移动通信的电波传输与干扰.ppt

移动通信技术 第二章 移动通信的电波传播与干扰 1 第二 章移动通信的电波传播与干扰 l内容 表征无线电波传播特征、信道特征 电波传输特征的估算 噪声、干扰 2 第二 章移动通信的电波传播与干扰 l重点 自由空间传播衰耗 噪声、干扰 l难点 电波传播衰耗特性的数字特征 任意地形、地物情况下电波传播衰耗中值 的预测 3 第二 章移动通信的电波传播与干扰 l目的和要求 了解电波传输特征及信道特征 掌握电波传输特征的估算 了解电波传输中的噪声及干扰 4 2.1无线电波传输特征 直射波 在自由空间中，电波沿直线传播而不被吸 收，也不发生反射、折射和散射等现象而 直接到达接收点。 自由空间传播 ：是指天线周围为无限大真 空时的电波传播 ，为理想传播条件。 电波传播能量受到损耗 ，可通过下式来 描述 5 2.1无线电波传输特征 反射波 电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界 面时，就会发生反射现象 。可以参考下图： 图中路径a与b为反射波路径，c为直射波路径。 6 2.1无线电波传输特征 障碍物的影响与绕射 电波的直射路径上存在各种障碍物，由障碍物引起 的附加传播损耗称为绕射损耗。 设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图所示。 图中，x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为 菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，如图（a）；无 阻挡时余隙为正 ，如图（b） 7 2.1无线电波传输特征 大气中的电波传播 大气对电波的折射：大气折射率引起电波 传播方向发生弯曲的现象。 视线距离：视线所能到达的最远距离。 发射天线和接收天线高度分别为hT和hR， 两个天线顶点的连线AB与地面相切于C点 。可得视距传播的极限距离d为： 在标准大气折射情况下， Re8500 km， 故： 8 2.2 移动通信的信道特征 多径衰落 由于信号在传输过程中是通过多条路径实现的， 但是在不同路径中都有衰落现象，这中衰落称为 多径衰落。 多径效应引起的接收信号中脉冲宽度扩展的现象 ，称为时延扩展 。 两个频率相隔很近的衰落信号，当时延扩展达到 某一数值时，就有可能变得相关。对于某一时延 扩展值，两衰落信号是否相关取决于两者的频率 间隔。两衰落信号相关时的频率间隔称为相关带 宽 。 9 2.2 移动通信的信道特征 阴影效应 接收的信号场强会出现两种变化：第一种 变化是多径衰落或称快衰落，在性质上属 于微观变化；第二种变化是随着车辆的运 动，信号场强中值也在缓慢地起伏，它起 因于建筑物和起伏地形的阴影效应，故称 之为地形衰落或慢衰落 ，服从对数正态分 布 。 随时间变化的慢衰落，即由于大气折射状 况的平缓变化，使得同一地点所收到的中 值场强随时间而缓慢地变化 ，服从对数正 态分布 。 10 2.3 电波传播特性的估算 l地形地物的分类 地形的分类 准平滑地形 传播路径地形剖面图上，表面起伏高度在20m以下， 且起伏缓慢 不规则地形 丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形、水陆混合地形 11 2.3 电波传播特性的估算 基站天线有效高度hb hb=htn-hgn vhgn：从基站天线架设点起35km距离内的平均地 面海拔高度 vHtn：基站天线的海拔高度 天线高度均指天线有效高度 MS天线有效高度hm 有效高度 指地面以上的高度 12 2.3 电波传播特性的估算 地物的分类 按地面障碍物的密集程度和屏蔽程度分： 开阔地：在电波传播方向上无高大树木、建 筑物等障碍物，呈开阔状地面 郊区：移动台周围的障碍物不稠密 市区：移动台周围的障碍物稠密 13 2.3 电波传播特性的估算 l准平滑地形上的 电波传播特性 市区传播衰减中值 的预测 基本衰耗中值Am(f,d) 取决于传播距离d、 工作频率f Am(f,d)曲线以 hb=200m，hm=3m 为基准 14 基站天线有效 高度增益因子 Hb(hb,d) 2.3 电波传播特性的估算 15 MS天线有效 高度增益因子 Hm(hm,f) 2.3 电波传播特性的估算 16 2.3 电波传播特性的估算 准平滑市区传播衰减中值 L市区=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) Hb(hb,d)、Hm(hm,f)为增益因子，计算衰减中 值时取减号 。 17 2.3 电波传播特性的估算 郊区、开阔地的 衰减中值的预测 郊区衰减中值的预测 L郊区=Ls市区- Kmr 郊区修正因子Kmr 18 2.3 电波传播特性的估算 开阔地衰减中值的预测 L开阔地=Ls市区- Qo(或Qr) Qo为开阔地修正因子 Qr为准开阔地的修正因子 19 2.3 电波传播特性的估算 l不规则地形修正因子 丘陵地的修正因子 地形起伏高度h：指自接收MS向发射的基站 方向延伸10km的范围内，地形起伏的90%与 10%处的高度差 丘陵地修正因子分为两项 以h为参数而变化的丘陵地修正因子Kh 丘陵地微小修正因子Khf v主要是考虑在丘陵中，谷底与山峰处的屏蔽作用 不同，靠近山峰处，Khf取负值，靠近山谷处， Khf取正值 20 2.3 电波传播特性的估算 丘陵地的修正因子 21 2.3 电波传播特性的估算 孤立山岳的修正因子Kjs 电波传播路径上有刃形单独山岳时，其背后的 场强计算应考虑其绕射衰减 绕射衰减修正因子Kjs在山岳高度H为200m时， 以山岳到发射点的距离d1、到接收点的距离d2 为参数 若山岳高度H200m，则需乘上高度影响系数 =0.07，即修正因子变为：Kjs 22 2.3 电波传播特性的估算 孤立山岳的 修正因子Kjs 23 2.3 电波传播特性的估算 斜坡地形的修正 因子Ksp 在510km内地形倾斜 正斜坡，倾角为+m 负斜坡，倾角为-m 24 2.3 电波传播特性的估算 水陆混合路径的修正因子KS 以dSR与全距离d的比值为地形参数 水面位于MS一方时混合路径修正因子如曲线 A(实线)所示 水面位于基站一方时混合路径的修正因子如曲 线B(虚线)所示 当水面在传播路径中间时，则取曲线的中间值 25 2.3 电波传播特性的估算 水陆混合路径 修正因子KS 26 2.3 电波传播特性的估算 l其他因素对电波传播的影响 街道走向修正因子Kaf/Kac 当电波传播方向与街道走向平行 在纵向路线上 修正因子Kaf为正值，表示场强中值高于基准场强中 值 当电波传播方向与街道走向垂直 在横向路线上 修正因子Kac为负值，表示场强中值低于基准场强中 值 27 2.3 电波传播特性的估算 街道走向修正因子Kaf/Kac 28 2.3 电波传播特性的估算 建筑物的穿透衰耗Lp 各个频段的电波穿透建筑物的能力不同 不同材料、结构和楼房层数，其吸收衰耗不同 室内传播衰耗：Lb=L0+Lp Lb为实际路径衰耗中值；L0为街心的路径衰耗中值； Lp为建筑物的穿透损耗 Lp随楼层增高而近似下降 29 2.3 电波传播特性的估算 植被衰耗 由树木、植被对电波的吸收作用引起 植被衰耗取决于树木的高度、种类、形状、分 布密度、空气湿度、季节变化、工作频率、天 线极化、通过树林的路径长度等多方面的因素 大片森林对电波传播产生的附加衰耗 一般垂直极化波比水平极化波的衰耗要稍大些 在城市中对电波传播引起的衰耗与大片森林不 同 30 2.3 电波传播特性的估算 植被衰耗 31 2.3 电波传播特性的估算 隧道中的传播衰耗 由于隧道壁的吸收及电波干涉而产生 隧道中，中等功率通信设备间的通信距离，在 通常情况下为200m左右，在理想条件下不超过 300m 当通信系统中的一方天线在隧道外时，通信距离还 要大大缩短 电波在隧道中的衰耗还与工作频率有关 频率越高，衰耗越小 当隧道出现分支或转弯时，衰耗会急剧增加，弯曲 度越大，衰耗越严重 32 2.3 电波传播特性的估算 隧道中的传播衰耗 曲线A为160MHz时隧道内两半波偶极子天线间传输衰耗 曲线B为200平衡波导线的衰耗 33 2.3 电波传播特性的估算 l任意地形地物信号中值的预测 给定发射功率，准平滑市区接收功率中值 PP=Po-Am(f,d)+Hb(hb,d)+Hm(hm,f) Po为自由空间传播条件下的接收信号功率 传播路径不是准平滑的市区，根据地形地物修正 Ppe = PP+ KT KT=Kmr+Q0+Qr+Kh+Khf+Kjs+Ksp+Ks 根据地形地物，KT可能是一项或多项 任意地形地物时，收发天线间的信号传播衰减中 值 LA = LT+ KT LT=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) 34 2.3 电波传播特性的估算 例1：设基站天线有效高度为60m，移动台天线高度为1.5m，工 作频率为900MHz，在准平滑市区，通信距离为20km时，其传 播路径上的衰减中值为多少？ 解：自由空间传播衰耗Lbs=32.45+20lgf+20lgd =32.45+20lg900+20lg20 =117.56dB 查图得Am(f,d)=33dB，Hb(hb,d)=-11dB，Hm(hm,f)=-2.5dB 根据已知条件，KT=0，则传播衰耗中值为： LA=LT=Lbs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f) =117.56+33-(-11)-(-2.5) =164.06dB 35 2.3 电波传播特性的估算 例2：若将例1中的地形改为郊区，正斜坡地形，且 m=15mrad，其他条件不变，则传播衰耗中值为多少 ？ 解：查图得Kmr=9dB，Ksp=4dB 根据地形可得KT=Kmr+Ksp，则传播衰耗中值为： LA=LT-Kmr-Ksp =164.06-9-4 =151.06dB 36 2.4 噪声 l噪声的分类及特性 来源分类：内部噪声、自然噪声和人为噪 声 。其中内部噪声是系统设备本身产生的各 种噪声 ；自然噪声是自然界的噪声；人为噪 声是人类生产等活动产生的噪声。 噪声分为六种：大气噪声；太阳噪声； 银河噪声；郊区人为噪声；市区人为 噪声；典型接收机的内部噪声。其中，前 五种均为外部噪声。有时将太阳噪声和银河 噪声统称为宇宙噪声。大气噪声和宇宙噪声 属自然噪声。 37 2.4 噪声 l人为噪声 人为噪声是指各种电气装置中电流或电 压发生急剧变化而形成的电磁辐射，诸 如电动机、电焊机、高频电气装置、电 气开关等所产生的火花放电形成的电磁 辐射。 人为噪声主要是车辆的点火噪声 。 38 2.5 干扰 l同频道干扰 同频道干扰：所有落在收信机通频带内 的与有用信号频率相同或相近的干扰信 号（非有用信号）称为同频道干扰 。 射频保护比 ：为减小同频干扰的影响 和保证接收信号的质量，必须使接收机 输入端的有用信号电平与同频道干扰电 平之比大于某个数值 。 39 2.5 干扰 l同频道复用距离 为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外 ，可以使用同频道电台，称为同频道复用或 信道的地区复用 。 同频道的无线区相距越远，它们之间的空间 隔高度越大，同频道干扰越小，但频率复用 次数也随之降低，即频率利用率降低。 同频道复用距离：在进行无线区的频率分配 时，应在满足一定通信质量要求的前提下， 确定相同频率重复使用的最小距离，该距离 称为同频道复用最小安全距离。 40 2.5 干扰 l同频道复用距离 同频道复用距离只与以下因素有关： 1）调制方式； 2）波传播特性 3）选用的工作方式。可分为同频单工式或异 频双工方式； 4）基站覆盖范围或小区半径r0； 5）要求可靠通信概率。 41 2.5 干扰 l 邻道干扰 邻频道干扰 ：工作在k频道的接收机受到工 作于频道的信号的于扰，即邻道（频道）信 号功率落人k频道的接收机通频带内造成的干 扰 。 解决邻频道干扰的措施包括： 降低发射机落人相邻频道的干扰功率，即 减小发射机的带外辐射； 提高接收机的邻频道选择性； 在网络设计中，避免相邻频道在同一小区 或相邻小区内使用，以增加同频道防护比。 42 2.5 干扰 l互调干扰 互调干扰的基本概念及分类 互调干扰：当两个或多个不同频率的信号同 时输入到非线性电路时，由于非线性器件的 作用，会产生许多谐波和组合频率分量，其 中与所需信号频率0相接近的组合频率分量 会顺利地通过接收机而形成干扰。 互调干扰分为：发射机互调干扰；接收机互 调干扰。 43 2.5 干扰 l发射机互调干扰 发射机互调干扰 ：一部发射机发射的信号进 入了另一部发射机，并在其末级功放的非线 性作用下与输出信号相互调制，产生不需要 的组合干扰频率，对接收信号频率与这些组 合频率相同的接收机造成的干扰 。 降低干扰措施： 加大发射机天线之间的距离； 采用单向隔离器件和采用高Q谐振腔； 提高发射机的互调转换衰耗。 44 2.5 干扰 l接收机互调干扰 接收机互调干扰：当多个强干扰信号进入接 收机前端电路时，在器件的非线性作用下， 干扰信号互相混频后产生可落人接收机中频 频带内的互调产物而造成的干扰 。 降低接收机互调干扰的措施有： 提高接收机前端电路的线性度； 在接收机前端插人滤波器，提高其选择性 ； 选用无三阶互调的频道组工作。 45 2.5 干扰 l无三阶互调的频道组 在一个移动通信系统中，为了避免三阶 互调干扰，在分配频率时，应合理地选 用频