移动信道特性与抗衰落技术

第二章移动信道特性与抗衰落技术,1、信道的定义信道就是指以传输媒介为基础的信号通路。具体地说，信道是指由有线或无线电线路提供的信号通路。抽象地说，信道是指定的一段频带，它让信号通过，同时又给信号以限制和损耗。信道的作用是传输信号。,2、信道的类型,有线信道举例,无线信道举例,调制器,发转换器,媒质,收转换器,解调器,调制信道,编码信道,狭义,广义,广义信道举例,2.1移动信道的电波传播特性,电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播环境直接决定传播模型的选取。影响无线传播环境的主要因素自然地形（高山、丘陵、平原、水域）人工建筑的数量、分布、材料特性(人为环境)该区域植被特征天气状况自然和人为的电磁噪声状况移动台的移动速度使用频段,当前陆地移动通信主要使用的频段VHF和UHF,即150MHz、450MHz、900MHz、1800MHz。其频率收发间隔分别为：5.7MHz、10MHz、45MHz、95MHz。移动通信中传播的方式主要有直射波、反射波、绕射波、散射波和地表面波等传播方式。在分析移动通信信道时，主要考虑直射波和反射波的影响。,直射波及地面反射波（最一般的传播形式）,对流层反射波（传播具有很大的随机性）,山体绕射波（阴影区域信号来源）,电离层反射波（超视距通讯途径）,传播途径,2.1.1直射波,直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物,直接到达接收端的电波,称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。自由空间传播损耗视距传播,1、自由空间的传播损耗自由空间是指信号在理想的，均匀的各向同性的介质中传播，不发生反射、折射、散射和吸收的现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗的空间。无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量会因为扩散而减少。这种减少，称为自由空间的传播损耗。,对于移动通信系统而言,其自由空间路径损耗Lfs仅与传输距离d和电波频率f有关,而与收、发天线增益无关。可用下式来表示:,Lfs=32.45+20lgd+20lgf,式中,传输距离d的单位为km,电波频率f的单位为MHz，Lbs单位为dB。,例题：试计算工作频率为900mhz，通信距离分别为10km和20km时的自由空间传播损耗？当d10km时，L111.53db；当d=20km时，距离增加一倍，衰耗增大6db。L=117.53db,2、视距传播视线所能到达的最远距离称为视线距离d0。已知地球半径为R=6370km，设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR(单位m)，理论上可得视距传播的极限距离为：,当考虑空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，等效为地球半径R=8500km，可得修正后的视距传播的极限距离：,2.1.2反射波,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。电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,会在物体表面发生反射,形成反射波。反射常发生于地表、建筑物的墙壁表面等。两径传播模型多径传播模型推导见书上P22,图反射波和直射波,2.2移动信道的衰落特性,2.2.1快衰落,多径衰落的含义产生多径衰落的原因快衰落(也称短期衰落或多径衰落)指的是接收信号强度随机变化较快,具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。衰落速率每秒3040次，衰落深度30dB左右,2.2.2慢衰落,阴影衰落由于电波传播遇到建筑物等的阻挡，形成电波阴影区，阴影区的电场强度弱。阴影效应慢衰落慢衰落(也称长期衰落)指的是接收信号强度随机变化缓慢,甚至具有十几分钟或几小时的长衰落周期。,慢衰落的统计特性衰落储备为了防止因衰落而引起的通信中断，在信道设计中，必须使信号留有足够的余量，以防止中断率R小于规定的指标。,多径传播,2.3数字信号的多径传播特性,时延扩展所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径,路径长度不同,且传输路径随移动台的运动而不断变化,因而可能导致发射端一个较窄的脉冲信号s0(t)=a0(t)在到达接收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号。,时延扩展可直观地理解为在一串接受脉冲中,最大传输时延和最小传输时延的差值,即最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值,记为,就是脉冲展宽的时间。越小，时延扩展就越轻微，越大，时延扩展就越严重,相关带宽移动信道的一个特征；表征信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。当信号带宽小于相关带宽，发生非频率选择性衰落；当信号带宽大于相关带宽，发生频率选择性衰落；,2.4电波传播路径损耗的预测,2.4.1地形地物的分类1、地形特征地形波动高度h天线有限高度2、地形分类准平滑地形不规则地形3、地物分类开阔地、郊区、市区,2.4.2移动信道上传播损耗的估算经验模型,移动通信中电波传播特性：自由空间传播损耗阴影衰落多径效应多普勒效应,一、准平滑地形上的传播损耗中值1、市区传播损耗中值2、郊区和开阔地的损耗中值,市区传播损耗中值在城市街道地区，电波传播衰耗取决于传播距离d、工作频率f、基地站天线有效高度hb、移动台天线高度hm以及街道的走向和宽度等。准平滑地形，市区的传播衰耗中值又称其为基本衰耗中值（或基准衰耗中值）。OM模型中，给出了准平滑地形，市区传播衰耗中值的预测曲线族，如下图所示。图中是在基地站天线有效高度hb=200m，移动台天线高度hm=3m，以自由空间传播衰耗为基准(0dB)，求得的衰耗中值的修正值Am(f,d）,图1准平滑地形大城市基本衰耗中值Am(f,d),图2基地站天线高度增益因子,图3移动台天线高度增益因子,由曲线上查得的基本衰耗中值Am(f,d)加上自由空间的传播衰耗Lbs才是实际路径衰耗LT。,若基地站天线有效高度不是200m，可利用图2查出修正因子Hb（hb，d），对基本衰耗中值加以修正，称为基站天线高度的增加因子。若移动台天线高度不等于3m时，可利用图3查出修正因子Hm（hm，f），对基本衰耗中值进行修正，称为移动台天线高度的增益因子。在考虑基站天线高度因子与移动台天线高度因子的情况下，市区路径传播衰耗中值应为：,例：计算准平滑地形，城市地区的路径衰耗中值。已知：hb=200m,hm=3m,d=10km,f=900MHz。,解：首先求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为：,查图可求得Am(f,d)，即,利用式(2.27)就可以计算出准平滑地形，城市街道地区传播衰耗中值：,若hb=50m,hm=2m，其他条件不变，求损耗中值。,查图2-15得,查图2-16得,在上题结果的基础上，要再加入基站和移动台的高度增益因子。,则修正后的路径衰耗中值为：,2、郊区和开阔区的传播损耗中值市区衰耗中值与郊区衰耗中值之差称为郊区修正因子kmr，kmr为增益因子。它随工作频率和传播距离的变化关系如图2-17所示。开阔区，准开阔区（开阔区与郊区之间的过渡地区）的衰耗中值相对于市区衰耗中值的修正曲线，如图5所示。Q0为开阔区修正因子；Qr为准开阔区修正因子。在求郊区或开阔区，准开阔区的传播衰耗中值时，应在市区衰耗中值的基础上，减去由图2-17或2-18查得的修正因子。,图2-17郊区修正因子,图2-18开阔区、准开阔区修正因子,二、不规则地形上的传播衰耗中值丘陵地的修正因子孤立山岳地形的修正因子斜坡地形的修正因子水陆混合地形的修正因子,三、任意地形的信号中值预测计算自由空间的传播衰耗,计算准平滑地形市区的信号中值,计算任意地形地物情况下的信号中值,KT为地形地物修正因子,例：某一移动电话系统，工作频率为450MHZ，基地站天线高度为70m，移动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20km，求传播路径的衰耗中值?,其他传播环境上的传播损耗街道走向的影响电波传播的衰耗中值与街道的走向（相对于电波传播方向）有关。在纵向街道上衰耗较小，横向街道上衰耗较大。,市区街道走向修正值,2、建筑物的穿透衰耗一般来说波长越短，穿透能力越强。各个建筑物对电波的吸收也是不同的。,式中Lb为实际路径衰耗中值，L0在街心的衰耗中值，Lp为建筑物的穿透衰耗。,3、植被损耗在传播路径上，由树木、植被引起的附加损耗不仅取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度及季节变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树木的路径长度等多方面因素。一般来说，垂直极化波比水平极化波的衰耗稍大些。,4、隧道中的传播衰耗空间电波在隧道中传播时，由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受到较大的衰耗。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。,某移动电话系统，工作频率为1800MHZ，基地站天线高度为80m，移动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20km，求传播路径的衰耗中值?,抗衰落技术,1.分集技术2.自适应均衡技术3.RAKE接收技术,分集技术包括有两个方面的内容：分散传输，使接收到的多径信号分离成独立的，携带同一信息的多路信号；集中处理，将接收到的这些多路分离性好的能量按一定规则合并起来(包括选择与组合)，使接收的有用信号能量最大，以降低衰落的影响。要求：只有被分集的几个合成信号之间是统计独立的，合并后才能使系统性能改善。,分集接收：显分集：空间分集、频率分集、时间分集、极化分集、隐分集：交织,1）空间分集,2）频率分集,3)时间分集将同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，则各次发送信号所出现的衰落将是相互独立的。接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能够减小衰落的影响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。,4)极化分集理论依据是两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号具有不相关的衰落特性。具体来讲,在发射端的同一地点分别装上垂直极化天线和水平极化天线,在接收端的同一位置也分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可得到两路衰落特性不相关的信号。极化分集实际上是空间分集的特殊情况分集支路只有两路且相互正交。,5)场分量分集根据电磁场理论，电磁波的E场和H场载有相同的消息，其反射机理是不同的。在移动通信中，多个E波和H波叠加，结果表明EZ、HX、HY的分量是互不相关的，因此，通过接收三个场分量，也可以获得分集的效果。,分集合并：(1)最佳选择式:从几个分散的信号中选择信噪比最好的一个作为接收信号。(2)等增益相加式:把几个分散信号以相同的支路增益直接相加的结果作为接收信号。(3)最大比值合并:控制各支路增益,使它们分别与本支路的信噪比成正比,即根据各支路的信噪比来设置增益值,然后再相加以获得接收信号。以上合并方式中最大比值合并方式性能最好，等增益合并方式次之，最佳选择方式最差。,二、自适应均衡技术,核心思想：抵消,三、多径信号的分离与合并,由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。RAKE接收机