教學(xué)課件-《移動通信原理與技術(shù)》余曉玫

移動通信原理與技術(shù)

本課程是為通信工程系本科大四學(xué)生開設(shè)的專業(yè)必修課，亦可作為選修課程。主要講授移動通信系統(tǒng)的基本概念，基本理論，基本技術(shù)及幾代移動通信的典型系統(tǒng)及應(yīng)用。內(nèi)容以當(dāng)前廣泛應(yīng)用的移動通信新技術(shù)和移動通信系統(tǒng)為背景，力求能反映近年來國內(nèi)外移動通信的發(fā)展?fàn)顩r。通過本課程的學(xué)習(xí)了解移動通信的發(fā)展進(jìn)程掌握移動通信電波傳輸特性及損耗模型編碼和調(diào)制技術(shù)抗信道衰落技術(shù)組網(wǎng)技術(shù)2G移動通信系統(tǒng)3G移動通信系統(tǒng)LTE移動通信系統(tǒng)5G移動通信展望第1章移動通信概述移動通信的概念及特點1.1移動通信發(fā)展概況1.2移動通信的分類及工作方式1.3

移動通信采用的基本技術(shù)1.4移動通信的典型應(yīng)用系統(tǒng)1.51.1移動通信的概念及特點

1.1.1移動通信的概念·移動通信就是通信雙方至少有一方是在運(yùn)動中（或臨時靜止?fàn)顟B(tài)）實現(xiàn)通信的通信方式，包括海、陸、空移動通信。采用的頻段遍及低頻、中頻、高頻、甚高頻和特高頻?！?/p>

例如，固定體與移動體之間或移動體與移動體之間的信息交換，都屬于移動通信。

移動體可以是人，也可以是汽車、火車、輪船、飛機(jī)、收音機(jī)等在移動狀態(tài)中的物體。固定體包括固定無線電臺、有線用戶等。

1.1.2移動通信的特點1.移動性移動用戶可以自由活動，其位置不受束縛。移動通信必須是無線通信，或無線通信與有線通信的結(jié)合。

2.電波傳播條件復(fù)雜存在多徑干擾、信號傳播延遲和展寬等。

3.噪聲和干擾嚴(yán)重外部干擾+自身干擾采取有效的抗干擾措施。4.

系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜5.要求頻帶利用率高、移動設(shè)備性能好1.2移動通信發(fā)展概況1897年，馬可尼在陸地和一艘拖船上完成莫爾斯電碼無線通信實驗，標(biāo)志無線電通信的開始，開創(chuàng)了海上通信業(yè)。1912年泰坦尼克號底的沉沒突出了無線電通信在航海中的重要性，使海上無線通信得到廣泛應(yīng)用。美國馬克尼博物館：1905年，費(fèi)森堡首次進(jìn)行無線電傳輸話音及音樂的實驗?！?/p>

第一階段從20世紀(jì)20年代至40年代。

在這期間，首先在短波幾個頻段上開發(fā)出專用移動通信系統(tǒng)，特點是專用系統(tǒng)的應(yīng)用，工作頻率較低。

1.2.1移動通信的發(fā)展歷史·

第二階段從20世紀(jì)40年代中期至60年代初期。

在此期間內(nèi)，出現(xiàn)了公用移動通信業(yè)務(wù)。

這一階段的特點是移動通信從專用網(wǎng)向公用網(wǎng)過渡，接續(xù)方式為人工，網(wǎng)的容量較小。1.2移動通信發(fā)展概況1.2移動通信發(fā)展概況·

第三階段從20世紀(jì)60年代中期至70年代中期。

在此期間，美國推出了改進(jìn)型移動電話系統(tǒng)（IMTS），采用大區(qū)制、中小容量，實現(xiàn)了無線頻道自動選擇并能夠自動接續(xù)到公用電話網(wǎng)。這一階段是移動通信系統(tǒng)改進(jìn)與完善的階段，其特點是采用大區(qū)制、中小容量，實現(xiàn)了自動選頻與自動接續(xù)。·

第四階段從20世紀(jì)70年代中期至80年代中期。這是移動通信蓬勃發(fā)展時期。1.2移動通信發(fā)展概況·

1978年底，美國貝爾試驗室提出了蜂窩網(wǎng)的概念，成功研制了世界上首個蜂窩移動通信網(wǎng)，這一階段的特點是蜂窩狀移動通信網(wǎng)成為實用系統(tǒng)，并在世界各地迅速發(fā)展，形成了所謂的第一代移動通信系統(tǒng)。

第一代移動通信特點：模擬（蜂窩）僅限語音通信僅為宏小區(qū)主要用于戶外覆蓋無法長途漫游保密性差、通話質(zhì)量差主要接入技術(shù)：FDMA以企業(yè)用戶為中心主要代表：AMPS(美國先進(jìn)移動電話系統(tǒng)）、TACS(歐洲全接入通信系統(tǒng))·

第五階段從20世紀(jì)80年代中期開始。

模擬蜂窩網(wǎng)雖然取得了很大成功，但也暴露了一些問題。

解決這些問題的方法是開發(fā)新一代數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)，即第二代移動通信系統(tǒng)。1.2移動通信發(fā)展概況第二代移動通信特點數(shù)字（雙模、雙頻）語音和數(shù)據(jù)通信宏/微小區(qū)戶內(nèi)/戶外覆蓋保密性好、容量大主要接入技術(shù)：TDMA數(shù)據(jù)速率：9.6k~32Kbps主要標(biāo)準(zhǔn)：GSM(歐洲)，IS-95(Qualcom)·

第六階段從20世紀(jì)90年代中期至21世紀(jì)初，伴隨著對第三代移動通信的大量談?wù)?，以?.5G產(chǎn)品GPRS系統(tǒng)的過渡，3G(3G技術(shù)名為IMT-2000)走上了通信舞臺的前沿。

IMT-2000（InternationalMobileTelecommunication2000）的名稱為第三代移動通信系統(tǒng)制定了總目標(biāo)：

工作在2000MHz頻段最高業(yè)務(wù)速率可達(dá)2000kb/s1.2移動通信發(fā)展概況

第三代移動通信系統(tǒng)3大標(biāo)準(zhǔn)體制WCDMA(歐洲、日本)cdma2000(北美)TD-SCDMA(中國)第三代移動通信特點頻譜利用率高服務(wù)質(zhì)量好高速傳輸支持多媒體業(yè)務(wù)室內(nèi)環(huán)境至少2Mbps步行環(huán)境至少384kbps車速環(huán)境至少144kbps傳輸速率按需分配支持上、下行鏈路的不對稱需求易于從第二代系統(tǒng)過渡支持全球無縫漫游3G的發(fā)展可分為兩個階段：第一階段：語音傳輸以“電路交換”為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行；數(shù)據(jù)傳輸以“IP分組交換”為核心的網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行。第二階段：下一代網(wǎng)絡(luò)階段，完成基本“IP分組交換”，“電路交換”完全淘汰。

1.2.2我國移動通信的發(fā)展

我國開始發(fā)展移動通信電話業(yè)務(wù)始于1981年，當(dāng)時采用的是早期150MHz系統(tǒng)，8個信道，能容納的用戶數(shù)只有20個。隨后相繼發(fā)展的有450MHz系統(tǒng)，如重慶市電信局首期建設(shè)的諾瓦特系統(tǒng)、河南省交通廳建成的MAT-A系統(tǒng)等。1987年，我國在上海首次開通了TACS制式的900MHz模擬蜂窩移動電話系統(tǒng)。1994年9月，廣東省首先建成了GSM數(shù)字移動通信網(wǎng)，初期容量為5萬戶，于同年10月試運(yùn)行。

1996年，我國研制出自己的數(shù)字蜂窩系統(tǒng)全套樣機(jī)，完成了接入公眾網(wǎng)的運(yùn)行試驗，并逐步實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。1996年12月，廣州建起我國第一個CDMA試驗網(wǎng)。

1997年10月，廣州、上海、西安、北京4個城市通過了CDMA試驗網(wǎng)漫游測試，同年11月，北京試驗點向社會開放。

2005年6月，我國完成了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三大系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)測試，為商用化做好了準(zhǔn)備。2009年1月，工業(yè)與信息化部正式向中國移動、中國聯(lián)通和中國電信三大運(yùn)營商發(fā)放3G牌照，標(biāo)志著中國正式進(jìn)入3G時代。

我國主導(dǎo)的TD-SCDMA成為三個國際主流3G標(biāo)準(zhǔn)之一，2012年我國主導(dǎo)的TD-LTE-Advanced技術(shù)成為國際上二個4G主流標(biāo)準(zhǔn)之一，我國實現(xiàn)了移動通信技術(shù)從追趕到引領(lǐng)的跨越發(fā)展，已經(jīng)成為世界上移動通信領(lǐng)域有重要話語權(quán)的國家。以華為、中興等為代表的我國的移動通信企業(yè)，已經(jīng)形成了移動通信設(shè)備和系統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)鏈，產(chǎn)品在全球的市場份額已位居世界最前列，我國移動通信產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具有較強(qiáng)的國際競爭力。2013年12月，工信部向中國移動、中國電信、中國聯(lián)通頒發(fā)TD-LTE的4G牌照，2015年2月，工信部正式向中國電信和中國聯(lián)通發(fā)放FDD制式的4G牌照，至此，移動互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)速在我國達(dá)到了一個全新的高度，國內(nèi)三家運(yùn)營商大規(guī)模開展4G業(yè)務(wù)。如今在我國，2G、3G和4G移動通信技術(shù)共同存在，4G通信技術(shù)也出現(xiàn)逐漸將3G和2G技術(shù)取代，成為人們應(yīng)用的主要通信技術(shù)。中國移動已成為全球4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶最大的電信運(yùn)營商。

移動通信行業(yè)在全球達(dá)到第一個10億用戶經(jīng)過了20年，而達(dá)到第二個10億用戶僅僅經(jīng)歷了3年時間。而從2005年底到2006年底短短一年的時間，全球新增移動用戶數(shù)量就高達(dá)5億。固定電話用戶數(shù)持續(xù)呈逐年下降的趨勢，2009年7月，全球固定用戶數(shù)僅占移動電話用戶數(shù)的1/4。

目前，全球手機(jī)用戶已超60億，移動互聯(lián)網(wǎng)流量已達(dá)互聯(lián)網(wǎng)總流量的10%，移動通信和移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，正在對我們的生產(chǎn)和生活方式帶來深刻變化。

1.2.3移動通信的發(fā)展趨勢

近年來雖然3G系統(tǒng)已經(jīng)在許多國家得到大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，但另一方面寬帶無線接入技術(shù)從固定向移動化發(fā)展，形成了與移動通信技術(shù)競爭的局面。為應(yīng)對“寬帶接入移動化”的挑戰(zhàn)，同時為了滿足新型業(yè)務(wù)需求，2004年底第三代合作伙伴項目（GenerationPartnershipProject，3GPP）組織啟動了長期演進(jìn)（LongTermEvolution，LTE）的標(biāo)準(zhǔn)化工作。

·

LTE致力于進(jìn)一步改進(jìn)和增強(qiáng)現(xiàn)有3G技術(shù)的性能，以提供更快的分組速率、頻譜效率以及更低的延遲。在推動3G系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)化的同時，世界各國已把研究重點轉(zhuǎn)入后三代/第四代（B3G/4G）移動通信系統(tǒng)?？梢苑Q之為移動通信發(fā)展的第七階段。2005年10月，國際電信聯(lián)盟正式將B3G/4G移動通信技術(shù)命名為IMT-Advanced(InternationalMobileTelecommunication-Advanced)?！癐MT-Advanced”技術(shù)需要實現(xiàn)更高的數(shù)據(jù)傳輸速率和更大的系統(tǒng)容量，在低速移動、熱點覆蓋場景下數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到100~1000Mbit/s，在高速移動情況下數(shù)據(jù)速率可達(dá)到20~100Mbit/s。

4G集3G與WLAN于一體，并能夠傳輸高質(zhì)量視頻圖像，它的圖像傳輸質(zhì)量與高清晰度電視不相上下。4G系統(tǒng)能夠滿足幾乎所有用戶對于無線服務(wù)的要求。在用戶最為關(guān)注的價格方面，4G與固定寬帶網(wǎng)絡(luò)在價格方面不相上下，而且計費(fèi)方式更加靈活機(jī)動，用戶完全可以根據(jù)自身的需求確定所需的服務(wù)。

當(dāng)4G正在如火如荼的開展時，5G已經(jīng)提上了日程。如今，世界上的各個國家正在對5G移動通信系統(tǒng)的應(yīng)用需求、發(fā)展愿景、候選頻段等各個方面展開了相關(guān)的研討活動，并決定在2016年左右啟動標(biāo)準(zhǔn)化的進(jìn)程。

5G移動通信系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)就是和其他的無線移動通信技術(shù)進(jìn)行密切銜接，為互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來基礎(chǔ)性的業(yè)務(wù)方面的能力。移動通信的目標(biāo)：（4W）

Whenever（任何時間）

Wherever（任何地點）

Whoever（任何人）

Whatever（任何種類）1.3移動通信的分類及工作方式

1.3.1移動通信的分類

按使用對象分為民用通信和軍用通信。

按使用環(huán)境分為陸地通信、海上通信和空中通信。

按多址方式分為頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）等。按覆蓋范圍分為廣域網(wǎng)、城域網(wǎng)、局域網(wǎng)和個域網(wǎng)。

按業(yè)務(wù)類型分為電話網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)和綜合業(yè)務(wù)網(wǎng)等。按工作方式分為單工、雙工和半雙工。

按服務(wù)范圍分為專用網(wǎng)和公用網(wǎng)。按信號形式分為模擬網(wǎng)和數(shù)字網(wǎng)。

1.3移動通信的分類及工作方式1．單工通信單工通信是指通信雙方電臺交替地進(jìn)行收信和發(fā)信。單工通信通常用于點到點通信，如圖1.1所示。

1.3.2移動通信的工作方式圖1.1單工通信示意圖

根據(jù)收、發(fā)頻率的異同，單工通信又分為：同頻單工：同頻單工通信是指通信雙方（如圖1.1中的電臺甲和電臺乙）使用相同的頻率f1工作，發(fā)送時不接收，接收時不發(fā)送。

異頻單工：異頻單工通信方式，收發(fā)信機(jī)使用兩個不同的頻率分別進(jìn)行發(fā)送和接收。2．雙工通信·雙工通信，是指通信雙方可同時進(jìn)行消息傳輸?shù)墓ぷ鞣绞?，亦稱全雙工通信，如圖1.2所示。雙工通信分為頻分雙工（FDD）和時分雙工（TDD）。圖1.2雙工通信示意圖3．半雙工通信·半雙工通信是指移動臺采用單工方式，基站采用雙工方式的通話方式，如圖1.3所示。該方式主要用于解決雙工方式耗電大的問題。圖1.3半雙工通信示意圖1.4移動通信采用的基本技術(shù)1.4.1調(diào)制技術(shù)數(shù)字移動通信對數(shù)字調(diào)制技術(shù)的主要要求：

①已調(diào)信號的頻譜窄和帶外衰減快；

②易于采用相干或非相干解調(diào)；

③抗噪聲和抗干擾的能力強(qiáng)；

④適宜在衰落信道中傳輸?！?/p>

數(shù)字信號調(diào)制的基本類型分為振幅鍵控（ASK）、頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）3種?！?/p>

在實際應(yīng)用中，兩類數(shù)字調(diào)制方式用得最多，分別為線性調(diào)制和恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)。（1）線性調(diào)制技術(shù)·

主要包括PSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、/4-DQPSK和多電平PSK等調(diào)制方式。（2）恒定包絡(luò)（連續(xù)相位）調(diào)制技術(shù)·

主要包括MSK、GMSK、GFSK和TFM等調(diào)制方式。

除了以上提到的兩種調(diào)制技術(shù)，另外還有一種獲得迅速發(fā)展的數(shù)字調(diào)制技術(shù)是振幅和相位聯(lián)合調(diào)制（QAM）技術(shù)。1.4.2移動信道電波傳播特性的研究·

研究移動信道的傳播特性，首先要弄清移動信道的傳播規(guī)律和各種物理現(xiàn)象的機(jī)理以及這些現(xiàn)象對信號傳輸所產(chǎn)生的不良影響，進(jìn)而研究消除各種不良影響的對策?！?/p>

理論分析方法：通常用射線表示電磁波束的傳播，在確定收發(fā)天線的高度、位置和周圍環(huán)境的具體特征后，根據(jù)直射、折射、反射、散射、透射等波動現(xiàn)象，用電磁波理論計算電波傳播的路徑損耗及有關(guān)信道參數(shù)。·

實測分析方法：在典型的傳播環(huán)境中進(jìn)行現(xiàn)場測試，并用計算機(jī)對大量實測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，以建立預(yù)測模型（如沖擊響應(yīng)模型），進(jìn)行傳播預(yù)測。1.4.3多址方式·

多址方式的基本類型有頻分多址（FDMA）、時分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）?！?/p>

實際中也常用到3種基本多址方式混合的多址方式，如FDMA/TDMA、FDMA/CDMA、TDMA/CDMA等?！DMA系統(tǒng)的通信容量大于FDMA系統(tǒng)，CDMA系統(tǒng)的通信容量又大于TDMA系統(tǒng)。·

在移動通信系統(tǒng)開發(fā)研制中，碼分多址（CDMA）是最具有競爭力的多址方式。1.4.4抗干擾技術(shù)

移動通信系統(tǒng)中采用的抗干擾措施是多種多樣的，主要有：利用信道編碼進(jìn)行檢錯、糾錯。分集技術(shù)、均衡技術(shù)、調(diào)制技術(shù)。擴(kuò)頻、跳頻技術(shù)。扇區(qū)天線、多波束天線和自適應(yīng)天線等。干擾抵消和多用戶檢測器技術(shù)。

1.4.5組網(wǎng)技術(shù)1．網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖1.4數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2．網(wǎng)絡(luò)接口

圖1.5GSM系統(tǒng)的接口

數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（GSM）的接口如圖1.5所示。

數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)（GSM）的接口協(xié)議模型分別如圖1.6所示。3．網(wǎng)絡(luò)的控制與管理圖1.6GSM的無線接口協(xié)議模型1.5移動通信的典型應(yīng)用系統(tǒng)·

已經(jīng)發(fā)展成熟的常用移動通信系統(tǒng)包括集群移動通信系統(tǒng)、衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)、無線局域網(wǎng)、蜂窩移動通信系統(tǒng)等。1.集群移動通信系統(tǒng)

集群系統(tǒng)是一種專用高級移動調(diào)度系統(tǒng)，由控制中心、基站、調(diào)度臺、移動臺組成。集群通信系統(tǒng)屬于專用移動通信網(wǎng)，適用于在各個行業(yè)（或幾個行業(yè)合用）中間進(jìn)行調(diào)度和指揮，對網(wǎng)中的不同用戶常常賦予不同的優(yōu)先等級。集群通信應(yīng)用方向：公安系統(tǒng)

公安指揮調(diào)度水利系統(tǒng)

汛期專用交通系統(tǒng)

運(yùn)輸管理、出租車調(diào)度電力系統(tǒng)

數(shù)傳、指揮系統(tǒng)鐵路系統(tǒng)

鐵道移動調(diào)度、售票網(wǎng)等·

集群通信系統(tǒng)采用半雙工通信方式，即基站以雙工方式工作，移動臺以異頻單工方式工作?！?/p>

集群系統(tǒng)主要以無線用戶為主，即以調(diào)度臺與移動臺之間的通話為主?！?/p>

集群移動通信系統(tǒng)采用的基本技術(shù)是頻率共用技術(shù)。2.無線尋呼系統(tǒng)

無線尋呼系統(tǒng)是一種不用語音的單向選擇呼叫系統(tǒng)。其接收端是多個可以由用戶攜帶的高靈敏度收信機(jī)（稱作袖珍鈴），俗稱“BB機(jī)”。它在收信機(jī)收到呼叫時，就會自動振鈴、顯示數(shù)碼或漢字，向用戶傳遞特定的信息?？煽醋鲇芯€電話網(wǎng)中呼叫振鈴功能的無線延伸或擴(kuò)展。無線尋呼系統(tǒng)可分為：專用系統(tǒng)：由用戶交換機(jī)、尋呼中心、發(fā)射臺及呼接收機(jī)組成，以采用人工方式的較多。一般在操作臺旁有一部有線電話。公用系統(tǒng)：由與公用電話網(wǎng)相連接的無線尋呼控制中心、尋呼發(fā)射臺及尋呼接收機(jī)組成，多采用人工和自動兩種方式。

無繩電話最初是應(yīng)有線電話用戶的需求而誕生的，初期主要應(yīng)用于家庭。這種無繩電話只有一個與有線電話用戶線相連接的基站和隨身攜帶的手機(jī)，基站與手機(jī)之間利用無線電溝通，故而得名“無繩”。圖1.7無繩電話系統(tǒng)示意圖3.無繩電話通信系統(tǒng)·

在此基礎(chǔ)上相繼開發(fā)了DECT、PHS、PACS等無繩公眾通信系統(tǒng)。圖1.7無繩電話系統(tǒng)示意圖·

成本低廉是無繩電話系統(tǒng)的主要優(yōu)點。

以上提到的PAS系統(tǒng)俗稱為“小靈通系統(tǒng)”。它是在日本PHS基礎(chǔ)上改進(jìn)的一種無線市話系統(tǒng)。圖1.7無繩電話系統(tǒng)示意圖4.衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)衛(wèi)星通信系統(tǒng)覆蓋廣、通信距離遠(yuǎn)、不受地理環(huán)境限制、話音質(zhì)量優(yōu)，但手機(jī)笨重，手機(jī)價格與通話費(fèi)用高，傳輸速率低。同步軌道衛(wèi)星系統(tǒng)離地太遠(yuǎn)（35680km），信號衰減大，傳輸時延長，不利于進(jìn)行全球個人移動通信。中低軌道非同步衛(wèi)星系統(tǒng)中軌：10000km上下；低軌：500~1500km，如銥系統(tǒng)、全球星系統(tǒng)等?！o線局域網(wǎng)(WirelessLocalAreaNetworks；WLAN)利用無線技術(shù)在空中傳輸數(shù)據(jù)、話音和視頻信號。作為傳統(tǒng)布線網(wǎng)絡(luò)的一種替代方案或延伸，無線局域網(wǎng)把個人從辦公桌邊解放了出來，使他們可以隨時隨地獲取信息，提高了員工的辦公效率。

WLAN是無線通信的一個重要領(lǐng)域，它支持小范圍、低速的游牧移動通信。5.無線局域網(wǎng)目前WLAN常直接稱為Wi-Fi（WirelessFidelity）網(wǎng)絡(luò)，Wi-Fi是WLAN的眾標(biāo)準(zhǔn)之一，俗稱無線寬帶，它是一種可以將個人電腦、手持設(shè)備（手機(jī)、平板電腦）等以無線方式相互連接的技術(shù)。用戶只需要打開Wi-Fi，就可以方便地進(jìn)行網(wǎng)頁瀏覽、語音聊天、網(wǎng)絡(luò)視頻，觀看網(wǎng)絡(luò)電視節(jié)目等。6.蜂窩移動通信系統(tǒng)

蜂窩系統(tǒng)也叫“小區(qū)制”系統(tǒng)。是將所有要覆蓋的地區(qū)劃分為若干個小區(qū)，每個小區(qū)的半徑可視用戶的分布密度在1~10km左右。在每個小區(qū)設(shè)立一個基站為本小區(qū)范圍內(nèi)的用戶服務(wù)。小區(qū)的大小可根據(jù)容量和應(yīng)用環(huán)境決定?！し涓C式公用陸地移動通信系統(tǒng)適用于全自動撥號、全雙工工作、大容量公用移動陸地網(wǎng)組網(wǎng)，可與公用電話網(wǎng)中任何一級交換中心相連接，實現(xiàn)移動用戶與本地電話網(wǎng)用戶、長途電話網(wǎng)用戶及國際電話網(wǎng)用戶的通話接續(xù)。

蜂窩式公用陸地移動通信系統(tǒng)系統(tǒng)具有越區(qū)切換、自動或人工漫游、計費(fèi)及業(yè)務(wù)量統(tǒng)計等功能。思考1.移動通信的傳輸方式有哪兩種？用于無線電尋呼系統(tǒng)的是哪一種？2.移動通信有哪三種工作方式？公共移動通信系統(tǒng)和個別小型專用系統(tǒng)分別采用的什么工作方式？第2章移動通信電波傳播及損耗模型無線電波傳播的基本特性

2.1移動無線信道的多徑傳播特性2.2描述多徑衰落信道的主要參數(shù)

2.3電波傳播損耗預(yù)測模型2.5陰影衰落2.42.1無線電波傳播的基本特性

移動通信信道的基本特點有3個：（1）帶寬有限，它取決于使用的頻率資源和信道的傳播特性；（2）干擾和噪聲影響大，這主要是移動通信工作的電磁環(huán)境所決定的；（3）存在著多徑衰落。·

移動信道的衰落特性取決于無線電波的傳播環(huán)境?！ひ苿有诺缽?fù)雜、惡劣的傳播條件這一特征是由在運(yùn)動中進(jìn)行無線通信這一方式本身所決定的。

2.1.1概況·

對移動信道進(jìn)行研究的基本方法有3種。（1）理論分析：缺陷是數(shù)學(xué)模型往往過于簡化導(dǎo)致應(yīng)用范圍受限。（2）現(xiàn)場電波傳播實測：缺陷是費(fèi)時費(fèi)力且往往只針對某個特定傳播環(huán)境。（3）移動信道的計算機(jī)模擬：能靈活快速地模擬出各種移動通信信道，應(yīng)用廣泛。·

移動環(huán)境中電波傳播特性研究的結(jié)果往往用兩種方式給出。

方式一：對移動環(huán)境中電波傳播特性給出某種統(tǒng)計描述。

方式二：建立電波傳播模型：如圖表、近似計算公式或計算機(jī)仿真模型等。無線電波傳播特性波段波長頻率主要用途長波10km～1km30kHz～300kHz—中波1km～100m300kHz～3MHz調(diào)幅無線電廣播短波100m～10m3MHz～30MHz微波米波（VHF）10m～1m30MHz～300MHz調(diào)頻無線電廣播分米波（UHF）1m～0.1m300MHz～3GHz電視、雷達(dá)、導(dǎo)航、移動通信厘米波10cm～1cm3GHz～30GHz毫米波10mm～1mm30GHz～300GHz2.1.2無線電波的傳播方式·

無線電波從發(fā)射天線發(fā)出，可以沿著不同的途徑和方式到達(dá)接收天線，這與電波頻率和極化方式有關(guān)。f>30MHz時，主要傳播方式有以下三種：直射波地面反射波地表面波圖2.1電波傳播的主要方式在VHF(米波)、UHF(分米波)移動信道中，電波在移動通信信道中傳播時遇到各種障礙物時會發(fā)生反射、折射和散射等現(xiàn)象。因此，通過不同路徑到達(dá)接收機(jī)的電波信號會產(chǎn)生衰落現(xiàn)象。直射波傳播按自由空間傳播來考慮。自由空間傳播指的是天線周圍為無限大真空時的電波傳播，是無線電波的理想傳播模式。在自由空間傳播時，電波的能量既不會被障礙物所吸收，也不會產(chǎn)生反射或散射。2.1.3直射波傳播如果地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì)，其相對介電常數(shù)ε和相對導(dǎo)磁率μ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，則電波可視作在自由空間傳播。

雖然電波在自由空間里傳播不受阻擋，不產(chǎn)生反射、折射、繞射、散射和吸收，但當(dāng)電波經(jīng)過一段路徑傳播之后，能量仍有衰減，這是由輻射能量的擴(kuò)散而引起的。·

設(shè)該球面上電波的功率密度為S，發(fā)射天線的增益為qr，則有（2.1）（2.2）·

在球面處的接收天線接收到的功率為Ar為接收天線的有效接收面積，即投射到上的電磁波功率全部被接收機(jī)負(fù)載所吸收。圖2.2自由空間的傳輸損耗

可以推出，無方向性接收天線的有效接收面積為

（2.3）

由式（2.1）、式（2.2）和式（2.3）可得接收功率為

（2.4）·

發(fā)送功率Pt與接收功率Pr之比定義為傳輸損耗，或稱系統(tǒng)損耗?！?/p>

經(jīng)推導(dǎo)可得出傳輸損耗Ls的表達(dá)式為

（2.5a）Gt和Gr為發(fā)射和接收天線增益（dB）·

損耗常用分貝表示?！?/p>

式（2.5a）也可表示成

（2.5b）d的單位是Km，頻率f的單位是MHz自由空間路徑損耗或自由空間基本傳輸損耗可以表示為

（2.6b）·Lbs單位：dB(分貝)。表示自由空間中兩個理想點源天線（增益系數(shù)G=1的天線）之間的傳輸損耗?！ぷ杂煽臻g是不吸收電磁能量的理想介質(zhì)。式(2.5a)和(2.5b)也可以表示為

(2.6a)2.1.4反射波傳播當(dāng)電波在傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑面時，如果界面尺寸比電波波長大得多時會產(chǎn)生鏡面反射如圖2.3所示。圖2.3反射波與直射波通常，在考慮地面對電波的反射時，按平面波處理，即電波在反射點的反射角等于入射角。不同界面的反射特性用反射系數(shù)R表示。它可以用以下公式表示：

(2.7)反射波與直射波的路徑差為

(2.8)式中，d=d1+d2。通常ht+hr<<d,，故(2.9)反射路徑與直射路徑的相位差

(2.10)2π/λ稱為傳播相移常數(shù)?！?/p>

當(dāng)傳播路徑遠(yuǎn)大于天線高度時，并假設(shè)一定的簡化條件，則接收天線R處的總場強(qiáng)為 （2.11）E0是自由空間單徑傳播的場強(qiáng)。

在實際移動信道中，電波在低層大氣中傳播。由于低層大氣不是均勻介質(zhì)，它的溫度、濕度、氣壓均隨著時間和空間而變化，因此會產(chǎn)生折射和吸引現(xiàn)象，從而直接影響視線傳播的極限距離。2.1.5大氣中的電波傳播·

在不考慮傳導(dǎo)電流和介質(zhì)磁化的情況下，可以推出介質(zhì)的折射率n與相對介電常數(shù)r的關(guān)系為 （2.12）·

大氣折射率n通常很接近于1。

大氣的相對介電常數(shù)與溫度、濕度和氣壓有關(guān)。大氣高度不同，εr不同。·當(dāng)一束電波通過折射率n隨高度變化的大氣層時，由于不同高度上的電波傳播速度不同，從而使電波射束發(fā)生彎曲，彎曲的方向和程度取決于dn/dh（大氣折射率的垂直梯度）。

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。·

在實際傳輸中，大氣最典型的折射出現(xiàn)在電波的水平傳播中。在工程上，大氣折射對電波傳播的影響通常用地球等效半徑來表征，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R0(6.37×106m)變成了等效半徑Re。等效地球半徑：電波在以等效地球半徑Re為半徑的球面上空沿直線傳播與電波在實際地球上空沿曲線傳播等效。等效地球半徑示意圖·

定義K為等效地球半徑系數(shù)，即

（2.14）·

則等效地球半徑與實際地球半徑的關(guān)系為

在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，等效地球半徑系數(shù)k=4/3，等效地球半徑Re=8500km。電波傳播在大氣中折射分為3種類型：（1）無折射：dn/dh=0,K=1,Re=R0。此情況下，大氣是均勻的，電波沿直線傳播。如圖2.4①所示

（2）負(fù)折射：dn/dh＞0,K＜1,Re＜R0。此情況下，大氣折射率隨高度的增加而增大，電波傳播向上彎曲。如圖2.4②所示。

（3）正折射：dn/dh＜0,K＞1,Re＞R0。此情況下，大氣折射率隨高度的增加而減小，電波傳播向下彎曲。如圖2.4③④所示。

圖2.4大氣折射的幾種情況由前面的分類可知，大氣折射有利于超視距的傳播，但在視線距離內(nèi)，由折射現(xiàn)象所產(chǎn)生的折射波會同直射波同時存在，從而產(chǎn)生多徑衰落。視線傳播的極限距離可由圖2.5計算。圖2.5視距傳播的極限距離假設(shè)天線的高度為ht和hr，兩副天線頂點的連線AB與地面相切于C點，Re為等效地球半徑。由于Re遠(yuǎn)大于天線高度，可以證明，自發(fā)射天線頂點A到切點C的距離為

(2.15)同理，由切點C到接收天線頂點B的距離為

(2.16)·在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射的情況下，Re=8500km，故上式可寫為

（2.18）則視距傳播的極限距離為d可以表示為(2.17)2.1.6障礙物的影響及繞射損耗

在實際移動信道中，電波的直射路徑上存在各種障礙物，由障礙物引起的附加傳播損耗稱為繞射損耗?！?/p>

設(shè)發(fā)射天線為T，是一個點源天線；接收天線為R?！?/p>

發(fā)射電波沿球面?zhèn)鞑?。TR連線交球面于A0點?！?/p>

根據(jù)惠更斯-菲涅耳原理，對于處于遠(yuǎn)區(qū)場的R點來說，波陣面上的每個點都可視為二次波源。1．電波傳播的菲涅耳區(qū)圖2.6菲涅耳區(qū)的概念（a）圖2.6菲涅耳區(qū)的概念（a）·

在球面上選擇A1點，使得

（2.19）·

則有一部分能量是沿著TA1R傳送的?！?/p>

這條路徑與直線路徑TR的路徑差為

（2.20）·

所引起的相位差為

（2.21）·

也就是說，沿這兩條路徑到達(dá)接收點R的射線之間的相位差為。·

同樣，可以在球面上選擇點A2，A3，…，An，使得

（2.22）這些點在球面上可以構(gòu)成一系列圓，并將球面分成許多環(huán)形帶Nn，如圖2.6（b）所示。圖2.6菲涅耳區(qū)的概念（b）當(dāng)電波傳播的波陣面的半徑變化時，具有相同相位特性的環(huán)形帶構(gòu)成的空間區(qū)域就是菲涅耳區(qū)。

第I菲涅耳區(qū)：n=1時構(gòu)成的菲涅耳區(qū)。理論分析表明：通過第I菲涅耳區(qū)到達(dá)接收天線R的電磁波能量約占R點接收到的總能量的1/2。如果在這個區(qū)域內(nèi)有障礙物存在，將會對電波傳播產(chǎn)生較大的影響。2．電波傳播的繞射損耗

為了衡量障礙物對傳播通路的影響程度，定義了菲涅爾余隙的概念。設(shè)障礙物與發(fā)射點和接收點的相對位置如圖2.7所示。

負(fù)余隙正余隙如圖2.7所示，障礙物的頂點P到發(fā)射端與接收端的連線TR的距離x稱為菲涅耳余隙。2.7障礙物與余隙圖中，縱坐標(biāo)為繞射損耗（即相對于自由空間傳播損耗的分貝數(shù)），橫坐標(biāo)為x/x1。x為菲涅爾余隙；x1稱為第一菲涅爾區(qū)在P點橫截面的半徑，由下列關(guān)系式可求得：（2.23）圖2.8繞射損耗與余隙的關(guān)系結(jié)論：

（1）當(dāng)x/x1＞0.5時，繞射損耗約為0dB，障礙物對直射波傳播基本上沒有影響。因此，在選擇天線高度時，根據(jù)地形應(yīng)盡可能使服務(wù)區(qū)內(nèi)各處的菲涅爾余隙x＞0.5x1。圖2.8繞射損耗與余隙的關(guān)系（2）當(dāng)x＜0時，直射波低于障礙物的頂點，衰減急劇增加；（3）當(dāng)x=0，即TR射線從障礙物頂點擦過時，附加損耗為6dB。圖2.8繞射損耗與余隙的關(guān)系例2.1電波傳播路徑如圖所示，設(shè)菲涅爾余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作頻率為150MHz。試求出電波傳播損耗。例2.1電波傳播路徑如圖所示，設(shè)菲涅爾余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作頻率為150MHz。試求出電波傳播損耗。解：自由空間傳播的損耗Lbs為［Lbs］=32.45+20lg150+20lg(5+10)=99.5dB第一菲涅爾區(qū)半徑x1為

式中，λ=c/f,c為光速，f為頻率。

解：所以，x/x1≈-1查繞射損耗與余隙關(guān)系表，得繞射損耗為16.5dB因此，電波傳播的損耗L為［L］=［Lbs］+16.5=116.0dB2.1.1移動信道的時變特性·

移動信道是一種時變信道?！?/p>

無線電信號通過移動信道時會遭受來自不同途徑的衰減損害。2.2移動無線信道的多徑傳播特性·

按收信號功率可表示為·

式（2.21）是信道對傳輸信號作用的一般表示式。式中，表示移動臺與基站的距離。(2.24)·這些作用有3類。（1）傳播損耗，又稱為路徑損耗。其值用表示。其中n為路徑衰減因子，自由空間傳播時n=2，一般情況下n=3~5。（2）陰影衰落，用表示。

（3）多徑衰落，用表示。

圖2.10陸地移動傳播在數(shù)十米波長范圍內(nèi)，接收信號場強(qiáng)的瞬時值呈現(xiàn)快速變化的特征，這就是多徑衰落引起的，稱為快衰落或短區(qū)間衰落。在數(shù)百米波長范圍內(nèi)，信號的短區(qū)間中心值也出現(xiàn)緩慢變動的特征，這就是陰影衰落。在數(shù)百米或數(shù)千米的區(qū)間內(nèi)，長區(qū)間中心值隨距離基站位置的變化而變化，服從規(guī)律。這就是傳播損耗。

·

陸地移動信道的主要特征是多徑傳播。在移動通信中，移動臺往往受到各種障礙物(建筑物、樹木、植被以及起伏的地形)和其它移動體的影響，會引起電波的反射，如圖2.11所示。2.2.2移動環(huán)境的多徑傳播圖2.11多徑傳播示意圖電波的反射導(dǎo)致移動臺的接收信號是來自不同傳播路徑的信號之和，這種現(xiàn)象稱為多徑效應(yīng)。多徑效應(yīng)使得接收信號產(chǎn)生深度且快速的衰落，稱為多徑衰落。通常在移動通信系統(tǒng)中，基站用固定的高天線，移動臺用接近地面的低天線。2.2.3多普勒頻移·

當(dāng)移動臺在運(yùn)動中通信時，接收信號頻率會發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)?！?/p>

由多普勒效應(yīng)引起的附加頻移稱為多普勒頻移，可用下式表示

（2.25）·與入射角度無關(guān)，是fD的最大值，稱為最大多普勒頻移。圖2.12入射角

例2.2若載波fc=600MHz，移動臺速度v=30km/h,求最大多普勒平移。解：2.3描述多徑衰落信道的主要參數(shù)當(dāng)發(fā)射端發(fā)送一個極窄的脈沖信號至移動臺時，由于在多徑傳播條件下存在著多條長短不一的傳播路徑，發(fā)射信號沿各個路徑到達(dá)接收天線的時間就不一樣，移動臺所接收的信號是由多個時延信號構(gòu)成，產(chǎn)生時延擴(kuò)展（TimeDelaySpread）,如圖2.13所示。圖2.13時延擴(kuò)展示意圖當(dāng)發(fā)射端發(fā)送一個極窄的脈沖信號至移動臺時，由于在多徑傳播條件下存在著多條長短不一的傳播路徑，發(fā)射信號沿各個路徑到達(dá)接收天線的時間就不一樣，移動臺所接收的信號是由多個時延信號構(gòu)成，產(chǎn)生時延擴(kuò)展（TimeDelaySpread）,如圖2.13所示。2.3.1時延擴(kuò)展時延擴(kuò)展可用實測信號的統(tǒng)計平均的方法來定義。利用寬帶偽噪聲信號所測得的典型時延譜曲線如圖2.14所示。圖2.14典型的時延譜曲線·

定義P(τ)的一階矩為平均時延τm，P(τ)的均方根值為時延擴(kuò)展，即 （2.26）

（2.27）圖2.14典型的時延譜曲線2.3.2相關(guān)帶寬對于移動信道來說，存在一個相關(guān)帶寬。當(dāng)信號通過移動通信信道時，會引起多徑衰落。根據(jù)多徑信號中各不同分量的衰落是否相同，可將衰落分為頻率選擇性衰落和非頻率選擇性衰落。當(dāng)信號帶寬大于相關(guān)帶寬時，發(fā)生頻率選擇性衰落；當(dāng)信號的帶寬小于相關(guān)帶寬時，發(fā)生非頻率選擇性衰落（平坦衰落）。頻率選擇性衰落是指信號中各分量的衰落狀況與頻率有關(guān)，即傳輸信道對信號中不同頻率分量有不同的隨機(jī)響應(yīng)。時延擴(kuò)展將導(dǎo)致頻率選擇性衰落，若信號帶寬過大，會引起嚴(yán)重失真。非頻率選擇性衰落是指信號中各分量的衰落狀況與頻率無關(guān)。衰落信號的波形不失真。·

考慮頻率分別為f1和f2的兩個信號的包絡(luò)相關(guān)性?！?/p>

這種相關(guān)性可由兩信號的相關(guān)系數(shù)（歸一化的相關(guān)函數(shù)）得出?！?/p>

由圖2.15可知，當(dāng)兩信號頻率間隔增加時，相關(guān)系數(shù)減小，也就是信號的不一致性增加。圖2.15相關(guān)系數(shù)曲線·將信號包絡(luò)相關(guān)系數(shù)等于0.5時所對應(yīng)的頻率間隔定義為相關(guān)帶寬Bc，即 （2.28）·實際應(yīng)用中，常用最大時延Tm的倒數(shù)來規(guī)定相關(guān)帶寬，即 （2.29）若所傳輸?shù)男盘枎捿^寬，以至與Bc可比擬時，則所傳輸?shù)男盘枌a(chǎn)生明顯的畸變。2.4陰影衰落

·

當(dāng)電波在傳播路徑上遇到起伏地形、建筑物、植被（高大的樹木）等障礙物的阻擋時，會產(chǎn)生電磁場的陰影。移動臺在運(yùn)動中通過不同障礙物的陰影時，就構(gòu)成接收天線處場強(qiáng)中值的變化，從而引起衰落，稱為陰影衰落。由于這種衰落變化速率較慢，又稱為慢衰落。·

陰影衰落是長期衰落（大尺度衰落），其信號電平起伏是相對緩慢的。它的特點是衰落與無線電傳播地形和地物的分布、高度有關(guān)。圖2.16陰影衰落

·陰影衰落一般表示為電波傳播距離r的m次冪與表示陰影損耗的正態(tài)對數(shù)分量的乘積。移動用戶和基站之間的距離為r時，傳播路徑損耗和陰影衰落可以表示為（2.30）

·當(dāng)用dB表示時，上式變?yōu)椋?.31）2.5電波傳播損耗預(yù)測模型

1.地形特征參數(shù)

（1）地形波動高度Δh地形波動高度Δh在平均意義上描述電波傳播路徑中地形變化的程度。Δh定義為：沿傳播方向，距接收地點10km范圍內(nèi)，10%高度線和90%高度線的高度差，如圖2.17所示。2.5.1電波傳播的地形環(huán)境圖2.17地形波動高度Δh（2）天線有效高度移動臺天線有效高度定義為移動臺天線距地面的實際高度?；咎炀€有效高度hb定義為沿電波傳播方向，距基站天線3～15km的范圍內(nèi)平均地面高度以上的天線高度，如圖2.18所示。圖2.18基站天線有效高度2.地形分類實際地形雖然千差萬別，但從電波傳播的角度考慮，可分為兩大類，即準(zhǔn)平坦地形和不規(guī)則地形。準(zhǔn)平坦地形是指該地區(qū)的地形波動高度在20m以內(nèi)，而且起伏緩慢、地形峰頂與谷底之間的水平距離大于地面波動高度，在以公里計的范圍內(nèi)，其平均地面高度差仍在20m以內(nèi)。不規(guī)則地形是指除準(zhǔn)平坦地形之外的其他地形。地形Δh/m地形Δh/m非常平坦地形0~5小山區(qū)80~150平坦地形5~10山區(qū)150~300準(zhǔn)平坦地形10~20陡峭山區(qū)300~700小土崗式起伏地形20~40特別陡峭山區(qū)>>700丘陵地形40~80實際上，各類地形中的主要特征是地形波動高度Δh。各類地形中Δh的估計值如表2.1所示。表2.1各類地形中Δh的估計值3.傳播環(huán)境分類

（1）開闊地區(qū)（2）郊區(qū)（3）中小城市地區(qū)

（4）大城市地區(qū)2.5.1奧村模型該模型的特點：以大城市地區(qū)準(zhǔn)平坦地形的場強(qiáng)中值路徑損耗作為基準(zhǔn)，對于不同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正。

該模型的適用范圍：載波頻率在150~2000MHz；離基站不能太近，有效距離為1~100km;天線高度要在30m以上。·Okumura模型中大城市地區(qū)準(zhǔn)平坦地形的中值路徑損耗（dB）由下式給出 （2.32）

Lbs為自由空間路徑損耗（dB）。Am(f,d)為大城市地區(qū)當(dāng)基站天線高度hb=200m、移動臺天線高度hm=3m時相對自由空間的中值損耗。又稱為基本中值損耗。Hb(hb,d)是基站天線高度增益因子。Hm(hm,f)是移動臺天線高度增益因子。圖2.16準(zhǔn)平坦地形市區(qū)相對于自由空間的基本中值損耗圖2.17基站天線高度增益因子圖2.18移動臺天線高度增益因子

例2.3某一移動信道，工作頻段為450MHz，基站天線高度為50m，天線增益為6dB，移動臺天線高度為3m，天線增益為0dB；在市區(qū)工作，傳播路徑為準(zhǔn)平坦地形，通信距離為10km，求傳播路徑的中值路徑損耗。解：自由空間傳播損耗

Lfs=

32.45+20lgf+20lgd-10lg(GtGr)=

32.45+20lg450+20lg10-6=

99.5dB因為工作在準(zhǔn)平坦地形，由圖2.16查得，市區(qū)基本中值損耗為

Am(f,d)=Am(450,10)=27dB由圖2.17查得，基站天線高度增益因子

Hb(hb,d)=Hb(50,10)=-12dB

由圖2.18查得，移動臺天線高度增益因子

Hm(hm,f)=Hm(3,450)=0dB所以，傳播路徑中值損耗為

=99.5+27+12=138.5dB2.5.2Hata模型Hata模型是根據(jù)奧村Okumura用圖表給出的路徑損耗數(shù)據(jù)歸納出的一個經(jīng)驗公式，該公式適用的頻率范圍為150~1500MHz。該模型的特點是：以準(zhǔn)平坦地形大城市地區(qū)的場強(qiáng)中值路徑損耗作為基準(zhǔn)，對不同的傳播環(huán)境和地形條件等因素用校正因子加以修正?！?/p>

中值路徑損耗的經(jīng)驗公式為

（2.33）2．中小城市修正因子（除大城市以外的其它所有城市）

1．大城市修正因子（建筑物平均高度超過15m）α(hm)=8.29[lg(1.54hm)]2-1.1dB150MHz≤f≤300MHz(2.34)α(hm)=3.2[lg(11.75hm)]2-4.97dB400MHz≤f≤1500MHz(2.35)α(hm)=（1.1lgf-0.7）hm－（1.56lgf－0.8）(2.36)歐洲研究委員會COST-231對Hata模型進(jìn)行了擴(kuò)展，使它適用于PCS系統(tǒng)，適用頻率也達(dá)到了2GHz。這種模型考慮到了自由空間損耗、沿傳播路徑的繞射損耗以及移動臺與周圍建筑屋頂之間的損耗。

Hata模型的擴(kuò)展已被用于微小區(qū)的實際工程設(shè)計。2.5.3Hata模型擴(kuò)展

Lb=46.3+33.91gf－13.82lghb－α(hm)+（44.9－6.55lghb）lgd+CM

(2.37) (2.32)式中，α(hm)由式(2.29)、式(2.30)和式(2.31)計算，CM由下式給出CM=0dB中等城市和郊區(qū)(2.38a)CM=3dB市中心(2.38b)擴(kuò)展Hata模型的市區(qū)路徑損耗的計算公式：1.室內(nèi)辦公環(huán)境模型這類傳播環(huán)境的特點是小區(qū)小、反射功率低。由于墻壁、地板和各種分隔、阻擋物的阻擋和電波的散射，使路徑衰落規(guī)律發(fā)生了變化，衰落特性在萊斯到瑞利之間變化。同時，還會產(chǎn)生陰影效應(yīng)。2.5.4IMT-2000模型2.室外到室內(nèi)徒步環(huán)境小區(qū)小、反射功率低也是這類環(huán)境的特點?；疚挥谑彝猓炀€高度低，步行用戶在街道上或建筑物內(nèi)時，時延擴(kuò)展在100~1800ns間變化。3.車載環(huán)境這種環(huán)境的特點是小區(qū)較大，反射功率較高。在丘陵和多山地形環(huán)境下，隆起的道路上時延擴(kuò)展在0.4~12ms間變化。某一移動通信系統(tǒng)，基站天線高度為100m，天線增益Gb=6dB，移動臺天線高度為3m，Gm=0dB，市區(qū)為中等起伏地，通信距離為10km，工作頻率為150MHz，試求：傳播路徑上的中值損耗；（注：lg150=2.176）思考與練習(xí)第3章編碼及調(diào)制技術(shù)信源編碼概述

3.1信道編碼概述3.2調(diào)制技術(shù)概述3.3線性調(diào)制技術(shù)

3.4恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)3.5擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)3.6信息：是事物行為、狀態(tài)的表征。“信息交換”過程：將信息脫離源事物而附著于另一種事物的過程。隨著通信技術(shù)的發(fā)展，人們對信息傳輸?shù)馁|(zhì)量要求越來越高，不僅要求快速、高效、可靠地傳遞信息，還要求信息傳遞過程中保證信息不被偽造和篡改。3.1信源編碼概述·

信息傳輸?shù)幕灸Ｐ腿鐖D3.1所示。圖3.1信息傳輸?shù)囊话隳Ｐ托旁矗寒a(chǎn)生消息和消息序列的來源。信源編碼：是對信源輸出的信息進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q和處理，目的是為了提高信息的傳輸效率。信源編碼又稱為頻帶壓縮編碼或數(shù)據(jù)壓縮編碼。信道編碼：是為了提高信息的可靠性而對消息進(jìn)行的變換和處理。信道：指通信系統(tǒng)中傳輸信息的媒介，信道中存在噪聲和干擾。譯碼：編碼的逆過程，將信道輸出的編碼信號反變換為信息。信宿：接收消息的人或機(jī)器。3.1.1語音編碼·

語音編碼作為一種信源編碼，能夠?qū)⒛M語音信號變成數(shù)字信號以便在信道中傳輸?！?/p>

語音編碼技術(shù)可分為波形編碼、參量編碼和混合編碼等類型·

波形編碼將時間域信號直接變換為數(shù)字代碼，其目的是盡可能精確地再現(xiàn)原始語音波形?！?/p>

波形編碼的基本原理是在時間軸上對模擬語音按一定的速率抽樣，然后將幅度樣本分層量化，并用代碼表示。·

波形編碼技術(shù)包括脈沖編碼調(diào)制（PCM）和增量調(diào)制（DM）以及它們的各種改進(jìn)型?！?/p>

參量編碼，又稱為聲源編碼，是基于人類語言的發(fā)聲機(jī)理，找出表征語音的特征參量，對特征參量進(jìn)行編碼的一種方法。如線性預(yù)測編碼(LPC)及其各種改進(jìn)型?！?/p>

混合編碼是近年來提出的一類新的語音編碼技術(shù)，它將波形編碼和參量編碼結(jié)合起來，力圖保持波形編碼的高質(zhì)量的優(yōu)點以及參量編碼的低速率的優(yōu)點。如碼激勵線性預(yù)測編碼（CELP）?！?/p>

混合編碼是適合于數(shù)字移動通信的語音編碼技術(shù)?！ふZ音編碼技術(shù)首先應(yīng)用于有線通信和保密通信，其中最成熟的實用數(shù)字語音系統(tǒng)是64kbit/s的PCM。這是一種典型的波形編碼技術(shù)，主要用于有線電話網(wǎng)，它的語音質(zhì)量好，可與模擬語音相比，達(dá)到網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。3.1.2語音編碼技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展另一類型的波形編碼是增量調(diào)制（DM），較簡單且能抗誤碼。當(dāng)速率達(dá)到32~40kbit/s時，語音質(zhì)量較好；當(dāng)速率在8~16kbit/s時，語音質(zhì)量較差。速率為24kbit/s的聲碼器是一種典型的采用參量編碼技術(shù)的數(shù)字語音系統(tǒng)，優(yōu)點是速率低，主要用于軍事保密通信，語音質(zhì)量僅能達(dá)到合成質(zhì)量，且對背景噪聲敏感?！げㄐ尉幋a的改進(jìn):自適應(yīng)差分PCM（AdaptiveDifferentialPCM，ADPCM）、子帶編碼（Sub-BandCoding，SBC）、自適應(yīng)變換編碼（AdaptiveTransformCoding，ATC）、時域諧波壓擴(kuò)（TimeDomainHarmonicScaling，TDHS）等。參量編碼的改進(jìn)：多脈沖激勵線性預(yù)測編碼（Multi-PulseExcitedLPC，MPE-LPC）、規(guī)則脈沖激勵線性預(yù)測編碼（RegularPulseExcitedLPC，RPE-LPC）等。移動通信對語音編碼技術(shù)的要求如下：速率較低，純編碼速率應(yīng)低于16kbit/s；在強(qiáng)噪聲環(huán)境中，算法應(yīng)具有較好的抗誤碼性能，以保持較高的語音質(zhì)量；在一定編碼速率下語音質(zhì)量應(yīng)盡可能高；編解碼時延應(yīng)較短，控制在幾十毫秒之內(nèi)。3.1.3脈沖編碼調(diào)制（PCM）·PCM是一種典型的波形編碼技術(shù)，是最早提出的語音編碼方法，至今仍被廣泛采用，尤其在有線通信網(wǎng)中。PCM的優(yōu)點是技術(shù)簡單、無時延，對語音信號和其他類型信號都能可靠地編碼傳輸。圖3.2PCM原理框圖抽樣:對模擬信號進(jìn)行周期性掃描，把時間上連續(xù)的信號變成時間上離散的信號。量化:把經(jīng)過抽樣得到的瞬時值的幅度離散化，即用一組規(guī)定的電平，把瞬時抽樣值用最接近的電平值來表示?！?/p>

一般語音信號的帶寬為300～3

400Hz，編碼時通常采用的抽樣速率為，如果采用8比特量化，則單路語音編碼的比特速率為64kbit/s。編碼：用一組二進(jìn)制碼組來表示每一個有固定電平的量化值。線性預(yù)測編碼（linearpredictivecoding,LPC）方法是一種參數(shù)編碼方式。參數(shù)編碼的基礎(chǔ)是人類語音的生成模型，通過這個模型，提取語音的特征參數(shù)，然后對特征參數(shù)進(jìn)行編碼傳輸。3.1.4線性預(yù)測編碼（LPC）在線性預(yù)測編碼中，將語音激勵信號簡單地劃分為濁音信號和清音信號。濁音信號可以用準(zhǔn)周期脈沖序列激勵信號來表示，清音信號可以用白色隨機(jī)噪聲激勵信號來表示。發(fā)送端：原始話音信號送入A／D變換器，以8kHz速率抽樣變成數(shù)字化語音信號。以180個抽樣樣值為一幀，以一幀為處理單元逐幀完成每一幀的線性預(yù)測系數(shù)分析，并作相應(yīng)的清／濁音（u/v）處理、基音Tp提取，再對這些參量進(jìn)行量化、編碼并送入信道傳送。接收端：經(jīng)參量譯碼分出參量、G、Tp、u/v，以這些參數(shù)作為合成語音信號的參量，最后將合成產(chǎn)生的數(shù)字化語聲信號經(jīng)D／A變換還原為語聲信號。圖3.3線性預(yù)測編譯碼原理3.1.5IS-95語音編碼（CELP）CELP(CodeExcitedLinearPrediction，碼激勵線性預(yù)測編碼)是一種混合編碼方式，也是近10年來最成功的語音編碼算法。CELP語音編碼算法用線性預(yù)測提取聲道參數(shù)，用一個包含許多典型的激勵矢量的碼本作為激勵參數(shù)，每次編碼時都在這個碼本中搜索一個最佳的激勵矢量，這個激勵矢量的編碼值就是這個序列的碼本中的序號。·

CELP能改善語音的質(zhì)量，主要體現(xiàn)在以下幾方面：①對誤差信號進(jìn)行感覺加權(quán)，利用人類聽覺的掩蔽特性來提高語音的主觀質(zhì)量；②用分?jǐn)?shù)延遲改進(jìn)基音預(yù)測，使?jié)嵋舻谋磉_(dá)更為準(zhǔn)確，尤其改善了女性語音的質(zhì)量；③使用修正的MSPE準(zhǔn)則來尋找“最佳”的延遲，使得基音周期延遲的外形更為平滑；④根據(jù)長時預(yù)測的效率，調(diào)整隨機(jī)激勵矢量的大小，提高語音的主觀質(zhì)量；⑤使用基于信道錯誤率估計的自適應(yīng)平滑器，在信道誤碼率較高的情況下也能合成自然度較高的語音。3.2信道編碼概述·

信道編碼也稱為差錯控制編碼，它是以提高信息傳輸?shù)目煽啃詾槟康牡木幋a，它通常通過增加信源的冗余度來實現(xiàn)來改善信道鏈路的性能。用于檢測錯誤的信道編碼稱為檢錯編碼，既可檢錯又可糾錯的信道編碼稱為糾錯編碼?！?/p>

香農(nóng)論證了通過對信息的恰當(dāng)編碼，可以將由于信道噪聲而導(dǎo)致的錯誤控制在任何誤差范圍之內(nèi)，同時不需要降低信息傳輸速率?！?/p>

應(yīng)用于加性高斯白噪聲（AdditiveWhiteGaussianNoise，AWGN）信道的香農(nóng)信道容量公式如下:

（3.1）·檢錯和糾錯技術(shù)的基本思想：通過在數(shù)據(jù)傳輸中引入冗余來提高通信的可靠性。冗余的引入將消耗一定的帶寬，這會降低頻譜效率，但卻能夠大大降低SNR情況下的誤碼率。香農(nóng)指出，只要SNR足夠大，就可以用很寬的帶寬實現(xiàn)無差錯通信。3.2.1分組碼·

信息碼元先按組進(jìn)行劃分，然后對各信息組按一定規(guī)則加入多余碼元，這些附加監(jiān)督碼元僅與本組的信息碼元有關(guān)，而與其他碼組的信息無關(guān)，這種編碼方法稱為分組編碼。

分組碼是一種前向糾錯（ForwardErrorCorrection，F(xiàn)EC）編碼，前向糾錯碼的碼字是具有一定糾錯能力的碼型，它在接收端解碼后，不僅可以發(fā)現(xiàn)錯誤，而且能夠判斷錯誤碼元所在的位置，并自動糾錯。分組碼一般用符號（n，k）表示，其中n是碼組的總位數(shù)，又稱為碼組的長度（碼長），k是碼組中信息碼元的數(shù)目，n–k=r為碼組中的監(jiān)督碼元數(shù)目?！?/p>

在分組碼中，碼距和碼重是兩個重要的參數(shù)?！?/p>

分組碼的糾錯能力是碼距的函數(shù)，

碼距是指兩個碼字Ci與Cj間不相同比特的數(shù)目，又稱為漢明距離。用公式表示如下：

（3.2）·

最小碼距是碼距集合中的最小值，可表示成

（3.3）最小碼距dmin的大小直接關(guān)系著這種編碼的檢錯和糾錯能力。碼的檢錯、糾錯能力與最小碼距dmin的關(guān)系分為以下三種情況:（1）為檢測e個錯碼，要求最小碼距：dmin≥e+1（2）為糾正t個錯碼，要求最小碼距：dmin≥2t+1（3）為糾正t個錯碼，同時檢測e個錯碼，要求最小碼距：dmin≥e+t+1(e＞t)·

碼重是碼組中非零元素的數(shù)量。·

如果采用二進(jìn)制編碼，碼重就是碼組中1的數(shù)目，可用下式表示：

（3.4）1．漢明（Hamming）碼·

Hamming碼是一種簡單的糾錯碼。這種編碼以及由它們衍生的編碼，已被用于數(shù)字通信系統(tǒng)的差錯控制中。二進(jìn)制Hamming碼具有如下特性 （3.5）2．Hadamard碼·

一個N×N的Hadamard矩陣由0和1組成，其任意兩行恰好有N/2個元素不同?！?/p>

除了一行為全0外，其余行均有N/2個0和N/2個1，最小碼距為N/2。·

當(dāng)N=2時，Hadamard矩陣為

（3.6）3．循環(huán)（Cyclic）碼·

循環(huán)碼可以由(n-k)次的生成多項式g(p)生成?！?/p>

(n,k)的循環(huán)碼的生成多項式表示如下:

（3.7）·

消息多項式x(p)定義如下:

（3.8）·

而最后生成的碼多項式c(p)如下:

（3.9）4．BCH碼·BCH碼是循環(huán)碼的一個重要子類，糾錯能力很強(qiáng)，具有多種碼率，可獲得很大的編碼增益，并能夠在高速方式下實現(xiàn)。·

二進(jìn)制BCH碼可推廣到非二進(jìn)制BCH碼，它的每個編碼符號代表m個比特。5．RS碼·RS（Reed-Solomon）碼是一種多進(jìn)制BCH碼。把多重碼元當(dāng)成一個碼元，編成BCH碼，就是RS碼。它能夠糾突發(fā)錯誤，通常在連續(xù)編碼系統(tǒng)中采用。3.2.2卷積碼

卷積碼是信道編碼中一類重要的編碼方式。卷積碼既能糾正隨機(jī)差錯也具有一定的糾正突發(fā)差錯的能力。在CDMA移動通信系統(tǒng)中采用的就是卷積碼。圖3.4卷積編碼結(jié)構(gòu)它與分組碼的根本區(qū)別：它不是把信息序列分組后再進(jìn)行單獨(dú)編碼，而是由連續(xù)輸入的信息序列得到連續(xù)輸出的已編碼序列。同樣，在卷積碼譯碼過程中，不僅從此時刻收到的碼組中提取譯碼信息，而且還要利用以前或以后各時刻收到的碼組中提取有關(guān)信息。交織編碼主要用來糾正突發(fā)差錯，將突發(fā)差錯分散成為隨機(jī)差錯而得到糾正。通常，交織編碼與各種糾正隨機(jī)差錯的編碼(如卷積碼或其它分組碼)結(jié)合使用，從而具有較強(qiáng)的既能糾正隨機(jī)差錯又能糾正突發(fā)差錯的能力。交織編碼不像分組碼那樣，它不增加監(jiān)督元，即交織編碼前后，碼速率不變，因此不影響有效性。在移動信道中，數(shù)字信號傳輸常出現(xiàn)成串的突發(fā)差錯，因此，數(shù)字化移動通信中經(jīng)常使用交織編碼技術(shù)。3.2.3交織編碼在交織編碼之前，先要進(jìn)行分組碼編碼，將待編碼的個數(shù)據(jù)位進(jìn)行交織。通常，每行由n個數(shù)據(jù)位組成一個字，行數(shù)m表示交織的深度，其結(jié)構(gòu)如圖3.5所示：圖3.5常用的交織方法（按列寫入，按行讀出）

或者按行寫入，按列讀出：

在交織之前，仍先進(jìn)行分組碼編碼，將每個碼字按行順序存入，然后按列順序讀出并輸出?！?/p>

交織編碼的作用：將源信息分散到不同的時間段中，這樣，當(dāng)出現(xiàn)深衰落或突發(fā)干擾時，源信息中的某一塊數(shù)據(jù)不會被同時擾亂。并且，源比特在時間上被分開后，還可以利用信道編碼來減弱信道干擾對源信息的影響。床前明月光春眠不覺曉白發(fā)三千丈紅豆生南國床床前前明明月月光光春春眠眠不不覺覺曉曉白白發(fā)發(fā)三三千千丈丈紅紅豆豆生生南南國國床春白紅床春白紅前眠發(fā)豆前眠發(fā)豆明不三生明不三生月覺千南月覺千南光曉丈國光曉丈國床春白紅？？？？？？？？前眠發(fā)豆明不三生明不三生月覺千南月覺千南光曉丈國光曉丈國床？？前明明月月光光春？？眠不不覺覺曉曉白？？發(fā)三三千千丈丈紅？？豆生生南南國國信道編碼交織去交織信道解碼突發(fā)錯誤

舉例：3.2.4Turbo碼·Turbo碼又稱并行級聯(lián)卷積碼(ParallelConcatenatedConvolutionalCode，PCCC），是由Berrou等人在ICC’93會議上提出的?！urbo碼的基本原理：通過編碼器的巧妙構(gòu)造，即多個子碼通過交織器進(jìn)行并行或串行級聯(lián)（PCC/SCC），然后以類似內(nèi)燃機(jī)引擎廢氣反復(fù)利用的機(jī)理進(jìn)行迭代譯碼，從而獲得卓越的糾錯性能，Turbo碼也因此得名。Turbo碼的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了其他的編碼方式，得到了廣泛的關(guān)注和發(fā)展。圖3.6AWGN信道中的碼率與香農(nóng)限·Turbo碼編碼器是由兩個反饋的系統(tǒng)卷積碼編碼器通過一個隨機(jī)交織器并行連接而成的，編碼后的校驗位經(jīng)過刪余陣產(chǎn)生不同碼率的碼字。圖3.7Turbo碼編碼器結(jié)構(gòu)圖3.8Turbo碼譯碼器結(jié)構(gòu)Turbo碼譯碼器的基本結(jié)構(gòu)如圖3.8所示。它由兩個軟輸入軟輸出（SISO）譯碼器DEC1和DEC2串行級聯(lián)組成，交織器與編碼器中所使用的交織器相同。調(diào)制是對信號源的編碼信息進(jìn)行處理，使其變?yōu)檫m合傳輸?shù)男问降倪^程。即是把基帶信號（信源）轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€相對基帶頻率而言頻率非常高的帶通信號。移動通信系統(tǒng)的調(diào)制技術(shù)包括用于第一代移動通信系統(tǒng)的模擬調(diào)制技術(shù)和用于現(xiàn)今及未來系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制技術(shù)。3.3調(diào)制技術(shù)概述

數(shù)字調(diào)制利用數(shù)字信號來控制載波的振幅、頻率或相位。常用的3種基本數(shù)字調(diào)制技術(shù)：幅移鍵控(ASK)，頻移鍵控（FSK）和相移鍵控（PSK）。模擬調(diào)制利用輸入的模擬信號來控制載波(正弦波)的振幅、頻率或相位，從而得到調(diào)幅(AM)、調(diào)頻(FM)或調(diào)相(PM)信號。3.3.1移動通信對調(diào)制技術(shù)的要求由于移動信道的傳播條件非常復(fù)雜、惡劣，在移動信道中必須采用一些抗干擾性能強(qiáng)、誤碼性能好、頻譜利用率高的調(diào)制技術(shù)，盡可能地提高單位頻帶內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)的比特速率，以適應(yīng)移動通信的要求。

針對移動通信信道的特點，移動通信對數(shù)字調(diào)制技術(shù)的要求有：

①所有的技術(shù)必須在規(guī)定頻帶內(nèi)提供高的傳輸效率。②抗干擾性能要強(qiáng)，要使信號深衰落引起的誤差數(shù)降至最小。③應(yīng)使用高效率的放大器。④在衰落條件下獲得所需要的誤碼率。⑤占用頻帶要窄，帶外幅射要小。⑥同頻復(fù)用的距離小。⑦能提供較高的傳輸速率，使用方便、成本低?！?/p>

從技術(shù)方法的角度看，移動通信實用的調(diào)制技術(shù)主要有兩類。（1）線性調(diào)制技術(shù)（2）恒定包絡(luò)調(diào)制技術(shù)3.3.2移動通信實用的調(diào)制技術(shù)·

為了減小相位突變，提出了QPSK信號的兩種改型——交錯四相相移鍵控（OQPSK）