移动通信原理第2次课件2.1-2.2.1

1、第第2章章 无线传输与移动信道无线传输与移动信道2.1 移动信道的特点移动信道的特点信道是信号在通信系统中传输的通道。信道范围的信道是信号在通信系统中传输的通道。信道范围的定义有两种：定义有两种：信号从发射端传输到接收端所经过的传输介质定义信号从发射端传输到接收端所经过的传输介质定义为狭义信道。为狭义信道。广义信道的定义是除包括传输介质，还包括信号传广义信道的定义是除包括传输介质，还包括信号传输的相关设备，如收发设备、调制解调设备等。输的相关设备，如收发设备、调制解调设备等。2.1.1 移动通信信道的主要特点移动通信信道的主要特点我们仅按照狭义信道来分析移动信道的主要特点。我们仅按照狭义信道来

2、分析移动信道的主要特点。1.信道的开放性信道的开放性一切无线信道都是以开放的自由空间为传输介质，一切无线信道都是以开放的自由空间为传输介质，具有无限的开放性。具有无限的开放性。2. 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的复杂性和多样性 发射和接收地理环境可以是高楼林立的城市繁发射和接收地理环境可以是高楼林立的城市繁华区，郊区；以山丘、湖泊、平原为主的农村华区，郊区；以山丘、湖泊、平原为主的农村地区；屏蔽电磁波的地铁、隧道、坑道、地下地区；屏蔽电磁波的地铁、隧道、坑道、地下车库、电梯等空间；高速移动的汽车、火车、车库、电梯等空间；高速移动的汽车、火车、轻轨、高铁、飞机，以及船舶等

3、交通工具。轻轨、高铁、飞机，以及船舶等交通工具。3.用户移动的随机性和用户密度的动态时变性用户移动的随机性和用户密度的动态时变性 移动用户的移动是随机的，且有大致三种类型移动用户的移动是随机的，且有大致三种类型的移动速度：室内、步行和高速交通工具移动。的移动速度：室内、步行和高速交通工具移动。这也导致覆盖区用户的密度具有动态时变性，这也导致覆盖区用户的密度具有动态时变性，且三种移动速度对覆盖区用户密度动态时变性且三种移动速度对覆盖区用户密度动态时变性的影响各不相同。的影响各不相同。 移动通信科学家和工程师正是针对移动通信信移动通信科学家和工程师正是针对移动通信信道的这些特点不断采用各种技术，以

4、便实现移道的这些特点不断采用各种技术，以便实现移动通信系统的有效性、可靠性和安全性，这些动通信系统的有效性、可靠性和安全性，这些也是衡量任何一种通信系统的基本指标。也是衡量任何一种通信系统的基本指标。 有效性，是指在占有尽可能少的信道资源，如有效性，是指在占有尽可能少的信道资源，如频段、时隙和功率等的条件下尽可能多地传输频段、时隙和功率等的条件下尽可能多地传输信息，是通信数量上的指标。信息，是通信数量上的指标。 可靠性，是指在传输过程中抵抗各类自然干扰可靠性，是指在传输过程中抵抗各类自然干扰实现正确传输的能力。在军事通信中，还包含实现正确传输的能力。在军事通信中，还包含抵抗敌方人为设置干扰的能

5、力。抵抗敌方人为设置干扰的能力。 安全性，是指在传输过程中的保密性能，即防安全性，是指在传输过程中的保密性能，即防窃听、伪造和篡改的能力。窃听、伪造和篡改的能力。2.1.2 移动通信的无线电波传播方式移动通信的无线电波传播方式 1. 无线电无线电波频波频段段波波 长（波长（波 段）段）频频 率（率（频频 段）段） 通通 用用 名名 主主 要要 应应 用用100 km以上以上3 kHz极低频极低频(ELF) 水下通信水下通信10010km330 kHz甚低频甚低频(VLF) 海上通信海上通信101km30300 kHz低频低频(LF)或长波或长波(LW) 调幅广播调幅广播1000100m3003

6、000 kHz中频中频(MF)或中或中波波(MW)调幅广播调幅广播10010m330 MHz高频高频(HF)或短波或短波(SW)调幅广播、业余无线调幅广播、业余无线电电101m30300 MHz甚高频甚高频(VHF)、米波、米波调频广播、电视调频广播、电视1.00.1m3003000 MHz特高频特高频(UHF)、分米波分米波电视、电视、蜂窝电话蜂窝电话10010mm330 GHz超高频超高频(SHF)、厘米、厘米波波蜂窝电话蜂窝电话、固定固定无线、卫星通信无线、卫星通信101mm30300 GHz极高频极高频(EHF)、毫米、毫米波波卫星通信、雷达卫星通信、雷达2. 无线电波传播方式无线电波

7、传播方式 按照电波的传播路径，可以将无线电波传播方式按照电波的传播路径，可以将无线电波传播方式分为下述几种：分为下述几种： 直射波，是在视距范围内无遮挡传播的无线电波。直射波，是在视距范围内无遮挡传播的无线电波。它是短波和微波的主要传播方式，传播衰耗较小。它是短波和微波的主要传播方式，传播衰耗较小。 反射波，是从障碍物和反射体反射后到达接收点反射波，是从障碍物和反射体反射后到达接收点的无线电波。中波和短波就主要依靠在地面与电的无线电波。中波和短波就主要依靠在地面与电离层之间反射形成的反射波来传输信号，传播衰离层之间反射形成的反射波来传输信号，传播衰耗较直射波大。耗较直射波大。 绕射波，当无线电

8、波的波长与障碍物的尺寸相当绕射波，当无线电波的波长与障碍物的尺寸相当时，无线电波就会绕过障碍物传向前方而不会反时，无线电波就会绕过障碍物传向前方而不会反射回去。长波和中波的波长很长，可以绕过较大射回去。长波和中波的波长很长，可以绕过较大建筑物和山丘沿地球表面传播，其衰耗较小。建筑物和山丘沿地球表面传播，其衰耗较小。 另外，还有穿透建筑物的传播以及空气中离子另外，还有穿透建筑物的传播以及空气中离子受激后二次发射的漫反射产生的散射波受激后二次发射的漫反射产生的散射波，但，但是它们相对直射波、反射波、绕射波都比较弱。是它们相对直射波、反射波、绕射波都比较弱。所以从电磁波传播上看，直射、反射、绕射是主

9、所以从电磁波传播上看，直射、反射、绕射是主要的，但是，有时穿透的直射波与散射波的影响要的，但是，有时穿透的直射波与散射波的影响也是需要考虑的。也是需要考虑的。移动通信主要利用直射波和反射波传播，在接移动通信主要利用直射波和反射波传播，在接收信号中将产生多径效应。收信号中将产生多径效应。2.1.3 接收信号中的接收信号中的3类损耗和类损耗和4种效应种效应l 由于移动通信信道的上述特殊性，以及它主要利用直射波由于移动通信信道的上述特殊性，以及它主要利用直射波和反射波传播信号，终端接收信号也就具有以下特点。和反射波传播信号，终端接收信号也就具有以下特点。1. 具有具有3类不同层次的损耗。类不同层次的

10、损耗。1）路径传播损耗）路径传播损耗 路径传播损耗是电波在空中传播时由距离因素产生的损耗，路径传播损耗是电波在空中传播时由距离因素产生的损耗，一般称为衰耗，它随接收点距发射台的距离（以千米数量一般称为衰耗，它随接收点距发射台的距离（以千米数量级）而变化。在自由空间传播情况下，接收电平的平均值级）而变化。在自由空间传播情况下，接收电平的平均值随距离的平方衰减。随距离的平方衰减。2）长期慢衰落损耗）长期慢衰落损耗 长期慢衰落损耗是由于阴影效应而产生的损耗。当阴影长长期慢衰落损耗是由于阴影效应而产生的损耗。当阴影长度达到数百波长以上时，阴影效应使得接收电平的平均值度达到数百波长以上时，阴影效应使得接

11、收电平的平均值出现值得关注的随机起伏。其变化速率比传输信号速率低，出现值得关注的随机起伏。其变化速率比传输信号速率低，变化周期长。阴影效应引起的慢衰落损耗为无线通信所特变化周期长。阴影效应引起的慢衰落损耗为无线通信所特有，它服从对数正态分布。因移动通过的阴影长度达数百有，它服从对数正态分布。因移动通过的阴影长度达数百波长以上时才有显著变化，故也称之为大尺度衰落损耗。波长以上时才有显著变化，故也称之为大尺度衰落损耗。3）短期快衰落损耗）短期快衰落损耗 短期快衰落损耗是由多经效应和多普勒效应引起的。短期快衰落损耗是由多经效应和多普勒效应引起的。当移动距离达到数十波长时，接收电平的平均值就将当移动距

12、离达到数十波长时，接收电平的平均值就将发生值得关注的随机起伏。接收信号电平一般遵循瑞发生值得关注的随机起伏。接收信号电平一般遵循瑞利（利（Rayleigh）分布或萊斯）分布或萊斯(Rice)分布。因快衰落的分布。因快衰落的变化速率较快，周期短，故叫作短期快衰落。又因引变化速率较快，周期短，故叫作短期快衰落。又因引起这种衰落出现的移动距离短，又将这种衰落叫做小起这种衰落出现的移动距离短，又将这种衰落叫做小尺度衰落。这种衰落由于与空间位置和频率等有关，尺度衰落。这种衰落由于与空间位置和频率等有关，又称之为选择性衰落。它包括空间选择性衰落、频率又称之为选择性衰落。它包括空间选择性衰落、频率选择性衰落

13、和时间选择性衰落，如表所示。选择性衰落和时间选择性衰落，如表所示。短期快短期快衰落衰落选择性衰落选择性衰落空间选择性衰落：不同地点和空间位置衰落特性不同空间选择性衰落：不同地点和空间位置衰落特性不同频率选择性衰落：不同频率选择性衰落：不同频段频段的的衰落衰落特性不同特性不同时间选择性衰落：不同时间衰落特性不同时间选择性衰落：不同时间衰落特性不同大尺度衰落和小尺度衰落示意图大尺度衰落和小尺度衰落示意图l针对不同的衰落特性，可以采用不同的技术来针对不同的衰落特性，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。克服它们对移动通信系统性能的影响。2. 接收信号具有接收信号具有4种主要效应。种主

14、要效应。1）阴影效应）阴影效应大型建筑物和物体对无线电波的阻挡将在障碍物后形成大型建筑物和物体对无线电波的阻挡将在障碍物后形成半盲区，这个半盲区类似于物体在阳光下的阴影。处于半盲区，这个半盲区类似于物体在阳光下的阴影。处于半盲区内的接收信号会很弱。当移动台在建筑物之间移半盲区内的接收信号会很弱。当移动台在建筑物之间移动时，它将不断出入建筑物形成的半盲区，接收信号强动时，它将不断出入建筑物形成的半盲区，接收信号强度也将随之起伏变化，这种现象就叫作阴影效应。度也将随之起伏变化，这种现象就叫作阴影效应。2 2）远近效应）远近效应当各移动台发射功率相同时，基站接收的离基站较近的当各移动台发射功率相同时

15、，基站接收的离基站较近的用户信号较强，而接收的离基站较远，以及在小区边缘用户信号较强，而接收的离基站较远，以及在小区边缘的用户信号就很弱。在基站的接收端，远端用户的信号的用户信号就很弱。在基站的接收端，远端用户的信号将被近端用户的信号淹没掉，基站接收远端移动台信号将被近端用户的信号淹没掉，基站接收远端移动台信号的信噪比严重下降，将使通信质量严重下降，甚至导致的信噪比严重下降，将使通信质量严重下降，甚至导致通信中断，这就是远近效应。通信中断，这就是远近效应。3 3）多径效应）多径效应 基站发射的电波可以经过多条传播路径到达移基站发射的电波可以经过多条传播路径到达移动终端。动终端。例如，经过建筑物

16、反射、地面反射、山体例如，经过建筑物反射、地面反射、山体反射和直接传播等路径到手机。手机接收到的电波信反射和直接传播等路径到手机。手机接收到的电波信号号是通过这些路径传输来的所有电波是通过这些路径传输来的所有电波信号的叠加，它信号的叠加，它们可能相互增强，也可能相互削弱而引起接收信号衰们可能相互增强，也可能相互削弱而引起接收信号衰落，这就是多径效应。落，这就是多径效应。 当终端处于运动状态时，多径效应引起的衰落会不断当终端处于运动状态时，多径效应引起的衰落会不断变化。多径效应还形成附加的调幅和调相。变化。多径效应还形成附加的调幅和调相。 4 4）多普勒频移）多普勒频移 当终端当终端高速移动，比

17、如车载通信，高速移动，比如车载通信，朝向或背离基站的朝向或背离基站的径向速度分量径向速度分量70km/h时，会引起无线电波频率的多时，会引起无线电波频率的多普勒频移，频移的大小与终端在径向上的速度分量大普勒频移，频移的大小与终端在径向上的速度分量大小有关，径向移动速度越大多普勒频移越严重。小有关，径向移动速度越大多普勒频移越严重。通常通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑多多普勒频移。多普勒频移与径向移动速度的关系如下表普勒频移。多普勒频移与径向移动速度的关系如下表所示。所示。多普勒频移与径向移动速度的关系多普勒频移与径向移动速度的关系移动

18、速度移动速度f/fff =150MHzf=450MHz f =900MHz60km/h60km/h0. .055 510-68.338.33Hz2525 Hz50 Hz1,200km/h1,200km/h1. .1110-6166.6166.6Hz500500 Hz1,0001,000 Hz2.2 移动通信中的几种主要噪声和干扰移动通信中的几种主要噪声和干扰 严重影响移动通信系统性能的噪声和干扰有四严重影响移动通信系统性能的噪声和干扰有四类：类：1、加性白高斯噪声（、加性白高斯噪声（AWGN） 加性是指噪声与信号遵从简单的线性叠加关系加性是指噪声与信号遵从简单的线性叠加关系: 白噪声是指噪声的

19、功率谱是平坦的；高斯噪声白噪声是指噪声的功率谱是平坦的；高斯噪声是指噪声的幅度分布服从正态分布。这类噪声是指噪声的幅度分布服从正态分布。这类噪声是最基本的噪声，并非移动信道所特有。如图是最基本的噪声，并非移动信道所特有。如图所示。所示。高斯白噪声高斯白噪声n(t)发送信号发送信号S(t)接收信号接收信号v(t)v(t) = s(t)n(t)2、符号间干扰（、符号间干扰（ISI） 由于实际信道的频带总是有限的，并且偏离理由于实际信道的频带总是有限的，并且偏离理想特性，使通过的信号在频域上产生频率失真，想特性，使通过的信号在频域上产生频率失真，在时域上波形发生时散效应。这种时散效应对在时域上波形发

20、生时散效应。这种时散效应对通信所造成的危害称之为符号间干扰。另外，通信所造成的危害称之为符号间干扰。另外，多径效应也会使同一码元到达接收点的传输时多径效应也会使同一码元到达接收点的传输时延不一致，使码元在接收点展宽，造成相互产延不一致，使码元在接收点展宽，造成相互产生符号间干扰。生符号间干扰。 当数据速率提高时，符号间的间隔将减小到一当数据速率提高时，符号间的间隔将减小到一定程度，以至相互严重重叠无法识别，通信的定程度，以至相互严重重叠无法识别，通信的可靠性严重降低，甚至通信无法进行。可靠性严重降低，甚至通信无法进行。3、多址干扰（、多址干扰（MAI）在移动通信网中对同时通信的多个用户的信号一

21、在移动通信网中对同时通信的多个用户的信号一定要采用正交隔离手段，否则就会互相干扰，在定要采用正交隔离手段，否则就会互相干扰，在通话时串话。第一代采用频段隔离，一个用户使通话时串话。第一代采用频段隔离，一个用户使用一个频段。只要滤波器隔离度做得好，基本上用一个频段。只要滤波器隔离度做得好，基本上能防止串话之类多用户干扰。在第三代移动通信能防止串话之类多用户干扰。在第三代移动通信系统中，采用码分多址系统中，采用码分多址CDMA技术。不同用户采技术。不同用户采用同一时隙、同一频段传输信息，仅靠不同的地用同一时隙、同一频段传输信息，仅靠不同的地址码相互区分。当多个用户同时通信时，由于各址码相互区分。当

22、多个用户同时通信时，由于各用户的地址码不具有完全理想的自相关、互相关用户的地址码不具有完全理想的自相关、互相关特性，因此产生多址干扰。特性，因此产生多址干扰。MAI又称为又称为同小区或小同小区或小区内干扰区内干扰。在。在CDMA系统中，多址干扰比白噪声系统中，多址干扰比白噪声和符号间干扰更为严重，当同时通信的用户增多和符号间干扰更为严重，当同时通信的用户增多时它是系统内的第一重要干扰源。时它是系统内的第一重要干扰源。4、相邻小区（扇区）干扰（、相邻小区（扇区）干扰（AC(S)I） 相邻小区（扇区）干扰是移动台接收到的所有相相邻小区（扇区）干扰是移动台接收到的所有相邻小区或扇区的信号。邻小区或扇

23、区的信号。 符号间干扰和多址干扰限制单小区的通信容量。符号间干扰和多址干扰限制单小区的通信容量。相邻小区（扇区）干扰限制了基站的覆盖范围，相邻小区（扇区）干扰限制了基站的覆盖范围，也就是限制了系统的通信容量。也就是限制了系统的通信容量。2.3 移动通信信道的物理模型移动通信信道的物理模型 在研究工作中，移动通信信道可以分为在研究工作中，移动通信信道可以分为4种信道模种信道模型。型。1、AWGN信道信道 它是最基本、最典型的恒参信道，是研究各类信它是最基本、最典型的恒参信道，是研究各类信道的基础。在道的基础。在AWGN信道中，典型的抗干扰措施信道中，典型的抗干扰措施是采用先进的信号处理技术，如信

24、道编码技术。是采用先进的信号处理技术，如信道编码技术。2、阴影衰落信道、阴影衰落信道 这类信道是大尺度衰落信道，服从对数正态分布。这类信道是大尺度衰落信道，服从对数正态分布。克服衰落的有效方法是采用功率控制技术和网络优克服衰落的有效方法是采用功率控制技术和网络优化等。化等。3、平坦瑞利衰落信道、平坦瑞利衰落信道 它是最典型的宽带无线和慢速移动典型信道模型，它是最典型的宽带无线和慢速移动典型信道模型，其衰落服从瑞利或萊斯分布。在小尺度衰落中，仅其衰落服从瑞利或萊斯分布。在小尺度衰落中，仅仅考虑空间选择性衰落。最有效的克服空间选择性仅考虑空间选择性衰落。最有效的克服空间选择性衰落的方法是空间分集技

25、术或其它空域处理技术。衰落的方法是空间分集技术或其它空域处理技术。4、选择性衰落信道、选择性衰落信道 分为时间选择性衰落信道和频率选择性衰落信道。分为时间选择性衰落信道和频率选择性衰落信道。时间选择性衰落信道是典型的宽带无线和快速移动时间选择性衰落信道是典型的宽带无线和快速移动信道。最有效的克服办法是采用信道交织编码技术。信道。最有效的克服办法是采用信道交织编码技术。频率选择性衰落信道是典型的宽带无线和慢速移动频率选择性衰落信道是典型的宽带无线和慢速移动信道，其最有效的方法是自适应均衡和信道，其最有效的方法是自适应均衡和Rake接收等。接收等。第第3章章 多址技术多址技术 现在，先简单介绍一下

26、各种多址接入技术。现在，先简单介绍一下各种多址接入技术。 除除CDMA而外，多址接入技术还有频分多址而外，多址接入技术还有频分多址(FDMA)、时分多址、时分多址(TDMA) 和空分多址和空分多址(SDMA)，以及由这些基本的多址接入技术派，以及由这些基本的多址接入技术派生出的组合多址接入技术生出的组合多址接入技术, 如如FDMA/TDMA、FDMA/CDMA等。等。 FDMA、TDMA和和CDMA多址接入技术的示意多址接入技术的示意图如下。图如下。 1、 频分多址（频分多址（FDMA） FDMA是将可以使用的射频频带分割成互不重叠的若是将可以使用的射频频带分割成互不重叠的若干子频带干子频带。

27、每个子频带就是一个信道，系统为不同。每个子频带就是一个信道，系统为不同地址的信号分配不同的子频带。地址的信号分配不同的子频带。 在纯在纯FDMA系统中系统中, 采用频分双工采用频分双工(FDD)方式来实现方式来实现双工通信。首先将可用射频带宽分割成上行频段和双工通信。首先将可用射频带宽分割成上行频段和下行频段，然后再进一步细分为传输子频带作为工下行频段，然后再进一步细分为传输子频带作为工作信道，如作信道，如图图所示。所示。 FDMA移动通信系统工作示意图移动通信系统工作示意图 第一代模拟移动通信系统仅采用第一代模拟移动通信系统仅采用FDMA技术。第二技术。第二代和第三代数字移动通信系统为了提高

28、频带的利用代和第三代数字移动通信系统为了提高频带的利用率采用率采用FDMA技术与其它多址技术相结合。技术与其它多址技术相结合。uFDMA 的的主要主要优点优点是：是：1 1）技术相对简单成熟。由于采用频分技术，）技术相对简单成熟。由于采用频分技术，不需要不需要象象时分技术那样需要时分技术那样需要复杂的成帧复杂的成帧和时间和时间同步同步信号信号的传输的传输。2 2）适合实时信号的）适合实时信号的传输。当系统分配给传输。当系统分配给用户一个用户一个信道信道后后, , 用户可占有这个信道用户可占有这个信道连续传输连续传输信号，直信号，直到到传输传输结束结束, , 信道信道才被系统才被系统收回。收回。

29、uFDMAFDMA的主要的主要缺点缺点是：是：3 3）频率利用率低频率利用率低。由于一个信道占用。由于一个信道占用一一个载个载频频，且，且只只可可传传送一路送一路话话音音, , 频率利用率不高，频率利用率不高，系统容量有限。系统容量有限。4 4）保密性差。保密性差。因为因为系统中有多个频率信号系统中有多个频率信号, , 易易出现出现相相互互串话串话干扰干扰, , 且且加密困难，保密性差。加密困难，保密性差。5 5）基站）基站设备数量大设备数量大，成本高成本高。这是因为。这是因为每每对对信道需要信道需要一套收发信机一套收发信机，有多少对信道就需要多少套收发信机，有多少对信道就需要多少套收发信机。

30、6 6）语音质量较差。在）语音质量较差。在越区切换时越区切换时, ,语音信道语音信道还必须还必须抹抹掉一部分语音掉一部分语音信号来信号来传输传输信信令令，降低了语音质量。，降低了语音质量。 2、 时分多址（时分多址（TDMA） TDMATDMA是在可是在可用射频频段用射频频段上，将发射上，将发射时间时间分分割割成成若干帧，再若干帧，再将帧分成若将帧分成若干干时隙时隙。一一个时隙就是个时隙就是一个信道一个信道,系系统将这些时统将这些时隙隙分配给分配给不不同地址的信同地址的信号号使用使用。 uTDMATDMA的主要的主要优点：优点：1 1）TDMATDMA系统的用户和基站可以采用相同的工作频率系统

31、的用户和基站可以采用相同的工作频率, ,可以有效可以有效避免不同频率的发射机同时工作产生避免不同频率的发射机同时工作产生的的互调干互调干扰扰。2 2）TDMATDMA没有没有频率分配问题频率分配问题, , 对时隙的管理和分配要比对时隙的管理和分配要比对频率的管理和分配简单而经济。对频率的管理和分配简单而经济。由于由于对时隙对时隙实行实行动态动态分配分配, , 有利于提高有利于提高系统系统容量。容量。3 3）帧中的空闲时隙帧中的空闲时隙, , 可用来可用来传送传送检测信号检测信号的的强度或强度或发发送送控制信息控制信息, , 有利于加强网络的控制功能和保证有利于加强网络的控制功能和保证移动台移动台的越区切换。的越区切换。4 4）TDMA TDMA 的的频谱利用率频谱利用率高高, , 减少减少了基站上、下行了基站上、下行频频带带宽度宽度, , 基站基站造价造价低。低。5 5）TDMATDMA采用数字技术，采用数字技术，可方便非话业务的传输。可方便非话业务的传输。uTDMATDMA的的问题问题是是需要严格的定时与帧同步需要严格的定时与帧同步, , 技术比较技术比较复杂复杂。 3 、 码分多址码分多址(CDMA) CDMA