移动通信原理与工程

移动通信原理与工程 薛鸿忠 fzxuehz@fj163.com

上节课的主要内容回顾 • 关键技术 • 调制技术 • RAKE技术 • 分集技术 • 多用户检测技术无线网组成与功能

Company Logo • 2.1.基本电波传播机制 • 2.2. 噪声干扰 • 2.3. 关键技术 • 2.4. 无线网的组网第二章移动通信基本原理

蜂窝系统---“小区制”系统 - 将所要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在1-10km左右,在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。蜂窝分类 - 宏蜂窝 (Macro-cell) 2-20km - 微蜂窝 (Micro-cell) 0.4－2 km - 微微蜂窝 (Pico-cell) <400m - 分层蜂窝 (由多种蜂窝组成)

1、宏蜂窝小区 • 传统的蜂窝式网络由宏蜂窝小区构成，每小区的覆盖半径大多为1－25km。由于覆盖半径较大，所以基站的发射功率较强，一般在10W以上，天线也做得较高。 • 在实际的宏蜂窝内，通常存在着两种特殊的微小区域。一是“盲点”。由于网络漏覆盖或电波在传播过程中遇到障碍物而造成阴影区域等原因，使得该区域的信号强度极弱，通信质量严重低劣；二是“热点”。由于客观存在商业中心或交通要道等业务繁忙区域，造成空间业务负荷的不均匀分布。以上两“点”问题，往往通过设置直放站、分裂小区等办法来加以解决。小区分裂实质就是采用使宏基站变密的办法(即将覆盖面大的基站分裂成覆盖面较小的基站)来增加系统的容量，但当基站小到一定程度时，由于干扰和基站投入等问题，这种办法将难以再进行。

2、微蜂窝小区(microcell) • 微蜂窝字面上的意思是更小的小区, 微蜂窝技术是指采用小功率基站在小范围内解决网络容量、盲区覆盖等问题,微蜂窝小区是在宏蜂窝小区的基础上发展起来的一门技术。它的覆盖半径大约为30－300m；发射功率较小，一般在1w以下, 基站天线置于相对低的地方，如图2-15所示微蜂窝的天线要低于屋顶，如屋顶下方，高于地面5－10m，传播主要沿着街道的视线进行，这样使得微蜂窝的无线电波能覆盖到街道,信号在楼顶的泄漏小。因此，微蜂窝最初被用来加大无线电覆盖，消除宏蜂窝中的“盲点”。同时由于低发射功率的微蜂窝基站允许较小的频率复用距离，每个单元区域的信道数量较多，因此业务密度得到了巨大的增长，且射频干扰很低，将它安置在宏蜂窝的“热点”上，可满足该微小区域质量与容量两方面的要求。微蜂窝作为无线覆盖的补充，一般用于宏蜂窝覆盖不到又有较大话务量的地点，如地下会议室、娱乐室、地铁、隧道等。作为热点应用的场合一般是话务量比较集中的地区，如购物中心、娱乐中心、会议中心、商务楼、停车场等地。

微蜂窝的特点： • 提高容量,改善覆盖 • 微蜂窝可在传统宏蜂窝覆盖不到的地方(盲点)提供更好的覆盖 • 用于覆盖街道的小区有时能比宏蜂窝提供更好的建筑物穿透—和站点位置等有关 • 可采用室内蜂窝 • 微蜂窝可用于增加话务量快速增长区域的信道容量 • 提高频谱效率

分级蜂窝结构 • 而在话务重很高的商业街道等地则可采用多层网形式进行连续覆盖，即分级蜂窝结构：不同尺寸的小区重叠起来，不同发射功率的基站紧密相邻并同时存在，使得整个通信网络呈现出多层次的结构。相邻微蜂窝的切换部回到所在的宏蜂窝上，宏蜂窝的广域大功率覆盖可看成是宏蜂窝上层网络，而大量的微蜂窝则构成微蜂窝下层网络。

3、微微蜂窝小区 • 随着容量需求的进一步增长，运营者可按同一规则安装第3或第4层网络，即微微蜂窝小区，也称为皮蜂窝(Picocell)。微微蜂窝实质就是微蜂窝的一种，只是它的覆盖半径更小，一般只有10－30m；基站发射功率更小，大约为几十毫瓦；其无线一般装于建筑物内业务集中地点。微微蜂窝也是作为网络覆盖的一种补充形式而存在的，它主要用来解决商业中心、会议中心等室内“热点”的通信问题。在目前的蜂窝式移动通信系统中，主要通过在宏蜂窝下引入微蜂窝和微微蜂窝以提供更多的“内含”蜂窝，形成分级蜂窝结构，从而解决网络内的“盲点”和“热点”，提高网络的容量。 • 室内蜂窝覆盖，如图所示，可由微微蜂窝来实现室内覆盖，使每层楼都有自己的小区，使得移动台在楼层间移动时不会掉话。在网络已经用到微蜂窝来提高街道覆盖及容量的情况下，还可以进一步用皮蜂窝来提高容量，覆盖以及服务质量。

4、智能蜂窝 • 智能蜂窝，它是相对于智能天线而言的，是指基站采用具有高分辨阵列信号处理能力的自适应天线系统，智能地监测移动合所处的位置，并以一定的方式将确定的信号功率传递给移动台的蜂窝小区。智能大线利用数字信号处理技术，产生空间定向波束，使天线主波束对准用户信号到达方向，旁瓣或零限对准干扰信号到达方向，达到充分高效利用移动用户信号并抑制干扰信号的目的。同此，智能蜂窝小区的应用，必将极大地改善系统性能。 • 智能蜂窝将在以下几方面提高未来移动通信的系统性能：(1)扩大系统覆盖区域；(2)提高频谱利用率，增加系统容量；(3)降低基站发射功率，减少信号间干扰；(4)减少电磁环境污染；(5)节省系统成本。 • 智能蜂窝既可以是宏蜂窝，也可以是微蜂窝或微微蜂窝。这项技术正在研制过程中

1 1 2 3 2 1 1 6 4 2 1 1 1 6 5 1 1 7 1 1 蜂窝—频率复用方式 FDMA 频率复用 CDMA 频率复用

蜂窝在通信网的位置

2.4.2 无线子系统 • 无线子系统包括MS(移动站在3G中称为UE)和BSS(基站子系统)两大部分组成，如图所示，无线基站子系统BSS系统，是在一定的无线覆盖区中由MSC控制，与MS进行通信的系统设备，它主要负责完成无线发送接收和无线资源管理等功能。功能实体可分为基站控制器(BSC或RNC)和基站收发信台(BTS或NodeB)。其中WCDMA和TD－SCDMA 的叫法是RNC与NodeB。

BTS或NodeB：无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。这个部分将在下一章中详加工阐述。BTS或NodeB：无线接口设备，它完全由BSC控制，主要负责无线传输，完成无线与有线的转换、无线分集、无线信道加密、跳频等功能。这个部分将在下一章中详加工阐述。 • BSC(基站控制器)或RNC：具有对一个或多个BTS进行控制的功能，它主要负责无线接口的管理，无线网路资源的管理(包括无线信道的分配，释放)，小区配置数据管理、功率控制、定位和切换等，是个很强的无线资源控制点。功能：(1) 通过无线接口与移动台直接通信。完成无线信道的发送，接受和管理。(2)通过信令网与交换子系统直接相连，是移动台和MSS之间的桥梁。同时，受网络管理系统的控制。

无线网络包括三个接口： • Um(UU)：无线空中接口。定义为移动台MS与基站收发台BTS之间的通信接口，用于移动台与移动系统的固定部分之间的互通，其物理链接通过无线方式实现。该接口传递的信息包括无线资源管理，移动性管理、接续管理和用户数据等。这些信息由标准的各种无线逻辑信道来承载。 • Abis(Iu-b)：标准化的开放接口，接口定义为基站子系统的两个功能实体基站控制器BSC和基站收发信台(BTS)之间的通信接口，用于BTS与BSC之间的远端互连。 • A接口定义为网络子系统(NSS)与基站子系统(BSS)之间的通信接口，从系统的功能实体来说，就是移动业务交换中心(MSC)与基站控制器(BSC)之间的互连接口。此接口传递的信息包括移动台管理、基站管理、移动性管理和接续管理等。 • 移动系统的Um接口、A接口和Abis接口实现了高度标准化和开放性，不同厂家的手机、基站设备可以互连互通，有利于用户选购手机，运营商优化建设方案，降低网络建设成本。

2.4.3 无线网络的演进 无线网络的演进，整个演进过程大致可以分为四个阶段： • 第一阶段，即是现今广泛使用的无线网络，主要为话音应用设计，可以连接数据网络，提供低速数据业务。 • 第二阶段，提供基于IP的数据核心网络，支持更高的接口速率。运营商可以按照数据流量而不是时间来计算网络使用费用。 • 第三阶段，数据和话音业务运行在共同的包交换网络基础设施上。 • 第四阶段，实现了全IP核心网络上的无线和移动管理，提供了更加开放和灵活的体系结构，更大程度上降低了费用。

举一个CDMA2000标准的演进的例子来说明上述的具体演进方向，其它制式的移动系统都有相似的演进思路。CDMA系统从2G过渡到3G是一个长期的标准化过程，包括了下述几个阶段：举一个CDMA2000标准的演进的例子来说明上述的具体演进方向，其它制式的移动系统都有相似的演进思路。CDMA系统从2G过渡到3G是一个长期的标准化过程，包括了下述几个阶段： • 第一阶段：融合了IS-95 CDMA标准的cdmaONE系统 • IS-95A是cdmaONE系列标准中最先发布的标准，支持8K编码话音服务，最先在全球得到广泛商用。1998年2月，高通公司推出IS-95B标准，主要增加了对64kbps数据业务的支持。 • 第二阶段：过渡到cdma2000 1X。cdma2000 1X于1999年6月由ITU确立，被称之为2.75G移动通信系统，并将向cdma2000-1X-EV演进。主要特点是与IS-95A/B完全兼容，并可与IS-95B系统的频段共享或重叠。相对IS95话音容量增加一倍，并支持153.6kbps速率的数据业务和非对称业务。 • 第三阶段：升级到cdma2000 1X-EV-DO各后续版本。2006年底，CDMA2000 1xEV-DO版本A实现商用。版本A增强CDMA的IP功能，加强对延迟敏感并需要高带宽业务的支持，如IP语音(VOIP)和即时多媒体信息(IMM)。 • 第四阶段：后续的CDMA2000 1xEV-DO版本C标准将提供更高的数据传输速率、频谱效率以及低延迟，为丰富多媒体服务提供方案。版本C不仅可以将下行链路的峰值数据传输速率提高到200Mbps，还能大大提高扇区吞吐量。版本C将支持从1.25MHz到20MHz的灵活、动态的信道带宽延展，并后向兼容版本A和版本B。

Company Logo • 2.1.基站的基本原理与分类 • 2.3. 天馈线原理 • 2.4. 其它附属设备 • 2.2. 不同制式移动通信无线网主要原理第三章基站

3.1基站原理与分类 3.1.1 基站的基本原理基站属于移动通信网的无线接入网设备，是移动通信系统的重要组成部分。在GSM与CDMA系统中，基站收发信机(BTS，简称基站)与基站控制器(BSC)一起构成基站分系统(BSS)，在WCDMA和TD－SCDMA中基站称为Node，基站控制器被称为RNC，无线系统被称为UTRAN。基站提供无线小区(cell)，对无线覆盖区中的移动台提供无线接入，实现移动通信系统无线空中接口标准所定义的功能。基站由BSC(RNC)控制，主要负责无线传输，完成无线与有线信号传送方式的转换、实现无线分集、无线信道加密、跳频、码资源分配等诸多功能。在实际组网时，基站分布在不同的区域，完成对服务区的连续覆盖。基站通常不与基站控制器放置在同一个地点，它们之间采用标准的接口，通过传输系统完成用户信息和控制信息的双向传送。

不同制式移动通信系统的基站在结构上大致相同，如图所示，一般可分射频单元、功放与基带单元及配套附属设备等。射频单元完成两个方向上的射频信号处理：基站天线收到的上行信号，通过前端低噪声放大后，变换到中频放大，再经过解调恢复出基带信号供基带处理；对下行信号则经过上变频到射频信号，再由射频功率放大，经过天线发射出去。基带处理部分完成对收发的基带信号进行调制、解调，编码、解码。配套附属设备包括传输接口、电源等功能单元。不同制式移动通信系统的基站在结构上大致相同，如图所示，一般可分射频单元、功放与基带单元及配套附属设备等。射频单元完成两个方向上的射频信号处理：基站天线收到的上行信号，通过前端低噪声放大后，变换到中频放大，再经过解调恢复出基带信号供基带处理；对下行信号则经过上变频到射频信号，再由射频功率放大，经过天线发射出去。基带处理部分完成对收发的基带信号进行调制、解调，编码、解码。配套附属设备包括传输接口、电源等功能单元。

3.1.2 基站的分类 • 2.按设备类型分：宏蜂窝、微蜂窝、RRU和直放站。 • 。

信号源 光纤利用室外基站信号穿透室内分布系统建立室内信号分布系统 • 室外覆盖站 • 室内分布系统 • 1、按覆盖的天线所处位置分类 • 室外覆盖 • 室内覆盖(室内分布系统）

2、以扇区和方向为属性分类 • 定向站 • s11,S111,S22,S222等 • 全向站 • O1,O2 • 功分站 • 二功分站 • 三功分站 • OTSR(特殊的功分站) OTSR区别于全向天线为全向发送定向接收，即三个方向均使用相同的发射(相同的小区)，三个天线(扇区)接收同一个上行多径信号，再进行合并。

1 to 3 Optical cable Main unit RRU • 3、以设备类型分类定义：宏蜂窝是发射功率较大，覆盖距离较大的基站类型。微蜂窝是发射功率较小，覆盖距离较小的基站类型。 RRU是射频处理单元用光纤拉远的设备。直放站是射频信号用光纤拉远的设备。 • 宏蜂窝 • 微蜂窝 • RRU • 直放站光纤直放站/无线直放站

宏蜂窝,又分成室外型宏蜂窝和室内型宏蜂窝，宏蜂窝的特点是：功率大、信号穿透能力强、业务容量大，安全性高，可靠性强。主要作为组网的主力站型，承担主要的网络覆盖及业务吸收功能，适用于密集市区、市区、郊区/乡镇、农村等各类区域。宏蜂窝,又分成室外型宏蜂窝和室内型宏蜂窝，宏蜂窝的特点是：功率大、信号穿透能力强、业务容量大，安全性高，可靠性强。主要作为组网的主力站型，承担主要的网络覆盖及业务吸收功能，适用于密集市区、市区、郊区/乡镇、农村等各类区域。

微蜂窝的特点是：微蜂窝设备体积小、重量轻、安装方便灵活， 是作为宏蜂窝的补充和延伸。而表列出微基站的应用场合。

射频拉远(RRU)指通过光纤将射频单元拉到远端覆盖目标区域，同一基站的多个射频单元共享基带处理资源池以及主控时钟单元。RRU具备完整的基站功能，包括数字处理部分：传输控制、基带处理(扩频调制、编解码)；中射频处理部分：中频上下变频、射频上下变频、放大滤波等部分。射频部分通过光纤拉远，拉远的射频单元就构成软基站RRU。射频拉远(RRU)指通过光纤将射频单元拉到远端覆盖目标区域，同一基站的多个射频单元共享基带处理资源池以及主控时钟单元。RRU具备完整的基站功能，包括数字处理部分：传输控制、基带处理(扩频调制、编解码)；中射频处理部分：中频上下变频、射频上下变频、放大滤波等部分。射频部分通过光纤拉远，拉远的射频单元就构成软基站RRU。外壳 RRU BBU

RRU的特点是射频拉远体积小、重量轻，安装要求较普通基站低，无需空调，能有效降低选址难度和配套成本，可作为室内分布系统的信号源解决室内覆盖问题。目前一些厂家的RRU容量与功率做到与宏站一样的水平，因此还可在密集市区、市区业务热点地区解决站址选址困难，通过将基带处理单元放置于中心机房内，射频单元拉远到天线端以解决机房落实难的问题。同样在话务量低、覆盖范围广、建网效益低的偏远地区，使用射频拉远也能解决覆盖问题。更可利用沿途的光纤资源设置射频拉远解决一些主要交通公路、铁路等狭长地形的覆盖。由于RRU具有上述的优点目前倍受一些欧洲运营商的追捧RRU的特点是射频拉远体积小、重量轻，安装要求较普通基站低，无需空调，能有效降低选址难度和配套成本，可作为室内分布系统的信号源解决室内覆盖问题。目前一些厂家的RRU容量与功率做到与宏站一样的水平，因此还可在密集市区、市区业务热点地区解决站址选址困难，通过将基带处理单元放置于中心机房内，射频单元拉远到天线端以解决机房落实难的问题。同样在话务量低、覆盖范围广、建网效益低的偏远地区，使用射频拉远也能解决覆盖问题。更可利用沿途的光纤资源设置射频拉远解决一些主要交通公路、铁路等狭长地形的覆盖。由于RRU具有上述的优点目前倍受一些欧洲运营商的追捧

射频拉远技术的优势----有效减少机房数量 • 有效降低基础设施对移动网的制约，实现快速建网 • 大大减少基础设施投资，降低建网综合成本

直放站( Repeater ) 直放站（中继器）属于同频放大设备，基本功能就是一个射频信号功率增强器。直放站在下行链路中，由施主天线现有的覆盖区域中拾取信号，通过带通滤波器对带通外的信号进行极好的隔离，将滤波的信号经功放放大后再次发射到待覆盖区域。在上行链接路径中，覆盖区域内的移动台手机的信号以同样的工作方式由上行放大链路处理后发射到相应基站，从而达到基地站与手机的信号传递。直放站是为了消除移动通信网覆盖盲区或弱信号，延伸基站信号覆盖的一种中继设备，它能解决消除城市因受高楼大厦影响而产生的室外局部信号阴影区，地下停车场、地下隧道、商场、电梯等。

直放站与基站相比也有明显的不足，主要表现在：(1)不能增加系统容量。(2)引入直放站后，会给基站增加约3dB以上的噪音，使原基站工作环境恶化，覆盖半径减少。所以一个基站的一个扇区只能带两个以下的直放站工作。(3)CDMA直放站只能频分不能码分，一个直放站往往将多个基站或多个扇区的信号加以放大。引入过多的直放站后，导致基站短码相位混乱导频污染严重，优化工作困难，同时加大了不必要的软切换。(4)直放站的网管功能和设备检测功能远不如基站，当直放站出现问题后不易察觉。(5)由于受隔离度的要求限制，直放站的某些安装条件要比基站苛刻的多，使直放站的性能往往不能得到充分发挥。(6)如果直放让自激或直放站附近有干扰源，将对原网造成严重影响。由于直放站的工作天线较高，会将干扰的破坏作用大面积扩大，特别在CDMA系统，由于它是一个同频系统，周边的基站均有可能受到堵塞而瘫痪。直放站与基站相比也有明显的不足，主要表现在：(1)不能增加系统容量。(2)引入直放站后，会给基站增加约3dB以上的噪音，使原基站工作环境恶化，覆盖半径减少。所以一个基站的一个扇区只能带两个以下的直放站工作。(3)CDMA直放站只能频分不能码分，一个直放站往往将多个基站或多个扇区的信号加以放大。引入过多的直放站后，导致基站短码相位混乱导频污染严重，优化工作困难，同时加大了不必要的软切换。(4)直放站的网管功能和设备检测功能远不如基站，当直放站出现问题后不易察觉。(5)由于受隔离度的要求限制，直放站的某些安装条件要比基站苛刻的多，使直放站的性能往往不能得到充分发挥。(6)如果直放让自激或直放站附近有干扰源，将对原网造成严重影响。由于直放站的工作天线较高，会将干扰的破坏作用大面积扩大，特别在CDMA系统，由于它是一个同频系统，周边的基站均有可能受到堵塞而瘫痪。

直放站与RRU的区别：功能上属于主基站的射频远端模块，通过光纤与主基站相连接，RRU与主基站共享主基站的基带处理和主控时钟资源。直放站与RRU的区别：功能上属于主基站的射频远端模块，通过光纤与主基站相连接，RRU与主基站共享主基站的基带处理和主控时钟资源。

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