移動通信原理第2次課件2.1-2.2.1

第2章無線傳輸與移動信道2.1移動信道的特點(diǎn)信道是信號在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)耐ǖ?。信道范圍的定義有兩種：信號從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩怂?jīng)過的傳輸介質(zhì)定義為狹義信道。廣義信道的定義是除包括傳輸介質(zhì)，還包括信號傳輸?shù)南嚓P(guān)設(shè)備，如收發(fā)設(shè)備、調(diào)制解調(diào)設(shè)備等。2.1.1移動通信信道的主要特點(diǎn)我們僅按照狹義信道來分析移動信道的主要特點(diǎn)。信道的開放性一切無線信道都是以開放的自由空間為傳輸介質(zhì)，具有無限的開放性。2.發(fā)射和接收地理環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性發(fā)射和接收地理環(huán)境可以是高樓林立的城市繁華區(qū)，郊區(qū)；以山丘、湖泊、平原為主的農(nóng)村地區(qū)；屏蔽電磁波的地鐵、隧道、坑道、地下車庫、電梯等空間；高速移動的汽車、火車、輕軌、高鐵、飛機(jī)，以及船舶等交通工具。3.用戶移動的隨機(jī)性和用戶密度的動態(tài)時變性移動用戶的移動是隨機(jī)的，且有大致三種類型的移動速度：室內(nèi)、步行和高速交通工具移動。這也導(dǎo)致覆蓋區(qū)用戶的密度具有動態(tài)時變性，且三種移動速度對覆蓋區(qū)用戶密度動態(tài)時變性的影響各不相同。移動通信科學(xué)家和工程師正是針對移動通信信道的這些特點(diǎn)不斷采用各種技術(shù)，以便實(shí)現(xiàn)移動通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和安全性，這些也是衡量任何一種通信系統(tǒng)的基本指標(biāo)。有效性，是指在占有盡可能少的信道資源，如頻段、時隙和功率等的條件下盡可能多地傳輸信息，是通信數(shù)量上的指標(biāo)?？煽啃裕侵冈趥鬏斶^程中抵抗各類自然干擾實(shí)現(xiàn)正確傳輸?shù)哪芰?。在軍事通信中，還包含抵抗敵方人為設(shè)置干擾的能力。安全性，是指在傳輸過程中的保密性能，即防竊聽、偽造和篡改的能力。2.1.2移動通信的無線電波傳播方式1.無線電波頻段波長（波段）頻率（頻段）

通用名

主要應(yīng)用100km以上3

kHz極低頻(ELF)水下通信100～10km3～30

kHz甚低頻(VLF)海上通信10～1km30～300kHz低頻(LF)或長波(LW)調(diào)幅廣播1000～100m300～3000kHz中頻(MF)或中波(MW)調(diào)幅廣播100～10m3～30MHz高頻(HF)或短波(SW)調(diào)幅廣播、業(yè)余無線電10～1m30～300

MHz甚高頻(VHF)、米波調(diào)頻廣播、電視1.0～0.1m300～3000MHz特高頻(UHF)、分米波電視、蜂窩電話100～10mm3～30

GHz超高頻(SHF)、厘米波蜂窩電話、固定無線、衛(wèi)星通信10～1mm30～300GHz極高頻(EHF)、毫米波衛(wèi)星通信、雷達(dá)2.無線電波傳播方式按照電波的傳播路徑，可以將無線電波傳播方式分為下述幾種：直射波，是在視距范圍內(nèi)無遮擋傳播的無線電波。它是短波和微波的主要傳播方式，傳播衰耗較小。反射波，是從障礙物和反射體反射后到達(dá)接收點(diǎn)的無線電波。中波和短波就主要依靠在地面與電離層之間反射形成的反射波來傳輸信號，傳播衰耗較直射波大。繞射波，當(dāng)無線電波的波長與障礙物的尺寸相當(dāng)時，無線電波就會繞過障礙物傳向前方而不會反射回去。長波和中波的波長很長，可以繞過較大建筑物和山丘沿地球表面?zhèn)鞑?，其衰耗較小。另外，還有穿透建筑物的傳播以及空氣中離子受激后二次發(fā)射的漫反射產(chǎn)生的散射波……，但是它們相對直射波、反射波、繞射波都比較弱。所以從電磁波傳播上看，直射、反射、繞射是主要的，但是，有時穿透的直射波與散射波的影響也是需要考慮的。移動通信主要利用直射波和反射波傳播，在接收信號中將產(chǎn)生多徑效應(yīng)。2.1.3接收信號中的3類損耗和4種效應(yīng)由于移動通信信道的上述特殊性，以及它主要利用直射波和反射波傳播信號，終端接收信號也就具有以下特點(diǎn)。1.具有3類不同層次的損耗。1）路徑傳播損耗路徑傳播損耗是電波在空中傳播時由距離因素產(chǎn)生的損耗，一般稱為衰耗，它隨接收點(diǎn)距發(fā)射臺的距離（以千米數(shù)量級）而變化。在自由空間傳播情況下，接收電平的平均值隨距離的平方衰減。2）長期慢衰落損耗長期慢衰落損耗是由于陰影效應(yīng)而產(chǎn)生的損耗。當(dāng)陰影長度達(dá)到數(shù)百波長以上時，陰影效應(yīng)使得接收電平的平均值出現(xiàn)值得關(guān)注的隨機(jī)起伏。其變化速率比傳輸信號速率低，變化周期長。陰影效應(yīng)引起的慢衰落損耗為無線通信所特有，它服從對數(shù)正態(tài)分布。因移動通過的陰影長度達(dá)數(shù)百波長以上時才有顯著變化，故也稱之為大尺度衰落損耗。3）短期快衰落損耗短期快衰落損耗是由多經(jīng)效應(yīng)和多普勒效應(yīng)引起的。當(dāng)移動距離達(dá)到數(shù)十波長時，接收電平的平均值就將發(fā)生值得關(guān)注的隨機(jī)起伏。接收信號電平一般遵循瑞利（Rayleigh）分布或萊斯(Rice)分布。因快衰落的變化速率較快，周期短，故叫作短期快衰落。又因引起這種衰落出現(xiàn)的移動距離短，又將這種衰落叫做小尺度衰落。這種衰落由于與空間位置和頻率等有關(guān)，又稱之為選擇性衰落。它包括空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和時間選擇性衰落，如表所示。短期快衰落選擇性衰落空間選擇性衰落：不同地點(diǎn)和空間位置衰落特性不同頻率選擇性衰落：不同頻段的衰落特性不同時間選擇性衰落：不同時間衰落特性不同大尺度衰落和小尺度衰落示意圖針對不同的衰落特性，可以采用不同的技術(shù)來克服它們對移動通信系統(tǒng)性能的影響。2.接收信號具有4種主要效應(yīng)。1）陰影效應(yīng)大型建筑物和物體對無線電波的阻擋將在障礙物后形成半盲區(qū)，這個半盲區(qū)類似于物體在陽光下的陰影。處于半盲區(qū)內(nèi)的接收信號會很弱。當(dāng)移動臺在建筑物之間移動時，它將不斷出入建筑物形成的半盲區(qū)，接收信號強(qiáng)度也將隨之起伏變化，這種現(xiàn)象就叫作陰影效應(yīng)。2）遠(yuǎn)近效應(yīng)當(dāng)各移動臺發(fā)射功率相同時，基站接收的離基站較近的用戶信號較強(qiáng)，而接收的離基站較遠(yuǎn)，以及在小區(qū)邊緣的用戶信號就很弱。在基站的接收端，遠(yuǎn)端用戶的信號將被近端用戶的信號淹沒掉，基站接收遠(yuǎn)端移動臺信號的信噪比嚴(yán)重下降，將使通信質(zhì)量嚴(yán)重下降，甚至導(dǎo)致通信中斷，這就是遠(yuǎn)近效應(yīng)。3）多徑效應(yīng)基站發(fā)射的電波可以經(jīng)過多條傳播路徑到達(dá)移動終端。例如，經(jīng)過建筑物反射、地面反射、山體反射和直接傳播等路徑到手機(jī)。手機(jī)接收到的電波信號是通過這些路徑傳輸來的所有電波信號的疊加，它們可能相互增強(qiáng)，也可能相互削弱而引起接收信號衰落，這就是多徑效應(yīng)。當(dāng)終端處于運(yùn)動狀態(tài)時，多徑效應(yīng)引起的衰落會不斷變化。多徑效應(yīng)還形成附加的調(diào)幅和調(diào)相。

4）多普勒頻移當(dāng)終端高速移動，比如車載通信，朝向或背離基站的徑向速度分量≥70km/h時，會引起無線電波頻率的多普勒頻移，頻移的大小與終端在徑向上的速度分量大小有關(guān)，徑向移動速度越大多普勒頻移越嚴(yán)重。通常慢速移動的步行和準(zhǔn)靜態(tài)的室內(nèi)通信，則不予考慮多普勒頻移。多普勒頻移與徑向移動速度的關(guān)系如下表所示。多普勒頻移與徑向移動速度的關(guān)系移動速度Δf/fΔff=150MHzf=450MHz

f=900MHz60km/h0.055×10-68.33Hz25Hz50Hz1,200km/h1.11×10-6166.6Hz500Hz1,000Hz2.2移動通信中的幾種主要噪聲和干擾嚴(yán)重影響移動通信系統(tǒng)性能的噪聲和干擾有四類：1、加性白高斯噪聲（AWGN）加性是指噪聲與信號遵從簡單的線性疊加關(guān)系:白噪聲是指噪聲的功率譜是平坦的；高斯噪聲是指噪聲的幅度分布服從正態(tài)分布。這類噪聲是最基本的噪聲，并非移動信道所特有。如圖所示。高斯白噪聲n(t)發(fā)送信號S(t)接收信號v(t)v(t)=s(t)＋n(t)2、符號間干擾（ISI）由于實(shí)際信道的頻帶總是有限的，并且偏離理想特性，使通過的信號在頻域上產(chǎn)生頻率失真，在時域上波形發(fā)生時散效應(yīng)。這種時散效應(yīng)對通信所造成的危害稱之為符號間干擾。另外，多徑效應(yīng)也會使同一碼元到達(dá)接收點(diǎn)的傳輸時延不一致，使碼元在接收點(diǎn)展寬，造成相互產(chǎn)生符號間干擾。當(dāng)數(shù)據(jù)速率提高時，符號間的間隔將減小到一定程度，以至相互嚴(yán)重重疊無法識別，通信的可靠性嚴(yán)重降低，甚至通信無法進(jìn)行。3、多址干擾（MAI）在移動通信網(wǎng)中對同時通信的多個用戶的信號一定要采用正交隔離手段，否則就會互相干擾，在通話時串話。第一代采用頻段隔離，一個用戶使用一個頻段。只要濾波器隔離度做得好，基本上能防止串話之類多用戶干擾。在第三代移動通信系統(tǒng)中，采用碼分多址CDMA技術(shù)。不同用戶采用同一時隙、同一頻段傳輸信息，僅靠不同的地址碼相互區(qū)分。當(dāng)多個用戶同時通信時，由于各用戶的地址碼不具有完全理想的自相關(guān)、互相關(guān)特性，因此產(chǎn)生多址干擾。MAI又稱為同小區(qū)或小區(qū)內(nèi)干擾。在CDMA系統(tǒng)中，多址干擾比白噪聲和符號間干擾更為嚴(yán)重，當(dāng)同時通信的用戶增多時它是系統(tǒng)內(nèi)的第一重要干擾源。4、相鄰小區(qū)（扇區(qū)）干擾（AC(S)I）相鄰小區(qū)（扇區(qū)）干擾是移動臺接收到的所有相鄰小區(qū)或扇區(qū)的信號。符號間干擾和多址干擾限制單小區(qū)的通信容量。相鄰小區(qū)（扇區(qū)）干擾限制了基站的覆蓋范圍，也就是限制了系統(tǒng)的通信容量。2.3移動通信信道的物理模型在研究工作中，移動通信信道可以分為4種信道模型。1、AWGN信道它是最基本、最典型的恒參信道，是研究各類信道的基礎(chǔ)。在AWGN信道中，典型的抗干擾措施是采用先進(jìn)的信號處理技術(shù)，如信道編碼技術(shù)。2、陰影衰落信道這類信道是大尺度衰落信道，服從對數(shù)正態(tài)分布?？朔ヂ涞挠行Х椒ㄊ遣捎霉β士刂萍夹g(shù)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。3、平坦瑞利衰落信道它是最典型的寬帶無線和慢速移動典型信道模型，其衰落服從瑞利或萊斯分布。在小尺度衰落中，僅僅考慮空間選擇性衰落。最有效的克服空間選擇性衰落的方法是空間分集技術(shù)或其它空域處理技術(shù)。4、選擇性衰落信道分為時間選擇性衰落信道和頻率選擇性衰落信道。時間選擇性衰落信道是典型的寬帶無線和快速移動信道。最有效的克服辦法是采用信道交織編碼技術(shù)。頻率選擇性衰落信道是典型的寬帶無線和慢速移動信道，其最有效的方法是自適應(yīng)均衡和Rake接收等。第3章多址技術(shù)現(xiàn)在，先簡單介紹一下各種多址接入技術(shù)。除CDMA而外，多址接入技術(shù)還有頻分多址(FDMA)、時分多址(TDMA)和空分多址(SDMA)，以及由這些基本的多址接入技術(shù)派生出的組合多址接入技術(shù),如FDMA/TDMA、FDMA/CDMA等。FDMA、TDMA和CDMA多址接入技術(shù)的示意圖如下。1、頻分多址（FDMA）FDMA是將可以使用的射頻頻帶分割成互不重疊的若干子頻帶。每個子頻帶就是一個信道，系統(tǒng)為不同地址的信號分配不同的子頻帶。在純FDMA系統(tǒng)中,采用頻分雙工(FDD)方式來實(shí)現(xiàn)雙工通信。首先將可用射頻帶寬分割成上行頻段和下行頻段，然后再進(jìn)一步細(xì)分為傳輸子頻帶作為工作信道，如圖所示。FDMA移動通信系統(tǒng)工作示意圖第一代模擬移動通信系統(tǒng)僅采用FDMA技術(shù)。第二代和第三代數(shù)字移動通信系統(tǒng)為了提高頻帶的利用率采用FDMA技術(shù)與其它多址技術(shù)相結(jié)合。FDMA的主要優(yōu)點(diǎn)是：1）技術(shù)相對簡單成熟。由于采用頻分技術(shù)，不需要象時分技術(shù)那樣需要復(fù)雜的成幀和時間同步信號的傳輸。2）適合實(shí)時信號的傳輸。當(dāng)系統(tǒng)分配給用戶一個信道后,用戶可占有這個信道連續(xù)傳輸信號，直到傳輸結(jié)束,信道才被系統(tǒng)收回。FDMA的主要缺點(diǎn)是：3）頻率利用率低。由于一個信道占用一個載頻，且只可傳送一路話音,頻率利用率不高，系統(tǒng)容量有限。4）保密性差。因?yàn)橄到y(tǒng)中有多個頻率信號,易出現(xiàn)相互串話干擾,且加密困難，保密性差。5）基站設(shè)備數(shù)量大，成本高。這是因?yàn)槊繉π诺佬枰惶资瞻l(fā)信機(jī)，有多少對信道就需要多少套收發(fā)信機(jī)。6）語音質(zhì)量較差。在越區(qū)切換時,語音信道還必須抹掉一部分語音信號來傳輸信令，降低了語音質(zhì)量。

2、時分多址（TDMA）TDMA是在可用射頻頻段上，將發(fā)射時間分割成若干幀，再將幀分成若干時隙。一個時隙就是一個信道,系統(tǒng)將這些時隙分配給不同地址的信號使用。TDMA的主要優(yōu)點(diǎn)：1）TDMA系統(tǒng)的用戶和基站可以采用相同的工作頻率,可以有效避免不同頻率的發(fā)射機(jī)同時工作產(chǎn)生的互調(diào)干擾。2）TDMA沒有頻率分配問題,對時隙的管理和分配要比對頻率的管理和分配簡單而經(jīng)濟(jì)。由于對時隙實(shí)行動態(tài)分配,有利于提高系統(tǒng)容量。3）幀中的空閑時隙,可用來傳送檢測信號的強(qiáng)度或發(fā)送控制信息,有利于加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的控制功能和保證移動臺的越區(qū)切換。4）TDMA的頻譜利用率高,減少了基站上、下行頻帶寬度,基站造價(jià)低。5）TDMA采用數(shù)字技術(shù)，可方便非話業(yè)務(wù)的傳輸。TDMA的問題是需要嚴(yán)格的定時與幀同步,技術(shù)比較復(fù)雜。

3、碼分多址(CDMA)

CDMA采用擴(kuò)頻技術(shù)，系統(tǒng)為不同的信號分配相互