第三章-移動通信信道與天線

第3章移動通信信道與天線3.1認識無線信道

無線移動信道的電波傳播特性與傳播環(huán)境——地貌、人工建筑、氣候特征、電磁干擾情況、通信體移動速度和使用的頻段等密切相關。無線通信系統(tǒng)的通信能力和服務質(zhì)量、無線通信設備要采用的無線傳輸技術都與無線移動信道性能的好壞密切相關。因此，要想在比較有限的頻譜資源上盡可能地高質(zhì)量、大容量傳輸有用的信息，就要求我們必須了解無線移動信道的特性。

移動信道為典型的變參信道，一般使用甚高頻VHF(30-300MHz)

、特高頻UHF(300~3000MHz)頻段，本章在闡述VHF和UHF頻段電波傳播特性的基礎上，重點討論陸地移動信道的特征、傳播損耗的估算方法，并對其他移動信道作簡單介紹。信道傳輸媒質(zhì)有線信道（架空明線、電纜、光纖）無線信道信道特性參數(shù)隨外界變化恒參信道（有線）變參信道（無線）中長波地表面?zhèn)鞑ザ滩婋x層反射傳播超短波和微波直射傳播散射傳播3.1認識無線信道為何較早的移動通信系統(tǒng)主要使用VHF和UHF頻段。

(1)VHF／UHF頻段適合于移動通信

從VHF／UHF頻段電波的傳播特性來看，主要是在視距范圍內(nèi)，一般為幾十公里。而大部分車輛的日常運動半徑也在幾十公里范圍內(nèi)，因此這個頻段適于移動通信。

(2)天線長度決定于波長，這個頻段信號發(fā)射和接收時，所使用的天線較短便于移動。

(3)抗干擾能力強

VHF／UHF頻段，可以用較小的發(fā)射功率獲得較好的信噪比。

3.2無線電波的傳播方式發(fā)射機天線發(fā)出的無線電波，可依不同的路徑到達接收機，當頻率f＞30MHz時，典型的傳播通路如圖地波傳播（2MHz以下）電離層傳播（3~30MHz）自由空間傳播（直射波）（30MHz以上）對流程傳播（30~300MHz）外層傳播（衛(wèi)星通信）3.3移動通信電波傳播特性

3.3.1陸地移動通信的地形地物1，地形的分類和定義準平滑地形（起伏20m以下） 丘陵地形不規(guī)則地形 孤立山岳 傾斜地形 水路混合地形2，地物的分類和定義開闊區(qū)郊區(qū)市區(qū)隧道區(qū)3，基地臺、移動臺天線有效高度的定義基站：天線的海拔高度-地面的海拔高度移動臺：車體或人體的高度，<3m3.3.2移動通信電波傳播的主要方式1，直射

沒有障礙物，自由空間直線傳播2，反射

碰到比電磁波波長大的障礙物，地表高大建筑物3，衍射

碰到比電磁波波長大的障礙物，在物體背后產(chǎn)生的次級波4，散射

碰到比電磁波波長小的障礙物，信號碰到粗糙面，向各個方向產(chǎn)生反射多徑傳播到達接收端的信號是來自不同傳播路徑信號之和。分析移動通信時主要考慮直射波和反射波3.3.3描述移動通信衰落特征的物理量1，場強中值當場強高于規(guī)定電平值的持續(xù)時間占統(tǒng)計時間的一半時，規(guī)定的那個電平為場強中值2，衰落深度衰弱的嚴重程度3，衰落速率場強衰弱的快慢，單位時間內(nèi)場強包絡與場強中值相交次數(shù)的一半4，衰弱持續(xù)時間場強低于某一定電平值的持續(xù)時間3.4移動通信信道3.4.1移動無線信道特性描述無線比有線信道復雜，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：移動通信的工作環(huán)境十分復雜移動通信常常在快速移動當中信道的特性非常復雜3.4.2移動無線信道電波傳播的衰落特性快衰落：曲線瞬時呈快速變化主要原因：多徑效應，多普勒平移慢衰弱：信號強度特征曲線的中值呈慢速變化主要原因：位置變化（障礙物狀況的變化），氣象條件1，多徑效應

無線電波主要傳播類型包括直射、反射等。移動臺所處地理環(huán)境的復雜性，使得接收端的信號不僅會含有直射波的主徑信號，還會有從不同建筑物反射及衍射等過來的多條不同路徑的信號，而且它們到達時的信號強度、時間及載波相位都不同，在接收端收到的信號是上述各路徑信號的矢量和。不同相位的多個信號在接收端疊加，有時同相疊加而增強，有時反相疊加而減弱。這樣，接收信號的幅度將急劇變化，可能產(chǎn)生達30～40dB的深度衰落。通常這種由于多徑現(xiàn)象引起的干擾稱為多徑干擾或多徑效應，產(chǎn)生的衰落稱為多徑衰落?？焖ト?,多普勒頻移由于移動臺的高速移動而產(chǎn)生的傳播信號頻率的擴散，稱為多普勒效應，如圖2-14所示。多普勒頻移表征了時變信道影響信號衰落的衰落節(jié)拍，信道隨節(jié)拍在時域上對信號有不同的選擇性，會引起時間選擇性衰落，對數(shù)字信號的誤碼性能有明顯的影響。傳播信號頻率擴散程度與移動臺的運動速度v成正比，即多普勒頻率fd為相對運動：fr=fc+fd背向運動：fr=fc-fd快衰落，時間選擇性衰落3，陰影效應由于電波傳播遇到建筑物等阻擋，形成電波陰影區(qū)，陰影區(qū)的電場強度減弱的現(xiàn)象稱為陰影效應。接收天線處場強中值的變化引起的衰落，稱為陰影衰落。由于這種衰落的變化速率較慢，是一種慢衰落。慢衰落速率主要決定于傳播環(huán)境，即移動臺周圍地形，包括山丘起伏、建筑物的分布與高度、街道走向、基站天線的位置與高度，以及移動臺行進速度，而與頻率無關。慢衰落的深度，即接收信號局部中值電平變化的幅度取決于信號頻率與周圍環(huán)境。4,時延擴展(色散)

假設基站發(fā)射一個窄脈沖信號

，經(jīng)過多徑信道后，移動臺接收信號呈現(xiàn)為一串脈沖，脈沖寬度被展寬了，直觀上將最大傳輸時延和最小傳輸時延的差值稱為時延擴展，用△t表示。如果發(fā)送的窄脈沖寬度為T，則接收信號寬度為T+△t

。這種因多徑傳播造成信號時間擴展的現(xiàn)象，稱為時延擴展，也稱為多徑時散，為了避免碼間干擾Rb<1/△t5,相關帶寬

時延擴展的概念從時域的角度反映了多徑效應對接收端信號的影響，

從頻域的角度看，考慮到信號中不同的頻率分量通過多徑信道后對接收端信號的影響，引入相關帶寬（Bc）的概念。相關帶寬是由時延擴展得出的一個確定關系值，頻率間隔很小的兩個衰落信號存在不同的時延，兩個衰落信號的幅度可能有很強的相關性，這樣的頻率間隔稱為相關帶寬。若所傳輸?shù)男盘枎捿^寬，以至與相關帶寬（Bc）可比擬時，則所傳輸?shù)男盘枌a(chǎn)生明顯的畸變，稱為頻率選擇性衰落，即信道對不同頻率成分有不同的響應。Bc=1/2

△t（角頻率）Bc=1/Tm相關帶寬表示的是另個頻率分量基本相關的頻率間隔。如果頻率B信號<Bc，衰落具有一致性，非頻率選擇性衰落（平坦衰落）如果頻率B信號>Bc，衰落不具有一致性，頻率選擇性衰落3.5移動通信天線3.5.1天線的定義與類型3.5.2天線特性3.5.3幾種典型的移動通信天線3.5.4智能天線及其在移動通信中的應用3.6抗衰落技術

3.6.1概述在移動通信系統(tǒng)中，移動臺常常工作在城市建筑群或其他復雜的地理環(huán)境中，而且移動的速度和方向是任意的。發(fā)送的信號經(jīng)過反射、散射等傳播路徑后，到達接收端的信號往往是多個幅度和相位各不相同的信號的疊加，使接收到的信號幅度出現(xiàn)隨機起伏變化，形成多徑衰落在移動通信信道中，除了多徑衰落還有陰影衰落。氣象條件等的變化也都影響信號的傳播，使接收到的信號的幅度和相位發(fā)生變化。采用分集接收，均衡技術和信道編碼來改進接收信號的質(zhì)量3.6.2分集技術的基本原理分集技術的含義:

發(fā)射端分散傳輸，使接收端能獲得多個統(tǒng)計獨立的、攜帶同一信息的衰落信號；接收端分集接收，集中處理，把接收到的多個統(tǒng)計獨立的衰落信號進行合并以降低衰落的影響。分集接收把接收到的多個衰落獨立的信號加以處理，合理地利用這些信號來改善接收信號的質(zhì)量。作用充分利用接收信號；減小在平坦性衰落（非選擇性衰落）信道上接收信號的衰落深度和衰落的持續(xù)時間。分集技術是抗衰落的有效措施之一分集技術可以分為宏分集和微分集兩大類宏分集

——“多基站”分集，可以減小慢衰落（如陰影衰落）的影響；移動臺選擇信號最好的一個基站進行通信。微分集

——在空間、時間、頻率、極化、場分量、角度等方面分離無線信號，用來減小快衰落影響。

3.6.3分集技術及其在移動通信中的應用空間分集(Spacediversity)頻率分集(Frequencydiversity)時間分集(Timediversity)極化分集(Polarizationdiversity)空間分集接收指在空間不同的垂直高度上設置幾幅天線，同時接收一個發(fā)送天線的信號，然后合并或者選擇其中一個強信號。接收天線之間的距離d≥λ/2保證接收天線輸入的信號衰落特性是獨立的。當某一幅天線接收的信號很低時，其他天線則不一定在同一時刻出現(xiàn)幅度低的現(xiàn)象。對于空間分集而言，分集的支路數(shù)M越大，分集的效果越好。但當M較大時（如M>3），分集的復雜性增加，分集增益的增加隨著M的增大而變得緩慢。分集天線之間的距離D

η=h/D參數(shù)η，在900MHz的系統(tǒng)中取10，DCS1800中取20，天線掛高h，25m~30mD一般在3.5m~4m之間在移動環(huán)境下，兩個在同一地點極化方向相互正交的天線發(fā)出的信號呈現(xiàn)出不相關衰落特性。極化分集實際上是空間分集的特殊情況，其分集支路只有兩路。極化方式(Polarization）:V垂直極化；H水平極化，即電磁場的振動方向頻率分集是采用兩個或兩個以上具有一定間隔的信號同時發(fā)送和接收，然后進行合并或選擇將要傳輸?shù)男畔⒎謩e以不同的載頻發(fā)射出去，只要載頻之間的間隔足夠大（大于相干帶寬），那么在接收端就可以得到衰落特性不相關的信號。（相當于是減小頻率選擇性衰落）頻率分集的優(yōu)點是與空間分集相比，減少了天線的數(shù)目。但缺點是要占用更多的頻譜資源，在發(fā)射端需要多部發(fā)射機。CDMA的擴頻技術就是一種頻率分集時間分集將給定的信號在時間上相差一定的間隔重復傳輸M次，只要時間間隔大于相干時間，就可以得到M條獨立的分集支路。特點是增加了接收概率；接收機有多路，接收機復雜時間分集和空間分集相比，優(yōu)點是減少了接收天線數(shù)目，缺點是占用更多的時間資源，降低了傳輸效率。3.6.4隱分集與RAKE接收顯分集（空間，極化，頻率，時間）隱分集（交織編碼技術，跳頻，直接擴頻）隱分集技術，是指只用一副天線接收信號來實現(xiàn)分集的技術。分集作用是隱含在傳輸信號的方式中，而在接收端利用信號處理技術實現(xiàn)分集。RAKE接收是將那些幅度明顯大于噪聲背景的多徑分量取出，通過延時和相位校準，使它們在某一時刻對對齊，按照一定的規(guī)則合并。只適用于CDMA多址系統(tǒng)，因為只有CDMA系統(tǒng)才能根據(jù)用戶的地址碼分辨那些是真正發(fā)給用戶的信息RAKE接收機利用