè)信號(hào)同時(shí)進(jìn)入接收機(jī),由于接收機(jī)中電路(如混頻器)非線性作用而發(fā)生相互調(diào)制,即為接收機(jī)互調(diào)。

減小互調(diào)干擾的方法:發(fā)射機(jī)互調(diào)可以通過增大發(fā)射機(jī)之間的耦合損耗來減少,一般用隔離器增加耦合損耗;在接收機(jī)中產(chǎn)生的互調(diào)干擾,在很大程度上是接收機(jī)的設(shè)計(jì)問題,因此,在天線系統(tǒng)和接收機(jī)之間連接抑制濾波器,對(duì)于抑制接收機(jī)里產(chǎn)生的互調(diào)頻率分量有一定幫助。

4.遠(yuǎn)近效應(yīng)

當(dāng)基地臺(tái)同時(shí)接收兩個(gè)不同距離的移動(dòng)臺(tái)發(fā)來的信號(hào)時(shí),若兩者頻率相同或鄰近,則距離基地臺(tái)近的移動(dòng)臺(tái)將對(duì)另一距離較遠(yuǎn)的移動(dòng)臺(tái)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。同樣,兩個(gè)靠得很近移動(dòng)臺(tái),對(duì)來自較遠(yuǎn)基地臺(tái)信號(hào),也會(huì)產(chǎn)生較大的干擾,這種干擾稱為近端對(duì)遠(yuǎn)端的干擾,簡(jiǎn)稱遠(yuǎn)近效應(yīng)。

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中遠(yuǎn)近效應(yīng)問題十分突出,其有效克服措施:

(1)移動(dòng)臺(tái)具有自適應(yīng)控制發(fā)送功率(APC)的能力。移動(dòng)臺(tái)根據(jù)收到基地臺(tái)信號(hào)大小對(duì)移動(dòng)臺(tái)發(fā)射機(jī)進(jìn)行自動(dòng)功率控制,即當(dāng)移動(dòng)臺(tái)駛近基地臺(tái)時(shí),自動(dòng)降低發(fā)射功率。

(2)縮小服務(wù)區(qū),降低發(fā)射功率,使同一服務(wù)區(qū)內(nèi)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)的動(dòng)態(tài)范圍減小

(3)從移動(dòng)通信設(shè)備制造上,盡可能降低發(fā)信機(jī)寄生輻射,提高接收機(jī)中頻濾波器的帶外抑制能力。

1.1.4.1擴(kuò)頻通信

所謂擴(kuò)頻通信是一種將傳輸信號(hào)帶寬擴(kuò)展到很大頻帶的數(shù)字傳輸方式,擴(kuò)頻通信原理如圖1-6所示。

1.1.4移動(dòng)通信基本技術(shù)圖1-6擴(kuò)頻通信原理框圖

擴(kuò)頻通信系統(tǒng)由于在發(fā)端擴(kuò)展了信號(hào)頻譜,在收端解擴(kuò)后恢復(fù)了所傳信息,這一處理過程帶來了性能改善。理論分析表明,各種擴(kuò)頻通信系統(tǒng)在抗干擾性能都大體上與擴(kuò)頻信號(hào)的帶寬與所傳信息帶寬之比成正比,通常用系統(tǒng)處理增益Gp來表示,即

Gp=10lg(BS/Bm)(1—4)

式中Bs為擴(kuò)頻信號(hào)帶寬,Bm為信息帶寬。

1.1.4.2雙工方式

所謂雙工方式就是指移動(dòng)通信雙方可同時(shí)進(jìn)行發(fā)信和收信。這時(shí)收信與發(fā)信必須采用不同的工作頻率。用戶使用時(shí)與“打電話”時(shí)的情況一樣。這時(shí)通信雙方的設(shè)備一般通過雙工器來完成這種功能。如圖1-7所示為雙工方式示意圖。圖1-7雙工方式示意圖

常用的雙工方式有頻分雙工(FDD)和時(shí)分雙工(TDD)兩種。其具體的特征是:

(1)FDD:采用兩個(gè)對(duì)稱的頻率信道,發(fā)送和接收信道之間存在著一定的頻段保護(hù)間隔。如圖1-8所示。例如GSM、CDMA1X的收發(fā)信道間隔為45MHz,WCDMA的間隔為190MHz。

(2)TDD:發(fā)送和接收信號(hào)在同一頻率信道的不同時(shí)隙中進(jìn)行,在進(jìn)行不對(duì)稱的數(shù)據(jù)傳輸時(shí),可充分利用有限的頻譜資源。如圖1-9所示。例如3G的TD-SCDMA。圖1-8FDD工作方式圖1-9TDD工作方式

1.1.4.3多址方式

蜂窩系統(tǒng)中是以信道來區(qū)分通信對(duì)象的,一個(gè)信道只容納一個(gè)用戶進(jìn)行通話,許多同時(shí)通話的用戶,互相以信道來區(qū)分,這就是多址。移動(dòng)通信系統(tǒng)是一個(gè)多信道同時(shí)工作的系統(tǒng),具有廣播和大面積覆蓋的特點(diǎn)。在移動(dòng)通信環(huán)境的電波覆蓋區(qū)內(nèi),如何建立用戶之間的無線信道的連接,是多址接入方式的問題。解決多址接入問題的方法叫多址接入技術(shù)。

移動(dòng)通信中常用的多址技術(shù)主要有頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)、碼分多址(CDMA)和空分多址(SDMA)等四種方式。FDMA、TDMA、CDMA三種多址方式示意圖,如圖1-10所示。圖1-10FDMA、TDMA、CDMA三種多址方式示意圖

1.頻分多址(FDMA)

頻分多址(FDMA)是將給定的頻譜資源劃分為若干個(gè)等間隔的頻道(或稱信道)供不同的用戶使用。在FDMA系統(tǒng)中,分配給用戶一個(gè)信道,即一對(duì)頻譜,一個(gè)頻譜用作前向信道即基站向移動(dòng)臺(tái)方向的信道,另一個(gè)則用作反向信道即移動(dòng)臺(tái)向基站方向的信道。這種通信系統(tǒng)的基站必須同時(shí)發(fā)射和接收多個(gè)不同頻率的信號(hào),任意兩個(gè)移動(dòng)用戶之間進(jìn)行通信都必須經(jīng)過基站的中轉(zhuǎn),因而必須同時(shí)占用2個(gè)信道(2對(duì)頻譜)才能實(shí)現(xiàn)雙工通信。如TACS系統(tǒng)、AMPS系統(tǒng)等采用FDMA。

2.時(shí)分多址(TDMA)

時(shí)分多址是把時(shí)間分割成周期性的幀(Frame)每一個(gè)幀再分割成若干個(gè)時(shí)隙向基站發(fā)送信號(hào),在滿足定時(shí)和同步的條件下,基站可以分別在各時(shí)隙中接收到各移動(dòng)終端的信號(hào)而不混擾。同時(shí),基站發(fā)向多個(gè)移動(dòng)終端的信號(hào)都按順序安排在予定的時(shí)隙中傳輸,各移動(dòng)終端只要在指定的時(shí)隙內(nèi)接收,就能在合路的信號(hào)中把發(fā)給它的信號(hào)區(qū)分并接收下來。

3.碼分多址(CDMA)

碼分多址(CDMA)是在數(shù)字技術(shù)的分支,是在擴(kuò)頻通信技術(shù)上發(fā)展起來的一種成熟的無線通信技術(shù)。CDMA技術(shù)的原理是基于擴(kuò)頻技術(shù),系統(tǒng)為每個(gè)用戶分配各自特定地址碼。地址碼之間具有相互準(zhǔn)正交性,從而在時(shí)間、空間和頻率上都可以重疊;即將需傳送的具有一定信號(hào)帶寬信息數(shù)據(jù),用一個(gè)帶寬遠(yuǎn)大于信號(hào)帶寬的高速偽隨機(jī)碼進(jìn)行調(diào)制,使原數(shù)據(jù)信號(hào)的帶寬被擴(kuò)展,再經(jīng)載波調(diào)制并發(fā)送出去。接收端使用完全相同的偽隨機(jī)碼,與接收的帶寬信號(hào)作相關(guān)處理,把寬帶信號(hào)換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號(hào)即解擴(kuò),以實(shí)現(xiàn)信息通信。

CDMA是擴(kuò)頻通信的一種,它具有擴(kuò)頻通信的以下特點(diǎn):

⑴抗干擾能力強(qiáng)。這是擴(kuò)頻通信的基本特點(diǎn),是所有通信方式無法比擬的。

⑵寬帶傳輸,抗衰落能力強(qiáng)。

⑶由于采用寬帶傳輸,在信道中傳輸?shù)挠杏眯盘?hào)的功率比干擾信號(hào)的功率低得多,因此信號(hào)好像隱蔽在噪聲中;即功率譜密度比較低,有利于信號(hào)隱蔽。

⑷利用擴(kuò)頻碼的相關(guān)性來獲取用戶的信息,抗截獲的能力強(qiáng)。

4.空分多址(SDMA)

空分多址(SDMA),也稱為多光束頻率復(fù)用,通過標(biāo)記不同方位相同頻率的天線光束來進(jìn)行頻率的復(fù)用。SDMA的基本概念是基于空間角度分隔信道,頻率、時(shí)間、碼字共享。

空分多址,不同空間路徑的劃分方法:該種多址方式要以天線技術(shù)為基礎(chǔ),理想情況下要求天線給每個(gè)用戶分配一個(gè)點(diǎn)波束;這樣根據(jù)用戶的空間位置就可以區(qū)分每個(gè)用戶的無線信號(hào),就完成了多址的劃分。

1.1.4.4分集技術(shù)

快衰落和慢衰落產(chǎn)生原因是不相同的。隨著移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng),瑞利衰落隨信號(hào)瞬時(shí)值快速變動(dòng),而對(duì)數(shù)正態(tài)衰落隨信號(hào)平均值(中值)變動(dòng)。這兩者是構(gòu)成移動(dòng)通信接收信號(hào)不穩(wěn)定的主要因素,使接收信號(hào)被大大地惡化,雖然通過增加發(fā)信功率、天線尺寸和高度等方法能取得改善,但采用這些方法在移動(dòng)通信中比較昂貴,有時(shí)也顯得不切實(shí)際。例如,有時(shí)快衰落深度可達(dá)30~40dB,如果想利用加大發(fā)射功率(1000~10000倍)來克服這種深衰落是不現(xiàn)實(shí)的,而且會(huì)造成對(duì)其它電臺(tái)的干擾。分集接收是抗衰落的一種有效措施。

1.分集接收

分集技術(shù)是研究如何充分利用傳輸中的多徑信號(hào)能量,以改善傳輸?shù)目煽啃?,它也是一?xiàng)研究利用信號(hào)的基本參量在時(shí)域、頻域與空域中,如何分散開又如何收集起來的技術(shù)?!胺帧迸c“集”是一對(duì)矛盾,在接收端取得若干條相互獨(dú)立的支路信號(hào)以后,可以通過合并技術(shù)來得到分集增益。

分集有兩重含義:一是分散傳輸,使接收端能夠獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào);二是集中處理,即接收機(jī)把多個(gè)收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并以降低衰落的影響。

所謂分集接收是指接收段對(duì)它收到的多個(gè)衰落特性互相獨(dú)立(攜帶同一信息)的信號(hào)進(jìn)行特定的處理,以降低信號(hào)電平起伏的辦法。即在若干個(gè)支路上接收相互間相關(guān)性很小的載有同一消息的信號(hào),然后通過合并技術(shù)再將各個(gè)支路信號(hào)合并輸出,那么便可在接收終端上大大降低深衰落的概率。

移動(dòng)通信系統(tǒng)主要的分集方式有兩種:宏分集和微分集。

宏分集主要用于蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng),也稱為多基站分集這是一種減小慢衰落影響的分集技術(shù),其作法是把多個(gè)基站設(shè)置在不同的地理位置上(如蜂房小區(qū)的對(duì)角上)和不同的方向上,同時(shí)和小區(qū)的一個(gè)移動(dòng)臺(tái)進(jìn)行通信(可以選擇其中信號(hào)最好的一個(gè)基站進(jìn)行通信)。

微分集是一種減小快衰落影響的分集技術(shù),在各種無線通信系統(tǒng)中都經(jīng)常使用。理論和實(shí)踐都表明,在空間、頻率、極化、角度、時(shí)間和場(chǎng)分量等方面分離的無線信號(hào),都呈現(xiàn)互相獨(dú)立的衰落特性。微分集又可以分為(1)空間分集(2)頻率分集:(3)極化分集:(4)角度分集:(5)時(shí)間分集;(6)場(chǎng)分量分集等六種方式。

2.合并方式

合并方式主要分為三種:選擇式合并、等增益合并和最大比值合并。

(1)選擇式合并:選擇式合并是檢測(cè)所分集支路的信號(hào),以選擇其中信噪比最高的那一條支路的信號(hào)作為合并器的輸出。兩個(gè)支路的中頻信號(hào)分別經(jīng)過解調(diào),然后作信噪比比較,選擇其中有較高信噪比的支路接到接收機(jī)的共同部分。選擇式合并又稱開關(guān)式相加。這種方法簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)容易。但由于未被選擇的支路信號(hào)棄之不用,因此抗衰落效果不好。

(2)最大比值合并:在接收端只需對(duì)接收信號(hào)做線性處理,然后利用最大似然檢測(cè)即可還原出發(fā)端的原始信息。其譯碼過程簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)。合并增益與分集支路數(shù)N成正比。最大比值合并是一種最佳合并方式。

(3)等增益合并:也稱為相位均衡,僅僅對(duì)信道的相位偏移進(jìn)行校正而幅度不做校正。等增益合并不是任何意義上的最佳合并方式,只有假設(shè)每一路信號(hào)的信噪比相同的情況下,在信噪比最大化的意義上,它才是最佳的。它輸出的結(jié)果是各路信號(hào)幅值的疊加。

1.1.4.5均衡技術(shù)

均衡是指對(duì)信道特性的均衡,即接收端的均衡器產(chǎn)生與信道特性相反的特性,用來抵消新道的時(shí)變多徑傳播特性引起的碼間干擾。由于信道是時(shí)變的,要求均衡器的特性能夠自動(dòng)適應(yīng)信道的變化而均衡。故稱自適應(yīng)均衡。

均衡技術(shù)可以分為兩大類:頻域均衡和時(shí)域均衡。

一為頻域均衡,它使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的總傳輸函數(shù)滿足無失真?zhèn)鬏數(shù)臈l件。它往往是分別校正幅頻特性和群時(shí)延特性,序列均衡通常采用這種頻域均衡法。適用于模擬通信。

二為時(shí)域均衡,就是直接從時(shí)間響應(yīng)考慮,使包括均衡器在內(nèi)的整個(gè)系統(tǒng)的沖激響應(yīng)滿足無碼間干擾的條件。如圖1-11所示,h(t)是理想信道的脈沖響應(yīng),x(t)是失真信道的脈沖響應(yīng),失真信道形成碼間干擾的原因是脈沖響應(yīng)x(t)與h(t)的差值不為零造成的。利用信道均衡器引入的脈沖響應(yīng)使得總脈沖響應(yīng)能接近理想信道時(shí)產(chǎn)生的脈沖響應(yīng)h(t),則可消除非理想信道引起的碼間干擾。這就是時(shí)域均衡的基本概念。圖1-11理想信道和失真信道脈沖響應(yīng)的差異

1.1.4.6編碼技術(shù)

1.語音編碼

語音編碼為信源編碼,是將模擬語音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)以便在信道中傳輸。語音編碼的目的是在保持一定的法復(fù)雜程度和通信時(shí)延的前提下,占用盡可能少的通信容量,傳送盡可能高質(zhì)量的語音。語音編碼技術(shù)又可分為波形編碼、參量編碼和混合編碼三大類。

波形編碼:是對(duì)模擬語音波形信號(hào)經(jīng)過取樣、量化、編碼而形成的數(shù)字語音技術(shù)。為了保證數(shù)字語音技術(shù)解碼后的高保真度,波形編碼需要較高的編碼速率,一般在16~64kbps。

參量編碼:是基于人類語言的發(fā)聲機(jī)理,找出表征語音的特征參量,對(duì)特征參量進(jìn)行編碼的一種方法。在接收端,根據(jù)所收的語音特征參量信息,恢復(fù)出原來的語音。由于參量編碼只需傳送語音特征參數(shù),可實(shí)現(xiàn)低速率的語音編碼,一般在1.2~4.8kbps。參量編碼的缺點(diǎn)在于語音質(zhì)量只能達(dá)到中等水平,不能滿足商用語音通信的要求。對(duì)此,綜合參量編碼和波形編碼各自的優(yōu)點(diǎn),即保持參量編碼的低速率和波形編碼的高質(zhì)量的長(zhǎng)點(diǎn),又提出了混合編碼方法。

混合編碼:是基于參量編碼和波形編碼發(fā)展的一類新的編碼技術(shù)。在混合編碼的信號(hào)中,既含有若干語音特征參量又含有部分波形編碼信息,其編碼速率一般在4~16kbps。當(dāng)編碼速率在8~16kbps范圍時(shí),其語音質(zhì)量可達(dá)商用語音通信標(biāo)準(zhǔn)的要求,因此混合編碼技術(shù)在數(shù)字移動(dòng)通信中得到了廣泛應(yīng)用。

2.信道編碼

在話音編碼之后,要提高數(shù)據(jù)傳輸效率,降低誤碼率,增加通信的可靠性,就必須進(jìn)行信道編碼。移動(dòng)通信的傳輸信道屬變參信道,它不僅會(huì)引起隨機(jī)錯(cuò)誤,而更主要的是造成突發(fā)錯(cuò)誤。隨機(jī)錯(cuò)誤的特點(diǎn)是碼元間的錯(cuò)誤互相獨(dú)立,即每個(gè)碼元的錯(cuò)誤概率與它前后碼元的錯(cuò)誤與否是無關(guān)的。突發(fā)錯(cuò)誤則不然,一個(gè)碼元的錯(cuò)誤往往影響前后碼元的錯(cuò)誤概率?;蛘哒f,一個(gè)碼元產(chǎn)生錯(cuò)誤,則后面幾個(gè)碼元都可能發(fā)生錯(cuò)誤。因此,在數(shù)字移動(dòng)通信中,要利用信道編碼對(duì)整個(gè)通信系統(tǒng)進(jìn)行差錯(cuò)控制。差錯(cuò)控制編碼可以分為分組編碼和卷積編碼兩類。

(1)分組編碼是把信息序列以k個(gè)碼元分組,通過編碼器將每組的k元信息按一定規(guī)律產(chǎn)生r個(gè)多余碼元(稱為檢驗(yàn)元或監(jiān)督元),輸出長(zhǎng)n=k十r的一個(gè)碼組。因此,每個(gè)碼組的r個(gè)檢驗(yàn)元僅與本組的信息元有關(guān)而與別組無關(guān)。由此可見,分組編碼可以對(duì)隨機(jī)錯(cuò)誤進(jìn)行控制。分組碼用(n,k)表示,n表示碼長(zhǎng),k表示信息位數(shù)目,R=k/n稱為分組編碼的效率,也稱編碼率或碼率。

(2)卷積編碼就是將信息序列以ko個(gè)碼元分段,通過編碼器輸出長(zhǎng)為no的一段碼段。但是該碼的no-ko個(gè)檢驗(yàn)碼不僅與本段的信息元有關(guān),而且也與其前m段的信息元有關(guān)。由此可見,卷積編碼可以對(duì)突發(fā)錯(cuò)誤進(jìn)行控制。卷積碼用(no,ko,m)表示,稱No=(2n十1)no為卷積編碼的編碼約束長(zhǎng)度。與分組編碼一樣,卷積編碼的編碼效率也定義為R=ko/no,對(duì)于具有良好糾、檢錯(cuò)性能并能合理而又簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)的大多數(shù)卷積碼,總是ko=l或是(no-ko)=l,也就是說它的編碼效率通常只有1/5,1/4,1/3,1/2,2/3,3/4,4/5……。

3.交織技術(shù)

在移動(dòng)通信的變參信道上,比特差錯(cuò)經(jīng)常是成串發(fā)生的。這是由于持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)的衰落谷點(diǎn)會(huì)影響到一串連續(xù)的比特,而信道編碼僅在檢測(cè)和校正單個(gè)差錯(cuò)和不太長(zhǎng)的差錯(cuò)串時(shí)才最有效。為了糾正這些成串發(fā)生的比特差錯(cuò)及一些突發(fā)錯(cuò)誤,可以運(yùn)用交織技術(shù)。所謂交織技術(shù)就是把一條消息中的連續(xù)比特分散開的方法,即一條消息中的連續(xù)比特以非連續(xù)方式被發(fā)送,這樣,在傳輸過程中即使發(fā)生了成串差錯(cuò),恢復(fù)成一條連續(xù)比特串的消息時(shí),差錯(cuò)也就變成單個(gè)(或長(zhǎng)度很短),這時(shí)再用信道編碼糾錯(cuò)功能糾正差錯(cuò),恢復(fù)原消息。

如圖1-12所示。將原碼序列分成若干組,每組4個(gè)比特經(jīng)過交織處理,在傳輸?shù)倪^程中若信息碼2、6、10、14受到干擾,如果沒有交織,那信息碼2、6、10、14就會(huì)成串丟失,但采用了交織技術(shù),解交織后還原成的原碼序列中錯(cuò)碼2、6、10、14就被分散開來,再利用信道編碼,全部信息仍能得以恢復(fù),這就是交織技術(shù)的基本原理。

概括地說,交織就是把信息碼元中,m個(gè)比特分散到n組中,以改變比特間的鄰近關(guān)系,因此n值越大,傳輸特性越好,但傳輸時(shí)延也越大,所以在實(shí)際使用中必須作折衷考慮。圖1-12交織原理示意圖

1.1.5移動(dòng)通信組網(wǎng)技術(shù)

1.1.5.1區(qū)域覆蓋方式移動(dòng)通信網(wǎng)的區(qū)域覆蓋方式一般分為兩類,一類是大區(qū)制,適用小容量系統(tǒng)。另一類是小區(qū)制,適用于小容量系統(tǒng)。這兩種制式的控制方式等也有明顯的差別.小區(qū)制采用了空域的同信道再用,頻率資源利用率高,可容納的用戶量大,控制方式也就復(fù)雜。

一、大區(qū)制

所謂大區(qū)制,就是用一個(gè)基站覆蓋整個(gè)服務(wù)區(qū)。它的特點(diǎn)是,基站只有一個(gè)天線,架設(shè)高、功率大,覆蓋半徑也大,服務(wù)區(qū)半徑通常為20~50km。采用這種方式雖然設(shè)備較簡(jiǎn)單,投資少,見效快,但容納的用戶數(shù)有限,通常只有幾百用戶。人們很快發(fā)現(xiàn),這種體制擴(kuò)容非常困難,隨著移動(dòng)用戶數(shù)量的急劇增加,這種覆蓋方式顯然無法滿足實(shí)際需要。

二、小區(qū)制

為了解決有限頻率資源與大量用戶的矛盾,可以采用小區(qū)制的覆蓋方式。小區(qū)制就是將整個(gè)服務(wù)區(qū)劃分為若干個(gè)小區(qū),在各小區(qū)中分別設(shè)置基站(每個(gè)基站的覆蓋區(qū)稱為一個(gè)小區(qū)),負(fù)責(zé)本小區(qū)移動(dòng)通信的聯(lián)絡(luò)和控制。另外設(shè)立移動(dòng)交換中心,負(fù)責(zé)與各基站之間的聯(lián)絡(luò)和對(duì)系統(tǒng)的集中控制管理。多個(gè)基站在移動(dòng)交換中心的統(tǒng)一管理和控制下,實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)服務(wù)區(qū)的無縫覆蓋。這種方式稱為小區(qū)制。

小區(qū)制的主要特點(diǎn):

①可以提高頻率利用率。這是因?yàn)閼?yīng)用了空間域的同信道復(fù)用技術(shù),從而解決了信道數(shù)少和用戶數(shù)多之間的矛盾.

②組網(wǎng)靈活。小區(qū)制隨著在用戶數(shù)繼續(xù)增大時(shí),還可以進(jìn)一步劃小無線區(qū),以不斷適應(yīng)用戶增長(zhǎng)的實(shí)際需要。所以網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)有很多的靈活性.以上是小區(qū)制的優(yōu)點(diǎn).

③網(wǎng)路構(gòu)成復(fù)雜。各小區(qū)的基站之間的信息交換要有交換設(shè)備,且各基站至交換局都要有一定的中繼線,這將使建網(wǎng)成本和復(fù)雜性增加。同時(shí)因?yàn)橥诺涝儆?相隔一定距離的基站運(yùn)使用同一信道.必定會(huì)形成同頻干擾.通話過程中若移動(dòng)用戶跨越小區(qū)邊界,為了保證通信不中斷,必須自動(dòng)切換信道,且隨著無線區(qū)的劃小,切換的頻度就加大,這種過境切換對(duì)控制系統(tǒng)的技術(shù)要求是很高的。

1.帶狀服務(wù)區(qū)

帶狀服務(wù)區(qū)是指用戶的分布呈帶狀或條狀,如鐵路、公路、狹長(zhǎng)城市、沿海水域等?;咎炀€若用全向輻射,覆蓋區(qū)形狀是圓形的.帶狀網(wǎng)宜采用有向天線.使每個(gè)小區(qū)呈扁圓形。

帶狀網(wǎng)可進(jìn)行頻率再用.若以采用不同信道的兩個(gè)小區(qū)組成一個(gè)區(qū)群,如圖1-13(a)稱為雙頻制.若以采用不同信道組的三個(gè)小區(qū)組成一個(gè)區(qū)群,如圖1-13(b)稱為三頻制。從造價(jià)和頻率資源的利用而言,當(dāng)然雙頻制最好,但從抗同頻干擾而言,則雙頻制最差,還應(yīng)考慮多頻制。圖1-13帶狀服務(wù)區(qū)

2.面狀服務(wù)區(qū)

當(dāng)服務(wù)區(qū)不呈帶狀而是一個(gè)寬廣的平面時(shí),稱為面狀服務(wù)區(qū)。其構(gòu)成方法是將整個(gè)服務(wù)區(qū)劃分成許多小區(qū),也稱無線區(qū),這些無線區(qū)組成蜂窩式的網(wǎng)絡(luò),簡(jiǎn)稱蜂窩網(wǎng)。

(1)小區(qū)形狀

在面狀服務(wù)區(qū)設(shè)計(jì)時(shí),能夠覆蓋一個(gè)平面的規(guī)則多邊形有三種,如圖1-14所示。圖1-14小區(qū)形狀

正三角形,正方形及正六邊形的參數(shù)比較,如表1-1所示。

(2)簇(區(qū)群,Cluster)

小區(qū)制的一個(gè)特點(diǎn)就是可以進(jìn)行頻率復(fù)用,以提高頻率利用率。具體實(shí)現(xiàn)方法時(shí)利用區(qū)群。

將若干個(gè)小區(qū)組成一個(gè)區(qū)群,區(qū)群內(nèi)的每一個(gè)小區(qū)占有不同的頻率,且占有給定的頻帶。另一個(gè)區(qū)群可以使用相同的頻帶,不同區(qū)群中的相同頻帶的小區(qū)之間將產(chǎn)生同頻干擾。

構(gòu)成區(qū)群應(yīng)滿足的兩個(gè)基本條件是:

①區(qū)群之間應(yīng)能彼此鄰接,且無空隙無重疊的覆蓋整個(gè)面積;

②相鄰區(qū)群中,同頻道的小區(qū)間距離相等且為最大。

區(qū)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)N應(yīng)滿足下式

N=a2+ab+b2(1—3)

N為區(qū)群內(nèi)小區(qū)數(shù),a、b為相鄰?fù)l小區(qū)之間的間隔小區(qū)數(shù),取正整數(shù)且不能同時(shí)為零。區(qū)群形狀如圖1-15所示。圖1-15區(qū)群的組成

(3)同頻小區(qū)距離

如圖1-16所示,自某一個(gè)小區(qū)A出發(fā),先沿各邊的垂線方向跨a個(gè)小區(qū),在向左(或向右)轉(zhuǎn)60度,再跨b個(gè)小區(qū),這樣就到達(dá)同信道小區(qū)A。在正六邊形的六個(gè)方向上,可以找到六個(gè)相鄰?fù)l小區(qū),所有A小區(qū)之間的距離都相等。

設(shè)小區(qū)的輻射半徑(即正六邊形外接圓的半徑)為r,則從圖1-16可以算出同頻小區(qū)之間的距離為

D=(1—5)圖1-16確定同頻小區(qū)的方法

(4)中心激勵(lì)與頂點(diǎn)激勵(lì)

中心激勵(lì):基站在小區(qū)的中間,用全向天線覆蓋。如圖1-17(a)所示。

頂點(diǎn)激勵(lì):基站設(shè)在正六邊行的三個(gè)頂點(diǎn),用120度定向天線覆蓋。優(yōu)點(diǎn):除能夠消除障礙物陰影外,對(duì)來自天線方向圖主瓣之外的干擾也能有一定的隔離度。如圖1-17(b)所示。圖1-17激勵(lì)方式

(5)小區(qū)分裂

在移動(dòng)通信建網(wǎng)初期,各小區(qū)大小相等,容量相同,隨著城市建設(shè)和用戶數(shù)的增加,用戶密度不再相等。

為了適應(yīng)這種情況,在高用戶密度的地區(qū),應(yīng)將小區(qū)面積劃小一些,或?qū)⑿^(qū)中基站全向覆蓋改為定向覆蓋,使每個(gè)小區(qū)所分配的頻道數(shù)增多,滿足話務(wù)量增大的需要,這種技術(shù)稱為小區(qū)分裂。

采用小區(qū)分裂的方法,有限的頻譜資源通過縮小同波道再用距離,使單位面積的波道數(shù)增多,系統(tǒng)容量增大。

小區(qū)分裂的具體實(shí)施方案可分為以下幾種:

◆在原基站上分裂

小區(qū)分裂的一種常用辦法是在原小區(qū)的基礎(chǔ)上,將中心設(shè)置基站的全向覆蓋區(qū)分裂為幾個(gè)定向天線的小區(qū)。一個(gè)全向天線的覆蓋小區(qū)可以分裂成3個(gè)120o扇形小區(qū)如圖1-18(a)所示,6個(gè)60o扇形小區(qū)如圖1-18(b)所示,1個(gè)“三葉草”型無線區(qū)如圖1-18(c)所示。圖1-18全向覆蓋分裂為定向覆蓋

采用這種小區(qū)分裂的優(yōu)點(diǎn)是:

①增加了小區(qū)數(shù)目,卻不增加基站數(shù)量;

②利用天線的定向輻射性能,可以有效地降低同頻干擾影響;

③減小維護(hù)工作量和基站建設(shè)投資。

◆增加新基站的分裂

增加新基站的分裂是指業(yè)務(wù)信息增加后,將小區(qū)半徑縮小,增加新的蜂窩小區(qū),并在適當(dāng)?shù)牡胤皆黾有碌幕镜姆椒?。采用本方法時(shí),應(yīng)該注意到將原基站天線有效高度適當(dāng)降低,發(fā)射功率減小,努力避免小區(qū)間的同頻干擾。

增加新基站的小區(qū)分裂方案是將原來較大的小區(qū)分裂成4個(gè)較小的小區(qū),即1:4方案,如圖1-19所示。這種方案是在原基站頂點(diǎn)激勵(lì)的基礎(chǔ)上展開的,是在兩個(gè)原基站連線的中心點(diǎn)上加設(shè)新的基站。圖1-19增加新基站的分裂方案

1.5.1.2波道分配技術(shù)

在小區(qū)制中,當(dāng)兩基站的距離大于同波道復(fù)用距離時(shí),這兩個(gè)基站允許使用相同的波道組工作,這稱為波道的地區(qū)復(fù)用。為了實(shí)現(xiàn)波道的地區(qū)復(fù)用,必須研究波道的分配方法。

1.固定波道分配

固定波道分配方法有兩種,一是分區(qū)分組分配法,二是等頻距分配法。

(1)分區(qū)分組配置法

分區(qū)分組配置法所遵循的原則是:總的所占頻段窄,以提高頻段的種用率;同一區(qū)群內(nèi)不能使用相同的信道,以避免同頻干擾;小區(qū)內(nèi)采用無三階互調(diào)的相容信道組,以避免互調(diào)干擾。現(xiàn)舉例說明如下。

(2)等頻距配置法

等頻距配置法是按等頻間隔來配置信道的,只要頻距選得足夠大,就可以有效地避免鄰道干擾。這樣的頻率配置當(dāng)然正好滿足產(chǎn)生互調(diào)的頻率關(guān)系,但正因?yàn)轭l距大,干擾易于被濾除而不易作用到非線性器件。這也就避免了互調(diào)的產(chǎn)生。

等頻距配置時(shí)可根據(jù)群內(nèi)的小區(qū)數(shù)N來確定同一信道組內(nèi)各信道之間的頻率間隔。

第一組用(1、1+N、1+2N、1+3N……),

第二組用(2、2+2N、3+3N……)等。

2.動(dòng)態(tài)波道分配

這種分配方法不是將波道固定地分配給某個(gè)無線區(qū),而是很多無線區(qū)都有可以使用同一波道。每個(gè)無線區(qū)使用的波道數(shù)是不固定的,當(dāng)某時(shí)刻業(yè)務(wù)量大時(shí),使用的波道數(shù)就多,否則就少。但是,在給某個(gè)無線區(qū)指定一個(gè)空閑波道時(shí),必須滿足同波道距離要求。也就是說,在復(fù)用距離之內(nèi)的各個(gè)無線區(qū)中均未使用該被指定的波道,只有這樣才能避免同波道干擾。

例如,要在某無線區(qū)內(nèi)給某一用戶提供一個(gè)空閑波道時(shí),如果說本無線區(qū)某一波道是空閑的,那就需要檢查一下在復(fù)用距離之內(nèi)的其他無線區(qū)該波道是否也是空閑的。如果說是空閑的,則可將該波道提供給用戶使用;如果不是空閑的,必須按以上方法,再檢查其它波道,只要檢查的波道能夠滿足如上要求,便可提供給用戶使用。如果把所有的波道都檢查過了,仍未找到滿足如下要求的波道,則發(fā)出忙音,表示通話阻塞。由此可見,動(dòng)態(tài)波道分配不但需要收集和處理大量的數(shù)據(jù),還要實(shí)時(shí)地給出處理結(jié)果。其系統(tǒng)的控制極其復(fù)雜,設(shè)備多,成本也高。但是,動(dòng)態(tài)波道分配與固定波道分配比較,頻率利用率大約可提高20%~50%。

3.混合波道分配

它是固定波道分配和動(dòng)態(tài)波道分配相合的一種方式,即將一部分波道固定地分配給各個(gè)無線區(qū),另一部分波道作為各無線區(qū)均可使用的動(dòng)態(tài)波道。各無線區(qū)可優(yōu)先使用分配給它的固定波道組,當(dāng)固定波道組不夠用時(shí),再按動(dòng)態(tài)波道分配方式使用空閑的動(dòng)態(tài)波道。把它也稱為柔性配置法。

1.5.1.3多信道共用技術(shù)

1.多信道共用的概念

所謂多信道共用,就是將一個(gè)基站的全部n個(gè)信道同時(shí)為小區(qū)內(nèi)的全部用戶所共用。當(dāng)其中k(k<n)個(gè)信道被占用之后,其它要求通信的用戶可以爭(zhēng)用(n-k)個(gè)空閑信道中的任何一個(gè)來進(jìn)行通信。基站最多可以同時(shí)保障n個(gè)用戶進(jìn)行通信。

2.話務(wù)量與呼損率的定義

在移動(dòng)電話通信系統(tǒng)中,用戶使用電話的數(shù)量的大小用話務(wù)量來量度。話務(wù)量又分為流入話務(wù)量和完成話務(wù)量以及損失話務(wù)量。

流入話務(wù)量的大小取決單位時(shí)間(1小時(shí))內(nèi)發(fā)生的平均呼叫次數(shù)和每次呼叫平均占用信道時(shí)間S。顯然和S的加大都會(huì)使業(yè)務(wù)量加大,因而可定義流入話務(wù)量A為

在信道共用的情況下,當(dāng)有空閑信道時(shí),新發(fā)起的呼叫能夠被接續(xù),則呼叫成功;當(dāng)信道全部被占用時(shí),則新發(fā)起的呼叫不能被接續(xù),呼叫失敗。即發(fā)生“呼損”。已知全網(wǎng)用戶的單位時(shí)間平均呼叫次數(shù)為入,其中有的呼叫成功了,有的呼叫失敗了。設(shè)單位時(shí)間內(nèi)成功呼叫的次數(shù)為0(0<).就可算出完成話務(wù)量。

顯然,呼損率B越小,成功呼叫的概率就越大,用戶就越滿意。因此,呼損率B也稱為通信網(wǎng)的服務(wù)等級(jí)(或業(yè)務(wù)等級(jí))。例如,某通信網(wǎng)的服務(wù)等級(jí)為0.05(即B=0.05),表示在全部呼叫中未被接通的概率為5%。但是,對(duì)于一個(gè)通信網(wǎng)來說,要想使呼叫損失小,只有讓流入話務(wù)量小,即容納的用戶少些,這又是所不希望的??梢姾魮p率與流入話務(wù)量是一對(duì)矛盾,要折衷處理.

3.呼損率的計(jì)算

對(duì)于多信道共用的移動(dòng)通信網(wǎng),根據(jù)話務(wù)量理論,呼損率B、共用信道數(shù)n和流入話務(wù)量A的定量關(guān)系可用愛爾蘭呼損公式表示。愛爾蘭呼損公式為

在給定呼損率B的條件下,用(1-10)式可算出共用n個(gè)信道所能承受的流入話務(wù)量;在給定流入話務(wù)量A的條件下,用(1-10)式可算出為達(dá)到某一服務(wù)等級(jí)B應(yīng)取的共用信道數(shù)n;在給定共用信道數(shù)n的條件下,用(1-10)式可算出各流入話務(wù)量A時(shí)的服務(wù)等級(jí)B。因此,(1-10)式是一個(gè)工程上非常實(shí)用的公式。雖然此式計(jì)算十分繁雜,但有數(shù)表可供工程計(jì)算應(yīng)用。

呼損率不同情況下,信道的利用率也是不同的。信道利用率?可用不著每小時(shí)每信道的完成話務(wù)量來計(jì)算,即

用數(shù)表列出B、n、A和?的關(guān)系如表1-2所示。

由表1-2可見,在維持B一定的條件下,隨著n的加大A的不斷增長(zhǎng),n<3時(shí)接近指數(shù)規(guī)律,n>6時(shí)接近線性。在B一定的條件下隨著n增長(zhǎng),但當(dāng)n>8之后增長(zhǎng)已很慢。因此,每一基地臺(tái)的共用信道數(shù)不宜過多。

4.用戶忙時(shí)話務(wù)量與用戶數(shù)

以上都是以全網(wǎng)的流入話務(wù)量A來計(jì)算的,那么究竟這些流入話務(wù)量可以容納多少用戶的通信業(yè)務(wù)呢?這就要看每個(gè)用戶的話務(wù)量多少才能決定了。每個(gè)用戶全天24小時(shí)話務(wù)量的分布是不均勻的,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)應(yīng)按最忙時(shí)的話務(wù)量來進(jìn)行計(jì)算。最忙一小時(shí)內(nèi)的話務(wù)量與全天話務(wù)量之比可稱為集中系數(shù),用K表示,一般K=10~15%。每個(gè)用戶的忙時(shí)話務(wù)量需用統(tǒng)計(jì)的辦法確定。設(shè)通信網(wǎng)中每一用戶每天平均呼叫次數(shù)為C,每次呼叫的平均占用信道時(shí)間為T[秒∕次],集中系數(shù)為K,則每用戶的忙時(shí)話務(wù)量即為

例如a=3[次∕天],T=120[秒∕次],K=10%,則用上式可算得a=0.01[愛爾蘭/用戶]。國(guó)外資料表明,公用移動(dòng)通信網(wǎng)可按a=0.01設(shè)計(jì),專業(yè)移動(dòng)通信網(wǎng)可按a=0.06設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)的用戶忙時(shí)話務(wù)量一般會(huì)超過上述數(shù)據(jù)不少。

在用戶的忙時(shí)話務(wù)量a確定之后,每個(gè)信道所能容納的用戶數(shù)m就不難計(jì)算

以a=0.01[愛爾蘭/用戶]計(jì)算出每信道的用戶數(shù)為表1-2所示。(a值不同時(shí)則需另行計(jì)算)由表可見,在確定共用信道數(shù)n的條件下,若允許降低服務(wù)等級(jí)(即加大呼損率B)就可容納更多的用戶,如n=8,為保證B=5%,全網(wǎng)只能容納57×8=456個(gè)用戶,若將B提高到20%,全網(wǎng)就可容納92×8=736個(gè)用戶了。這就是通信網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)要折衷考慮的問題了。

1.1.5.4空閑信道選取技術(shù)

多信道共用的移動(dòng)通信網(wǎng),以基地臺(tái)控制的小區(qū)有n個(gè)無線信道提供給n×m個(gè)移動(dòng)用戶所共同使用。那么,當(dāng)某一用戶需要通信而發(fā)出呼叫時(shí),怎么知道這n個(gè)信道中哪一個(gè)是空閑時(shí),可供選用呢?空閑信道選取的方式可分為以下四種。

1.專用呼叫信道方式

這種方式是在網(wǎng)中設(shè)置專門的呼叫信道,專用于處理用戶的呼叫、向用戶發(fā)出選呼、指定通信用的話音信道等。移動(dòng)用戶只要不在通話時(shí)就停在這呼叫信道上守候。用戶呼叫時(shí)通過專用呼叫信道發(fā)出,控制中心通過專用呼叫信道給主叫和被呼的移動(dòng)用戶指定當(dāng)用的空閑信道,移動(dòng)臺(tái)根據(jù)指令轉(zhuǎn)入空閑信道通話。通話結(jié)束后再自動(dòng)返回到專用呼叫信道守候。

移動(dòng)臺(tái)被呼時(shí),基地臺(tái)在專用呼叫信道上發(fā)出選呼信號(hào),被呼移動(dòng)臺(tái)應(yīng)答后即按基地臺(tái)的指令轉(zhuǎn)入某一空閑話音信道進(jìn)行通信。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是處理呼叫的速度快,但是,若用戶數(shù)和共用信道數(shù)不多時(shí),專用呼叫信道處理呼叫并不繁忙,它又不能用于通話,利用率很不高。因此,這種方式只適用于大容量的移動(dòng)通信網(wǎng)。

2.循環(huán)定位方式

這種方式不設(shè)置專門的呼叫信道,所有的信道都可供通話,選擇呼叫與通話可在同一信道上進(jìn)行?;嘏_(tái)在某一空閑信道上發(fā)出空閑信號(hào),所有未在通話的移動(dòng)臺(tái)都自動(dòng)地對(duì)所有信道進(jìn)行循環(huán)掃描,一旦在某一信道上收到空閑信號(hào),就定位在這個(gè)信道上守候。所有呼叫都在這個(gè)標(biāo)定的空閑信道上進(jìn)行。當(dāng)這個(gè)信道被某一移動(dòng)臺(tái)占用,基地臺(tái)就轉(zhuǎn)往另一空閑信道發(fā)出空閑信號(hào)。如果基地臺(tái)的全部信道被占用,基地臺(tái)就停發(fā)空閑信號(hào),所有未通話的移動(dòng)臺(tái)就不停地循環(huán)掃描,直到出現(xiàn)空閑信道,收到空閑信號(hào)才定位。

在移動(dòng)臺(tái)被呼時(shí),基地臺(tái)在標(biāo)有空閑標(biāo)志的空閑信道上發(fā)出選呼信號(hào)。所有定位在此空閑信道上的移動(dòng)臺(tái)都可收到這個(gè)選呼信號(hào),在與本機(jī)的號(hào)碼核對(duì)之后,若判定為呼叫本機(jī)即發(fā)出應(yīng)答信號(hào)?;嘏_(tái)在收到應(yīng)答信號(hào)之后,立即將這個(gè)信道給被叫的移動(dòng)臺(tái)占用,另選一個(gè)空閑信道發(fā)空閑標(biāo)志。其它移動(dòng)臺(tái)發(fā)現(xiàn)原定位的空閑信道已被占用,立即進(jìn)行循環(huán)掃描,搜索新的標(biāo)有空閑信號(hào)的空閑信道。

這種方式中,所有信道都可用于通話,信道的種用率高。另外,由于所有空閑的移動(dòng)臺(tái)都定位在同一個(gè)空閑信道上,不論移動(dòng)臺(tái)主呼或被呼都能立即進(jìn)行,處理呼叫快。但是,正是因?yàn)樗锌臻e移動(dòng)臺(tái)都定位在同一空閑信道上,它們之中有兩個(gè)以上用戶同時(shí)發(fā)起呼叫的概率(稱同搶概率)也較大,即容易發(fā)生沖突。因此這種方式只能適用小容量的通信網(wǎng)。

3.循環(huán)不定位方式

為減小同搶概率,移動(dòng)臺(tái)循環(huán)掃描而不定位應(yīng)該是有利的。該方式是基地臺(tái)在所有的空閑信道上都發(fā)出空閑標(biāo)志信號(hào),不通話的移動(dòng)臺(tái)始終處于循環(huán)掃描狀態(tài)。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)主呼時(shí),首先遇到任何一個(gè)空閑信道就立即占用。由于預(yù)先設(shè)置各移動(dòng)臺(tái)對(duì)信道掃描的順序不同。兩個(gè)移動(dòng)臺(tái)同時(shí)發(fā)出呼叫,又同時(shí)占用同一空閑信道的概率很小,這就有效地減小了同搶概率。只不過要主呼時(shí)不能立刻進(jìn)行,要先搜索空閑信道,當(dāng)搜索到并定位之生才能發(fā)出呼叫,時(shí)間上稍微慢了一點(diǎn)。

當(dāng)移動(dòng)臺(tái)被呼時(shí),由于各移動(dòng)臺(tái)都在循環(huán)掃描,無法接收基地臺(tái)的選呼信號(hào)。因此基地臺(tái)必須先在某一空閑信道上發(fā)一個(gè)保持信號(hào),指令所有循環(huán)中的移動(dòng)臺(tái)都自動(dòng)地對(duì)這個(gè)標(biāo)有保持信號(hào)的空閑信道鎖定。保持信號(hào)需持續(xù)一段時(shí)間,在等到所有空閑移動(dòng)臺(tái)都對(duì)它鎖定之后,再改發(fā)選呼信號(hào)。被呼移動(dòng)臺(tái)對(duì)選呼信號(hào)應(yīng)答,即占用此信道通信。其它移動(dòng)臺(tái)識(shí)別不是呼叫本臺(tái),立即對(duì)此信道釋放,重新進(jìn)入循環(huán)掃描。

這種方式減小了同搶概率,但因移動(dòng)臺(tái)主呼時(shí)要先搜索空閑信道,被呼時(shí)要先對(duì)保持信號(hào)鎖定,這都占用了時(shí)間,所以建立呼叫就慢了。

4.循環(huán)分散定位方式

這種方式是上面兩種方式的結(jié)合?;嘏_(tái)與循環(huán)不定位方式一樣,在所有空閑信道上發(fā)出空閑信號(hào),空閑的移動(dòng)臺(tái)與循環(huán)定位方式一樣,自動(dòng)地定位在首先掃描到空閑信道上。由于移動(dòng)臺(tái)的掃描是隨機(jī)的,它們定位的信道也就分散的。移動(dòng)臺(tái)主呼時(shí)可立即進(jìn)行,又因?yàn)樗鼈兎稚⒍ㄎ辉诓煌目臻e信道上,同搶概率就小了。移動(dòng)臺(tái)被呼時(shí),基地臺(tái)在所有的空閑信道上同時(shí)發(fā)出選呼信號(hào),呼叫也很迅速。這就解決了接續(xù)速度與同搶概率之間的矛盾。所不同的是,當(dāng)基地臺(tái)收到應(yīng)答信號(hào)時(shí),要判別應(yīng)答信號(hào)來自哪一個(gè)空閑信道,再將這個(gè)信道指配給被呼用戶使用。

1.5.1.5頻譜有效利用技術(shù)

頻率的有效利用是根據(jù)其時(shí)間、空間和頻率域的三維性質(zhì),從這三個(gè)方面采用多種技術(shù)不定期設(shè)法提高它的利用率。有效利用頻率的技術(shù)如表1-3所示。

頻率有效利用的最終評(píng)價(jià)是“頻率利用率”,它定義為

〔頻率利用率〕=[通信業(yè)務(wù)量]/[使用頻譜空間的大小]

這里的“頻譜空間”指的是由頻寬、時(shí)間、實(shí)際物理空間所構(gòu)成的三維空間,即

[使用的頻譜空間的大小]=W[使用的頻帶寬]·S[占有物理空間的大小]·T[使用時(shí)間]通信業(yè)務(wù)量以話務(wù)量(下面說明)A表示,即

η=A/WSt(1—14)

由此可見,為提高頻率利用率,應(yīng)壓縮信道間隔、減小電波輻射空間的大小、使信道經(jīng)常處于使用狀態(tài)。

課后思考

1.什么是移動(dòng)通信?移動(dòng)通信系統(tǒng)的發(fā)展過程如何?

2.電波傳播有哪幾種方式?

3.什么是慢衰落?其產(chǎn)生原因?什么是快衰落?其產(chǎn)生原因?

4.什么是陰影效應(yīng)?什么是多徑效應(yīng)?什么是多普勒效應(yīng)?

5.簡(jiǎn)答移動(dòng)通信系統(tǒng)中信號(hào)衰落的原因

6.移動(dòng)通信網(wǎng)中常會(huì)發(fā)生哪些干擾?如何克服?

7.什么是雙工方式?什么FDD?什么是TDD?并舉例說明FDD和TDD方式的實(shí)際應(yīng)用。

8.什么是多址方式?常用的多址技術(shù)有幾種?

9.什么FDMA?什么是TDMA?什么CDMA?什么是SDMA?

10.分集的作用是什么?有哪幾種分集方式?

11.什么是均衡?均衡的作用是什么?

12.什么是交織技術(shù)?采用交織技術(shù)的主要目的是什么?

13.什么大區(qū)制?什么是小區(qū)制?

14.為什么說小區(qū)形狀的最佳是正六邊形?

15.設(shè)某蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)的小區(qū)輻射半徑為8Km,根據(jù)同頻干擾抑制的要球,同信道小區(qū)之間的距離應(yīng)大于40Km,問該網(wǎng)的區(qū)群應(yīng)如何組成?試畫出區(qū)群的構(gòu)成圖,群內(nèi)各小區(qū)的信道配置以及相鄰?fù)ㄐ诺佬^(qū)的分布圖。

16.什么叫中心激勵(lì)?什么叫頂點(diǎn)激勵(lì)?后者有什么好處?

17.在什么情況下需要采用小區(qū)分裂方式?小區(qū)分裂的具體實(shí)施方案有幾種?

18.波道分配技術(shù)有哪幾種?哪種方式最好?為什么?

19.什么是多信道共用技術(shù)?它與波道分配技術(shù)有什么區(qū)別?

20.設(shè)一個(gè)移動(dòng)通信系統(tǒng)共有12個(gè)波道,用戶話務(wù)量為0.01ErL,計(jì)算呼損率B=0.1。如果將12個(gè)波道分成12組,分成4組和全部為所有用戶共用,在這三種情況下,分別計(jì)算能容納的用戶總數(shù)和波道利用率。

21.移動(dòng)電話系統(tǒng)共有400個(gè)用戶,平均每天呼叫950次,每次通話時(shí)間60秒,設(shè)忙時(shí)集中系數(shù)為0.13,試計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)忙時(shí)話務(wù)量?

22.某大區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)共有100個(gè)用戶,平均每戶C=5次/天,T=180秒/次,K=15%,問為保證呼損率小于5%,需共用的信道數(shù)是幾個(gè)?若允許呼損率達(dá)20%,共用信道數(shù)可節(jié)省幾個(gè)?

23.空閑信道的選取方式有哪幾種?試比較這幾種方式的性能。

24.頻率的有效利用可從哪幾個(gè)方面入手?試簡(jiǎn)要回答。

任務(wù)1.2GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)

1.2.1GSM系統(tǒng)概述1.2.1.1GSM技術(shù)概況GSM是GlobalSystemForMobileCommunications的縮寫,由歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)組織ETSI制訂的一個(gè)數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn),GSM是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GlobalSystemforMobilecommunications)的簡(jiǎn)稱。它的空中接口采用時(shí)分多址技術(shù)。自90年代中期投入商用以來,被全球超過100個(gè)國(guó)家采用。GSM標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備占據(jù)當(dāng)前全球蜂窩移動(dòng)通信設(shè)備市場(chǎng)80%以上。

GSM是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)。全球超過200個(gè)國(guó)家和地區(qū)超過10億人正在使用GSM電話。所有用戶可以在簽署了"漫游協(xié)定"移動(dòng)電話運(yùn)營(yíng)商之間自由漫游。GSM較之它以前的標(biāo)準(zhǔn)最大的不同是它的信令和語音信道都是數(shù)字式的,因此GSM被看作是第二代(2G)移動(dòng)電話系統(tǒng)。這說明數(shù)字通訊從很早就已經(jīng)構(gòu)建到系統(tǒng)中。GSM是一個(gè)當(dāng)前由3GPP開發(fā)的開放標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.1.2主要技術(shù)特點(diǎn)

GSM使用上直觀的特點(diǎn):

GSM系統(tǒng)有幾項(xiàng)重要特點(diǎn):防盜拷能力佳、網(wǎng)絡(luò)容量大、手機(jī)號(hào)碼資源豐富、通話清晰、穩(wěn)定性強(qiáng)不易受干擾、信息靈敏、通話死角少、手機(jī)耗電量低、機(jī)卡分離。

其主要技術(shù)特點(diǎn)如下:

1.頻譜效率。由于采用了高效調(diào)制器、信道編碼、交織、均衡和語音編碼技術(shù),使系統(tǒng)具有高頻譜效率。

2.容量。由于每個(gè)信道傳輸帶寬增加,使同頻復(fù)用栽干比要求降低至9dB,故GSM系統(tǒng)的同頻復(fù)用模式可以縮小到4/12或3/9甚至更?。M系統(tǒng)為7/21);加上半速率話音編碼的引入和自動(dòng)話務(wù)分配以減少越區(qū)切換的次數(shù),使GSM系統(tǒng)的容量效率(每兆赫每小區(qū)的信道數(shù))比TACS系統(tǒng)高3~5倍。

3.話音質(zhì)量。鑒于數(shù)字傳輸技術(shù)的特點(diǎn)以及GSM規(guī)范中有關(guān)空中接口和話音編碼的定義,在門限值以上時(shí),話音質(zhì)量總是達(dá)到相同的水平而與無線傳輸質(zhì)量無關(guān)。

4.開放的接口。GSM標(biāo)準(zhǔn)所提供的開放性接口,不僅限于空中接口,而且包括網(wǎng)絡(luò)之間以及網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備實(shí)體之間,例如A接口和Abis接口。

5.安全性。通過鑒權(quán)、加密和TMSI號(hào)碼的使用,達(dá)到安全的目的。鑒權(quán)用來驗(yàn)證用戶的入網(wǎng)權(quán)利。加密用于空中接口,由SIM卡和網(wǎng)絡(luò)AUC的密鑰決定。TMSI是一個(gè)由業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)給用戶指定的臨時(shí)識(shí)別號(hào),以防止有人跟蹤而泄漏其地理位置。

6.與ISDN、PSTN等的互連。與其他網(wǎng)絡(luò)的互連通常利用現(xiàn)有的接口,如ISUP或TUP等。

7.在SIM卡基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)漫游。漫游是移動(dòng)通信的重要特征,它標(biāo)志著用戶可以從一個(gè)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)進(jìn)入另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)。GSM系統(tǒng)可以提供全球漫游,當(dāng)然也需要網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)者之間的某些協(xié)議,例如計(jì)費(fèi)。

1.2.1.3GSM頻率配置

1.GSM頻率配置

(1)GSM900MHz頻段

GSM900:上行(MHz)890-915;下行(MHz)935-960(GSM最先實(shí)現(xiàn)的頻段,也是使用最廣的頻段)

GSM900E:上行(MHz)880-915;下行(MHz)925-960(900MHz擴(kuò)展頻段)

GSM900MHz頻段雙工間隔為45MHz,有效帶寬為25MHz,124個(gè)載頻,每個(gè)載頻8個(gè)信道。

(2)DCS1800MHz頻段

GSM1800:

上行(MHz)1710-1785;

下行(MHz)1805-1880(適用于對(duì)信道容量需求大的市場(chǎng),應(yīng)用范圍僅次于900M。)

GSM1800MHz頻段雙工間隔為95MHz,有效帶寬為75MHz,374個(gè)載頻,每個(gè)載頻8信道。

2.中國(guó)GSM頻率使用

中國(guó)GSM頻率使用如表1-4所示。

1.2.2GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2.2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能GSM系統(tǒng)是由若干個(gè)子系統(tǒng)或功能實(shí)體組成,典型結(jié)構(gòu)如圖1-20所示。圖1-20GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)

網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)主要包含有GSM系統(tǒng)的交換功能和用于用戶數(shù)據(jù)與移動(dòng)性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫功能,它對(duì)GSM移動(dòng)用戶之間通信和GSM移動(dòng)用戶與其它通信網(wǎng)用戶之間通信起著管理作用。NSS由一系列功能實(shí)體構(gòu)成,整個(gè)GSM系統(tǒng)內(nèi)部,即NSS的各功能實(shí)體之間和NSS與BSS之間都通過符合CCITT信令系統(tǒng)No.7協(xié)議和GSM規(guī)范的7號(hào)信令網(wǎng)路互相通信。

(1)移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心(MSC)

移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心(MSC)是網(wǎng)路的核心,它提供交換功能及面向系統(tǒng)其它功能實(shí)體:BSS、HLR、AUC、EIR、OMC和面向固定網(wǎng)(PSTN、ISDN、PSPDN、CSPDN)的接口功能,把移動(dòng)用戶與移動(dòng)用戶、移動(dòng)用戶與固定網(wǎng)用戶互相連接起來。

MSC可為移動(dòng)用戶提供一系列業(yè)務(wù):

電信業(yè)務(wù)。例如:電話、緊急呼叫、傳真和短消息服務(wù)等;

承載業(yè)務(wù)。例如:3.1KHz電話,同步數(shù)據(jù)0.3kbit/s~2.4kbit/s及分組組合和分解(PAD)等;

補(bǔ)充業(yè)務(wù)。例如:呼叫前轉(zhuǎn)、呼叫限制、呼叫等待、會(huì)議電話和計(jì)費(fèi)通知等。

MSC還支持位置登記、越區(qū)切換和自動(dòng)漫游等移動(dòng)特征性能和其它網(wǎng)路功能。

(2)訪問用戶位置寄存器(VLR)

訪問用戶位置寄存器(VLR)是服務(wù)于其控制區(qū)域內(nèi)移動(dòng)用戶的,存儲(chǔ)著進(jìn)入其控制區(qū)域內(nèi)已登記的移動(dòng)用戶相關(guān)信息,為已登記的移動(dòng)用戶提供建立呼叫接續(xù)的必要條件。VLR功能總是在每個(gè)MSC中綜合實(shí)現(xiàn)的。

(3)歸屬用戶位置寄存器(HLR)

歸屬用戶位置寄存器(HLR)是GSM系統(tǒng)的中央數(shù)據(jù)庫,存儲(chǔ)著該HLR控制的所有存在的移動(dòng)用戶的相關(guān)數(shù)據(jù)。一個(gè)HLR能夠控制若干個(gè)移動(dòng)交換區(qū)域以及整個(gè)移動(dòng)通信網(wǎng),所有移動(dòng)用戶重要的靜態(tài)數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在HLR中,這包括移動(dòng)用戶識(shí)別號(hào)碼、訪問能力、用戶類別和補(bǔ)充業(yè)務(wù)等數(shù)據(jù)。HLR還存儲(chǔ)且為MSC提供關(guān)于移動(dòng)用戶實(shí)際漫游所在的MSC區(qū)域相關(guān)動(dòng)態(tài)信息數(shù)據(jù)。這樣,任何入局呼叫可以即刻按選擇路徑送到被叫的用戶。

(4)鑒權(quán)中心(AUC)

鑒權(quán)中心(AUC)存儲(chǔ)著鑒權(quán)信息和加密密鑰,用來防止無權(quán)用戶接入系統(tǒng)和保證通過無線接口的移動(dòng)用戶通信的安全。

AUC屬于HLR的一個(gè)功能單元部分,專用于GSM系統(tǒng)的安全性管理。

(5)移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器(EIR)

移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器(EIR)存儲(chǔ)著移動(dòng)設(shè)備的國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼(IMEI),通過檢查白色清單、黑色清單或灰色清單這三種表格,在表格中分別列出了準(zhǔn)許使用的、出現(xiàn)故障需監(jiān)視的、失竊不準(zhǔn)使用的移動(dòng)設(shè)備的IMEI識(shí)別碼,使得運(yùn)營(yíng)部門對(duì)于不管是失竊還是由于技術(shù)故障或誤操作而危及網(wǎng)路正常運(yùn)行的MS設(shè)備,都能采取及時(shí)的防范措施,以確保網(wǎng)路內(nèi)所使用的移動(dòng)設(shè)備的唯一性和安全性。

2.基站子系統(tǒng)(BSS)

基站子系統(tǒng)(BSS)是GSM系統(tǒng)中與無線蜂窩方面關(guān)系最直接的基本組成部分。它通過無線接口直接與移動(dòng)臺(tái)相接,負(fù)責(zé)無線發(fā)送接收和無線資源管理。另一方面,基站子系統(tǒng)與網(wǎng)路子系統(tǒng)(NSS)中的移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心(MSC)相連,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶之間或移動(dòng)用戶與固定網(wǎng)路用戶之間的通信連接,傳送系統(tǒng)信號(hào)和用戶信息等。當(dāng)然,要對(duì)BSS部分進(jìn)行操作維護(hù)管理,還要建立BSS與操作支持子系統(tǒng)(OSS)之間的通信連接。

基站子系統(tǒng)是由基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)和基站控制器(BSC)這兩部分的功能實(shí)體構(gòu)成?;咀酉到y(tǒng)還應(yīng)包括碼變換器(TC)和相應(yīng)的子復(fù)用設(shè)備(SM)。碼變換器在更多的實(shí)際情況下是置于BSC和MSC之間,在組網(wǎng)的靈活性和減少傳輸設(shè)備配置數(shù)量方面具有許多優(yōu)點(diǎn)。

(1)基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)

BTS屬于BSS的無線部分,實(shí)現(xiàn)GSM營(yíng)運(yùn)系統(tǒng)通過空中接口與MS之間的無線傳輸及控制功能。

BTS由以下4部分組成:基帶單元,完成所有的信號(hào)處理功能;載頻單元,完成基帶信號(hào)與無線信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換;控制單元完成所有的操作與維護(hù)功能;天饋單元,一個(gè)BTS負(fù)責(zé)一個(gè)小區(qū)的業(yè)務(wù),一個(gè)BTS機(jī)架可以配置成多個(gè)BTS,一個(gè)站址可以配置多個(gè)機(jī)架。BTS與BSC通過Abis接口互連,Abis接口的物理介質(zhì)是E1線路。

(2)基站控制器(BSC)

BSC是BSS的控制部分,負(fù)責(zé)BSS的各種接口管理,承擔(dān)無線資源管理任務(wù)。

BSC主要由下列部分構(gòu)成:無線資源管理部分、公共處理部分和電路交換部分。

無線資源管理部分:MSC側(cè)的A接口或Ater接口(與碼變換器相接)的數(shù)字中繼控制部分;BTS側(cè)Abis接口或BS接口控制部分。

公共處理部分:包括與操作維護(hù)中心相接的接口控制。

電路交換部分:碼變換器和子復(fù)用設(shè)備(TCSM),TCSM一般位于MSC,以節(jié)省A接口中繼資源。

3.操作維護(hù)子系統(tǒng)(OSS)

操作維護(hù)子系統(tǒng)(OSS)需完成許多任務(wù),包括移動(dòng)用戶管理、移動(dòng)設(shè)備管理以及網(wǎng)路操作和維護(hù)。

移動(dòng)用戶管理可包括用戶數(shù)據(jù)管理和呼叫計(jì)費(fèi)。用戶數(shù)據(jù)管理一般由歸屬用戶位置寄存器(HLR)來完成這方面的任務(wù),HLR是NSS功能實(shí)體之一。用戶識(shí)別卡SIM的管理也可認(rèn)為是用戶數(shù)據(jù)管理的一部分。呼叫計(jì)費(fèi)可以由移動(dòng)用戶所訪問的各個(gè)移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心MSC和GMSC分別處理,也可以采用通過HLR或獨(dú)立的計(jì)費(fèi)設(shè)備來集中處理計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)的方式。

移動(dòng)設(shè)備管理是由移動(dòng)設(shè)備識(shí)別寄存器(EIR)來完成的,EIR與NSS的功能實(shí)體之間是通過SS7信令網(wǎng)路的接口互連。

網(wǎng)路操作與維護(hù)是完成對(duì)GSM系統(tǒng)的BSS和NSS進(jìn)行操作與維護(hù)管理任務(wù)的,完成網(wǎng)路操作與維護(hù)管理的設(shè)施稱為操作與維護(hù)中心(OMC)。從電信管理網(wǎng)路(TMN)的發(fā)展角度考慮,OMC還應(yīng)具備與高層次的TMN進(jìn)行通信的接口功能,以保證GSM網(wǎng)路能與其它電信網(wǎng)路一起納入先進(jìn)、統(tǒng)一的電信管理網(wǎng)路中進(jìn)行集中操作與維護(hù)管理。直接面向GSM系統(tǒng)BSS和NSS各個(gè)功能實(shí)體的操作與維護(hù)中心(OMC)歸入NSS部分。

4.移動(dòng)臺(tái)(MS)

移動(dòng)臺(tái)就是移動(dòng)客戶設(shè)備部分,它由兩部分組成,移動(dòng)終端(ME)和客戶識(shí)別卡(SIM)。

移動(dòng)終端就是“機(jī)”,它可完成話音編碼、信道編碼、信息加密、信息的調(diào)制和解調(diào)、信息發(fā)射和接收。

SIM卡就是“身份卡”,它類似于我們現(xiàn)在所用的IC卡,因此也稱作智能卡,存有認(rèn)證客戶身份所需的所有信息,并能執(zhí)行一些與安全保密有關(guān)的重要信息,以防止非法客戶進(jìn)入網(wǎng)路。SIM卡還存儲(chǔ)與網(wǎng)路和客戶有關(guān)的管理數(shù)據(jù),只有插入SIM后移動(dòng)終端才能接入進(jìn)網(wǎng),但SIM卡本身不是代金卡。

1.2.2.2區(qū)域劃分

在小區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)中,基站設(shè)置很多,移動(dòng)臺(tái)又沒有固定的位置,移動(dòng)用戶只要在服務(wù)區(qū)域內(nèi),無論移動(dòng)到何處,移動(dòng)通信網(wǎng)必須具有交換控制功能,以實(shí)現(xiàn)位置更新、越區(qū)切換和自動(dòng)漫游等性能。

在由GSM系統(tǒng)組成的移動(dòng)通信網(wǎng)路結(jié)構(gòu)中,區(qū)域劃分如圖1-21所示。圖1-21GSM區(qū)域定義

1.服務(wù)區(qū)

服務(wù)區(qū)是指移動(dòng)臺(tái)可獲得服務(wù)的區(qū)域,即不同通信網(wǎng)(如PLMN、PSTN或ISDN)用戶無需知道移動(dòng)臺(tái)的實(shí)際位置而可與之通信的區(qū)域。

一個(gè)服務(wù)區(qū)可由一個(gè)或若干個(gè)公用陸地移動(dòng)通信網(wǎng)(PLMN)組成,可以是一個(gè)國(guó)家或是一個(gè)國(guó)家的一部分,也可以是若干個(gè)國(guó)家。

2.公用陸地移動(dòng)通信網(wǎng)(PLMN)

PLMN是由一個(gè)公用陸地移動(dòng)通信網(wǎng)(PLMN)提供通信業(yè)務(wù)的地理區(qū)域。PLMN可以認(rèn)為是網(wǎng)路(如ISDN網(wǎng)或PSTN網(wǎng))的擴(kuò)展,一個(gè)PLMN區(qū)可由一個(gè)或若干個(gè)移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心(MSC)組成。在該區(qū)內(nèi)具有共同的編號(hào)制度(比如相同的國(guó)內(nèi)地區(qū)號(hào))和共同的路由計(jì)劃。MSC構(gòu)成固定網(wǎng)與PLMN之間的功能接口,用于呼叫接續(xù)等。

3.MSC區(qū)

MSC是由一個(gè)移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心所控制的所有小區(qū)共同覆蓋的區(qū)域構(gòu)成PLMN網(wǎng)的一部分。一個(gè)MSC區(qū)可以由一個(gè)或若干個(gè)位置區(qū)組成。

4.位置區(qū)

位置區(qū)是指移動(dòng)臺(tái)可任意移動(dòng)不需要進(jìn)行位置更新的區(qū)域。位置區(qū)可由一個(gè)或若干個(gè)小區(qū)(或基站區(qū))組成。為了呼叫移動(dòng)臺(tái),可在一個(gè)位置區(qū)內(nèi)所有基站同時(shí)發(fā)尋呼信號(hào)。

5.基站區(qū)

由置于同一基站點(diǎn)的一個(gè)或數(shù)個(gè)基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)包括的所有小區(qū)所覆蓋的區(qū)域。

6.小區(qū)

采用基站識(shí)別碼或全球小區(qū)識(shí)別進(jìn)行標(biāo)識(shí)的無線覆蓋區(qū)域。在采用全向天線結(jié)構(gòu)時(shí),小區(qū)即為基站區(qū)。

1.2.3GSM接口和協(xié)議

1.2.3.1主要接口GSM系統(tǒng)的主要接口是指A接口、Abis接口和Um接口。如圖1-22所示。這三種主要接口的定義和標(biāo)準(zhǔn)化能保證不同供應(yīng)商生產(chǎn)的移動(dòng)臺(tái)、基站子系統(tǒng)和網(wǎng)路子系統(tǒng)設(shè)備能納入同一個(gè)GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)運(yùn)行和使用。圖1-22GSM系統(tǒng)的主要接口

1.A接口

A接口定義為網(wǎng)路子系統(tǒng)(NSS)與基站子系統(tǒng)(BSS)之間的通信接口,從系統(tǒng)的功能實(shí)體來說,就是移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心(MSC)與基站控制器(BSC)之間的互連接口,其物理鏈接通過采用標(biāo)準(zhǔn)的2.048Mb/sPCM數(shù)字傳輸鏈路來實(shí)現(xiàn)。此接口傳遞的信息包括移動(dòng)臺(tái)管理、基站管理、移動(dòng)性管理、接續(xù)管理等。

2.Abis接口

Abis接口定義為基站子系統(tǒng)的兩個(gè)功能實(shí)體基站控制器(BSC)和基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)之間的通信接口,用于BTS(不與BSC并置)與BSC之間的遠(yuǎn)端互連方式,物理鏈接通過采用標(biāo)準(zhǔn)的2.048Mb/s或64kbit/sPCM數(shù)字傳輸鏈路來實(shí)現(xiàn)。0所示的BS接口作為Abis接口的一種特例,用于BTS(與BSC并置)與BSC之間的直接互連方式,此時(shí)BSC與BTS之間的距離小于10米。此接口支持所有向用戶提供的服務(wù),并支持對(duì)BTS無線設(shè)備的控制和無線頻率的分配。

3.Um接口(空口接口)

Um接口(空中接口)定義為移動(dòng)臺(tái)與基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)之間的通信接口,用于移動(dòng)臺(tái)與GSM系統(tǒng)的固定部分之間的互通,其物理鏈接通過無線鏈路實(shí)現(xiàn)。此接口傳遞的信息包括無線資源管理,移動(dòng)性管理和接續(xù)管理等。

1.2.3.2NSS內(nèi)部接口

網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)(NSS)由移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心(MSC)、訪問用戶位置寄存器(VLR)、歸屬用戶位置寄存器(HLR)等功能實(shí)體組成,因此GSM技術(shù)規(guī)范定義了不同的接口以保證各功能實(shí)體之間的接口標(biāo)準(zhǔn)化。其示意圖如圖1-23所示。圖1-23網(wǎng)路子系統(tǒng)內(nèi)部接口示意圖

1.

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