无线通信基本原理技术培训资料

1、 无线通信基本原理无线通信基本原理 1.无线电波传播的基础理论 2.移动通信基本原理 华信邮电咨询设计研究院有限公司 无线设计研究院 1.1.无线电波传播的基础理论无线电波传播的基础理论 无线传播基本原理无线传播基本原理电波传播方式：电波传播方式： free- space propagati on si gnal strength decreases exponenti al l y wi th di stance specul ar refl ecti on di ffuse refl ecti on refl ecti on specul ar refl ecti on am pl i t

2、ude: a - *a ( - pol ari sati on: m ateri al dependant phase shi ft di ffuse refl ecti on. am pl i tude: a - *a ( random phase pol ari sati on : random d 无线传播基本原理无线传播基本原理电波传播方式：电波传播方式： absor pt i on heavy ampl i t ude at t enuat i on mat er i al dependant phase shi f t s depol ar i sat i on di f f r

3、act i on wedge- model kni f e edge mul t i pl e kni f e edges a a - 5.30 db 无线传播基本原理无线传播基本原理频谱划分频谱划分 通常无线电波所指的是从极低频10khz到极超高频的顶 点300ghz（giga hertz）。通常划分成八个区域，参看 下表： 符号(中译名)频率范围相当米制划分 vlf(甚低频)3至30khz万米波 lf(低频)30到300khz千米波 mf(中频)300至3 000khz百米波 hf(高频)3至30mhz十米波 vhf(甚高频)30至300mhz米波 uhf(超高频)300至3000mhz分

4、米波(十分之一米波) shf(特高频)3至30ghz厘米波(百分之一米波) ehf(极高频)30至300ghz毫米波(千分之一米波) 移动通信系统中频段的划分为：移动通信系统中频段的划分为： e-gsm900gsm1800cdma-800 885-915mhz(ms)1710-1755mhz(ms)825-835mhz (ms) 930-960mhz(bs)1805-1850mhz(bs)870-880mhz (bs) 3g-fdd3g-tdd 1920-1980mhz (ms)1880-1920mhz 2110-2170mhz (bs)2010-2025mhz 由上表可以看出移动通信频段位于

5、由上表可以看出移动通信频段位于uhf频段范围内，是以频段范围内，是以 空间波的方式进行传输的。空间波的方式进行传输的。 无线传播基本原理无线传播基本原理频谱划分频谱划分 无线传播基本原理无线传播基本原理传播途径传播途径 在uhf频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播 模式是直射和散射，即视距直线传播以及从建筑物平 面反射或从人工、自然物体折射。 在典型的蜂窝移动通信环境中，移动台一般比基站天 线矮很多，接收机与发射机之间的直达路径往往被建 筑物或其他物体所阻碍。所以，在蜂窝基站与移动台 之间的通信不一定是通过直达路径，而是通过许多其 他路径完成的。 无线传播基本原理无线传播基本原理传播途径（

6、多径）传播途径（多径） 时间 接收信号 强度 发射信号 无线传播环境无线传播环境信号衰落信号衰落 快衰落： 大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现 象，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，这就是所谓的快衰落或多径衰 落，因为其电场强度概率函数是服从瑞利分布， 也称为瑞利衰落。 合成波的振幅和相位随移动台的运动起伏变化 很大 ，衰落的振幅、相位、角度随机。 无线传播环境无线传播环境信号衰落信号衰落 快衰落 无线传播环境无线传播环境信号衰落信号衰落 慢衰落： 移动台接收的信号除瞬时出现快速瑞利衰 落外，其场强中值随着地区位置改变出现较 慢的变化，这就是所谓的慢衰落或阴影衰落，

7、慢衰落的场强中值服从对数正态分布。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。 衰落深度与与位置/地点相关，衰落的速度取 决于移动台移动的速度。 无线传播环境无线传播环境信号衰落信号衰落 慢衰落 无线传播环境无线传播环境信号衰落信号衰落 距离距离(m) 接收功率接收功率(dbm) 102030 -20 -40 -60 慢衰落慢衰落 快衰落快衰落 总的来说，在蜂窝环境中有两种影响：第一种是多径，从建筑物表面 或其他物体反射、散射而产生的短期衰落；第二种是直接可见路径产生 的主要信号强度的缓慢变化，即长期场强变化。也就是说，信道工作于 符合瑞利分布的快衰落

8、并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落。 无线传播环境无线传播环境信号衰落信号衰落 抗快衰落主要措施分集 时间分集 空间分集 频率分集 极化分集 克服慢衰落的主要方法是加大发射功率， 提高接收灵敏度，宏观分集等。 无线传播环境无线传播环境传播损耗传播损耗 在研究传播时，特定接收机功率接收的信号电平是一个主 要特性。由于传播路径和地形干扰，传播信号减小，这种 信号减小称为传播损耗。 自由空间的传播损耗可以由下式表示： 其中f为频率(mhz)，d为距离(km)。上式与距离d，频率f 成反比，当距离或频率增加一倍时，自由空间的路径损耗 增加6db(信号场强衰减4倍）。 )log(20)log(20

9、4 .32 kmmhzp dfl 无线传播环境无线传播环境传播损耗传播损耗 当已知频率f还可以简化上式： 式中2。称为路径损耗倾斜因子。在实际的信号空间 传播中，地形、信号在不同介质上的绕射、反射、穿透都 会导致不同的传播损耗，不同环境下的取值范围： )log(10 0kmp dll 环境路径损耗倾斜因子 自由空间2 市区蜂窝环境2.73.5 市区阴影蜂窝环境35 室内视距1.61.8 室内非视距46 无线传播环境无线传播环境传播损耗传播损耗 25 db/dec 30 db/dec 20 db/dec 40 .50 db/dec path loss 电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播

10、 环境直接决定无线传播方式。影响无线电波传播方式 的主要因素有： 自然地形（高山、丘陵、平原、水域） 人工建筑的数量、分布、材料特性 植被特征 天气状况 无线传播环境无线传播环境传播损耗传播损耗 无线传播模型和校正无线传播模型和校正 随着网络规模的扩大，对通信质量要求的提高，网络规划、 覆盖预测已不可能靠手工运算来完成。通过计算机应用传播模 型就能够很好的解决这一问题。通过模型进行预测能够得到误 差在10db以内的路径损耗的本地均值。 移动通信中用到的传播模型有很多,常见的有： hata-okumura模型 walfisch-ikegami模型 planet通用模型 不同的模型有不同的特点，有

11、各自的适用范围。 无线传播模型和校正无线传播模型和校正 planet通用模型由下面的方程确定： l (db) = ptx - prx = - k1 - k2 d - k3 (heff) - k4 (diffraction)- k5 (heff) d - k6 (hmeff) - kclutter 式中, prx为接收功率（dbm）;ptx为发射功率（dbm）;k1为偏置常量 (db）; k2为距离衰减常数;k3为基站天线高度补偿修正系数;k4为多重绕射损 耗修正系数;k5为 (heff) d多重修正因子;k6为移动台天线有效高度增益修 整因子;d为基站到移动台之间的距离（m）; heff为基站

12、天线有效高度（m）; k4(diffraction)为有障碍物阻挡时的绕射路径损耗;kclutter为地貌衰减系数 （db）; hmeff为移动台天线有效高度. 无线传播模型和校正无线传播模型和校正 传播模型用于预测地形、障碍物及人为环境对传播模型用于预测地形、障碍物及人为环境对 无线电波传播中路径损耗的影响。无线电波传播中路径损耗的影响。 传播模型是移动通信网小区规划的基础。采用传播模型是移动通信网小区规划的基础。采用 模型的价值就是在保证精度的同时节省了人力、模型的价值就是在保证精度的同时节省了人力、 费用和时间。费用和时间。 2.2.移动通信基本原理移动通信基本原理 一、蜂窝理论 二、网

13、络结构 三、多址技术 四、概念辨析 蜂窝理论蜂窝理论 移动通信网是由大区制 演变成蜂窝结构的。在大 区制条件下，用户少，话 务量低，频率相对丰富。 大区制的网络由一个基站， 功放输出较大功率，覆盖 一定的区域。在此区域内， 使用信道组f1、f2、 f3.fn。 蜂窝理论蜂窝理论 随用户增多，话务 量增大，网络容量 的增加，原来信道 组（f1,f2.fn)不能 满足需要，采用的 办法是频率复用 蜂窝理论蜂窝理论 网络无线设计时，将基站发射功率降 低，每一个基站覆盖 范围缩小，原 先 由一个基站覆盖的区域，现在由多个基 站覆盖，整个网络图如同蜂窝一般。 蜂窝理论蜂窝理论 移动通信基本原理移动通信基

14、本原理 一、蜂窝理论 二、网络结构 三、多址技术 四、概念辨析 网络结构网络结构 ms bts bts bsc bss omc msc/vlr nmc eir hlr/auc dppspcssemc oss pstn isdn pdn nss 网络结构网络结构 网络结构网络结构 bts bsc msc/vlr bsc 其它其它msc bts bts bts a接口接口 abis接口接口 um接口接口 1:鉴权 2:确认 3:登记 4:业务权限 hlr/ac 网络结构网络结构3g3g 网络结构网络结构3g3g 功能上，3g网络单元可以分为无线接入网络（radio access network，r

15、an）和核心网（core network， cn）。 其中无线接入网络用于处理所有与无线有关的功 能，而cn处理umts系统内所有的语音呼叫和数据 连接与外部网络的交换和路由。上述的两个单元和用 户设备（user equipent，ue）一起构成了整个umts 系统。 网络结构网络结构3g3g 移动通信基本原理移动通信基本原理 一、蜂窝理论 二、网络结构 三、多址技术 四、概念辨析 移动通信系统的多址方式移动通信系统的多址方式 fdma tdma cdma sdma 移动通信系统必须尽可能有效利用分配的频率。 由于频率资源是有限的，将有限的资源为更多的移动 用户服务是移动通信技术不断更新发展的

16、主题。移动 通信系统正在采用或研制 fdma、tdma、cdma和 sdma多址方式。 fdma fdma信道每次只能传递一路电话，如果一个fdma信道被分配为话 音信道，但没有使用，并且处于空闲状态，它不能被其他用户使用。 在分配成语音信道后，基站和移动台就会同时地连续不断地发射 fdma通常是窄带系统，tacs为代表，每信道25khz带宽 fdma比tdma简单，同步和组帧比特少，系统开销小 fdma需要精确的rf滤波器，需要双工器（单天线） 非线性效应：许多信道共享一个天线，功率放大器的非线性会产生交 调频率（im），产生额外的rf辐射 时间 频率 fdma fdma：frequency

17、 division multiple access频分多址 tdma 多个用户共享一个载波频率，分享不同时隙 tdma系统的数据传递是不连续的，是分组发射，可以关闭不连续发 送，可以利用空闲时隙监听其他基站，实现切换处理 即使使用fdd方式也无需双工器 可以按照不同的用户提供不同的带宽 tdma的效率是指发射的数据中信息所占的百分比 质量控制通过频率规划来实现 频率 时间 tdma tdma：time division multiple access时分多址 cdma：code division multiple access 码分多址 频率 时间 码字 cdma 所有用户在同一时间、同一频段

18、上、根据编码获所有用户在同一时间、同一频段上、根据编码获 得业务信道得业务信道 sdma(space division multiple access)：空分多址：空分多址 sdma 即在相同时隙、相同频率 或相同地址码的情况下，可以根据 信号不同的中间传播路径而区分。 sdma是一种信道增容方式，例如 空分码分多址（sd-cdma）。 波束形成天线采用智能天线， 基站的智能天线形成多个波束覆盖 整个小区，智能天线可定位于每个 ms。 ms ms ms bts 移动通信基本原理移动通信基本原理 一、蜂窝理论 二、网络结构 三、多址技术 四、概念辨析 a)a)话务量概念话务量概念 话务量的严格定

19、义应该叫做话务强度，是电 话系统业务多少的度量，它与单位时间（一般取 忙时1小时）内的呼叫次数n及呼叫占用信道的平 均时间（t）成正比。 a=nt/3600 系统忙时话务量（a）表示系统的繁忙程度， 又称话务负荷，单位为爱尔兰erlang，用符号 erl表示。t以秒为单位。 话务量概念话务量概念 平均用户忙时话务量指一天中话务量最忙时间平 均每个用户的来话和去话话务量之和。在计算信道数 时采用忙时话务量可以保证除忙时以外的其它时间的 无线信道呼损率明显低于忙时的指标，这是为了保持 一定的服务质量等级所必须的。 话务量概念话务量概念爱尔兰爱尔兰b b表表 在话务理论中，爱尔兰b函数最符合多信道共

20、用电 话系统的实际情况，它有如下假设： 1、系统的信道数n为有限值，用户数mn。 2、单位时间内的呼叫次数与系统的用户数无关， 是一个独立常数。 3、用户发出呼叫后，没有空闲信道则放弃呼叫要 求。 4、通话时间长度的概率分布服从指数规律。 话务量概念话务量概念爱尔兰爱尔兰b b表表 对于这样的系统，n个信道中有k个信道同时 被占用的概率为 pk=(ak/k!)/(ai/i!) i从1到n 其中k=1,2,3,.,n。当n个信道都被占用时， 再呼叫就会呼损，所以n个信道同时被占用的 概率就等效为呼损率（gos:grade of service)，即 pn=(an/n!)/(ai/i!)=b i从

21、1到n 上式称为爱尔兰公式 话务量概念话务量概念爱尔兰爱尔兰b b表表 根据上式可以得到呼损率b、与话务量a及信道数n之 间的关系，得到爱尔兰b表。在爱尔兰b表中，当已知 话务量和呼损率时，可由该表查出需要的信道数；已 知信道数n和呼损率时，可由该表求得n个信道所负荷 的话务量。 话务量概念话务量概念爱尔兰爱尔兰b b表表 b) dbb) db概念介绍概念介绍 dbmdbm是一个考征功率绝对值的值，计算公式是一个考征功率绝对值的值，计算公式 为：为：10lgp10lgp（功率值（功率值/1mw/1mw）。）。 dbi dbi 和和dbddbd dbidbi和和dbddbd是考征增益的值（功率增益），是考征增益的值（功率增益）， 两者都是一个相对值，两者