移动通信第2章--无线移动信道

第2章无线移动信道,1、教学内容,无线环境下的噪声与干扰；电磁波与无线电频谱的基本概念；无线电波传输环境介绍；无线电波传播基本机制；阴影效应和多径效应；移动信道传播损耗预测模型。,2、教学基本要求,熟悉无线移动信道特性及所需基本知识；掌握无线环境下的噪声与干扰；掌握电磁波与无线电频谱的基本概念；了解无线电波传输环境；,了解无线电波传播基本机制，直射、反射、折射、绕射的基本原理；掌握阴影效应和多径效应；掌握多普勒效应、多径信道描述方法、多径接收信号的特点；了解移动信道传播损耗预测模型。,3、重点、难点,掌握无线环境下的噪声与干扰；掌握阴影效应和多径效应；掌握多普勒效应、多径信道描述方法、多径接收信号的特点。,2.1无线移动信道特性,2.1.1无线移动信道对无线电信号的影响移动通信系统的性能主要取决于信号通过无线移动信道的能力。通常将信道分为恒参信道和变参信道。,恒参信道的传输特性的变化量极微小且变化速度极慢。变参信道的传输特性随时间的变化较快。无线移动信道属于典型的变参信道。,无线移动信道分类如下。按引起衰减的类型分类，主要分为3种类型：自由空间传播损耗阴影衰落多径衰落,按照传统的传输模型分类：大尺度衰落模型小尺度衰落模型,1无线移动信道的损耗,（1）自由空间传播损耗与弥散。（2）阴影衰落。（3）多径衰落。移动信道的主要特征是多径衰落。,图2-1给出了典型的实测接收信号场强变化图。,图2-1接收信号场强变化图,2小尺度衰落和大尺度衰落,（1）小尺度衰落：在数十倍波长的范围内，通常几个波长或短时间（微秒级）内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征，这是由多径衰落引起的，又称为快衰落。有些文献称这种衰落为。在数十倍波长范围内对信号求平均，可得到短区间中心值。,基于多径时延扩展，将小尺度衰落分为平坦衰落和频率选择性衰落。基于多普勒扩展，小尺度衰落也被分为快衰落和慢衰落。,（2）大尺度衰落包括：在数百倍波长的区间内，通常几百米或几千米范围内，信号的短区间中心值也出现缓慢变动的特征，这就是阴影衰落。在较大区间内对短区间中心值求平均，可得长区间中心值。,长区间中心值随距离基站的位置变化而变化，距离越远，衰减越大，也称为传输损耗。,2.1.2与无线移动信道相关的基本概念,1信号强度的表示方法（1）dBW和dBmdBW和dBm都是表征功率绝对值的值，也可以认为以1W和1mW功率为基准的一个比值。,计算公式为P(dBm)10logP(mW)/(1mW)（2-1）P(dBW)10logP(W)/(1W)（2-2）,（2）分贝,分贝（dB）定义为两个参数（如功率、电压、电流）之比的对数单位，用来表征两个物理量的相对大小关系。,（3）dBmV和dBV,dBmV和dBV都是表征电压绝对值的值，也可以认为以1mV和1V电压为基准的一个比值。,计算公式为U（dBmV）20logU（mV）/（1mV）（2-3）U（dBV）20logU（V）/（1V）（2-4）,（4）负载R两端电压与电阻上的功率P的换算关系,假定电压单位为dBV，功率单位为dBm，负载R两端电压与电阻上的功率P的换算关系为P=U2/R。P(mW)103=U(V)1012/R,两边取对数得P(dBm)=U(dBV)9010lgR（2-5）在PHS系统中，其天馈阻抗为50，P(dBm)=U(dBV)107。,2天线增益的表示方法,天线增益是指在输入功率相等的条件下，实际天线与无方向性理想点源天线在空间同一点处所产生的信号功率密度之比。,也可以定义为：使接收点场强相同时，无方向性的理想点源天线所需的输入功率与被测天线所需的输入功率之比。,参考基准为全方向性天线时得到的增益系数为Gi。参考基准为偶极子时得到的增益系数为Gd，用分贝表示为dBi和dBd。,dBi和dBd是表示天线增益的值（功率增益），两者都是一个相对值。通常用于表示同一个天线增益时，用dBi表示出来的数值比用dBd表示出来的数值要大2.15dB，即0dBd=2.15dBi。,3等效全向辐射功率,等效全向辐射功率（EIRP）定义为供给天线的功率和在给定的方向上相对于无方向天线的增益的乘积，表示发射机获得的在最大天线增益方向上的最大发射功率。,设发射机功率为PT，馈线损耗为LT，天线增益为GT，天线发出的等效全向辐射功率（EIRP）为（2-6）,若发射机功率（PT）用dBW表示，馈线损耗（LT）和天线增益（GT）用dB表示，则有（2-7）,若发射机功率（PT）用dBm表示，馈线损耗（LT）和天线增益（GT）用dB表示，则有（2-8）,4灵敏度,灵敏度是衡量物理仪器的一个标志。GSM接收机的灵敏度要求接收到的信号为102dBm时，误码率（BER）要小于等于2.44%。,CDMA2000接收机的灵敏度要求接收到的信号为104dBm时，误帧率（FER）要小于等于0.5%。,2.2无线环境下的噪声与干扰,在无线通信中，承载信息的传输手段为电磁波信号，电磁波信号在传输过程中不可避免地要受到噪声或干扰的破坏。,噪声是指与信号无关的一些破坏性因素。干扰（Interference）则是指与信号有关的一些破坏性因素。,2.1.1噪声,噪声：分为内部噪声和外部噪声。内部噪声主要是指系统设备自身间产生的各种噪声。,外部噪声包括自然噪声和人为噪声。外部噪声对通信质量影响较大。美国国际电话电报公司发布的各种噪声的功率与频率的关系如图2-2所示。,图2-2各种噪声的功率与频率的关系,图2-2中给出6种噪声的功率与频率的关系，除典型的接收机内部噪声外，其余5种均为外部噪声。,当工作频率在100MHz以上时，大气噪声和宇宙噪声都比接收机内部噪声小，可忽略不计。,在301000MHz频段，人为噪声较大，尤其是城市噪声影响较大，在移动通信系统设计时不能忽略。,2.1.2干扰,移动通信系统中的干扰是指终端自身产生的干扰、终端间和终端与基站间的相互干扰。一般包括同频干扰、邻频干扰、互调干扰、阻塞干扰和带外干扰等。,1同频干扰,由相同频率的无用信号对同频有用信号接收机造成的干扰称为同频干扰，也称为共道干扰。,2邻频干扰,邻频干扰是指相邻的或邻近的频率之间的干扰，是由于接收滤波器不理想，导致邻频信号落入接收机通带内所造成的干扰。,下面介绍引起邻频干扰的简单原理，假设单音调频波为（2-9）,将式（2-9）按级数展开合并运算后可写为,（2-10）,式中，是n和的函数，称为的第一类n阶贝塞尔函数，其值可查表或查曲线得到。,由式（2-10）可见，调频波具有无限多对边频分量，用频谱表示出来，如图2-3所示。,图2-3调频波频谱,调频波的频带宽度为无限大，但当n4后，幅度将越来越小。边频分量落入邻道接收机的通带内将造成干扰。,3互调干扰,互调干扰是指两个或多个不同频率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，如果新频率正好落在接收机共用信道带宽内，则形成对该接收机的干扰，称为互调干扰。,互调干扰主要有3种类型。（1）发射机互调干扰。（2）接收机互调干扰。（3）外部效应引起的互调。,接收机中产生互调干扰的基本原理如下。假定输入回路选择性较差，同时有频率为A、B、C的干扰信号进入接收机，而我们需要的信号频率为0。一般非线性器件的输出电流ic与输入电压u的关系式可用幂级数表示如下：（2-11）,式中，a0，a1，a2，an为非线性器件的特性参数，通常n值越大，系数越小。,将输入信号代入式（2-11），取n=3，展开并观察所含的频率成分，可发现产生的谐波及组合频率如下：,（2-12）,当产生的组合频率与接收信号频率0接近时，将形成对有用信号的干扰，也称为三阶互调干扰，如式（2-12）所示，包括二信号三阶互调和三信号三阶互调。,利用计算机搜索得到具有最小频道数的无三阶互调的频道组，如表2-1所示。,表2-1无三阶互调频道,4其他干扰,（1）阻塞干扰。（2）时隙干扰和码间干扰。,2.3电磁波与无线电频谱,1电磁波的基本概念在空间或媒质中以波动形式传播的交变电磁场，就称为电磁波。,电磁波频率是电磁波在单位时间内重复变化的次数，一般用f表示，单位为Hz（赫）。常用单位：kHz（千赫）、MHz（兆赫）和GHz（吉赫）。,波长是电磁波在单个周期内传播的距离，一般用表示，单位是m（米），常用的单位还有cm（厘米）、mm（毫米）、nm（纳米）。,电磁波的传播速度是电磁波在单位时间内传播的距离，一般用v表示，单位是m/s（米/秒）。,电磁波在自由空间中的传播速度是恒定的，其传播速度为c=3108m/s，即每秒30万千米。,电磁波的频率、波长与速度的关系如下：f=c/（2-13）,2电磁波频率的划分,中华人民共和国无线电频率划分规定把3000GHz以下的电磁频谱（无线电波）按十倍方式划分为14个频带，其频带序号、频带名称、频率范围以及波段名称、波长范围如表2-2所示。,目前陆地移动通信系统的频段范围主要在UHF频段。,表2-2无线电波的频段划分与命名,3电磁波频谱特性,（1）频谱资源的有限性（2）频谱资源的非消耗性（3）频谱资源的三维性（4）频谱资源的易受污染性（5）频谱资源的共享性,2.4无线电波传输环境,1大气层的分层特性包围地球的大气层通常被分为4个层次：对流层、同温层（平流层）、电离层和磁球层，如图2-4所示。,图2-4大气层的分层,电离层以上的大气就是磁球层。陆地移动通信系统中基本不涉及电离层与磁球层的电波传播问题。,（1）对流层。（2）同温层（平流层）。（3）电离层。,2地球表面及其覆盖物,地球表面（即地面）及其覆盖物是影响无线电波传播的重要因素之一。在无线电通信中，地形和地物对无线电波的阻挡也是经常需要考虑的重要问题。,对于卫星通信的地空传播电路，虽然地面地物的影响是不可避免的，但是，与地面通信相比较，卫星通信受地面覆盖物的影响是比较小的。,3地面一般特性,（1）地面类型的划分地面类型一般被分为陆地和水面两种类型。,水面主要包括湖泊和海洋。陆地地形的划分分可分成9类，如表2-3所示。,表2-3陆地地形分类,（2）陆地环境和地貌分类,市区郊区乡村公路开阔区林区,2.5无线电波传播机制,2.5.1直射通常直射波传播按理想的传播条件来进行分析，即假定天线周围为无限大真空区，也称为自由空间。,1自由空间特点,（1）拥有均匀无损耗的无限大空间。（2）各向同性的均匀介质。（3）相对介电常数和相对磁导率恒为1，即介电常数和磁导率分别等于真空的介电常数和真空的磁导率。,2自由空间传播损耗,假设在自由空间中有一个无方向性点源天线作为发射天线，其发射功率为Pt。由于无损耗，点源天线的发射功率均匀分布在以点源天线为球心、半径为d的球面上。,这里d为接收天线与发射天线的距离。设该球面上电波的功率密度为S，发射天线的增益为Gt，则有（2-14）,在球面处的接收天线接收到的功率为Pr=SAr（2-15）,式中，Ar是接收天线的有效接收面积，即投射到Ar上的电磁波功率全部被接收机负载所吸收。,可以推出各向同性天线的有效面积为，进而得到无方向性接收天线的有效接收面积为（2-16）式中，Gr是接收天线增益，是波长。,由式（2-14）、式（2-15）和式（2-16），可得接收功率为（2-17）,传输损耗（Lf）或称系统损耗定义为发送功率Pt与接收功率Pr之比。由式（2-17）可得出传输损耗的表达式为（2-18）,如果用dB表示，式（2-18）可表示为（2-19）式中，距离d以km为单位，频率f以MHz为单位。,接收功率可表示为,如果发射和接收天线增益（Gt和Gr）定义为单位增益，Lf定义为自由空间路径损耗，也称为自由空间基本传输损耗，表示自由空间中两个理想点源天线之间的传输损耗。,本书后面如果没有特别说明，均假定发射和接收天线增益（Gt和Gr）为单位增益。,2.5.2反射,当电磁波遇到比其波长大得多的物体时就会发生反射。,1平滑表面的反射,假定反射表面是平滑的，即所谓理想介质表面。如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来，如图2-5所示。典型介电常数和电导率如表2-4所示。,表2-4典型介电常数和电导率关系表,2两径传播模型,实际移动传播环境是十分复杂的，在简化条件下，地面电波两径传播模型如图2-6所示。,2.5.3折射,1折射的基本概念当电磁波从一种介质射入另一种介质时，传播方向会发生变化，这就是折射现象，如图2-7所示。,图中1是入射波与法线间的夹角，称为入射角；2是折射波与法线间的夹角，称为折射角。,2大气折射,大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0（6.37106m）变成了等效半径Re，Re与R0之间的关系为（2-27）,式中，k称作地球等效半径系数，dn/dh表示大气折射率的垂直梯度。当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于dn/dh。,3视线传播极限距离,视线传播的极限距离可按图2-28进行分析。,2.5.4绕射,在实际的移动通信环境中，发射与接收之间的传播路径上存在山丘、建筑物、树木等各种障碍物，无线电波被尖利的边缘阻挡时会发生绕射，其所引起的电波传播损耗称为绕射损耗。,1菲涅尔区的概念,绕射现象可由惠更斯-菲涅尔原理来解释，即波在传播过程中，行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。,绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和，如图2-9所示。引出菲涅耳区的概念，如图2-10所示。,图2-10菲涅尔区无线路径的横截面,菲涅尔区表示当障碍物阻挡了传输路径时，从发射点到接收点次级波路径长度与直接路径长度差为n/2的连续区域，也即相同相位特性的环形带构成的空间区域，即指所有满足半波长的点构成的一族椭球。,经过推导可得出n阶菲涅尔区同心的半径为（2-34）当n=1时，就得到第一菲涅尔区半径。,2刃形绕射模型,当障碍物是单个物体，且障碍物的宽度与其高度相比很小，称为刃形障碍物。刃形障碍物对电波传播影响示意图如图2-11所示。,图2-11菲涅尔余隙的定义,图2-11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2-11（a）所示；无阻挡时余隙为正，如图2-11（b）所示。,图2-12绕射损耗与余隙关系,由图2-12可见，当x时，附加损耗约为0dB，此时障碍物对直射波传播基本上没有影响；当x=0，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为6dB；当x0时，即直射线低于障碍物顶点时，损耗将急剧增加。2.5.5散射,2.6阴影效应概念,电波传播遇到建筑物等阻挡，形成电波阴影区，阴影区的电场强度减弱的现象称为阴影效应。,接收天线处场强中值的变化引起的衰落，称为阴影衰落。由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。,慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围地形，包括山丘起伏、建筑物的分布与高度、街道走向、基站天线的位置与高度，以及移动台行进速度，而与频率无关。,慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与周围环境。,2.7多径效应,由于多径现象引起的干扰称为多径干扰或多径效应，产生的衰落称为多径衰落。,图2-13多径效应,2.7.1多普勒效应,由于移动台的高速移动而产生的传播信号频率的扩散，称为多普勒效应，如图2-14所示。,多普勒频移表征了时变信道影响信号衰落的衰落节拍，信道随节拍在时域上对信号有不同的选择性，会引起时间选择性衰落，对数字信号的误码性能有明显的影响。,传播信号频率扩散程度与移动台的运动速度成正比，即多普勒频率fd为（2-36）,式中，v是移动台的速度，是传播信号的波长，是移动台前进方向与入射波的夹角。,当移动台运动方向与入射波一致时，最大多普勒频移。多普勒频率fd也可以表示为（2-37）,2.7.2多径信道描述,1多径信道的冲激响应模型冲激响应是信道的一个重要特性，可用于比较不同通信系统的性能，移动无线通信系统的多径信道与无线信道的冲激响应直接相关。,移动无线信道可建模为一个具有时变冲激响应特性的线性滤波器，信号的滤波特性以任一时刻到达的多径波为基础，其幅度与时延之和影响信道滤波特性。,2多径信道的主要参数,（1）多径时延扩展与相关带宽时延扩展（多径时散）假设基站发射一个窄脉冲信号Si（t）=a0(t)，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，脉冲宽度被展宽了，直观上将最大传输时延和最小传输时延的差值称为时延扩展，用表示。,如果发送的窄脉冲宽度为T，则接收信号宽度为T+。这种因多径传播造成信号时间扩展的现象，称为时延扩展，也称为多径时散，如图2-15所示。,图2-15时延扩展示意图,严格意义上的时延扩展根据统计测试结果来进行估测。图2-16为室内环境下，移动通信中接收机接收到多径的时延信号强度和时延的关系曲线。,图2-16多径时延信号强度,图2-16中，最大时延max是当强度下降X=30dB时测定的时延值。,表2-6给出工作频段为450MHz时测得的多径时散参数典型值。时延大小主要取决于地物（如高大建筑物）和地形影响。一般情况下，市区的时延要比郊区大。,表2-6多径时散参数典型值,相关带宽,相关带宽（Bc）是由时延扩展得出的一个确定关系值，频率间隔很小的两个衰落信号存在不同的时延，两个衰落信号的幅度可能有很强的相关性，这样的频率间隔称为相关带宽。,若所传输的信号带宽较宽，以至与相关带宽（Bc）可比拟时，则所传输的信号将产生明显的畸变，称为频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。,假定多径只有两条路径，分析相关带宽的概念，图2-17为双射线信道模型。幅频特性如图2-18所示。,图2-18双射线信道的幅频特性,由图可见，其相邻两个谷点的相位差为（2-44）,由式（2-44）可见，两相邻场强为最小值的频率间隔与相对多径时延差(t)成反比，通常称Bc为多径时散的相关带宽。,多径时延扩展引起的衰落效应,多径效应引起的时延扩展，导致了发送信号产生平坦衰落或频率选择性衰落。平坦衰落频率选择性衰落,（2）多普勒扩展和相干时间,多普勒扩展图2-19给出式（2-53）表示的多普勒效应引起的接收信号的功率谱，fc为发送信号的中心频率。,图2-19多普勒效应扩展示意图,相干时间,相干时间（Tc）定义为多普勒频展的宽度（）的倒数。（2-54）,多普勒扩展引起的衰落效应,根据发送的基带信号与信道变化快慢程度，多普勒扩展引起的频率扩展导致了发送信号产生快衰落或慢衰落。快衰落。慢衰落。,2.7.3多径接收信号分析,1多径接收信号的分布函数描述移动通信系统分析中，对于接收端信号包络统计时变特性常用瑞利分布和莱斯分布进行描述。,（1）瑞利衰落分布,假设基站发射的信号为（2-56）式中，为载波幅值，0为载波角频率，为载波初相。,假设到达接收天线的第i个信号为Si（t），Si（t）与移动台运动方向之间的夹角为i，多普勒频移为式中，v为车速，为波长。,Si（t）可写成（2-57）,式中，到达接收天线的第i个信号Si（t）的振幅为，相移为。,瑞利分布的概率密度函数p（r）与r的关系如图2-20所示。瑞利衰落信号具有如下一些特征。,（2）莱斯衰落,莱斯分布的概率密度表示为（2-65）,式中，A是主信号幅度的峰值，r是衰落信号的包络，为r的方差，是零阶第一类修正贝塞尔函数。,参数K定义为主信号的功率与多径分量方差之比，表示为，用dB表示为（2-66）,图2-21表示莱斯分布的概率密度函数P(r)和接收信号包络电平r的关系图。,2衰落的特征量,（1）衰落速率（2）电平通过率电平通过率的示意图如图2-22所示。,图2-22电平通过率和平均电平持续时间,（3）衰落持续时间,对于瑞利衰落可以求出平均衰落持续时间为（2-74）,式中，是最大多普勒频移；，为信号包络的均方根电平。,2.8移动信道传播损耗预测模型,2.8.1Okumura模型Okumura模型以中等起伏地上市区传播损耗的中值为基准，对于不同的传播环境和地形等影响用校正因子加以修正。,Okumura模型适用范围为频率在1501920MHz（可扩展到3000MHz），发收间距离在1100km范围内，天线高度在301000m之间。,1中等起伏地上市区传播损耗的中值,图2-23给出了典型中等起伏地上市区的基本中值Am（f，d）与频率、距离的关系曲线。随着频率升高和距离增大，市区传播基本损耗中值都将增加。,图2-23典型中等起伏地上市区的基本中值,当移动台天线高度不是3m时，需用移动台天线高度增益因子Hm（hm，f）加以修正，如图2-24所示。图中以hb=200m，hm=3m作为基准（0dB）。,图2-24天线高度增益因子,图2-24天线高度增益因子（续）,图2-24（a）给出了不同通信距离d时，Hb（hb，d）与hb的关系。当hb200m时，Hb（hb，d）0dB；反之，当hb200m时，Hb（hb，d）0dB。,由图2-24（b）可以看出，当hm3m时，Hm（hm，f）0dB；当hm3m时，Hm（hm，f）0dB。当移动台天线高度大于5m以上时，其高度增益因子Hm（hm，f）不仅与天线高度、频率有关，而且还与环境条件有关。,2郊区和开阔地传播损耗的中值,郊区场强中值与基准场强中值之差定义为郊区修正因子，记作Kmr，郊区修正因子与频率和距离的关系如图2-25所示。,图2-25郊区修正因子（Kmr）,开阔地、准开阔地（开阔地与郊区间的过渡区）的场强中值相对于基准场强中值的修正曲线如图2-26所示。Qo表示开阔地修正因子，Qr表示准开阔地修正因子。,图2-26开阔地修正因子（Qo），准开阔地修正因子（Qr）,3不规则地形上传播损耗的中值,（1）丘陵地的修正因子Kh。（2）孤立山岳修正因子Kjs。（3）斜波地形修正因子Ksp。（4）水陆混合路径修正因子KS。,4任意地形地区的传播损耗中值,任意地形地区的传播损耗修正因子KT一般可写成KT=Kmr+Qo+Qr+Kh+Kjs+Ksp+KS（2-78）,根据实际的地形地物情况，KT修正因子可以为其中的某几项，其余为零。,任意地形地区的传播损耗中值L=LTKT（2-79）式中，LT=Lf+Am（f，d）Hb（hb，d）Hm（hm，f）。,2.8.2Okumura-Hata模型,Hata模型是针对由Okumura用图表给出的路径损耗数据的经验公式。其适用范围为fc在1501500MHz内的工作频率。,hb是基站发射机的有效天线高度（高度为30200m）。hm是移动台接收机的有效天线高度（高度为110m）。,d是收发天线之间的距离（范围为110km）。市区的中值路径损耗的标准公式如下，单位为dB。,Lurban=69.55+26.16lgfc13.82lghba（hm）+（44.96.55lghb）lgd（2-80）式中，a（h