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无线通信技术概要介绍
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无线通信技术概要介绍 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 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式中,Pt为发射功率,以球面波辐射,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。 自由空间的电波传播自由空间的传播损耗当Gt=Gr=1时,分贝式接收换算 电波传播机制反射(Reflection)当电磁波遇到比波长大得多的物体时,发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面 电波传播机制绕射(Diffraction)当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时,发生绕射。 电波传播机制散射(Scattering)当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时,发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体,如:树叶、街道标志和灯柱等。 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 阴影衰落的基本特性表达式传播路径损耗和阴影衰落分贝式式中,r移动用户和基站之间的距离ζ由于阴影产生的对数损耗(dB),服从零平均和标准偏差σdB的对数正态分布,m路径损耗指数实验数据表明m=4,标准差σ=8dB,是合理的 多径衰落的基本特性由于移动信道中直射、反射和折射现象的同时存在,使得发射信号通过不同的传播路径,形成幅度、相位及到达时间相互区别的多个信号而到达接收台。并且不同多径成分的相位、幅度等都是随机、独立变化的。这样接收信号的幅度将急剧变化,产生多径衰落。多径效应引起的问题:额外的路径损耗、突发性误码、严重的码间干扰 时延扩展(多径时散)(delayspread)在多径传播条件下,当发射端发送一个极窄的脉冲信号时,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. 典型的时延谱 典型的时延谱说明Tm为最大时延扩展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。 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cosα式中v移动速度λ波长xα入射波与移动台移动方向之间的夹角=最大多普勒(Doppler)频移入射电波 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。 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。 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: 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。 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。 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。 移动通信网的基本组成 移动通信网的基本组成移动通信无线服务区由许多正六边形小区覆盖而成,呈蜂窝状,通过接口与公众通信网(PSTN、PSDN)互联。移动通信系统包括移动交换子系统(SS)、操作维护管理子系统(OMS)和基站子系统(BSS)(通常包括移动台),是一个完整的信息传输实体。 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。 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)f1f2f1f2f1f2f1 面状服务覆盖区FrequencyReusePatternofN=4 FrequencyReusePatternofN=7 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)。 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
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