第22-1讲天线原理

天线Antenna&Subsystems一、天线基本知识把从导线上传下来的电信号做为无线电波发射到空间…...收集无线电波并产生电信号1、电磁波是如何辐射的?

导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，但辐射的能力与导线的长度和形状有关。若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开电场就散播在周围空间，因而辐射增强。

当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流变换将大大增加，因而就能形成较强的辐射。同轴线变为天线示意图2、半波振子-----全向天线结构：两臂长度相等的振子叫做对称振子。每臂长度为四分之一波长。1/4波长1/4波长振子1/2波长波长一个1/2波长的半波振子

在 800MHz约300mm长半波振子上的场分布电流在中心最大电压在中心最小电场在中心最强磁场在中心最大3、电磁波的传播通过电场、磁场之间不断的能量转换，电磁波得以从半波振子向外传播，电场和磁场的方向与传播方向保持垂直。电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场二、天线的参数1、天线方向性方向性对于发射天线是指天线向一定方向辐射电磁波的能力。对于接收天线而言，方向性表示天线对不同方向传来的电波所具有的接收能力。天线的方向性的特性曲线通常用方向图来表示.用电磁场在固定距离上随角坐标分布的图形来表示方向图可用来说明天线在空间各个方向上所具有的发射或接收电磁波的能力。天线方向图一个单一的半波振子具有“面包圈”形的方向图顶视侧视水平面垂直面方向不同辐射的电磁场强度不同波束宽度增益与天线尺寸的关系天线的方向图面包圈4个对称振子扁平的面包圈天线的方向性实测的三维图前后波瓣方向图比较理想孤立波源理论半波振子定向天线波瓣天线的波瓣与参数主瓣旁瓣后瓣参数：零功率波瓣宽度半功率点波瓣宽度旁瓣电平前后功率比3dB波束宽度天线增益增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与理想的辐射单元在空间同一点处所产生的场强的平方之比，即功率之比。增益一般与天线方向图有关，方向图主瓣越窄，后瓣、旁瓣越小，增益越高。在阵中有4个对称振子

天线增益天线辐射参数增益天线提高增益形成的主要途径。

一是采用多个半波振子排成一个垂直放置的直线阵，半波振子越多，增益越大，能量也越集中于水平方向上。另一个是利用反射板把辐射控制到单侧方向，将平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。天馈线的匹配天线增益计算由四个半波振子组成的垂直直线阵的增益约为8dB,一侧加有反射板的四元式直线阵，其增益为（14～17）dB，即常规板状天线，也就是所说的低增益天线。一侧加有反射板的八元式直线阵，其增益约为（16～19）dB，即加长型板状天线，即所说的高增益天线。3、天线的极化指在天线的最大辐射方向上的电场矢量的空间指向。——极化方向若在任何时间都保持不变——直线极化若电场矢量方向与地面平行——水平极化波若电场矢量方向与地面垂直——垂直极化波4、天线的其它技术指标电压驻波比：由于天线输入阻抗和特性阻抗的不一致，反射波和入射波在馈线上叠加形成驻波。相邻电压最大值和最小值之比称为电压驻波比。电压驻波比过大，将缩短通信距离，并且反射功率返回发射机功放部分，容易烧坏功放管。要求电压驻波比<1.5:1一般为1.2:1回波损耗:天线接头处的反射功率与入射功率的比值.——天线的匹配前后比：后瓣电平与最大波束电平之差。

——后向干扰>40dB旁瓣抑制:旁瓣电平与最大波束电平之差.。

——同频干扰>18dB天线尺寸和重量风载荷工作温度和湿度雷电防护等三、无线覆盖的主要技术1、天线俯仰角:S’’40mS’S18o一般来讲，当天线垂直安装时，其最大增益方向朝着地平线。

由于基站天线均架设于高塔上，这样为保证处于地面上的接收者有足够的功率覆盖，天线就必须倾斜，具体倾斜角度由塔高和用户与基站的距离d来决定两种天线倾斜方法:机械俯仰角电调俯仰角机械俯仰角与电调俯仰角用机械方式使天线下倾是改变天线垂直方向辐射特性最简单的方法，也是目前通用的方法。电调俯仰角：通过改变馈入各振子的信号相位，可以改变天线主瓣的下倾角度。电调俯仰角的优点就是天线在各方位角度的方向图下倾都是一致的，这样水平平面上波瓣的半功率角将保持恒定。但电调俯仰角天线的造价比较昂贵，目前尚未广泛应用。电下倾的产生无下倾时在馈电网络中路径长度相等有下倾时在馈电网络中路径长度不相等对天线俯仰角的优化对天线俯仰角，在优化时通常将天线垂直平面方向图中上3dB半功率点指向小区边界，而不是将最大辐射方向对准小区边界，这样做的目的是为进一步增强本小区覆盖场强。60°(eg)

-3dB点峰值

-3dB点天线俯仰角的计算公式为：

θ＝arctg（H／R）十Am其中H为天线高度，R为小区半径，Am是修正值，常取天线垂直平面的半功率角α/2。θHRθ水平方向图的波束宽度与覆盖区域面积有关垂直方向图的波束宽度决定区域内功率的分布2、波束宽度与覆盖区域的关系机械下倾情况下的波束覆盖无下倾机械下倾3、室内覆盖系统微蜂窝基站+有线接入室内覆盖系统采用直放站四、不同环境的基站天线选择原则城区环境：半功率宽度为65°以减小相邻扇区的重叠区采用中等增益天线无线网络规划中，天线的选择是一个很重要的部分，应根据网络的覆盖要求、话务量、干扰、和网络的服务质量等实际情况来选择天线。郊区环境：半功率宽度为90°，一般不采用全向站型一般下倾角也较小。农村基站：若无明显的方向性，话务分布比较分散——全向天线若覆盖距离较远，则采用三个65°天线。防灯下黑问题：选用零点填充功能的天线或下倾的方法来解决。公路覆盖：采用窄波束的定向天线。五、天线共用器用途:使多部发射机(或多部接收机)共用一付发射天线(或接收天线)的装置。分发射天线共用器和接收天线共用器发射天线共用器的要求是：将两部以上的发射机的输出功率送到一付共同的天线上去为发射机之间提供良好的隔离。能滤去不必要的互调产物或可能的干扰。发射天线共用器常用类型空腔铁氧体天线共用器：隔离损耗高，插入损耗低，合并信道间隔可以相当近。但不能将相邻的信道合并。3dB耦合器加铁氧体隔离器：可用于相邻信道的功率合并，但插入损耗大，每合并一次损耗3dB。接收天线共用器组成：预选器、放大器及功率分配器基站收发天线共用问题当基站的信道数不多时，也可以收发共用一个天线，这就要求在发射天线共用器和接收天线共用器与天线之间接一个相应的滤波器（称为双工器），使发射机的功率不进入接收机。课后检查半波振子天线基本结构是怎样的？天线主要有哪些参数？提高方向性和天线增益的方法有哪些？天线的俯仰角如何计算？城市基站的天线选择原则是什么？两类发射天线共用器有什么不同？移动通信的多址技术学习目标熟悉四种多址技术的基本原理多址技术在一个无线小区内区分同时通话用户的技术——多址技术分类：FDMA、TDMA、CDMA以及它们的混合方式、SDMAFDMA特点:每信道占用一个载频,频率利用率低移动台设备较简单基站设备复杂庞大越区切换困难是模拟移动通信系统的唯一选择FDMA系统频谱分割示意图TDMATDMA的帧结构TDMA的特点需要同步技术做保证必须采用自适应均衡技术用户端收发切换简单无需双工器基站复杂性小抗干扰能力强,频率利用率高,系统容量大越区切换简单SDMA采用自适应阵列天线CDMA---基本原理原理波形示意图地址码信息码接收端R点的输入检测器输出扩频通信技术原理著名的香农公式：C=Wlog(1+S/N)扩频通信频谱变换图CDMA主要特抗干扰能力强隐蔽性好抗衰落、抗多径干扰通信容量大系统具有软容量可进行软切换CDMA系统的基本组成主要波形和相位课后检查TDMA的基本帧结构是怎样的？扩频通信的特点有哪些？CDMA系统的基本组成是怎样的？SDMA是依靠什么来区分不同用户的信号的？GSM信道的配置学习目标掌握GSM的工作频率的划分方法属性GSM的TDMA信道的帧结构了解GSM突发脉冲的结构形式掌握GSM各种逻辑信道的用途1、物理信道GSM系统采用的是FDMA和TDMA混合多址接入技术。FDMA：900MHz频段1800频段上行：890~9151710~1785下行：935~9601805~1880其中分配给中国移动的频段为：900MHz：886~909931~9541800MHz：1710~17201805~1815上下载频的间隔为45MHz和95MHz各载频之间的间隔为200KHz相当于分别为124个和374个载频频道序号与频道标称中心频率的关系：f(n)=890.200+(n-1)*0.200(MHz)F(n)=f(n)+45(MHz)n=1~124f(n)=1710.200+(n-512)*0.200(MHz)F(n)=f(n)+95(MHz)n=512~885频率复用方式建网初期采用4*3的复用方式，即每4个相邻小区组成一个区群，采用顶点激励方式，每基站用3个120º方向性天线构成3个扇区。业务量大的地区可采用3*3、2*6、1*3复用方式若采用全向天线可采用N=7的复用方式相邻频率组尽量不在相邻小区使用频率配置采用等间隔频道配置法。从TDMA来看每个载频按时间段划为TDMA帧，每帧再细划为8个时隙。一个时隙就称为一个物理信道。即GSM的一个载波上可提供8个物理信道。GSM的时隙结构GSM的时隙结构有五个层次，即时隙、TDMA帧、复帧、超帧、超高帧。

一个超高帧=2048个超帧，超帧=51个由26帧的复帧26个由51帧的复帧复帧=26个TDMA帧51个TDMA帧TCH、SACCH、FACCHBCCH、CCCH在GSM系统中，超高帧的周期是与加密和跳频有关的。每经过一个超高帧的周期，循环长度为2715648个TDMA帧，相当于3小时，28分，53秒，760毫秒，系统将重新启动密码和跳频算法。GSM中的突发脉冲格式GSM系统在物理信道上传输的信息是以突发脉冲串的格式来组织的，不同的信息其格式不同。传输速率:270.833Kbit/s各部分的作用加密比特:加密的语音、数据或控制信息训练比特：是一串已知比特，供自适应均衡器调整使用尾比特TB：是突发脉冲开始与结尾的标志保护时间GP：防止由于定时误差而造成的突发脉冲间的重叠。频率校正突发脉冲：携带频率校正信息同步突发脉冲：携带同步信息（帧号、基站识别码等）2、逻辑信道物理信道所传送的内容就是逻辑信道。逻辑信道是指依据移动网通信的需要，为传送各种控制信令和语音或数据业务在TDMA的8个时隙所分配的控制逻辑信道或语音、数据逻辑信道。GSM所定义的各种逻辑信道各种信道的用途公共信道。1、广播信道（BCH）：是从基站到移动台的单向信道。频率校正信道（FCCH）。用于给用户传送校正移动台频率的信息。同步信道（SYCH）。用于传送帧同步（TDMA帧号）信息和BTS识别码（BSIC）信息给移动台。广播控制信道（BCCH）。用于向每个MS广播通用的信息。例如在该信道上广播本小区和相邻小区的信息以及同步信息（频率和时间信息）。移动台则周期地监听BCCH，以获取BCCH上的信息。2、公共控制信道。（CCCH）是基站与移动台间的一点对多点的双向信道。寻呼信道（PCH）。用于广播基站寻呼移动台的寻呼消息，是下行信道。随机接入信道（RACH）。移动台随机接入网络时用此信道向基站发送信息。发送的信息包括：对基站寻呼消息的应答：移动台始呼时的接入。并且移动台在此信道还向基站申请指配一独立专用控制信道（SDCCH）。是上行信道。接入允许信道（AGCH）。AGCH用于基站向随机接入成功的移动台发送指配了的SDCCH。是下行信道。专用信道。1、专用控制信道。（DCCH）是基站与移动台间的点对点的双向信道。独立专用控制信道（SDCCH）。用于传送基站和移动台间的指令与信道指配信息，如鉴权、登记信令消息等。此信道在呼叫建立期间支持双向数据传输，以及短消息业务信息的传送。随路信道（ACCH）。该信道与SDCCH或者业务信道公用在一个物理信道上传送信令消息。ACCH分为两种信道：①慢速随路信道（SACCH）。基站一方面用此信道向移动台传送功率控制信息和帧调整信息；另一方面，基站用此信道接收移动台发来的信号强度报告和链路质量报告。②快速随路信道（FACCH）。主要用于传送基站与移动台间的越区切换的信令消息。2、业务信道（TCH）是用于传送用户的语音和数据业务的信道。根据交换方式的不同，业务信道可分为电路交换信道和数据交换信道：依据传输速率的不同，可分为全速率信道和半速率信道。GSM系统全速率信道的速率为13kbps，半速率信道的速率为6．5kbps。另外，增强型全速率信道是指其速率与全速率信道的速率一样为13kbps，只是其压缩编码方案比全速率信道的压缩编码方案优越，所以它有较好的语音质量。移动用户的接续过程简述1、移动用户开机移动台搜索最强的BCCH载频，与基站载频同步读取同步信道信息，找出基站识别码，并同步到超高帧的TDMA帧号上。处理呼叫前要读取的信息，如邻近小区的情况，移动系统的国家号码和网络号码等移动用户进行登记移动台在随机接入信道上发出接入请求基站通过允许接入信道分配给用户一个独立专用控制信道。移动台在独立专用控制信道上完成登记。移动台返回空闲状态，并监听广播控制信道和公共控制信道。移动用户被呼基站通过寻呼信道呼叫移动用户，移动用户在随机接入信道上发寻呼应答。基站通过允许接入信道为移动台分配一个独立专用控制信道在独立专用控制信道上基站与移动台交换必要的信息（鉴权、加密模式、建立信息等）最后为移动台分配一个业务信道，在业务信道上进行通话。移动用户主呼移动台在随机接入信道上发送呼叫信号，基站通过允许接入信道为移动台分配一个独立专用控制信道在独立专用控制信道建立交换必要的信息通信链路建立后为用户分配一个业务信道在业务信道上开始通话。课后检查从FDMA和TDMA的角度上分别说明GSM的物理信道是如何组成的？请说明下列信道的作用：业务信道、广播控制信道、公共控制信道、独立专用控制信道。请简要说明移动用户主呼的过程。GSM系统采用的有关技术学习目标了解GSM的语音处理过程熟悉交织与跳频的概念与作用了解码变换速率适配单元的功能熟悉GSM的各种通信安全措施GSM传输过程的分层结构声电处理电声处理模数处理数模处理13kbit/s传输13kbit/s传输64kbit/s传输64kbit/s传输发话受话GSM中语音处理的一般过程语音编码信道编码交织形成Burst加密调制话音输入13kbit/s22.8kbit/s270.833kbit/s信道解码语音解码反交织分解Burst解密解调话音输出数据适配器数据输入数据适配器数据输出话音编码固定网采用的编码技术是PAM:抽样、量化、编码属于波形编码话音质量好、编码器简单码速高——64Kit/s/路_____最小带宽要64KHz声码器：用滤波器和激励脉冲，模仿人类发音器官（喉、嘴、舌）、声带的振动编码速率低（5Kbit/s）话音失真性大GSM编码器声码器和波形编码器混合线性预测—长期预测—规则脉冲激励编码器（LPC—LTP—RPE编码器）每话音信道编码速率为13Kbit/s编码器方框图分段:将话音信号分成20ms的段-LTP将前后两段比较-----差值进行波形编码每20ms输出260比特交织技术将由传输衰落产生的成串差错,转为单个差错的技术措施。一般原理：跳频技术目的：确保通信的保密性和抗干扰性。分为基带跳频和射频跳频两种基带跳频：话音信号随时间使用不同频率的发射机发射。（常用）射频跳频：话音信号用固定的发射机发射，但载频由跳频序列控制而变化。（技术不成熟）基带跳频实施框图话音激活与功率控制目的：有效的减少同信道干扰话音激活原理：采用非连续发射技术发射机舒适噪音发生器：产生背景噪音相似的信号参数。接收机舒适噪音发生器：恢复背景噪音语音帧代换器：用未受干扰的语音帧代替受到干扰的语音帧。功率自适应控制在保证通信质量的条件下，使发射机的输出功率为最小。支持基站与移动台各自独立地进行发射功率控制。实际中主要是基站对移动台的功率控制。方法：移动台测量信号强度和信号质量，并定期向基站报告，基站按预先设计的门限参数与之比较，然后确定功率的增减量。码变换速率适配单元(TRAU)

功能:实现13kbit/s的GSM编码与公用电话网中的PCM64kbit/s话音信号的相互转换。变换过程：13kbit/s+同步码等变为16kbit/s4个16kbit/s时分复用为一个64kbit/sTRAU设备一般在BSC或MSC侧。保密措施GSM系统在安全性方面的措施：接入网络采用对客户鉴权无线路径采用信息加密移动设备采用设备识别客户识别码采用临时识别码SIM卡用PIN码保护三参数组当客户注册登记时，就被分配一个电话号码和客户识别码（IMSI）。IMSI通过SIM写卡机写入客户的SIM卡中，同时在写卡机中产生一个对应此IMSI的唯一的客户鉴权键Ki，IMSI和Ki分别被存储在客户SIM卡和AUC（鉴权中心）。AUC中有一个伪随机码发生器，用于产生一个不可预测的伪随机数（RAND）。在AUC中RAND和Ki经加密算法产生一个密钥（Kc），经鉴权算法产生一个响应数（SRES）将Kc、SRES、RAND称为三参数组。AUC将三参数组传送给HLR备用鉴权过程鉴权的目的：防止非法盗用网络当移动客户开机请求接入网络时，MSC/VLR通过控制信道将RAND传送给客户，SIM卡通过同样的鉴权计算方法得出响应数SRES，传送给MSC/VLR。MSV/VLR进行响应数的比较。比较结果相同则允许接入，否则拒绝。每次登记、呼叫建立、位置更新以及补充业务的激活、去活、登记或删除之前均需要鉴权。加密加密仅对无线路径进行根据MSC/VLR发送的加密命令，BTS侧和MS均开始使用Kc。在MS侧，由Kc、TDMA帧号和加密命令一起经A5算法得出的加密码对信息进行扰码。在BTS侧采用相同的方法来进行解扰。所有的语音数据和客户的参数均需进行加密。设备识别、临时识别码、PIN码由设备识别寄存器EIR来完成，对移动台设备的设备识别码来分三类进行管理。临时识别码对客户识别码进行保护：由MSC/VLR控制写入SIM卡中PIN码：SIM卡的客户密码。课后检查GSM为什么采用交织与跳频技术？TRAU的功能是什么？如何进行变化的？GSM系统的通信安全采取了哪些措施？关于GPRSGPRS——通用分组无线业务GPRS网络是在GSM网络基础之上，新增两个节点一SGSN和GGSN而形成的移动分组数据网络。SGSN：服务支持节点(业务支持节点)GGSN：GPRS网关(路由器)GPRS的基本功能是在移动终端与计算机通信网络的路由器之间提供分组传递业务。GPRS网络分成两个部分：无线接入和核心网络。无线接入部分在移动台与基站子系统（BSS）之间传递数据；核心网络在BSS和标准数据通信网络边缘路由器之间中继传递数据。GPRS网络单元业务支持节点SGSN：主要功能是对移动台进行鉴权和移动性管理，进行路由选择，建立移动台到GGSN的传输通道，接收基站子系统透明传来的移动台数据，进行协议转换后通过GPRS骨干网传送给GGSN或反向工作，并进行计费和业务统计。（相当于传统GSM中的