无线通信基础知识

16
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。
22
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
23
面状服务覆盖区

FrequencyReusePattern of N=4
24
Frequency Reuse Pattern of N=7
18
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。
19
移动通信网的基本组成
9
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
14
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。
15
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：
28
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。
34
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。
35
FDMA方式

FDMA/FDD系统工作示意图
25
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)。
21
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。
6
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
7
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
C MKN MS
27

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）。
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
1
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。
32
三种多址技术的比较
33
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
26
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:
17
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。
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.
ห้องสมุดไป่ตู้10
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。
30
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。
31
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
12
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
13
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。
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 )