移動通信技術及應用第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)的基本網絡結構 無線環(huán)境下的噪聲與干擾,學習目標,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、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、多址技術等概念，能夠使用自己的語言陳述常用的各功能設備的作用與接口。 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。 了解全國蜂窩系統(tǒng)的網絡結構，了解移動通信網絡的區(qū)域、號碼、地址與識別。,學習指導,本章主要內容涉及移動通信中的一些基礎概念，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)的基本網絡結構以及噪聲與抗干擾技術。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估算與損耗的基礎。在本章中，蜂窩系統(tǒng)的工作原理和移動通信系統(tǒng)的基本網絡結構也是本章的重點，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)的學習，為理解移動通信中的一系列問題可提供相關的理論基礎。,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)信機發(fā)出的電波在到達收信機時，可能會沿不同的路徑進行傳播，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)射天線直接到達接收天線的電波（如路徑2）稱為直射波；經過大地反射到達收信機的電波（如路徑3）稱為反射波。一般而言，收信機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，地面波的場強才能超過直射波的場強，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便起主要作用，并大于地面波；當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，其相對介電常數(shù)和相對導磁率都等于1，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達接收天線的地面反射信號場強也可以忽略不計，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，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。當電波經過一段距離傳播之后，輻射能量會擴散而引起衰耗（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分別為電場強度和磁場強度的振幅值； Eo、Ho分別為電場強度和磁場強度的有效值，故可得,式中Pt和d的單位分別為W和m。通常場強以分貝（dB）表示，并取場強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，經傳播距離d到達信點，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的關系，如圖2-3所示。由于橫坐標采用對數(shù)尺度，故損耗（dB）與距離呈現(xiàn)直線關系。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。由（式2-12）可推算出，在該公式的適用范圍內，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,在不考慮傳導電流和介質磁化的情況下，介質折射率n與相對介電系數(shù)r的關系為,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。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，即認為電波依然按直線方向行進，只是地球的實際半徑Ro（6.37106m）變成了等效半徑Re，Re與Ro之間的關系為,式中，k稱作地球等效半徑系數(shù)，若當dn/dh1，ReRo。在標準大氣折射情況下，即當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，這種由折射現(xiàn)象所產生的折射波會同直射波并存，從而也會產生多徑衰落。,（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遠遠大于天線高度，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,在標準大氣折射情況下，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系如圖2-7所示。圖中橫坐標為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x/x10.5時，則障礙物對直射波的傳播基本上沒有影響；當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x0時，即直射線低于障礙物頂點時，損耗急劇增加 。,公式推導 1,公式推導 2,公式推導 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與入射波場強的比值，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與入射波場強的振幅比值，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如下：,由上式可見，合成場強將隨反射系數(shù)以及路徑差的變化而變化，R越接近于1，衰落就越嚴重。為此，在固定地址通信中，選擇站址時應力求減弱地面反射，或調整天線的位置和高度，使地面反射區(qū)離開光滑界面。當然，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 多徑效應與瑞利衰落 慢衰落特性和衰落儲備 多徑時散與相關帶寬,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生的，是直射加上鏡面反射、漫反射和繞射等的綜合結果，如圖2-7所示。,（1）鏡面反射：當無線電波投射到兩種不同媒質間的平滑分界面，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度小于鏡面反射無線電波的強度，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。 （3）繞射：當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，被認為是視距傳播，而繞射則被認為是非視距傳播。,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,假設移動臺以恒定的速率移動時，會接收到來自遠方信號源發(fā)出的信號電波，并設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，即接收頻率降低。因此，信號經不同方向傳播，其多徑分量造成接收機信號的多普勒擴散，因而增加了信號帶寬。,移動信道的特征 2,3 、多徑效應與瑞利衰落,從發(fā)射機到接收機，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，如圖2-10所示，這樣到達接收機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起伏，即不規(guī)則變化。多徑衰落后的信號包絡服從瑞利分布，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）,設信號包絡的概率密度為f（），則：,移動信道的特征 2,f（）與/的關系如圖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，多徑效應使接收信號包絡變化接近瑞利分布。一般情況下，衰落深度還與地形地物有關，可達1030dB。而衰落速率（單位時間內發(fā)生衰落的次數(shù)）還與移動臺移動速度及工作頻率有關，例如移動速度為40km/h，頻率400MHz，衰落速率約每秒3040次。,相關推導 1,相關推導 2,相關推導 3,相關推導 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。分布的標準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隨位置分布和時間分布的標準偏差，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 接收信號中值場強隨位置分布和時間分布的標準偏差,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?？梢院雎圆挥嫛?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。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。通信可靠性也稱為可通率，并用T表示，它與中斷率的關系是T=1-R。,移動信道的特征 2,5、 多徑時散與相關帶寬,（1）多徑時散,多徑效應在時域上將造成數(shù)字信號波形的展寬。假設基站發(fā)射一個脈沖信號Si（t）=a0（t）給移動臺，由于多徑效應使移動臺接收到的信號實際上為一串到達時間不等的脈沖迭加，結果數(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,該式表示了到達移動接收機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)境下產生碼間干擾，就要求發(fā)射信號速率遠小于1/的間隔。,移動信道的特征 2,衰落環(huán)境下產生碼間干擾，就要求發(fā)射信號速率遠小于1/的間隔。,圖2-12中多徑時散的平均延時時間d和標準方差可表示如下（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，時延擴展越嚴重；越小，時延擴展越輕。最大時延max是以強度下降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,移動信道的特征 2,多徑時散的參數(shù)典型范圍總結如下表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12s，而郊區(qū)平均延時擴展