仿真技术在光纤通信实验教学中的应用论文
摘要：本文将Optisystem和Matlab联合仿真技术引入光纤通信实验教学，学生通过虚拟仿真技术，更清晰直观地进行实验，并且节省硬件设备投资，取得良好的教学效果。
关键词：仿真技术光纤通信实验技术应用
随着通信技术的迅猛发展，光纤通信作为通信专业的一门重要必修课程，在培养通信人才能力的角色中扮演着越来越重要的作用[1]。光纤通信是一门物理学和通信学的交叉学科，其中涉及很多物理学和通信学科的基础理论和基础知识，这给学生学习掌握好这门课程带来很大的挑战。
光纤通信作为一门工程学科，不仅仅教授理论内容，其实践内容也占有非常重要的地位。由于资金的限制，电信级的设备无法购入，因此光纤通信实验课基本以试验箱为主，再配合其他测试仪器完成实验教学，这种模式存在诸多问题，比如实验设备具有使用寿命、易老化；实验项目方法单一、缺乏灵活性；很难进行综合性开发、二次开发；难以深入了解其内部工作原理等。随着计算机仿真技术的发展，国内外高校越来越重视该技术在实验教学中的应用，目前各大高校已经陆续开始建设虚拟仿真实验室。本文将Optisystem和Matlab联合仿真技术引入光纤通信实验教学中，不仅克服了传统实验教学的弊端，还带来了实验开设的便利性、重复性、精准性等优势，取得了良好的教学效果。
1。Optisystem仿真系统
Optisystem是加拿大Optiwave公司推出的一款计算机仿真系统[2]，主要用于光纤通信系统的器件仿真、系统设计等。Optisystem提供了良好的可扩展性，可与Matlab进行联合仿真，只需要在仿真系统中添加一个Matlab组件即可，使用起来方便简单[3]。在使用Optisystem与Matlab协同仿真的时候，首先要了解Optisystem的信号输入Matlab工作空间的格式。
其数据格式如图1所示。
图1Matlab空间数据格式
由图1（a）可以看出，Optisystem的信号格式包括“TypeSignal”，字符类型，表示该信号的类型为光信号、电信号或二进制信号；“Sampled”，结构体，Optisystem的信号就包含在该字段当中。“Parameterized”，结构体，参数化字段，表示一些与时间平均有关的量，如平均功率、中心波长、偏振态等；“Noise”，结构体，表示噪声数据；“Channels”，表示该信号的波长，是指中心波长。
如果选择的是频率抽样信号，则Sampled的数据格式如图1（b）所示。如果选择的是时间抽样信号，则Sampled的数据格式如图1（c）所示。到底是时间信号还是频率信号，由具体问题决定。使用Matlab在时域对信号处理时，就选择时域抽样，否则，选择频域抽样。由图1（b）、图1（c）看出，Smapled包含两个字段，一个是Signal字段，该字段是信号在抽样点的值，另一个是Frequency或Time字段，该字段是抽样点的频点或时间点。
2。频域的Optisystem与Matlab联合仿真
为了进一步说明Optisystem与Matlab联合仿真技术在光纤通信实验教学中的应用，用以下例子做说明。本部分是频域的联合仿真，第3部分是时域的联合仿真。在本部分的例子中，我们使用Matlab代码，对连续波激光器的输出光谱进行右移1THz的操作。其搭建的Optisystem系统如图2所示。
图2光谱右移Optisystem系统
图2中，连续波激光器发出的激光，输入Matlab组件，使用Matlab组件对其进行频移操作。注意：需要把Matlab组件中的“Sampledsignaldomain”设置为“Frequency”，表示在频域采集信号。把Matlab组件中的“RunCommand”设置为Matlab脚本的名字。以下是编写的Matlab脚本代码，名字为frequench_shift。m
OutputPort1=InputPort1；
f=InputPort1。Sampled。Frequency；%输入光信号的频谱
OutputPort1。Sampled。Frequency=f+1e+12；%输出光谱频率右移1THz
使用光谱仪分别测试连续波激光器的输出光谱和经过Matlab组件处理过后的光谱，分别如图3（a）和（b）所示。
（a）（b）
图3（a）连续波激光器光谱；（b）Matlab组件输出光谱
通过比较图3（a）和（b）可以看出，连续波激光器的输出光谱中心频率位于193。1THz处，而Matlab组件的输出光谱位于194。1THz处，这说明光谱被Matlab组件右移了1THz。仅仅使用了三行Matlab代码即实现了频移操作，非常简洁方便有效。
3。时域的Optisystem与Matlab联合仿真
在时域的Optisystem与Matlab联合仿真中，以光信号的幅度调制为例。搭建的Optisystem系统如图4所示。
图4Matlab实现的光信号幅度调制
在图4中，连续波激光器输出的光信号和调制信号输入Matlab组件，Matlab组件完成对信号的光幅度调制。搭建Matlab组件时，需要设置两个输入端口，其中一个电端口，一个光端口。调制信号采用1Gbit/s的伪随机序列，使用NRZ模块产生1Gbit/s的NRZ格式的伪随机序列。把伪随机序列和连续波激光器输出的'光信号同时输入Matlab组件，用来产生幅度调制光信号。对于光信号的幅度调制，其数学表达式为：
Eout（t）=Ein（t）。[modulation（t）]1/2
其中Eout（t）是输出的光幅度调制信号，Ein（t）是输入的连续波光信号，modulation（t）是调制电信号。
Matlab脚本代码如下，名字为am。m
OutputPort1=InputPort1；
[is，cs]=size（InputPort1。Sampled）；
len=length（InputPort1。Sampled）；
forcounter=1：cs
OutputPort1。Sampled（1，counter）。Signal=。。。
InputPort1。Sampled（1，counter）。Signal。*。。。
sqrt（InputPort2。Sampled（1，counter）。Signal）；
end
（a）（b）
图5（a）伪随机序列时域波形；（b）光幅度调制时域波形
运行Optisystem系统，进行仿真，仿真结束，使用电域示波器（OscilloscopeVisualizer）观测1Gbit/s的伪随机序列NRZ码时域波形。使用光域示波器（OpticalTimeDomainVisualizer）观测Matlab组件的输出时域波形，如图5所示。
其中图5（a）是伪随机序列的时域波形，图5（b）是经过Matlab处理之后的光幅度调制时域波形。通过对比图5（a）和（b）可以知道，使用Matlab组件实现的幅度调制器，能够正常地把伪随机序列码调制到光波上，从而实现数字光信号的幅度调制。
4。结语
本文以Optisystem和Matlab联合仿真为例，介绍了仿真技术在光纤通信实验教学中的应用。通过频域联合仿真和时域联合仿真两个实例，分析了在Optisystem中如何使用Matlab组件进行联合仿真。使用联合仿真技术，可以大大拓展Optisystem的使用范围，学生通过使用仿真技术，不仅能够把课堂上学习的理论知识应用于实践，知其然也知其所以然，还能够巩固学习效果，提高能力，为培养应用型人才打下良好的基础。
参考文献：
[1]王秋光，张亚林，胡彩云，赵莹琦。 OptiSystem仿真在光纤通信实验教学中的应用[J]。实验室科学，2015（2）。
[2]韩力，李莉，卢杰。基于Optisystem的单模光纤WDM系统性能仿真[J]。大学物理实验，2015（10）。
[3]赵赞善，罗友宏，谢娇。 Optisystem中Matlab Component模块的扩展应用[J]。电信技术，2012（12）。
光纤通信技术中的电力系统调度应用论文
【 摘要 】光纤通信的特点体现在可靠高效，在电力行业应用十分广泛，在继电保护、监控调度、自动化方面发挥着重要作用。本文就光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用作简要阐述。
【 关键词 】光纤通信技术；电力系统调度；应用
光纤技术应用于电力企业，对于企业管理水平发挥了巨大作用。与其它的技术相比，光纤通信具有独特的优越性。此种技术以光纤作为传输介质，利用光线进行信息传递。光纤通信技术的组成包括了以下部分，电端机，中继器，光缆，光湍机。此种技术在应用方面组网非常的灵活，可以是星型、网型，也可以是链型等。而电力调度自动化通常是应用环形网络，从而使其连接于计算机局域网络，达到数据共享目的。
1光纤通信
光纤通信是将光作为载波，光纤作为传输媒质，从而实现信息传输。光纤的组成包括了纤芯，包层，涂层。内芯在几微米到几十微米之间，比发丝还细。中间层将其称之为包层，纤芯完成信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用，涂层的作用在于保护光纤。光纤的通信原理是，将需要传输的信息在发送端变为电信号，之后将其调制到激光器发射的光束，光的强度会随着信号幅度变化而相应变化，并利用光纤发送。而在接收一端，光信号由检测器接收并且将其变为电信号，通过解调使其恢复到原来信号状态。光纤通信在技术方面的组成包括了信号发射，信号合波，信号放大与传输，信号接收，信号分离。
2光纤通信技术的特点
光纤通信技术的特点体现在以下方面，首先是具有较大的传输容量，传输带宽与调制方式是光纤通信技术具备传输容量的因素。光源具有调制特性，相比于电缆与铜线其通信容量要大许多，并且可以通过其它措施使信息在传递过程中损失程度最大限度的降低，从而避免信息容量导致的限制。光纤通信抗干扰能力比较强，光纤材料的主要成分是石英，此种材料具有良好的绝缘效果，因此使光纤具备了较好的抗干扰能力。石英材料自身的性能比较稳定，具有较强的抗腐蚀能力，并且绝缘效果好，能够抵抗雷电干扰与太阳黑子活动。人为电磁的干扰也能够得以削弱。在具体施工环节，光纤架设如果采用平行架设的方式，同时高压电线也采用平行架设的方式，就能够构成复合型光缆，从而为电力调度自动化工作开展提供支撑，电磁脉冲对通信造成影响就可以有效降低。保密性能较好，电波传输过程中，电磁波泄露情况是无可避免的，而电磁波泄露，就会使信号安全性降低，严重的时候信号可能被窃取。而利用光纤技术可以将信息限制于光线中，即使是出现泄露情况，光纤外包皮也能够将信号吸收，从而避免外界窃取信号。但是在实际施工过程中可能会存在同一条光缆包裹数量不等的光纤，而由于光纤外包皮的作用，彼此之间不会出现信息干扰问题。光缆传输产生的损耗较低，相比于现有的传输介质，光纤产生的损耗是最低的，因此在远距离传输时采用光纤更加的合理。随着社会经济的发展，人们对于信息传输要求也在提升，而信息传输距离在不断增大，由此会导致传输损耗增大，降损已经成为了信息传输过程一项非常重要的工作。
3光纤传输应用于电力调度自动化
电力系统组成包括了配电系统、输变电系统、发电厂等，而对于通信系统而言，信息传输的通畅性是确保系统能够有效运行的关键所在，因此光纤技术对电力系统的作用日益重要。光纤通信的组网方式非常的灵活，可以将其分为星型、树型、网状、环状等。考虑到电力调度自动化特点通常采用的是树形与环型结合，或者是单纯的环型网络，通过连接计算机实现数据共享。通信网络节点较多，为避免在工作过程中出现通信中断等故障，企业可以考虑双光纤环路自愈型网络，其中配置具备自动切换功能光纤收发器。一旦光纤通信出现了问题，切换器能够及时构成新的光纤路径，从而实现通信系统自愈，确保继电工作正常，电力调度工作能够正常进行。光纤通信技术应用于电力调度自动化，由于供电部门工作特殊，因此要求电网运行可靠，对于继电保护工作的要求也在日益提升。当电力系统出现问题的时候，工作人员需要及时准确的判定故障的位置及原因，并且快速解决问题，从而将系统故障产生的影响控制在一定范围内。对于调度侧的远程遥控而言，不能出现非正常的拒动现象，光纤通信的稳定性直接影响到电网运行的稳定性。光纤系统通信容量大，具有较强的抗干扰性，为电力调度工作正常开展提供了有力的支持。电力调度自动化建设既体现在信息自动化传输，同时也需要其它系统为其提供辅助，从而使调度自动化的工作目标得以达成。其它辅助系统包括了、视频监控、调度电话、五防系统等。光纤通信的作用在于使相关系统能够正常有效运行，因此光纤通信如果不参与系统建设，电力调度自动化工作的效果就会受到极大影响。
4光纤技术应用于电力调度自动化发展前景
随着我国社会经济的发展，光纤技术应用的范围也在逐渐增大，在电力系统中应用光纤技术是社会发展的趋势，通过智能化的方式进行信号传递，而金属电缆则被光纤取代从而成为信息传输的新媒介，并且以此形成了二次通信系统，而二次系统则会成为电力系统发展的趋势。数字化技术发展作为电力调度系统发展的基础，自动化系统需要实现信息传输数字化，对于光纤通信技术而言有一定的挑战性。光纤技术发展需要随着社会变化不断的变化，从而更好的适应社会发展需要，在应用于电力调度自动化系统中使其能够正常发展，对于其中运用的重要技术难点存在的'问题需要加大科研力度，从而使系统在应用的过程中持续完善。电力调度系统在发展过程中向着自动化与智能化的方向发展，从而使工作人员的劳动强度降低，同时工作安全性也得到了提升，调度自动化系统应用能够对现有的配电网络进一步优化，从而使电力网络供电可靠性与供电质量得到提升。作为一种性能稳定的通信传输介质，在电力调度系统中应用光纤，工作人员需要结合到电力企业自身的特点与光纤自身的特点，从而使组成电力调度各个部分能够有效运行，同时也确保电力通信能够更加有效与安全。随着我国电力通信技术的发展，光纤技术应用于电力通信系统也将会发挥更大的作用。
5结束语
电力调度工作向着自动化方向发展是电网发展的趋势，而自动化系统中，光纤通信优势十分的明显，抗干扰能力强、保密性好、低损耗、较大的通信容量等，能够提升电力工作效率水平。而从另一方面来看，电力企业规模扩大，新的技术应用于电网运行，光纤技术应用于电力企业也会面临着来自某些方面的挑战，需要工作人员在技术应用的过程中持续的优化。
参考文献
[1]韩亚男.光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用[J].电子技术与软件工程，2015（7）：41.
[2]施俊国.浅谈光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用[J].数字技术与应用，2010（7）：45~46.
[3]杜鹏锐.综述光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用[J].通讯世界，2015（22）：188.
[4]赵晓娜，赵洪丽，张镇，等.浅谈光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用[J].工程技术：文摘版：00269.
[5]魏悦，吴迪.浅谈光纤通信技术在电力系统调度自动化中的应用[J].工业，2016（11）：00292.
在正文书写完毕后，空两行（宋体小四号），再书写“参考文献”四个字（居中），“参考文献”使用宋体四号加粗，前后两个字之间不空格。“参考文献”书写完毕后空一行（宋体小四号）再书写参考文献的具体内容。
参考文献的序号左顶格书写，并用数字加方括号表示，如〔1〕，〔2〕，?，每一参考文献条目的＇最后均以“．”结束。参考文献只列出作者已直接阅读，在撰写论文过程中主要参考过的文献资料，所列参考文献应按论文参考的先后顺序排列，参考文献一律书写在论文正文结束后，不得放在各章（节）之后。
参考文献引用的技巧
如果我们在论文中有引用了他人的学术观点、数据、材料、结构等，就一定要记得详细的标注出来的。我们引用参考文献也应该要规范，如果我们在论文中标注的参考文献不规范，也从侧面反映出论文写作者的水平和态度。
参考文献不宜过多，文献的多少能体现出论文占有资料的程度。一般情况下，中文论文的参考文献偏少，但也不能简单以文献引用量达到多少简单划分，不同性质的论文引用参考文献的多少页相差很大。
码分多址蜂窝移动通信系统
CDMA技术的优点及问题及越区切换
由于CDMA技术本身所固有的许多特点,使它非常适合于数字蜂窝移动通信系统。它的优点主要表现在如下10个方面。
1.语音激活技术
统计结果表明,人们在通话过程中,只有35%的时间在讲话,另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,当某一用户没有讲话时,该用户的发射机不发射或少发射功率,其他用户所受到的干扰都相应地减少。为此,在CDMA系统中,采用相应的编码技术,使用户的发射机所发射的功率随着用户语音编码的需求来作调整。当用户讲话时语音编码器输出速率高,发射机所发射的平均功率大;当用户不讲话时语音编码器输出速率很低,发射机所发射的平均功率很小,这就是语音激活技术。在蜂窝移动通信系统中,采用语音激活技术可以使各用户之间的干扰平均减少65%。也就是当系统容量较大时,采用语音激活技术可以使系统容量增加约3倍,但当系统容量较小时,系统容量的增加值要降低。在频分多址、时分多址和码分多址三种制式中,唯有码分多址可以方便而充分地利用语音激活技术。如果在频分多址和时分多址制式中采用语音激活技术,其系统容量将有不同程度的提高,但二者都必须增加比较复杂的功率控制系统,而且还要实现信道的动态分配,其结果必然带来时间延迟和系统复杂性的增加,而在CDMA系统中实现这种功能就相对简单得多。
2.扇区划分技术
扇区划分技术是位于蜂窝小区中心的基站利用天线的定向特性把蜂窝小区分成不同的扇面,如下图所示。常用的方式有
利用120°圆形覆盖的定向天线组成的三叶草形无线区(图(a));利用60°扇形覆盖的定向天线组成的三角形无线蜂窝区(图(b));利用120°扇形覆盖的定向天线组成的120°扇形无线蜂窝区(图(c))。
在频分多址和时分多址制式中,在每个蜂窝小区中采用分扇区天线通常只能起到减少干扰的作用,不能增加系统容量。而在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成三个扇区(如图(c)所示)时,平均处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址干扰分量也减少为原来的三分之一左右,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻扇区之间有重叠,一般只能提高到2.55倍)。
3.高系统容量
由于码分数字蜂窝移动通信系统可以通过采用上述两种方法以及其他技术直接地或间接地提高系统容量,使码分系统的容量比模拟FDMA系统及数字GSM系统都要高出若干倍。理论分析表明,在相同的频率带宽下,对于宽带码分系统,每个蜂窝小区所能提供的信道数是模拟FDMA系统的20倍左右,是数字GSM系统的10倍左右;对于窄带码分系统来说,其系统容量的优势有所
降低,但也是模拟FDMA系统的10倍以上,是数字GSM系统的3倍以上。由此可以看出,在移动通信事业迅猛发展的今天,移动用户量日益猛增,而频率资源日趋紧张,采用码分数字蜂窝移动通信系统是势在必行。
4.软容量
在模拟频分系统和数字时分系统中,通信信道是以频带或时隙的不同来划分的,每个蜂窝小区提供的信道数一旦固定,很难改变。当没有空闲信道时,系统会出现忙音,移动用户不可能再呼叫其他用户或接收其他 用户的呼叫。当移动用户在越区切换时,也很容易出现通话中断现象。在码分系统中,信道划分是靠不同的码型来划分的,其标准的信道数是以一定的输入、输出信噪比为条件的,当系统中增加一个通话用户时,所有用户输入、输出信噪比都有所下降,但不会出现因没有信道而不能通话的现象。例如对一个标准信道数为40的扇区来说,当第41个用户呼叫时,对所有移动用户的影响是接收机的输入信噪比下降10lg(41/40)=0.1dB,即使再增加两个用户通信,比标准多三个,其影响是所有接收机的输入信噪比下降10lg[(40+3)/40]=2.3dB,这使该扇区内的移动用户信息数据的误码率有所升高,通话质量有所下降,但增加的三个用户都不会发生因无信道而出现忙音的现象。这对于解决通信高峰期时的通信阻塞问题和提高用户越区切换的成功率无疑是非常有益的。
5.软切换
当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断用户的通信就要做一系列的调整,包括通信链路的转换,位置更新等,这个过程就叫越区切换。越区切换实现了小区(或扇区)间的信道转换,是保证一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。
在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,移动用户在越区切换时,需要在另一个小区(或扇区)寻找空闲信道,当该区有空闲信道时才能切换。这时移动台的收、发频率等都要作相应的调整,称之为硬切换。这种切换过程是首先切断原通话通路,然后与新的基站接通新的通话链路。这种先断后通的切换方式势必引起通信的短暂间断。另外由于通信环境的影响,在两小区的交叠区域内,移动台接收到的两个基站发来的信号的强度有时会出现大小交替变化,从而导致越区切换的“乒乓”效应,用户会听到“咔嗒”声,对通信产生不利的影响。此外切换时间也较长。
在CDMA系统中,由于所有的小区(或扇区)都可以使用相同的频率,小区(或扇区)之间是以码型的不同来区分的。当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,不需要移动台的收、发频率切换,只需在码序列上作相应地调整,称之为软切换。软切换的优点在于首先与新的基站接通新的通话,然后切断原通话链路。这种先通后断的切换方式不会出现“乒乓”效应,并且切换时间也很短。另外由于CDMA系统有“软容量”的优点,越区切换的成功率要远大于模拟FDMA系统和数字TDMA系统,尤其是在通信的高峰期。
6.特有的分集形式
在CDMA系统中,由于采用了宽带传输,使它具有了特有的频率分集特性,即当信道具有选频特性时,对CDMA系统中信息传输影响较小。
CDMA系统有分离多径信号的能力,可以实现路径分集。由于移动通信环境的复杂和移动台的不断运动,接收到的信号往往是多个反射波的叠加,形成多径衰落。在模拟FDMA系统和数字TDMA系统中,为了解决多径衰落对通信带来的不利影响,采取了包括增加发射功率等一系列措施。在CDMA系统中,可以采用它特有的技术(如瑞克(RAKE)接收技术),将多径信号分离出来,
分别接收,这样不但克服了多径衰落对通信带来的不利影响,还等效增加了接收有用信号的功率(或者说等效增加了发射信号的功率)。由于这种特有的分集形式以及其他措施,使CDMA系统的发射功率相对很低。
除了这种特有的分集形式外,CDMA系统还采用其他分集技术,如空间分集、时间分集等,使CDMA系统的性能更加提高。
7.与窄带系统(模拟系统)共存
当码分系统与窄带系统(例如模拟FDMA系统)工作于同一频段时,由于在CDMA系统中采用了宽带传输方式,并且发射功率较低,平均落到每个窄带系统中的带宽内的干扰信号功率很小。尤其是宽带CDMA系统,其对窄带系统的影响可以忽略不计,窄带系统对CDMA系统的影响可以等效为“人为干扰”,由于CDMA系统特有的抗干扰能力,把这个干扰降低到了最低限度。
这个干扰的存在只使得CDMA系统的容量降低,但不妨碍CDMA系统的正常工作。CDMA系统的带宽越宽,两个系统共存时相互间的影响越小,反之则越大。这给CDMA系统与模拟窄带系统双模式共存以及由模拟移动通信系统向数字移动通信系统平滑过渡提供了可能性。
8.良好的保密能力
码分数字移动通信系统的体制本身就决定了它具有良好的保密能力。首先在CDMA数字移动通信系统中必须采用扩频技术,使它所发射的信号频谱被扩展的很宽,从而使发射的信号完全隐蔽在噪声、干扰之中,不易被发现和接收,因此也就实现了保密通信。其次在通信过程中,各移动用户所使用的地址码各不相同,在接收端只有完全相同(包括码型和相位)的用户才能接收到相应的发送数据,对非相关的用户来说是一种背景噪声,所以CDMA系统可以防止有意或无意的窃取,具有很好的保密性能。
9.发射功率低、移动台的电池使用寿命长
由于在码分数字移动通信系统中,可以采用许多特有的技术来提高系统的性能,所要求的发射功率大大降低,从而对电池的体积减小和使用寿命增长都是非常有益的,对移动台整机的体积减小和成本的降低也是有利的。
10.频率分配和管理简单
在模拟频分多址和数字时分多址移动通信制式中,频率分配和管理是一项比较复杂的技术,而动态频率分配就更加复杂。在码分数字移动通信体制中,所有移动用户可以只用一个频率,不需要动态分配,其频率分配和管理都很简单。
以上是码分数字移动通信系统的主要优点,但同时它也存在需要人们攻克的难点。在CDMA数字移动通信系统中,突出的问题是远近效应。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,由于在同一蜂窝的各用户使用的是同一频率,共享一个无线频道。由于路途衰耗的原因,距基站近的移动台所发射信号有可能完全淹没距离远(例如处于蜂窝区边缘)移动台所发送来的信号,如果不采取有力的措施,这将使基站无法正常接收远距离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频率或时隙,且各信道之间有相应的保护带宽或保护时间,故远近效应问题不太突出。
当前,在CDMA系统中为解决这个问题所采取的措施主要有两种:第一种是信号处理方法,在接收端用信号处理的方法,依次逐个抵消掉较强信号,直到能解调出所需信号为止,但由于这种方法运算量很大及当前器件的运算速度等问题,还不能实际使用;当移动台距基站近时,其发射功率减小,当距离远时,发射功率增大,从而保证在基站所收到的每个移动台的信号功率相等,消除远近效应的影响,使系统处于最佳运行状态。功率控制技术已在实际当中采用,它是CDMA数字移动通信系统中的最关键技术之一。功率控制技术很复杂,其所控制的范围和精度直接影响到整个系统的性能,如偏差过大,不仅系统容量迅速下降,而且通信质量也将急剧下降。
码分数字蜂窝移动通信网的网路结构如下图所示。
它是一个抽象的平面图,其实现将随着功能实体在各个物理单元中的分布情况不同而有所改变。各部分的作用和功能如下:
1.移动台(MS)
其包括手机和车台等,是用户端终接无线信道的设备;通过空中无线接口Um,给用户提供接入网路业务的能力。
2.基站(BS)
其设于某一地点,是服务于一个或几个蜂窝小区的全部无线设备的总称。它是在一定无线覆盖区域内,由移动交换中心(MSC)控制,与移动台通信的设备。
3.移动交换中心(MSC)
是完成对位于它所服务的区域中的移动台进行控制、交换的功能实体,也是与其他MSC或其他公用交换网之间的用户业务的自动接续设备。
4.归属位置寄存器(HLR)
是为了记录的目的而指定用户身份给它的一种位置登记器。登记的内容是用户的信息(例如ESN、DN、IMSI(MSI)、服务项目信息、当前位置、批准有效的时间段等)。
5.拜访位置寄存器(VLR)
是MSC检索信息用的位置寄存器。例如处理发至或来自一个拜访用户的呼叫信息——用户号码、向用户提供本地用户的服务等参数。
6.设备识别寄存器(EIR)
是为了记录的目的而分配用户设备身份给它的寄存器;用于对移动设备的识别、监视、闭锁等。
7.鉴权中心(AC)
是一个管理与移动台相关的鉴权信息的功能实体。
8.消息中心(MC)
是一个存储和转送短消息的实体。
9.短消息实体(SME)
是合成和分解短消息的实体。有时HLR、VLR、EIR及AC位于MSC之中,SMC位于MSC、HLR或MC之中。
码分数字蜂窝移动通信网不是公共交换电话网(PSTN)的简单延伸,它是与PSTN、PSPDN、ISDN等并行的业务网。由于移动用户大范围的移动,该网在管理上应相对的独立。
通信系统的通信容量可以用不同的表征方法进行度量。对于点对点的通信系统而言,系统的通信容量可以用信道效率来度量,即用在给定的频率带宽中所能提供的最大信道数目进行衡量。一般地说,在给定的频率带宽中所能提供的信道数目越大,系统的通信容量也越大。在蜂窝移动通信系统中,系统的容量有多种衡量方法,如用每小区可用信道数(ch/cell)、每小区每兆赫兹可用
信道数(ch/cell/MHz)、每小区爱尔兰数(Erl/cell)、每平方公里用户数(用户数/km)以及每平方公里每小时通话次数(通话次数h/km)等进行度量。这些表征方法从不同的角度对系统的容量进行衡量,它们之间是有联系的,在一定的条件下可以互相转换。考虑到信道的分配涉及到频率复用和由此而产生的同频干扰问题,一般认为用每小区可用信道数(ch/cell)或每小区每兆赫兹限制CDMA数字蜂窝移动通信系统容量的原因是由于系统中存在多址干扰,即同时通信的移动用户之间的相互干扰。在某个蜂窝小区内,如果有N个用户同时通信,系统必须能提供N个或N个以上的(逻辑)信道。同时通信的用户数N越大,多址干扰越强。N的最大值就是系统容量,即在保证接收所需信号功率与干扰功率的比值大于或等于某一门限值的条件下,该小区同时通信的最大用户数。
首先考虑一般码分通信系统(即暂不考虑蜂窝移动通信系统的特点)的容量。若N个用户同时通信,每个用户的信号都受到其他N-1个用户信号的干扰。假定系统的功率
控制是理想的,即到达接收机的所有N个信号强度都一样,则理论分析表明,此时系统容量为
式中W是CDMA系统所占的有效频谱宽度;Rb是信息数据的速率;Eb是信息数据的一比特能量;N0是干扰(噪声)的功率谱密度(单位赫兹的干扰功率);W/Rb是CDMA系统的扩频增益。当CDMA系统所占的频谱宽度W一定时,它随着信息速率Rb的降低而增大。Eb/N0是比特能量与噪声密度比,其比值取决于系统对误码率或话音质量的要求,并与系统的调制方式和编码方案有关。
例如:N-CDMA系统所占的有效频谱宽度W=1.2288MHz,话音编码速率Rb=8.6kbit/s,若比特能量与噪声密度比Eb/N0=7dB,则N=29.5;若Eb/N0=6dB,则N=37。
结果说明:在满足一定通信要求的前提下,比特能量与噪声密度比Eb/N0越小,系统的容量越大。但在上面的结果中,没有考虑CDMA蜂窝系统的特点,还应该根据其特点对系统容量公式进行修正。
1.采用语音激活技术提高系统容量
统计结果表明,对话的激活期(占空比)d=0.35。也就是,人们在通话过程中平均只有35%的时间在讲话,
另外65%的时间处于听对方讲话、话句间停顿或其他等待状态。在CDMA数字蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,如果采用语音激活技术,使通信中的用户有语音时才发射信号,没有讲话时,该用户的发射机就停止发射功率,那么任一用户话音发生停顿时,其他用户所受到的干扰都会相应地平均减少65%,从而系统容量可以提高到1/d=2.86倍。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变成
式中d是语音占空比(d=0.35)。
2.利用扇区划分提高系统容量
在码分多址制式蜂窝移动通信系统中,利用120°扇形覆盖的定向天线把一个蜂窝小区划分成3个扇区时,处于每个扇区中的移动用户是该蜂窝的三分之一,相应的各用户之间的多址
干扰分量也减少为原来的约三分之一,从而系统的容量将增加约3倍(实际上,由于相邻天线覆盖区之间有重叠,一般能提高到G=2.55倍左右)。为此,CDMA数字蜂窝移动通信系统的计算公式变为
式中G是扇形分区系数(G=2.55)。
3.邻近蜂窝小区的干扰对系统容量的影响
根据码分多址蜂窝移动通信系统的特点,在CDMA蜂窝移动通信系统中,所有用户共享同一个无线频道,即若干个小区内的基站和移动台都工作在相同的频率上。因此,任一小区的移动台都会受到相邻小区基站的干扰,任一小区的基站也都会受到相邻小区移动台的干扰。这些干扰的存在必然会影响系统的容量。其中任一小区的移动台对
相邻小区基站(反向信道)的总干扰量和任一小区的基站对相邻小区移动台(正向信道)的总干扰量是不同的,对系统容量的影响也有所差别,下面分别加以简要说明。
(1)正向信道(由基站到移动台)
在一个蜂窝小区内,基站不断地向所有通信中的移动台发送信号,移动台在接收它自己所需的信号同时,也接收到基站发给所有其他移动台的信号,而这些信号对它所需的信号将形成干扰。当系统采用正向功率
控制技术时,由于路径传播损耗的原因,位于靠近基站的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离远的移动台要大,但受到相邻小区基站的干扰较小;位于小区边缘的移动台,受到本小区基站所发射的信号干扰比距离近的移动台要小,但受到相邻小区基站的干扰较大。移动台最不利的位置是处于3个小区交界的地方,如下图中的X点。
假设各小区中同时通信的用户数都是N,即各小区的基站同时向N个用户发送信号,
当移动用户从一个小区(或扇区)移动到另一个小区(或扇区)时,移动用户从一个基站的管辖范围移动到另一个基站的管辖范围,通信网的控制系统为了不中断通信就要做一系列的调整,包括位置更新、转换通信链路等,这个过程就叫越区切换。
越区切换实现了小区(或扇区)间和频道间的信道转换,保证了一个正在处理或进行中的呼叫的不中断运行。切换是由于无线转播、业务分配、操作和维护激活、设备故障等原因而产生的。例如:
(1)移动台移动至小区的边界,信号强度低到一定程度;
(2)移动台在小区中进入信号强度缝隙中(阴影区),信号恶化到一定程度;
(3)移动交换中心发现一些小区太拥挤,而另一些小区很闲时,可命令拥挤的小区的一些移动台提前切换,以调整各小区的负荷量等等。
对越区切换的基本要求是:
(1)高的切换成功率;
(2)减少系统中不必要的切换;
(3)使用优化的越区切换算法来控制各小区的业务量;
(4)切换速度快,切换经历的时间短;
(5)对话音质量的影响小等。
在CDMA系统中的越区切换有两类,即硬切换(Hard Handoff)和软切换(Soft Handoff)。
硬切换是指移动台在不同频道之间的切换, 这些切换需要移动台变更收发频率,即先切断原来的收发频率,再搜索、使用新的频道。
硬切换会造成通话暂短中断,切换时间较长时(大于200ms),将影响用户通话。
软切换是指移动台在相同的CDMA频道中的切换。软切换不需要移动台变更收发频率,只需要在伪随机码的相位上作一调整。CDMA系统的移动台中有多个RAKE (瑞克)接收机,可以同时接收几个基站发来的信号。当需要切换时,移动台除了与原服
务基站保持通话链路外,还与新的基站建立了通话链路。直到移动台接收到的原基站发来的信号低于一门限时才切断与原基站的通话链路。这种先通后断的软切换保证了通话不会中断。通常所说的软切换中还包含一种更软切换(Softer Handoff)。更软切换是指同一蜂窝小区内不同扇区之间的切换。在两扇区边界,基站和移动台通过分集技术可以同时在两个扇区传输信号。
在软切换过程中,由于移动台中有多个RAKE接收机,移动台开始与目标基站建立通信时,不中断与原服务基站的通信,此时移动台同时与两个基站建立了通话链路。当原服务基站的信号强度低到一门限值时,再切断与原服务基站的通信联系。由于移动台在软切换中不变更收发频率,所以软切换只能在具有相同CDMA频道的小区(或扇区)之间进行切换。
软切换是CDMA系统中特有的一个重要概念。在CDMA蜂窝移动通信系统中,具有相同CDMA频道的各小区使用同一频率,移动台在小区之间移动时不需要像频分或时分系统那样重新分配频率或时隙,这使得软切换成为可能。
在CDMA系统中,一般情况下每个移动台拥有三个以上RAKE接收机,即每个移动台中有多个解调器,这允许移动台同时与两个或多个小区保持通信。
移动台在与基站A通信时,连续监视相邻小区的导频信号强度,任何一个导频信号(如基站B)的强度超过一预定的门限时,立即报告系统。系统则命令基站B建立与移动台的通信,开始软切换。此时移动台同时接收到来自两个基站的通信信号,两路信号密切结合,彼此加强。
在反向链路上,移动交换中心根据基站接收的信号强度确定哪个基站的接收信号更强,从而选择它。
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