GSM原理及其网络优化
于传播方向的街道上信号减弱，两者相差达10dB左右。这种现象在离基站约8km左右将有 所减弱。
5．人为噪声现象严重
人为噪声主要是机动车的点火噪声，还有电力线噪声和工业噪声。 6．干扰现象严重
比较常见的有同频干扰、邻频干扰，还有互调干扰、近端对远端比干扰等。随着频率复 用系数的提高，同邻频干扰将成为主要因素。 2．3．2信号在无线路径上的衰落
当移动台和基站的距离逐渐增加时，所收到的信号会越来越弱，原因是发生了路径损耗。 路径损耗不仅与载频频率、传播速度有关，而且还与传播地形和地貌有关。下面让我们具体 研究一下衰落产生的各种原因。
2．3．2．1 自由空间信号强度的传播衰落
自由空间是指相对于介电参数和相对导磁率均为一的均匀介质所存在的空间，它是一个 理想的无限大的空间，是为了减化问题的研究而提出的一种科学的抽象。在自由空间的传播 衰落我们不考虑其它衰落因素，仅考虑由能量的扩散而引起的损耗。通过研究我们发现该衰 落符合以下公式的规律：
Pr=Pt×(λ/4πd)2GlG2
式中 Pr——接收机的接收功率；
Pt——发射机的发射功率(单位为w或mw)； λ——波长(即c/f)．
d——接收机和发射机之间的距离； G1——发射机的天线增益； G2——接收机的天线增益。 从公式中我们可以看出，如果将其它参数保持不变仅使工作频率，或传播距离d提高一 倍，则其接收功率就为发射功率的四分之一，即自由空间的传播损耗就增加了6dB。然而在实际上电波还要受到诸如平地面的吸收、反射和曲率地面的绕射以及地面上覆盖物等产生的传输损耗的影响。因而需要采取更为复杂的传播模型。 传播模型分为统计型模型和决定型模型。
1)统计型模型是利用测试数据，进行统计分析得到的传播模型，一般计算量较小，对电子地图的数据要求也较低，统计型模型一般可以利用测试数据加以修正。
2)决定型模型是根据传播路径上的地物、建筑物的几何信息，利用波的绕射、反射的理论得到的的模型。一般计算量大，对电子地图的数据要求也较高，它需要建筑物的信息，一般不能利用测试数据加以修正。
统计型模型和决定型模型的选择：1km的分水岭。统计型模型在1～35 km预测的准确性比较高。常见的统计型模型有Okumura—Hata模型、COST-231模型；决定型模型在1km内预测的准确性较高，常见的决定型模型有COST-231-Walfish-Ikegami模型。 下面简单介绍一下Okumura-Hata模型和COST-231-Walfish-Ikegami模型。 一、Okumura-Hata模型 1．适用条件
当符合以下条件时可以考虑使用该模型：GSM900频段比较适合；基站天线有效高度为 30～200m；移动台天线高度为1～10m；通信距离为1～20km；地形为城区、郊区、开阔地、丘陵、山地、水域等。
2．Okomura-Hata基本模型公式如下：
Lp(城区)=69.55+26.16logf-13.82loghb+(44.9-6.55loghb)logd—a(hm)
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Lp(农村)=Lp(市区)-2[log(fl28)]2-5.4
Lp(开阔地带)=Lp(市区)-4.78(logf)2+18.33logf)-40.94 式中 Lp ——无线衰耗；
f——载波频率(适用于GSM900M频段)； hb——基站天线高度(30～200m)；
d ——基站与移动台的距离(1～20km)；
hm——移动台的天线至地面的高度(1～10m)。 3．天线有效高度的影响
在其它条件不变的情况下，天线有效高度增加一倍，损耗减少6dB；
Okumura．Hata模型在1km处的天线高度增益比实际要小，因此实际使用中也有使用修正量的。
二、COST-231-Walfish-Ikegami模型 1．适用条件
1)可选频段为GSM900／1800； 2)允许移动台天线高度为l～10m： 3)通信距离为20～5km。
2．COST-23 1-Walfish-Ikegami模型基本公式 1)视线通畅情况： Lb=42.6+261gd+201gf 2)非视线通畅情况：
Lb=L0+Lrts+Lmsd
式中 Lmsd——多重屏障的绕射损耗；
Lrts——屋顶至街道的绕射及散射损耗； L0一自由空间传输损耗。 2．3．2．2长期衰落
常常在移动台和基站之间有高大建筑物、树林和高低起伏的地势地貌，这些障碍物的阻 挡造成电磁场的阴影而产生阴影效应，致使接收信号强度下降。经过大量的野外测试表明， 这种衰落服从对数正态衰落，它的接收信号的中值电场与基站和移动台的距离的四次方成反 比。由于这种场强的变化随着地理位置的改变而缓慢的变化，故称为长期衰落或慢衰落。又 因为其接收场强中值受电磁场阴影影响而变化，所以又称为阴影衰落。其次，大气折射条件 的变化使多径信号相对时延变化，造成同一地点场强中值随时间的慢变化，但这种变化远小 于地形因素的影响，这也是产生慢衰落的一种原因，因此由于季节不同、气候不同等对无线 信号的影响也就不同。
长期衰落的统计特性如下： ’
1)长期衰落是指接收到的衰落信号的平均值。是指在一个特定的长度L内平均得到的 信号电平值(或场强值、或损耗值)。L的取值为40个波长内取36～50个测试信号； 2)长期衰落形成的原因是由于传播路径上的地形和人为环境结构的变化而造成的； 3)长期衰落的概率密度分布服从对数正态概率密度函数，长期衰落的累积概率分布服 从对数正态累积分布。 2．3．2．3短期衰落
移动通信信道是一种多径衰落信道，一发射的信号在城市中常常会受到建筑物或地形的阻
挡，要经过直射、反射、散射等多种传播路径才到达接收端，而且随着移动台的移动，各条 传播路径上的信号幅度时延及相位也在随时随地发生着变化，所以接收到的信号是起伏不稳
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定的。这些多径信号相互迭加产生的矢量和就会形成一个严重的衰落谷点，使矢量和非常接 近为零。迭加后的信号幅度变化符合瑞利分布，因而又被称为瑞利衰落。瑞利衰落随时间而 急剧变化，又常常被称为短期衰落或快衰落。根据理论推导，衰落最快时为每秒2v／?次
?为信号波长)严重衰落时深度达20～40dB，(v为移动速度，这将严重的影响信号传播质量，
从这里可以看出经历衰落谷点的时间取决于移动台的运动速度及发射的工作频率，作为一种 近似，两谷点之间的的距离可以认为是半个波长，对于900MHz频带，它约为17cm。根据 该公式还可以看出当采用1800MHz时两衰落谷点的时间是900MHz的一半。瑞利衰落在开 阔地带的对通信影响要小一些。
在陆地移动通信系统中，主要的传播模式是视距内的直射波和反射波传播。大部分情况 是移动台附近散射体产生的多个反射波，即多径传播模式。
多径信号的构成主要有两类：一类是远地散射体产生的回波，这种回波的时延较长且较 稳定；另一类是从移动台附近半径为50～400波长的建筑物和树林反射和散射的回波，这类 回波数量大、时延短，它们是构成多径信号的主要部分。
图2—8是一个典型的无线信号的瑞利衰落包络图，实线代表了主通路信号而虚线则代表 了分集通路的信号包络。其中y轴代表信号强度，单位为dB，而x轴则是反映距离信息的 半波长数，单位为λ／2。
可以看出瑞利衰落是与空间相关的，因此只有处于运动状态下的接收机才能采用分集算 法来补偿瑞利衰落。实验数据表明，即使对于处于慢速移动状态下的移动台，如时速为5km/h 时，仍可以通过分集增益，补偿瑞利衰落使信号包络接近平均值，且均方差不大于2.5dB。 短期衰落的统计特性：
1)短期衰落是指接收的衰落信号的瞬时值;
2)短期衰落形成的原因是由于传播受到移动台周围(50～100个波长内)的散射体(主 要指人为建筑物)或自然障碍(主要指树林)的反射在地面上造成多径波干涉，结果形成驻
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波场。当移动台通过这个驻波场时，接收信号呈现短期衰落，场强会出现起伏。 2．3．2．4 多普勒频移
快速运动的移动台还会发生多普勒频移现象，这是因为在移动台高速运动时接收和发送 信号将导致信号频率将发生偏移而引起的干扰。多普勒频移符合下面的公式： f=f0-fDcos?=f0-(v/λ)cos? 式中 f——合成后的频率； f0——工作频率；
fD——最大多普勒频移； v——移动台的运动速度；
?——多径信号合成的传播方向与移动台行进方向的夹角； λ——波长。
当移动台快速远离基站时为崩而，当移动台快速靠近基站时为崩墙。
当运动速度过高时，多普勒频移的影响必须考虑，而且工作频率越高，频移越大。 2．3．3无线信号的传播损耗 2．3．3．1传播损耗的定义
传输损耗是指对于某一无线电链路，从发射天线输出端的信号经过一定的传播路径，到 达接收天线的输入端时，功率电平的损耗(或衰减)值，一般用dB表示。 2．3．3．2传播损耗与距离的一般关系
在移动通信中，随着传播距离的增加，传播损耗将增加。在1～20km范围内，大致为 40dB／dec，其中dec为l0倍距离。当距离在增大时，将增大至50～60dB／dec。 2．3．3．3传播损耗的常见类型 (1)自由空间的传播损耗。
(2)绕射损耗：一绕射损耗分单刃绕射、多刃绕射、圆球形绕射；绕射损耗一般比较大， 其中圆球形绕射损耗最大。多刃绕射损耗可以由单刃绕射损耗累加得到。
(3)反射损耗：反射损耗与反射面的反射系数(扩散系数、镜面反射系数、漫反射系 数等)有关，也和反射角的大小有关。
(4)建筑物贯穿损耗：建筑物的贯穿损耗是指电波通过建筑物的外层结构时所受到的 衰减，它等于建筑物外与建筑物内的场强中值之差。
(5)人体损耗：手持机位于使用者的腰部和肩部时，接收的信号场强比天线离开人体 几个波长时将分别降低4～7dB和1～2dB。一般人体损耗设为3dB。 (6)车内损耗：一般车内损耗为8～10dB。
(7)植被损耗：植被损耗与树林的稠密程度、树叶形状、树林的厚度、树林与接收天 线的距离等有关，具体情况如下：
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1)在树林内部的损耗大约为0.2dB／m(900MHz)、0.3dB／m(1800MHz)； 2)部分穿过树林或绕射，大约为20dB／dec
3)接收天线周围有树林，低于树林，大致为10dB。 2．3．4信号传播的其它特性
(1)衰落电平交叉率：在单位时间内，信号中值以正斜率通过某一规定电平的预期速 率。当规定电平为中值电平时的衰落电平交叉率，称为衰落率。
(2)衰落平均持续时间：衰落平均持续时间是指场强低于某一电平的持续时间，将引 起传输数据的突发差错。
(3)时延展宽：在多径传播环境下，由于接收到来自各个方向的反射波的路径时延差， 对于不连续的数字脉冲信号将产生时延展宽现象。时延展宽是决定相干带宽的唯一因素，也 是产生码间干扰的主要原因。在数据传输系统中，传输比特率受到时延展宽的限制。
(4)相干带宽：当两个频率f1与f2的间隔大于相干带宽时，fl与f2两个信号的衰落不相 关或相关系数较小；如果两个频率f1与f2的间隔小于相干带宽时，则两个信号的衰落相关； 采用频率分集时要考虑相干带宽。
(5)码间干扰：码间干扰是由于在多径传播中相对于大的时延展宽或高的传输比特率 所引起的。
2．3．5分集接收
，多径衰落和阴影衰落产生的原因是不同的。随着移动台的移动，瑞利衰落随着信号的瞬 时值快速变动，而对数正态衰落随着信号平均值变动，这两者是构成移动通信接收信号不稳 定的主要因素，使接收信号被大大恶化。虽然通过增加发信功率、天线尺寸和高度等方法能 取得改善，但采用这些方法在移动通信中比较昂贵，有时也显得不切实际。如果采用分集方 法即在若干支路上接收相互间相关性很小的载有同一消息的信号，然后通过合并技术再将各 个支路的信号合并输出，那么便可在接收终端上大大降低深衰落的概率。 由于衰落具有频率、时间和空间的选择性，因此分集技术主要包括空间分集、时间分集、 频率分集、极化分集等。 1．空间分集
若在空间设立两副接收天线，独立接收同一信号，由于它们所处的传播环境和接收信号 的衰落各不相同，具有不相干或相干性很小的特点，因而采用分集合并技术并使之输出较强 的有用信号，便降低了传播因素的影响。在移动通信中，空间的间距越大，多径传播的差异 就越大，所收场强的相关性就越小。天线间隔可以是垂直间隔也可以是水平间隔。但是，垂 直间隔的分集性能太差，一般不主张用这种方式。为获得相同的相关系数，基站两分集天线 之间的垂直距离应大于水平距离。在同一基站或小区，采用两副水平间隔数十个波长的天线 接收同一信号，通过分集组合技术便可以选出最强信号或组合成衰落较小的信号。可以用分 集增益来表示空间分集的改善情况，其大小与采用组合技术有关，但主要改善取决于分集天 线的有效高度(he)与水平间距(d)之比值(he／d=?)及接收信号到达角(来波角)?。
当接收正面来的信号(即?=0o)时，两幅分集接收天线上信号相关系数最小，分集增益最 大；当接收侧面来的信号(即?=90o)时，则其相关系数最大，分集增益最小。这种方式 在移动通信中是最有效的，也是应用最普遍的一种分集方式。 2．时间分集
可采用通过一定的时延来发送同一消息，或在系统所能承受的时延范围以内在不同时间 内各发送消息的一部分。在GSM中采用的是交织技术来实现时间分集的，交织技术将在后 面的篇幅作具体介绍。 3．频率分集
这种分集技术在GSM中是通过跳频来实现的。
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