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1、第 7章 移 動 通 信 無 線 傳 輸 內(nèi)容提要 2 移動通信概述移動通信的信道特征移動信道的噪聲與干擾移動信道的傳播模型蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 7.1 移動通信概述 移動通信技術(shù)可以說從無線電通信發(fā)明之日就產(chǎn)生了。而現(xiàn)代移動通信技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)20年代，歷經(jīng)了模擬移動通信（1G）和數(shù)字移動通信（2G、3G、4G），目前5G正在研發(fā)階段。 移動通信是指通信雙方至少有一方處于運(yùn)動狀態(tài)中，并且其中的一部分傳輸介質(zhì)是無線的通信方式，來進(jìn)行信息的傳遞和交換。 按照移動體所處的位置不同，移動通信可分為陸地移動通信系統(tǒng)、海上移動通信系統(tǒng)和衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。 7.1.1 移動通信的發(fā)展 1G移動通信系統(tǒng)：從二十

2、世紀(jì)七十年代中期至八十年代中期，稱為1G（第一代移動通訊技術(shù)），主要采用的是模擬技術(shù)和頻分多址(FDMA)技術(shù)。 2G移動通信系統(tǒng)：2G時代從二十世紀(jì)八十年代中期開始， 主要采用的是數(shù)碼的時分多址(TDMA)技術(shù)和碼分多址(CDMA)技術(shù)，以GSM和IS-95為代表。 3G移動通信系統(tǒng):3G是英3rd Generation的縮寫，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谌苿油ㄐ偶夹g(shù)，第三代移動通信有更寬的帶寬，其傳輸速度最低為384K，最高為2000kbps ，帶寬可達(dá)5MHz以上。目 前3G存在四種標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX。 4G移動通信系統(tǒng)：4G是第四代移動通信

3、及其技術(shù)的簡稱，該技術(shù)包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，是集3G與WLAN于一體，不僅音質(zhì)清晰，并能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量、音頻、視頻和圖像等，支持交互式多媒體業(yè)務(wù)，如視頻會議、無線因特網(wǎng)等，提供更廣泛的服務(wù)和應(yīng)用。 5G移動通信系統(tǒng):國際電信聯(lián)盟（ITU）從2012年開始組織全球業(yè)界開展5G標(biāo)準(zhǔn)化前期研究，持續(xù)推動全球5G共識形成。2017年底啟動5G候選提案征集，2018年底啟動5G技術(shù)評估和標(biāo)準(zhǔn)化，并于2020年底完成標(biāo)準(zhǔn)制定。 7.1.2 移動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 用戶終端通過基站經(jīng)傳輸鏈路與核心網(wǎng)相連，這樣就可以形成移動臺 基站 核心網(wǎng) 固定用戶或移動臺 基站 核心網(wǎng) 移動用戶等不同

4、情況的通信鏈路,如圖7-1所示。 圖7 -1 移動通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡圖 7.1.3 移動通信的特點(diǎn)信道特性差：移動通信中的用戶可以在一定范圍內(nèi)自由活動，無線電波的傳播特性一般要受到諸多因素的影響使電波會隨著傳輸距離的增加而出現(xiàn)衰減，這些衰減和影響還是不斷變化的，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。傳播環(huán)境干擾嚴(yán)重：由于移動通信開放式的傳輸環(huán)境，系統(tǒng)運(yùn)行在復(fù)雜的干擾環(huán)境中，如外部噪聲干擾、系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)間干擾。如何減少這些噪聲和干擾的影響，也是移動通信系統(tǒng)要解決的重要問題。 移動通信的頻譜資源非常有限：由于移動通信可利用的頻率資源有限，如何提高移動通信系統(tǒng)的通信容量，始終是移動通信發(fā)展中的焦點(diǎn)。為了解決這一矛盾，一

5、方面要開辟和啟用新的頻段；另一方面，要研究各種新技術(shù)和新措施，以壓縮信號所占的頻帶寬度和提高頻率利用率。通信系統(tǒng)復(fù)雜：由于移動臺處于移動狀態(tài)，是一個復(fù)雜的系統(tǒng)。對移動終端的要求高：移動通信終端長期處于位置不固定的移動狀態(tài)，外界的影響時刻存在，這就要求移動終端要有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。 內(nèi)容提要 9 移動通信概述移動通信的信道特征移動信道的噪聲與干擾移動信道的傳播模型蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 信道是信號的傳輸介質(zhì)，可分為有線信道和無線信道兩類。有線信道包括明線、對稱電纜、同軸電纜及光纜。無線信道有地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星以及各種散射信道等。移動通信采用無線通信方式。因此系統(tǒng)性能主要

6、受無線信道的制約。 無線信號傳播的開放性，接收點(diǎn)地理環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，以及移動用戶的隨機(jī)移動性是移動無線信道的固有特征。7.2 移動通信的信道特征 7.2.1 表征衰落特性的常用數(shù)字特征場強(qiáng)中值：在移動通信中，接收信號的強(qiáng)弱值稱為場強(qiáng)，為了表征電波傳播的特性，則在T時間內(nèi)超過 的概率為 ，在上式統(tǒng)計(jì)時間T內(nèi)，當(dāng)超過值的百分比為50%時，即稱為場強(qiáng)中值。衰落深度：這是電波衰落程度的一種量度，用電平表示為：衰落深度/ ， 為接收電平值， 為場強(qiáng)中值。一般在移動通信系統(tǒng)中，衰落深度可達(dá)20 30分貝。0E 1% 100%n ii tP T 020lg iEdB E iE 0E 衰落速率：衰落速率

7、描述接收信號場強(qiáng)變化快慢，即衰落的頻繁程度。移動臺移動速度越快，衰落越快，其平均衰落率表示為： （Hz） 式中，N為衰落率； 為移動臺移動速度，單位為km/h； 為波長，應(yīng)與同單位（km）;f為頻率，一般以MHz為單位。 衰落持續(xù)時間：衰落持續(xù)時間是指場強(qiáng)低于某一給定電平值的持續(xù)時間。在移動通信中，常會出現(xiàn)移動臺收不到基站信號或信號中斷的情況。這種情況是由于接收到的信號電平值低于接收機(jī)門限電平所致。31.85 102N f 7.2.2 移動通信中無線電波傳播的特性1.無線電波傳播特性直線傳播反射與折射繞射干涉2.無線電波傳播特性傳播的開放性接收點(diǎn)地理環(huán)境的復(fù)雜性與多樣性 通信用戶的隨機(jī)移動性

8、7.2.3 移動信號傳播的四種效應(yīng)陰影效應(yīng)：隨移動臺位置的不斷變化而引起的接收點(diǎn)場強(qiáng)平均值的起伏變化叫做陰影效應(yīng)。遠(yuǎn)近效應(yīng)：由于各移動臺與基站之間的距離遠(yuǎn)近不同導(dǎo)致在基站接收端，信號以強(qiáng)壓弱，使離基站較遠(yuǎn)的移動臺產(chǎn)生通信中斷的現(xiàn)象稱為遠(yuǎn)近效應(yīng)。多徑效應(yīng)：在移動傳播環(huán)境中，到達(dá)移動臺天線的信號不是單一路徑來的，這種干擾或衰落是由于多徑現(xiàn)象所引起的，故稱這類干擾或衰落為多徑效應(yīng)。多普勒效應(yīng)：由于移動臺的高速運(yùn)動而產(chǎn)生的傳播信號頻率的 擴(kuò)散，稱為多普勒效應(yīng)。 7.2.4 移動信號傳播的3類衰落損耗 在移動信道電波傳播的特點(diǎn)、電波的傳播形式及信號的四種效應(yīng)下，信號從發(fā)射端經(jīng)過無線信道到達(dá)接收端，功率會

9、發(fā)生衰減，主要表現(xiàn)為以下3類衰落損耗:路徑傳播損耗、大尺度衰落、小尺度衰落。路徑傳播損耗：路徑傳播損耗，是指電波在空間傳播所產(chǎn)生的損耗，即在發(fā)射端和接收端之間由傳播環(huán)境引入的損耗的量。 大尺度衰落損耗：大尺度衰落損耗又稱慢衰落，主要是指信號由于陰影效應(yīng)而產(chǎn)生的損耗或由于大氣參數(shù)變化引起折射率的緩慢變化還形成另一種慢衰落。小尺度衰落損耗：它反映了在微觀范圍(數(shù)十波長以下量級)內(nèi)接收信號電平的平均值隨機(jī)起伏變化的趨勢，又稱快衰落。主要是由于多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)而引起的損耗。 7.2.5 移動信道參數(shù)1.空間選擇性角度擴(kuò)展：角度擴(kuò)展的倒數(shù)就是相關(guān)距離，描述空域的相關(guān)性?？臻g選擇性衰落用相關(guān)距離表示相

10、關(guān)距離：相關(guān)距離為兩根天線上的信道響應(yīng)應(yīng)保持強(qiáng)相關(guān)時的最大空間距離。 2.頻率選擇性時延展寬：移動信道的多徑環(huán)境引起的信號多徑衰落從時域角度方面進(jìn)行描述。頻率選擇性衰落用相干帶寬描述， 其中，Tm為最大時延擴(kuò)展。R 1c mB T 相關(guān)帶寬：相關(guān)帶寬為信道在兩個頻移處的頻率響應(yīng)保持強(qiáng)相關(guān)時的最大頻率差。相干帶寬越小，時延擴(kuò)展越大；反之相干帶寬越大，時延擴(kuò)展越小。3.時間選擇性衰落 時間選擇性衰落是指不同的時間衰落特性不同。頻率擴(kuò)散：用戶的快速移動，在頻域上產(chǎn)生多普勒效應(yīng)而引起頻率擴(kuò)散，頻率擴(kuò)散引起時間選擇性衰落。時間選擇性衰落用相關(guān)時間 描述， 其中B為最大多普勒擴(kuò)展。相關(guān)時間：相關(guān)時間為兩個

11、瞬時時間的信道沖擊響應(yīng)保持強(qiáng)相關(guān)時的最大時間間隔，T 1T B 內(nèi)容提要 19 移動通信概述移動通信的信道特征移動信道的噪聲與干擾移動信道的傳播模型蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 無線信道對信號傳輸?shù)南拗瞥藫p耗和衰減外，另一個重要的限制因素是噪聲和干擾，當(dāng)噪聲和干擾嚴(yán)重時，會使有用信號出現(xiàn)損傷，甚至無法恢復(fù)，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。 在通信系統(tǒng)中，任何不需要的隨機(jī)自發(fā)脈沖信號都稱為噪聲，噪聲可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。無線電臺（如基站與移動臺接收機(jī)）之間的相互干擾則統(tǒng)稱為干擾。干擾主要有鄰道干擾、同頻道干擾、互調(diào)干擾等。7.3 移動信道的噪聲與干擾 7.3.1 移動信道的噪聲噪聲的分類與特性： 移動通信中，根據(jù)噪聲來

12、源的不同，可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲：內(nèi)部噪聲是指系統(tǒng)設(shè)備（如電臺）本身電氣元件產(chǎn)生的各種噪聲。它們的瞬時特征服從高斯分布，又稱為高斯噪聲。外部噪聲：自然噪聲和人為噪聲統(tǒng)稱為外部噪聲。 7.3.2 移動信道的干擾 在移動通信系統(tǒng)中，基站或移動臺的接收機(jī)必須能在其它通信系統(tǒng)產(chǎn)生的眾多較強(qiáng)的干擾信號中檢測出有用信號。在蜂窩移動通信網(wǎng)中，存在鄰道干擾、同道干擾、互調(diào)干擾等問題，這些都是在組網(wǎng)過程中產(chǎn)生的干擾。鄰道干擾：鄰頻道干擾是指相鄰的或鄰近的信道之間的相互干擾。同頻道干擾：同頻道干擾是指所有落到接收機(jī)通帶內(nèi)的，與有用信號頻率相同或相近的無用信號的干擾?；フ{(diào)干擾：互調(diào)干擾是由傳輸信道中的非

13、線性電路產(chǎn)生的。 內(nèi)容提要 23 移動通信概述移動通信的信道特征移動信道的噪聲與干擾移動信道的傳播模型蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 傳播模型是非常重要的。傳播模型是移動通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)。在規(guī)劃某-區(qū)域的蜂窩系統(tǒng)之前,選擇信號覆蓋區(qū)的蜂窩站址使其互不干擾，是一個重要的任務(wù)。所以傳播環(huán)境對無線傳播模型的建立起關(guān)鍵作用。 無線傳播模型-般分為：室外傳播模型和室內(nèi)傳播模型。7.4 移動信道的傳播模型 7.4.1 室外傳播模型 室外傳播模型分為兩類：宏蜂窩模型和微蜂窩模型。 宏蜂窩模型 一般是指適用于覆蓋半徑1km以外的傳播模型，常用的宏蜂窩模型包括：Okumura-Hata模型、Walfisch-Ikegami模

14、型； 微蜂窩模型一般是指適用于覆蓋半徑1km以內(nèi)的傳播模型，常用的微蜂窩模型包括LEE微蜂窩模型、標(biāo)準(zhǔn)微蜂窩模型。 7.4.2 室內(nèi)無線傳播模型 室內(nèi)傳播模型是指無線電波通過介質(zhì)在室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行傳播采用的一種模型。一般說來，室內(nèi)信道分為視距(LOS)和阻擋(OBS)兩種，并且隨著環(huán)境雜亂程度而不斷變化。 常用的室內(nèi)傳播模型有: 分隔損耗（同樓層）模型、樓層間分隔損耗模型、對數(shù)距離路徑損耗模型、Ericsson多重?cái)帱c(diǎn)模型、衰減因子模型。 內(nèi)容提要 27 移動通信概述移動通信的信道特征移動信道的噪聲與干擾移動信道的傳播模型蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 7.5.1 移動通信網(wǎng)的體制 一般來說，移動通信網(wǎng)的服務(wù)區(qū)

15、覆蓋方式可分為兩類：一是小容量的大區(qū)制；二是大容量的小區(qū)制。大區(qū)制：大區(qū)制是移動通信網(wǎng)的區(qū)域覆蓋方式之一，一般在較大的服務(wù)區(qū)內(nèi)設(shè)一個基站，負(fù)責(zé)移動通信的聯(lián)絡(luò)與控制。其覆蓋范圍半徑為30km50km，天線高度約為幾十米至百余米。小區(qū)制：小區(qū)制將所要覆蓋移動通信網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)劃分為若干小區(qū)，每個小區(qū)的半徑可視用戶的分布密度在110公里左右，在每個小區(qū)設(shè)立一個基站為本小區(qū)范圍內(nèi)的用戶服務(wù)。7.5 蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 7.5.2 組網(wǎng)方式 為了使得服務(wù)區(qū)達(dá)到無縫覆蓋，提高系統(tǒng)的容量，就需要采用多個基站來覆蓋給定的服務(wù)區(qū)。每個基站的覆蓋區(qū)域稱為一個小區(qū)。小區(qū)的形狀：正六邊形小區(qū)的形狀最接近理想的圓形用它覆蓋整個服

16、務(wù)區(qū)所需的基站數(shù)最少，也就最經(jīng)濟(jì)。將小區(qū)形狀為正六邊形的小區(qū)制移動通信網(wǎng)稱為蜂窩網(wǎng)。區(qū)群中的小區(qū)數(shù)目：區(qū)群的組成滿足兩個條件：一是區(qū)群之間可以鄰接，且無空隙無重疊地進(jìn)行覆蓋；二是鄰接之后的區(qū)群應(yīng)保證各個相鄰?fù)诺佬^(qū)之間的距離相等。 同頻（信道）小區(qū)的距離：在不同小區(qū)組（區(qū)群）之間可以重復(fù)使用同一頻率模式，稱為頻率重用。在頻率重用時，為了避免產(chǎn)生同頻道干擾，應(yīng)使同頻信道小區(qū)中心間的距離足夠大。設(shè)小區(qū)的輻射半徑（即六邊形外接圓的半徑），可以計(jì)算出同頻信道小區(qū)中心間的距離D為 小區(qū)數(shù)N越大，同頻小區(qū)的距離越遠(yuǎn)，抗同頻干擾性能越好。中心激勵與頂點(diǎn)激勵：在每個小區(qū)中基站設(shè)在小區(qū)的中心，并采用全向天線對

17、小區(qū)進(jìn)行覆蓋，通常稱為中心激勵。也可將基站設(shè)在每個正六邊形小區(qū)相隔開的三個頂點(diǎn)上，并采用 三副扇形定向天線來覆蓋整個小區(qū)，這就是頂點(diǎn)激勵。 22 2 233 3 32 2aaD R b a ab b R N R 小區(qū)的分裂：小區(qū)一般分為巨區(qū)、宏區(qū)、微區(qū)、微微區(qū)幾類。 當(dāng)一個特定的小區(qū)的用戶容量和話務(wù)量增加時，為了提高系統(tǒng)容量，小區(qū)可以被分裂成更小的小區(qū)，通過增加小區(qū)數(shù)（基站數(shù)）來增加信道的重用數(shù)，這種技術(shù)稱為小區(qū)分裂。扇區(qū)劃分：移動通信系統(tǒng)中的同頻干擾可以采用定向天線來減少。每個定向天線輻射覆蓋的某個特定的區(qū)域稱為扇區(qū)，扇區(qū)的劃分與系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)量相匹配，業(yè)務(wù)量高的地區(qū)， 扇區(qū)劃分得密集一些，

18、可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量。 7.5.3 移動通信系統(tǒng)的容量 移動通信系統(tǒng)的頻譜資源非常有限，如何實(shí)現(xiàn)頻譜利用率最大化，即實(shí)現(xiàn)蜂窩系統(tǒng)的容量最大，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個重要方面。容量度量方法：蜂窩系統(tǒng)的通信容量一般用每個小區(qū)的可用信道數(shù)進(jìn)行度量，也可用每小區(qū)的愛爾蘭數(shù)度量，二者之間可以轉(zhuǎn)化。提高容量的方法：信道分配技術(shù)；功率控制技術(shù)；自適應(yīng)天線技術(shù)；小區(qū)分裂；小區(qū)扇區(qū)化（裂向）。 6.6 習(xí) 題1.什么是移動通信?它有哪些特點(diǎn)？2.移動通信使用哪些頻段？3.闡述移動通信中無線電波傳播的特性。4.闡述陰影效應(yīng)、遠(yuǎn)近效應(yīng)、多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因5.在移動通信中接收信號有幾類損耗？各有什么特點(diǎn)？6.在移動通信中主要的噪聲和干擾有哪幾種？產(chǎn)生的原因？7.移動通信系統(tǒng)是如何組網(wǎng)的？ 8.移動通信系統(tǒng)提高系統(tǒng)容量的方法有哪些？