移動通信(第二章)

1、第二章 移動信道學(xué)習(xí)重點：了解VHF 、UHF頻段的電波傳播特性掌握各種信號衰落的成因及其分布規(guī)律理解移動信道的四種效應(yīng)和三種選擇性衰落了解傳播損耗模型，重點掌握奧村-哈塔模型了解移動信道中的常見干擾移動信道的特點v傳播的開放性和多樣性：電波在空間開放式傳播，傳播方式也具有多樣性。v接收環(huán)境的復(fù)雜性：接收點地理環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，可分為市內(nèi)繁華區(qū)、近郊區(qū)和遠郊區(qū)及農(nóng)村v移動用戶的隨機移動性：準靜態(tài)的室內(nèi)用戶，慢速步行用戶，高速車載用戶通信VHF 、UHF頻段電波傳播特性v在移動通信系統(tǒng)中，影響傳播的三種最基本的傳播機制為反射、繞射和散射。v移動臺接收到的電波一般是直射波和隨時變化的繞射波、反

2、射波、散射波的疊加。接收信號的電場強度起伏不定，稱為衰落。v衰落是移動信道的基本特征。VHF 、UHF頻段電波傳播特性v直射波： 是指在視距覆蓋區(qū)內(nèi)無遮擋的傳播，它是超短波、 微波的主要傳播方式，經(jīng)直射波傳播的信號最強。 自由空間傳播損耗： 可見在自由空間中電波傳播損耗只與工作頻率和傳播距離有關(guān)。 利用等效地球半徑，視距傳播的極限距離：)(lg20)(lg2045.32)()4lg(102MHzfkmddBdLbs)()()(12. 40kmmhmhdTRVHF 、UHF頻段電波傳播特性v繞射損耗： 由障礙物引起的附加傳播損耗。依據(jù)障礙物與收發(fā)點的位置關(guān)系，及菲涅爾余隙、菲涅爾半徑的概念，可計

3、算出電波的繞射損耗。v反射和散射： 電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時，就會發(fā)射反射現(xiàn)象。當介質(zhì)中存在小于波長的物體且單位面積內(nèi)阻擋體的個數(shù)非常多時，發(fā)生散射。信號損耗v無線信號在傳輸中受到的損耗包括：由傳輸距離引起的路徑損耗由陰影效應(yīng)引起的損耗由多徑傳播引起的信號衰落信號損耗v傳輸距離引起的路徑損耗：距離越遠損耗越大信號頻率低時的傳輸損耗小信號頻率高時的傳輸損耗大信號損耗v陰影效應(yīng)引起的損耗（慢衰落）： 電磁波在傳播路徑上受到建筑物等的阻攔所產(chǎn)生的陰影效應(yīng)而產(chǎn)生損耗，反映了在中等范圍內(nèi)（數(shù)百波長量級）的接收場強中值的變化趨勢。這類損耗一般為無線傳播所特有，從統(tǒng)計規(guī)律上看服從對數(shù)正態(tài)分布。

4、其變化率比傳輸信息率慢，其衰落周期以秒級計，故稱作慢衰落，有的文獻稱作大尺度衰落。 信號損耗v多徑傳播引起的損耗（快衰落）： 在數(shù)十波長的范圍內(nèi)，接收信號場強的瞬時值呈現(xiàn)快速變化的特征，這是由多徑傳播引起的，稱作快衰落，又稱作小尺度衰落。其電平分布一般服從瑞利（Rayleigh）分布或萊斯（Rice）分布。信號損耗v多徑接收信號的統(tǒng)計特征：當N個多徑信號相互獨立，且沒有一個信號占支配地位時，多徑接收信號的幅度變化服從瑞利分布，相位變化服從02的均勻分布。因此，多徑衰落也稱為瑞利衰落。當N個多徑信號相互獨立，且存在一個占支配地位的信號時，多徑接收信號的幅度變化服從萊斯分布。) 0( 0) 0,

5、0()(202/ )(2222rrAArIerrpAr)0(0)0()(222/2rrerrpr0220!2)(nnnnnxxI四種主要的效應(yīng)v陰影效應(yīng) 由于大型建筑物和其他物體的遮擋，在電波傳播的接收區(qū)域中產(chǎn)生傳播的半盲區(qū)，使處于此的接收電平受到損耗。電波的波長較短，陰影可見；波長較長，陰影不可見。但還是可以測試出來的。四種主要的效應(yīng)v遠近效應(yīng) 由于接收用戶的移動性，移動用戶與基站之間的距離也在隨機變化，若各移動用戶發(fā)射信號的功率一樣，那么到達基站時信號的強弱將不同，離基站近者信號強，離基站遠者信號弱。通信系統(tǒng)中的非線性將進一步加重信號強弱的不平衡性，甚至出現(xiàn)以強壓弱的現(xiàn)象，即為遠近效應(yīng)。四

6、種主要的效應(yīng)v多徑效應(yīng) 由于接收者所處地理環(huán)境的復(fù)雜性，使得接收到的信號不僅有直射波的主徑信號，還有從不同建筑物反射及繞射過來的多條不同路徑信號，從而它們到達時的信號強度、到達時間及到達時的載波相位都不一樣，所接收的信號是各路信號的矢量和，也就是說，各路徑之間可能產(chǎn)生自干擾，稱這類自干擾為多徑干擾或多徑效應(yīng)。四種主要的效應(yīng)v多普勒效應(yīng) 由于接收用戶處于高速運動中，這樣會造成接收到的信號的載頻發(fā)生擴散，這種現(xiàn)象稱作多普勒效應(yīng)。 運動方向相向，則多普勒頻移為正（接收頻率增加），運動方向相反，則多普勒頻移為負（接收頻率減少）。coscosmDfvf15無線電波從源點S出發(fā)，在X點和Y點分別被移動臺接

7、收時所走的路程差為xi dcosi v t cosi 由于源端點距離很遠，可假設(shè)在X點和Y點處的i是相同的，所以，由路程差造成的接收信號相位變化值為22cosiixv t SixiXYd當移動臺以恒定速率v在長度為d、端點為X和Y的路徑上運動時，受到自遠方S點發(fā)出的信號，如圖所示。由此可得出頻率變化值，即多普勒頻移fd為1cos2divft mvf 最最大大多多普普勒勒移移：三種主要的衰落v時延擴展與頻率選擇性衰落v多普勒擴展和時間選擇性衰落v角度擴展與空間選擇性衰落三種主要的衰落1v時延擴展 用來描述在時域上，由多徑傳播所造成的信號波形擴散效應(yīng)。 多徑接收信號： 平均時延： 時延擴展： 表示

8、各路經(jīng)到達時間的散布程度。 MiibirttSatS1)()(0)(dP022)(dP三種主要的衰落1v相干帶寬 信道頻域特性的參數(shù)是相干帶寬，相干帶寬Bc表示包絡(luò)相關(guān)度為某一特定值時的信號帶寬。也就是說，當兩個頻率分量的頻率相隔小于相干帶寬Bc時，它們具有很強的幅度相關(guān)性；反之，當兩個頻率分量的頻率相隔大于相干帶寬Bc時，它們幅度相關(guān)性很小。v平坦衰落和頻率選擇性衰落 12cBscohsscohsTBBTBB或頻率選擇性衰落或平坦衰落擴展時延多徑)(三種主要的衰落2v多普勒擴展 多普勒擴展和相干時間是用來描述無線信道的時變特性，而信道的時變特性是由于多普勒效應(yīng)所引起的。由多普勒頻移現(xiàn)象引起的

9、衰落過程的頻率擴散，稱為時間選擇性衰落。 v相干時間 相干時間Tcoh可以由最大多普勒頻移fm來定義，被普遍采用的 公式是： 它是信道隨時間變化快慢的一個側(cè)度相干時間越大，信道變化越慢；相干時間越小，信道變化越快。多普勒擴展引起的衰落與時間有關(guān)，故稱之為時間選擇性衰落。 DmcohfT1三種主要的衰落3v角度擴展 接收端角度擴展指多徑信號到達天線陣列的到達角度的展寬，角度擴展給出接收信號主要能量的角度范圍，產(chǎn)生空間選擇性衰落，即信號幅值與天線的空間位置有關(guān)。v相干距離與空間選擇性衰落 空間選擇性衰落用相干距離描述。相干距離定義為兩根天線上的信道響應(yīng)保持強相關(guān)時的最大空間距離。相干距離越短，角度

10、擴展越大，反之，相干距離越長，角度擴展越小。典型的角度擴展值為：室內(nèi)環(huán)境 ，城市環(huán)境為 ，平坦的農(nóng)村為 。360201傳播損耗模型vOkumura模型（奧村模型）vOkumura-Hata模型vHata模型擴展vCOST-231模型vCOST-231-Walfish-Ikegami模型v. 不同的電波傳播環(huán)境使用不同的模型，不同的模型在實際工程設(shè)計中只能預(yù)測損耗，然后在實際中還要不斷測試調(diào)整。傳播損耗模型vOkumura模型（適合VHF和UHF頻段）：以準平坦地形大城市地區(qū)的場強中值路徑損耗作為基準，對 于不同傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正。不同環(huán)境及不規(guī)則地形上的中值傳輸損耗vk

11、s:郊區(qū)修正因子；vkh:丘陵地形修正因子；vkA:斜坡地修正因子；vkis:水陸混合地形修正因子。 00()( , )( )( )smbmshAisL dBLA f dGhGhkkkk傳播損耗模型vOkumura-Hata模型(Okumura模型的經(jīng)驗公式)：1） 移動臺天線修正因子，是覆蓋區(qū)大小的函數(shù)。中小城市:大城市：2）修正因子K市區(qū) 郊區(qū)：農(nóng)村： 0() 69.55 26.16lg13.82lg( ) (44.9 6.55lg)lgsbmmL dBfha hhd K()(1.1lg0.7)(1.56lg0.8)mma hfhfdB228.29(lg1.54)1.1,300()3.2(

12、lg11.75)4.97,300mmmhdB fMHza hhdB fMHz22 lg5.428fK24.78 lg18.33lg40.94Kff()rea h0K 傳播損耗模型vHata模型擴展（適合于個人通信系統(tǒng)） 適用條件： 頻率：1500MHz-2000MHz 距離：1km-20km 基站天線高度：30m-200m 移動臺天線高度：1m-10m 傳播損耗公式 ： 移動臺天線高度修正因子a(hm)與Hata模型相同。 對于其它地形，修正因子與Hata模型相同50()46.3 33.9lg( ) 13.82lg( )() (44.9 6.55lg( )lg( )cbmbML urbanfh

13、hhdC03MdBCdB對于中等城市和郊區(qū)對于市中心繁華區(qū)傳播損耗模型vCOST231 Walfisch-Ikegami模型 適用條件： 頻率：800MHz-2000MHz 距離：0.02km-5km 基站天線高度：4m-50m 移動臺天線高度：1m-3m 其中L0為自由空間損耗；Lrts為屋脊到街道的衍射和散射損耗；LMS為多次屏蔽損耗。0MrtsmsLLLL傳播損耗模型例：設(shè)基站天線有效高度為30m，發(fā)射頻率為450MHz，移動 臺有效天線高度為1.5m，工作在準平滑大城市的郊區(qū)，通 信距離為10km 。預(yù)測系統(tǒng)的場強中值傳輸損耗。 答案：145dB無線信道的噪聲 噪聲的種類很多，也有多種

14、分類方式，若根據(jù)噪聲的來源進行分類，一般可以分為三類: 自然噪聲是指自然界存在的各種電磁波源所產(chǎn)生的噪聲。 如雷電、磁暴、太陽黑子、銀河系噪聲、宇宙射線等。可以說整個宇宙空間都是產(chǎn)生自然噪聲的來源。 （1）自然噪聲（2）人為噪聲人為噪聲是指人類活動所產(chǎn)生的對通信造成干擾的各種噪聲。其中包括工業(yè)噪聲和無線電噪聲。工業(yè)噪聲來源于各種電氣設(shè)備，如開關(guān)接觸噪聲、工業(yè)的點火輻射及熒光燈干擾等。無線電噪聲來源于各種無線電發(fā)射機，如外臺干擾、寬帶干擾等。 內(nèi)部噪聲是指通信設(shè)備本身產(chǎn)生的各種噪聲。它來源于通信設(shè)備的各種電子器件、傳輸線、天線等。（3）內(nèi)部噪聲無線信道的噪聲 它主要來自于通信設(shè)備中有源器件，如電

15、子管、晶體管及各類大規(guī)模集成電路中的載流子的起伏變化而產(chǎn)生。其特點與無源噪聲類似。它與無源白噪聲的唯一差異是在一定激發(fā)條件下才產(chǎn)生大量電子發(fā)射而形成。 有源霰彈噪聲它主要來自于一切無源器件，如電阻、電容、電路板的分子熱運動所引起的噪聲。 無源熱噪聲內(nèi)部噪聲又可分為兩類： 無線信道的噪聲 移動通信中的噪聲 影響移動通信性能的噪聲主要是加性高斯白噪聲(AWGN),這并非移動通信所特有，這在大多數(shù)通信系統(tǒng)中都存在，其主要來源是熱噪聲。移動通信中的干擾若頻率管理或系統(tǒng)設(shè)計不當,就會造成同頻干擾；在移動通信系統(tǒng)中，為了提高頻率利用率，在相隔一定距離以外，可以使用相同的頻率，這稱為同信道復(fù)用。采用同頻復(fù)用

16、時，同頻復(fù)用距離設(shè)置不當，會引起同頻干擾。1.同頻干擾引起的原因：指相同載頻電臺之間的干擾。功率頻率f1相同信道干擾區(qū)域2. 鄰頻干擾是指相鄰的或鄰近的頻道之間的干擾。由于發(fā)射機的調(diào)制邊帶擴展和邊帶噪聲輻射，離基站近的第K1頻道的MS強信號干擾離基站遠的第K頻道的MS弱信號；共信道干擾，即干擾分量落在被干擾接收機帶內(nèi)。 引起的原因：功率頻率f1f2相鄰信道干擾區(qū)域移動通信中的干擾由傳輸信道中的非線性電路產(chǎn)生的。它指兩個或多個信號作用在通信設(shè)備的非線性器件上，產(chǎn)生同有用信號頻率相近的組合頻率，從而對通信系統(tǒng)構(gòu)成干擾的現(xiàn)象?；フ{(diào)干擾的一個通式：3.互調(diào)干擾若m+n=2時，稱為二階互調(diào)干擾；若m+n=3時，稱為三階互調(diào)干擾；三階互調(diào)干擾的危害性較嚴重。移動通信中的干擾12smn4. 多徑干擾 多徑干擾主要是由于電波傳播的開放性和地理環(huán)境的復(fù)雜性而引起的多條傳播路徑之間的相互干擾。它實質(zhì)上是一類自干擾。在數(shù)字與數(shù)據(jù)通信情況下，主要表現(xiàn)為碼間干擾及高速數(shù)據(jù)的符號間干擾。 多徑干擾的強度取決于多徑時延寬度與碼元寬度的比值，而不是受干擾的絕對值。這一結(jié)論對符號干擾也是一樣的?？?/p>