移动通信第二章

第二章 移动信道,学习重点：了解VHF 、UHF频段的电波传播特性掌握各种信号衰落的成因及其分布规律理解移动信道的四种效应和三种选择性衰落了解传播损耗模型，重点掌握奥村-哈塔模型了解移动信道中的常见干扰,移动信道的特点,传播的开放性和多样性：电波在空间开放式传播，传播方式也具有多样性。接收环境的复杂性：接收点地理环境的复杂性和多样性，可分为市内繁华区、近郊区和远郊区及农村移动用户的随机移动性：准静态的室内用户，慢速步行用户，高速车载用户通信,VHF 、UHF频段电波传播特性,在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射。移动台接收到的电波一般是直射波和随时变化的绕射波、反射波、散射波的叠加。接收信号的电场强度起伏不定，称为衰落。衰落是移动信道的基本特征。,VHF 、UHF频段电波传播特性,直射波： 是指在视距覆盖区内无遮挡的传播，它是超短波、 微波的主要传播方式，经直射波传播的信号最强。 自由空间传播损耗： 可见在自由空间中电波传播损耗只与工作频率和传播距离有关。 利用等效地球半径，视距传播的极限距离：,VHF 、UHF频段电波传播特性,绕射损耗： 由障碍物引起的附加传播损耗。依据障碍物与收发点的位置关系，及菲涅尔余隙、菲涅尔半径的概念，可计算出电波的绕射损耗。反射和散射： 电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，就会发射反射现象。当介质中存在小于波长的物体且单位面积内阻挡体的个数非常多时，发生散射。,信号损耗,无线信号在传输中受到的损耗包括：由传输距离引起的路径损耗由阴影效应引起的损耗由多径传播引起的信号衰落,信号损耗,传输距离引起的路径损耗：距离越远损耗越大信号频率低时的传输损耗小信号频率高时的传输损耗大,信号损耗,阴影效应引起的损耗（慢衰落）： 电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻拦所产生的阴影效应而产生损耗，反映了在中等范围内（数百波长量级）的接收场强中值的变化趋势。这类损耗一般为无线传播所特有，从统计规律上看服从对数正态分布。其变化率比传输信息率慢，其衰落周期以秒级计，故称作慢衰落，有的文献称作大尺度衰落。,信号损耗,多径传播引起的损耗（快衰落）： 在数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，这是由多径传播引起的，称作快衰落，又称作小尺度衰落。其电平分布一般服从瑞利（Rayleigh）分布或莱斯（Rice）分布。,信号损耗,多径接收信号的统计特征：当N个多径信号相互独立，且没有一个信号占支配地位时，多径接收信号的幅度变化服从瑞利分布，相位变化服从02的均匀分布。因此，多径衰落也称为瑞利衰落。当N个多径信号相互独立，且存在一个占支配地位的信号时，多径接收信号的幅度变化服从莱斯分布。,四种主要的效应,阴影效应 由于大型建筑物和其他物体的遮挡，在电波传播的接收区域中产生传播的半盲区，使处于此的接收电平受到损耗。电波的波长较短，阴影可见；波长较长，阴影不可见。但还是可以测试出来的。,四种主要的效应,远近效应 由于接收用户的移动性，移动用户与基站之间的距离也在随机变化，若各移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的现象，即为远近效应。,四种主要的效应,多径效应 由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，从而它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样，所接收的信号是各路信号的矢量和，也就是说，各路径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。,四种主要的效应,多普勒效应 由于接收用户处于高速运动中，这样会造成接收到的信号的载频发生扩散，这种现象称作多普勒效应。 运动方向相向，则多普勒频移为正（接收频率增加），运动方向相反，则多普勒频移为负（接收频率减少）。,15,无线电波从源点S出发，在X点和Y点分别被移动台接收时所走的路程差为xi dcosi v t cosi,由于源端点距离很远，可假设在X点和Y点处的i是相同的，所以，由路程差造成的接收信号相位变化值为,当移动台以恒定速率v在长度为d、端点为X和Y的路径上运动时，受到自远方S点发出的信号，如图所示。,由此可得出频率变化值，即多普勒频移fd为,三种主要的衰落,时延扩展与频率选择性衰落多普勒扩展和时间选择性衰落角度扩展与空间选择性衰落,三种主要的衰落1,时延扩展 用来描述在时域上，由多径传播所造成的信号波形扩散效应。 多径接收信号： 平均时延： 时延扩展： 表示各路经到达时间的散布程度。,三种主要的衰落1,相干带宽 信道频域特性的参数是相干带宽，相干带宽Bc表示包络相关度为某一特定值时的信号带宽。也就是说，当两个频率分量的频率相隔小于相干带宽Bc时，它们具有很强的幅度相关性；反之，当两个频率分量的频率相隔大于相干带宽Bc时，它们幅度相关性很小。平坦衰落和频率选择性衰落,三种主要的衰落2,多普勒扩展 多普勒扩展和相干时间是用来描述无线信道的时变特性，而信道的时变特性是由于多普勒效应所引起的。由多普勒频移现象引起的衰落过程的频率扩散，称为时间选择性衰落。 相干时间 相干时间Tcoh可以由最大多普勒频移fm来定义，被普遍采用的 公式是： 它是信道随时间变化快慢的一个侧度相干时间越大，信道变化越慢；相干时间越小，信道变化越快。多普勒扩展引起的衰落与时间有关，故称之为时间选择性衰落。,三种主要的衰落3,角度扩展 接收端角度扩展指多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽，角度扩展给出接收信号主要能量的角度范围，产生空间选择性衰落，即信号幅值与天线的空间位置有关。相干距离与空间选择性衰落 空间选择性衰落用相干距离描述。相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相关时的最大空间距离。相干距离越短，角度扩展越大，反之，相干距离越长，角度扩展越小。典型的角度扩展值为：室内环境 ，城市环境为 ，平坦的农村为 。,传播损耗模型,Okumura模型（奥村模型）Okumura-Hata模型Hata模型扩展COST-231模型COST-231-Walfish-Ikegami模型. 不同的电波传播环境使用不同的模型，不同的模型在实际工程设计中只能预测损耗，然后在实际中还要不断测试调整。,传播损耗模型,Okumura模型（适合VHF和UHF频段）：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对 于不同传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。不同环境及不规则地形上的中值传输损耗ks:郊区修正因子；kh:丘陵地形修正因子；kA:斜坡地修正因子；kis:水陆混合地形修正因子。,传播损耗模型,Okumura-Hata模型(Okumura模型的经验公式)：1） 移动台天线修正因子，是覆盖区大小的函数。中小城市:大城市：2）修正因子K市区 郊区：农村：,传播损耗模型,Hata模型扩展（适合于个人通信系统） 适用条件： 频率：1500MHz-2000MHz 距离：1km-20km 基站天线高度：30m-200m 移动台天线高度：1m-10m 传播损耗公式 ： 移动台天线高度修正因子a(hm)与Hata模型相同。 对于其它地形，修正因子与Hata模型相同,传播损耗模型,COST231 Walfisch-Ikegami模型 适用条件： 频率：800MHz-2000MHz 距离：0.02km-5km 基站天线高度：4m-50m 移动台天线高度：1m-3m 其中L0为自由空间损耗；Lrts为屋脊到街道的衍射和散射损耗；LMS为多次屏蔽损耗。,传播损耗模型,例：设基站天线有效高度为30m，发射频率为450MHz，移动 台有效天线高度为1.5m，工作在准平滑大城市的郊区，通 信距离为10km 。预测系统的场强中值传输损耗。 答案：145dB,无线信道的噪声,噪声的种类很多，也有多种分类方式，若根据噪声的来源进行分类，一般可以分为三类:,自然噪声是指自然界存在的各种电磁波源所产生的噪声。 如雷电、磁暴、太阳黑子、银河系噪声、宇宙射线等。可以说整个宇宙空间都是产生自然噪声的来源。,（1）自然噪声,（2）人为噪声,人为噪声是指人类活动所产生的对通信造成干扰的各种噪声。其中包括工业噪声和无线电噪声。工业噪声来源于各种电气设备，如开关接触噪声、工业的点火辐射及荧光灯干扰等。无线电噪声来源于各种无线电发射机，如外台干扰、宽带干扰等。,内部噪声是指通信设备本身产生的各种噪声。它来源于通信设备的各种电子器件、传输线、天线等。,（3）内部噪声,无线信道的噪声,它主要来自于通信设备中有源器件，如电子管、晶体管及各类大规模集成电路中的载流子的起伏变化而产生。其特点与无源噪声类似。它与无源白噪声的唯一差异是在一定激发条件下才产生大量电子发射而形成。,有源霰弹噪声,它主要来自于一切无源器件，如电阻、电容、电路板的分子热运动所引起的噪声。,无源热噪声,内部噪声又可分为两类：,无线信道的噪声,移动通信中的噪声,影响移动通信性能的噪声主要是加性高斯白噪声(AWGN),这并非移动通信所特有，这在大多数通信系统中都存在，其主要来源是热噪声。,移动通信中的干扰,若频率管理或系统设计不当,就会造成同频干扰；在移动通信系统中，为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用相同的频率，这称为同信道复用。采用同频复用时，同频复用距离设置不当，会引起同频干扰。,1.同频干扰,引起的原因：,指相同载频电台之间的干扰。,2. 邻频干扰,是指相邻的或邻近的频道之间的干扰。,由于发射机的调制边带扩展和边带噪声辐射，离基站近的第K1频道的MS强信号干扰离基站远的第K频道的MS弱信号；共信道干扰，即干扰分量落在被干扰接收机带内。,引起的原因：,移动通信中的干扰,由传输信道中的非线性电路产生的。它指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生同有用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。,互调干扰的一个通式：,3.互调干扰,若m+n=2时，称为二阶互调干扰；若m+n=3时，称为三阶互调干扰；三阶互调干扰的危害性较严重。,移动通信中的干扰,4. 多径干扰,多径干扰主要是由于电波传播的开放性和地理环境的复杂性而引起的多条传播路径之间的相互干扰。它实质上是一类自干扰。在数字与数据通信情况下，主要表现为码间干扰及高速数据的符号间干扰。,多径干扰的强度取决于多径时延宽度与码元宽度的比值，而不是受干扰的绝对值。这一结论对符号干扰也是一样的。抗多径干扰的主要技术有均衡技术、RAKE接收等。,移动通信中的干扰,5.