移动通信技术及应用-第2章移动通信概论.ppt

第二章 移动通信的基本概念,无线电波的传播特性 移动信道的特征 *陆地移动信道的场强估算与损耗 蜂窝系统工作原理 移动通信系统的基本网络结构 无线环境下的噪声与干扰,学习目标,理解并掌握直射波、反射波、地面波、自由空间、 自由空间传播、地球等效半径、视距传播、绕射损耗、多径效应、多普勒频移、快衰落、慢衰落等概念。 初步了解地形、地物的分类，以及任意地形地区的传播损耗中值的估算。 掌握蜂窝、小区、区群、中心激励、顶点激励、移动通信系统的组成、多址技术等概念，能够使用自己的语言陈述常用的各功能设备的作用与接口。 理解常见的各类噪声与干扰，如同频干扰、邻频干扰、互调干扰、时隙干扰和码间干扰等，了解某些抑制噪声和干扰的技术。 了解全国蜂窝系统的网络结构，了解移动通信网络的区域、号码、地址与识别。,学习指导,本章主要内容涉及移动通信中的一些基础概念，主要包括无线电波的传播特性、移动信道的特征、陆地移动信道的场强估算与损耗、蜂窝系统的工作原理、移动通信系统的基本网络结构以及噪声与抗干扰技术。其中无线电波的传播特性、移动信道的特征两部分是本章的重点与难点，涉及的基本概念很多，而且这两部分是后面陆地移动信道的场强估算与损耗的基础。在本章中，蜂窝系统的工作原理和移动通信系统的基本网络结构也是本章的重点，它为你提供了一个系统的、全局的视角来理解移动通信的概貌。噪声和干扰是影响通信性能的一个重要因素，了解噪声与干扰对解决移动通信中的很多实际问题具有很大的帮助。对本章中诸多基本概念的理解与掌握有助于后续移动通信系统各章节的学习，为理解移动通信中的一系列问题可提供相关的理论基础。,知识地图,无线电波的传播特性 1,电波的传播方式 直射波 大气中的电波传播 障碍物的影响与绕射损耗 反射波,1、 电波的传播方式,从发信机发出的电波在到达收信机时，可能会沿不同的路径进行传播，如图2-1示。沿着地表面传播的电波（如路径1）称为地面波；从发射天线直接到达接收天线的电波（如路径2）称为直射波；经过大地反射到达收信机的电波（如路径3）称为反射波。一般而言，收信机A接收到的电波是由直射波和大地反射波合成的，但是有时也混有一些地面波，所有这些波统称空间波。经过电离层反射而传播的电波（如路径4）称为电离层波，它主要用于短波通信。,无线电波的传播特性 1,图2-1 典型的电波传播通路,无线电波的传播特性 1,地面波,直射波,反射波,电离层波,由于地面波随频率的提高衰减很快，所以在使用VHF和UHF频段的移动通信中，地面波可以忽略不计。另外，当陆上天线的高度小于一个波长，海上天线的高度小于510个波长的情况下，地面波的场强才能超过直射波的场强，这时才考虑地面波。即只要天线高度超过这个界限，直射波和反射波合成场强便起主要作用，并大于地面波；当天线高度低于这个界限时，电波传播主要由地面波决定。在VHF频带的定点通信中，天线高度都处在几个波长以上，因此可以不考虑地面波的影响。对于VHF频带的移动通信中，也是将电波传播考虑为直射波和反射波相干合成。,无线电波的传播特性 1,2、直射波,电磁波在真空中的传播称为自由空间传播。由于自由空间具有各向同性、电导率为零等特性，因此电波在自由空间里传播时，不存在反射、折射、绕射、散射以及吸收等现象，只存在因电磁场能量扩散而引起的传播损耗。,无线电波的传播特性 1,直射波可近似按自由空间传播来考虑。实际上，只要地面上的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对导磁率都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样的情况下，电波传播就可以视作在自由空间中传播。也就是说，把大气看成为近似真空的均匀介质，在大气中的传播就等效于自由空间传播，它只与频率f和距离d有关。当电波经过一段距离传播之后，辐射能量会扩散而引起衰耗（也称衰减或损耗）。自由空间的传播衰耗lts定义为：,无线电波的传播特性 1,(式2-1),式中，是电磁波的波长，d是收发天线间距离。 直射波的传播途径如图2-1中路径2所示。直射波传播距离一般限于视距范围。在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波和微波通信就是利用直射波传播的。,无线电波的传播特性 1,3、 大气中的电波传播,（1）自由空间传播的场强计算,电波在自由空间中的传播模型可用图2-2来模拟。在O点有一个各向同性的辐射器，假设其辐射功率为Pt，从电磁场理论知道，在距离波源为d处的功率密度如下：,图2-2 各向同性辐射器在自由空间的辐射,无线电波的传播特性 1,同时，功率密度可写成：,式中，Em、Hm分别为电场强度和磁场强度的振幅值； Eo、Ho分别为电场强度和磁场强度的有效值，故可得,式中Pt和d的单位分别为W和m。通常场强以分贝（dB）表示，并取场强1v/m为0参考点（dBv/m，简称dB），则,式中，Pt为辐射功率（W），d为距离（km）。,无线电波的传播特性 1,以上的辐射器为各向同性辐射器，若辐射器有方向性，则可设其方向性系数为Dt，有：,或,（2）自由空间的传播损耗,传播损耗Lo是指发信天线的辐射功率Pt与收信机输入功率Pr 之比，即,（式2-8）,自由空间传播损耗是指收、发天线都是各向同性辐射器时，两者之间的传播损耗。,无线电波的传播特性 1,电波由各向同性发信天线辐射后，经传播距离d到达信点，由式（2-2）可计算其功率密度S值。收信天线接收的功率为,式中A为收信天线的有效面积。对于各向同性收信天线来说，,式中为工作波长（m）。由式（2-1）可得自由空间传播损耗为,则,无线电波的传播特性 1,式中，f为工作频率（MHz），d为传播距离（Km）。按上式画出频率为150MHz、450MHz和900MHz的自由空间传播损耗Lo与距离d的关系，如图2-3所示。由于横坐标采用对数尺度，故损耗（dB）与距离呈现直线关系。同时，由（式2-12）可见，自由空间的电波传播损耗只与工作频率f和传播距离d有关。由（式2-12）可推算出，在该公式的适用范围内，若将f或d增大一倍，则损耗将分别增加6dB。,图2-3 自由空间,无线电波的传播特性 1,（3）大气折射,在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介质折射率n与相对介电系数r的关系为,众所周知，大气的相对介电系数r不是恒定的，它与温度、湿度和气压有关。因此，大气高度不同，r也不同，即dn/dh也是不同的。,无线电波的传播特性 1,根据折射定律，设c为光速，则电波传播速度v与大气折射率n成反比，即,这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。我们用“地球等效半径”来表征大气折射对电波传播的影响，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径Ro（6.37106m）变成了等效半径Re，Re与Ro之间的关系为,式中，k称作地球等效半径系数，若当dn/dh1，ReRo。在标准大气折射情况下，即当dn/dh410-8（1/m），等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径Re=8500km。,无线电波的传播特性 1,所以，大气折射有利于超视距的传播。注意，在视线距离内，这种由折射现象所产生的折射波会同直射波并存，从而也会产生多径衰落。,（4）视距传播,视线传播的极限距离可由图2-4计算，设发射与接收天线的高度分别为ht和hr，两个天线顶点的连线AB与地面相切于C点。由于地球等效半径Re远远大于天线高度，不难证明，自发射天线顶点A到切点C的距离d1为,无线电波的传播特性 1,图2-4 视距离传播极限距离,同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d2为,可见，视线传播的极限距离d为,无线电波的传播特性 1,在标准大气折射情况下，Re=8500km，故,式中，ht和hr的单位是m，d的单位是km。,4 、障碍物的影响与绕射损耗,点波在直射传播的路径上可能存在山丘、建筑等障碍物，这些障碍物会引起除了自由空间传播损耗外的附加损耗，这种附加损耗称为绕射损耗。,无线电波的传播特性 1,设障碍物与发射点T、接收点R的相对位置如图2-5所示。图中x表示障碍物顶点P至连线TR的距离，在传播理论中称作费涅尔余隙。,图2-5 障碍物与余隙,图a中所示为阻挡情形，此时余隙x为负值；图b所示为非阻挡情形，此时余隙x规定为正值。由费涅尔绕射理论可得障碍物引起的绕射损耗与费涅尔余隙的关系如图2-7所示。图中横坐标为x/x1，其中x1称为费涅尔半径，并由下式（2-20）求得,无线电波的传播特性 1,式中d1、d2如图2-6所示：,为电波波长。由图2-6可见，当x/x10.5时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响；当x=0时，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约6dB；以当x0时，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加 。,公式推导 1,公式推导 2,公式推导 3,5 、反射波,不同界面的反射特性用反射系数R表征，它定义为反射波场强与入射波场强的比值，R可表示为：,无线电波的传播特性 1,式中R为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比值，代表反射波相对于入射波的相移。实际的反射路径、直射路径的电波相位差可由两者间的路径差计算而得：,式中，2/称为相移常数，决定于工作波长，d为两路径的差值。,直射波与反射波的合成场强如下：,由上式可见，合成场强将随反射系数以及路径差的变化而变化，R越接近于1，衰落就越严重。为此，在固定地址通信中，选择站址时应力求减弱地面反射，或调整天线的位置和高度，使地面反射区离开光滑界面。当然，这种做法在移动通信中是很难实现的。,无线电波的传播特性 1,移动信道的特征 2,传播路径与信号衰落 多普勒效应 多径效应与瑞利衰落 慢衰落特性和衰落储备 多径时散与相关带宽,1、传播路径与信号衰落,移动无线电波传播路径损耗，主要是由于地形、传播路径上的无线电散射体等原因产生的，是直射加上镜面反射、漫反射和绕射等的综合结果，如图2-7所示。,（1）镜面反射：当无线电波投射到两种不同媒质间的平滑分界面，并且界面线尺寸与辐射信号波长相比相差很大的情况下，则发生镜面反射，并服从斯涅耳定律。,移动信道的特征 2,（2）漫反射：当无线电波投射到粗糙表面，且表面粗糙程度与辐射信号波长相似时，则产生漫反射，它服从惠更斯原理。般情况下，漫反射无线电波的强度小于镜面反射无线电波的强度，因为沿不平表面传播时散射了能量，使反射无线电波沿发散路径前进。 （3）绕射：当无线电波由于地形外廓的变化，遮避住其传播路径时，则会出现绕射。 在移动无线电通信中，仅出现镜面反射和漫反射的情况，被认为是视距传播，而绕射则被认为是非视距传播。,直射波,反射波,图2-7 几种传播路径,绕射波,移动信道的特征 2,直射波、反射波或散射波在接收地点形成干涉场，使信号产生深度且快速的衰落,这种衰落称为快衰落，如图2-8所示。图中，虚线表示的是信号的局部中值，其含义是在局部时间中，信号电平大于或小于它的时间50%。由于移动台的不断运动，电波传播路径上的地形、地物是不断变化的，因而局部中值也是变化的。这种变化所造成的衰落比多径效应所引起的快衰落要慢得多，所以称作慢衰落。,移动信道的特征 2,图2-8 典型信号衰落特性,2 、多普勒效应,假设移动台以恒定的速率移动时，会接收到来自远方信号源发出的信号电波，并设信号电波与移动台运动方向的夹角为，如图2-9所示，则频移值可表示为：,若移动台朝向入射波的方向运动，则频移为正，即接收频率升高；反之，若移动台逆向入射波的方向运动，则频移为负，即接收频率降低。因此，信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。,移动信道的特征 2,3 、多径效应与瑞利衰落,从发射机到接收机，一般均有多条不同时延的直射或反射传输路径，这种现象称为多径效应，如图2-10所示，这样到达接收机的信号是来自不同传播路径的信号之和。多径现象易造成多径衰落和脉冲展宽（也称多径时散，见2.2.5节）等。,移动信道的特征 2,图2-10 移动信道的传播路径,衰落一般指接收信号电平的随机起伏，即不规则变化。多径衰落后的信号包络服从瑞利分布，其公式描述可如下（式2-25）和（式2-26）所示，所以多径衰落又称作瑞利衰落。,（式2-25）,设信号包络的概率密度为f（），则：,移动信道的特征 2,f（）与/的关系如图2-11所示。,图2-11 瑞利分布的概率密度,移动信道的特征 2,通过计算和大量的实测表明，多径效应使接收信号包络变化接近瑞利分布。一般情况下，衰落深度还与地形地物有关，可达1030dB。而衰落速率（单位时间内发生衰落的次数）还与移动台移动速度及工作频率有关，例如移动速度为40km/h，频率400MHz，衰落速率约每秒3040次。,相关推导 1,相关推导 2,相关推导 3,相关推导 4,4 、慢衰落特性和衰落储备,由于移动天线低，最多不超过3m，故地形起伏和建筑物对电波阻挡、屏蔽的影响不可忽视。大量统计数据表明：当信号电平发生快衰落的同时，其局部中值电平还随时间、地点以及移动台速度作比较平缓的变化，其衰落周期以秒级计，故称这种衰落为慢衰落或地形阴影衰落。这种衰落的规律服从对数正态分布，即以分贝数表示的信号电平为正态分布。分布的标准偏差随地形波动的高度和频率变化而变化。用L、分别表示接收信号中值场强随位置分布和时间分布的标准偏差，见表2-1，表中d为收发间距离，单位为km。,移动信道的特征 2,表2-1 接收信号中值场强随位置分布和时间分布的标准偏差,移动信道的特征 2,此外，还有一种随时间变化的慢衰落，它也服从对数正态分布。这是由于大气折射率的平缓变化，使得同一地点处所收到的信号中值电平随时间作慢变化，这种因气象条件造成的慢衰落其变化速度更缓慢（其衰落周期常以小时甚至天为量级计），因此常可以忽略不计。 为了防止因衰落（包括快衰落和慢衰落）引起的通信中断，在信道设计中，必须使信道的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。衰落储备的大小取决于地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标。通信可靠性也称为可通率，并用T表示，它与中断率的关系是T=1-R。,移动信道的特征 2,5、 多径时散与相关带宽,（1）多径时散,多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽。假设基站发射一个脉冲信号Si（t）=a0（t）给移动台，由于多径效应使移动台接收到的信号实际上为一串到达时间不等的脉冲迭加，结果数字脉冲信号波形被展宽，这称为多径时散现象，如图2-12所示。移动台接收到的脉冲信号为：,移动信道的特征 2,该式表示了到达移动接收机的信号是频率为的离散脉冲串，如图2-12（a）所示；随着移动台周围散射体数目的增多，接收到的离散脉冲串相互重叠结果变成了一个脉冲长度为的连续脉冲信号，这就发生了多径时散，如图2-12（b）所示。这种多径时散就是造成码间干扰的主要原因。为了防止在瑞利衰落环境下产生码间干扰，就要求发射信号速率远小于1/的间隔。,移动信道的特征 2,衰落环境下产生码间干扰，就要求发射信号速率远小于1/的间隔。,图2-12中多径时散的平均延时时间d和标准方差可表示如下（式2-29）和（式2-30）：,（式2-29）,（式2-30）,移动信道的特征 2,式中，表示多径时散散布的程度。越大，时延扩展越严重；越小，时延扩展越轻。最大时延max是以强度下降30dB时测定的时延值，如下图2-13所示。,图2-13 典型多径时延的信号包络,移动信道的特征 2,多径时散的参数典型范围总结如下表2-2所示：,表2-2 多径时散参数典型值,移动信道的特征 2,可见，时延的大小主要取决于地物（如高大建筑物）和地形的影响。一般情况下，市区的时延要比郊区大，如表中市区最大延时时间高达12s，而郊区平均延时扩展