CDMA无线个人通信(一)

1、CDMA无线个人通信(一),2020年7月10日,南京邮电大学通信与信息工程学院 邵世祥,CDMA无线个人通信,个人通信概述 无线多址接入技术 无线传播与移动信道 蜂窝通信原理 CDMA通信原理及其性能分析 CDMA无线个人通信关键技术 第三代移动通信技术,定义 个人通信是指任何人在任何时间和任何地点都可以接入通信网，并通过通信网用任何信息媒体及时地与任何人进行通信。 两个概念 狭义的个人通信：指数字无绳电话，如PHS，DECT； 广义的个人通信：指各种无线接入的通信业务。 个人通信业务(Personal Communication Service，PCS) 个人通信的提出促进了无线接入多址技

2、术的研究，产生了FDMA、TDMA和CDMA等各种多址技术。 CDMA无线个人通信是基于CDMA无线多址技术的个人通信,个人通信概述,个人通信系统是由多种系统综合而成,各种通信系统各司其职,为用户提供综合业务,如图为个人通信系统网络模型,个人通信概述,实现通信个人化的必须解决的问题 用户接入的物理手段、个人通信号码和用户接入标准 用户接入的物理手段 个人通信用户是移动的，可能处于移动状态或者迁移状态。因此，为了满足个人通信的要求，用户接入通信网应采用无线接入方式。 无线接入(wireless Access)可以在移动用户与固定入口之间建立匹配的接口，称为空中接口(Air Interface)。

3、空中接口由两部分构成，它的固定部分一般称为基站，构成通信网的入口，它的移动部分一般称为手机，由用户个人携带使用。,个人通信概述,无线接入方式 不同的频谱分配决定于空中传播特性和频谱的使用情况。现在移动通信应用800900MHz，无绳通信应用12GHz等频段，3G系统在2G频段。 采用不同的复用方式。当前有三种基本方式：FDMA、TDMA和CDMA。还可以采用复合的复用方式，例如时分与频分结合，码分与频分结合,时分与码分等,这是当前考虑优选的方式。 空分多址SDMA利用自适应天线阵运用空间分集机制提高系统容量和性能。 采用不同的发送功率，空中接口的工作范围就不同。根据空中接口的工作范围大小，构成

4、了所谓大区制、小区制和微小区制，在室内还构成立体的微区制。,个人通信概述,无线接入方式 采用无线接入解决个人移动性问题带来了移动管理问题。 在用户呼叫前，它必须先由核心网络确认用户身份特征，需要进行鉴权。 当用户从一个通信网入口转移到另一个入口时，通信网必须自动登记这个变化，并修改其数据库以便呼叫时能进行确认或跟踪呼叫。,个人通信概述,个人通信号码(PCN) 实现个人通信，必须建立个人通信号码，即赋予用户个人一个特定的通信号码，犹如身份证号码； 常用的固定电话号码习惯意义是赋予通信终端一个号码。这种号码与用户个人没有直接联系，不管谁都可以利用它打电话。被叫也只是相应的终端而不涉及用户个人。 这

5、种号码只能解决终端之间的接通而不构成用户之间的直接接通。呼叫只达到电话机而不达到个人。 个人通信号码可以克服上述困难。由于通信网只确认个人通信号码，用户不管在那里打电话，都可以把电话费记在自己的名下。在接收电话时也一样，不管用户在那里都可以通过个人通信号码呼叫他。当然，这种功能需要通信网的智能化来支持。,个人通信概述,用户接入标准 个人通信中，用户间建立通信的步骤。 用户接入通信网。这个过程包括：用户向通信网入口的基站请求呼叫信道，建立起手机与通信网的连接电路，网络对手机进行移动性管理。 用户向通信网输入被叫个人通信号码，网络进行选路把呼叫路由到被叫端入口基站。 如基站有空闲电路，基站广播对方

6、用户的个人通信号码，并测试对方手机的忙闲状态。 在对方手机处于空闲备用状态时，予机振铃，使用户打开手机，手机进入使用状态。 双方用户可以通信。 通信完毕，有一方挂机，则整个路由的各部分释放，再次处于空闲状态，以便其它呼叫占用。,个人通信概述,用户接入标准 用户在传送信息信号之前，必须有按一定规则建立路由的过程，即需要有一个规程以便与通信网信令沟通。这就是所谓规约或协议，也称标准。没有这些标准，各层次之间无法对话，路由无法建立，通信就无法进行。 各种个人移动通信系统有其不同的标准。 通信个人化的含义 通信面向个人，建立个人通信号码，以便主叫时进行确认和被叫时进行跟踪之用； 无线接入方式，解决个人

7、移动性与通信网固定性的矛盾； 智能网的机制，以进行个人移动性管理和处置，不断登记用户移动记录并修改数据库。,个人通信概述,结构 从个人通信网结构考虑，个人通信网可以分三层，即智能层、运送层和接入层。 层间的信息沟通依靠数据网或信令网。,个人通信网,业务与网络配置 业务与网络控制,交换 传输,有线接入 无线接入,智能层 包括个人数据库、移动管理和业务控制节点。 用于定义业务，存取用户信息数据、管理位置登记和跟踪交换。它还有自诊断和自恢复功能。 运送层 实质上由公众网或综合业务数字网提供。它完成信令、交换和传输功能。 接入网 包括有线接入和无线接入，提供用户进网以获得通信服务的功能。接入层需完成各

8、种用户终端的接入和处理各种不同信息媒体。,个人通信网结构,移动通信系统 第一代移动通信系统 (AMPS,TACS) 第二代移动通信系统(GSM,IS-95 CDMA) 第三代移动通信系统(WCDMA,cdma2000,TD-SCDMA) LTE, LTE-Advance 数字无绳电话系统 PHS,DECT,CT1,CT2 宽带无线接入系统 电子电气工程师协会（IEEE）的802.15（无线个域网，WPAN）、 802.11（无线局域网，WLAN）、 802.16a/e（无线固定接入，FWA）和802.20（宽带无线接入，WBMA） ; 802.15 的WPAN包括蓝牙（Bluetooth）技术

9、和超宽带（UWB）； 802.11标准的WLAN也称为WiFi； 802.16标准的FWA也称为WiMAX 。,无线个人通信系统,第一代移动通信系统 采用频分多址（FDMA），模拟系统 代表系统：美国的AMPS、欧洲的TACS 主要缺点 频谱利用率低采用FDMA所致 业务种类有限采用模拟方式所致 无数据业务采用模拟方式所致 保密性差采用模拟方式所致 设备成本高、体积、重量大采用模拟方式所致,移动通信标准,第二代移动通信系统（2G） 时分多址（TDMA）或窄带码分多址（CDMA），数字系统 代表系统：美国的IS95A（CDMA）、欧洲的GSM（TDMA）、日本的JDC 对第一代移动通信系统缺点的

10、改善 频谱利用率提高提高了2倍（GSM）或10倍（CDMA） 业务种类增加提供了较丰富的电信业务 窄带数据业务提供了低速数据业务（最大64Kbit/s） 保密性较好具有良好的保密性能 减小了设备成本设备（尤其是终端设备）成本大大降低 体积、重量也大大减少,移动通信概述,第三代移动通信系统（3G）：IMT2000 采用宽带码分多址（CDMA），实现移动宽带多媒体通信 IMT2000：2000年，在2000M频段实现2000K的数据通信 3G对数据通信速率的要求 IMT2000推荐的3种制式： WCDMA（欧洲） CDMA2000（美国） TDSCDMA（中国） TDSCDMA：中国的第一个国际通

11、信标准,移动通信概述,移动通信系统的发展,LTE移动通信系统,LTE与4G概念 LTE(Long Term Evolution,长期演进) 3G的演进; 2004年11月3GPP多伦多会议启动LTE项目。 LTE是3G与4G技术之间的一个过渡，是3.9G的全球标准,它改进并增强了3G的空中接入技术; 采用OFDM和MIMO作为其无线网络演进的唯一标准; 4G：IMT-Advance或LTE-A,在20MHz频谱带宽提供下行100Mbps、上行50Mbps的峰值速率； 改善小区边缘用户的性能； 提高小区容量； 降低系统延迟，用户平面内部单向传输时延低于5ms，控制平面从睡眠状态到激活状态迁移时间

12、低于50ms，从驻留状态到激活状态的迁移时间小于100ms； 支持100Km半径的小区覆盖； 能够为350Km/h高速移动用户提供100kbps的接入服务； 支持成对或非成对频谱，可灵活配置1.4 MHz到20MHz多种带宽。,LTE主要性能目标,LTE关键技术,频谱灵活 支持更多的频段 灵活的带宽 灵活的双工方式（TDD/FDD） 先进的天线解决方案 分集技术 MIMO技术 Beamforming技术 新的无线接入技术 OFDMA SC-FDMA,移动通信系统的发展,WLAN标准,WLAN概念 WLAN标准主要包括802.11b、802.11a和802.11g等； 802.11b采用2.4G

13、Hz频段，可支持11Mbps的共享接入速率； 802.11a采用5GHz频段，速率高达54Mbps，采用OFDM（正交频分复用）技术，无障碍的接入距离只有30-50米； 802.11g是一种混合标准，既能适应802.11b标准，又符合802.11a标准，比802.11b速率快5倍，并和802.11b兼容。 WLAN的推广和认证工作主要由产业标准组织WiFi（Wireless Fidelity，无线保真）联盟完成，所以WLAN技术常称之为WiFi。,3G与WiFi比较,WiMAX 技术简介,概述 WiMAX技术不断冲击着人们的视野。有人说它将是对3G的一个补充，有人说它将对移动运营网络构成威胁，

14、也有人说它是无线宽带接入的一项技术手段。 WiMAX是什么? WiMAX是World Interoperability for Microwave Access（全球微波接入互操作性）的简称，它基于IEEE 802.16标准，其初衷是提供在城域网多厂商环境下，点对多点的宽带无线接入，因此WiMAX亦常被称为IEEE Wireless MAN（Metropolitan Area Network ）。 该技术涉及到两个国际组织的工作：IEEE802标准委员会802.16工作组和WiMAX论坛。IEEE802.16工作组是标准的制定者；WiMAX论坛是IEEE802.16技术的推广者。,WiMAX

15、技术简介,WiMAX标准演进 在IEEE802.16标准系列包括802.16、 802.16 a、802.16c、802.16d、802.16e、802.16f、802.16g、802.16h、802.16i、802.16k十个标准。 802.16标准于2001年12月发布，对10-66GHz系统的空中接口物理层和MAC层进行了规范。使用的频段较高，仅能应用于视距范围内。 802.16d标准于2004年发布，该标准详细规范了2-66GHz系统的空中接口物理层和MAC层，引入非视距传输，引入OFDM技术。同时增加了部分功能以支持用户的移动性。 802.16e标准于2006年初发布，该标准规定的系

16、统工作在2-6GHz之间适宜于移动性的许可频段，引入OFDMA技术，在5MHz的信道范围内提供15Mbit/s的速率。在提供高速数据业务的基础上，引入用户端以车辆速度的可移动性，提出支持小区和信道间高层切换能力。,WiMAX 应用模式,固定接入应用模式 固定接入业务是WiMAX基于802.16-2004标准的最基本业务模型。 组网模式与现在的点对多点固定无线接入相似。 固定无线接入，不支持切换和小区间用户数据交换。终端设备可以选择连接到信号最好的中心站。 WiMAX固定应用模式的用户及场景 企业用户、小区E1/IP的承载线路； 移动通信网络中基站和基站控制器互连的线路； 在有上网需求、用户分布

17、分散的地方如农村及边远地区，作为DSL的替代者进行无线宽带接入网络覆盖； 有线网络无法进入的地方，如地形地貌限制或历史文化古迹区；链路备份； 应急通信。 。,WiMAX 应用模式,移动应用模式 WiMAX移动应用模式采用符合IEEE802.16e标准的设备。 WiMAX移动应用模式是面向个人用户的，提供支持切换和QOS机制的无线数据接入业务，可以通过蜂窝组网方式覆盖较大区域。 WiMAX移动应用模式和WLAN、3G一样能够通过PCMCIA卡和PDA等向个人用户提供无线数据接入业务，而在覆盖范围、速率、移动性支持及终端成本方面各不相同，因此运营商需要考虑它们之间的协同工作，以满足用户的多样化需求

18、。 存在问题 我国尚未确定符合IEEE802.16e标准的设备工作频段以及相关的系统容量、覆盖范围等 。,WiMAX（802.16e）与3G技术 的差异性,从运营系统角度观察 WiMAX只定义了空中接口的物理层和MAC层，MAC层上协议及核心网部分不在802.16e范围之内，不构成完成整的移动系统。 3G是完整的移动系统，空中接口、核心网和业务规范等都已经完成了标准化工作。 从无线应用角度观察， WiMAX在相当长的时间内主要解决热点覆盖，可提供部分移动性。 3G则是连续覆盖，用户以全移动为主。 从提供的业务能力角度观察 WiMAX主要提供具有一定移动特性的宽带数据业务，面向的用户主要是笔记本

19、终端和802.16e终端持有者。 3G从设计最初就是为话音业务和数据业务共同设计的，语音QoS有较高的保障。3G的数据能力也在不断提高，3G增强型如HSPA，已经可以实现10Mbit/s的接入速率。,3G与WiMAX技术的比较,WBMA 技术简介,概述 移动宽带无线接入(WBMA)提供与移动电话系统一样的覆盖率和移动速度并拥有WiFi的数据传输速率。 WBMA目前主要采用 了一种从局域网(LAN)扩展到广域网(WAN)的互联网协议-IEEE802.20标准。 Flarion科技公司(由朗讯贝尔实验室分拆而出)率先开发出了基于FLASH(Fast Low-latency Access with

20、Seamless Handoff)-OFDM技术的WBMA系统.。,3G与WBMA技术的比较,移动宽带化，宽带移动化,IMT-Advanced(4G):高速移动环境，支持100Mbps; 低速移动环境，支持约1Gbps,（GJL207000）,趋势：移动化、宽带化、 IP化,E3G 3GPP LTE：2007年年底完成技术规范 3GPP2 DO UMB：2007年4月 规模商用时间：2010年后 IMT-Advanced(4G) ITU已启动标准征集和评估的相关准备工作 2008年9月开始征集候选技术 商用时间：2015年前后 WiMAX II (802.16m) 2007.10月19日ITU

21、-R大会批准WiMAX以OFDMA WMAN TDD名称进入3G标准,宽带移动通信标准化,趋势：移动化、宽带化、 IP化,我们的移动通信需要有 更高的频谱效率 更高的业务质量 多种多样的业务 支持移动多媒体,数字化 宽带化 智能化 个人化,需求：无线个人通信发展的源动力,CDMA无线个人通信,个人通信概述 无线多址接入技术 无线传播与移动信道 蜂窝通信原理 CDMA通信原理及其性能分析 CDMA无线个人通信关键技术 第三代移动通信技术,基本概念 移动用户要建立通信，首先要实现动态寻址，即在服务范围内利用开放式的射频电磁波寻找用户，同时为了满足多个移动用户同时实现寻址，多个地址之间还必须满足相互

22、正交特性，以避免产生地址间相互干扰。 多址划分从原理上讲，与固定通信中的信号多路复用是一样的，实质上是属于信号的正交划分与设计技术。不同点是多路复用的目的是区分多个通路。通常是在基带和中频上实现的，而多址划分是区分不同的用户地址，通常需要利用射频频段辐射的电磁波来寻找动态的用户地址。同时为了实现多址信号之间互不干扰，信号之间必须满足正交特性。,无线通信的多址技术,多址技术,FDMA 在移动通信中，最典型的频分多址方式有北美800MHz的AMPS体制，欧洲与我国900MHz的TACS体制。 主要技术特点 每个信道传送一路电话，带宽较窄。TACS为25KHz，AMPS为30KHz。 当系统为移动台

23、分配了信道，移动台与基站之间会连续不断收、发信号。由于收发信机同时工作，为了收发隔离，必须使用双工器。 公用设备成本高，FDMA采用每载波（信道）单路方式，一个基站30个信道，则每基站需要30套收发信机设备，不能公用。,多址接入方式,TDMA 在移动通信中，最典型的时分多址方式有北美D-AMPS与欧洲和我国GSM-900，DCS-1800及日本的PDC。 主要技术特点 每载波8个时隙信道，每个信道可提供一个数字语音用户，因此每个载波最多可提供8个用户； 采用突发脉冲序列传输，每个移动台发射是不连续的，只有在规定的时隙内才发送脉冲序列； 传输开销大，GSM帧结构分为时隙、TDMA帧、复帧、超帧和

24、超高帧5个层次，每个层次需占用一些非信息位的开销，总开销比较大。,多址接入方式,TDMA: GSM频点：200KHz为一个频点，双工方式：FDD 其中移动占用95个频点（195），联通占用29个频点（96124）,多址接入方式,TDMA 主要技术特点 GSM采用TDMA，每个信道比TACS宽8倍，传输速率达270.8Kbps，在该速率上就必须要考虑传输时延扩展的影响。因为GSM码元周期为3.7s，而繁华城区的多径时延扩展已达3 s左右，已完全可以比拟。为克服多径时延扩展，GSM采用了自适应均衡技术，但增加了设备复杂性。 GSM的每个载波可提供8个用户，它们由于具有时分特性可共用一套收发设备，从

25、而降低了成本。 TDMA是数字移动通信方式，对新技术的适应性比采用FDMA的模拟系统强。 TDMA的时隙结构可以灵活，不仅可以适应不同数据速率的传送，还可以利用时隙的空闲（时隙切换）省去常规的双工器。,多址接入方式,CDMA CDMA与FDMA、TDMA划分的形式不同，FDMA与TDMA属于一维（频域或时域）划分，CDMA属于二维（时、频域）划分。 CDMA的地址划分是基于特征，CDMA中所有用户可同时占用同一时隙、同一频段，只要它们具有可分离的各自特征。区分用户的特征是用户地址码的相关特性。 移动通信中，最典型的码分多址方式有：2G的窄带CDMA系统（IS-95体制）；3G的宽带CDMA系统

26、（cdma2000、WCDMA和TD-SCDMA体制）,多址接入方式,CDMA IS95 CDMA频点：1.23MHz为一个载频，双工方式：FDD 在我国，目前联通占用10M带宽，共7个载频 41个AMPS频点为1个CDMA载频（30K*41）,多址接入方式,IS-95体制下的码分多址方式 一个基站共有64个信道，采用正交的Walsh函数划分信道，在完全同步的情况下，64个Walsh函数是完全正交的。 IS-95采用FDD方式：上行 824-849MHz，下行 869-894MHz； 下行（前向）信道配置 64个码分信道：一个导频信道W0，一个同步信道W32 ，7个寻呼信道W1 W7 ，其余5

27、5个业务信道。,多址接入方式,IS-95体制下的码分多址方式 上行（反向）信道配置 n132， n264，接入信道最多为32个 ，业务信道最多为64个。 IS-95 CDMA的主要技术特点 CDMA系统所有用户共享同一时隙、同一频段； CDMA采用扩频通信，信道占用1.25MHz，属于宽带通信系统，它具有扩频通信的一系列优点，如抗干扰强，低功率谱密度等；,多址接入方式,中国的3G/4G频段,2002年中国无线电委员会根据ITU的建议，结合本国国情，颁布了3G/4G频段：,100 MHz,TDD,2300,2400,无线接入评价标准,概念 无线接入技术的基本问题是：频谱资源的充分利用和传输质量的

28、保证，包括可靠性和安全性。为了评价频谱利用程度和传输质量的好坏，需要采用一些评价要素，如频带效率、电路频谱效率及相关的质量评估指标； 频带效率（Spectral Efficieny） 频带效率定义为传输的码率bit/s与数字信号所占频带Hz之比，即bit/Hz。 IS-54标准规定30KHz信道传输48kbit/s，频带效率为1.6 bit/Hz； GSM标准规定200KHz信道传输270 kbit/s，频带效率为1.4 bit/Hz。 频带效率与信源编码无关，只决定于调制制式，标志调制的信息密度，故也称为调制信息密度。,无线接入评价标准,电路频谱效率（Circuit Spectrum Eff

29、icieny ） 电路频谱效率定义为每个区中每MHz频谱的电话电路数，即： m ：每个载波的电路数；B：信道带宽（包括保护带）；RA：限制使用的邻信道数。 上式考虑了收发所需一对频率及两信道间必须的保护带和相邻信号在同一区的限制使用。 质量评估 声音和图象的质量是多维的度量，例如线性失真，非线性失真，时延，回声，量化噪声等。它们之间的相互关系及对人们的感觉是需要通过主观评价来进行，也很难统一。 为了统一质量评价标准，通常信源编码采用主观测量方法评估质量；信道的质量统一用误比特率（BER）进行评估；,CDMA无线个人通信,个人通信概述 无线多址接入技术 无线传播与移动信道 蜂窝通信原理 CDMA

30、通信原理及其性能分析 CDMA无线个人通信关键技术 第三代移动通信技术,无线传播与移动信道,概念 移动信道属于无线信道，它既不同于传统的固定有线信道，也与一般具有可移动功能的无线接入的无线信道有所区别，它是移动的动态信道； 移动信道取决于用户所在地的环境条件，其信道参数是时变的； 移动通信中的各类新技术都是针对移动信道的动态时变特性，为解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性的基本指标而设计的。,移动信道的特点,移动通信信道的三个主要特点 传播的开放性 一切无线信道都是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输； 接收环境的复杂性 是指接收点地理环境的复杂性与多样性； 一般可以将接收点地理环境划

31、分为三类典型区域：高楼林立的城市繁华区，以一般性建筑物为主体的近郊区，以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区； 通信用户的随机移动性 移动通信主要包含三种类型：准静态的室内用户通信、慢速步行用户通信和高速车载用户通信。,移动信道的特点,移动通信信道中的电磁波传播 直射波 在视距覆盖区内无遮挡的传播，是超短波、微波的主要传输方式，经直射波传播的信号最强； 反射波 从不同建筑物或其他反射体反射后到达接收点的传播信号，其信号强度较直射波弱； 绕射波 从较大的建筑物与山丘绕射后到达接收点的传播信号。但是，它需要满足电波产生绕射的条件，其信号强度较直射波弱； 散射波 穿透建筑物的传播及空气中离子受激后二次

32、发射的漫反射产生的信号。但它们相对直射波、反射波、绕射波都比较弱。,移动信道的特点,接收信号中的三种损耗 路径传播损耗 路径传播损耗是指电波在空间传播所产生的损耗，反映了传播在宏观大范围（千米量级）的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 慢衰落损耗 慢衰落损耗主要指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损耗，反映了在中等范围内（数百波长量级）的接收信号电平平均值起伏变化产生的趋势。 慢衰落损耗为无线传播所特有，从统计规律上服从对数正态分布，其变化率比信息速率慢，所以称为慢衰落。 快衰落损耗 快衰落损耗反映了微观小范围（数十波长以下量级）接收电平平均值的起伏变化趋势，

33、其电平幅度分布一般遵循瑞利（Rayleigh）、莱斯（Rice）和纳卡伽米（Nakagami）分布，其变化速率比慢衰落快，故称为快衰落。,移动信道的特点,接收信号中的四种主要效应 阴影效应 由于大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影。 光线的波长较短，阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但接收机可以感觉出来。 远近效应 由于用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也在随机变化，若个移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。 通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出

34、现以强压弱的现象，并使弱者即离基站较远的用户产生掉话（通信中断）现象，通常称这一现象为远近效应。,移动信道的特点,接收信号中的四种主要效应 多径效应 由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号、还有从不同建筑物发射及绕射过来的多条不同路径的信号，而且它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样。 所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说，各路径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应 多径干扰非常复杂，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续的反射波等。 多谱勒效应 多谱勒效应是由于接收用户处于高速移动中，比如车载通信时传播频率的扩

35、散而引起的，其扩散的程度与用户运动速度成正比。 这种现象只产生在高速（70km/h）车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信则不予考虑。,无线传播模型,传播损耗基本模型 我们总体上对传播损耗模型做基本的定量分析。根据前面分析可知，传播的总损耗分别由大尺度范围（千米量级）的路径损耗、中尺度（数百波长量级）阴影效应和小尺度范围（数十波长以下量级）的快衰落共同决定的。 传播总损耗可表示如下 d(t)-：大范围的路径损耗， 25.5； Sd(t)：中范围的阴影效应损耗； Kd(t)：小范围内的快衰落损耗。,无线传播模型,大尺度衰落与小尺度衰落,大尺度的传播损耗分析,基本概念 移动通信信道

36、是一个完全开放式的信道，其传播损耗从宏观的大范围看，主要决定于传播的环境与条件。 传播损耗不仅决定于传播距离，而且还与传播中的地形、地貌、传播的载波频率，以及收、发天线高度等密切相关。 从理论角度得出一个确切、完整的传播损耗公式难度很大。大多数传播模型是通过分析和试验相结合而获得的。 试验方法依赖于测试数据的曲线或解析式拟合。这种方法的优点是通过场强测试考虑了所有的传播因素，包括已知和未知的。 通常在工程上大多采用一些经验公式与模型，这对于工程技术人员而言已基本上能满足工程上的估算要求。,大尺度的传播损耗分析,对数距离路径损耗模型 基于理论和测试的传播模型指出，无论室内或室外信道，平均接收信号

37、的功率随距离的对数衰减。 对任意收发距离，平均大尺度路径损耗可表示为： n：路径损耗指数，表明路径损耗随距离增长的速率。n值决定于特定的传播环境，自由空间为2，当有阻挡物时增大； d0：近地参考距离，由测试决定。在蜂窝系统，经常采用1km的参考距离，微蜂窝采用100m或1m，但参考距离应设在天线的远场区； d：收发距离。,大尺度的传播损耗分析,对数距离路径损耗模型 采用对数-对数坐标时，路径损耗表示为斜率为10 n dB/10倍程的直线。 不同环境下路径损耗指数：,对数正态阴影损耗,对数正态阴影 以上路径损耗模型没有考虑到在相同收发距离情况下,不同位置的周围环境的差别,就会导致测试信号与路径损

38、耗模型预测的平均结果有很大差异： 测试表明,对任意的d 值，特定位置的路径损耗PL(d)为随机正态对数分布, 即: X：0均值的高斯分布随机变量，单位dB； ：标准偏差 ，单位dB。 对数正态分布描述了在传播路径上，具有相同收发距离时，不同的随机阴影效应。这种现象叫对数正态阴影。 对数正态阴影意味着在特定收发距离的测试信号电平是路径损耗模型平均值的高斯(正态)分布，其中测试信号单位为dB，高斯分布标准偏差的单位也是dB 。这样，利用高斯分布可以方便地分析阴影的随机效应。,对数正态阴影损耗,对数正态阴影模拟结果,深度阴影,轻微阴影,大尺度的传播损耗分析,经验模式 经验模式是根据大量的测量结果统计

39、分析后导出的公式。 用经验模式预测路径损耗的方法很简单，不需要有关环境的详细信息，但不能提供非常精确的路径损耗估算值。 经验模式计算的是闭式形式的公式，便于快速应用。 确定性模式 确定性模式是对具体的现场环境直接应用电磁理论计算的方法。环境的描述从地形地物数据库(数字电子地图）中得到，在环境描述中可以找到不同的精度等级。 在市区、山区环境情况中，确定性的无线传播预测是一种极其复杂的电磁问题。 电磁覆盖的数学复杂度使它不可能预测高度精确的无线传播。无线传播和环境特征，诸如建筑物高度、街道宽度、地面类型等有关。,大尺度的传播损耗分析,半经验或半确定性模式 半经验或半确定性模式是基于把确定性方法用于

40、一般的市区或室内环境中导出的等式。 有时候，为了改善它们和实验结果的一致性，则根据实验结果对等式进行修正。得到的等式是天线周围地区某个规定特性的函数。 与经验模式一样，结果是从闭式中得到，使用方便。 环境小区分类 由于移动通信所在环境的多样性，所以每个传播模式都是对某特定类型环境设计的。因此，可以根据传播模式的应用环境对它分类。 通常考虑的三类环境（小区）为：宏小区、微小区和微微小区。,大尺度的传播损耗分析,传播模式与环境小区的适用关系 三种类型模式和三种小区类型之间有相互适应的关系； 经验模式和半径验模式适合于具有均匀特性的宏小区； 半径验模式还适合于均匀的微小区，模式所考虑的参数能很好地表

41、征整个环境； 确定性模式适合微小区和微微小区，不管它们的形状如何； 确定性模式不适合对宏小区。 。,Okumura模式,概述 在宏小区中，由于移动台经常处在城市街道建筑物屋顶平面以下，直达射线可能被遮掩掉。 经验模式根据实验测试数据并利用曲线拟合对都市化地区传播进行模式化。 最常用的经验模式是奥村（Okumura）和他的合作者的经验模式，根据日本东京近郊广泛测试的结果得到； Okumura数据是由大量实测资料形成的，该模式已在全世界范围内得到广泛采用，利用修正因子使它适用于非东京地区。,Okumura模式,奥村模式的形成 奥村模式使用宽范围的频率，各种固定站天线高度和移动台天线高度，以及各种不

42、规则地形和环境地物条件下测量信号强度。形成一系列曲线图表，这些曲线图表显示的是几个频率上的场强和距离的关系； 根据各种环境的要求得出开阔地和市区中场强对距离的依赖关系，市区中值场强对频率的依赖关系，以及市区和郊区的差别，给出郊区修正因子的曲线，给出天线高度对信号强度相互关系的曲线并给出了各种地形的修正。,Okumura模式,Okumura模式,奥村模式的环境分类 奥村预测方法首先需要对所预测的地形判断属于哪类环境。除了选择合适的环境类型外，还需要根据特殊地形对奥村方法得到的平均路径损耗预测值进行修正。 按密度和阻挡程度将所调查的地面障碍物分成开阔区、郊区、市区三类。 为了得到适合任何现有地形的

43、场强预测，奥村信号预测方法中根据Okumura地形剖面图定义了基站的有效天线高度，然后把有效天线高度值应用于无线电波传播公式的计算中。,Okumura模式,Okumura地形剖面与天线高度 有效天线高度(hte)被定义为天线相对海平面高度(hts)减去距离从3km到15km之间的平均地面高度(hga) 。,Okumura-Hata 模式,Hata公式 Hata公式是奥村测量结果的简单公式表示 Loss（损耗）= A + B log d A和B是频率、天线高度和地型类型的函数，d 是收发之间的距离 Hata公式被限止使用在100到1500 MHz频率范围，距离在1和20km之间 基站天线高度在3

44、0m和200m之间，移动台天线高度从1m到10m,Okumura-Hata 模式,Okumura-Hata中值路径损耗公式 中值路径损耗的基本公式被国际无线电咨询委员会（CCIR）采纳，形式为： 式中：fc 是载波频率(MHz)，d是距离(km)，hb是基站天线的有效高度(m)， a(hm)是移动台高度校正因子，K是使用地区环境修正系数（dB）。,Okumura-Hata 模式,移动台高度校正因子a(hm) 移动台天线高度hm使用了移动台高度校正因子a(hm)， a(hm) 在各种环境中的值为 中等城市： 大城市： 修正因子K Okumura-Hata中值路径损耗公式考虑了都市准平坦地形的情况

45、，对于郊区和农村地区（开阔区）要由修正因子进行相应修正。 市区： 郊区： 农村地区：,COST 231-Hata模式,概述 欧洲科学技术研究会（EURO-COST）组成COST231工作组开发Hata模型对个人通信（PCS）的扩展，提出将Hata模型扩展至2GHz频段，通过对较高频段的Okumura 传播曲线进行分析，得到了所建议的公式 ，形成COST 231-Hata模式，适用频段为1500-2000 MHz 。 路径损耗公式,Walfisch-Ikegami(WIM)模式,概述 模型包含3个部分:自由空间损耗,屋脊到街道的绕射和散射损耗及多次屏蔽损耗。,适用频段为800-2000 MHz

46、基站高度hb： 4-50m 移动台高度hm：1-3m 基站移动台距离d：0.02-5km 无线路径上建筑物间距离b：20-50m 街道宽度w=b/2 相对于街道的入射角90,Walfisch-Ikegami(WIM)模式,路径损耗公式,Lf ：自由空间损耗 Lrts ：屋脊到街道的绕射、散射损耗 Lms ：多次屏蔽损耗 Lt ：树叶、树木引入的附加损耗,Walfisch-Ikegami(WIM)模式,自由空间损耗,w：街道宽度(m)；hm= hr- hm(m)；hr：建筑物高度；hm：移动台高度。,屋脊到街道的绕射与散射损耗,：相对于街道的入射角；,Walfisch-Ikegami(WIM)模

47、式,多次屏蔽损耗,b：无线路径上建筑物间的距离；,Walfisch-Ikegami(WIM)模式,树木造成的衰落校正因子,校正因子用于计算温和气候下具有浓密、干燥树叶的树木所造成的附加损耗。,Lt ：树木损耗(dB)；df ：树木高度(m) 。 Lt 损耗在有树叶与没有树叶时相差3-5 dB。,WIM与Hata模型路径损耗的比较 Hata模型未考虑来自街道宽度、街道绕射和散射等带来的影响。两者损耗一般差13-16 dB。 WIM模型要比Hata模型更为精确，但也更复杂。,Walfisch-Ikegami(WIM)模式,小尺度衰落分析,概念 小尺度衰落是指无线信号在经过短时间或短距传播后其幅度快

48、速衰落，以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计。 小尺度衰落是由于同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。这些波称为多径波。接收机天线将它们合成一个幅度和相位都急剧变化的信号，其变化程度取决于多径波的强度、相对传播时间，以及传播信号的带宽。 无线信道的多径性导致小尺度衰落效应的产生 经过短距或短时传播后信号强度的急速变化； 在不同多径信号上，存在着时变的多普勒频移(Doppler Shifts)引起的随机频率调制； 多径传播时延引起的时延扩展。,小尺度衰落分析,时变多径信道,影响小尺度衰落的因素,多径传播 信道中反射及反射物的存在，导致信号幅度、相位及时

49、间的变化, 使电波到达接收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。 不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号强度波动，导致小尺度衰落、信号失真等现象。 多径传播常常延长信号基带部分到达接收机所用的时间，由于码间干扰引起信号模糊。 移动台的运动速度 基站与移动台间的相对运动会引起随机频率调制，这是由于多径分量存在的多普勒频移现象。 决定多普勒频移是正频移或负频移取决于移动接收机是朝向还是背向基站运动。,影响小尺度衰落的因素,环境物体的运动速度 如果无线信道中的物体处于运动状态，就会引起时变的多普勒频移。 若环境物体以大于移动台的速度运动，那么这种运动将对小尺度衰落起决定作用。否则，可仅考虑

50、移动台运动速度的影响，而忽略环境物体运动速度的影响。 信号的传输带宽 如果信号的传输带宽比多径信道带宽大得多，接收信号会失真，但本地接收机信号强度不会衰落很多(即小尺度衰落不占土导地位)。 若传输信号带宽比信道带宽窄，信号幅度就会迅速改变，但信号不会出现时间失真。 小尺度信号的强度和短距传输后信号模糊的可能性与多径信道的特定幅度、时延及传输信号的带宽有关。,多普勒频移,原理 当移动台以恒定速率v 在长度为d，端点为X和Y的路径上运动时收到来自远端源S发出的信号。 无线电波从源S出发，在X点与Y点分别被移动台接收时所走的路径差为 l =d cos = vt cos 。 t 是移动台从X运动到Y所

51、需的时问， 是xX和Y处与入射波的夹角。 由于源端距离很远，可假设X、Y处的是相同的。所以，由路程差造成的接收信号相位变化值为：,由此可得出频率变化值，即多普勒频移为：,多普勒频移,例子 载波频率 fc = 1850 MHz (i.e. = 16.2 cm) 车载速度 v = 60 mph = 26.82 m/s 如果车辆直接向发射机运动 fd = fc + f = 1850 106 + 26.82/0.162 = 1850.000165MHz 如果车辆运动与发射信道的到达角垂直 f = 0,三类主要快衰落,空间选择性衰落 空间选择性衰落是指不同地点和不同空间位置衰落特性不一致的现象； 空间选

52、择性衰落的现象、成因与机理如图所示：,三类主要快衰落,空间选择性衰落 信号输入 射频：单频等幅载波 角度域：在0角上送如一个脉冲式的点波束 信道输出 时空域：在不同接收点S1，S2，S3，时域上衰落特性是不一样的，即同一时间，不同地点（空间）衰落起伏是不一样的，这样在空域上看，其信号包络的起伏周期为T1。 角度域：在原来的0角度上的点波束产生了扩散，其扩散宽度为。 结论 由于开放型的时变信道使天线的点波束产生了扩散而引起了空间选择性衰落，其衰落周期为T1 / ，其中为波长。 空间选择性衰落，通常又称为平坦瑞利衰落。这里的平坦特性是指在时域、频域不存在选择性衰落。,三类主要快衰落,频率选择性衰落

53、 频率选择性衰落是指不同频段上衰落特性不一致的现象； 频率选择性衰落的现象、成因与机理如图所示：,f,1/L,t,t0+ t,t,宽带移动信道,t0,f,L/2,三类主要快衰落,频率选择性衰落 信号输入 频域：白色等幅频谱 角度域：在 t0 时刻输入一个 脉冲 信道输出 频域：衰落起伏的有色谱。 时域：在t0+ t 瞬间， 脉冲在时域产生了扩散，其扩散宽度为L/2，其中，t 为绝对时延 。 结论 由于信道在时域的时延扩散，引起了在频域的频率选择性衰落，且衰落周期为T2 = 1/L，即与时域中的时延扩散程度成正比。,三类主要快衰落,时间选择性衰落 时间选择性衰落是指不同的时间衰落特性不一致的现象

54、； 空间选择性衰落的现象、成因与机理表示如图所示：,三类主要快衰落,时间选择性衰落 信号输入 时域：单频等幅载波 频域：在单一频率f0上单根谱线（脉冲） 信道输出 时域：包络起伏不平。 频域：以f0+ f 为中心产生频率扩散，其宽度为B，其中， f 为绝对多谱勒频移，B为相对值 。 结论 由于用户的高速移动在频域引起多谱勒频移，在相应的时域其波形产生时间选择性衰落，其衰落周期为T3 = /B。,三类主要快衰落,实际移动通信中三类选择性衰落产生的条件 在实际移动通信中，三类选择性衰落都存在，根据其产生的条件大致可以分为第一、二、三类多径干扰。 第一类多径干扰：由于快速移动用户附近的物体的反射而形

55、成的干扰信号，其特点是由于用户的快速移动，在信号的频域上产生多谱勒（Doppler）频移扩散，从而引起信号在时域上时间选择性衰落； 第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物或山丘的反射而形成的干扰信号，其特点是传送的信号在空间和时间上产生了扩散，空域上波束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落； 第三类多径干扰：是由于接收信号受基站附近建筑物和其他物体的反射而引起的干扰，其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在空间的选择性衰落。,三类多径干扰,第一类多径干扰,第二类多径干扰,第三类多径干扰,空间角度、频率、时间典型扩散值

56、,第二代移动通信中典型地理环境下，电波传播空间角度、时间与频率所产生的典型扩散值如表所示：,时间色散参数 多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽。 假设基站发射一个极短的脉冲信号Si (t) = a0 (t)，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，结果使脉冲宽度被展宽了。这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为时间色散，也称为多径时散。,移动多径信道的参数,时间色散参数,时变多径信道 多径性质是随时间而变化的。如果进行多次发送脉冲试验，则接收到的脉冲序列是变化的。它包括脉冲数目N的变化、脉冲幅度的变化及脉冲延时差的变化。 接收的多径信号可表示为N个路径的信号之和： ak是第k条路径

57、的衰减系数； k (t)为第k条路径的相对时延。,实际情况远要复杂得多，各个脉冲幅度是随机变化的，在时间上可以互不交叠，也可以相互交叠，甚至随移动台周围散射体数目的增加，所接收到的一串离散脉冲将会变成有一定宽度的连续信号脉冲。,时间色散参数,多径时延信号包络 根据统计测试结果，移动通信中接收机接收到多径的时延信号包络大致如图所示： E(t)为归一化的包络特性曲线，它是以不同时延信号所构成的时延谱； t 是相对时延值, t = 0表示 E(t) 的前沿； E(t)的一阶矩为平均多径时延 ； E(t)的二阶矩的平方根为多径时延散布，常称rms作时延扩展，用 表示。,时间色散参数,时间色散参数的确定

58、 最大时延 max 定义为多径能量从初值衰落到低于最大能量 X dB (如30 dB) 处的时延值，即 max = X - 0 ； 表示多径时散散布的程度。 越大，时延扩展越严重； 越小，时延扩展越轻。 一般情况下，市区的时延要比郊区大。从多径时散考虑，市区传播条件更为恶劣。 为了避免码间干扰，如无抗多径措施，则要求信号的传输速率必须比1 低得多。,时间色散参数,室内多径时延信号包络测试的示例,时间色散参数,时间色散参数的确定 时间色散参数确定常常是通过在各个离散的相对时延点上测量接收的多径时延功率的方法得到。 离散测量点上的各个平均时延 、rms时延扩展 可定义为如下：,时间色散参数,例子

59、根据图示的时延测量结果计算平均时延、和时延扩展。,基本概念 相干带宽Bc是指在这样的带宽上信号传播特性是相关的，在该带宽内信道以近似等增益和线性相位通过全部频谱分量。 相干带宽代表一频率范围，在这个频率范围内两个接收信号的幅度、相位都有高度的相关性，即这两个信号的频谱分量以类似方式受到信道的影响，如出现衰落或不出现衰落。 相关带宽定义 如果相干带宽Bc被定义为这样的带宽，在该带宽上频率相关函数大于0.9的话，相干带宽B c 近似为： 如果定义放宽到相关系数值大于0.5则相干带宽近似为： 说明：（1）相干带宽和时延扩展是对多径衰落信道的不同观察；（2）相干带宽Bc与rms时延扩展 之间的精确关系是不存在的。,相干带宽,相干带宽对信号传输的影响 如果两个单频 f1 和 f2 正弦信号的频率间隔 f = | f1 f2 | 大于信道相干带宽Bc，那么它们受到信道的影响不同，例如信号的衰落是不相关的。 如果传输信号的带宽Bw 大于相干带宽Bc，我们称信道是频率选择性信道。在这种情况，不同频率分量遇到不同的增益和相移。反之，如果相干带宽Bc 比信号带宽Bw 大，则信道则是非频率选择性信道，所有频率分量遇到同样的衰耗和相移。即： Bw B