射频和无线技术入门--移动电话--8

1.蜂窝的概念

1.1 拓扑

由于RF的特性，这些天线覆盖区是圆形的。但RF工程师在地图上展示小区图样时，通常用六边形来描述天线覆盖区的形状，并不是六边形反映天线方向有多准确，而是六边形能切合的非常紧密形成有秩序的图形。在移动电话世界里，存在一个主要折中。理想地，系统有很多小六边形。六边形的数量越多，系统同时处理的呼叫酒越多。然而，越多的六边形，就需要更多的基础建设来满足系统需要。结果，小区覆盖是一个动态行为，其随系统容量要求经常变化。

1.2 基础结构

在每个小区的中央是小区站点或基站。小区站点包含所有完成无线通信的电子器件，包括所有RF硬件。基站至少由一到多个天线、电缆、发送机和接收机、电源及其控制电子器件组成。如果小区的容量要求小，小区可能使用一个全向天线来提供覆盖。若需要更多容量，小区通常分割成3个扇区(每个120°)，使用一个或多个天线来覆盖每个扇区，这就是常在路边可以看见的三角顶塔。

1.3 移动

将移动电话同打多少其他无线应用分离开的特性是移动单元必须是变化，是动态通信。在固定无线通信中，用两个收发机来建立单一通信，它们在整个个过程中都保持不变。在移动电话中 ，移动收发器必须经常在与它通信的收发器(位于不同小区)间移动，通信伴随着它的移动。
基站不断地发送控制信号给器范围内的移动单元。当移动电话第一次开启，它很快就会接收到这个控制信号并且发送它自己的信号来响应。在这个区域内的几个基站都能收到来自移动电话的响应，并不是它所处基站才能收到。移动电话的关键是功率电平鉴别。所有基站都能收到移动单元的响应，但他们收到的功率电平都不同。收到最高功率响应的基站是移动单元所处基站，这一步完成，移动交换中心(MSC)知道了移动单元在哪。
在适当时间，MSC完成称为切换的操作。切换处理是中端连接之前的连接。本质上，移动电话在切换过程中同两个不同基站同时进行短时通信。否则部分通话内容会丢失。这种切换形式有其优缺点，一方面，提供了真正意义的移动。另一方面，占用两个基站为一个呼叫服务(较低效益)。将一个基站转移到另一个基站的连接过程称为硬切换，而在同一个基站内将从一个扇区转移到另一个扇区逇连接过程称为软切换。

1.4 增容

在一定的区域，用户呼叫容量就很容易达到饱和。达到饱和候，用户会出现忙音信号被拒绝，需要将宏区域分为较小的微小区域。还有一种是扩展宏区域的无线范围，使用中继器实现。

2.根本技术

2.1 频率复用

每个移动电话服务提供商的目的是尽可能在同一时间实现很多呼叫。在大多数无线技术中，仅允许一个主叫方在确定区域给定频率上传输信号，这在很多应用中工作的很好，比如广播，但蜂窝技术不同。在美国，为每个蜂窝提供商分配25MHz频谱，12.5MHz用于发送(称为下游)，12.5MHz用于接收(称为上游)。蜂窝是一种全双工系统–主叫方和被叫方可同时讲话，因为给发送和接收分配了它们各自的频率。在第一代蜂窝系统中，为每一电话交谈分配了30kHz频谱。因此，每个12.5MHz带宽可同时处理416个电话呼叫。
为使频率复用正常工作，每个移动电话仅输出足以到达它所在小区基站的功率。如果它输出功率过高，信号不仅能到达目的小区站点，还会到达其他小区站点，这些小区的站点有些可能正在使用相同频率完成完全不同的通话。严格限制输出功率称为功率管理。在低功率传输的优点是蜂窝电话的电池维持时间更长，同时人们在两次充电间的通话时间会加长。

2.2 空中接口

2.2.1 FDMA

每12.5MHz带宽按频率划分成416不同信道，每个信道传输一路话音，这种频带分割称为频分多址或FDMA。FDMA是一种空中接口，空中接口是使分配带宽达到最大容量的方法。

2.2.2 TDMA

这个空中接口技术是时分多址，TDMA同样适用30KHz带宽，将它分割成时隙，几个呼叫可在同一频带同步进行，因为每个呼叫周期性地分配到一个短的时隙来传输它的消息。

2.2.3 CDMA

提高呼叫容量的空中接口称为码分多址或CDMA。CDMA使用扩频技术为每个RF信号标记了唯一的目的地址。因此，很多信号可在同一频带同一时间共存，每个接收机仅能对目的信号解码。当CDMA系统中的RF信号得到烙印到它上的地址时，它所占用的频谱变大。地址使用前后占用30kHz的信号在地址使用后占用1MHz。占用频率的扩展是其称为扩频的原因。尽管它占用比它的原始形式更大的频带，但系统现在能在每个频带上堆加很多信号，因为它们都能通过各自的地址区区分。在这种方式下，更多信号能适合给定的频带，毕竟这是每个服务提供商的目标。

2.2.4 CDPD

还有一种空中接口称为蜂窝数字分组数据或CDPD，不像其他空中接口尽量增加语音通信量，CDPD仅关心数据。事实上，CDPD是一种分组数据服务，它能较好地为电子邮件的短、突发数据服务。CDPD独特之处在于仅占用未用信道发送数据。

3.CDMA

3.1 扩频

3.1.1 直接序列

在CDMA中用到的扩频类型是直接序列扩频或DSSS。在DSSS中，扩频调制发生在RF调制之前。扩频仅同数字信息信号一起工作
DSSS通过让另一个高频数字信号逻辑倍乘数字信息信号来烙上地址。称这个另外的数字信号为伪随机噪声或PN信号。之所以称为随机信号是因为1和0的出现没有确定图样。重要的是，如果PN信号被调制到RF载波上，它的信号频谱看上很像噪声的频谱。之所以称PN信号为伪是因为比特流是随机出现的。在PN信号中的1串和0串称为码片，PN信号频率称为码片速率。

3.1.2 扩频

扩展信号有3个特点。第一，它所在频率比原始语音信号频率高很多。第二，它类似随机出现，这意味着它的频谱结构看上去很像噪声。第三，所有包含在原始语音信号中的信息仍然包含在它里面。

3.1.3 解扩

从噪声中恢复原始信号同扩展采取完全相同的方法：用完全相同的PN信号来逻辑倍乘它。这种恢复信息信号的方法称为解扩。

3.2 信道

当在CDMA系统中无线发送通话，不仅仅无线发送语音数据。实际上，发送的无线信息分成了不同信道或信息分组。从基站到移动单元有4个独特的信息分组，从移动单元到基站有2个。

4.空间链路传输技术

4.1 FDD与TDD比较

为尽量充分利用频谱，有两种方法划分所分配的频谱。第一种方法采用蜂窝的方法，将整个频谱划分成分离的子频带(称为信道)。一些信道用于上游，一些用于下游，这种方法称为频分双工或FDD。另一种则是充分利用频谱的方法是划分独立的时隙，并在上游和下游间交替。这种方法称为时分双工或TDD。TDD仍然是将所分配的频段划分成子频带。在这种情况下，上游和下游通信可使用每个信道。

4.2 OFDM

宽带固定无线系统存在的最大问题之一是多径，多径现象是由于一台接收机不止一次接收到从发送机发来的同一信号，通常引起时移。多径的发生是因为传输信号通过多条路径到达接收机，包括建筑物，树等的反射。解决多径问题要用到复杂的信号处理技术，称为频分复用OFDM。频分双工是将传输划分成两个频率信道，那么频分复用就是将传输划分成多个频率信道。OFDM就是正交频分复用，多个载波之间是正交关系。由于频分复用将一些频率用于保护频带，从而牺牲了信息。而正交允许载波之间可以彼此放置得很近，这样，当采用频率复用时，不需要保护频带，从而不牺牲信息。

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