第2章--无线移动信道

第2章无线移动信道，本章主要内容如下。 无线移动信道的特性和必要的基本知识。 无线环境下的噪声和干扰。 电磁波和无线电频谱的基本概念。 介绍电波传播环境。 电波传播的基本机理主要介绍直射、反射、折射、衍射的基本原理。 阴影效应和多径效应着重分析了多普勒效应、多径信道描述方法和多径接收信号的特征。 移动信道传播损耗预测模型。 2.1无线移动信道的特性；2.1.1无线移动信道和无线信号无线移动信道不同于有线信道，它们具有固定、不可预见、强的随机性，并且属于时变信道。 1 .无线移动信道的损失，自由空间传播损失。 投下影子。 多径衰落。 移动信道的主要特征是多径衰落。 2 .小尺度衰落和大尺度衰落，在几十倍波长的范围内，通常具有在几个波长或短时间(微秒电平)内接收信号的电场强度的瞬时值急速变化的特征，这是多路径衰落引起的，也称为快衰落在一些文献中，这种衰退被称为小尺度衰退。 如果在几十倍的波长范围内对信号进行平均，则可以获得短区间的中心值。 在数百倍波长的区间，通常在数百米或数千米的范围内，信号短的区间的中心值也有缓慢变动的特征，这就是阴影的衰退。 如果在较大区间中对较短区间的中心值进行平均，则可以获得较长区间的中心值。 长区间的中心值根据距基站的位置而变化，距离越远衰减越大，称为传输损耗。 和引起的衰退被称为大尺度衰退。 另外，2.1.2无线信号的描述、1 .信号强度的表现方法(1)dBW、dBmdBW和dBm是表示功率的绝对值的值，也可以认为是以1W和1mW的功率作为基准的比率。 该计算公式被定义为以下两个参数的对数单元： p (DBM )=10log p (MW )/(1MW ) p (dbw )=10log p (w )/(1w ) ，(2)分贝，分贝(db )或两个参数(例如，功率、电压、电流)之间的比率，并表现两个物理量的相对大小关系。 如果两个功率之比为KP，则两个功率之比的分贝值为10lgKP(dB )。 两个电压(或电流)之比为KV，考虑到P=U2/R，两个电压(或电流)之比的分贝值为20lgKV(dB )。 (3)dBmV和dbv、dBmV和dbv是表示电压的绝对值的值，也可以考虑以1mV和1v的电压为基准的比率。 在天线增益显示方法中，在输入功率相等的条件下，天线增益的显示方法包括： 在使接收点电场强度相同的情况下，也能够定义为无方向性的理想的点源天线所需的输入功率与被测定天线所需的输入功率之比. 对于同一天线，如果参考准则不同，那么所获得的增益系数不同。 在设参考基准是全向天线的情况下获得的增益系数用Gi表示，在设参考基准是偶极的情况下获得的增益系数用Gd表示，并且用分贝(dBi )和dBd表示。 dBi和dBd是表示天线增益的值(功率增益)，它们都是相对值。 另一方面，如果用于表示相同的天线增益，用dBd表示的值比用dBd表示的值大2.15dB，即，0dBd=2.15dBi。 3 .相等的全向发射功率(EIRP )和相等的全向发射功率(EIRP )被定义为供应天线的功率与给定方向上用于无向天线的增益的乘积，并且表示由发射机获得的最大天线增益方向上的最大传输功率。 (2-7)由dBW表示发射功率，由LT表示馈送损耗，由GT表示天线增益，由(2-6)表示来自天线的等效全向发射功率(EIRP )，由dBW表示发射功率(PT )，由dB表示馈送损耗(LT )和天线增益(GT )，由dBm表示发射功率(PT )，由LT表示馈送损耗(LT )和天线增益(GT )无线电接收器的敏感度可了解无线电接收器对输入无线电波的响应程度。 2.2无线环境下的噪声和干扰以及噪声是与信号无关的破坏性因素，如工业噪声、交流噪声、脉冲噪声银河噪声、大气噪声和太阳噪声另外，干扰是与信号有关的破坏性的部件。 例如，间码元干扰、Co-channelinterference、Adjacentchannelinterference、Jamminginterference、军事通信和雷达系统中目标干扰等各种人为的有意干扰等2.2.1噪音、噪音分为内部噪音和外部噪音。 内部噪声是主要在系统设备之间产生的各种噪声。 外部噪声包括自然噪声和人工噪声。 另外，2.2.2干扰，1 .相同频率干扰或者相同频率的无用信号对相同频率的有用信号接收机造成的干扰称为相同频率干扰。 在移动通信系统中，为了提高频谱利用率，在蜂窝系统中采用频率复用技术，频率复用的无线小区越远，则同频干扰越小，频率利用率变低。 2 .相邻频率干扰和相邻频率干扰是由于相邻或相邻频率之间的干扰，由于不理想的接收滤波器导致的一种干扰，即，相邻频率信号掉落在接收机的通带内。 当附近用户离用户接收机很近的位置发送信号时，会产生透视效果。 3 .互调制干扰和互调制干扰指的是两个或更多个不同的频率信号对通信设备的非线性设备进行操作，从而产生接近有用信号频率的组合频率，一旦新频率恰好落在接收机公共信道带宽之内，这些对接收机的干扰就称为互调制干扰。 互调干扰主要有三种。 发射机相互干扰。 接收机相互干扰。 外部效应引起的互调。 4 .其他干扰，干扰。 槽干扰和导线间干扰。 2.3电磁波和无线电频谱，1 .电磁波的基本概念电磁波是人类远程实时传输和接收信息的主要载波之一。 从电磁感应的原理可以看出，交变电场产生磁场，交变磁场产生电场，变化的电场和磁场相互连接，相互依存，相互转化。 作为场能量存在于空间中的电场能量和磁场能量以一定的周期不断变化，形成具有一定能量的电磁场。 交变的电磁场不仅能够在电荷、电流和导体的周围传播，还能够远离其产生的波动源传播。 在这种空间或介质中波动传播的交变电磁场称为电磁波。 2 .电磁波的频率划分、电磁波的频率范围宽，可从零到无限大。 为了便于使用，将电磁波频谱根据其特性和传播特性分为不同的频带，将频率在3000GHz以下的电磁波称为电波，也简称为电波。 电磁波的特性因波段而异。 3 .电磁波谱特性、电磁波谱是有限的自然资源，与其他自然资源相比有很多不同的特性。 (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)频谱资源的易污染性(5)频谱资源的共享性、2.4无线电波传播环境、1 .大气层次特性环绕地球的大气通常分为对流层、同温层(平流层)、电离层和磁球层4个层次。 图2-4大气层，2 .地球表面及其复盖物，地球表面(即地面)及其复盖物是影响电波传播的重要因素之一。 地面及其复盖物可引起电波反射、散射、衍射等效应，这些传播现象与地面复盖物类型、地面电磁特性和地形粗糙度密切相关。在无线通信中，经常是应该考虑由地形和图形引起的电波干扰的重要问题。 地面通信和地面通信，特别是地面通信，地面复盖的影响是不可忽视的要素。 3 .地面一般特性、地面地形特性、环境特性和地面复盖物特性与电波传播密切相关，对于不同的地面和环境，必须采用不同的传播模型。 2.5无线电波传播机制，2.5.1直射日光的传播应用理想的传播条件进行分析。 即，若假定天线周围是无限大真空区，则也称为自由空间。 在这种理想空间中，电磁波的能量不被障碍物吸收，也没有电磁波的反射、折射、衍射、色散、吸收等现象，电磁波的传播速度等于真空中的光速。 1 .自由空间的特征，自由空间作为理想空间具有以下特征： 拥有均匀无损的无穷大空间。 各向同性均匀的介质。 相对介电常数和相对磁导率始终为1。 2 .自由空间传播损耗和电磁场理论表明，电磁波在自由空间中传播，但电磁波在路径中传播时，能量因能量扩散而衰减。 传输损耗(Lf )或系统损耗定义为发射功率Pt与接收功率Pr之比。 当从方程(2-17 )获得的传输损耗的方程由dB表示时，在方程(2-18 )中，距离d可以由km为单位表示，频率f可以由MHz为单位表示。 可将所接收功率表示为2.5.2反射率，其中，当遇到远大于所述波长的物体时所述电磁波被反射。 电磁波的反射会在诸如地球表面、建筑物、墙壁表面等各种物体的界面处发生。 物体界面即反射界面既有规则也有不规则；可能光滑，也可能粗糙。 反射是产生多径衰落的因素。 1 .光滑表面的反射2 .二径传播模型实际上在传播环境中移动非常复杂，在简化的条件下，地面电波二径传播模型如图2-6所示。 该模型适用于基站天线高度超过50米、数千米范围内的信号强度预测，也适用于城市视距范围内的微小区环境。 图2-6双径传播模型、2.5.3折射、1 .折射的基本概念电磁波从一个介质入射到另一个介质时，传播方向发生变化，这就是折射现象。 2 .大气折射3 .视线传播极限距离，2.5.4衍射，在实际的移动通信环境中，在发射与接收之间的传播路径上存在丘、建筑物、树木等各种障碍物，在电波被尖锐的边缘切断时发生衍射，由此引起的电波传播损失称为衍射损失。 菲涅耳区的概念、衍射现象可以用惠更斯菲涅耳的原理来解释。 即，在波传播过程中，正在进行的波面(面)上的所有点都可以作为产生二次波的点源，将这些二次波组合起来形成传播方向的新的波面(面)。 衍射是通过二次波的传播进入阴影区域而形成的。 如图2图9所示，摄影区域的衍射波的电场强度是包围遮蔽物的所有二次波的矢量和。 图2-9虹膜原理，2 .刃状衍射模型，障碍物为单一物体，障碍物的宽度比其高度小，称为刃状障碍物。 刃状障碍物对电波传播的影响模式如图2-11所示。 此外，在图2-11菲涅耳馀隙定义、2.5.5散射和实际迁移环境中，所接收信号强于单次衍射和反射模型预测。 散射波发生在粗糙的表面、小物体或不规则的物体(如叶子、街道标志和街灯柱)上，从而引起散射。 反射能量通过散射而在各个方向上扩散，散射向接收机提供额外的能量。 2.6摄影效果，电波传播被建筑物等阻碍，形成电波影区，影区的电场强度减弱的现象叫做摄影效果。 由接收天线中的电场强度值的变化引起的衰落被称为阴影衰落。 由于这种衰落的变化速度慢，也称为慢衰落。慢衰落的速度主要确定传播环境，即，移动站周围的地形、山丘的起伏、建筑物的分布和高度、街道方向、基站天线的位置和高度、移动站的行进速度，而与频率无关。 低速衰落的深度、即接收信号的局部的值电平的变化的大小取决于信号频率和周围的环境。 2.7多径效应，电波的主要传播类型是直射、反射、衍射等。 由于移动站所处的地理环境的复杂性，所以接收侧的信号不仅包括直接波的主路径信号，还包括从不同的建筑物反射并衍射的多个不同路径的信号，当它们到达时，信号强度、时间和载波相位是不同的。 在接收侧接收的信号是每个路径信号的矢量和。 不同相位的多个信号在接收侧叠加，有时在同相叠加并增强，在反相叠加并衰减。 以此方式，所接收信号的振幅可急剧变化且可发生达到- 30db的深衰落。 通常，由这种多路径现象引起的干扰称为多路径干扰或者多路径效应，所产生的衰落称为多路径衰落。 如图2-13所示，通过移动站的高速移动站引起的2.7.1多普勒效应、2.7.1多普勒效应和扩展传播信号频率被称为多普勒效应。 在图2-14中，多普勒效应(即，多普勒频率fd )与移动站的运动速度成比例，即，多普勒频率fd是移动站的速度，传播信号的波长是移动站行进的方向和入射波的角度。 当移动台的移动方向与入射波一致时，最大多普勒频率位移。 多普勒频率fd是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重要特性，其可以用于比较不同通信系统的性能，其中，无线移动通信系统的多径信道和无线信道的冲激响应之间存在直接关系移动无线信道可以被建模为具有时变脉冲响应特性的线性滤波器，信号的滤波特性是根据在任何时间点到达的多径波，其振幅与延迟的和影响信道滤波器特性。 2 .多径信道的主要参数；(1)多径延迟扩展和相关带宽；(2)多普勒扩展和相干时间；2.7.3多径接收信号分析接收侧接收的信号是时变信号，其不是固定的且不可预见的，具有强的随机特性。 在移动通信系统的分析中，将讨论经常被用于接收侧信号包络的统计时变特性中的瑞利分布和无损分布。 2 .衰落特征量；(1)衰落速率(2)级别通过率(3)衰落持续时间；2.8移动信道传播损耗预测模型工程实践中大量使用统计模型。 2.8.1Okumura模型，1 .中起伏地面市区的传播损失的中央值在计算各种地形、地物的传播损失时，以中起伏地面市区的损失中央值或电场强度中央值为基准，因此将其称为基准中央值或基本中央值。 给定基站的天线增益系数和移动站的天线增益系数，中等起伏的陆地区的实际传播损耗(LT )是LT=Lf Am(f，d)Hb(hb，d)Hm(hm，f )，2 .郊区和开放区的传播损耗的中值，因为郊区的建筑物通常是分布式的且较低的，所以无线电波传播条件优于市区。 郊区传播损失的中值小于市区传播损失的中值。 3 .不规则地形上的传播损失中值，在实际传播环境中，还需要考虑以下地形，为了修正传播损失预测模型，其分析方法与前面相似，