1、移动通信移动通信 原理与工程原理与工程薛鸿忠回顾上节课的内容v一到四代移动通信的特点v移动规范化组织v移动频谱划分（GSM、CDMA）v移动业务Company Logo第二章 移动通信基本原理移动通信基本原理2.1.基本电波传播机制基本电波传播机制2.2.噪声干扰噪声干扰2.3.关键技术关键技术2.4.无线网的组网无线网的组网2.1 移动通信的发展史 2.1.1 基本电波传播机制基本电波传播机制 无线电波和光波一样，它的传播速度和传播媒质有关。无线电波在真空中的传播速度等于光速。我们用用C=300000公里/秒表示。在媒质中的传播速度为：CV式中为传播媒质的相对介电常数。fV波长与频率关系如左
2、图，V为速度，单位为米/秒；f为频率，单位为赫兹；为波长，单位为米上述关系式不难看出，同一频率的无线电波在不同的媒质中传播时，速度是不同的，因此波长也不一样。v 2.1.2 无线电波传播方向无线电波传播方向 无线电波是一种能量传输形式，如图（传播中的电场与磁场的示意传播中的电场与磁场的示意）所示，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。无线电波在空间传播时，其电场方向是按一定的规律而变化的，这种现象称为无线电波的极化。无线电波的电场方向称为电波的极化方向。如果电波的电场方向垂直于地面，就称它为垂直极化波。如果电波的电场方向与地面平行，则称它为水平极化波。v 2
3、.1.3 电磁波传播特点电磁波传播特点多径传播多径传播对移动无线传播环境的研究就是对无线移动信道的研究。电磁波传播的机制是多种多样的，但总体上可以归结为直射，反射，绕射和散射，到达接收天线的超短波不仅有直射波，还有反射波，这种现象就叫多径传输。一般情况下，在基站和移动台之间不存在直射信号，此时接收到的信号是发射信号经过若干次反射、绕射或散射后的叠加，而在某些空旷地区或基站天线较高时可能存在直线传播路径。由于高大建筑物或远处高山等阻挡物的存在，常常会导致发射信号经过不同的传播路径到达接收端，这即是所谓的多径传播效应(Multipath Propagation)v 直射波：直射波：它是指在视距覆盖
4、区内无遮挡的传播，直射波传播的信号最强v 多径反射波多径反射波：指从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信号，当电磁波遇到比波长大得多的物体(障碍物)时发生反射，反射发生于地球表面，建筑物和墙壁表面、山丘、森林、地面或楼房等高大建筑物，反射波信号强度次之。v 绕射波：绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号。电波在传播途径上遇到障碍物时，总是力图绕过障碍物，再向前传播。这种现象叫做电波的绕射。超短波的绕射能力较弱，在高大建筑物后面会形成所谓的“阴影区”。在高频波段，绕射与反射一样，依赖于物体的形状，以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况，其强度与反射波相当。v 散射波：散射
5、波：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶，街道标志和灯柱等会引发散射，其信号强度最弱。多径传播后果 各径信号经过不同的路径到达接收端时，具有不同的时延和入射角，这将导致接收信号的时延扩展(delay spread)和角度扩展(angle spread)。多径到达的信号，由于相位不同，多条传播路径的信号相互叠加，有时同相信号强度加强、有时反相抵消信号强度减弱，会造成接收信号强度的快速起伏，就使接收信号难以检测与恢复质量良好的信息;产生严重的码间干拢(ISI);特别是在较高速度的移动
6、台天线发出的信号，运动方向、障碍物环境较快变化，多径信号中主路径不稳定等因素导致的接收信号更难处理。结论v 移动通信的主要特点:传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机移动性，这三个主要特点。这些特点使得移动通信系统的信道变得十分复杂。v 应尽量避免多径传输效应的影响。同时可采取后面提到的分集技术加以克服与利用。v 三种损耗三种损耗n 路径传播损耗：又称为衰耗，它是指电磁波在宏观大范围(即公里级)空间传播所产生的损耗，它反映了传播在空间距离的接收信号电平的变化趋势，幅度衰减较大。n 大尺度衰落损耗：它是由于在电波传播路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗，场强特性曲线
7、的中值呈慢速变化，又称慢衰落，也称地形衰落。n 小尺度衰落损耗：它主要是由于多径传播而产生的衰落，它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗。其变化率比慢衰耗快，所以称为小尺度衰落，场强特性曲线的瞬时值呈快速变化，衰减幅度较小的快变化成分，又称快衰落，快衰弱为信号抵消，为半个波长的适量相加，相位抵消，此时接收到的信号功率可以相当大地下降。主要由多径传播造成，最快为每秒 次(因为f=V/(1/2)。v三种效应三种效应 阴影效应：由大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区域上的半盲区。远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是在随机变化的，若各移动用户发射
8、功率一样，那么到达基站的信号强弱会不同，离基站近信号强，离基站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重出现强者更强弱者更弱和以强压弱的现象。通常称这类现象为远近效应。多普勒(Doppler)效应：它是由于接收的移动信号高速运动而引起传播频率扩散而引起的，当波源与接收器相对运动时，接收器接收到的信号频率与波源的频率会出现不同，这种现象称为多普勒效应。其扩散程度与用户运动速度成正比。其结果是导致接收信号在频域的扩展，同时改变了信号电平的变化率。v 无线传播质量与距离、建筑物的高度、频率有关无线传播质量与距离、建筑物的高度、频率有关结论：频率越高，建筑物越高、越近，影响越大。相反，频率越低，建筑物越矮
9、、越远，影响越小。推论：无线电波的频率不同、对应波长也不同，传播特点也不完全相同。目前GSM和CDMA移动通信使用的频段都属于UHF(特高频)超短波段，其高端属于微波。超短波和微波主要以视距传播。超短波和微波的频率很高，波长较短，它的地面波衰减很快。因此也不能依靠地面波作较远距离的传播，它主要是由空间波来传播的。空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。在直视距离内超短波的传播区域习惯上称为“照明区”。在直视距离内超短波接收装置才能稳定地接收信号。v除了上述无线传播特性，无线传播的还有如下特点：传播环境复杂 传播环境不断变化 环境被电磁噪声污染 v 2.2 噪声干扰噪声干扰随着各类无线通信
10、业务的广泛应用，射频资源日趋紧张，各种潜在的干扰源正以惊人的速度不断产生。原有的专用无线电系统占用现有频率资源、不同运营商网络配置不当、发信机自身设置问题、小区重叠、环境、电磁兼容以及有意干扰，都是移动通信网络射频干扰产生的原因。目前已有的移动通信体制占用的射频资源全部在2.5G以下，这一频带的特点，就是干扰与被干扰的关系，因此，移动通信网络必然存在射频噪声干扰问题。v 2.2.1 噪声与干扰定义噪声与干扰定义 广义上的干扰，指未按频率分配规定的信号占据了合法信号的频率，造成合法信号无法正常工作。噪声主要指由设备元器件引起的，如高斯白噪声，它是在正常信号上叠加的一个随机过程，会引起信号波形失真
11、，导致误判，对通信质量产生影响(如误码率增加)。通信系统上的噪声指的是噪声与干扰，因此噪声有内部噪声和外部噪声之分。外部噪声外部噪声是由外部电磁辐射引入的噪声，外部噪声也就是干扰。例如雷电、雨、雪、太阳黑子活动等自然现象造成的自然噪声,以及高频工业设备、高压输电线、电动工具、火花系统以及附近其他通信设备等人为因素引起的噪声,都属于外部噪声。内部噪声内部噪声是指电信系统内部各级设备、电路、部件以及电子元器件等所产生的噪声。通常内部噪声比外部噪声的影响要大,且更难消除,因此内部噪声往往是电信系统中的主要研究对象。v 噪声的衡量指标：噪声的衡量指标：n 噪声对通信所带来的影响程度,决定于信号功率和噪
12、声功率的比值,即信噪比。信噪比是信号功率与噪声功率比的简称,它是度量电信系统质量可靠性的一个重要技术指标。在电信工程中,常用信号功率和噪声功率比的常用对数来表示,单位是分贝(dB)。即:信噪比(S/N)=101g信号功率/噪声功率(dB)。v 2.2.2 噪声干扰分类噪声干扰分类 从干扰源分，可分为固定频率干扰、随机宽带干扰、强信号对弱信号从干扰源分，可分为固定频率干扰、随机宽带干扰、强信号对弱信号的干扰以及互调干扰等。的干扰以及互调干扰等。会干扰到蜂窝系统通信的外部干扰源可能是：信号很强的外部干扰源(如汽车点火系统或闪电)来自另一相同发射频率(同信道干扰)来自另一相邻发射频率(邻信道干扰)有
13、用信号太弱而无法覆盖过的背景无线噪声系统自身也会产生的干扰可能，当同时传送两个以上频率信号时，通过系统的有源器件会使这些射频信号相互作用而使通带内的有用信号受到通带外的干扰信号的调制而形成的干扰。从频点上分，可分为同频干扰与非同频干扰。同频干扰广义上是指干从频点上分，可分为同频干扰与非同频干扰。同频干扰广义上是指干扰源占用的频率恰好与正常信号频率相同。扰源占用的频率恰好与正常信号频率相同。同信道干扰：如果使用相同频率的两个载频离得过近，它们之间将会互相干扰，这种干扰称为同信道干扰。邻信道干扰：RF载频受到另一个使用邻近频率的RF载频的干扰，这种干扰称为邻信道干扰。v 2.2.3 系统改善噪声干
14、扰的措施系统改善噪声干扰的措施 为了对抗这些各种各样的干扰,新的蜂窝系统在空中接口采用数字技术来代替模拟技术。如果在空中接口采用数字信号，可以巧妙的处理数据，并可以利用一些复杂的差错保护，差错检测和差错校正技术，这样信号通过数字移动通信系统的空中接口时，可以抵抗较强的干扰(因为与模拟系统相比，数字系统有更好的差错检测和差错校正能力)。改善噪声措施的案例塔顶放大器，简称塔放，TMA又称作 MHA(mast head amplifier),是接收低噪声放大器，位于天线桅杆顶部。通过塔放的使用，抵消馈缆损耗的影响，降低基站接收系统的噪声系数。使用塔放降低了对手机发射功率的要求。v 2.2.4 分析解决干扰问题分析解决干扰问题要解决干扰问题，不仅要对移动网络常见干扰有深刻的认识，还必须对现有移动通信制式的频率分配了如指掌。鉴于移动通信信号自身特点，用能对无线电频率进行分析的仪器进行测试干扰与分析。测试干扰所用的手段越齐全，越有利于干扰的查找通用的测试仪路测仪天馈测试仪网管系统
