5.4.2无线接入信道与电波传播
通过无线电波传送信号是移动通信的应用基础，因此，进行移动通信系统设计就必须研究无线电信道传播特性，只有掌握了无线电波传播特性，才能正确设计一个移动通信系统。
反射、绕射、散射对电波的传输都能产生较大的影响，另外，信号在发射天线和接收天线间进行传播时，会受到多种不利因素的影响，这些因素能引起信号质量的下降，导致接收的信息发生错误。
影响信号在移动无线环境中传输的因素主要有三种：由传输距离引起的路径损耗；由阴影效应（发射与接收间的障碍）引起的损耗；由多径传播引起的信号衰落。
1.多径和衰落特性
无线电波在传播过程中会遇到各种障碍物产生电波反射和吸收，因此，在此过程中无线电波经反射会产生一组各种途径的信号，出现多径现象。这组信号互相产生矢量叠加，会使移动台在某些位置信号很强，某些位置很弱，信号受到衰落。所以说，衰落是由于移动台在空间变化场中运动而产生的。
2.阴影效应
电波传播过程中受到自然或人造物体阻挡而产生损耗，这种现象叫做阴影效应或阻挡效应。发射天线与接收天线之间的障碍越大，信号遇受到的损耗越大。发射天线与接收天线所处的位置为下列情况时信号所受到的影响不一样：
1）视距：发射天线与接收天线间没有阻挡物，彼此之间直接相对，此时信号直接从发射位置传输到接受位置。
2）非视距：发射天线与接收天线之间存在一个或多个障碍物，彼此之间被隔断，此时信号从发射位置到接收位置之间的直射路径不存在。这种阴影效应会导致接收信号能量的下降，产生衰落现象，这种衰落称作阴影衰落。阴影衰落的信号电平的起伏相对较慢，因此，阴影衰落为慢衰落。慢衰落通常是由一个具有平均能量的Lo-normal 概率分布和标准来模拟的。在蜂窝环境中典型的标准值大。
3）多普勒频移
由于移动台是经常处于移动状态，所以会产生多普勒效应，这种频移影响由两个参数确定接收机相对与发射机的运动方向和运动速度。如果用λ 表示信号的波长，ｆ表示信号载频，v 表示移动台相对发射机的运动速度。
多普勒频移导致信号产生随机频率调制，并影响多径信号，使一些多径信号具有正的频移，另一些多径信号具有负的频移。一般认为多普勒效应能引起多径信号相互之间出现短暂的非关联性，因而又叫做时间选择性衰落效应。
4）码间干扰
在实际的数字通信系统中，由于存在发射机带通滤波器，所以应尽可能多地保存频谱。但是这种带宽受限的信道可能由于码间干扰（ISI）而降低传输性能，因此应该尽量不引入任何码间干扰来减小信号带宽。在色散介质中，数字传输速率（bR）受到时延扩展的限制。
5）瑞利衰落
瑞利衰落是指信号经不同的路径传输具有不同的传输时间，并在接收端造成相互干扰的现象。如果两条路径具有相同的传输损耗，且其传输时延刚好是信号半波长的奇数倍时，这两个信号到达接收天线时会相互抵消。如果传输时延刚好是信号波长的偶数倍时，则两个信号到达接收天线时会相互叠加而得到一个幅度增加一倍的信号。
在实际环境中，到达接收端的信号往往是多个多径信号的的合成信号，这些多径信号一般是相互独立的，并具有随机幅度和随机相位，其结果是造成合成信号在幅度上产生波动，这种波动叫做小尺度衰落。
5.4.3移动通信系统的分类
随着移动通信技术的不断完善和成熟，应用系统的范围日渐扩大，移动通信系统的种类越来越多，其分类方法也多种多样。按活动范围分，有海、路、空三类；按工作方式分，有单工、半双工和双工制式三类；按用户性质分，有军用、民用两类；民用又分公用和专用两类。这里就应用最多的民用陆地移动通信系统，按使用情况提出如下分类方法：
1.公用移动电话系统
公用移动电话系统是公用电话网的一个组成部分。公用电话网的用户和移动用户以及移动用户和移动用户之间，通过基站转接均可进行通话，目前该系统又分为大区制、小区制和中区移动电话系统。
2.调度系统
调度系统是在规定的频带以内，为某一特定的单位或系统应用的无线移动系统。在一般情况下它不接入公用电话网，该系统由系统调度员直接控制或基站自动转接。通信范围通常为20公里左右。工作方式采用半双工制。
3.局部专用无线电通信系统
该系统主要用于知道和参与工作及生产过程，在建筑工地、工厂、火车站、展览会等现场都广泛应用，现也应用于智能小区的保安调度，它与调度系统相似，其主要区别是服务范围小，有效半径一般不大于20Km。
4.无线电寻呼系统
无线电寻呼系统是一种单向通信系统，有专用和公用两种。专用系统供使用单位内部使用，由小型交换机、无线电寻呼控制中心、发射台和寻呼接收机组成。控制中心可以人工控制，也可以采用自动控制。
5.4.4移动通信系统设计
移动通信系统工程的设计涉及的方面很多，如方案的可行性研究、系统性能、移动通信的制式等等。系统设计人员首先应根据建设发展规划，充分考虑用户的要求，然后按照一定的程序进行设计。
1.熟悉用户的基本要求：
①移动通信的用途 分专用和公用两种，专用包括智能小区管理调度、警察安防专用以及局部小范围内专用等等。
②业务类型：移动电话、数据传输等。
③工作方式：单工、异工或双工。
④系统容量：估计规定区域的用户业务量
⑤覆盖范围：要考虑所覆盖地区的大小、特点及用户的特点
⑥服务质量：无线频道呼损率、信号质量、通信概率及成功呼叫概率。
⑦设备要求：功能、体积、重量及式样等。
2.设计步骤主要包括：
1）经济估价：根据用户要求的规模做出合理的投资预算，将需要与可能结合起来，使资金得到充分利用。
2）勘察传播环境和选择无线基站的地址：在市区，无线基站应尽可能设置在高大建筑物上并离开高噪声区。
3）确定通信系统容量与业务量：通信系统容量与业务量是系统设计的基本参数⑻对此应给予充分的调查研究，以便使系统尽可能与实际需求相符合。
4）合理选择工作频段：在确定网路结构的前提下，对近期和远期使用的频率做出统一安排，避免在短期内进行重复建设，为申请所需频率段，应向无线电频率管理部门提交规划设计书。
5）施工设计
（1）系统容量的预测
在设计一个通信系统时，不仅要考虑目前的用户数量，还应考虑将来的需要，预测整个通信系统的用户数量。（系统容纳的用户数称为系统的容量），在初次投资和二次投资的经济可行性与合理性方面进行权衡，据此来合理地确定无线交换机的容量和所需中继线（或用户线）的数目及收、发信设备的数量。事实上由于很难确定本地区漫游的移动用户的数量，因而很难准确预测指定区域的系统容量。
为了尽可能准确地估算系统容量，通常需要采用各种类型的参数和办法，同时互为补充和验证。以资参考。例如：按移动电话分布密度计算（所谓移动电话分布密度是指每公里道路上的移动电话数），如果知道所需无线覆盖范围内的道路总长度，并假定每个一定距离有一个移动用户，则可推算出该区域内的总用户数。这就是预测的系统容量。
（2）无线覆盖密度
无线覆盖密度是决定通信质量的一项重要指标，它确定了在服务区域内任何地点能进行良好通信的可能性（即存在一条C/I值高于门限值的通信连路）。无线覆盖密度典型值为92%至95%之间。当网络在新规划策略被采纳后，可以通过设置附加基站来增加覆盖密度。
（3）移动基站站址的选择
选择移动基站站址的基本步骤如下：
①确定基地电台小区边界的接收电平。这是以移动台的性能和系统要求的特性为准则的。假定小区边界电平为-100dB.mW，则取决于给定的功率、天线高度、天线增益及地区的地面结构，可确定一个小区的大小。
②按无线覆盖区计算的初步结果，确定天线的有效高度。
③研究电波传播条件，勘察站址周围是否有、或者将会有高层建筑物阻挡基站天线的无线电波传播。基站应设在周围区域最高建筑上，而且基站天线必须留出足够的余地。
④进行干扰及噪声的调查。统计站址周围的车辆流量，并调查测量附近的工业干扰，了解服务区内同频段对讲电台的设站情况，查看是否造成互调干扰。使站址既要接近覆盖区中心，又要使附近的干扰又小。
⑤ 考虑新建还是利用现有建筑物。最好是利用新建高层建筑物的顶层。可以采用合资、购买或租用方式。
⑥如果要与有线电话网相连接，还应考虑连接方便。
（4天线设计要求
天线方向、增益、倾斜度以及高度都将影响系统设计。天线的种类很多，由于折叠（环状）的偶极天线的特性阻抗很容易与馈线的特性阻抗相匹配，所以经常选做基站的发射天线。基站用的全向天线一般由数个偶极子天线组成，而移动台长用1/4波长的单极天线。在进行天线设计时需要考虑以下参数：
①阻抗匹配：实际使用的天线往往不能和同轴电缆的特性阻抗直接匹配，而需要用匹配电路进行阻抗变换。由于移动台天线一般距地面较近，考虑到地面的影响，通常以不对称鞭状天线为主，而基站天线位置较高，地面影响小，不用考虑地面的影响。
②天线增益：通常基站总希望天线有较高的增益。增益的提高主要取决于减少垂直面内辐射的波瓣宽度，而在水平面上保持全向的辐射性能。对于高增益的基站全向天线需要提出一些新的要求，例如水平方向的不圆度和垂直方向上波束的倾斜度⑻比如一副8dB增益的全向天线，水平方向图与真圆相比有3dB的偏差，因此天线在某些方位上的实际增益可能只有5dB。波束倾斜对高增益天线也至关重要。全向天线增益达9dB时，垂直面内半功率波辫宽度应小于10°，如由于天线各振子的相位关系和振子间距的不适当而使波辫上翘5°，就相当于实际增益减少3dB。
③机械性能：为了有效增加覆盖面积，基站天线往往选择较高的地点架设，露天工作，条件恶劣，要能经受强烈温度变化和抗腐蚀能力，并且还要承受一定的风力作用，因此设计时要按能承受当地最大的风力负荷来计算。
④防雷性能：由于基站安装在较高的地方，故必须考虑防雷的问题。为了使天线的辐射性能不受影响，天线不能紧靠避雷针等金属物体，为此天线的金属部件应妥善接地，不能依靠与无线电设备相连接再通过设备接地。
5.4.5设计方程
1.移动通信电路的设计原则及设计三要素
在设计一个基站覆盖区时，必须掌握一个基本原则和考虑三个相互制约的要素。基本原则就是设法使上行通信（移动台-基站）和下行通信（基站-移动台）的系统余量相等，从而保证上、下行通信的距离、话音质量和通信概率大体相同。三个要素分别是：
1）业务半径多大。
2）要求的话音质量标准是多少。公用移动电话要求的话音质量围级，而一般专用移动电话系统的话音质量，我国为3级。
3）通信概率（可靠性）多少，即移动台在业务区范围内的任何位置上或在边缘地区希望满意通话的成功率是多少。
2.设计方程
SM为通信系统余量（dB）；SG为通信系统增益（dBw）；SL为通信系统损耗（dB）；Pt为发射机输出功率（dBw）；Gl为发射天线增益（dBd）；Gr为接收天线增益（dBd）；Pmin为接收机所要求输入的最低保护电平(dBW)；Lm为中值路径损耗（Db）；K为地形、植被或建筑物等各种效正因子的总称（dB）；Li为发信端附加损耗（dB）（包括馈线、共用器及匹配损耗）；Lr为收信端附加损耗（dB）（包括馈线、共用器及匹配损耗）。
另外，所谓通信系统余量是指对于一定的通信距离而言，通信系统增益或系统能力减去系统损耗的剩余量。或者说是接收机可能收到的电平减去为保证一定的信号质量而要求输入的最低保护电平的剩余量。若系统余量为0，则表示通信概率（业务区边缘）为50%；若系统余量大于0，则表示通信概率大于50%；反之，则表示通信概率小于50%。下面举一个具体例子进行说明。
设某小区小容量（60各用户）专用移动通信系统使用150MHz频段，要求通话距离为20Km，每用户忙时话物量为0.03爱尔兰，无线频道呼损率为10%，话音质量3级，业务区边缘为50%。已知在20公里范围内，地形波动高度h=80m，基站天线高度为100m，天线增益为6dBd，基站和移动台接收灵敏度均为0.5μV（12dB双工灵敏度），基站环境噪声忽略不计，移动台活动范围为低噪声区。求所需基站和移动台的发射机输出功率。要求出发射机输出功率，必须先计算所需无线电频道数，据此确定系统结构及天线公用器损耗，然后，根据设计方程（5-4）和（5-6），求系统损耗和系统余量二者之和，即系统增益，再由方程（5-5）即可得所需结果。