移动通信信道1.ppt

1：移动通信系统：移动通信系统 GSM 、 IS-95 CDMA、 GPRS2：移动通信技术：移动通信技术 （1）语音编码、信道编码、交织编码语音编码、信道编码、交织编码 （2）组网技术（多信道共用技术）组网技术（多信道共用技术）本节重点：本节重点： 多径衰落产生的原因、分析方法多径衰落产生的原因、分析方法 1：电波传播特性：电波传播特性 载有信息的无线电波在无线移动信道中的载有信息的无线电波在无线移动信道中的传播损耗，不但会随传播距离的增加，电传播损耗，不但会随传播距离的增加，电波的损耗以传播距离的四次方增大；波的损耗以传播距离的四次方增大； 同时会产生阴影效应和多径传播，使电波同时会产生阴影效应和多径传播，使电波的包络产生大幅度起伏且随机变化，这就的包络产生大幅度起伏且随机变化，这就是是电波的衰落。电波的衰落。 当前陆地移动通信主要使用的频段为当前陆地移动通信主要使用的频段为VHF和和UHF，即，即150MHz，450MHz、900MHz和和1 800MHz。 移动通信中的移动通信中的传播方式传播方式主要有主要有直射波直射波、 反射波反射波、地表面波地表面波等传播方式，由于地表等传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播距离有限。传播距离有限。 如图如图1所示所示图图1：典型的移动信道电波传播路径：典型的移动信道电波传播路径电波传播分类电波传播分类 （1）自由空间电波传播方式）自由空间电波传播方式 （2）视距传播的极限距离）视距传播的极限距离 （3）绕射损耗）绕射损耗 （4）反射波）反射波(1)自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式 自由空间电波传播是指天线周围为无限大真空自由空间电波传播是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是时的电波传播，它是理想传播条件理想传播条件。 电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。生反射或散射。 只要地面上空的大气层是各向同性的均匀介质，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀介质，其相对介电常数其相对介电常数 r和相对导磁率和相对导磁率r都等于都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这种情地面反射信号场强也可以忽略不计，在这种情况下，电波可视作在况下，电波可视作在自由空间传播。自由空间传播。 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散辐射能量的扩散而引起的。而引起的。 自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率与工作频率f和传播距离和传播距离d有关，当有关，当f或或d增增大一倍时，大一倍时，Lbs将分别增加将分别增加6dB。 (2)视距传播的极限距离视距传播的极限距离 由于地球是球形的，凸由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。起的地表面会挡住视线。 视线所能到达的最远距视线所能到达的最远距离称为视线距离离称为视线距离d0 视距决定于收、发天线视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，的高度。天线架设越高，视线距离越远。视线距离越远。图图2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离(3)绕射损耗绕射损耗 在实际情况下，除了考虑在自由空间中的在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物障碍物对对电波传输所引起的损耗。通常将这种损耗电波传输所引起的损耗。通常将这种损耗称为称为绕射损耗。绕射损耗。 设障碍物与发射点、接收点的相对位置如设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图图3所示，图中所示，图中x表示障碍物顶点表示障碍物顶点P至直线至直线TR之间的垂直距离，在传播理论中之间的垂直距离，在传播理论中x称为称为菲涅尔余隙。菲涅尔余隙。图图 3 菲涅尔余隙菲涅尔余隙图图3 （a）中所示的）中所示的x被定义为负值。被定义为负值。 （b）中所示的）中所示的x被定义为正值。被定义为正值。练习练习解：自由空间传播的损耗Lfs为 Lfs=32.44+20lg（5+10）+20lg150db =99.5db 菲涅尔半径 =81.7m 查图4得，附加损耗（x/x1=-1)为 17db,所以电波传输的损耗L=Lfs+17db=116.5db如图如图3(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m，d1=5km，d2=10km，工作频率为，工作频率为150MHZ,试求出试求出电波传播损耗。电波传播损耗。图图4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系(4)反射波反射波 电波在传输过程中，遇到两种不同介质的电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会发生反射现象。光滑界面时，会发生反射现象。 图图5所示为从发射天线到接收天线的电波由所示为从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况。反射波和直射波组成的情况。图5 反射波和直射波 反射波与直射波的行距差为 式中 d = d1 + d2 小结小结在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为：制为：反射反射、绕射绕射和和散射散射。 当电波遇到比波长大得多的物体时发生当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射反射，反，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生阻挡时发生绕射绕射，由阻挡表面产生的二次波散布，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。于空间，甚至于阻挡体的背面。 当发射机和接收机之间不存在视距路径，围绕阻当发射机和接收机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波的弯曲。挡体也产生波的弯曲。 在高频波段，在高频波段，绕射和反射一样，依赖于物体的形绕射和反射一样，依赖于物体的形状以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。状以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。 当电波穿行的介质中存在小于波长的物体当电波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常多时，并且单位体积内阻挡体的个数非常多时，发生发生散射。散射。 散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会发生街道标志和灯柱等都会发生散射散射。2：多径传播特性 （1）移动通信信道的时变特性）移动通信信道的时变特性 移动通信信道是一种时变信道，为什么？移动通信信道是一种时变信道，为什么？( )()()nP ddS dR d 无线信号通过移动信道时会产生不同途径无线信号通过移动信道时会产生不同途径的衰减损耗的衰减损耗如果用公式表示，按接收信号功率可表示为如果用公式表示，按接收信号功率可表示为d式中，式中，| |表示移动台与基站的距离。表示移动台与基站的距离。 受哪些因素影响？受哪些因素影响？d自由空间传播损耗与色散自由空间传播损耗与色散阴影衰落：阴影衰落：传播环境中的地形起伏、建筑物及传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的慢衰落。其他障碍物对电波遮蔽所引起的慢衰落。S( )多径衰落：多径衰落：移动传播环境的多径传播而引起的移动传播环境的多径传播而引起的快衰落。多径衰落是移动信道特性中最具有特色的快衰落。多径衰落是移动信道特性中最具有特色的部分。部分。R( )d 每种因素表现的距离范围？每种因素表现的距离范围？以公里计的较大范围内：自由空间传播损耗与色散以公里计的较大范围内：自由空间传播损耗与色散数百波长范围内：阴影衰落数百波长范围内：阴影衰落数十波长范围内：多径衰落数十波长范围内：多径衰落（大尺度衰落）（大尺度衰落）（小尺度衰落）（小尺度衰落）2：多径传播特性 （2）移动通信系统的多径传播）移动通信系统的多径传播 陆地移动通信信道的主要特征陆地移动通信信道的主要特征 由于建筑物、树木、植被以及起伏的地形，由于建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起电波的反射、散射会引起电波的反射、散射 因此到达移动台天线的信号是许多路径的因此到达移动台天线的信号是许多路径的合成合成 多径衰落的定义？多径衰落的定义？接收信号相互叠加，造成信号或强或弱，接收信号相互叠加，造成信号或强或弱，幅度急剧变化，产生的衰落幅度急剧变化，产生的衰落图6 移动信道环境造成多径效应的主要原因造成多径效应的主要原因 通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台用接近地面的低天线。例如，基站天线通移动台用接近地面的低天线。例如，基站天线通常高常高30m，最高可达，最高可达90m；移动台天线通常高；移动台天线通常高2m3m。 移动台周围的区域称为移动台周围的区域称为近端近端区域，该区域内的物区域，该区域内的物体造成的反射是造成体造成的反射是造成多径效应的主要原因多径效应的主要原因。 离移动台较远的区域称为离移动台较远的区域称为远端远端区域，在远端区域，区域，在远端区域，只有高层建筑、较高的山峰等的反射才能对该移只有高层建筑、较高的山峰等的反射才能对该移动台构成动台构成多径多径，而且这些路径要比近端区域中建，而且这些路径要比近端区域中建筑物所引起的多径的长度要长。筑物所引起的多径的长度要长。2：多径传播特性 （3）多普勒频移）多普勒频移 当移动台在运动中通信时，接收信号频率当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为会发生变化，称为多普勒效应多普勒效应 由此引起的附加频移称为由此引起的附加频移称为多普勒频移多普勒频移2：多径传播特性 （4）多径接收信号的统计特性）多径接收信号的统计特性 接收信号接收信号包络包络的衰落变化服从的衰落变化服从 瑞利分布瑞利分布 符合区域？离基站较远、反射物较多的地区符合区域？离基站较远、反射物较多的地区 莱斯分布：莱斯分布： 符合区域？离基站较近的地区符合区域？离基站较近的地区 Nakagami-m分布：分布： 有时接近瑞利分布，有时接近高斯分布有时接近瑞利分布，有时接近高斯分布等幅振荡的脉冲信号，经调制之后，等幅振荡的脉冲信号，经调制之后，每次振荡的幅度会有变化，每次振荡的幅度会有变化，把每次振荡信号的最高点和最低点把每次振荡信号的最高点和最低点分别用虚线连接起来，分别用虚线连接起来，虚线的形状就是脉冲信号的包络。虚线的形状就是脉冲信号的包络。图7 瑞利分布概率密度函数2：多径传播特性 （5）衰落信号幅度的特征量）衰落信号幅度的特征量 衰落率衰落率 电平通过率电平通过率 衰落持续时间衰落持续时间信号包络衰落的速率信号包络衰落的速率描述衰落速率与衰落深度的关系描述衰落速率与衰落深度的关系深度衰落发生的次数少深度衰落发生的次数少浅度衰落发生的次数多浅度衰落发生的次数多接收信号电平低于接收门限电平时，就接收信号电平低于接收门限电平时，就可能造成语音终端或误比特率突然增大。可能造成语音终端或误比特率突然增大。每次衰落的持续时间是随机的，因此每次衰落的持续时间是随机的，因此只能给出平均衰落的持续时间只能给出平均衰落的持续时间信号包络低于某个给定电平值的概率与信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平值所对应的电平通过率之比该电平值所对应的电平通过率之比平均衰落持续平均衰落持续时间定义？时间定义？