第三章-移動(dòng)通信信道與天線

第3章移動(dòng)通信信道與天線3.1認(rèn)識(shí)無(wú)線信道

無(wú)線移動(dòng)信道的電波傳播特性與傳播環(huán)境——地貌、人工建筑、氣候特征、電磁干擾情況、通信體移動(dòng)速度和使用的頻段等密切相關(guān)。無(wú)線通信系統(tǒng)的通信能力和服務(wù)質(zhì)量、無(wú)線通信設(shè)備要采用的無(wú)線傳輸技術(shù)都與無(wú)線移動(dòng)信道性能的好壞密切相關(guān)。因此，要想在比較有限的頻譜資源上盡可能地高質(zhì)量、大容量傳輸有用的信息，就要求我們必須了解無(wú)線移動(dòng)信道的特性。

移動(dòng)信道為典型的變參信道，一般使用甚高頻VHF(30-300MHz)

、特高頻UHF(300~3000MHz)頻段，本章在闡述VHF和UHF頻段電波傳播特性的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)討論陸地移動(dòng)信道的特征、傳播損耗的估算方法，并對(duì)其他移動(dòng)信道作簡(jiǎn)單介紹。信道傳輸媒質(zhì)有線信道（架空明線、電纜、光纖）無(wú)線信道信道特性參數(shù)隨外界變化恒參信道（有線）變參信道（無(wú)線）中長(zhǎng)波地表面?zhèn)鞑ザ滩婋x層反射傳播超短波和微波直射傳播散射傳播3.1認(rèn)識(shí)無(wú)線信道為何較早的移動(dòng)通信系統(tǒng)主要使用VHF和UHF頻段。

(1)VHF／UHF頻段適合于移動(dòng)通信

從VHF／UHF頻段電波的傳播特性來(lái)看，主要是在視距范圍內(nèi)，一般為幾十公里。而大部分車(chē)輛的日常運(yùn)動(dòng)半徑也在幾十公里范圍內(nèi)，因此這個(gè)頻段適于移動(dòng)通信。

(2)天線長(zhǎng)度決定于波長(zhǎng)，這個(gè)頻段信號(hào)發(fā)射和接收時(shí)，所使用的天線較短便于移動(dòng)。

(3)抗干擾能力強(qiáng)

VHF／UHF頻段，可以用較小的發(fā)射功率獲得較好的信噪比。

3.2無(wú)線電波的傳播方式發(fā)射機(jī)天線發(fā)出的無(wú)線電波，可依不同的路徑到達(dá)接收機(jī)，當(dāng)頻率f＞30MHz時(shí)，典型的傳播通路如圖地波傳播（2MHz以下）電離層傳播（3~30MHz）自由空間傳播（直射波）（30MHz以上）對(duì)流程傳播（30~300MHz）外層傳播（衛(wèi)星通信）3.3移動(dòng)通信電波傳播特性

3.3.1陸地移動(dòng)通信的地形地物1，地形的分類(lèi)和定義準(zhǔn)平滑地形（起伏20m以下） 丘陵地形不規(guī)則地形 孤立山岳 傾斜地形 水路混合地形2，地物的分類(lèi)和定義開(kāi)闊區(qū)郊區(qū)市區(qū)隧道區(qū)3，基地臺(tái)、移動(dòng)臺(tái)天線有效高度的定義基站：天線的海拔高度-地面的海拔高度移動(dòng)臺(tái)：車(chē)體或人體的高度，<3m3.3.2移動(dòng)通信電波傳播的主要方式1，直射

沒(méi)有障礙物，自由空間直線傳播2，反射

碰到比電磁波波長(zhǎng)大的障礙物，地表高大建筑物3，衍射

碰到比電磁波波長(zhǎng)大的障礙物，在物體背后產(chǎn)生的次級(jí)波4，散射

碰到比電磁波波長(zhǎng)小的障礙物，信號(hào)碰到粗糙面，向各個(gè)方向產(chǎn)生反射多徑傳播到達(dá)接收端的信號(hào)是來(lái)自不同傳播路徑信號(hào)之和。分析移動(dòng)通信時(shí)主要考慮直射波和反射波3.3.3描述移動(dòng)通信衰落特征的物理量1，場(chǎng)強(qiáng)中值當(dāng)場(chǎng)強(qiáng)高于規(guī)定電平值的持續(xù)時(shí)間占統(tǒng)計(jì)時(shí)間的一半時(shí)，規(guī)定的那個(gè)電平為場(chǎng)強(qiáng)中值2，衰落深度衰弱的嚴(yán)重程度3，衰落速率場(chǎng)強(qiáng)衰弱的快慢，單位時(shí)間內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)包絡(luò)與場(chǎng)強(qiáng)中值相交次數(shù)的一半4，衰弱持續(xù)時(shí)間場(chǎng)強(qiáng)低于某一定電平值的持續(xù)時(shí)間3.4移動(dòng)通信信道3.4.1移動(dòng)無(wú)線信道特性描述無(wú)線比有線信道復(fù)雜，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：移動(dòng)通信的工作環(huán)境十分復(fù)雜移動(dòng)通信常常在快速移動(dòng)當(dāng)中信道的特性非常復(fù)雜3.4.2移動(dòng)無(wú)線信道電波傳播的衰落特性快衰落：曲線瞬時(shí)呈快速變化主要原因：多徑效應(yīng)，多普勒平移慢衰弱：信號(hào)強(qiáng)度特征曲線的中值呈慢速變化主要原因：位置變化（障礙物狀況的變化），氣象條件1，多徑效應(yīng)

無(wú)線電波主要傳播類(lèi)型包括直射、反射等。移動(dòng)臺(tái)所處地理環(huán)境的復(fù)雜性，使得接收端的信號(hào)不僅會(huì)含有直射波的主徑信號(hào)，還會(huì)有從不同建筑物反射及衍射等過(guò)來(lái)的多條不同路徑的信號(hào)，而且它們到達(dá)時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度、時(shí)間及載波相位都不同，在接收端收到的信號(hào)是上述各路徑信號(hào)的矢量和。不同相位的多個(gè)信號(hào)在接收端疊加，有時(shí)同相疊加而增強(qiáng)，有時(shí)反相疊加而減弱。這樣，接收信號(hào)的幅度將急劇變化，可能產(chǎn)生達(dá)30～40dB的深度衰落。通常這種由于多徑現(xiàn)象引起的干擾稱(chēng)為多徑干擾或多徑效應(yīng)，產(chǎn)生的衰落稱(chēng)為多徑衰落?？焖ト?,多普勒頻移由于移動(dòng)臺(tái)的高速移動(dòng)而產(chǎn)生的傳播信號(hào)頻率的擴(kuò)散，稱(chēng)為多普勒效應(yīng)，如圖2-14所示。多普勒頻移表征了時(shí)變信道影響信號(hào)衰落的衰落節(jié)拍，信道隨節(jié)拍在時(shí)域上對(duì)信號(hào)有不同的選擇性，會(huì)引起時(shí)間選擇性衰落，對(duì)數(shù)字信號(hào)的誤碼性能有明顯的影響。傳播信號(hào)頻率擴(kuò)散程度與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度v成正比，即多普勒頻率fd為相對(duì)運(yùn)動(dòng)：fr=fc+fd背向運(yùn)動(dòng)：fr=fc-fd快衰落，時(shí)間選擇性衰落3，陰影效應(yīng)由于電波傳播遇到建筑物等阻擋，形成電波陰影區(qū)，陰影區(qū)的電場(chǎng)強(qiáng)度減弱的現(xiàn)象稱(chēng)為陰影效應(yīng)。接收天線處場(chǎng)強(qiáng)中值的變化引起的衰落，稱(chēng)為陰影衰落。由于這種衰落的變化速率較慢，是一種慢衰落。慢衰落速率主要決定于傳播環(huán)境，即移動(dòng)臺(tái)周?chē)匦?，包括山丘起伏、建筑物的分布與高度、街道走向、基站天線的位置與高度，以及移動(dòng)臺(tái)行進(jìn)速度，而與頻率無(wú)關(guān)。慢衰落的深度，即接收信號(hào)局部中值電平變化的幅度取決于信號(hào)頻率與周?chē)h(huán)境。4,時(shí)延擴(kuò)展(色散)

假設(shè)基站發(fā)射一個(gè)窄脈沖信號(hào)

，經(jīng)過(guò)多徑信道后，移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)呈現(xiàn)為一串脈沖，脈沖寬度被展寬了，直觀上將最大傳輸時(shí)延和最小傳輸時(shí)延的差值稱(chēng)為時(shí)延擴(kuò)展，用△t表示。如果發(fā)送的窄脈沖寬度為T(mén)，則接收信號(hào)寬度為T(mén)+△t

。這種因多徑傳播造成信號(hào)時(shí)間擴(kuò)展的現(xiàn)象，稱(chēng)為時(shí)延擴(kuò)展，也稱(chēng)為多徑時(shí)散，為了避免碼間干擾Rb<1/△t5,相關(guān)帶寬

時(shí)延擴(kuò)展的概念從時(shí)域的角度反映了多徑效應(yīng)對(duì)接收端信號(hào)的影響，

從頻域的角度看，考慮到信號(hào)中不同的頻率分量通過(guò)多徑信道后對(duì)接收端信號(hào)的影響，引入相關(guān)帶寬（Bc）的概念。相關(guān)帶寬是由時(shí)延擴(kuò)展得出的一個(gè)確定關(guān)系值，頻率間隔很小的兩個(gè)衰落信號(hào)存在不同的時(shí)延，兩個(gè)衰落信號(hào)的幅度可能有很強(qiáng)的相關(guān)性，這樣的頻率間隔稱(chēng)為相關(guān)帶寬。若所傳輸?shù)男盘?hào)帶寬較寬，以至與相關(guān)帶寬（Bc）可比擬時(shí)，則所傳輸?shù)男盘?hào)將產(chǎn)生明顯的畸變，稱(chēng)為頻率選擇性衰落，即信道對(duì)不同頻率成分有不同的響應(yīng)。Bc=1/2

△t（角頻率）Bc=1/Tm相關(guān)帶寬表示的是另個(gè)頻率分量基本相關(guān)的頻率間隔。如果頻率B信號(hào)<Bc，衰落具有一致性，非頻率選擇性衰落（平坦衰落）如果頻率B信號(hào)>Bc，衰落不具有一致性，頻率選擇性衰落3.5移動(dòng)通信天線3.5.1天線的定義與類(lèi)型3.5.2天線特性3.5.3幾種典型的移動(dòng)通信天線3.5.4智能天線及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用3.6抗衰落技術(shù)

3.6.1概述在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，移動(dòng)臺(tái)常常工作在城市建筑群或其他復(fù)雜的地理環(huán)境中，而且移動(dòng)的速度和方向是任意的。發(fā)送的信號(hào)經(jīng)過(guò)反射、散射等傳播路徑后，到達(dá)接收端的信號(hào)往往是多個(gè)幅度和相位各不相同的信號(hào)的疊加，使接收到的信號(hào)幅度出現(xiàn)隨機(jī)起伏變化，形成多徑衰落在移動(dòng)通信信道中，除了多徑衰落還有陰影衰落。氣象條件等的變化也都影響信號(hào)的傳播，使接收到的信號(hào)的幅度和相位發(fā)生變化。采用分集接收，均衡技術(shù)和信道編碼來(lái)改進(jìn)接收信號(hào)的質(zhì)量3.6.2分集技術(shù)的基本原理分集技術(shù)的含義:

發(fā)射端分散傳輸，使接收端能獲得多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的、攜帶同一信息的衰落信號(hào)；接收端分集接收，集中處理，把接收到的多個(gè)統(tǒng)計(jì)獨(dú)立的衰落信號(hào)進(jìn)行合并以降低衰落的影響。分集接收把接收到的多個(gè)衰落獨(dú)立的信號(hào)加以處理，合理地利用這些信號(hào)來(lái)改善接收信號(hào)的質(zhì)量。作用充分利用接收信號(hào)；減小在平坦性衰落（非選擇性衰落）信道上接收信號(hào)的衰落深度和衰落的持續(xù)時(shí)間。分集技術(shù)是抗衰落的有效措施之一分集技術(shù)可以分為宏分集和微分集兩大類(lèi)宏分集

——“多基站”分集，可以減小慢衰落（如陰影衰落）的影響；移動(dòng)臺(tái)選擇信號(hào)最好的一個(gè)基站進(jìn)行通信。微分集

——在空間、時(shí)間、頻率、極化、場(chǎng)分量、角度等方面分離無(wú)線信號(hào)，用來(lái)減小快衰落影響。

3.6.3分集技術(shù)及其在移動(dòng)通信中的應(yīng)用空間分集(Spacediversity)頻率分集(Frequencydiversity)時(shí)間分集(Timediversity)極化分集(Polarizationdiversity)空間分集接收指在空間不同的垂直高度上設(shè)置幾幅天線，同時(shí)接收一個(gè)發(fā)送天線的信號(hào)，然后合并或者選擇其中一個(gè)強(qiáng)信號(hào)。接收天線之間的距離d≥λ/2保證接收天線輸入的信號(hào)衰落特性是獨(dú)立的。當(dāng)某一幅天線接收的信號(hào)很低時(shí)，其他天線則不一定在同一時(shí)刻出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象。對(duì)于空間分集而言，分集的支路數(shù)M越大，分集的效果越好。但當(dāng)M較大時(shí)（如M>3），分集的復(fù)雜性增加，分集增益的增加隨著M的增大而變得緩慢。分集天線之間的距離D

η=h/D參數(shù)η，在900MHz的系統(tǒng)中取10，DCS1800中取20，天線掛高h(yuǎn)，25m~30mD一般在3.5m~4m之間在移動(dòng)環(huán)境下，兩個(gè)在同一地點(diǎn)極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號(hào)呈現(xiàn)出不相關(guān)衰落特性。極化分集實(shí)際上是空間分集的特殊情況，其分集支路只有兩路。極化方式(Polarization）:V垂直極化；H水平極化，即電磁場(chǎng)的振動(dòng)方向頻率分集是采用兩個(gè)或兩個(gè)以上具有一定間隔的信號(hào)同時(shí)發(fā)送和接收，然后進(jìn)行合并或選擇將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載頻發(fā)射出去，只要載頻之間的間隔足夠大（大于相干帶寬），那么在接收端就可以得到衰落特性不相關(guān)的信號(hào)。（相當(dāng)于是減小頻率選擇性衰落）頻率分集的優(yōu)點(diǎn)是與空間分集相比，減少了天線的數(shù)目。但缺點(diǎn)是要占用更多的頻譜資源，在發(fā)射端需要多部發(fā)射機(jī)。CDMA的擴(kuò)頻技術(shù)就是一種頻率分集時(shí)間分集將給定的信號(hào)在時(shí)間上相差一定的間隔重復(fù)傳輸M次，只要時(shí)間間隔大于相干時(shí)間，就可以得到M條獨(dú)立的分集支路。特點(diǎn)是增加了接收概率；接收機(jī)有多路，接收機(jī)復(fù)雜時(shí)間分集和空間分集相比，優(yōu)點(diǎn)是減少了接收天線數(shù)目，缺點(diǎn)是占用更多的時(shí)間資源，降低了傳輸效率。3.6.4隱分集與RAKE接收顯分集（空間，極化，頻率，時(shí)間）隱分集（交織編碼技術(shù)，跳頻，直接擴(kuò)頻）隱分集技術(shù)，是指只用一副天線接收信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)分集的技術(shù)。分集作用是隱含在傳輸信號(hào)的方式中，而在接收端利用信號(hào)處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)分集。RAKE接收是將那些幅度明顯大于噪聲背景的多徑分量取出，通過(guò)延時(shí)和相位校準(zhǔn)，使它們?cè)谀骋粫r(shí)刻對(duì)對(duì)齊，按照一定的規(guī)則合并。只適用于CDMA多址系統(tǒng)，因?yàn)橹挥蠧DMA系統(tǒng)才能根據(jù)用戶(hù)的地址碼分辨那些是真正發(fā)給用戶(hù)的信息RAKE接收機(jī)利用