学习项目1移动通信系统概述--技术教材

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1、移动通信系统电子教案 学习项目1移动通信系统概述 移动通信的基本技术 l移动通信传输信道和通信用户是动态的，不固定的 l各种移动通信技术是围绕着如何适应信道和用户的动 态特性而发展的 l移动通信技术： l（1）信道技术：语音压缩编码技术、信道编码技术、 数字调制技术等。 l（2）数字传输技术：分集接收技术、扩频技术、均衡 技术、交织编码技术等。 l（3）网络技术：多址技术、功率控制技术、组网技术 、越区与漫游等。 1多址技术 l1.概念： l基站能从众多的用户信号中区分出是哪一个用户发来 的信号； l移动台能从基站发来的众多的信号中识别出哪一个是 发给自己的。 l2.分类： l频分多址（FDM

2、A）、时分多址（TDMA）、码分多址（ CDMA）和空分多址（SDMA）。 l多址技术的类型直接关系到移动通信系统的容量大小 1多址技术 l3.优点： l移动通信系统存在的问题：频率资源有限与用户数和 通信业务量激增 l多址技术避免用户间的互相干扰；将使系统容量大为 增加，便于网络管理和信道分配，并且使信道切换更 加可靠。 1.1频分多址技术 l1.频分多址（FDMA）技术的实现： l移动通信系统的总频段划分成若干个等间隔的频道， 每个频道就是一个无线信道 图2-14 FDMA的频道分割图 1.1频分多址技术 l2.频分双工通信实现： l每次通信时，基站和移动台占用一对频道，一 个用作上行（反

3、向）信道，一个用做下行（前 向）信道 lFDMA信道的相对带宽较窄（25kHz或30kHz l保护频隙Fg， l在接收设备中使用带通滤波器，限制邻近频道 间的干扰。 1.1频分多址技术 图2 频分多址技术工作示意图 1.1频分多址技术 l3.FDMA技术的缺点： l基站需要多部不同载波频率的发射机同时工作，设备 复杂； l系统中存在多个频率的信号，容易产生信道间的互调 干扰，因此通信质量较差，保密性较差； l因为频道数是有限的，所以系统容量小，不能容纳较 多的用户。 lFDMA主要用于模拟蜂窝移动系统中 。 1.2时分多址技术 l1.时分多址（TDMA）技术的实现： l把一个频道按等时间分成周

4、期性的帧，每一帧再分割 成若干时隙，一个时隙就是一个信道，每个用户占用 不同的时隙进行通信 。 图3时分多址技术 1.2时分多址技术 l2.时分双工通信实现： l每个用户在每帧内在指定的时隙按顺序向基站发射信 号，基站在相应的时隙中接收发给它的信号。 l基站在指定的时隙按顺序向不同用户发射信号 l保证各用户发送的信号不会在基站发生重叠或混淆， TDMA通信系统设备必须有精确的定时和同步。 3. TDMA技术的特点 TDMA和FDMA通信系统相比 TDMA通信系统在同样的频道数下，能容纳更多的用户， 频率利用率高； 每个用户占用不同的时隙进行通信，用户间不会串扰； 基站只需一部收发信机，互调干扰

5、小 1.2时分多址技术 TDMA主要用于数字蜂窝移动系统中 。 1.2时分多址技术 图4 TDMA通信系统的工作示意图 1.3码分多址技术 l1码分多址（CDMA）技术的实现： l通过不同的地址码来区分用户 lCDMA通信系统为每个用户分配了各自特定的地址码， 各地址码相互正交或准正交 1.3码分多址技术 图5 码分多址技术 1.3码分多址技术 l2.CDMA技术特点： l不分频道又不分时隙，各个用户可占用相同的频段同 时发送或接收信号 l不同用户传输信息所用的信道不是靠频率不同或时隙 不同来区分，而是用不同的特定码型来区分，一个正 交的地址码相当于一个信道 lCDMA通信系统要有足够多的地址

6、码 l接收端用与发送端完全一致的本地地址码 1.3码分多址技术 lCDMA通信系统的容量是TDMA通信系统的46倍 lFDMA通信系统的20倍左右 lCDMA通信系统是第三代数字移动通信系统的主要方案 l实际中：频分多址/时分多址（FDMA/TDMA）、时分多 址/码分多址（TDMA/CDMA）和频分多址/码分多址（ FDMA/CDMA）。 1.4空分多址技术 l1.空分多址（SDMA）技术的实现： l通过空间的分割来区分不同的用户 l采用自适应阵列天线，在不同用户方向上形成不同的 波束，迅速地引导电磁波沿用户方向发送 1.4空分多址技术 图6 空分多址 2分集接收技术 l分集接收技术是抗多径

7、干扰的有效措施之一。 l 2.1 分集接收技术的概念 l发送端，分散传输，利用多条路径来传输含同一信息 内容的信号 l“分”的方法有空间分集、时间分集和频率分集等3种； l接收端，是集中合并处理，对收到的多条路径信号进 行合理的合并以减小干扰的影响 l“集”的方面看，方法有选择式合并、最大比合并、等 增益合并以及开关式合并4种。 2分集接收技术 l2.2 分集技术 l1空间分集 l空间分集是在发射端采用一副天线，接收端采用多副 天线。 l空间分集的两种变化形式：极化分集和角度分集。 2分集接收技术 l2频率分集 l频率分集是将要传输的信号分别调制在频率不相关的 载波上发射出去 l3时间分集 l

8、将同一个信号按一定时间间隔重复发射M次，只要时 间间隔大于相干时间，就可以得到M条衰落独立的分 集支路。 l时间分集与空间分集相比，优点是在接收端减少了天 线的数目，缺点是要占用时间资源，降低了效率 2分集接收技术 l2. 3 合并技术 l1最大比合并 l最大比合并是在接收端将M个分集支路经过相位调整， 并按适当的可变增益加权再同相相加后，送入检测器 进行相干检测。 l 2等增益合并 l最大比合并的增益加权系数不再随着各分集支路信号 的幅度变化而等于1时，最大比合并就是等增益合并 2. 分集接收技术 l3选择式合并 l选择式合并是将多个分集支路的接收机的输出信号送 入选择逻辑电路，选择其中具有

9、最大基带信噪比的某 支路的基带信号作为输出信号。 l最大比值合并方式改善信噪比最多 l其次是等增益合并方式 l选择式合并所得到的信噪比改善量最少 l所以最大比值合并是一种最佳合并方式。 2分集接收技术 l4开关式合并 l开关式合并是监视接收信号的瞬时包络，当本支路的 瞬时包络低于预先设定的门限时，将天线开关置到另 一条支路上，即通过切换发射天线的方法来获得合并 增益。 3组网技术 l3.1.移动通信网组网目的： l提供和固网的接口，把移动用户与移动用户、移动用 户与固定网用户互相连接起来。 l3.2.移动通信网组网方式的选择 l覆盖范围广、频率利用率高、通信容量大、干扰小、 组网简单、投资少、

10、见效快等。 3组网技术 l3.3 移动通信网的制式 l 1大区制 l在一个地区内只设置一个基站，基站发射功率为200W 左右，覆盖半径约为3050km。 l2小区制 l将整个服务区划分成若干个小区，每个小区分别设置 一个基站 l基站发射功率为一般为520W，覆盖半径一般为2 20km，最小可以到几百米。 3组网技术 图7 大区制移动通信示意图 3组网技术 图8 小区制移动通信示意图 3组网技术 l3.大区制与小区制的比较； l大区制优点： l组网简单、投资少、见效快的优势 l大区制缺点： l通信容量较小，一般只能容纳数百至数千个用户。 l小区制优点： l移动台和基站的发射功率减小，相互干扰；提

11、高了频 率利用率，组网灵活 l小区制缺点：建网的成本比较高、需要频率切换（越 区切换），相应的控制交换功能就比较复杂。 3组网技术 3.4 无线区群的组成 1无线小区的概念 3组网技术 l2无线小区形状的选择 l无线小区采用正六边形结构是最佳选择 l正六边形构成小区所需的小区数最少，基站数最少， 也最经济，所需信道数最少，频率利用率较高。 l彼此邻接的单位无线区群无缝地覆盖整个服务区，构 成蜂窝状的网络，称为蜂窝移动通信网 3组网技术 图9 圆内接正多边形 3组网技术 l3种圆内接正多边形参数 3组网技术 l3单位无线区群的组成条件 l原则：防止同频干扰 l条件： l同属于一个单位无线区群彼此

12、相邻的正六边形无线小 区不能使用相同的频率，共用一个信道。 l分属于不同单位无线区群中，相隔一定距离的两个无 线小区可以使用相同的频率（同频复用）。 3组网技术 l问题讨论： l一个单位无线区群由多少个无线小区组成比较合适？ l单位无线区群内的无线小区个数满足下例公式： lN=a2+ab+b2 la、b为0的整数，但不能同时为0，N为单位无线区群 中的小区数。 3组网技术 l小区数N的取值 3组网技术 不同的N值得到各不相同的无线区群形状，如图10所示 图10 无线区群 在何种条件下无线区群才可以同频复用？ 问题讨论： 3组网技术 3组网技术 l3.5无线小区的激励方式 l1.中心激励 l无线

13、小区中的基站设在小区的中心位置，采用圆形辐 射的全向天线覆盖无线小区 l2. 顶点激励 l基站设在每个正六边形小区的3个顶点上，并且每个基 站采用3副辐射角是120的扇形定向天线 3组网技术 图11 无线小区的激励方式 扇区 一个无线小区分为3个扇区 3组网技术 l3.5 不同情况下无线小区的划分 l1用户密度不同时 3组网技术 图2-26 小区分裂 2.小区分裂 3组网技术 l3带状服务区 l服务区是狭长的区域，如铁路、公路、海岸等，则无 线小区需采用定向天线 l4直放站 l通常在适当的地方盲区建立直放站，直放站是具有小 型基站功能的设备 直放站 3组网技术 l3.6 数字蜂窝移动通信的基本

14、网络结构 l彼此邻接的无线小区无缝地覆盖整个服务区，构成蜂窝 移动通信网。 l移动通信网采用分层组织结构，一个移动通信网分成若 干个业务区 l若干个无线小区 一个基站区； l若干个基站区 一个位置区； l若干个位置区 一个MSC区； l若干个MSC区 一个业务区 l采用顶点激励方式，一个无线小区又被分成若干个扇区 。 3组网技术 图12 移动通信网的结 构 4 用户占用信道的方式 l4.1多信道共用 l1.动态信道分配法 l在对无线小区进行信道分配时，不是将某一组信道固定 配置给某一基站，而是信道的配置随移动通信业务量的 变化和分布情况而动态分配 l2问题与讨论 lN个无线信道供M个用户共用，

15、M和N的值取多少才比较合 适，即每个无线信道究竟分配多少个用户才算合理？ l由话务量和呼损率来决定。 4用户占用信道的方式 l3.话务量： l话务量是度量通信系统通话业务量或繁忙程度的指标 l计算公式： A=C T lC：每小时内平均呼叫次数 lT：每次呼叫平均占用信道的时间 lT的单位是h，话务量A的单位是厄朗（Erlang）。 例1.如果一个用户1小时内连续地占用一个信道， 话务量就是1Erlang 例2：设在一个信道上，平均每小时有300次呼叫，平均每 次呼叫的时间为6min，那么这个信道上的总呼叫话务量为 ： A=(3006)60=30(Erlang) 4用户占用信道的方式 4用户占用

16、信道的方式 l4.忙时话务量：是指每个用户最忙的那个小时的平均 话务量（A） l计算公式： A=CTK/3600 lT：每次呼叫平均占用信道的时间（单位为s）； lK:为集中系数，K=忙时话务量/全日话务量（24h）。 4用户占用信道的方式 l5.呼损率： l呼叫失败的概率称为呼损率。 l呼损率的计算公式： B=(AL/A)100%=(CL/C)100% lAL：损失话务量AL=AA0 lA0是呼叫成功而接通电话的话务量 lCL：呼叫失败次数。 l问题与思考：降低呼损率的办法 l减少系统容纳的用户数或增加信道数，这样会降低信道利用率，所 以在系统设计时，必须选择合理的呼损率，既要保持一定的服务质 量，又要尽量提高信道的利用率。 4用户占用信道的方式 l6.每个信道所能容纳的用户数m。 l计算公式：m=(A/n)/A l系统所能容纳的用户数：M=mn lA/n为每信道平均话务量。 l结论： l在一定呼损条件下，每个无线信道所能容纳的用户数m ，与信道平均话务量成正比，与用户忙时话务量A成 反比。 4用户占用信道的