移动通信设计基础.ppt
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1、移动通信设计基础,一、无线通信基本原理二、规划设计流程三、基站站址选择和工艺要求,无线传播基本原理电波传播方式:,无线传播基本原理电波传播方式:,无线传播基本原理频谱划分,通常无线电波所指的是从极低频10KHz到极超高频的顶点300GHz(Giga Hertz)。通常划分成八个区域,参看下表:,移动通信系统中频段的划分为:,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。,无线传播基本原理频谱划分,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
2、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),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,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
3、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,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 空间分集 频率分集 极化分集 克服慢衰落的主要方法是
4、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: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:式中2。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,不同环境下的取值范围:,无线传播环境传播损耗,电波传播受地形结构
5、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,无线传播环境传播损耗,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
6、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为基站天线高度补偿修正系数;K4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为基站天线有效高度(m);K4(Diffraction)为有障碍物阻挡时的绕射路径损耗;Kclutter为地貌衰减系数(d
7、B);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。,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,蜂窝系统概念,引入蜂窝概念是无线移动通信的重大突破,其主
8、要目的是为了在有限的频谱资源上提供更多的移动电话用户服务。蜂窝的主要特点:通过控制发射功率使得频谱资源在一个大区的不同小区间重复利用,通过将小区划分成更小的小区的方法(小区分裂)来增大系统的容量。,蜂窝系统在几何上可以看出由六边形组成。形同蜂窝。频率再用距离:D小区半径:R频率再用因子:QD/R不同多址体制的Q值:FDMA,Q7TDMA,Q3或4CDMA,Q1,网络结构,网络结构,网络结构,BTS,BSC,MSC/VLR,BSC,其它MSC,BTS,BTS,BTS,A接口,Abis接口,Um接口,1:鉴权,2:确认,3:登记,4:业务权限,HLR/AC,网络结构3G,网络结构3G,功能上,3G
9、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。,移动通信发展简史,AMPS,TACS,NMT,其它,GSM,CDMA,IS95,第一代 80年代,模拟,第二代 90年代,数字,第三代,IMT-2000,WCDMA,CDMA,2000,模,拟,技,术,数,字,技,术,语,音,业,务,宽,带,业,务,TD-SCDMA,
10、DAMPS,第2.5代21世纪初,GPRS,CDMA1X,数,据,业,务,数据,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。,传统多址技术,FDMA:Frequency Division Multiple Access频分多址TDMA:Time Division Multiple Access时分多址,FDMAFDMA信道每次只能传递一路电话,如果一个FDMA信道被分配为话
11、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,TDMA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
12、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,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。,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
13、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=nT/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
14、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
15、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dBddBi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),c)覆盖
16、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,d)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)e)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。,一、无线通信基本原理二、规划设计流程三、基站站址选择和工艺要求,规划准备无线初规划站址选取网络详细规划编写规划/设计文本,网络规划流程,规划准备,规划准备分为网络发展规划和相关数据收集两部分,是无线网络规划的前提,即调研阶段,网络发展规划数据(1
17、)移动通信市场发展预测 了解移动通信市场现状,预测未来的发展趋势,包括用户 数和业务发展,以及提出建设单位的市场发展目标。(2)覆盖目标 不同地区、环境的覆盖目标,做好覆盖、容量、质量和经济成本之间的 平衡。明确网络的覆盖深度要求,覆盖面积,覆盖地区,覆盖用户,有 效覆盖率。(3)容量目标、质量目标、成本目标(4)市场定位(5)建网思路及原则,相关数据(1)运营商现有的可用资源 包括机房、铁塔、传输、电源、配套、人力等资源。(2)竞争对手移动网络现状 其它运营商网络的覆盖、容量和质量;其它运营商的用户数、用户增长 情况、用户使用业务情况、用户资费水平、最稳定的用户群、不稳定的 用户群等信息,进
18、行市场需求分析(3)地区/人口/经济 地区的面积,人口的分布,各地区的经济发展水平,交通干线,旅游景 点,宾馆酒店,购物娱乐场所,特殊建筑物(4)与容量相关数据 各区域业务类型、业务密度、话务分布情况等,(5)与覆盖相关数据 覆盖地区、区域类型、传播条件等信息(6)话务模型(7)厂家设备及系统参数(8)准备勘察测试工具(9)编制调研表、基站勘察表、基站选址要求(10)确定实施步骤、估算工作量、确定人员及分工、工作进 度安排,初规划初始布局,站址选取,基站的选址是无线网规划设计的关键。相对于其它移动通信系统,基站设置的合理性对于WCDMA系统来说显得尤为重要,它关系到无线网络运营的实际效果、设备
19、利用率及投产后的社会效益及经济效益。选址获取信息:(1)初步确定基站相关信息 初步确定站点具体地理位置、站点坐标、天线类型、天线方位角、天线下倾角、天线高度、机房所在楼层、机房面积、是否共站、天面安装天线条件、电缆大致长度等信息。(2)机房、铁塔、施工的可行性(3)基站周围人口及建筑分布情况(4)视距范围内其它基站距离,包括本建设单位基站和其它基站(5)建站的传输、电源等配套可行性情况,基站选点流程,详细规划仿真,编制规划/设计文本,规划/可研/设计文本相关内容 1、区域划分 2、基站分期建设规模 3、市区重点覆盖情况 4、乡镇基站设置情况 5、交通干线基站设置情况 6、旅游景点基站设置情况
20、7、室内分布建设情况 8、基站设置方案仿真结果 9、其它相关内容,一、无线通信基本原理二、规划设计流程三、基站站址选择和工艺要求,前言,基站选址隶属网络规划范畴,从网络能力预测到工程详细设计,其结果直接影响到网络质量;基站选址是否合理,对通信项目的建设经济性和建成后的生产效益,起着举足轻重的作用,也直接反映了设计质量的好坏和水平的高低,是立足通信设计市场的重要因素。,基站选址勘察流程勘察信息记录内容现场勘察注意事项机房和铁塔工艺要求,基站选址勘察流程,勘察前的准备工作,1、用户咨询市场需求 了解当地人口、经济的情况,市场、用户需求和竞争对手情况等通信分布特点 热点分布 区域性特征 了解本期工程
21、的规模等情况2、竞争对手网络现状分析及数据分析数据收集 应尽量收集竞争对手的数据,如竞争对手站址,话务量分布,网络质量等方面的内容作为基站选址的参考数据分析 业务分析 话务热点根据容量预测、话务分布、覆盖要求等条件,估算所需基站数量,3、了解勘察区域的地形地势的特点4、覆盖模型校正 采用集中系数方法,用选择传播模型的系数,确定覆盖区域的传播模型 CW测试。取得各地各种无线传播环境下的传播模型参数,对规划软件进行传播模型调校,提高计算机仿真的准确度;电测结合链路预算,得到基站站间距的参考范围,直接指导规划。5、了解本期工程的设备情况 包括基站设备、传输设备和电源设备等的尺寸、工作环境数据,使基站
22、选址有更好的目的性,6、落实勘察行程时间:人员:最好为对当地地形、人口分布状况、经济水平较为了解的工程人员协助勘查 路线:合理安排勘查路线,尽量安排当天所勘查基站在一条路线上,少走重复路,回头路7、准备勘察资料用户咨询报告网络现状及话务分析结果文档勘察信息填注表当地地图:市区图、行政区域图或军用地图,8、准备勘察工具必备:GPS 指北针 皮尺 钢卷尺 数码相机,现场调查,1、待覆盖区域的人口、经济状况及其分布 2、话务热点分布情况3、周边基站的分布、覆盖现状(其它运营商的网络),4、干扰情况调查(扫频)对可能对系统信号产生干扰的信号源定位,了解干扰源性质,确认隔离距离 5、基站环境调查 基站所
23、在地周围开阔程度、平坦程度、地形地貌情况、主要话务区、话务区与天线之间的落差;尤其对基站周围方圆1公里(乡村5公里)内的阻挡物(高大建筑或山体等)需描述,如平均楼层层数,高楼密集程度,山高,山体延伸方向等,对于视力范围内可见的阻挡物必须估测大致距离和方向(与正北方向的夹角)。,6、建设条件调查土质场地环保电源引入传输方式,7、租赁或购置机房调查建筑物结构建筑承重可用通信场地可用建筑施工范围,8、天线安装条件调查(天线挂高,扇区方向,倾角,隔离,防雷接地,分集要求)9、干扰情况调查(寻呼台、雷达站、其他通信 系统站)10、社会环境及环保调查(学校、居民小区等)11、工程协调意见配合厂家 土建单位
24、 铁塔厂 租赁或购置机房所属产权人,基站选址勘察流程,选择依据前期咨询、分析报告现场调查结果参照执行相关规范,站址选择,按无线传播环境分类,密集市区,一般市区,郊区、乡镇,农村,覆盖区域划分-按地形地貌特征分类,站址选择,明确覆盖区的覆盖目的市区:考虑网络覆盖的同时还要考虑容量的需求 郊区、县城、发达乡镇:选择合理的设站位置,做到以最少基站解决覆盖和容量的需要 农村、广覆盖区域:话务量相对较低,以解决覆盖为主目的,选择合理的站型 公路、国道、铁路等交通干线,站址选择,站址选择,站址选择的一般步骤1、首先,前期应该针对上述地形地貌进行必要的传播模型校正,确定几类传播模型和典型数据2、结合当地经济
25、、人口情况判断是否具备建站条件,确定是否需要新增基站3、依据现场调查结果对当地地形地貌进行分析,确认可以适用的传播模型,提取相关参考数据,站址选择,站址选择的一般步骤4、依据网络覆盖现状分析是否可以通过网优方式解决问题,可以则取消建站计划5、对待建站点,参照典型数据,结合现场地形地物分布,估计能否达到覆盖效果,确定该站址是否满足通信需求6、根据现场调查工程施工因素判断该站址是否满足工程施工条件,站址选择,站址选择的一般步骤7、是否符合通信工艺规范要求8、确认站址,站址选择,站址选择原则 基站选址对整个无线网络的质量和发展有着重要的影响,站址布局是整个无线网络质量的基础,因此在选址时应全面考虑各
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