移动通信传输信道的特征.ppt

第七章 移动通信传输信道的特征,内容提要移动通信的传输特点移动通信的信道特征移动信道的噪声与干扰从移动通信的组网方式分析传输干扰在移动通信传输领域的应用,7.1 移动通信的传输特点,移动通信？指移动体之间的通信，移动体与固定体之间的通信。移动体？人、汽车、火车、船、飞机、航天器等。移动通信系统包括：陆地移动通信PLMN、卫星移动通信、无绳电话、无线寻呼、集群移动通信,无绳电话示意图,集群网络基本结构（集中控制方式）对讲机一呼百应,陆地移动通信系统组成,G,服务GPRS支持节点,移动通信系统一般由移动台（MS）、基站子系统（BSS）、移动交换子系统（MSS）以及与其它网（如PSTN、Internet等）相连的中继线等组成。,移动交换子系统（MSS）主要包括:移动交换中心(MSC/GMSC)归属位置寄存器(HLR)拜访位置寄存器(VLR)认证中心(AUC)短消息业务中心(SMC)等,移动交换中心MSC：主要用来处理信息的交换和整个系统的集中控制管理负责交换移动台各种类型的呼叫，如本地呼叫、长途呼叫和国际呼叫提供连接维护管理中心的接口通过标准接口与基站子系统、其它MSC、固定电话网(PSTN)/Internet等外部网络相连。为有效地提供分组数据业务，现在移动交换子系统还包括相应的分组业务节点，如SGSN、GGSN等,基站子系统（BSS）包括：一个基站控制器（BSC）由BSC控制的若干个基站收发信机（BTS）或基站（BS）。基站子系统BSS负责：管理无线资源，实现固定网与移动用户之间的通信连接传送或接收系统信号和用户信息BTS与BSC之间采用有线中继电路传输信号，有时也可采用微波中继方式,移动台（MS）或移动终端（MT）：,是移动通信系统不可缺少的一部分，它有手持机和车载台等类型。目前，移动终端除基本的电话业务以外，还可为用户提供一些数据业务、多媒体业务和移动增值业务,基站和移动终端是通过无线链路通信的，都设有无线收发信机和天馈线等设备。GSM无线小区的定义：GSM网络最小不可分割的区域是一个基站（全向天线）或一个基站的扇形天线所覆盖的区域，称为小区（CELL）。无线小区也叫蜂窝区，理想形状是六边形，一个小区包含一个基站，每个基站包含若干套收发信机。无线小区的大小，主要由载波的频率、基站的发射功率、天线的高度以及接收机的接收灵敏度等条件决定。,基站可位于正六边形的中心，采用全向天线，称为中心激励；也可位于正六边形顶点，采用120度或60度定向天线，成为顶点激励。每个小区是由全球小区识别码（CGI）来标识。它不能用于呼叫建立，但可以用于话务测量和切换。,中层站实景照片,高层站实景照片,低层站实景照片,车载移动天线基站,主要接口：A接口、Abis接口和Um接口,MS,MS,Um接口,BTS,BSC,Abis接口,MSC,A接口,MS,基站子系统BSS,网络子系统MSS,以GSM系统结构及接口为例：,Um接口：GSM中最重要和复杂的无线接口。Abis接口：连接BTS和BSC之间的接口，该接口用来传送话务和维护数据。A接口：BSC和MSC之间的标准化接口。B接口：用于MSC向VLR询问有关MS当前位置信息，或者通知VLR有关MS的位置更新信息等。C接口：用于传递路由选择和管理信息。如果采用HLR作为计费中心，呼叫结束后MSC应把计费信息传送给HLR，要建立一个至移动用户的呼叫时，入口MSC应向被叫用户所属的HLR询问被叫移动台的漫游号码。,D接口：交换有关移动台位置和用户管理的信息。E接口：切换过程中交换有关切换信息以启动和完成切换。F接口：交换相关的国际移动设备识别码管理信息。G接口：用于当采用临时移动用户识别码（TMSI）时，此接口用于向分配TMSI的VLR询问此移动用户的国际移动用户识别码（IMSI）的信息。,GPRS网络组成,接口协议分层结构,CMMMRRLAPDmSigL1,MS,LAPDm LAPDmSigL1 SigL1,RR BTSM,BTS,RR BSSMPBTSM LAPDm SCCP MTPSigL1,BSC,CMMMBSSMAPSCCPMTP,MSC,Um接口,Abis接口,A接口,7.1.1 移动通信传输的特点,传输信道必须使用无线电波传播是在复杂的干扰环境中进行的传输天电干扰、工业干扰和各种噪声的干扰系统内部的干扰，如互调干扰、邻道干扰、同频干扰、远近效应等；不同系统间的干扰频谱资源非常有限（移动通信业务一般只工作在3GHz以下的频段）传输效果涉及的因素众多,7.1.2 移动通信的工作方式,移动通信的工作方式可分为：单工制、半双工制和双工制通信方式三种。1.单工制(1)同频单工通信 指通信双方使用相同的频率f1工作，发送时不接收，接收时不发送，操作不便。,f1,f1,同频单工通信方式示意图,（2）异频单工,指发信机和收信机分别使用两个不同的频率f1，f2进行发送和接收。意义不大。,2.半双工制（意义不大）,指通信的双方，一方使用双工方式，即收发信机同时工作，且使用两个不同的频率f1和f2，一般是基站。而另一方则采用异频单工方式，即收发信机交替工作，一般是移动台。,半双工通信方式示意图,3.双工制,指通信的双方在通话时收发信机均同时工作，这时通信双方一般通过双工器来完成这种功能。目前的公众移动通信系统都采用双工制。,双工通信方式,双工制可以分为：,频分双工（FDD）：收发用不同的频段但时间上连续收发时分双工（TDD）：收发用同一频段，但通过不同时间段进行收发,3G的三种标准中，CDMA-2000、WCDMA主要采用FDD方式，收发两个链路一直是连接的。TD-SCDMA主要采用TDD方式，收发链路会断开。TDD频谱利用率较高，适合非对称业务和小范围密集覆盖、移动速度较低的地区。,7.1.3 移动通信的工作频段,确定移动通信工作频段主要考虑的因素：电波传播特性、环境噪声及干扰情况、服务区域范围、地形和障碍物尺寸、设备小型化与已经开发的频段的协调和兼容性。根据国际电信联盟（ITU）的规定，1979年划分给陆地移动通信的主要频率范围：,1980年我国国家无线电管理委员会规定供陆地移动通信使用的频段：,国家无线电管理委员会于2002年公布了我国第三代移动通信业务的频率分配的情况，分为主要工作频段和补充工作频段。,7.2 移动通信的信道特征,移动信道是随机时变的变参信道。721 阴影效应与慢衰落阴影衰落的统计特性（1）阻挡引起衰落（2）大气折射变化引起衰落（小）当移动台通过不同障碍物的阴影时，导致接收场强中值随着地理位置改变而出现的缓慢变化称为慢衰落（阴影衰落）。,典型信号衰落特性,阴影衰落使所预测的路径损耗会产生很大的变化，通过大量统计测试表明，阴影衰落近似服从对数正态分布，其概率密度函数如下：,其中随机变量x为场强中值，m、s分别为均值和方差。,(x0),2.阴影效应对移动通信系统的影响,影响移动通信小区覆盖范围。导致移动通信覆盖盲区。影响移动通信的切换。影响信噪比或载噪比等的大小。这四个方面的影响可以通过在系统设计设置衰落余量和网络规划时对基站站址的合理选取加以克服。,722 多径效应与快衰落多径传播分析,接收点的电波是直射波、反射波、绕射波和散射波的合成，形成所谓的多径传播。接收点信号（场强）的矢量合成的结果使场强瞬时值迅速、大幅度的变化，这种变化称为由多径效应引起的小尺度衰落。在典型移动信道中，衰落深度达3040dB左右，衰落速度约3040次/秒。,7.2.2.2 多径衰落的统计特性,设每条路径的幅度和相位分别服从高斯分布和0，2p内的均匀分布，且每条路径的幅度和相位都是统计独立的。合成后多径信号的包络和相位的统计特性应为：（1）当移动台远离基站时：一般认为没有一条路径的信号占支配地位，多径信号的包络服从Rayleigh分布：,其相位服从均匀分布：,(0,2),(x0),（2）当移动台靠近基站时：一般认为多径中有一条强直射波，多径信号的包络服从Rician分布：,(x0),式中J0()为零阶贝塞尔函数，a为直射波幅度。其相位服从如下分布：,(0,2),其中，a、b分别为直射波的幅度和相位，erf()是误差函数。上面讨论的是多径衰落的一阶统计特性，此外，还有衰落速率、衰落持续时间和接收信号的电平通过率等二阶统计特性。,7.2.2.3 多径信道的特征参数,1.多谱勒(Doppler)频移和相干时间 Doppler效应:当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化。Doppler频移:Doppler效应所引起的附加频移:,式中,v 为移动台运动速度，C为射频波长，i为到达接收点第i个信号与移动台运动方向的夹角，fm为i=0时的最大Doppler频移。,相干时间：相干时间表示的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由Doppler效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上。相干时间Tc定义为Doppler频移的倒数：,Doppler频移和相干时间是描述移动信道频率色散和时变特性的参数。,2迟延扩展和相干带宽,迟延扩展和相干带宽是描述移动信道时间色散和频率选择性的参数。迟延扩展：不同迟延的信号分量具有的平均功率所构成的谱称为迟延谱。迟延谱的一阶矩为平均迟延，迟延谱的均方根值就是迟延扩展（Dt）。对数字移动通信系统，一般迟延扩展可以理解为在一串接收脉冲中，最大传输迟延和最小传输迟延的差值。,相干带宽：相干带宽表示的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔，其定义为当信号包络的相关系数等于0.5时所对应的频率间隔，用公式表示为：,3.多径信道的特征参数对移动通信的影响,多径信道的特征参数与移动终端和基站周围的散射体有关。多径信道的特征参数对宏小区和微小区影响不同。,在宏小区中：基站天线架在建筑物的顶部，而移动终端处于典型郊区环境。对于移动终端周围的本地散射体，只产生很小的迟延扩展和角度扩展。基站周围的本地散射体，基本没有附加Doppler频移。对于远端散射体，可以认为是相互独立的路径衰落，无Doppler频移。在微小区中：基站和移动终端周围的散射体都较强，因此，只有本地散射体的影响，它们导致小的迟延扩展，以及根据移动终端的运动速度，产生中等到较高的Doppler频移。,723 衰落储备,衰落储备：为了防止因衰落引起通信中断，在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。衰落储备的大小决定于地形、地物、工作频率及要求的通信可靠性指标。通信可靠性也称作可通率：T=1-R,例如：f=450MHz，市区工作，要求T=99%，则由图可知，衰落储备约为22.5 dB,724 移动信道分类,1.平坦衰落信道和频率选择性衰落信道如果BsDt，则称为平坦衰落信道，又称为非频率选择性衰落信道。如果Bs Bc和TsDt，则称为频率选择性衰落信道，它由迟延扩展导致。信号带宽（Bs）、相干带宽（Bc）、符号持续时间（Ts）、迟延扩展（Dt）,2.快衰落信道和慢衰落信道,如果Ts Tc和BsBd，则称为慢衰落信道，也称为非时间选择性衰落信道。信号带宽（Bs）、相干带宽（Bc）、符号持续时间（Ts）、迟延扩展（Dt）、Doppler频移（Bd）,3.空间选择性衰落信道和非空间选择性衰落信道,当相干距离远大于天线阵元间距离时称为空间选择性衰落信道，它由角度扩展导致。否则为非空间选择性衰落信道。,7.3 移动信道的噪声与干扰,信道对信号传输的限制除了损耗和衰落之外，另一个重要的限制因素是噪声与干扰。噪声又可分为内部噪声和外部噪声。干扰是指无线电台间的相互干扰，包括电台本身产生的干扰（如邻道干扰、共频道干扰、互调干扰以及因远近效应等），不同网络之间的干扰。,731 噪声的分类及特性,1噪声的分类内部噪声：主要是系统设备本身产生的各种噪声。外部噪声：才是真正对移动信道的影响较大的噪声。比如自然噪声中的大气噪声、太阳噪声、银河噪声等，人为噪声中的郊区人为噪声和市区人为噪声。这些噪声来源不同，频率范围和强度也不同。,各种噪声功率与频率的关系,Fa:相对噪声功率电平，即相对于基准噪声功率（N0=10 lg kT0BN）的电平。其表示式为：,Fa=NN 0式中，k为波兹曼常数，其值为1.3810-23 W/KHz，T0为参考绝对温度（290K），BN为接收机有效噪声带宽（它近似等于接收机的带宽）。基准噪声功率电平N 0，实际上描述的是典型接收机的噪声功率电平。,例;已知市区移动台的工作频率为450MHz，其接收机带宽为16kHz，试求接收机输入端的人为噪声功率为多少dBw？解：基准噪声功率：N0=10 lg kT0BN=10lg（1.3810-2329016103）=-162dBw由查表得市区人为噪声功率系数Fa=25dB，故接收机输入端的平均人为噪声功率：N=Fa+N0=-162 dBw+25dB=-137 dBw,2.内部噪声,内部噪声是指系统设备（如电台）本身电气元件产生的各种噪声，又称高斯噪声。例如热噪声：电阻和导线一类的导体中电子的热运动所引起的散弹噪声：集成电路中半导体载流子（电子、空穴）的起伏变化所引起的。由理论分析和实测表明，从直流到微波的频率范围内，内部噪声功率谱密度为一常数，故又称为白噪声。白噪声功率谱密度用 表示：=k T,3.外部噪声,外部噪声：自然噪声和人为噪声。如图7-9所示，移动台工作频率在450MHz以上，自然噪声强度低于人为噪声，基本上可以不考虑，因此人为噪声是外部噪声的主体。此外，人为噪声源的数量和集中程度随时间和地点而异，只能用统计测试方法来表示，噪声强度随地点的分布近似服从对数的正态分布。,汽车噪声与频率的关系,几种典型环境的人为噪声系数平均值,732 邻道干扰,在移动通信系统中，基站或移动台接收机必须能在其他通信系统产生的众多较强干扰信号中，检测出可能是较弱的有用信号。在接收远距离移动台信号时，往往不仅受到各种噪声的干扰，而且还受到系统内附近其它基站及系统外电台的干扰。移动通信与固定有线通信相比，对干扰的限制更为严格，对收、发信设备的抗干扰特性要求更高。,在蜂窝移动通信网中，存在邻近频道（邻道）干扰、同频道（同道）干扰、互调干扰、阻塞干扰和远近效应等问题。,假设用户A占用了K 信道，用户B占用了K1信道。,邻道干扰是指相邻的或邻近频道之间信号的相互干扰。以多信道工作的移动通信系统为例来说明邻道干扰的产生。,一般情况下，两个用户在相邻信道上工作，不存在干扰问题。但由于它们之间的信道相隔只有25kHz，因此，当移动台B发射机存在调制边带扩展和边带噪声辐射时，就会有部分（K-1）信道的边带成分落入K信道，并且与有用信号强度相差不多，则会对K信道形成干扰，导致邻道干扰。邻道干扰的原因：调制边带扩展或发信机边带噪声。,1调制边带扩展干扰,调频语音信号（调频波）具有n对边频分量，它的频带宽度无限，它的主要能量集中在低阶(如n4)边频分量中。,调制边带扩展干扰是语音信号经调频后,某些边带频率落入相邻信道形成的干扰。设调频波的第n次边频落入相邻信道，在最坏情况下，落入邻近频道接收机的最低边频次数n可由下式决定：其中，Br为信道间隔，Fm为调制信号最高频率，Bi为接收机带宽。发信机、接收机频率不稳定而造成的频率偏差fTR,（7.11）,图中给出了第K-1信道发射机的调制边带的第n次边频落入第K信道。,例：已知某移动台信道间隔Br=25kHz，Bi=16kHz，fTR=2kHz，最高调制信号频率Fm=3kHz，试求可能落入邻近频道接收机形成干扰的最低边频次数n。解：按（7.11）式得：即调频信号的第五次边频落入相邻信道。,限制邻道干扰的方法,为了减少邻道干扰，除了限制发射信号带宽，提高收、发信机的频率稳定度和准确度外，还要求发射机的瞬时频偏不超过最大允许值。一般在发射机的语音调制电路中，均有瞬时频偏控制（IDC）电路，它主要由放大、限幅和邻道干扰滤波三部分电路组成。这样，调频信号带通内各频率成分在采用IDC电路后，无论幅度多大，产生的最大频偏都被限定在3kHz以下，这也就限制了落入邻道接收机带内的边带功率。,2发信机边带干扰,发射机即使未加入调制信号，也存在以载频为中心、分布频率范围相当宽的噪声，这种噪声就称为发信机边带噪声，引起发信机边带干扰。发信机边带噪声主要由振荡器的噪声、倍频器的噪声、IDC电路的穿入杂音的噪声和调制电路的噪声以及电源波动等引起的噪声构成。,发射机的噪声频谱,发射机倍频器产生的寄生信号,振荡器输出的振荡频率往往要倍频数次，才能获得所需的载波频率。一般，经N次倍频后的信噪比恶化将大于20lg N dB,(1)倍频次数要尽可能小；(2)各级倍频器应具有良好的滤波性能；(3)各级倍频器之间应屏蔽隔离，防止电磁耦合或泄漏；(4)发射机的输出回路应具有良好的滤波性能，以抑制寄生分量。,减少发信机边带干扰的方法：,7.3.3 同频道干扰,同频道干扰：是指所有落到接收机通带内的与有用信号频率相同或相近的无用信号的干扰。这是移动通信在组网中采用频率复用技术所出现的一种干扰，若频率分配管理或系统设计不当就会造成同道干扰。另外，在CDMA系统中同一载波的不同扩频码之间的相互干扰也可以看成同频道干扰。,1同频道再用的概念,同频道再用（复用）：在移动通信系统中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离后，可以重复使用相同的频率。信道再用可以极大的提高频率利用率，但如果系统设计不好，将产生严重同频道干扰。,不同小区相同频率的信道使用示意图 显然，当再用距离D越近，同频道干扰就越严重。,射频防护比：接收机输入端的有用信号与同频道干扰信号之比。,2射频防护比,S为有用信号功率，I为干扰信号功率。例如对于3级话音质量，要求的射频防护比为 8 dB。,dB,对不同信噪比，话音质量的主观评定结果,3.同频道再用距离D,在进行无线小区的频率配置时，相同频率重复使用的最小距离，称为同频道再用距离D。为了分析简单，假定各基站与各移动台的设备参数相同，地理条件也是理想的。这样，同频道再用距离与以下因素有关：,1调制方式为达到规定的接收信号质量，对于不同调制方式，所需的射频防护比是不同的。2电磁波特性假定传播路径是光滑的地平面，路径损耗L由下式近似确定：式中，d是收、发天线之间的距离，ht、hr分别是发射天线和接收天线的高度。如果d以km计，ht、hr均以m计，则L=120+40lg d 20lg（h thr）（dB）,3站覆盖范围或小区半径r04通信工作方式，可分为同频单工通信和异频双工通信。5要求的可靠通信概率。,同频道再用距离,假设基站A和B使用相同的频道，移动台M正在接收基站A发射的信号，由于基站天线高度大于移动台天线高度，移动台M处于小区的边沿时，易于收到基站B发射的同频道干扰。,假若输入到移动台M接收机的有用信号与同频道干扰之比等于射频防护比（满足要求），则A、B两基站之间的距离即为同频道再用距离，记作D D=D I+D S=D I+r0=r0（1+DI/D S）D I为同频道干扰源至被干扰接收机M移动台的距离D S为有用信号的传播距离即为小区的半径r。,下面分析同频道再用距离D与小区半径r0的关系。设干扰信号I和有用信号S的传播损耗值分别为LI和LS，由（7-14）式可列出：LI=120+40 lg DI(7-16a)LS=120+40 lg DS(7-16b),设A基站和B基站的发射功率平均为PT dBw，则移动台M接收机输入的信号功率和同频道干扰功率分别为：,有用信号和干扰信号之比为：,(7-18),可得：,（7-17）,式中S/I 为有用信号与干扰信号之比即射频防护比。若取射频防护比为8dB，由上式可求得同频道再用距离：,需要指出的是在计算同频道再用距离时，射频防护比为8dB是在没有考虑信号场强变化的稳定情况下导出的，若考虑到衰落、多个干扰源的影响以及要求的可靠性的概率，从理论分析和试验表明，按无线小区内可靠通信概率为90%考虑，需要 达到25 dB，这样可得：,例如，基站天线有效高度为50m，移动台天线高度为2m，由r0=10km和要求的有用信号和干扰信号的比S/I=22 dB，就可求解同道再用距离D。解：先求DI/DS,以上估算，是在仅考虑一个同频干扰源情况下进行的。当同频干扰源不只一个时，则干扰信号电平以功率叠加方式获得。,7.3.4 互调干扰,互调干扰：是指两个或多个不同频率信号，同时作用在通信设备的非线性器件上，将产生许多组合频率信号，其中的一部分与有用信号频率相近可能落到接收机通带内，成为对有用信号的干扰，称为互调干扰。在移动通信系统中，互调干扰主要有三种情况：发信机互调干扰、接收机互调干扰和发信机变频滤波器及天线馈线等插接件接触不良引起的互调干扰。,1互调干扰的基本概念和分类,互调干扰的基本概念及分类,一般非线性器件的输出电流ic与输入电压u的关系式可写为,式中，ak为非线性器件的特性系数，通常有a1a2a3。假设有两个信号同时作用于非线性器件，即,(1)在各个失真项中都包含A和B的高次谐波分量(nA和nB),这些谐波分量的频率通常远离接收机的调谐频率0，而且不属于互调频率，这里不予考虑。(2)在二阶(n=2)失真项中，会出现A+B和A-B两种组合频率。由于接收机的输入电路及高频放大器具有调谐回路，即具有选择性，这两种频率的干扰信号必将受到很大抑制，不易形成互调干扰。这是因为A和B往往都接近0，从而使A+B和A-B远离接收机的调谐频率0，不可能形成互调干扰。偶数阶产生的组合都有类似的性质。,(3)在三阶(n=3)失真项中，会出现2A-B、2B-A、2A+B与2B+A等组合频率，这里，后两项的性质类似于二阶组合频率中的A+B可以忽略。但对于2A-B和2B-A两项而言，当A和B都接近于有用信号的频率0时，很容易满足以下条件：这条件说明，2A-B和2B-A两项频率不仅可以落入接收机的通频带之内，而且可以在A和B都靠近于0的情况下发生，因为接收机的输入电路对频率靠近其工作频率的干扰信号不会有很大的抑制作用，因而这两种组合频率的干扰对接收机的危害比较大。通常把这两种组合频率的干扰称为三阶互调干扰。,(4)同理，可以看出，在五阶(n=5)失真项中，具有危害性的组合频率是3A-2B或3B-2A，通常把这两种组合频率的干扰称之为五阶互调干扰。因为在非线性器件中，系数a5a3，因而高阶互调的强度一般都小于低阶互调分量的强度。这就是说，五阶互调干扰的影响小于三阶互调干扰的影响，因而在一些实际系统的设计中，常常只考虑三阶互调干扰，至于七阶以上的互调干扰，因为其影响更小，故一般都不予考虑。,倘若在非线性电路的输入端同时出现三个不同频率的干扰信号，即按同样方法分析可以看出，其中危害最大的互调频率是三阶互调中的A+B-C,A+C-B和B+C-A等项，以及五阶互调中的2A-2B+C等项。有的地方把两个干扰信号产生的三阶互调称之为三阶-型互调，把三个干扰信号产生的三阶互调称之为三阶-型互调。,2.发信机的互调干扰,发射机的互调干扰是基站使用多部不同频率的发射机所产生的特殊干扰。发射机末级功率放大器通常工作在非线性状态，所以这种互调干扰通常发生在末级功率放大器中。三阶互调产物难于用选择性电路滤除，容易构成对有用信号干扰。为此着重分析三阶互调产物。,基站发射机互调干扰示意图,如图所示，基站发射机B的工作频率为fB，经耦合衰耗 Lc dB，进入工作频率为fA的发射机，在末级功率放大器中产生三阶互调频率（2 fA fB），同样，当发射机A的信号进入发射机B时，也会产生2 fB fA三阶互调产物。该互调产物又通过天线辐射出去，造成互调干扰。,共用天线,目的是为了减少天线个数，目前有两种方式：3dB定向耦合器，无波道间隔限制，但损耗大。窄带滤波器，损耗小，但有波道间隔限制。,T1,T2,T3,T4,E,E,E,f1,f2,f3,f4,T1,f1,T2,f2,T4,f4,T3,f3,1,2,3,4,单向隔离器,窄带滤波器,3dB定向耦合器,发射机,三阶互调干扰归纳为两种类型：,等式左边表示三阶互调源频率，而等式右边表示受三阶互调信号干扰的频率。,两信号三阶互调,三信号三阶互调,例如，已知干扰的频率fA=150.2MHz、fB=150.1MHz、fC=150.0MHz。问当某用户移动台的接收频率为150.3MHz时，能否产生三阶互调干扰？解：2fA fB=150.3 MHz fA+fB fC=150.3 MHz它既受两信号三阶互调干扰，又受三信号三阶互调干扰。,3接收机的互调干扰,接收机的互调干扰是指两个或多个信号同时进入接收机高频放大器或混频器，只要它们的频率满足一定的关系，则由于接收机中器件的非线性特性，就有可能形成互调干扰。就一般移动通信系统而言，三阶互调干扰是主要的，其中又以两信号三阶互调干扰的影响最大。接收机的互调干扰，可折算为同频道干扰来估算对通信的影响。,例如：,式中：PSV为接收机的灵敏度（dBw）PIM为接收机的等效互调功率（dBw）为射频防护比（dB）,7.3.5 远近效应,远近效应：近处无用信号压制远处有用信号的现象，又叫近端对远端比干扰。,由于基站的位置与两个分开的移动台之间的路径传输损耗不同而引起的接收功率差，这里称之为近端对远端比干扰，可表示为：,假设在同样的地形地物条件下,路径传输损耗近似与距离的四次方成比例,则上式为：,（723）,例7-6：当一个基站同时接收两个移动台发来的信号，一个移动台离基站为0.1km，另一个离基站为10km，单位路径损耗相等，试求其近端 远端比干扰。解：因为单位路径损耗相等，所以，由（723）式得：,近端 远端比干扰 Rd2d1,克服远近效应的方法,让两个同时通信的移动终端具有足够大的信号隔离度，可以通过使用时分双工方案或扩频方案实现。是移动台具有自适应控制发送功率的能力，这可以通过闭环功率控制技术实现。一般，时分双工系统的远近效应相对不太严重，因此，可以降低功率控制的要求，采用开环功率控制。,(1)反向功率控制（也称上行链路功率控制）。要求使任一移动台无论处于什么位置上，其信号在到达基站的接收机时，都具有相同的电平，而且刚刚达到信干比要求的门限。开环功率控制：在移动台接收并测量基站发来的信号强度，并估计正向传输损耗，然后根据这种估计来调节移动台的反向发射功率。如果接收信号增强，就降低其发射功率；接收信号减弱，就增加其发射功率。,功率控制技术,功率控制的原则是：当信道的传播条件突然改善时，功率控制应作出快速反应(例如在几微秒时间内)，以防止信号突然增强而对其它用户产生附加干扰；相反，当传播条件突然变坏时，功率调整的速度可以相对慢一些。也就是说，宁愿单个用户的信号质量短时间恶化，也要防止许多用户都增大背景干扰。闭环功率控制：由基站检测来自移动台的信号强度，并根据测得的结果形成功率调整指令，通知移动台，使其调节发射功率。,(2)正向功率控制（也称下行链路功率控制）。要求是调整基站向移动台发射的功率，使任一移动台无论处于小区中的任何位置上，收到基站的信号电平都刚刚达到信干比所要求的门限值。可以避免基站向距离近的移动台辐射过大的信号功率，也可以防止或减少由于移动台进入传播条件恶劣或背景干扰过强的地区而发生误码率增大或通信质量下降的现象。,736 符号间干扰,数字传输系统实际情况中传输带宽都是有限的，同时加上接收滤波器、放大器、时延与多径传输、发射机和接收机之间的相对运动等的作用，则数字脉冲会扩宽和重叠，产生符号间干扰。改善方法：发射端采用脉冲成形技术，接收端采用信道自适应均衡技术。,系统间的干扰,一个地区，有很多个网络同时使用，对使用频率要进行有效配置。若使用1120频道，由于211202和2201129，所以229频道为保护区，另一个系统应避开此三阶互调保护区。,11,2,20,29,7.4从移动通信的组网方式分析传输干扰,移动通信网络有两种体制 一种是小容量的大区制 一种是大容量的小区制。一.大区制移动通信网 1.大区制？是指一个基站覆盖着整个通信服务区，也就是一个通信服务区（如一个城市）内只有一个基站负责移动通信的联络和控制。,大区制移动通信示意图,2.大区制特点 为了增大基站的覆盖范围，基站天线架设的很高，用户数1000以下应用，发射功率很大（一般为50 200 W左右），其覆盖半径为30 50 km.由于基站功率较大，而移动台的电池容量有限，通常输出功率较小，故移动台距离基站较远时，移动台可以收到基站发来的信号（即下行信号），但基站却收不到移动台发出的信号（即上行信号）。,为了解决上行信号较弱的问题（如远离基站或电波传播条件差时），在服务区内可增设若干外围接收站或称分集接收站。某些上行信号可通过分集接收站传到基站，以保证在服务区内的双向通信质量。为了避免相互间的干扰，服务区内所有频道（一个频道包含收、发一对频率）的频率都不能重复，比如：移动台MS1 使用了频率 f1 和 f2，那么另一个移动台MS2就不能再使用这对频率了.,二.小区制移动通信网,小区制称为“蜂窝式”。在空间上实现频率复用。所谓小区制是将整个服务区域划分为若干个半径为2 20 km 的小区域，每个小区域中设置一个基站，负责本小区内所有移动用户的联络和控制（无线通信）。同时，设置一个移动交换中心（MSC）统一控制这些基站协调地工作，实现小区之间移动用户通信的转接以及移动用户与市话用户的联系。,小区制移动通信示意图,小区制其特点是利用同频率再用技术提高了通信容量。图中是以每7个小区构成一个服务区又称为一个区群，同一区群内不能使用相同频率，不同区群间可以采用频率再用技术。一个区群包含的小区个数为复用因子，对于FDMA和TDMA蜂窝移动通信系统，带状服务区的小区的最小复用因子为2，面状服务区的小区的最小复用因子为3，而对于CDMA蜂窝移动通信系统的最小复用因子可以为1。,区群的组成,小区编号代表不同的频率组（即若干个频率构成一个频率组）。经过合理的配置，可以使相邻区群使用相同的频率，并且在传输时不会互相干扰。比如移动台A在第4区使用过的频道，可以在另一个区群中的第4区移动台B使用。这是由于不同区群间相同编号的小区相距较远，功率又小，所以使用相同频道基本不会相互干扰。,同频(信道)小区的距离,同信道小区的确定,r为小区的辐射半径(即正六边形外接圆的半径)N为区群内小区数,小区制体制存在一个问题：移动台在通话过程中，从一个小区切换另一个小区的概率增加了，因而移动台需要经常的更换工作频道。无线小区的范围越小，通话过程中转换频道的次数就越多，这样对控制交换功能的要求就提高了，再加上基站数量的增加，组网的成本提高，所以无线小区的范围也不宜过小。通常实际工程中，无线小区半径为110km。,越区切换的准则,越区切换示意图,带状服务区是指用户的分布呈带状（或条状）。例如铁路、长途、内河航运的无线电话系统等都是带状服务区。双频制：若采用不同信道组的两个小区组成一个区群，或称二信道组。,7.4.2.1 带状服务区的同频道干扰小区,三频制：若采用不同信道组的三个小区组成一个区群，或三频道组。同频道干扰：邻接小区使用相同信道而造成电磁波相互干扰。为了避免同频道干扰，带状服务区各邻接小区采用不同的信道组依次配置。,移动通信中，移动台经常处于运动状态，为了保证在小区的边缘通话也不发生中断，设计时应考虑两个相邻区域的连接处要有适当的重叠区。如果交迭过深，就会导致严重的同频干扰，例如，在双频制方式下，同频同频干扰最严重的区域，出现在小区的端点上，因为它距离产生同频干扰的基站最近。,设n 频制的带状服务区如图所示，a为相邻小区重叠宽度，r为每个小区覆盖半径，第n+1区与第1区为同频道小区。如果采用双频制，则第三小区与第一小区为同频道小区，其端点至产生同频干扰的最近基站即第三小区基站距离为（）。,n+1区,若第n+1区与第1区为同频道小区，其端点至产生同频干扰的最近基站即第n+1小区基站距离为(2n-1)r-na。按照平面大地干涉场理论，由于第n+1小区来的同频干扰信号电压UN与第1小区来的有用信号US之比可视为电波传播距离倒数的平方之比，故可得到以下公式：,在无重叠时，即a=0的情况下得：,当n=2时，,即对双频制，当输出信噪比为19dB左右时，还是可行的，只是交迭很窄（a0），将使服务区域内的可通率降低。信干比：,7.4.2.2 面状服务区的同频道干扰,面状服务区：当服务区不是呈条状而是一个宽广的平面。为讨论问题方便，假设整个服务区的地形平坦、地物相同，且基站采用全向天线，使基站辐射的覆盖区大体是一个圆形。无线小区的形状：若要使多个小区彼此邻接、无空隙、无重叠的覆盖整个服务区，常用圆内接正多形来近似。这些多边形，可能是正三角形、正方形或正六边形等。,面状服务区各种小区的形状,在覆盖同样面积的面状服务区时，究竟选那种形状好呢？从五个方面进行比较：,相邻小区的中心间隔 小区的有效面积 重叠区宽度及面积所需最少频道(信道)组个数 相邻的小区显然不能用相同的信道组，附近的若干小区也不能用相同的信道组，只有不同区群的小区才能进行信道再用。,需要最少频道组个数,（a）所示的最少需要6个信道组图（b）最少需要4个信道组,而图（c）仅需要3个信道组就可做到整个服务区中，相邻小区不使用相同信道组。,由以上分析可知，用正六边形无线小区相邻构成整个面状服务区是最好的。由于这种面状服务区的形状很象蜂窝，所以又称为蜂窝式网。7.5 移动通信在传输领域的应用移动通信对信号传输的贡献，已在1.2中进行了简介，如图1-5所示。在图1-5中可知，移动通信与微波通信、卫星通信不同，它不是用于中继干线的信号传输，而是用于用户无线接入部分的信号传输，通过移动通信系统可以实现语音、数据、图象等传输。,小 结,移动通信，就是通信的一方或双方是在移动中实现通信的。其中包括：移动台与移动台之间通信、移动台与固定台之间通信。移动通信的传输质量的好坏不仅受传输和应用的环境影响，还与移动通信系统所采用的传输频段、工作方式、多址技术、组网方式等有密切关系。按照通信状态和频率使用方法不同，移动通信有三种工作方式：单工制、半双工制和双工制。其中双工制是蜂窝电话系统的工作方式，分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）两种。,一般移动通信主要采用的是甚高频和特高频两个工作频段，目前大容量移动通信一般使用800MHz、900MHz频段和后来开发的1700-2300MHz，由低频往高频的发展是将来的趋势。目前用得最多的GSM系统采用的是900MHz频段，IS-95利用的800MHz频段，分配给第三代移动通信的是2GHz频段。,移动通信信道是随机时变的变参信道，移动信道具有衰落和损耗，噪声和干扰两大特征。衰落和损耗主要有阴影效应、大尺度衰落、多径效应和小尺度衰落等。噪声主要有内部热噪声和外部人为噪声。干扰主要有邻道干扰、同道干扰、互调干扰、远近效应和符号间干扰等。移动通信网的服务区域覆盖方式可分为大区制组网和小区制组网，现有的都是小区制的移动通信系统。,复习题,1、简述何谓移动通信。2、简述GSM移动通信系统的组成及其各部分的功能。3、指出移动通信的传输特点。4、介绍移动通信的工作方式。5、阐述频分双工（FDD）和时分双工（TDD）的区别和各自特点。6、叙述典型移动通信系统的主要工作频段。7、介绍产生阴影效应与多径效应的原因。8、解释Doppler频移、相干时间、迟延扩展、相干带宽。,9、给出按照多径信道特征参数的信道分类。10、简述噪声的分类和特性11、解释邻道干扰、同道干扰、互调干扰、远近效应和符号间干扰。12、简述大区制和小区制各自的优缺点。13、解释区群的概念。14、在带状网的小区结构中，如图7-24所示，若小区半径r=4km，要求 大于25dB，求三频组和四频组方式时，允许重迭区的最大深度a应是多少km？,三.小区分裂,小区制体制中，整个服务区中每个小区都是大小相同的，每个基站的信道数也是相同的。这只适用于用户密度均匀分布的情况。实际上，随着用户数不断增长，各小区用户密度不再相等。例如，城市中心商业区的用户密度大，市郊区用户密度小。如图8.18所示，市中心用户容量密度高的区域小区划得很小，即增加了单位面积内的信道数。,用户分布密度不等时的区域划分,小区分裂,