无线移动通信信道

移动通信技术,阳旭艳,2,2020/6/7,无线电波频谱划分,3,2020/6/7,3.1概述,移动通信信道:基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径无线电波传播方式:直射、反射、绕射和散射以及它们的合成衰落:接收端信号幅度的随机起伏变化现象。电波传播的基本特性即移动信道的基本特性衰落特性衰落的原因:复杂的无线电波传播环境衰落的表现传播损耗和弥散阴影衰落多径衰落多普勒频移研究无线移动通信信道的基本方法：理论分析。用电磁场理论和统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用数学模型来描述移动信道。现场电波实测。在不同的传播环境中，做电波实测实验，验证和校正理论分析结果。,4,2020/6/7,传播途径,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）,5,2020/6/7,直射：自由空间传播；反射：在电波传播的路径上有一个体积远大于电波波长的物体，电波不能绕射过该物体；绕射：在发射机与接收机之间有边缘光滑且不规则的阻挡物体，该物体的尺寸与电波波长接近，电波可以从该物体的边缘绕射过去；衍射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生衍射。衍射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等,传播途径,几乎任何一次通信的过程，都是这多种传播方式的组合,6,2020/6/7,3.2自由空间的无线电传播,三种基本电波的传播机制,7,2020/6/7,传播环境,建筑物反射波绕射波直达波地面反射波,8,2020/6/7,无线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、材料特性该区域植被特征天气状况自然和人为的电磁噪声状况,传播环境,9,2020/6/7,传播环境,地形结构开阔区平滑地形丘陵地形山区,人为环境市区郊区准郊区乡村地区,10,2020/6/7,信号衰落,慢衰落在几十个波长的长度上呈现比较慢的变化趋势、快衰落则是叠加在其上的快变化成分,11,2020/6/7,2.5移动通信信道的三大损耗,2.5.1路径损耗俗称路损2.5.2慢衰落损耗俗称慢衰2.5.3快衰落损耗俗称快衰,12,2020/6/7,3.2自由空间的无线电传播,自由空间传播是指在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，电波传播不发生反射、绕射、散射和吸收现象，只存在由电磁波能量扩散而引起的传播损耗。,若以分贝表示，则有,13,2020/6/7,传播损耗,准平滑地形及不规则地形传播损耗准平滑地形:表面起伏平缓，起伏高度小于等于20米的地形不规则地形:除了准平滑地形之外的其余地形，可按状态分为：丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形、水陆混合地形等,14,2020/6/7,3.2.1理想介质表面的反射,反射：当电波传播过程中遇到两种不同介质的光滑界面时，会发生反射。反射系数（R）入射波与反射波的比值为入射角式中(垂直极化）（水平极化）而其中，为介电常数，为电导率，为波长。,15,2020/6/7,传播损耗,绕射损耗特点电磁波在绕射点四处扩散绕射波覆盖除障碍物外的所有方向扩散损耗最为严重计算公式复杂，随不同绕射常数变化,16,2020/6/7,传播损耗,穿透损耗室内信号取决于建筑物的穿透损耗室内窗口处与室内中部信号差别较大建筑物材质对穿透损耗影响较大电磁波的入射角对穿透损耗影响较大,电磁波穿透墙体的反射和折射,17,2020/6/7,传播损耗,建筑物穿透损耗物体阻挡/穿透损耗为：隔墙阻挡：520dB楼层阻挡：20dB室内损耗值是楼层高度的函数，-1.9dB/层家具和其它障碍物的阻挡：215dB厚玻璃：610dB火车车厢的穿透损耗为：1530dB电梯的穿透损耗：30dB左右茂密树叶损耗：10dB,18,2020/6/7,传播损耗,反射损耗,19,2020/6/7,3.5电波传播损耗预测模型,在移动通信系统中，当移动台和基站的距离逐渐增加时，所收到的信号会越来越弱，原因是发生了路径损耗，路径损耗不仅与载频频率、传播距离有关，而且还与传播地形和地貌有关。自由空间是指相对介电常数和相对导磁率均为一个均匀介质所存在的空间，它是一个理想的无限大的空间，是为了简化问题的研究而提出的一种科学的抽象，在自由空间的传播衰落可不考虑其它衰落因素，仅考虑因能量的扩散而引起的损耗。然而在实际上电波还要受到诸如平地面的吸收、反射和曲率地面的绕射以及地面上的覆盖物等传输损耗的影响，因而需要采取更为复杂的传输模型。,20,2020/6/7,中兴通讯NC教育管理中心,移动传播的衰落,阴影效应：它是由于电波传播路径上的障碍物的阻挡而产生的损耗。当电波传播路径上遇到高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，就会使接收场强的中值发生变化阴影衰落（慢衰落）：当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，其局部中值电平随地点、时间以及移动台速度做比较平缓的变化，称为慢衰落。服从对数正态分布，是由于地形地貌引起的衰落,21,2020/6/7,中兴通讯NC教育管理中心,移动传播的衰落,多径传播：收发之间是非视距无线传播路径，无线电波通过反射、绕射和散射等传播途径建立收发的无线链路，在接收端，平面波将从各个不同方向并以不同的延迟时间到达，这种特性称为多径传播，即通过多条传播路径到来的平面波在接收天线处进行矢量叠加产生一个合成接收信号多径衰落：由于多径传播引起的衰落。接收处合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰落。服从瑞利分布,22,2020/6/7,信号衰落,抗快衰落措施分集时间分集符号交织、检错、纠错编码空间分集采用主、分集天线接收。主、分集天线的接收信号不具有同时衰减的特性。基站接收机对一定时间范围内不同时延信号的均衡能力也是一种空间分集的形式。频率分集GSM通信采用跳频,23,2020/6/7,2.6移动通信的四大效应,2.6.1阴影效应阳光不能普照2.6.2远近效应CMDA特有的效应2.6.3多径效应路太多也非好事2.6.4多普勒效应你跑的太快了，我跟不上,24,2020/6/7,阴影效应阳光不能普照,移动通信中建筑物等的阻挡所引起的阴影效应。,25,2020/6/7,远近效应CMDA特有的效应,CDMA中离基站距离较近的小区中心，用户接收到的基站信号就比较强。,26,2020/6/7,多径效应路太多也非好事,通过不同的路径到达接收端的信号，无论是在信号的幅度，还是在到达接收端的时间以及载波相位上都不尽相同。,27,2020/6/7,多普勒效应你跑的太快了，我跟不上,移动台的运动速度太快了，所引起的频率扩散的效应就是多普勒频移。,28,2020/6/7,中兴通讯NC教育管理中心,多普勒频移,多普勒频移：由于波源和接收者之间存在着相互运动而造成接收者接收到的频率和波源发出的频率之间发生变化快速运动的移动台会产生多普勒频移现象，这是因为在移动台高速运动时接收和发送信号将导致信号频率发生偏移而引起的干扰。接收机收到的信号频率将与发射机发出的信号频率之间产生一个差值,29,2020/6/7,多普勒频移,以固定速度v运动的移动台，所接收的载波发生的多普勒频移为：是第n条路径上的平面波的多普勒频移是最大多普勒频移是载波频率,30,2020/6/7,中兴通讯NC教育管理中心,多普勒频移,f收cvf发vf发f移f发发射机发出信号频率f收接收机接收信号频率v发射机与接收机相对运动速度信号波长c电磁波传播速度，3108米秒f移多普勒频移当接收机与发射机之间以每秒一个波长的速度做相对运动时，所产生的多普勒频移为多少？f移v，所以产生的多普勒频移为1Hz,31,2020/6/7,3.5电波传播损耗预测模型,目的掌握基站周围所有地点处接收信号的平均强度及变化特点，以便为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础。方法根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型，在此基础上对模型进行校正，使其更加接近实际，更准确确定传播环境的主要因素自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性该地区的植被特征天气状况自然和人为的电磁噪声状况系统的工作频率和移动台运动等因素本节内容室外传播模型室内传播模型传播模型校正,32,2020/6/7,室外传播模型,常用的几种室外电波传播损耗预测模型Okumura模型和Okumura-Hata模型广泛使用的一种适用于宏蜂窝的中值路径损耗预测的传播模型。COST231Hata模型CCIR模型LEE模型COST231Walfisch-Ikegami模型,33,2020/6/7,准平滑地形表面起伏平缓，起伏高度小于等于20米的地形不规则地形除了准平滑地形之外的其余地形，可按状态分为：丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形、水陆混合地形等,地形分类,34,2020/6/7,根据地物分布的稠密程度，可将地物分成下列三类：(1)开阔地在电波传播的方向上无高大树木、建筑物等障碍物，地面呈开阔状态一般定义为在电波传播方向300一400m以内无障碍物的开阔原野为开阔地。(2)郊区地移动台附近处有障碍物但不稠密的地区，如树木、房屋稀少的田园地带和郊区公路网地区等。(3)市区指有两层以上建筑物的稠密地区，如城市区、大的街道以及建筑物和茂盛而稠密的高大树木混杂的地区等。对于建筑物及隧道内部的场强分布要另外加以考虑。,地物分类,35,2020/6/7,一、Okumura模型和Okumura-Hata模型,适用范围：频率范围f:1501500MHz基站天线高度hb:30200m移动台高度hm:110m距离d:120km,宏蜂窝模型基站天线高度高于周围建筑物1km以内预测不适用频率超过1500MHz以上时不适用,36,2020/6/7,Okumura模型,其中，Lbs-自由空间传播损耗；Am(f,d)-准平滑地形大城市基本衰耗中值，查图；Hb(hb,d)-基站天线高度增益因子，查图2；Hm(hm,f)-移动台天线高度增益因子，查图3。,市区准平滑地形传播损耗中值：,图,37,2020/6/7,Okumura模型,天线高度修正因子,图,图3,38,2020/6/7,在计算任意地形、地物的情况下的电波传播衰耗中值时，可用下式：式中，为准平滑地形的市区衰耗中值，为地形、地物修正因子。,任意地形、地物的传播损耗中值,Okumura模型,其中，Kmr郊区修正因子，Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值；Kjs孤立山岳修正因子；Ksp斜坡地形修正因子；KS水陆混合路径修正因子,39,2020/6/7,40,2020/6/7,41,2020/6/7,42,2020/6/7,43,2020/6/7,图216水陆混合地形示意图,44,2020/6/7,图217水陆混合地形修正值曲线图,45,2020/6/7,46,2020/6/7,2,47,2020/6/7,孤立山川地形的修正因子,在使用450MHz，900MHz频段，山岳高度H=110-350m时，基本衰耗中值与实测的衰耗中值的差值，并归一化为H=200m时的值，即孤立山岳修正因子kjs。kjs亦为增益因子。当山岳高度不等于200m时，查得的kjs值还需乘以一个系数d1:发射台至山顶的水平距离；d2：山顶至移动台的水平距离；,48,2020/6/7,计算方法,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式中：Kmr：郊区修正因子；Q0，Qr：开阔区，准开阔区修正因子；Kh，Khf：丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值；Kjs：孤立山丘地形修正因子；Ksp：斜坡地形修正因子；Ks：水路混合地形修正因子根据实际的地形地物情况，KT因子可能只有其中的某几项或为零。,49,2020/6/7,例某一移动信道，工作频段为450MHz，基站天线高度为50m，天线增益为6dB，移动台天线高度为3m，天线增益为0dB；在市区工作，传播路径为准平滑地，通信距离为10km。试求：(1)传播路径损耗中值；(2)若基站发射机送至天线的信号功率为10W，求移动台天线得到的信号功率中值。,例题,50,2020/6/7,解(1)根据已知条件，KT=0,分别计算如下：自由空间传播损耗,由图1,2,3查得,(2)市区准平滑地形接收信号的功率中值,51,2020/6/7,例2若上题改为郊区工作，传播路径是正斜坡，且m=15mrad,其它条件不变。再求传播路径损耗中值及接收信号功率中值。解：,52,2020/6/7,Okumura-Hata模型,路径损耗计算的经验公式式中工作频率（MHz）基站天线有效高度（m)移动台天线有效高度（m)d基站天线和移动台天线之间的水平距离（km）有效天线修正因子，是移动台天线有效高度的函数小区类型校正因子地形校正因子，反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响,53,2020/6/7,例：某一移动通信系统组网，传播环境为准平滑地形，城市，工作频段为450MHz，基站天线高度为30m，移动台天线高度为1.5m，通信距离为10km，试预测基站与移动台之间的路径传播损耗中值。解：方法Okumura模型第一步，计算自由空间损耗LbsLbs32.45+20lgd+20lgf=32.45+20lg10+20lg450=105.5dB第二步，由图查出：Am（450，10）=27.5dB第三步，由图查出