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正文內(nèi)容

培訓(xùn)教材初稿gsm無線接口理論(編輯修改稿)

2025-07-25 12:31 本頁面
 

【文章內(nèi)容簡介】 息留給同一尋呼組的51TDMA 復(fù)幀數(shù)) 、T3212(用做周期性位置更新的時(shí)間) 。小區(qū)選擇中包括:PWRC(功率控制指示) 、DTX(不連續(xù)發(fā)射指示) 、RADIOLINKTIMEOUT(無線鏈路超時(shí)值)小區(qū)選擇參數(shù)包括:小區(qū)重選滯后值、MSTXPWRMAXCCH (移動(dòng)臺(tái)接入小區(qū)應(yīng)使用的最大 TX 功率電平) 、RXLEVACCESSMIN(允許接入系統(tǒng)的移動(dòng)臺(tái)的最小接入電平) 。CBCH 信道描述中包括:信道類別和 TDMA 偏差(哪種專用信道的組合) 、TN(時(shí)隙號(hào)) 、TSC(訓(xùn)練序列碼) 、H(跳頻信道指示) 、11 / 70MAIO(移動(dòng)配置指數(shù)偏移量) 、HSN(跳頻序列號(hào)) 、ARFCN(絕對(duì)頻點(diǎn)號(hào)) 。CBCH 移動(dòng)配置中包括參與跳頻的頻道順序與小區(qū)信道描述的關(guān)系。 小區(qū)重選參數(shù)包括 CELLRESELIND(小區(qū)重選指示) 、CBQ(小區(qū)禁止限制) 、CRO(小區(qū)重選偏置量) 、TO(臨時(shí)偏置量) 、PT(懲罰時(shí)間)第三節(jié) 無線路徑的損耗和衰落一、無線路徑的損耗和衰落 當(dāng)移動(dòng)臺(tái)和基站的距離逐漸增加時(shí),所收到的信號(hào)會(huì)越來越弱,這就是發(fā)生了 路徑損耗。路徑損耗不僅與載頻頻率、傳播速度有關(guān),而且還與傳播地形和地貌有關(guān)。下面讓我們具體研究一下?lián)p耗產(chǎn)生的各種原因。自由空間信號(hào)強(qiáng)度的傳播衰落 自由空間是指相對(duì)于介電參數(shù)和相對(duì)導(dǎo)磁率均為一的均勻介質(zhì)所存在的空間 它是一個(gè)理想的無限大的空間,是為了減化問題的研究而提出的一種科學(xué)的抽象。在自由空間的傳播衰落我們不考慮其它衰落因素,僅考慮由能量的擴(kuò)散而引起的損耗。通過研究我們發(fā)現(xiàn)該衰落符合以下公式的規(guī)律:Pr=Pt(λ/4πd) 2 .G1G2其中,Pr 為接收機(jī)的接收功率,Pt 為發(fā)射機(jī)的發(fā)射功率(單位為瓦或毫瓦) ,λ 為波長(即 c/f) ,d 為接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的距離,G 1 為發(fā)射機(jī)的天線增益,G 2 為接收機(jī)的天線增益。從公式中我們可以看出,如果將其它參數(shù)保持不變僅使工作頻率 f 或傳播距離 d 提高一倍,則其接收功率就為發(fā)射功率的四分之一,即自由空間的傳播損耗就增加了 6dB。然而在實(shí)際上電波還要受到諸如平地面的吸收、反射和曲率地面的繞射以及地面上覆蓋物等產(chǎn)生的傳輸損耗的影響。因而采取更為復(fù)雜的模型如愛立信的 Okomura 模型更接近實(shí)際,Okomura 模型如下:Lp(城區(qū))=+ b+()logda(hm)Lp(農(nóng)村)= Lp(市區(qū))2[log(f/28)] Lp(開闊地帶)= Lp(市區(qū))(logf) 2+其中,Lp 為無線衰耗, f 為載波頻率(適用于 GSM900M 頻段) ,h b基站天 線高度(30 – 200m) ,d 為基站與移動(dòng)臺(tái)的距離(1 – 20km),h m為移動(dòng)臺(tái)的天線至地面的高度(110m).Okomura 模型在大量實(shí)測場強(qiáng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析方法,確認(rèn)了市區(qū)移動(dòng)通信場強(qiáng)預(yù)測模型,它適用于市區(qū)和郊區(qū)的各種不同條件,是一個(gè)比較全面的模式,此模式被目前移動(dòng)通信場強(qiáng)預(yù)測廣泛采用,必須指出在使用該模式時(shí)必須結(jié)合本地的地形地物特性做必要的修正。 對(duì)非理想地面的條件下的更好近似是平均信號(hào)強(qiáng)度與距離的四次方成反比。 對(duì)數(shù)正態(tài)衰落 常常在移動(dòng)臺(tái)和基站之間有高大建筑物、樹林和高低起伏的地勢地貌,這些障礙物的阻擋造成電磁場的陰影,產(chǎn)生了陰影效應(yīng),致使接收信號(hào)強(qiáng)度下降。經(jīng)過大量的野外測試表明,這種衰落服從對(duì)數(shù)正態(tài)衰落,它的接收信號(hào)的中值電場與基站和移動(dòng)臺(tái)的距離的四次方成反比。由于這種場強(qiáng)的變化隨著地理位置改變而較慢的變化,故稱為慢衰落。又因?yàn)槠浣邮請鰪?qiáng)中值是受電磁場12 / 70陰影而變化的所以又稱為陰影衰落。其次,大氣折射條件的變化使多徑信號(hào)相對(duì)時(shí)延變化,造成同一地點(diǎn)場強(qiáng)中值隨時(shí)間的慢變化,但這種變化遠(yuǎn)小于地形因素的影響,這也是產(chǎn)生慢衰落的一種原因,因此由于季節(jié)不同、氣候不同等對(duì)無線信號(hào)的影響也就不同 多徑傳播引起的衰落 移動(dòng)通信信道是一種多徑衰落信道,發(fā)射的信號(hào)在城市中常常會(huì)受到建筑物或地形的阻擋要經(jīng)過直射、反射、散射等多種傳播路徑才到達(dá)接收端,而且隨著移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng),各條傳播路徑上的信號(hào)幅度時(shí)延及相位隨時(shí)隨地發(fā)生的變化,所以接收到的信號(hào)是起伏不穩(wěn)定的這些多徑信號(hào)相互迭加產(chǎn)生的矢量和就會(huì)形成一個(gè)嚴(yán)重的衰落谷點(diǎn),使矢量和非常接近為零。迭加后的信號(hào)幅度變化符合瑞利分布,因而又被稱為瑞利衰落。瑞利衰落隨時(shí)間而急劇變化,又常常圖示 瑞利衰落被稱為快衰落。根據(jù)理論推導(dǎo),衰落最快時(shí)為每秒 2V/λ 次(V 為移動(dòng)速度,λ 為信號(hào)波長)嚴(yán)重衰落時(shí)深度達(dá)(20~40)dB,這將嚴(yán)重的影響信號(hào)傳播質(zhì)量,從這里可以看出在經(jīng)歷衰落谷點(diǎn)的時(shí)間取決于移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度及發(fā)射的工作頻率,作為一種近似,兩谷點(diǎn)之間的的距離可以認(rèn)為是半個(gè)波長,對(duì)于900MHz 頻帶,它約為 17cm。根據(jù)該公式還可以看出當(dāng)采用 1800MHz 時(shí)兩衰落谷點(diǎn)的時(shí)間是 900 MHz 的一半。瑞利衰落在開闊地帶的對(duì)通信影響要小一些。多普勒頻移快速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)還會(huì)發(fā)生多普勒頻移現(xiàn)象,這是因?yàn)樵谝苿?dòng)臺(tái)高速運(yùn)動(dòng)時(shí)接收和發(fā)送信號(hào)將導(dǎo)致信號(hào)頻率將發(fā)生偏移而引起的干擾。多普勒頻移符合下面的公式: fI=f0fDcosθ I= f0(v/λ)cosθ IfI為合成后的頻率,f 0為工作頻率,f D為最大多普勒頻移,θ I為多徑信號(hào)合成的傳播方向與移動(dòng)臺(tái)行進(jìn)方向的夾角,v 為移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度,λ 為波長,當(dāng)移動(dòng)臺(tái)快速遠(yuǎn)離基站時(shí)為 fI=f0fD,當(dāng)移動(dòng)臺(tái)快速靠近基站時(shí)為fI=f0+fD。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度過高時(shí),多普勒頻移的影響必須考慮,而且工作頻率越高,頻移越大。13 / 70二、分集接收 多徑衰落和陰影衰落產(chǎn)生的原因是不同的,隨著移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng),瑞利衰落隨著信號(hào)的瞬時(shí)值快速變動(dòng),而對(duì)數(shù)正態(tài)衰落隨著信號(hào)平均值變動(dòng),這兩者是構(gòu)成移動(dòng)通信接收信號(hào)不穩(wěn)定的主要因素,使接收信號(hào)被大大惡化,雖然通過增加發(fā)信功率、天線尺寸和高度等方法能取得改善,但采用這些方法在移動(dòng)通信中比較昂貴,有時(shí)也顯得不切實(shí)際,而采用分集方法即在若干支路上接收相互間相關(guān)性很小的載有同一消息的信號(hào),然后通過合并技術(shù)再將各個(gè)支路的信號(hào)合并輸出,那么便可在接收終端上大大降低深衰落的概率。 由于衰落具有頻率、時(shí)間和空間的選擇性,因此分集技術(shù)包括空間分集、時(shí)間分集、頻率分集和極化分集四種。1. 空間分集:若在空間設(shè)立兩副接收天線,獨(dú)立接收同一信號(hào),由于其傳播環(huán)境及衰落各不相同,具有不相干或相干性很小的特點(diǎn),采用分集合并技術(shù)并使輸出較強(qiáng)的有用信號(hào),降低了傳播因素的影響。在移動(dòng)通信中,空間的間距越大,多徑傳播的差異就越大,所收場強(qiáng)的相關(guān)性就越小。天線間隔可以是垂直間隔也可以是水平間隔。但是,垂直間隔的分集性能太差,不主張用這種方式。為獲得相同的相關(guān)系數(shù),基站兩分集天線之間的垂直距離應(yīng)大于水平距離。這種方式在移動(dòng)通信中是最有效的,也是應(yīng)用最普遍的一種分集方式。2. 時(shí)間分集:可采用通過一定的時(shí)延來發(fā)送同一消息,或在系統(tǒng)所能承受的時(shí)延范圍以內(nèi)在不同時(shí)間內(nèi)的各發(fā)送消息的一部分。在 GSM 中采用的是后面會(huì)講到的交織技術(shù)來實(shí)現(xiàn)時(shí)間分集的。3. 頻率分集:這種分集技術(shù)在 GSM 中是通過調(diào)頻來實(shí)現(xiàn)的,4. 極化分集:它是通過采用垂直電子天線、垂直磁性天線和環(huán)狀天線來實(shí)現(xiàn)14 / 70的 第四節(jié) 移動(dòng)臺(tái)和基站的時(shí)間調(diào)整移動(dòng)臺(tái)收發(fā)信號(hào)要求有 3 個(gè)時(shí)隙的間隔,由于移動(dòng)臺(tái)是利用同一個(gè)頻率合成器來進(jìn)行發(fā)。從基站的角度上來看,上行鏈路的編排方式可由下行鏈路的編排方式延遲 3 個(gè)突發(fā)脈沖獲得。這 3 個(gè)突發(fā)脈沖的延時(shí)對(duì)于整個(gè) GSM 網(wǎng)絡(luò)是個(gè)常數(shù)。典型的移動(dòng)臺(tái)在一個(gè)時(shí)隙間接收,在頻率上平移 45MHz,經(jīng)過一段時(shí)間( 3 個(gè)突發(fā)脈沖減去傳播的校正時(shí)間后發(fā)送,然后可能再次平移監(jiān)視其它信道,并使接收頻率移動(dòng)到能重新開始整個(gè)周期。在通信過程中,如移動(dòng)臺(tái)在呼叫期間向遠(yuǎn)離基站的方向上移動(dòng),因而從基站發(fā)出的消息將越來越遲的到達(dá)移動(dòng)臺(tái)。與此同時(shí),采取措施,該時(shí)延長至當(dāng)基站收到該進(jìn)動(dòng)臺(tái)在本時(shí)隙上發(fā)送的消息會(huì)與基站在其下一個(gè)時(shí)隙收到的另一個(gè)呼叫信息重疊起來,而引起干擾。因此,在呼叫進(jìn)行期間由移動(dòng)臺(tái)向發(fā)送的基站 SACCH 上的測量報(bào)告的報(bào)頭上攜帶著由移動(dòng)臺(tái)測量的時(shí)延值,而基站必須監(jiān)視呼叫到達(dá)的時(shí)間,并 BTS 在下行的 SACCH 的系統(tǒng)報(bào)告上每次兩秒的頻次向移動(dòng)臺(tái)發(fā)出指令,隨著移動(dòng)臺(tái)離開基站的距離,逐步指示移動(dòng)臺(tái)提前發(fā)送的時(shí)間,這就是時(shí)間的調(diào)整。在GSM 中被稱為時(shí)間提前量 TA。時(shí)間提前量值可以由 0 至 233us,該值會(huì)影響到小區(qū)的無線覆蓋,在給定光速下,GSM 小區(qū)的無線覆蓋半徑最大可達(dá)到 35km,這個(gè)限制值是由于 GSM 定時(shí)提前的編碼是在 0~63 之間?;咀畲蟾采w半徑算法如下:633108m/s247。2=35km其中,:每個(gè)比特的時(shí)長;63:時(shí)間調(diào)整的最大比特?cái)?shù);310 8m/s:光速。但在某些情況下,客觀需要基站能覆蓋更遠(yuǎn)的地方,比如在沿海地區(qū),如需用來覆蓋較大范圍的一些海域或島嶼。這種覆蓋在 GSM 中是能實(shí)現(xiàn)的,代價(jià)是須減少每載頻所容納的信道數(shù),辦法是僅使用 TN 為偶數(shù)的信道(因?yàn)?TN0 必須用做 BCCH),空出奇數(shù)的 TN,來獲得較大的保持時(shí)間。這在北電中被稱為擴(kuò)展小區(qū)技術(shù),樣定時(shí)提前的編碼將會(huì)增大一個(gè)突發(fā)脈沖的時(shí)長。即基站的最大覆蓋半徑為:(63+)3108m/s247。2=120kmTS0 TS1 TS2 TS3圖示:擴(kuò)展小區(qū)的 TDMA 幀 第五節(jié) 跳頻技術(shù)跳頻可分為快速跳頻和慢速跳頻,在 GSM 中采用的是慢速跳頻,其特點(diǎn)是按照固定的間隔改變一個(gè)信道使用的頻率.根據(jù) GSM 的建議,基站無線信道的跳頻是以每一個(gè)物理信道為基礎(chǔ)的,因此對(duì)于移動(dòng)臺(tái)來說,只需要在每個(gè)幀的相應(yīng)時(shí)隙跳變一次,其跳頻速率為 217 跳/秒,它在一個(gè)時(shí)隙內(nèi)用固定的頻率發(fā)送和接收,然后在該時(shí)隙后需跳到下一個(gè) TDMA 幀,由于監(jiān)視其它基站需要時(shí)間,故允許跳頻的時(shí)間約為 1ms,收發(fā)頻率為雙工頻率。但對(duì)基站系統(tǒng)來說,每個(gè)基站中的 TRX(收發(fā)信機(jī))要同時(shí)于多個(gè)移動(dòng)臺(tái)通信,因此,對(duì)于每個(gè) TRX 來說,能根據(jù)通信使用的物理信道,在其每個(gè)時(shí)隙上按照不同的跳頻方案來進(jìn)行跳變。15 / 70一、跳頻的種類及各自實(shí)現(xiàn)的方法 GSM 中的跳頻可分為基帶跳頻和射頻跳頻兩種。在北電系統(tǒng)中采用的是射頻跳頻?;鶐l是通過腔體合成器來實(shí)現(xiàn)的,而射頻跳頻是通過混合合成器來實(shí)現(xiàn)的。 當(dāng)采用基帶跳頻時(shí),它的原理是在真單元和載頻單元之間加入了一個(gè)以時(shí)隙為基礎(chǔ)的交換單元,通過把某個(gè)時(shí)隙的信號(hào)切換到相應(yīng)地?zé)o線頻率上來實(shí)現(xiàn)跳頻,這種做法的特點(diǎn)是比較簡單,而且費(fèi)用也底。但由于采用的腔體合成器它要求其每個(gè)發(fā)信機(jī)的頻率都是固定發(fā)射的,當(dāng)發(fā)信機(jī)要改動(dòng)其頻率時(shí),只能人工調(diào)諧到新的頻率上,其話音信號(hào)隨著時(shí)間的變化使用不同頻率發(fā)射機(jī)發(fā)射,收發(fā)信機(jī)在跳頻總線上不停的掃描觀察,當(dāng)總線發(fā)現(xiàn)有要求使用某一頻率時(shí),總線就自動(dòng)指向擁有該頻率的發(fā)信機(jī)上來發(fā)送信號(hào)。采用基帶跳頻的小區(qū)的載頻數(shù)與該小區(qū)使用的頻點(diǎn)數(shù)是一樣的。當(dāng)采用射頻跳頻時(shí),它是在通過對(duì)其每個(gè) TRX 的頻率合成器進(jìn)行控制,使其在每個(gè)時(shí)隙的基礎(chǔ)上按照不同的方案進(jìn)行跳頻。它采用的混合合成器對(duì)頻帶的要求十分寬松,每個(gè)發(fā)信機(jī)都可使用一組相同的頻率,采用不同的 MAIO 加以區(qū)分。但它必須有一個(gè)固定發(fā)射攜帶有 BCCH 的頻率的發(fā)信機(jī),其他的發(fā)信機(jī)可隨著跳頻序列的序列值的改變而改變。兩者的區(qū)別是:基帶跳頻采用的腔體合成器最多可配置 8 個(gè)發(fā)信機(jī),而且衰耗小,此時(shí)衰耗僅為。而射頻跳頻采用的混合合成器的容量較小,最多可配置 4 個(gè)發(fā)信機(jī),而且衰耗大,當(dāng)為H2D 時(shí),衰耗為 當(dāng)為 H4D 時(shí),衰耗為 ,當(dāng)基站配置較大時(shí),采用混合合成器的基站的覆蓋要小.腔體合成器對(duì)頻段的要求不如混合合成器靈活,混合合成器所帶的發(fā)信機(jī)可以使用一組頻率,頻點(diǎn)的間隔要求為 200 K。腔體合成器的發(fā)信機(jī)僅能使用固定的頻率發(fā)射,而且所用頻點(diǎn)的間隔要求大于 600K.基帶跳頻的每個(gè)發(fā)信機(jī) TX 只能對(duì)應(yīng)一個(gè)頻點(diǎn),而射頻跳頻的每個(gè)發(fā)信機(jī) TX 能夠發(fā)送所有參與跳頻的頻點(diǎn)。當(dāng)使用基帶跳頻時(shí)攜帶 BCCH 頻點(diǎn)的 TX 若出現(xiàn)故障,則易導(dǎo)致整個(gè)小區(qū)的癱瘓,而在射頻跳頻時(shí)則不會(huì)出現(xiàn)這類情況,因?yàn)槊總€(gè) TX 都能發(fā)送 BCCH頻點(diǎn),攜帶 BCCH 信道的載頻優(yōu)先級(jí)最高,當(dāng)該載頻出現(xiàn)問題時(shí),攜帶 BCCH 信道的TDMA 幀,能夠自動(dòng)通過另一個(gè)載頻發(fā)射出去。二、跳頻的優(yōu)點(diǎn) GSM 采用跳頻有兩個(gè)原因,是因?yàn)樗善鸬筋l率分集和干擾源分集的作用。 跳頻可起到頻率分集的作用。跳頻是要保證同一個(gè)信息按幾個(gè)頻率發(fā)送,從而可提高了傳輸特性。不同頻率的信號(hào)所收到的衰落不同,而且隨著頻率差別增大時(shí),衰落更加獨(dú)立。對(duì)于相距足夠遠(yuǎn)的頻率,它們可看做是完全獨(dú)立的,通過跳頻,包括信息一部分的所有突發(fā)脈沖不會(huì)被瑞利衰落以同一方式破壞。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)以高速移動(dòng)時(shí),在同一信道上接收兩個(gè)相鄰?fù)话l(fā)脈沖期間(相隔 8 個(gè)時(shí)隙,即 ),移動(dòng)臺(tái)位置的差別對(duì)于驅(qū)除信號(hào)瑞利變化的相關(guān)性以足夠了,在這種情況下,跳,因?yàn)槭殖謾C(jī)的用戶通常運(yùn)動(dòng)速度較慢,或處于靜止?fàn)顟B(tài),在此時(shí)跳頻優(yōu)越性就顯示出來了,它所能提供的增益大概是在
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