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网络优化基础理论资料
基础理论
1.1移动通信特点
1.电波传播条件复杂
移动体位置不同而且移动体可能在各种环境中运动，电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、衍射等现象，产生多径衰落、信号传播延迟和展宽等效应。
接收信号强度不同，严重影响通信质量，所以移动通信系统必须具有抗衰落能力。
2.噪声和干扰严重
移动体周围一般有较强的人为噪声，如在城市环境中的汽车火花噪声、各种工业噪声，还有同频电台之间的干扰，移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。
这要求移动通信系统具有强抗干扰和抗噪声能力。
3.多普勒效应
移动体发出的信号频率随运动速度变化，所以移动通信系统应具有频率跟踪能力。
4.移动性
保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合。
移动通信系统应具有位置登记、越区切换和漫游访问等跟踪交换能力。
（1）系统和网络结构复杂
它是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作。
此外，移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互连，整个网络结构很复杂。
5.频带利用率高、设备性能好
由于存在系统间干扰等问题，频率资源属于有限不可再生的资源，移动系统要求有非常高的频率利用率；移动通信设备工作环境通常较为复杂，温度、湿度、
供电环境有时无法达到理想的条件，因此对设备的稳定性提出了很高的要求；移动终端要求能够支持多种业务，对功能和节能提出了较高的标准。
6.保密性
由于移动通讯的信号是在空中传播的，因此每个人都有可能接收到信号，这就对系统的保密性能提出了较高的要求。
1.2多址技术
多址技术即多用户共用公共的通信线路。
使信号多路化并实现多址的方法基本上有三种，频率、时间或代码分隔的多址连接方式，即人们通常所称的频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）三种接入方式。
1.频分多址（FDMA）
频分，有时也称之为信道化，就是把整个可分配的频谱划分成许多单个无线电信道（发射和接收载频对），每个信道可以传输一路话音或控制信息。
在系统的控制下，任何一个用户都可以接入这些信道中的任何一个。
模拟蜂窝系统是FDMA结构的一个典型例子，数字蜂窝系统中也同样可以采用FDMA，只是不会采用纯频分的方式，比如GSM系统就采用了FDMA。
2.时分多址（TDMA）
时分多址是在一个宽带的无线载波上，按时间（或称为时隙）划分为若干时分信道，每一用户占用一个时隙，只在这一指定的时隙内收（或发）信号，故称为时分多址。
此多址方式在数字蜂窝系统中采用，GSM系统也采用了此种方式。
TDMA是一种较复杂的结构，最简单的情况是单路载频被划分成许多不同的时隙，每个时隙传输一路猝发式信息。
TDMA中关键部分为用户部分，每一个用户分配给一个时隙（在呼叫开始时分配），用户与基站之间进行同步通信，并对时隙进行计数。
当自己的时隙到来时，手机就启动接收和解调电路，对基站发来的猝发式信息进行解码。
同样，当用户要发送信息时，首先将信息进行缓存，等到自己时隙的到来。
在时隙开始后，再将信息以加倍的速率发射出去，然后又开始积累下一次猝发式传输。
3.码分多址（CDMA）
码分多址是一种利用扩频技术所形成的不同的码序列实现的多址方式。
它不像FDMA、TDMA那样把用户的信息从频率和时间上进行分离，它可在一个信道上同时传输多个用户的信息，也就是说，允许用户之间的相互干扰。
其关键是信息在传输以前要进行特殊的编码，编码后的信息混合后不会丢失原来的信息。
有多少个互为正交的码序列，就可以有多少个用户同时在一个载波上通信。
每个发射机都有自己唯一的代码（伪随机码），同时接收机也知道要接收的代码，用这个代码作为信号的滤波器，接收机就能从所有其他信号的背景中恢复成原
来的信息码（这个过程称为解扩）。
1.3蜂窝技术
1.3.1频率复用
理想情况下，蜂窝结构的基本单元（基站区）是正六边形（切换边界），由若干正六边形组成无线区簇，由无线区簇两两邻接组成全移动网的覆盖区。
无线区簇是一个频率复用的基本单元，在一个无线区簇内将全部可用频道平均分配给每个基站区或扇形小区。
两个同样的无线区簇可以彼此邻接并保证各基站区或扇形小区的一一对应关系。
由于分配给每个基站区或扇形小区的频道组是固定的，所以，任何相邻无线区簇内相对应的基站区或扇形小区都是同频区，从而形成一个完善的同频复用图案。
无线区簇必须满足：
（1）无线区簇应能够彼此相邻接；
（2）相邻无线区簇内任意两个同频复用区中心距离应该相等。
如图所示，i,j为两个参量。
从某一个小区出发，对这两个参量取不同的值（不能同时为0），可以到达任何一个小区。
由图中的三角形关系可以得到两个同频复用区的距离
为：
（1-1）
遵循此分布的无线区簇含有的基站数目
为：
（1-2）
设相邻两个基站区的中心距离为1，基站区半径为R，则有：
（1-3）
定义
为同频复用距离保护系数，或称为同信道干扰衰减因子：
（1-4）
1.3.2频段划分
无线电通信是传递信息的重要手段，为全社会提供着各类信息传递服务，但是无线电频率是不可再生资源，频段的使用必须由国家无线电主管部门划分和分配。
在民用的移动通信中，用于蜂窝通信使用的频段具体安排如下：
中国移动
GSM：
885MHz～909MHz/930MHz～954MHz
DCS：
1710MHz～1725MHz/1805MHz～1820MHz
中国联通
GSM：
909MHz～915MHz/954MHz～960MHz
DCS：
1745MHz～1755MHz/1840MHz～1850MHz
中国电信
CDMA：
825MHz～835MHz/870MHz～880MHz
为了满足第三代蜂窝移动通信技术和业务发展要求，中国于2002年对3G系统使用频谱作出规则如下：
主要工作频段：
频分双工：
1920MHz～1980MHz/2110MHz～2170MHz；
时分双工：
1880MHz～1920MHz；2010MHz～2025MHz
补充工作频段：
频分双工：
1755MHz～1785MHz；1850MHz～1880MHz；
时分双工：
2300MHz～2400MHz
商用频段：
TD-SCDMA1880MHz～1920MHz2010MHz～2025MHz
2300MHz～2400MHz
WCDMA1940-1955MHz～2130-2145MHz
CDMA20001920-1935MHz～2110-2125MHz
1.4无线传播理论
1.4.1无线传播基本原理
在规划和建设一个移动通信网时，从频段的确定、频率分配、无线电波的覆盖范围、计算通信概率及系统间的电磁干扰，直到最终确定无线设备的参数，都必须依靠对电波传播特性的研究、了解和据此进行的场强预测。
它是进行系统工程设计与研究频谱有效利用、电磁兼容性等课题所必须了解和掌握的基本理论。
众所周知，无线电波可通过多种方式从发射天线传播到接收天线：
直达波或自由空间波、地波或表面波、对流层反射波、电离层波
1.4.2无线传播环境
1.快衰落
在一个典型的蜂窝移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路径被建筑物或其他物体所阻碍，所以，在蜂窝基站与移动台之间的通信不是通过直达路径，而是通过许多其他路径完成的。
在UHF频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射，即从建筑物平面反射或从人工、自然物体折射，如图所示。
所有的信号分量合成产生一个复驻波，它的信号的强度根据各分量的相对变化而增加或减小。
其合成场强在移动几个车身长的距离中会有20～30dB的衰落，其最大值和最小值发生的位置大约相差1/4波长。
大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰落。
在性质上，多径衰落属于一种快速变化。
此外，这种传播特点还产生了时间色散的现象。
多径衰落也称瑞利衰落。
对于这种快衰落，基站采取的措施就是采用时间分集、频率分集和空间分集（极化分集）的办法。
2.慢衰落
大量研究结果表明，移动台接收的信号除瞬时值出现快速瑞利衰落外，其场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落，它是由阴影效应引起的，所以也称作阴影衰落。
电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。
当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，就会使接收场强中值的变化。
变化的大小取决于障碍物的状况和工作频率，变化速率不仅和障碍物有关，而且与车速有关。
研究这种慢衰落的规律，发现其中值变动服从对数正态分布。
在陆地移动通信中，通常信号中值随时间的变动远小于随地点的变动，因此可以忽略慢衰落的影响。
但是在定点通信中，需要考虑慢衰落。
3.传播损耗
在研究传播时，特定收信机功率接收的信号电平是一个主要特性。
由于传播路径和地形干扰，传播信号减小，这种信号强度减小称为传播损耗。
在研究电波传播时，首先要研究两个天线在自由空间（各向同性，无吸收，电导率为零的均匀介质）条件下的特性。
以理想全向天线为例。
经推导，自由空间的传播损耗为：
Lp=32.4+20*lg（fMHz）+20*lg（dkm）
其中，f为频率，d为距离（公里）。
上式与距离d成反比。
当d增加一倍，自由空间路径损耗增加6分贝。
同时，当减小波长λ（提高频率f），路径损耗增大。
我们可以通过增大辐射和接收天线增益来补偿这些损耗。
4.无线传播模型
传播模型是非常重要的。
传播模型是移动通信网小区规划的基础。
多数模型是预期无线电波传播路径上的路径损耗的。
所以传播环境对无线传播模型的建立起关键作用，确定某一特定地区的传播环境的主要因素有：
（1）自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）；
（2）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性；
（3）该地区的植被特征；
（4）天气状况；
（5）自然和人为的电磁噪声状况。
另外，无线传播模型还受到系统工作频率和移动台运动状况的影响。
在相同地区，工作频率不同，接收信号衰落状况各异；静止的移动台与高速运动的移动台的传播环境也大不相同。
一般分为：
室外传播模型和室内传播模型。
5.多普勒效应
在移动通信中信号的相位不断变化，产生附加频移，这种频移称为多普勒效应在GSM系统中多普勒效应引起频率变化的关系可以通过下面的公式给出：
（1）基站为频率源f，基站接收到的频率fˊ为
f'=f（1±v/c）
式中：
v为MS的移动速度，c为空中信号传播速度（设为3×108m/s）当MS向基站方向移动时取“+”号，远离基站时取“-”号。
（2）MS为频率源f，基站接收到的频率fˊ为
f'=f/（1±u/c）式中：
u为MS的移动速度，c为空中信号传播速度（设为3×108m/s）当MS向基站方向移动时取“-”号，远离基站时取“+”号。
1.5天线
导线上有交变电流流动时，就可以发生电磁波的辐射，辐射的能力与导线的长度和形状有关。
如图1.1a所示，若两导线的距离很近，电场被束缚在两导线之间，因而辐射很微弱；将两导线张开，如图1.1b所示，电场就散播在周围空间，因而辐射增强。
必须指出，当导线的长度L远小于波长λ时，辐射很微弱；导线的长度L增大到可与波长相比拟时，导线上的电流将大大增加，因而就能形成较强的辐射。
1.5.1对称振子
对称振子是一种经典的、迄今为止使用最广泛的天线，单个半波对称振子可简单地单独立地使用或用作为抛物面天线的馈源，也可采用多个半波对称振子组成天线阵。
两臂长度相等的振子叫做对称振子。
每臂长度为四分之一波长、全长为二分之一波长的振子，称半波对称振子,见图1.2a。
另外，还有一种异型半波对称振子，可看成是将全波对称振子折合成一个窄长的矩形框，并把全波对称振子的两个端点相叠，这个窄长的矩形框称为折合振子，注意，折合振子的长度也是为二分之一波长，故称为半波折合振子,见图1.2b。
1.5.2天线方向性
发射天线的基本功能之一是把从馈线取得的能量向周围空间辐射出去，基本功能之二是把大部分能量朝所需的方向辐射。
垂直放置的半波对称振子具有平放的“面包圈”形的立体方向图（图1.3.1a）立体方向图虽然立体感强，但绘制困难，图1.3.1b与图1.3.1c给出了它的两个主平面方向图，平面方向图描述天线在某指定平面上的方向性。
从图1.3.1b可以看出，在振子的轴线方向上辐射为零，最大辐射方向在水平面上；而从图1.3.1c可以看出，在水平面上各个方向上的辐射一样大。
天线方向性增强
若干个对称振子组阵，能够控制辐射，产生“扁平的面包圈”，把信号进一步集中到在水平面方向上。
下图是4个半波对称振子沿垂线上下排列成一个垂直四元阵时的立体方向图和垂直面方向图。
也可以利用反射板可把辐射能控制到单侧方向平面反射板放在阵列的一边构成扇形区覆盖天线。
下面的水平面方向图说明了反射面的作用------反射面把功率反射到单侧方向，提高了增益。
1.5.2增益
定义：
在相同输入功率、相同距离条件下、天线在最大辐射方向上的功率密度与无方向性天线在该方向上的功率密度之比定义为天线的增益Gi（单位dBi），有时也以无耗半波振子的增益系数（1.64）作比较标准，记为Gd（单位dBd）。
或G（dBd）=G（dBi）−2.17di
例如：
1dBd=3.17dBi2dBd=4.17dBi
1.5.3波瓣宽度
方向图通常都有两个或多个瓣，其中辐射强度最大的瓣称为主瓣，其余的瓣称为副瓣或旁瓣，见图。
在主瓣最大辐射方向两侧，辐射强度降低3dB（功率密度降低一半）的两点间的夹角定义为波瓣宽度（又称波束宽度 或主瓣宽度或半功率角）。
波瓣宽度越窄，方向性越好，作用距离越远，抗干扰能力越强。
还有一种波瓣宽度，即10dB波瓣宽度，顾名思义它是方向图中辐射强度降低10dB（功率密度降至十分之一）的两个点间的夹角，见图。
1.5.4前后比
方向图中，前后瓣最大值之比称为前后比，记为F/B。
前后比越大，天线的后向辐射（或接收）越小。
前后比F/B的计算十分简单-------
F/B=10Lg{（前向功率密度） /（后向功率密度）}
对天线的前后比F/B有要求时，其典型值为（18~30）dB，特殊情况下则要求达（35~40）dB.
1.5.5天线的下倾角与方向图
在实际工程中我们常常遇到需要调整天线的下倾角的情况。
当天线下倾角为0时，覆盖的区域较大，使各个小区之间的覆盖重叠区较大，为减小天线的覆盖区我们会采用减小基站输出功率的方式或增大天线下倾角。
当覆盖区比基站地势低时，天线需要作下倾处理。
以下图纸为没有下倾、电调下倾和机械下倾情况下方向图在地面上的映像图：
1.5.6常用天线的分类
1.室内天线
（1）全向吸顶天线
垂直面方向图
全向吸顶天线由于其波瓣的形状所决定，其覆盖区基本为圆形，常用于小面积的集中区域覆盖，例如酒店、写字楼的覆盖。
但是正是因为其为是全向覆盖所以信号容易从楼内泄露出去，造成对其它基站的干扰。
（2）平板天线
平板天线的方向性较强，覆盖区域多为狭长的通道和大面积的规则的室内空旷场所。
其要求按照规范安装成垂直极化方式。
2.室外天线
（1）全向玻璃钢天线
垂直面方向图
全向玻璃钢天线具有覆盖范围广的特点，其波瓣为360°角，常用于小型村庄等
需要全向覆盖的地方，天线置于要求覆盖区域的中心。
（2）定向抛物面天线
垂直面方向图
（3）定向板状天线
定向板状天线前后比较大，隔离效果好，可作为重发天线对较长的狭窄地段进行覆盖，如高速公路等。
（4）八木天线
八木天线因其波瓣较窄，占用横向空间较小，常作为重发天线对狭窄地段进行覆盖，如电梯井道和小段公路或铁路等。
但其增益一般不超过14dB，且前后比较差，不适合用作施主天线。
（5）短背射天线
短背射前后比较大，可获得较大的隔离度。
方向性强，波瓣宽度较窄可减少对施主基站以外基站下行信号的增益，减少对施主基站以外基站上行信号的干扰，是优良的施主天线，也可作为重发天线对较长的狭窄地段进行覆盖，如高速公路等。
1.6GSM移动通信系统
GSM的典型系统组成如下图所示：
1.6.1GSM系统工作频段
我国GSM通信系统采用900MHz和1800MHz频段。
GSM900频段为：
890-915MHz（移动台发，基站收），935-960MHz（基站发，移动台收）；
DCS1800频段为：
1710-1785MHz（移动台发，基站收），1805-1880MHz（基站发，移动台收）。
由于现有的GSM900频段不够用，所以在GSM900频段往下扩10M作为EGSM频段，其中移动使用了5M。
EGSM频段：
880-890MHz（移动台发，基站收），925-935MHz（基站发，移动台收）；
绝对频点号和频道标称中心频率的关系为：
（1）GSM900MHz频段：
–上行（移动台发）fl（n）=890.2MHz+（n-1）×0.2MHz
–下行（移动台收）fh（n）=fl（n）+45MHz；1<=n<=124
（2）GSM1800MHz频段：
–上行（移动台发）fl（n）=1710.2MHz+（n-512）×0.2MHz
–下行（移动台收）fh（n）=fl（n）+95MHz；512<=n<=885
（3）EGSM频段
–上行（移动台发）fl（n）=880.2MHz+（n-975）×0.2MHz
–下行（移动台收）fh（n）=fl（n）+45MHz；975<=n<=1024
例如：
山东省电视大厦所用频点为23，32，83。
即所用频率为:
890.2MHz+（23-1）×0.2MHz=894.6MHZ
890.2MHz+（32-1）×0.2MHz=896.4MHZ
890.2MHz+（83-1）×0.2MHz=906.6MHZ
1.6.2GSM系统的无线覆盖区结构
（1）小区
采用基站识别码或全球小区识别码进行标识的无线覆盖区域称为小区，当基站采用全向天线结构时，小区即为基站区。
GSM小区也有大小之分，大者，小区半径可达35km，适用于农村地区；小者，小区半径可降至2km左右，适用于城市；再小者，小区半径可降到几百米，适用于城市高密度业务区。
（2）基站区
由位于同一基站点的一个或若干个基站收发信台（BTS）包括的所有小区覆盖的区域称为基站区。
（3）位置区
位置区是指移动台可以任意移动而不需要进行位置更新的区域，由一个或若干个小区（或基站区）组成。
为了呼叫移动台，一般在一个位置区内的所有基站同时发送寻呼信号。
（4）MSC区
MSC区是指由一个MSC所控制的所有小区共同覆盖的区域的总和，由一个或若干个位置区组成。
（5）服务区
服务区是指移动网内所有MSC区的总和。
服务区可能完全覆盖一个国家或是一个国家的一部分，也可能覆盖若干个国家。
1.6.3GSM系统的信道类型
（1）信道类型
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