移动通信原理第2次课件2.1-2.2.1

第2章无线传输与移动信道2.1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我们仅按照狭义信道来分析移动信道的主要特点。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，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、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。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。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1.无线电波频段波长（波段）频率（频段）

通用名

主要应用100km以上3

kHz极低频(ELF)水下通信100～10km3～30

kHz甚低频(VLF)海上通信10～1km30～300kHz低频(LF)或长波(LW)调幅广播1000～100m300～3000kHz中频(MF)或中波(MW)调幅广播100～10m3～30MHz高频(HF)或短波(SW)调幅广播、业余无线电10～1m30～300

MHz甚高频(VHF)、米波调频广播、电视1.0～0.1m300～3000MHz特高频(UHF)、分米波电视、蜂窝电话100～10mm3～30

GHz超高频(SHF)、厘米波蜂窝电话、固定无线、卫星通信10～1mm30～300GHz极高频(EHF)、毫米波卫星通信、雷达2.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：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。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。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。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……，但是它们相对直射波、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。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。2.1.3接收信号中的3类损耗和4种效应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。1.具有3类不同层次的损耗。1）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，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，接收电平的平均值随距离的平方衰减。2）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。当阴影长度达到数百波长以上时，阴影效应使得接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，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发生值得关注的随机起伏。接收信号电平一般遵循瑞利（Rayleigh）分布或萊斯(Rice)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，又称之为选择性衰落。它包括空间选择性衰落、频率选择性衰落和时间选择性衰落，如表所示。短期快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频率选择性衰落：不同频段的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。2.接收信号具有4种主要效应。1）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。2）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，甚至导致通信中断，这就是远近效应。3）多径效应基站发射的电波可以经过多条传播路径到达移动终端。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号是通过这些路径传输来的所有电波信号的叠加，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变化。多径效应还形成附加的调幅和调相。

4）多普勒频移当终端高速移动，比如车载通信，朝向或背离基站的径向速度分量≥70km/h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小有关，径向移动速度越大多普勒频移越严重。通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑多普勒频移。多普勒频移与径向移动速度的关系如下表所示。多普勒频移与径向移动速度的关系移动速度Δf/fΔff=150MHzf=450MHz

f=900MHz60km/h0.055×10-68.33Hz25Hz50Hz1,200km/h1.11×10-6166.6Hz500Hz1,000Hz2.2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类：1、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: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。这类噪声是最基本的噪声，并非移动信道所特有。如图所示。高斯白噪声n(t)发送信号S(t)接收信号v(t)v(t)=s(t)＋n(t)2、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延不一致，使码元在接收点展宽，造成相互产生符号间干扰。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。3、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。在第三代移动通信系统中，采用码分多址CDMA技术。不同用户采用同一时隙、同一频段传输信息，仅靠不同的地址码相互区分。当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、互相关特性，因此产生多址干扰。MAI又称为同小区或小区内干扰。在CDMA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时它是系统内的第一重要干扰源。4、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邻小区或扇区的信号。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，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在研究工作中，移动通信信道可以分为4种信道模型。1、AWGN信道它是最基本、最典型的恒参信道，是研究各类信道的基础。在AWGN信道中，典型的抗干扰措施是采用先进的信号处理技术，如信道编码技术。2、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。克服衰落的有效方法是采用功率控制技术和网络优化等。3、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，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信道，其最有效的方法是自适应均衡和Rake接收等。第3章多址技术现在，先简单介绍一下各种多址接入技术。除CDMA而外，多址接入技术还有频分多址(FDMA)、时分多址(TDMA)和空分多址(SDMA)，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,如FDMA/TDMA、FDMA/CDMA等。FDMA、TDMA和CDMA多址接入技术的示意图如下。1、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干子频带。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。在纯FDMA系统中,采用频分双工(FDD)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，如图所示。FDMA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FDMA技术。第二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FDMA技术与其它多址技术相结合。FDMA的主要优点是：1）技术相对简单成熟。由于采用频分技术，不需要象时分技术那样需要复杂的成帧和时间同步信号的传输。2）适合实时信号的传输。当系统分配给用户一个信道后,用户可占有这个信道连续传输信号，直到传输结束,信道才被系统收回。FDMA的主要缺点是：3）频率利用率低。由于一个信道占用一个载频，且只可传送一路话音,频率利用率不高，系统容量有限。4）保密性差。因为系统中有多个频率信号,易出现相互串话干扰,且加密困难，保密性差。5）基站设备数量大，成本高。这是因为每对信道需要一套收发信机，有多少对信道就需要多少套收发信机。6）语音质量较差。在越区切换时,语音信道还必须抹掉一部分语音信号来传输信令，降低了语音质量。

2、时分多址（TDMA）TDMA是在可用射频频段上，将发射时间分割成若干帧，再将帧分成若干时隙。一个时隙就是一个信道,系统将这些时隙分配给不同地址的信号使用。TDMA的主要优点：1）TDMA系统的用户和基站可以采用相同的工作频率,可以有效避免不同频率的发射机同时工作产生的互调干扰。2）TDMA没有频率分配问题,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。由于对时隙实行动态分配,有利于提高系统容量。3）帧中的空闲时隙,可用来传送检测信号的强度或发送控制信息,有利于加强网络的控制功能和保证移动台的越区切换。4）TDMA的频谱利用率高,减少了基站上、下行频带宽度,基站造价低。5）TDMA采用数字技术，可方便非话业务的传输。TDMA的问题是需要严格的定时与帧同步,技术比较复杂。

3、码分多址(CDMA)

CDMA采用扩频技术，系统为不同的信号分配相互