【网络通信】无线通信原理.pdf

无线通信原理 无线通信原理 2003 年 8 月 I无线通信原理 1无线信道.1 11 自由空间无线电波传播.1 12 移动通信的电波传播特点.1 13 移动通信电波传播特性.2 131 短期（快）衰落.3 132 长期（慢）衰落.6 133 衰落特性.6 14 电波传播损耗预测模型.6 141 Okumura-Hata模型.7 142 COST231 Walfisch-Ikegami模型.9 15 覆盖设计.10 151 传播模型的选用及修正.11 151 基站覆盖预测.11 153 功率控制.14 2分集技术.15 21 分集技术的概念.15 22 分集技术的分类.15 23 显分集技术.15 231 空间分集.15 232 极化分集.16 24 显分集的合并技术.18 241 信号合并准则.18 242 最大信噪比准则下的信号合并方法.18 25 隐分集技术.19 3无线通信多址技术.21 31 多址技术概述.21 32 频分多址.21 33 时分多址.22 34 码分多址.22 35 扩频技术.25 36 空分多址.27 4无线通信中的资源分配原理及算法举例.31 41 蜂窝的概念.31 42 以GSM为例介绍FCA.31 43 PHS无线市话的频率使用.33 431 频率分配.33 432 PHS 频率指配.35 44 多信道共用技术.35 45 微蜂窝与信道动态分配技术.38 II无线通信原理 5语音编码技术.41 51 概述.41 52 脉冲编码调制.43 521 脉冲编码调制（PCM）技术.43 522 自适应差分脉冲编码调制(ADPCM).48 6PHS通信系统中的基本调制技术.51 61 调制技术概述.51 62/4-QPSK调制.52 63 衰落和干扰中/4-DQPSK的性能.53 7天线.56 71 天线电指标的定义.56 72 天线的高度和间距.59 73 PAS天线选择.60 74 ZXPCS基站天线说明.62 741 天线电性能技术指标.62 742 天线环境性能指标.63 8OSI 7 层结构简介.65 81 物理层.66 82 数据链路层.67 83 网络层.68 84 PHS空中接口协议栈.69 附录.71 1双共技术.71 2单位换算.71 3缩略语.72 III无线通信原理 1无线信道无线信道 移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约。无线信道不像有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地形、地物，甚至移动台的速度也会对信号电平的衰落产生影响。因此，要对无线信道进行控制和预测是非常困难的。11 自由空间无线电波传播自由空间无线电波传播 自由空间是指相对介电常数和相对导磁率都为 1 的均匀介质所存在的空间，它是一个理想的无限大的空间，是为简化问题研究而提出的一种科学抽象。自由空间无线电波传播，仅考虑由能量扩散引起的损耗，即接收机和发射机之间是无任何阻挡的视距路径时，传播损耗可以按以下步骤推导：图 1-1 所示的自由空间中，设在原点O 有一辐射源，均匀地向各方向辐射，辐射功率为 Pt，则距辐射源 d 处的能流密度为：24 dPSt=若接收天线有效面积为DA42=,式中为工作波长，D 为天线的方向性系数，对于各向同性的天线 D=1，则接收机输入功率222)4(dPASPtr=图 1-1 自由空间的传播损耗 通常定义发射功率与接收功率的比值为传播损耗。所以，自由空间传播损耗可写作：2220)4(dL=用对数形式表示，把波长换成频率，得到自由空间的传播衰减公式如下：Lo=32.45+20lgf+20lgd(dB)式中，d 单位为 km，f 单位为 MHz。考虑到发射天线的增益Gt和接收天线的增益Gr，则系统传输损耗应为：Lo=32.45+20lgf+20lgdGtdBGrdB 12 移动通信的电波传播特点移动通信的电波传播特点 一个移动通信系统质量的好坏，在很大程度上取决于无线传输质量的好坏。而移动通信靠的是无线电波的传播，因此，我们必须了解和掌握移动通信环境中无线电波传播的基本特点。典型的移动通信环境中，电波传播的主要特点可归纳如下：1）传播环境复杂 2）移动通信系统工作在 VHF 和 UHF 两个频段(303000MHz)，电波以直射方式（即所谓的“视距”方式）在低层大气中传播。由于低层大气并下是均匀介质，会产生折射和吸收现象，而且在传输路径上遇到各种障碍物还可能产生反射、绕射和散射等，如图 1-2 所示。1无线通信原理 图 1-2 无线传播现象 当电磁波遇到比波长大得多的物体时，就会发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面等光滑界面处。当接收机和发射机之间的传播路径被尖利的边缘阻挡时，电磁波就会发生绕射。由于绕射，电磁波可越过障碍物到达接收天线。即使收发天线间不存在视线路径，接收天线仍然可以接收到电磁信号。当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，就会发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引发散射。另外，一台位于外面的发射机在建筑物内被接收到的信号场强，对于无线系统来说是非常重要的。无线信号透射能力是频率及建筑物高度的函数。测试报告显示随着频率或建筑物高度的增加信号透射能力增加，即建筑物内接收信号场强增加。因此，地形、地物、地质以及地球的曲率半径等都会对电波的传播造成影响。我国地域辽阔，地形复杂、多样，其中五分之四为山区和半山区，即使在平原地区的大城市中，由于高楼林立也使电波传播变得十分复杂。2）信号衰落严重一个典型的移动通信系统，用户的接入都是通过移动台与基站间的无线链路，无线电波的传播在通信的过程中始终受移动台周围物体的影响，因此移动台收到的信号是由多个反射波和直射波组成的多径信号。多径信号造成的结果是信号严重衰落，也就是说，移动通信必须克服衰落的影响。2）传播环境不断变化 移动通信的信道是变参信道。引起电波传播环境变化的因素有很多，主要因素是由于移动台处于移动状态，周围的地形、地物等总在不断变化。另外，城市建设的不断变化对移动通信的电波传播环境也有影响。3）环境被电磁噪声污染 传播环境本身是一个被电磁噪声污染的环境，而且这种污染日益严重。电磁噪声污染包括由汽车点火系统、工业电磁污染以及蓬勃发展的广播、无线通信的干扰等因素造成。以上这些电波传播特点都会在实际中增加移动通信无线网络规划的难度。13 移动通信电波传播特性移动通信电波传播特性 通过前面的学习，我们知道在任何一点接收到的信号是由大量的建筑物或树木、山丘反射来的电波叠加而成的。这些电波虽然都是从一个天线辐射出来的，但由于到达接收天线的 2无线通信原理 路径不同，故其相位是随机的，从而导致合成信号的幅度急剧变化，即产生了衰落，图 1-3给出了实测场强变化曲线。图 1-3 场强测试曲线 由上图可见，场强特性曲线的瞬时值呈快速变化，我们将这种变化称为短期（快）衰落，而场强特性曲线的中值呈慢速变化，故称为长期（慢）衰落，下面我们分别加以讨论。131 短期（快）衰落短期（快）衰落 短期衰落是由多径传播和移动台运动引起的，所以也称多径衰落。1）多径衰落（1）场强中值变化分布 为了说明场强瞬时值的变化，引入瑞利（Rayleigh）分布密度函数。在多径传播中，假设有 N 个多径信道，它们彼此相互独立且没有一个信道的信号占支配地位，即没有直射波信号，仅有许多反射波信号，接收到的信号包络的衰落变化服从瑞利分布。其概率密度函数为：=)0(0)0()2exp()(222rrrrrp 其中，r 和分别包络检波之前所接收的电压信号的幅度和均方值。图 1-4 示意了瑞利概率密度函数。不超过某特定值 R 的接收信号的包络由相应的累积概率函数给出：()()()=2202exp1RdrrpRrPRPR 满足的r5.0)(=mrrPm值称为信号包络样本区间的中值，由上式可以求出rm=1.177。3无线通信原理 P(r)0.6065/0 rm 2 3 4 5 r 图 1-4 瑞利分布的概率密度函数 在移动通信中，如果存在了一个起支配作用的直达波（未受衰落影响）时，接收端接收信号的包络为莱斯（Ricean）分布。其概率密度函数为：hr情况下 Lbsh=0 hbhr情况下 ka=540.8 hb hbhr,d500m情况下 ka=541.6hb hbhr,d500m情况下 kd=18 hbhr情况下 kd=1815hb/hm hbhr情况下 kf=4+0.7(fc/9251)中等城市和具有中等树木密度的郊区 kf=4+1.5(fc/9251)大城市市中心 使用该模型进行计算时可以取下述默认值：b=2050m W=b/2=90 斜顶房屋屋顶=3m，平顶房屋屋顶=0m。hr=3（楼层数量）+屋顶 15 覆盖设计覆盖设计 10无线通信原理 基站覆盖是小区规划中最重要的内容之一。规划和设计一个移动通信网时，最重要的是必须了解无线覆盖区内每个接收点的接收信号强度、质量和它的波动变化情况，从而预测出基站的覆盖和干扰电平，以便为用户提供一个满意的服务区。在此我们简单介绍覆盖设计的要点。151 传播模型的选用及修正传播模型的选用及修正 我们已经讨论了电波传播及传播模型等问题。基站覆盖设计，必须掌握移动通信环境中电波传播的这些特点，并且与当地的传播条件密切结合，建立与之相适应的数学模型，才能作好无线网路规划工作。下面是对移动通信网络规划中常用的两种传播模型的比较。这些模型已在前面进行了较详细的讨论。之所以进行这种比较，是因为各种模型在实际应用中，都有一定的局限性和存在各种各样的不足。表 1-1 常用传播模型的比较 传播模型 应用范围 预测范围 表达式 比较 Okumura-Hata 150-1500MHz hb：30200m hm：110m 120km LM=69.55+26.16lgf-13.82 lghb-a(hm)+(44.9-6.55 lghb)lgd 基站密度大时预测值偏高 COST231 Walfisch-Ikegami 800-2000MHz hb：450m hm：l3m 0.025km LM=L0+Lrts+Lms 考虑地形及地面要素不足，预测精度不高 上述传播模型在进行预测时都会存在误差，这是由于各地的传播环境不同而造成，再加上我国幅员辽阔、地形复杂多样，各地传播环境千差万别，如果不作修正，照搬经验公式，则可能产生较大的偏差，因此应用时，除选择适合本地环境的模型外还必须对其加以修正，通过对模型的修正，来提高预测的精度。修正是采用实地测试，通过测试获得进行模型校正的数据，然后用测试结果进行修正模型中相关的参数，以使预测结果更接近于当地的实际情况。151 基站覆盖预测基站覆盖预测 如前所述，规划移动通信网最重要的工作是为用户提供一个满意的无线服务区。站在移动用户的角度，希望网络在任何时间、任何地点都能提供服务，完成通信。因此在规划中根据用户需求对基站覆盖区域作出预测，检验覆盖范围和覆盖区内质量是否达到预期目标，覆盖区内是否还有“盲区”，是否存在由于邻小区场强过高，交叉覆盖造成的“孤岛”。另外，也可以通过小区覆盖，检查切换区是否分布在高话务密度区域。基站的覆盖主要和下列因素有关：使用的频率、服务质量要求、发射机输出功率、接收机可用灵敏度、使用的天馈线、通信地点的传播环境、选用的传播模型等。覆盖预测是将已选择的基站站址和参数输入规划软件，由计算机仿真来完成。应该指出的是，目前任何覆盖预测都很难作到准确无误地与实际情况相吻合，而总会与实际情况存在一定的误差，因此，在网络建成后，都要通过路测对规划进行检验，并针对路测中发现的规划中的不足，进行网络调整和优化。移动通信中，由于接收场强变动，接收机输入信噪比也是变动的，因此在无线链路的工程设计上必须留有一定的余量，才能确保服务区内规定的可靠通信概率。如果在覆盖区的边缘，接收机可能收到的信号电平只能保证其等于接收机所要求的动态的最低保护电平，也就是说，系统余量为 0，则表示通信概率为 50%；若系统余量大于 0，则通信概率大于 50%，反之则小于 50%。11无线通信原理 回顾我们前面所讲的移动通信电波传播特性，知道信号场强的变化规律近似服从瑞利分布，将系统余量与通信概率间的关系画于图 1-8 中。P(r)系统余量 通信概率 0 Pmin rm r 图 1-8 通信概率 有图可见，系统余量的大小取决于可靠通信概率相应的信号变动幅度的大小。换言之，接收机要求输入的最低保护电平 Pmin和系统余量的大小决定了可靠的通信概率。表 1-2 给出了接收机输入端射频信号电平的最低容限值(Prmin)表 1-2 接收机输入端射频信号电平的最低容限值(Prmin)情况 适 用 条 件 RF 信号测试点电平最低容限 dBm 测 试 条 件 1 大城市市区，高层建筑物一层室内，手机接收-70 收 端 发 端 2 小卧车内、市区一般建筑物一层室内，手机接收-80 3 市区有车顶天线的车载台，车载台收，市区室外-92 4 室外屋顶或塔上的基地台，基地台收，市区 -92 建筑物室外 道路中间车外 标准接收机 天线在有一定高度的建筑物或铁塔上，天线和发射机具有一定的精度和稳定度并经过校正 表 1-2 中，接收机输入端射频信号电平的最低容限值 Prmin 考虑的因素是：情况 1，手机接收灵敏度-102dBm，快衰落保护 3dB，慢衰落保护 7dB，建筑物穿透损耗-18dB，干扰噪声 2dB，环境噪声保护 2dB。情况 2，手机接收灵敏度-102dBm，快衰落保护 3dB，慢衰落保护 5dB，建筑物穿透损耗-10dB，干扰噪声 2dB，环境噪声保护 2dB。情况 3，车载台接收灵敏度-104dBm，快衰落保护 3dB，慢衰落保护 5dB，干扰噪声 2dB，环境噪声保护 2dB，对农村地区保护可减少 2dB。情况 4，基站接收灵敏度-104dBm，快衰落保护 3dB，慢衰落保护 5dB，干扰噪声 2dB，环境噪声保护 2dB，对农村地区保护可减少 2dB。当上述覆盖预测在某些地区不满足要求时，可以通过调整该地区基站参数、站址等，直到达到预期目标。据我国技术体制，基站覆盖区可以定义为移动台接收信号强度高于设计值 90%以上的区域。在基站覆盖区内，移动通信是一个双向的通信系统，从基站到移动台称为“下行链路”，12无线通信原理 从移动台到基站称为“上行链路”。为了保证通信，必需满足双向间的移动台和基站最低接收灵敏度的要求，由于基站和移动台发射功率、接收灵敏度不相同，因此在系统仿真之前，必须首先进行系统均衡，以避免系统增加额外的干扰和成本。GSM 系统上下行信号平衡是获得满意通信质量的关键问题之一。GSM 系统的无线链路分上行和下行两个方向，实际的覆盖范围应由信号较弱的方向决定，如果上行信号覆盖大于下行信号覆盖，那么小区边缘下行信号较弱，容易被其它小区的强信号“淹没”；如果下行信号覆盖大于上行信号覆盖，那么移动台被迫守候在强信号下，但上行信号太弱，话音质量不好。当然，上下行功率平衡并不意味着绝对相等。链路预算应考虑到上行与下行的增益和损耗、系统和传播参数等，这些因素将示于图1-9 中。图 1-9 上下行链路示意图 图中，Poutb基站发射机天线前端功率 Pinb基站接收机天线前端功率 Lcb天线共用器损耗 Lfb馈线损耗 Gab基站天线增益 Gdb接收机分集增益 Lp空间损耗 Pinm移动台接收电平 Gam移动台天线增益 Poutm移动台发射电平 Mf衰落余量 所以，下行链路：Pinm+Mf=PoutbLcbLfb+GabLp+Gam上行链路：Pinb+Mf=Poutm+GamLp+GabLfb+Gdb两式比较：PinmPinb=PoutbPoutmLcbGdb设移动台接收机最小输入电平Pinm=102dBm 基站接收机最小输入电平Pinb=106dBm 基站天线共用器损耗Lcb=5dB 基站接收机分集接收增益Gdb=2dB 移动台发射功率Poutm=2w(33dBm)则上下行链路平衡Poutb=44dBm(31w)13无线通信原理 153 功率控制功率控制 在实际的蜂窝无线电和个人通信系统中，每个用户所发射的功率一直是在当前服务基站的控制之下。这是为了保证每个用户所发射的功率都是所需的最小功率，以保持反向信道中链路的良好质量。功率控制不仅有助于延长用户的电池寿命，而且可以显著地减小系统中反向信道的信噪比 S/I。所谓功率控制是指基站和移动台所发射功率不像传统的一直不变或分几档变化的做法，而是根据需要时刻在变化。移动台的发射功率被控制在既有足够的强度使基站能维持良好的通信质量，又能保证对其他移动台的干扰局限在最小的范围之内。在 CDMA 系统中，由于同一个 CDMA 频道在各小区重复使用，各移动台使用相同的频率，因此各移动台和各基站之间的相互干扰是限制系统容量的一个最重要的因素。在保证通信质量的前提下，发射功率越小，相互干扰就越小，系统容量也就越大。对于基站来说，各移动台到达基站输入端的平均功率相等时，系统容量达到最大。由于移动环境的变化，信号在传输过程中的损耗时刻在变化，为了使到达接收端的功率保持不变，就要求采取动态功率控制的方式来不断地调整基站和移动台的发射功率。无论是模拟频分、数字时分移动通信系统，还是码分移动通信系统，远近效应总是存在 的。所谓远近效应是指距接收机近的用户对距离远的用户的干扰。在 CDMA 数字移动通信系统中，在同一蜂窝（或扇区）的各用户使用的是同一频率，共享一个无线频道，由于路途损耗的原因，距基站近的移动台所发射的信号有可能完全淹没距离运（例如处于蜂窝区边缘）的移动台所发送来的信号。而在模拟频分多址和数字时分多址移动通信系统中，由于各信道使用不同的频率或时隙，并且各信道之间有相应的保护带宽或保护时间，远近效应问题不太突出。在 CDMA 系统中，当前为解决这个问题所采取的措施是功率控制方法。14无线通信原理 2分集技术分集技术 多路经传播的信号到达接收机输入端，形成幅度衰落、时延扩展及多卜勒频谱扩展，将导致数字信号的高误码率，严重影响通信质量。为了提高系统的抗多径的性能，一个有效的方法是对信号的分集接收。21 分集技术的概念分集技术的概念 我们知道，如果一条无线传播路径中的信号经历了深度衰落，而另一条相对独立的路径中仍可能包含较强的信号。所以，可以在多径信号中选择两个或两个以上的信号，这样对接收机的瞬时信噪比和平均信噪比都有提高。分集技术的基本思想是：将接收到的多径信号分离成不相关的（独立的）多路信号，然后将这些多路分离信号的能量按一定规则合并起来，使接收的有用信号能量最大，从而提高接收端的信噪功率比，对数字信号而言，使误码率最小。因此，分集技术应包括两个方面：1）如何把接收的多径信号分离出来，使其互不相关；2）将分离出的多径信号怎样合并起来，获得最大的信噪比的收益。22 分集技术的分类分集技术的分类 分集技术充分利用传输中的多径信号能量来改善传输的可靠性。为了在接收端得到几乎相互独立的不同路径，可以从空域、频域和时域的不同角度、用不同的方法来加以实现。分集技术有多种分类形式：1）依分集的目的分类（1）宏观分集：抗长期（慢）衰落为目的；（2）微观分集：抗短期（快）衰落为目的。2）依信号传输的方式分类（1）显分集：构成明显分集信号的传输方式，多指利用多付天线接收信号的分集，它包括空间分集、极化分集、时间分集、频率分集和角度分集等。（2）隐分集：分集作用隐含在传输信号之中的方式，在接收端利用信号处理技术实现分集。下面我们将介绍各种分集技术的实现方法。23 显分集技术显分集技术 231 空间分集空间分集 空间分集，是利用在空间相隔一定距离的多付天线接收信号来实现分集的。在移动通信中，空间的任何变化都可能引发场强的变化。一般空间的间距越大，多径传播的差异也越大，接收场强的相关性就越小。因此，在接收端利用天线在不同位置或不同方向上接收到的信号相关性极小的特点，在若干支路上接收载有同一信息的信号，然后通过合并技术再将各个支路信号合并输出，以实现抗衰落的功能。空间分集的基本做法是在基站的接收端使用两付相隔一定距离的天线对上行信号进行接收，这两付天线分别称为接收天线和分集接收天线，其中接收天线可以与发射天线分别设置，也可以与发射天线合二为一，即收、发共用一付天线。他们的基本结构分别如图 2-1 所示。15无线通信原理 图 2-1 空间分集示意图 左图为基站天线设备示意图，右图为采用三扇区定向天线的基站天线分布俯视图。图中给出的是发射和接收共用一付天线 Tx/RxA，RxB 为分集接收天线。为了保证分集效果，接收天线和分集接收天线之间必须保持一定的空间间隔，称为分集天线间的距离 D。理想情况下，D 为/2 就足以保证各支路接收的信号是不相关的，但在实际系统中，D 要视地形地物等具体情况而定，通常根据参数、天线高度 h，来设计分集天线间的距离 D：D=h/式中，参数在 900MHz 时取 10，在 1800MHz 时取 20；在工程设计中，大多数基站天线高度一般在 2550 米之间，因此分集天线间的距离大约在 3.5 米4.5 米之间。空间分集除了可以获得抗衰落的分集增益外，还可获得 3.5dB 左右的设备增益。232 极化分集极化分集 极化分集是利用垂直/水平极化的正交性来进行两路分集的。在移动环境中，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现互不相关衰落特性，利用这一特性，在发端同一地位置分别装上垂直极化和水平极化天线，就可得到两路衰落特性不相关的信号。下图中分别给出了收发天线分别设置和收发共用一付天线时极化分集的基本结构示意图。16无线通信原理 图 2-2 极化分集示意图 极化分集是用同一频率携带两种不同极化方式的信号，来获取分集增益。现在普遍使用的双极化天线就是极化分集天线，它是把两付采用45正交极化阵子合成一付天线。它的最大优点是节省安装空间，尤其适用于城市高话务密度区的基站，需要安装 GSM900、GSM1800 或更多付天线的场合。极化分集的增益低于空间分集，一般为 11.5dB 左右。233 时间分集时间分集 时间分集指将信源比特分散到不同的时间段中发射出去。这样做可以是在出现深衰落或突发干扰时，来自信源比特流中的码位不会被同时干扰。（1）对于一个随机衰落的信号，当取样间隔时间足够大时，两个样点间的衰落是互不相关的，利用这一特性可构成时间分集。（2）将待发送的信号每隔一定时间间隔（大于时间相关区域T）重复发送，在接收端就可以得到 N 条独立的分集支路。（3）根据对时间选择性衰落的分析，在时域上时间间隔t 应大于相关时间T，即tT=1/B,其中 B 为多普勒频移的扩散区间，它与移动台的运动速度成正比，可见时间分集对处于静止状态的移动台时无用的。（4）时间分集与空间分集相比，其优点是减少了接收天线数目，缺点是要占用更多的时隙资源，从而降低了传输效率。234 频率分集频率分集（1）将待发送的信息分别调制在不同的载波上发送至信道。（2）要求不同的载波之间的间隔足够大。载波间隔f 要大于相关带宽F,即fF=1/L，其中 L 为接收信号时延功率谱的宽度。频率分集与空间分集相比，优点是减少了接收天线与相应设备的数目，缺点是要占用更多的频谱资源，并且在发送端可能需要采用多部发射机。235 角度分集角度分集 由于地形、地貌和建筑物等环境的不同，到达接收端的不同路径的信号可能来自于不同的方向，采用方向性天线，分别指向不同的信号到达方向，则每个方向性天线接收到的多径 17无线通信原理 信号是不相关的。这样，在同一位置利用指向不同方向的两个或更多的有向天线实现分集的措施，即角度分集。24 显分集的合并技术显分集的合并技术 241 信号合并准则信号合并准则 设分集重数为L，则合并的信号可表示为r(t)=k1r1(t)+k2r2(t)+kLrL(t)，其中ki为加权系数，i=1,2,3,L。选择不同的加权系数就形成了不同的合并方法。信号合并准则主要有三种：1）最大信噪比准则 最大信噪比准则，是最早应用于模拟信号合并的准则，也可作为数字信号合并的准则。但是，在频率选择性衰落信道中，最大信噪比准则并不一定是最佳的。2）眼图最大张开度准则 眼图最大张开度准则是适用于数字信号合并的准则。眼图张开最大，表征码间干扰最小。因此，在频率选择性衰落信道中，眼图最大张开度准则成为一种最佳的信号合并准则。3）误字率最小准则 误字率最小是数字信号合并的最终结果。因此，误字率最小准则就是数字信号合并的最佳准则。242 最大信噪比准则下的信号合并方法最大信噪比准则下的信号合并方法 1）选择性合并 选择性合并方法是在多支路接收信号中，选取信噪比最高的支路的信号作为输出信号。选择性合并原理框图如图 2-3 所示。图 2-3 选择性合并原理框图 以两路信号为例，设 r1 和 r2 是接收的两路相互独立的衰落信号，经过选择逻辑，输出信号的电平通过率和平均衰落时间都比 r1 和 r2 大为减少，从而显示了分集具有抗衰落的作用。2）切换合并 切换合并的方法与选择性合并的不同之处在于它需设置门限电平VT，其选择逻辑是将r1（或r2）与VT比较，当r1VT时，发生切换，接收r2，当r2信道数）不能保证每个用户的呼叫都是成功的。对于一个用户而言，呼叫中总是存在着一定比例的失败呼叫，称为呼损。呼损与呼叫话务量之比叫呼损率，用 B 表示。AiLCCAAB=式中，A L呼损 A话务量 Ci呼叫失败的次数 CA总的呼叫次数（3）繁忙小时集中率 K 定义：全天话务量繁忙小时话务量=K 36无线通信原理 （4）用户话务量 a 定义：a=CaTK/3600 式中，Ca每天平均呼叫次数 T每次呼叫平均占用时 K忙时集中率。例如：每天平均呼叫三次，Ca=3；每天呼叫平均占用 2min，T=120s；当忙时集中率 10%，K=0.1；则a=0.01Erl/用户 2）系统容量 系统容量是指系统所能容纳的用户数，而每个信道所能容纳的用户数 m 则定义为：3600/KTCnAanAma=式中，A/n 信道平均话务量 举例：举例：某移动通信系统，每天每个用户平均呼叫 10 次，每次占用信道平均时间 80s，呼损率要求 10%，忙时集中率 K=0.125，问给定 8 个信道能容纳多少用户数？第一步：根据信道数 n，呼损率 B，求话务总量 A 利用公式=niiniAnAB0!查爱尔兰损失概率表，求出 A=5.597 37无线通信原理 表 4-4 爱尔兰损失概率表 第二步：求出用户忙时话务量 a a=CaTK/3600=0.0272Erl/用户 第三步：求每个信道能容纳的用户数 m m=(A/n)/a=205.8/8=25.7 用户/信道 第四步：系统所容纳的用户数 mn=205.8 用户 45 微蜂窝与信道动态分配技术微蜂窝与信道动态分配技术 一般来说，具有移动通信功能的网络，每个基地站都有一个可靠的通信服务范围，称为服务区。根据服务范围的大小可将服务区分为大区制、中区制和小区制三种，无线区的大小主要由发射机功率和基地站天线的有效高度决定。大区制是指一个城市由一个无线区覆盖，此时基站发射功率很大，无线区覆盖半径可达 25 km 以上。小区制一般是指覆盖半径为210 km 的多个无线区链合而成整个服务区制式，其基站发射功率较小。当前个人通信系统发展方向是将小区划小，成为宏区、微区和微微区，其覆盖半径降至 100 m 左右。中区制则是介于大区制和小区制之间的一种过渡制式。PHS 是采用微区制来组网的系统，它把整个服务区划为许多微区。这些微区有机地组合在一起以满足整个无线区移动通信的需求。我国信息产业部规定 PHS 系统用于无线本地环路时：38无线通信原理 基站的发射平均功率500mW,峰值功率4W 用户端的发射平均功率10mW，峰值功率80mW 用于微蜂窝组网 PHS 系统时：基站的发射平均功率20mW，峰值功率160mW；用户终端的发射平均功率10mW，峰值功率80mW；杂散发射功率相载波电平（衰减量）50dB,或绝对电平2.5W。PHS 系统用于无线本地环路时，基站天线增益不得超过 12dBi；当用于微蜂窝组网时，基站天线增益一般不超过 3dBi。无线信道是网络传输信息的通道。作为 PHS，为了在有限频率资源情况下满足城区或近郊人口密集区的大话务量需求而采用微蜂窝技术来提高频率的利用率外，还必须提供很多的传送话音和其他控制信号所需的信道。PHS 系统没有像移动系统那样为每个小区站分配固定的使用频率，而是随着通话建立过程为小区站自行分配最佳的频率与信道。对同一载频设备的每一次所用的频率可能是不同的。小区站采用信道动态分配技术不仅使 PHS 系统在网络建设与优化时无需进行频率规划，节省了大量的人力与物力，同时在多家运营公司共同使用有限的频率资源情况下有效地避免了同频与邻频干扰。PHS 把微蜂窝技术和信道动态分配技术紧密地结合在一起，不但提高了频率的利用率，而且极大的提高了系统的无线信道的容量，这就是 PHS 技术的先进之处。PHS 信道动态分配的过程如图 4-2 所示，分配步骤如下：PHS 手机在呼入、呼出和发越区切换时首先要选优先级最高的频率号 F#和时隙号S#。对所选的 F#、S#信道进行干扰电平的测试。如所监测到的干扰电平值低于第一门限电平 26 dBuV(-87dBm),这时就选用该信道。否则进入第 4 步。选择下一个优先的频率号 F#和时隙号 S#。重复上述第 2 步至第 4 步，直到找到可用信道为止。如果没有可用信道，则按照上述步骤 1 至 5 步，以第二门限电平 40 dBuV（-73 dBm）为标准进行监测比较，直到找到可用信道为止。图 4-2 PHS 信道动态分配的过程 信道优先级的确定：已被选定的信道，其优先级加一；已被拒绝的信道，其优先级减一。综上所述，PHS 系统采用动态频率分配，基站可自动地随机选择一个无干扰的可用信 39无线通信原理 道，并指配一个可用业务信道。如无可用载频，PHS 终端将自动再次请求建立呼叫，然后系统可以自动指配一个可用信道。正因为 PHS 系统的动态信道分配，可在 PHS 系统内随意对使用的基站进行增加或删减，运营者无需进行频率规划。图 4-3 给出了 PHS 信道动态分配流程图。N 选优先级最高的信道 测试干扰电平选用该信道 m=m-1 可选信道数m0干扰-87dBm选优先级最高的信道 测试干扰电平 干扰0m=m-1 无可选信道Y 信道总数 n，m=n 选用该信道 图 4-3 PHS 信道动态分配流程图 40无线通信原理 5语音编码技术语音编码技术 在通信系统中，语音编码是相当重要的。因为在很大程度上，语音编码决定了接收到的语音的质量和系统容量。在移动通信系统中，带宽是很珍贵的，因此业务提供商经常遇到以下问题：如何在有限的可分配带宽内容纳更多的用户。低比特率语音编码提供了解决该问题的一种方法，在编码器能够传送高质量语音的前提下，如果比特率越低，就可以在一定的带宽内能容纳更多的语音通道。因此，生产商和服务提供商不断地寻求新的编码方法，以便在低比特率下提供高质量的语音。51 概述概述 在移动通信系统中，语音编码的设计和主观测试是相当困难的。只有在低速率语音编码情况下，数字调制方案才有助于提高语音业务的频谱效率。为了使语音编码有实用性，语音编码必须消耗的功率少和提供可接受直至很好的语音质量。语音编码技术是移动通信数字化的基础，是第 1、2 代蜂窝系统的根本区别，语音编码的意义在于：（1）提高通话质量(数字化+信道编码纠错)（2）提高频谱利用率(低码率编码)（3）提高系统容量(低码率语音激活技术)移动通信对语音编码的要求：（1）编码速率低语音质量好 （2）有较强的抗噪声干扰和抗误码的性能 （3）编译码延时小，总延时在 65ms 以内 （4）编译码器复杂度低，便于大规模集成化 （5）功耗小，便于应用于手持机 语音编码的目的是在保持一定的算法复杂程度和通信时延的前提下，运用尽可能少的信道容量，传送尽可能高质量的语音。通常，编码器的效率和获得此效率的算法复杂程度之间有正比关系。算法越复杂，时延与费用就会越高。因此就必须在这两个矛盾的因素之间寻求一个平衡点。语音编码发展的目的是为了移动该平衡点，使平衡点向更加低的比特率方向移动。语音编码器的分类如图 5-1 所示。41无线通信原理 波形编码器 时域 频域 线性预测编码连续可变斜率M M ADPCM DPCM PCM 差分 非差分 自适用变换域编码子带编码 语音编码器 多脉冲激励 LPC 声码器 参量编码器 语音激励声码器 倒频谱声码器 共振峰声码器 信道声码器矢量和激励 LPC 码本激励 LPC APC 图 5-1 语音编码器的分类 各种语音编码方式在信号压缩方法上有很大区别。根据它们压缩方式的不同，可以把语音编码器分成两类：波形编码器和参量编码器。波形编码将时域模拟话音的波形信号进行采样量化和编码形成数字语音信号，波形编码的设计基本上是与信号源分离的，因此对各种各样的信号进行编码均可以达到很好的效果。它的优点是：编码速率较高 16k64k、占用较高带宽、适合有线、适用于很宽范围的语音特性，以及在噪音环境下，它们都保持稳定。实现这些优点所需复杂度很低，而费用为中等程度。波形编码包括了脉冲编码调制（PCM）、差分脉冲编码调制（DPCM）、自适应差分脉冲编码调制（ADPCM）、增量调制（DM）、连续可变斜率增量调制（CVSDM）、自适应预测编码（APC）。声码器在传输比特率上能得到很高的效率，但复杂度通常较高。它是以信号优先编码为基础的，正因为这个原因，它们通常适用于特定信号。参量编码基于人类语音的产生机理建立数学模型根据输入语音得出模型参数并传输在收端恢复，它的编码速率较低 1.24.8 kbps、语音质量中等、不满足商用要求，包括各种线形预测编码(LPC)方法和余弦声码器。还有混合编码，波形编码+参量编码(LPAS)，包括 GSM 的 RPE-LPC 编码和 VSELP 编码。语音波形具有一些对设计编码有用的特性，最常用的包括语音幅度的非均匀概率分布、连续语音抽样信号之间的非零自相关性、语音频谱的非平坦特性、语音中的清音和浊音成分的存在、语音信号的类周期性，最基本特性是语音波形是带限的。一个有限的带宽意味着它可以以一定的速率抽样，当抽样频率大于 2 倍的低通信号频率时，就可以从抽样值中完全恢复。语音信号的带限特性使抽样成为可能，同时前面提及的各种特性使量化操作（另一个在语音编码中很重要的处理）能以很高的效率实现。用于移动通信的语音编码如图 5-2 42无线通信原理 标准 服务类型 语音编码 速率（kbps）GSM 蜂窝 RPE-LTP 规则脉冲激励长期预测编码 13 CD-900 蜂窝 SBC 子带编码 16 IS54 蜂窝 VSELP 矢量和激励线形预测编码器 8 IS-95 蜂窝 CELP 码本激励线形预测编码器 1.29.6 PDC 蜂窝 VSELP 矢量和激励线形预测编码器 4.5,6.7,11.2 CT2 无绳 ADPCM 32 DECT 无绳 ADPCM 32 PHS 无绳 ADPCM 32 DCS-1800 蜂窝 RPE-LTP 规则脉冲激励长期预测编码 13 PACS 个人通信 ADPCM 32 WCDMA 蜂窝 AMR 图 5-2 用于移动通信的语音编码 52 脉冲编码调制脉冲编码调制 521 脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）技术）技术 近年来，随着微电子技术的发展和计算机的应用和普及，数字传输的优越性日益明显。因此，以 PCM 为代表的编码调制技术极受重视。PCM 的优点是：抗干扰性强；失真小；传输特性稳定；远距离再生中继时噪声不累积；而且可以采用有效编码、纠错编码和保密编码来提高通信系统的有效性、可靠性和保密性。另外，由于数字信号可以存储，并能进行时间标度的变换，所以实现时间与信号功率的互换。由于 PCM 可以把各种消息（声音、图像、数据等等）都变换成数字信号进行传输，因此可以实现传输和交换一体化的综合信息处理。故它能较好的适应信息化社会对通信的要求。PCM 的缺点是传输带宽宽、系统较复杂。但是，随着数字