第2章--无线移动信道 2

第二章无线移动信道，重点和难点，把握无线移动信道的特点；掌握无线环境中的噪声和干扰；主阴影效应和多径效应；掌握多普勒效应、多径信道描述方法和多径接收信号的特点；掌握奥运村模式。信道是通信系统中传输信号的信道。信道是任何通信系统的重要组成部分。信道、有线信道、无线信道、架空明线电缆光纤、中长地面波传播、短波电离层反射传播、超短波传播和微波直接传播、各种散射传播，根据传输介质，2.1无线移动信道特性、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。根据信道特征参数在各种外部因素影响下的变化速度，将信道分为常参数信道和变参数信道。根据信道特征参数受各种外部因素影响的变化速度，通常分为“常数信道”和“变参数信道”。“恒定参数信道”是指传输特性变化非常小且非常慢的信道。相反，“变参数信道”的传输特性随时间变化很快。无线移动信道是典型的“可变参数信道”。移动通信信道的主要特点是信道的开放性。所有无线信道都以开放的自由空间为传输媒介，具有无限的开放性。发射和接收地理环境的复杂性和多样性发射和接收地理环境可以是具有高层建筑和郊区的繁华市区。以丘陵、湖泊和平原为主的农村地区；屏蔽电磁波的空间，如地铁、隧道、隧道、地下车库和电梯；高速行驶的车辆、火车、轻轨、高铁、飞机、轮船等交通工具。3.用户运动的随机性和用户密度的动态时变用户的运动是随机的，大致有三种运动速度：室内运动、步行运动和高速车辆运动。这也导致了覆盖区域内用户的动态时变密度，三种移动速度对覆盖区域内用户的动态时变密度的影响是不同的。移动通信的科学家和工程师们根据移动通信信道的这些特性不断地采用各种技术，以实现移动通信系统的有效性、可靠性和安全性，这也是测量任何通信系统的基本指标。有效性是指在占用尽可能少的信道资源(如频带、时隙和功率)的情况下，传输尽可能多的信息，这是通信量的指标。可靠性是指在传输过程中抵抗各种自然干扰以实现正确传输的能力。在军事通信中，它还包括抵抗敌人干扰的能力。安全性是指传输过程中的安全性能，即防止窃听、伪造和篡改的能力。2.1.2电磁波和无线电频谱1。电磁波的基本概念是在空间或介质中以波的形式传播的交变电磁场，称为电磁波。电磁波的频率是电磁波在单位时间内重复变化的次数，通常用f表示，单位为赫兹。常用单位：千赫、兆赫和千兆赫。波长是电磁波在一个周期内传播的距离，通常用米来表示，常用的单位是厘米、毫米、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，单位为m/s (m/s)。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米/秒，即每秒30万公里。电磁波的频率、波长和速度之间的关系如下：f=c/。思考：为什么要在通信中进行调制，3。电磁波频谱特性，(1)频谱资源的限制，(2)频谱资源的非消耗，(3)频谱资源的三维性，(4)频谱资源的脆弱性，(5)频谱资源的共享，2020/6/7，湖南科技大学计算机与通信工程系，4。移动通信系统的工作频带。早期的移动通信主要使用甚高频和超高频频段。大容量移动通信系统都使用800兆赫频带(码分多址)，900兆赫频带(安培，TACS，全球移动通信系统)，并开始使用1800兆赫频带(全球移动通信系统1800/1800)，这是用于微蜂窝系统。第三代移动通信使用2GHz频段。2020/6/7，湖南科技大学计算机与通信工程系通信系，抗干扰问题：F增加-外部干扰减少。思考：为什么移动通信的主要工作范围是：甚高频超高频波段？4.移动通信系统的工作频带。该频段适用于移动通信：无线电波不能传播太远，甚高频超高频是视线传输，具有一定的衍射能力(城市建筑遮挡)。天线尺寸：天线的几何尺寸应接近工作波长。/4天线：900MHz为8cm (=c/f)。2020/6/7，湖南科技大学计算机与通信工程系通信系，全球移动通信系统900: 890 915兆赫上行频率935 960兆赫下行频率双工间隔45兆赫，工作带宽25兆赫，载波频率间隔200千赫兹。全球移动通信系统1800: 1710-1785兆赫上行频率1805-1880兆赫下行频率双工间隔为95兆赫，工作带宽为75兆赫，载波频率间隔为200千赫。EGSM 900: 880-915兆赫(上行)925-960兆赫(下行)，1.6移动通信系统工作频带，2020年6月7日，湖南科技大学计算机与通信工程系通信研究室，约150兆赫：约450兆赫用于Bp机，约900兆赫用于集群通信和其他服务，约1800兆赫(双频移动电话):(2)中国移动通信工作频带，1 湖南科技大学计算机与通信工程系通信研究室，1.6移动通信系统工作频段：中国3G工作频段：1920-1923兆赫和2110-2125兆赫：中国电信(CDMA 2000)1880-1900兆赫和2010-2025兆赫：中国移动(TD-SCdma)1940-19-1955兆赫和2130-2145兆赫：中国小灵通于2011年12月在下城推出。该频段分配给时分同步码分多址和中国移动。2300-2400兆赫：中国移动(扩展频带)，2020/6/7，湖南科技大学计算机与通信工程系通信系。除了上述频谱划分之外，国际电联在2000年WARC-92基础油会议上批准了一个新的附加频带806-960兆赫1710-1885兆赫2500-2690兆赫。发射机天线发射的无线电波可以通过不同的路径到达接收机。当频率f 30 MHz时，典型的传播路径如下图所示。从发射天线沿着路径2直接到达接收天线的电波称为直射波，直射波是在视距范围内传播而不被阻挡的无线电波。它是短波和微波的主要传输方式，衰减较小。2.1.3无线电波传播方式，沿路径3波通过地面反射到接收器，称为地面反射波；金鹿4号通过电离层反射发射的电波称为电离层波。反射波是从障碍物和反射器反射后到达接收点的无线电波。中波和短波主要依靠地面和电离层之间反射形成的反射波来传输信号，传播衰减大于直达波。2.1.3无线电波传播模式，路径1波沿地球表面传播，称为地波(衍射波)。衍射波，当无线电波的波长等于障碍物的大小时，无线电波将绕过障碍物向前传播而不反射回来。长波和中波具有很长的波长，可以绕着地球表面的大型建筑和山丘传播，衰减较小。2.1.3无线电波传播模式，I移动通信主要使用直达波和反射波传播，这将在接收信号中产生多径效应。2.1.3无线电波传播模式，无线移动信道分类如下。根据衰减类型，它主要分为三种类型：自由空间传播损耗阴影衰落多径衰落，2.1.3无线移动信道损耗，根据传统传输模型分类：大规模衰落模型小规模衰落模型，1。无线移动信道损耗，(1)自由空间传播损耗和色散(路径传播损耗)。无线电波在空气中传播时由距离因素引起的损耗。当无线电波在理想空间中传播时，电磁波的能量不会被障碍物吸收，也不存在波的反射、折射、衍射、色散和吸收等现象。然而，随着传播距离的增加，电磁能在扩散过程中产生球面波扩散损失。它随着接收点到发射站的距离(大约千米)而变化。在自由空间传播的情况下，接收电平的平均值随着距离的平方而衰减。1。无线移动信道损耗，(2)阴影衰落(慢衰落，大规模衰落)由于无线电波传播遇到建筑物等障碍物，形成无线电波阴影区，阴影区电场强度减弱的现象称为阴影效应。由此产生的下降称为影子下降(长期缓慢下降)。它的振幅遵循对数正态分布。它也被称为大规模衰落，因为直到穿过的阴影长度达到数百个波长，才会有显著的变化。1。无线移动信道的损耗，(3)由于移动传播环境中的多径传输而导致的多径衰落(快速衰落、小规模衰落)。通常，接收信号场强的瞬时值在几个波长或短时间(微秒级)内快速变化，这也称为短期快速衰落。由于导致下跌的移动距离较短，这种下跌也被称为小规模下跌。接收信号电平通常遵循瑞利分布或莱斯分布。(3)多径衰落(快衰落、小尺度衰落)这种衰落也称为选择性衰落，因为它与空间位置和频率有关。它包括空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落，如下表所示。根据不同的衰落特性，可以采用不同的技术来克服它们对移动通信系统性能的影响。图2-1示出了接收信号场强的典型变化图。图2-1接收信号场强变化图，2.1.4与无线移动信道相关的基本概念，1。信号强度表示方法(1)dBW和dBmdBW和dBm都是表示功率绝对值的值，也可以视为基于1W和1mW功率的比值。计算公式为p(DBM)=10 logp(MW)/(1mw)(2-1)p(dBw)=10 logp(w)/(1w)(2-2)，(2)分贝，分贝(db)被定义为两个参数(例如功率、电压、电流)之比的对数单位，并被用来表征两个物理量的相对大小关系。(3)dBmV、dBV,dBmV和DBV都是代表电压绝对值的值，也可以认为是基于1mV和1V电压的比值。计算公式为u(dbmv)=20 logu(mv)/(1mv)(2-3)u(dbv)=20 logu(v)/(1v)(2-4)，(4)负载r上的电压与电阻器上的功率P之间的转换关系，假设电压单位为dbv，功率单位为dBm，负载r上的电压与电阻器上的功率P之间的转换关系为p=U2/r，P (MW) 103=u (v)在PHS系统中，其天线馈电阻抗为50，p (DBM)=u (DBV) 107。2。天线增益的表达方法。天线增益是指在输入功率相等的情况下，实际天线和非定向理想点源天线在空间同一点产生的信号功率密度之比。也可以定义为当接收点的场强相同时，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。参考基准为全向天线时获得的增益系数为Gi。当基准电压为偶极时获得的增益系数为Gd，用分贝表示为dBi和dBd。dBi和dBd是代表通常用于表示同一天线的增益，以dBi表示的值比以dBi表示的值大2.15dB，即0dBd=2.15dBi。等效全向辐射功率(EIRP)定义为提供给天线的功率与相对于全向天线的给定方向上的增益的乘积，表示发射机在最大天线增益方向上获得的最大发射功率。假设发射机功率为PT，馈线损耗为LT，天线增益为GT，天线发射的等效全向辐射功率(EIRP)为(2-6)。如果发射机功率用分贝表示，馈线损耗和天线增益用分贝表示，则有(2-7)。如果发射机功率用分贝表示，馈线损耗和天线增益用分贝表示，则有(2-8)，4。灵敏度和灵敏度是测量物理仪器的指标。GSM接收机的灵敏度要求当接收信号是102dBm.信号时，误码率小于或等于2.44%CDMA2000接收机的灵敏度要求当接收信号是104dBm.信号时，帧差错率(FER)应小于或等于0.5%2.2无线环境中的噪声和干扰。在无线通信中，携带信息的传输手段是电磁波信号，在传输过程中不可避免地会受到噪声或干扰的破坏。噪声是指一些与信号无关的破坏性因素。干扰是指与信号相关的一些破坏性因素。噪声：分为内部噪声和外部噪声。内部噪声(白高斯噪声)主要指系统设备本身产生的各种噪声。主要是组件内部各种旁观者粒子的热扰动产生的热噪声，外部噪声对通信质量有很大影响。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。外部噪声的类型：自然噪声(大气、太阳和银河噪声)人工噪声(电力、工业设备、高频电器和汽车发动机的点火噪声)，图2-2显示了各种噪声的功率和频率之间的关系，图2-2显示了六种噪声的功率和频率之间的关系，除了典型的接收机内部噪声，其他五种是外部噪声。当工作频率高于100兆赫时，大气噪声和宇宙噪声都小于接收器的内部噪声，可以忽略不计。在30 1000 MHz的频带内，人体噪声相对较大，尤其是城市噪声，这在移动通信系统的设计中是不可忽视的。2.1.2、移动通信系统中的干扰，是指终端本身产生的干扰，即终端之间以及终端与基站之间的相互干扰。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。移动通信系统中的同信道干扰，为了提高频率利用率，同一信道必须在一定距离内重复使用。这种方法称为共信道复用。由同一信道的重用引起的问题是同一信道的干扰。定义：指所有无用信号的干扰，其频率与落入接收机通带的有用信号相同。也称为同信道干扰。(1)同频干扰导致：(1)使用频