代移动通信技术与设计基础(1)课件

1、 理工大学通信工程学院理工大学通信工程学院 代移动通信技术与设计基础(1)1 Abis A接口接口 MS BSS OMC-R 操作维护中心操作维护中心 BSC 基站基站 控制器控制器 MSC 移动交换中心移动交换中心 BTS 基站基站 收发信机收发信机 BTS 基站基站 收发信机收发信机 BTS 基站基站 收发信机收发信机 MS MS Um Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.1

2、 3.1 概述概述 1、研究信道的意义、研究信道的意义 任何一个通信系统，信道是比不可少的组成部分。信道按传任何一个通信系统，信道是比不可少的组成部分。信道按传 输媒质分，可分为：输媒质分，可分为： 4有线信道：有线和光纤；有线信道：有线和光纤； 4无线信道：中、长地表面波传播，短波电离层反射传播，无线信道：中、长地表面波传播，短波电离层反射传播， 超短波和微波直射传播以及各种散射传播。超短波和微波直射传播以及各种散射传播。 2、信道的基本分类、信道的基本分类 根据信道特性参数随外界各种因素的影响而变化的快慢，根据信道特性参数随外界各种因素的影响而变化的快慢， 通常又分为：通常又分为： 4恒参

3、信道：传输特性的变化量极微且变化速度极慢。恒参信道：传输特性的变化量极微且变化速度极慢。 4变参信道：传输特性随时间的变化较快。移动信道为典型变参信道：传输特性随时间的变化较快。移动信道为典型 的变参信道。的变参信道。 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 2、信道的基本分类、信道的基本分类 根据信道特性参数随外界各种因素的影响，通常分为：根据信道特性参数随外界各种因素的影响，通常分为

4、： 4恒参信道？变参信道？恒参信道？变参信道？ 恒参信道：传输特性的变化量极微且变化速度极慢。恒参信道：传输特性的变化量极微且变化速度极慢。 变参信道：传输特性随时间的变化较快。移动信道为典型的变参信道。变参信道：传输特性随时间的变化较快。移动信道为典型的变参信道。 4理想无线信道？非理想无线信道？理想无线信道？非理想无线信道？ 理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间传播。理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间传播。 4固定无线信道？移动无线信道？固定无线信道？移动无线信道？ 4视距无线信道？非视距无线信道？视距无线信道？非视距无线信道？ 视距，如：地面视距、卫星。视距，如：地

5、面视距、卫星。 非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。 4有干扰无线信道？无干扰无线信道？有干扰无线信道？无干扰无线信道？ 干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.1 3.1 概述概述 (1) 存在着严重的多径衰落

6、现象。存在着严重的多径衰落现象。 (2) 存在着固定通信中没有的阴影衰落。存在着固定通信中没有的阴影衰落。 (3) 存在有相对运动引起的多普勒效应。存在有相对运动引起的多普勒效应。 (4) 存在有时延散布引起信号波形展宽。存在有时延散布引起信号波形展宽。 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.1 3.1 概述概述 Institute of Communication Enginee

7、ring UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 四种传播机制四种传播机制 4直射：自由空间传播直射：自由空间传播 4反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。 反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。 4绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘 阻挡时，发生绕射。阻挡时，发生绕射。 4散射：当电磁波的传播路由上存在

8、小于波长的物体、并散射：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，发生散且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散 射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体， 如：树叶、街道标志和灯柱等。如：树叶、街道标志和灯柱等。 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.1 3.1 概述概述 直

9、射直射 绕射绕射 反射反射 散射散射 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.1 3.1 概述概述 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) BuildingRadio Tower Cellular station V Cn

10、 n ? ? ? ? 基台1 基台4 基台3 基台2 频道1 频道1 频 道 2 频 道 3 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.1 3.1 概述概述 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电

11、传播移动无线电传播 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 距离距离 场强场强 02468 80 60 40 20 0 mVdB/ km 几百个波长几百个波长 几十个波长几十个波长 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第

12、3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.1 自由空间损耗自由空间损耗 1、什么是自由空间、什么是自由空间 4l l 均匀无损耗的无限大空间均匀无损耗的无限大空间 4l l 各向同性各向同性 4l l 电导率为电导率为0 0，相对介电常数和相对磁导率为，相对介电常数和相对磁导率为1 1 4l l 不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收 等现象，电波的传播速率等于真空中光速等现象，电波的传播速率等于真空中光速C C Institute of Communication Engineering US

13、T Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.1 自由空间损耗自由空间损耗 2、自由空间损耗自由空间损耗 球面波在传播过程中，随着传播距离增大，球面波在传播过程中，随着传播距离增大， 电波能量在扩散过程中所引起的球面波扩散损耗。电波能量在扩散过程中所引起的球面波扩散损耗。 接收天线所捕获的信号功率是发射天线辐射功率接收天线所捕获的信号功率是发射天线辐射功率 的很小部分，这是自由空间损耗的本质。的很小部分，这是自由空间

14、损耗的本质。 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.2 模型适用范围模型适用范围 预测接收机和发射机之间是完全无阻隔的视距路预测接收机和发射机之间是完全无阻隔的视距路 径。卫星通信和微波是典型的自由空间传播。径。卫星通信和微波是典型的自由空间传播。 现实环境中，适用于传播介质与障碍物对电波现实环境中，适用于传播介质与障碍物对电波

15、 传播影响的程度小到可以忽略的条件下。传播影响的程度小到可以忽略的条件下。 益：发射和接收天线的增和 发射功率 rt t rttr gg P gg d PP : ) 4 ( 2 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.3 Friis公式公式 传输功率损耗：发送功率和接收功率的比值传输功率损耗：发送功率和接收功率的比值 注：天线增益

16、是以全向天线为参考的定向增益。注：天线增益是以全向天线为参考的定向增益。 kmd MHzf GGL ggdf gg d P P L rtbs rt rtr t s : : )log(10log20log2045.32 14 2 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 远区场满足： 尺寸：天线的最大物理线性D D d f 2 2 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.3

17、 Friis公式公式 适用范围适用范围：d为发射天线的远场值时适用。为发射天线的远场值时适用。 天线的远场定义为超过天线的远场定义为超过Fraunhorer距离距离df的地区，的地区，df发发 射天线截面的最大线形尺寸和载波长有关。射天线截面的最大线形尺寸和载波长有关。 dfD ;df kmd MHzf GGL ggdf gg d P P L rtbs rt rtr t s : : )log(10log20log2045.32 14 2 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineeri

18、ng UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.2.3 Friis公式公式 结论：结论： 1、自由空间损耗模型中接收功率与距离的平、自由空间损耗模型中接收功率与距离的平 方成反比，也与频率的平方成反比。方成反比，也与频率的平方成反比。 2、现实环境中，系统不大可能工作于理想的自由、现实环境中，系统不大可能工作于理想的自由 空间，实际传输损耗要比空间，实际传输损耗要比1/d1/d2 2计算的结果大许多。计算的结果大许多。 一般有一般有 不同的传播环境，不同的传播环境，n n取取3 3或或4 4，甚至更高。实测结果有，甚至更高。实测结果有，d d 小

19、于小于15km15km时，时，n n取取3 34 4，d d大于大于15km15km时，时，n n取取5 56 6。 n r d P 1 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 第第3 3章章 移动无线电传播移动无线电传播 3.2 3.2 自由空间传播模型自由空间传播模型 3.2.4 计算计算 当使用公式当使用公式FriisFriis公式，求得公式，求得d d。处接收功率时，。处接收功率时， 在距离大于在距离大于d d。时，自由空间

20、中接收功率为。时，自由空间中接收功率为 工程设计中，常采用工程设计中，常采用dBm或或dBW来表示接收来表示接收 电平，分别是以电平，分别是以1mw和和1w为参考电平的对数单位。为参考电平的对数单位。 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 为了掌握在各种地形地物条件下，对不同工作频为了掌握在各种地形地物条件下，对不同工作频 率的电波传播特性，通常需要作大量的电波传播试验率的电波传播特性，通常需要作大量的电波传播试验 ，得到大量的实

21、测数据，研究统计规律，从而得到各，得到大量的实测数据，研究统计规律，从而得到各 种地形地物条件下的传播衰耗和工作频率、距离、天种地形地物条件下的传播衰耗和工作频率、距离、天 线高度之间的关系，绘出电波传播特性的计算图表或线高度之间的关系，绘出电波传播特性的计算图表或 得到计算电波传播衰耗的计算模型以便用它来予测移得到计算电波传播衰耗的计算模型以便用它来予测移 动通信中接收信号强度动通信中接收信号强度(或传播衰耗或传播衰耗)。 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST

22、 代移动通信技术与设计基础(1) 在在无线通信系统中，电波传播经常在不规则地区。无线通信系统中，电波传播经常在不规则地区。 大量的传播模型可用来预测不规则地区的路径损耗。大量的传播模型可用来预测不规则地区的路径损耗。 地形分为两大类：中等起伏地形和不规则地形。地形分为两大类：中等起伏地形和不规则地形。 中等起伏地形：指在传播路径地形剖面图上，地面起中等起伏地形：指在传播路径地形剖面图上，地面起 伏高度不超过伏高度不超过20m20m，且起伏缓慢。，且起伏缓慢。 不规则地形：如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地不规则地形：如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地 形等。形等。 地物（或地区）分类地物（或地

23、区）分类 按照地物的密集程度不同可分为三类地区按照地物的密集程度不同可分为三类地区: 开阔地开阔地 郊区郊区 市区市区 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) A、平面大地模型、平面大地模型 B、布林顿理论模型、布林顿理论模型 C、Egli模型（经验公式）模型（经验公式） D、Okumura模型（图表计算模型）模型（图表计算模型） Institute of Communication Engineering UST Institut

24、e of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) &传播损耗采用实验图表计算法传播损耗采用实验图表计算法 TmmbbmfsT KfhHdhHdfALL),(),(),( 自由空自由空 间损耗间损耗 2 4 d 中等起伏地区中等起伏地区 基本衰耗中值基本衰耗中值 基台天线基台天线 高度因子高度因子 移动台天线移动台天线 高度因子高度因子 地形地物地形地物 修正因子修正因子 f：载波频率；载波频率； hb：基台天线高度；：基台天线高度； d：传输距离；：传输距离； hm：移动台天线高度。：移动台天线高度。 Institute of Communi

25、cation Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) &基站有效天线高基站有效天线高 度为度为200m，移动，移动 天线高度为天线高度为3m的的 曲曲 线线 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) &基站天线高基站天线高 度不是度不是200m， 其变化的大其变化的大 小用基站天小用基站天 线高度增益线高度增益 因子因子 In

26、stitute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) &移动台天线移动台天线 高度不是高度不是3m， 其变化的大其变化的大 小用移动台小用移动台 天线高度增天线高度增 益因子益因子Hm Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) &天线高度增益因子天线高度增益因子 Institute of C

27、ommunication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) &移动台天线移动台天线 高度不是高度不是3m， 其变化的大其变化的大 小用移动台小用移动台 天线高度增天线高度增 益因子益因子Hm Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) &郊区修郊区修 正因子正因子 Institute of Communication En

28、gineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) &开阔地修开阔地修 正因子正因子 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) &丘陵地修丘陵地修 正因子正因子 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信

29、技术与设计基础(1) &孤立山峰孤立山峰 修正因子修正因子 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) &斜坡地形斜坡地形 修正因子修正因子 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) &水陆混合水陆混合 修正因子修正因子 Institute of Communication E

30、ngineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 3.10 室外传播模型室外传播模型 3.10.4 3.10.4 Hata模型模型 HataHata模型是根据模型是根据OkumuraOkumura曲线图所作曲线图所作 的经验公式，频率范围为的经验公式，频率范围为150MHz150MHz到到1500MHz1500MHz。 市区路径损耗的标准公式为市区路径损耗的标准公式为 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communica

31、tion Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 3.10 室外传播模型室外传播模型 3.10.4 3.10.4 Hata模型模型 对于中小城市，移动天线修正因子为对于中小城市，移动天线修正因子为 对于大城市移动天线修正因子为对于大城市移动天线修正因子为 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 3.10 室外传播模型室外传播模型 3.10.4 3.10.4 Hata模型模型 对于郊区的路径损耗，标准对于郊区的

32、路径损耗，标准HataHata模型修模型修 正为：正为： 对于农村地区，标准对于农村地区，标准HataHata模型修正为：模型修正为： Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 3.10 室外传播模型室外传播模型 3.10.5 3.10.5 Hata模型的模型的PCS扩展扩展 HataHata模型扩展到模型扩展到2GHz2GHz的公式为的公式为 Institute of Communication Engineering UST In

33、stitute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 3.11 室内传播模型室内传播模型 4随着随着PCS PCS 系统的应用，人们越来越关注室系统的应用，人们越来越关注室 内无线电波传播。内无线电波传播。 4室内无线信道的特别之处：室内无线信道的特别之处： 覆盖距离小覆盖距离小 环境波动大环境波动大 建筑物内传播受到建筑物的布置、材料结构和建筑物建筑物内传播受到建筑物的布置、材料结构和建筑物 类型等因素的强烈影响。类型等因素的强烈影响。 Institute of Communication Engineering UST Insti

34、tute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 3.11 室内传播模型室内传播模型 4一般说明 l室内传播特点：覆盖距离 更小，环境变化更大 l受到影响的因素很多，如： 门窗是开还是关？天线放 置的位置？人员的分布情 况？ l室内信道可以分为视距 （LOS）和阻挡（OBS）两 种。 4分隔损耗 l同楼层的分隔损耗 给出不同频段、不同材 料不同分隔方式的损耗值。 如：混凝土墙在1300MHz 的损耗为815dB。 l楼层间的分隔损耗 和建筑物的材料、类型、 层数、窗户及频段有关。 一层的衰减要大，而五、 六层以上的衰减很小。 Insti

35、tute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 3.11 室内传播模型室内传播模型 4室内无线传播同室外具有同样的机理：反室内无线传播同室外具有同样的机理：反 射、绕射和散射。但条件却不同。例如，射、绕射和散射。但条件却不同。例如， 信号电平在很大程度上依赖于建筑物内门信号电平在很大程度上依赖于建筑物内门 开还是关。无线装置安装的位置、天线安开还是关。无线装置安装的位置、天线安 装的高度与天花板的情况等。同样，较小装的高度与天花板的情况等。同样，较小

36、 的传播距离使得天线的远场条件难以满足。的传播距离使得天线的远场条件难以满足。 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 3.11 室内传播模型室内传播模型 3.11.13.11.1 分隔损耗（同楼层）分隔损耗（同楼层） 建筑物具有大量的分隔和阻挡物。不同的建筑建筑物具有大量的分隔和阻挡物。不同的建筑 物材料不同。分隔的物理和电特性变化范围非物材料不同。分隔的物理和电特性变化范围非 常广泛，应用通用模型非常困难常广泛，应用通用模型非常

37、困难 3.11.23.11.2 间分隔损耗间分隔损耗 决定因素：建筑物外部面积、材料、建筑物类决定因素：建筑物外部面积、材料、建筑物类 型、窗口数量。型、窗口数量。 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 3.11 室内传播模型室内传播模型 3.11.33.11.3 对数距离路径损耗模型对数距离路径损耗模型 研究表明，室内路径损耗遵从公式：研究表明，室内路径损耗遵从公式： 的典型值可以查表。和 方差为：正态随机变量，标准 物类型依赖

38、于周围环境和建筑 n X n X d d ndPLdBPL : )log(10)()( 0 0 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 3.12 建筑物信号穿透建筑物信号穿透 4位于建筑物外的发射机在建筑物内的接收信号，位于建筑物外的发射机在建筑物内的接收信号， 对于无线系统是非常重要的。对于无线系统是非常重要的。 4仅靠有限的经验很难确定精确的透射模型。仅靠有限的经验很难确定精确的透射模型。 测测 试报告显示，随着高度的增加，接收

39、信号增加。试报告显示，随着高度的增加，接收信号增加。 低楼层的杂散结构引起大的衰减，减少了信号的低楼层的杂散结构引起大的衰减，减少了信号的 穿透能力。穿透能力。 4在高层，由于可能存在视距路径使得具有强的入在高层，由于可能存在视距路径使得具有强的入 射信号。射信号。 4无线信号的穿透能力是频率及建筑物高度的函数，无线信号的穿透能力是频率及建筑物高度的函数， 天线对信号穿透也有重要的影响。天线对信号穿透也有重要的影响。 4频率增加，穿透损耗减小频率增加，穿透损耗减小。 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communic

40、ation Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) 快衰落的原因：移动台接收的电波除直射波外快衰落的原因：移动台接收的电波除直射波外 ，还有从各种障碍体，还有从各种障碍体(包括大地包括大地)反射或散射传播反射或散射传播 到达接收点电波，相互迭加造成信号包络的快速到达接收点电波，相互迭加造成信号包络的快速 起伏。起伏。 快衰落的统计特性：快衰落的统计特性： 靠近基站有直射

41、分量存在时服从莱斯分布靠近基站有直射分量存在时服从莱斯分布 没有较强分量并存在多个散射分量时服从没有较强分量并存在多个散射分量时服从 瑞利分布瑞利分布 Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) Institute of Communication Engineering UST Institute of Communication Engineering UST 代移动通信技术与设计基础(1) Institute of Communication Engineering UST I