移動通信技術(shù)及應(yīng)用第2章移動通信概論.ppt

第二章 移動通信的基本概念,無線電波的傳播特性 移動信道的特征 *陸地移動信道的場強(qiáng)估算與損耗 蜂窩系統(tǒng)工作原理 移動通信系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無線環(huán)境下的噪聲與干擾,學(xué)習(xí)目標(biāo),理解并掌握直射波、反射波、地面波、自由空間、 自由空間傳播、地球等效半徑、視距傳播、繞射損耗、多徑效應(yīng)、多普勒頻移、快衰落、慢衰落等概念。 初步了解地形、地物的分類，以及任意地形地區(qū)的傳播損耗中值的估算。 掌握蜂窩、小區(qū)、區(qū)群、中心激勵、頂點激勵、移動通信系統(tǒng)的組成、多址技術(shù)等概念，能夠使用自己的語言陳述常用的各功能設(shè)備的作用與接口。 理解常見的各類噪聲與干擾，如同頻干擾、鄰頻干擾、互調(diào)干擾、時隙干擾和碼間干擾等，了解某些抑制噪聲和干擾的技術(shù)。 了解全國蜂窩系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，了解移動通信網(wǎng)絡(luò)的區(qū)域、號碼、地址與識別。,學(xué)習(xí)指導(dǎo),本章主要內(nèi)容涉及移動通信中的一些基礎(chǔ)概念，主要包括無線電波的傳播特性、移動信道的特征、陸地移動信道的場強(qiáng)估算與損耗、蜂窩系統(tǒng)的工作原理、移動通信系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以及噪聲與抗干擾技術(shù)。其中無線電波的傳播特性、移動信道的特征兩部分是本章的重點與難點，涉及的基本概念很多，而且這兩部分是后面陸地移動信道的場強(qiáng)估算與損耗的基礎(chǔ)。在本章中，蜂窩系統(tǒng)的工作原理和移動通信系統(tǒng)的基本網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也是本章的重點，它為你提供了一個系統(tǒng)的、全局的視角來理解移動通信的概貌。噪聲和干擾是影響通信性能的一個重要因素，了解噪聲與干擾對解決移動通信中的很多實際問題具有很大的幫助。對本章中諸多基本概念的理解與掌握有助于后續(xù)移動通信系統(tǒng)各章節(jié)的學(xué)習(xí)，為理解移動通信中的一系列問題可提供相關(guān)的理論基礎(chǔ)。,知識地圖,無線電波的傳播特性 1,電波的傳播方式 直射波 大氣中的電波傳播 障礙物的影響與繞射損耗 反射波,1、 電波的傳播方式,從發(fā)信機(jī)發(fā)出的電波在到達(dá)收信機(jī)時，可能會沿不同的路徑進(jìn)行傳播，如圖2-1示。沿著地表面?zhèn)鞑サ碾姴ǎㄈ缏窂?）稱為地面波；從發(fā)射天線直接到達(dá)接收天線的電波（如路徑2）稱為直射波；經(jīng)過大地反射到達(dá)收信機(jī)的電波（如路徑3）稱為反射波。一般而言，收信機(jī)A接收到的電波是由直射波和大地反射波合成的，但是有時也混有一些地面波，所有這些波統(tǒng)稱空間波。經(jīng)過電離層反射而傳播的電波（如路徑4）稱為電離層波，它主要用于短波通信。,無線電波的傳播特性 1,圖2-1 典型的電波傳播通路,無線電波的傳播特性 1,地面波,直射波,反射波,電離層波,由于地面波隨頻率的提高衰減很快，所以在使用VHF和UHF頻段的移動通信中，地面波可以忽略不計。另外，當(dāng)陸上天線的高度小于一個波長，海上天線的高度小于510個波長的情況下，地面波的場強(qiáng)才能超過直射波的場強(qiáng)，這時才考慮地面波。即只要天線高度超過這個界限，直射波和反射波合成場強(qiáng)便起主要作用，并大于地面波；當(dāng)天線高度低于這個界限時，電波傳播主要由地面波決定。在VHF頻帶的定點通信中，天線高度都處在幾個波長以上，因此可以不考慮地面波的影響。對于VHF頻帶的移動通信中，也是將電波傳播考慮為直射波和反射波相干合成。,無線電波的傳播特性 1,2、直射波,電磁波在真空中的傳播稱為自由空間傳播。由于自由空間具有各向同性、電導(dǎo)率為零等特性，因此電波在自由空間里傳播時，不存在反射、折射、繞射、散射以及吸收等現(xiàn)象，只存在因電磁場能量擴(kuò)散而引起的傳播損耗。,無線電波的傳播特性 1,直射波可近似按自由空間傳播來考慮。實際上，只要地面上的大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)，其相對介電常數(shù)和相對導(dǎo)磁率都等于1，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達(dá)接收天線的地面反射信號場強(qiáng)也可以忽略不計，在這樣的情況下，電波傳播就可以視作在自由空間中傳播。也就是說，把大氣看成為近似真空的均勻介質(zhì)，在大氣中的傳播就等效于自由空間傳播，它只與頻率f和距離d有關(guān)。當(dāng)電波經(jīng)過一段距離傳播之后，輻射能量會擴(kuò)散而引起衰耗（也稱衰減或損耗）。自由空間的傳播衰耗lts定義為：,無線電波的傳播特性 1,(式2-1),式中，是電磁波的波長，d是收發(fā)天線間距離。 直射波的傳播途徑如圖2-1中路徑2所示。直射波傳播距離一般限于視距范圍。在傳播過程中，它的強(qiáng)度衰減較慢，超短波和微波通信就是利用直射波傳播的。,無線電波的傳播特性 1,3、 大氣中的電波傳播,（1）自由空間傳播的場強(qiáng)計算,電波在自由空間中的傳播模型可用圖2-2來模擬。在O點有一個各向同性的輻射器，假設(shè)其輻射功率為Pt，從電磁場理論知道，在距離波源為d處的功率密度如下：,圖2-2 各向同性輻射器在自由空間的輻射,無線電波的傳播特性 1,同時，功率密度可寫成：,式中，Em、Hm分別為電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的振幅值； Eo、Ho分別為電場強(qiáng)度和磁場強(qiáng)度的有效值，故可得,式中Pt和d的單位分別為W和m。通常場強(qiáng)以分貝（dB）表示，并取場強(qiáng)1v/m為0參考點（dBv/m，簡稱dB），則,式中，Pt為輻射功率（W），d為距離（km）。,無線電波的傳播特性 1,以上的輻射器為各向同性輻射器，若輻射器有方向性，則可設(shè)其方向性系數(shù)為Dt，有：,或,（2）自由空間的傳播損耗,傳播損耗Lo是指發(fā)信天線的輻射功率Pt與收信機(jī)輸入功率Pr 之比，即,（式2-8）,自由空間傳播損耗是指收、發(fā)天線都是各向同性輻射器時，兩者之間的傳播損耗。,無線電波的傳播特性 1,電波由各向同性發(fā)信天線輻射后，經(jīng)傳播距離d到達(dá)信點，由式（2-2）可計算其功率密度S值。收信天線接收的功率為,式中A為收信天線的有效面積。對于各向同性收信天線來說，,式中為工作波長（m）。由式（2-1）可得自由空間傳播損耗為,則,無線電波的傳播特性 1,式中，f為工作頻率（MHz），d為傳播距離（Km）。按上式畫出頻率為150MHz、450MHz和900MHz的自由空間傳播損耗Lo與距離d的關(guān)系，如圖2-3所示。由于橫坐標(biāo)采用對數(shù)尺度，故損耗（dB）與距離呈現(xiàn)直線關(guān)系。同時，由（式2-12）可見，自由空間的電波傳播損耗只與工作頻率f和傳播距離d有關(guān)。由（式2-12）可推算出，在該公式的適用范圍內(nèi)，若將f或d增大一倍，則損耗將分別增加6dB。,圖2-3 自由空間,無線電波的傳播特性 1,（3）大氣折射,在不考慮傳導(dǎo)電流和介質(zhì)磁化的情況下，介質(zhì)折射率n與相對介電系數(shù)r的關(guān)系為,眾所周知，大氣的相對介電系數(shù)r不是恒定的，它與溫度、濕度和氣壓有關(guān)。因此，大氣高度不同，r也不同，即dn/dh也是不同的。,無線電波的傳播特性 1,根據(jù)折射定律，設(shè)c為光速，則電波傳播速度v與大氣折射率n成反比，即,這種由大氣折射率引起電波傳播方向發(fā)生彎曲的現(xiàn)象，稱為大氣對電波的折射。我們用“地球等效半徑”來表征大氣折射對電波傳播的影響，即認(rèn)為電波依然按直線方向行進(jìn)，只是地球的實際半徑Ro（6.37106m）變成了等效半徑Re，Re與Ro之間的關(guān)系為,式中，k稱作地球等效半徑系數(shù)，若當(dāng)dn/dh1，ReRo。在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，即當(dāng)dn/dh410-8（1/m），等效地球半徑系數(shù)k=4/3，等效地球半徑Re=8500km。,無線電波的傳播特性 1,所以，大氣折射有利于超視距的傳播。注意，在視線距離內(nèi)，這種由折射現(xiàn)象所產(chǎn)生的折射波會同直射波并存，從而也會產(chǎn)生多徑衰落。,（4）視距傳播,視線傳播的極限距離可由圖2-4計算，設(shè)發(fā)射與接收天線的高度分別為ht和hr，兩個天線頂點的連線AB與地面相切于C點。由于地球等效半徑Re遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于天線高度，不難證明，自發(fā)射天線頂點A到切點C的距離d1為,無線電波的傳播特性 1,圖2-4 視距離傳播極限距離,同理，由切點C到接收天線頂點B的距離d2為,可見，視線傳播的極限距離d為,無線電波的傳播特性 1,在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，Re=8500km，故,式中，ht和hr的單位是m，d的單位是km。,4 、障礙物的影響與繞射損耗,點波在直射傳播的路徑上可能存在山丘、建筑等障礙物，這些障礙物會引起除了自由空間傳播損耗外的附加損耗，這種附加損耗稱為繞射損耗。,無線電波的傳播特性 1,設(shè)障礙物與發(fā)射點T、接收點R的相對位置如圖2-5所示。圖中x表示障礙物頂點P至連線TR的距離，在傳播理論中稱作費涅爾余隙。,圖2-5 障礙物與余隙,圖a中所示為阻擋情形，此時余隙x為負(fù)值；圖b所示為非阻擋情形，此時余隙x規(guī)定為正值。由費涅爾繞射理論可得障礙物引起的繞射損耗與費涅爾余隙的關(guān)系如圖2-7所示。圖中橫坐標(biāo)為x/x1，其中x1稱為費涅爾半徑，并由下式（2-20）求得,無線電波的傳播特性 1,式中d1、d2如圖2-6所示：,為電波波長。由圖2-6可見，當(dāng)x/x10.5時，則障礙物對直射波的傳播基本上沒有影響；當(dāng)x=0時，即TR直射線從障礙物頂點擦過時，繞射損耗約6dB；以當(dāng)x0時，即直射線低于障礙物頂點時，損耗急劇增加 。,公式推導(dǎo) 1,公式推導(dǎo) 2,公式推導(dǎo) 3,5 、反射波,不同界面的反射特性用反射系數(shù)R表征，它定義為反射波場強(qiáng)與入射波場強(qiáng)的比值，R可表示為：,無線電波的傳播特性 1,式中R為反射點上反射波場強(qiáng)與入射波場強(qiáng)的振幅比值，代表反射波相對于入射波的相移。實際的反射路徑、直射路徑的電波相位差可由兩者間的路徑差計算而得：,式中，2/稱為相移常數(shù)，決定于工作波長，d為兩路徑的差值。,直射波與反射波的合成場強(qiáng)如下：,由上式可見，合成場強(qiáng)將隨反射系數(shù)以及路徑差的變化而變化，R越接近于1，衰落就越嚴(yán)重。為此，在固定地址通信中，選擇站址時應(yīng)力求減弱地面反射，或調(diào)整天線的位置和高度，使地面反射區(qū)離開光滑界面。當(dāng)然，這種做法在移動通信中是很難實現(xiàn)的。,無線電波的傳播特性 1,移動信道的特征 2,傳播路徑與信號衰落 多普勒效應(yīng) 多徑效應(yīng)與瑞利衰落 慢衰落特性和衰落儲備 多徑時散與相關(guān)帶寬,1、傳播路徑與信號衰落,移動無線電波傳播路徑損耗，主要是由于地形、傳播路徑上的無線電散射體等原因產(chǎn)生的，是直射加上鏡面反射、漫反射和繞射等的綜合結(jié)果，如圖2-7所示。,（1）鏡面反射：當(dāng)無線電波投射到兩種不同媒質(zhì)間的平滑分界面，并且界面線尺寸與輻射信號波長相比相差很大的情況下，則發(fā)生鏡面反射，并服從斯涅耳定律。,移動信道的特征 2,（2）漫反射：當(dāng)無線電波投射到粗糙表面，且表面粗糙程度與輻射信號波長相似時，則產(chǎn)生漫反射，它服從惠更斯原理。般情況下，漫反射無線電波的強(qiáng)度小于鏡面反射無線電波的強(qiáng)度，因為沿不平表面?zhèn)鞑r散射了能量，使反射無線電波沿發(fā)散路徑前進(jìn)。 （3）繞射：當(dāng)無線電波由于地形外廓的變化，遮避住其傳播路徑時，則會出現(xiàn)繞射。 在移動無線電通信中，僅出現(xiàn)鏡面反射和漫反射的情況，被認(rèn)為是視距傳播，而繞射則被認(rèn)為是非視距傳播。,直射波,反射波,圖2-7 幾種傳播路徑,繞射波,移動信道的特征 2,直射波、反射波或散射波在接收地點形成干涉場，使信號產(chǎn)生深度且快速的衰落,這種衰落稱為快衰落，如圖2-8所示。圖中，虛線表示的是信號的局部中值，其含義是在局部時間中，信號電平大于或小于它的時間50%。由于移動臺的不斷運動，電波傳播路徑上的地形、地物是不斷變化的，因而局部中值也是變化的。這種變化所造成的衰落比多徑效應(yīng)所引起的快衰落要慢得多，所以稱作慢衰落。,移動信道的特征 2,圖2-8 典型信號衰落特性,2 、多普勒效應(yīng),假設(shè)移動臺以恒定的速率移動時，會接收到來自遠(yuǎn)方信號源發(fā)出的信號電波，并設(shè)信號電波與移動臺運動方向的夾角為，如圖2-9所示，則頻移值可表示為：,若移動臺朝向入射波的方向運動，則頻移為正，即接收頻率升高；反之，若移動臺逆向入射波的方向運動，則頻移為負(fù)，即接收頻率降低。因此，信號經(jīng)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機(jī)信號的多普勒擴(kuò)散，因而增加了信號帶寬。,移動信道的特征 2,3 、多徑效應(yīng)與瑞利衰落,從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)，一般均有多條不同時延的直射或反射傳輸路徑，這種現(xiàn)象稱為多徑效應(yīng)，如圖2-10所示，這樣到達(dá)接收機(jī)的信號是來自不同傳播路徑的信號之和。多徑現(xiàn)象易造成多徑衰落和脈沖展寬（也稱多徑時散，見2.2.5節(jié)）等。,移動信道的特征 2,圖2-10 移動信道的傳播路徑,衰落一般指接收信號電平的隨機(jī)起伏，即不規(guī)則變化。多徑衰落后的信號包絡(luò)服從瑞利分布，其公式描述可如下（式2-25）和（式2-26）所示，所以多徑衰落又稱作瑞利衰落。,（式2-25）,設(shè)信號包絡(luò)的概率密度為f（），則：,移動信道的特征 2,f（）與/的關(guān)系如圖2-11所示。,圖2-11 瑞利分布的概率密度,移動信道的特征 2,通過計算和大量的實測表明，多徑效應(yīng)使接收信號包絡(luò)變化接近瑞利分布。一般情況下，衰落深度還與地形地物有關(guān)，可達(dá)1030dB。而衰落速率（單位時間內(nèi)發(fā)生衰落的次數(shù)）還與移動臺移動速度及工作頻率有關(guān)，例如移動速度為40km/h，頻率400MHz，衰落速率約每秒3040次。,相關(guān)推導(dǎo) 1,相關(guān)推導(dǎo) 2,相關(guān)推導(dǎo) 3,相關(guān)推導(dǎo) 4,4 、慢衰落特性和衰落儲備,由于移動天線低，最多不超過3m，故地形起伏和建筑物對電波阻擋、屏蔽的影響不可忽視。大量統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明：當(dāng)信號電平發(fā)生快衰落的同時，其局部中值電平還隨時間、地點以及移動臺速度作比較平緩的變化，其衰落周期以秒級計，故稱這種衰落為慢衰落或地形陰影衰落。這種衰落的規(guī)律服從對數(shù)正態(tài)分布，即以分貝數(shù)表示的信號電平為正態(tài)分布。分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差隨地形波動的高度和頻率變化而變化。用L、分別表示接收信號中值場強(qiáng)隨位置分布和時間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差，見表2-1，表中d為收發(fā)間距離，單位為km。,移動信道的特征 2,表2-1 接收信號中值場強(qiáng)隨位置分布和時間分布的標(biāo)準(zhǔn)偏差,移動信道的特征 2,此外，還有一種隨時間變化的慢衰落，它也服從對數(shù)正態(tài)分布。這是由于大氣折射率的平緩變化，使得同一地點處所收到的信號中值電平隨時間作慢變化，這種因氣象條件造成的慢衰落其變化速度更緩慢（其衰落周期常以小時甚至天為量級計），因此常可以忽略不計。 為了防止因衰落（包括快衰落和慢衰落）引起的通信中斷，在信道設(shè)計中，必須使信道的電平留有足夠的余量，以使中斷率R小于規(guī)定指標(biāo)。這種電平余量稱為衰落儲備。衰落儲備的大小取決于地形、地物、工作頻率和要求的通信可靠性指標(biāo)。通信可靠性也稱為可通率，并用T表示，它與中斷率的關(guān)系是T=1-R。,移動信道的特征 2,5、 多徑時散與相關(guān)帶寬,（1）多徑時散,多徑效應(yīng)在時域上將造成數(shù)字信號波形的展寬。假設(shè)基站發(fā)射一個脈沖信號Si（t）=a0（t）給移動臺，由于多徑效應(yīng)使移動臺接收到的信號實際上為一串到達(dá)時間不等的脈沖迭加，結(jié)果數(shù)字脈沖信號波形被展寬，這稱為多徑時散現(xiàn)象，如圖2-12所示。移動臺接收到的脈沖信號為：,移動信道的特征 2,該式表示了到達(dá)移動接收機(jī)的信號是頻率為的離散脈沖串，如圖2-12（a）所示；隨著移動臺周圍散射體數(shù)目的增多，接收到的離散脈沖串相互重疊結(jié)果變成了一個脈沖長度為的連續(xù)脈沖信號，這就發(fā)生了多徑時散，如圖2-12（b）所示。這種多徑時散就是造成碼間干擾的主要原因。為了防止在瑞利衰落環(huán)境下產(chǎn)生碼間干擾，就要求發(fā)射信號速率遠(yuǎn)小于1/的間隔。,移動信道的特征 2,衰落環(huán)境下產(chǎn)生碼間干擾，就要求發(fā)射信號速率遠(yuǎn)小于1/的間隔。,圖2-12中多徑時散的平均延時時間d和標(biāo)準(zhǔn)方差可表示如下（式2-29）和（式2-30）：,（式2-29）,（式2-30）,移動信道的特征 2,式中，表示多徑時散散布的程度。越大，時延擴(kuò)展越嚴(yán)重；越小，時延擴(kuò)展越輕。最大時延max是以強(qiáng)度下降30dB時測定的時延值，如下圖2-13所示。,圖2-13 典型多徑時延的信號包絡(luò),移動信道的特征 2,多徑時散的參數(shù)典型范圍總結(jié)如下表2-2所示：,表2-2 多徑時散參數(shù)典型值,移動信道的特征 2,可見，時延的大小主要取決于地物（如高大建筑物）和地形的影響。一般情況下，市區(qū)的時延要比郊區(qū)大，如表中市區(qū)最大延時時間高達(dá)12s，而郊區(qū)平均延時擴(kuò)展