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2019-10-18

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  无线.无线.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.无线电波传播的基础理论 无线传播基本原理-电波传播方式: ? Free- space propagation Signal strength decreases exponentially with distance ? Reflection Specular Reflection amplitude: A - - ?*A (? 1) phase : ? - - - ? polarisation: material dependant phase shift Diffuse Reflection. amplitude: A - - ? *A (? 1) phase : ? - - random phase polarisation : random D specular reflection diffuse reflection 无线传播基本原理-电波传播方式: No Image 无线传播基本原理-频谱划分 ? 通常无线KHz到极超高频的顶 点300GHz(Giga Hertz)。通常划分成八个区域,参看 下表: No Image 无线传播基本原理-频谱划分 移动通信系统中频段的划分为: E-GSM 900 885-915M Hz(M S) 930-960M Hz(BS) GSM 1800 CDM A-800 1710-1755M Hz(M S) 825-835M Hz (M S) 1805-1850M Hz(BS) 870-880M Hz (BS) 3G-FDD 1920-1980M Hz (M S) 2110-2170M Hz (BS) 3G-TDD 1880-1920M Hz 2010-2025M Hz 由上表可以看出移动通信频段位于UHF频段范围内,是以 空间波的方式进行传输的。 无线传播基本原理-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-传播途径(多径) 发射信号 No Image 接收信号 强度 时间 无线传播环境-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-信号衰落 No Image 快衰落 无线传播环境-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, 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-信号衰落 No Image 慢衰落 无线传播环境-信号衰落 接收功率(dBm) -20 快衰落 慢衰落 -40 -60 10 20 30 距离(m) 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-信号衰落 抗快衰落主要措施-分集 时间分集 频率分集 空间分集 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-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: L p? 3.4 2 ? 2l0 o fM g)H ? (2z l0 o d k g ) m ( ? 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)。 无线传播环境-传播损耗 ? 当已知频率f还可以简化上式: ? Lp?L 0?10lod g k(m ) ? 式中γ=2。γ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γ的取值范围: 环境 自由空间 路径损耗倾斜因子γ 2 市区蜂窝环境 2.7~3.5 市区阴影蜂窝环境 3~5 室内视距 1.6~1.8 室内非视距 4~6 无线 ..50 dB/dec path loss 无线传播环境-传播损耗 电波传播受地形结构和人为环境的影响,无线传播 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,有各自的适用范围。 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为基站天线(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 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。 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、 费用和时间。 2.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 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 ? 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 ?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 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 网络结构 BTS BSC MS BTS BSS OSS NMC DPPS NSS OMC PCS SEMC MSC/VLR HLR/AUC EIR PSTN ISDN PDN 网络结构 网络结构 HLR/AC BSC 1:鉴权 4:业务权限 A接口 3:登记 2:确认 BSC BTS BTS Abis接口 BTS BTS MSC/VLR 其它MSC Um接口 网络结构-3G 网络结构-3G ? 功能上,3G网络单元可以分为无线接入网络(Radio Access Network,RAN)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-3G 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 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主题。移动 通信系统正在采用或研制 FDMA、TDMA、CDMA和 SDMA多址方式。 频率 FDMA 时间 FDMA:Frequency Division Multiple Access频分多址 ? 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 频率 ? TDMA 时间 TDMA TDMA:Time Division Multiple Access时分多址 ? 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 ? 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、同一频段上、根据编码获 得业务信道 SDMA(Space Division Multiple Access):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 BTS MS 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)话务量概念 话务量的严格定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=n×T/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 ? 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-爱尔兰B表 ? 在话务理论中,爱尔兰B函数最符合多信道共用电 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-爱尔兰B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1到N ? 上式称为爱尔兰公式 话务量概念-爱尔兰B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-爱尔兰B表 b) dB概念介绍 ? dBm是一个考征功率绝对值的值,计算公式 为:10lgP(功率值/1mw)。 ? dBi 和dBd ? dBi和dBd是考征增益的值(功率增益), 两者都是一个相对值, 但参考基准不一样。 dBi的参考基准为全方向性天线,dBd的参 考基准为偶极子,所以两者略有不同。一 般认为,表示同一个增益,用dBi表示出来 比用dBd表示出来要大2. 15。 ? dB是一个表征相对值的值,当考虑甲的功 率相比于乙功率大或小多少个dB时,按下 面计算公式:10lg(甲功率/乙功率) -30 dBm = 1 mW -20 dBm = 10 mW -10 dBm = 100 mW -7 dBm = 200 mW -3 dBm = 500 mW 0 dBm = 1 mW +3 dBm = 2 mW +7 dBm = 5 mW +10 dBm = 10 mW +13 dBm = 20 mW +20 dBm = 100mW +30 dBm = 1 W +40 dBm = 10W +50 dBm = 100W e)覆盖率和通信概率 覆盖率:面积覆盖率,人口覆盖率 通信概率:覆盖区域中正常通信的概率 c)下行、上行(前向、反向)链路 BTS-MS为下行链路(又称为前向),反之为上行链路 (反向) d) 双工方式(TDD、FDD) TDD和FDD分别指时分双工和频分双工。 FDD:上下行链路分别占用对称的双向频段; TDD:上下行链路工作于同一频率,通过时分方式 在时域上调整上下行资源。 THANKS!

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  随着社会、经济和科学技术的不断发展,人们对信息的需求量日益增大,各种用户对电信业务的需求也变得越来越复杂,这就要求电信网能迅速而灵活地向用户提供种种电信业务。△▪️▲□△•☆■▲传统的做法是:用户特性控制集中于每一个交换机中,每增加一种新业务,网中全部交换机就需要增加一部分软硬件。由于交换机数量十分庞大,而且其类型多种多样,每种交换机的结构、软件、设计方法等各不相同。可以设想,每增加一种新业务,★△◁◁▽▼必须要求网中全部交换机软件进行修改,不但工作量极大,而且由于对业务规范理解不一致,各种交换机间新业务互通经常会出现各种问题。因此,传统的新业务提供方法成本很高,可靠性差,而且需要较长时间。▪️•★为此,智能网技术正是为克服这些缺点应运而生的,其基本思想是:交换设备仅完成最基本的接续功能,而所有增值业务均由另一个附加网络--智能网来提供。

  智能网(IN,Intelligent Network)可以定义为:由交换设备作为节点,由No.7信令网作为各节点间信息传递控制手段,以业务控制计算机作为核心的通信网络。简言之,智能网是在原有通信网络中实现智能呼叫控制的一种网络。是在原有通信网络的基础上为快速提供新的业务而设置的附加网络结构,它将网络的智能层配置在分布于全网中若干个业务控制点中的计算机的数据库中,由软件实现对网络智能层的控制,以提供多种更为先进及复杂的功能。

  借助于先进的No.7信令网和大型集中式数据库的支持,▲★-●智能网的最大特点是通过标准化的结构和协议,将网络的交换功能与控制功能相分离,把电话网中原来位于各个端局交换机中的网络智能集中到新设的功能部件--由中小型计算机组成的智能网业务控制点上,完成智能呼叫处理,而原有的交换机仅完成基本的接续功能。

  通信网络由单纯地传递和交换信息,◆◁•逐步向存储和处理信息的智能化发展。但是,单独由程控交换机作为交换节点而构成的电话网还不是智能网,只能说它具备一定的智能功能(如它可以提供呼叫转移、缩为拨号等业务)。智能网与现有交换机中具有智能功能是不同的概念。

  智能网是在不改变现行电信网硬件结构的条件下,能够快速、方便、灵活、●经济、有效地生成和实现各种新业务的网络,它可以为各种通信网服务,包括公共电话交换网(PSTN)、公众分组交换数据网(PSPDN)、综合业务数字网(ISDN)、宽带综合业务数字网(B-ISDN)、移动通信网(PLMN)、IP通信网络(INTERNET)等等。一般将叠加在固定通信网上的智能网系统称之为固定智能网,◇•■★▼叠加在移动通信网上的智能系统称之为移动智能网。

  智能网络(IN)的组成包括:业务交换点(SSP)、业务控制点(SCP)、业务数据点(SDP)、智能外设(IP)、业务管理系统(SMS)、业务生成环境(SCE)等几部分。▼▼▽●▽●SSP是原有通信网络(PSTN、PSPDN、◆●△▼●ISDN、PLMN)与IN的连接点。SCP是IN的核心构件,它存储业务数据和业务逻辑。SDP是IN的关键构件,它存储业务和用户数据。IP是协助完成智能业务的特殊资源(主要是各种语音功能)。SMS负责业务和用户数据的管理,一般由业务管理接入点(SMAP)和业务管理点(SMP)组成。SCE的功能是根据客户的需求生成新的业务。智能网是计算机系统设备与通信系统设备的结合,极大地受益于计算机技术的发展,◆▼像数据库技术的发展为各种业务所需的数据处理提供了良好的条件。因此智能网设备主要是由小型计算机、各种服务器、以太网交换机等数据设备构成。

  智能网(IN)的重要目标就是及时方便的向用户提供各种智能业务,目前在网应用较多的智能业务主要有:计帐卡呼叫业务(像200号业务等)、被叫付费业务(像800号业务)、▲●彩铃音业务、一号通业务、虚拟专用网业务、广域集中用户交换机业务、号码流动业务(俗称移机不改号业务)、电话投票业务、成绩或中奖查询业务等等。而这些仅仅是ITU-T规范的智能网能力集1(IN CS-1)的业务。ITU-T目前已规范了IN CS-2、IN CS-3、■□IN CS-4。

  IN CS-2主要研究智能网的网间互连及网间业务,可实现智能网间的漫游,如全球虚拟专用网(GVPN)、网间被叫集中付费(IFPH)、网间电话投票(IVOT)、网间大众呼叫(IMAS)等业务。IN CS-3的研究内容包括对IN CS-2能力的加强、智能网与互联网的综合、智能网支持移动的第一期目标等。IN CS-4的主要研究内容包括IN与B-ISDN的综合、IN支持移动的第二期目标等。IN与B-ISDN的综合是智能网21世纪发展的要点,它的宗旨是要用IN的控制方法在B-ISDN宽带网上提供各种宽带多媒体业务,如宽带视频会议、视频点播(VOD)、远程教育、远程医疗、多媒体信息业务等。

  随着技术的发展,智能网能够不断生成各种新的业务,来满足人们对信息的需求量的日益增长。然而,智能通信网络是起源于传统的通信网络,▼▲随着IP通信网络的发展,智能网的演进有待于研究与突破。◇▲=○▼=△▲★▽…◇