移动通信入门第二章移动通信的传输通道

,单击此处编辑母版标题样式,2019/9/12,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章,移动通信的,传输通道,目录,2.3,移动通信中的四大效应,3,2.2,移动通信中的三大损耗,2,2.1,移动通信的电波传播特性,1,2.4,信道内的噪声与干扰,4,2.5,分集技术,5,2.6,均衡技术,6,2.1,移动通信的电波传播特性,2.1.1,无线电波简介,由物理知识可知，通有交流电流的导体周围会产生变化的磁场，变化的磁场又引起变化的电场，变化的电场又在它周围更远的地方引起变化的磁场。磁场、电场不断相互激发，相互交替产生，向四周空间传播的电磁场叫电磁波。无线电波是电磁波的一种，它是能量传输的一种形式。,电磁场,的波长、频率和传播速度的关系式为：,（,2-1,）,式中,为波长（,m,）；,为传播速度（,m/s,）；,为频率（,Hz,）。电磁波的传播速度与传播媒质有关，在真空中的传播速度等于光速，即,m/s,。,2.1,移动通信的电波传播特性,2.1.2,无线电波的波段划分,无线电波的频率是有限的，从几十,kHz,到几万,MHz,，是一种宝贵的资源。习惯上把无线电频率范围划分为若干区域，叫作频段或波段。表,2-1,列出了波段名称、相应波长范围和主要用途。,2.1,移动通信的电波传播特性,我国,移动通信系统占用频段情况,1),我国,GSM,通信系统占用频段情况,GSM900,频段：,890,915MHz,（上行）；,935,960MHz,（下行）。,DCS1800,频段：,1710,1785MHz,（上行）；,1805,1880MHz,（下行）。,2)3G,系统占用频段情况,TD-SCDMA,频段：,1880,1920MHz,；,2010,2025MHz,；,2300,2400MHz,。,WCDMA,频段：,1940,1955MHz,（上行）；,2130,2145MHz,（下行）。,Cdma2000,频段：,1920,1935MHz,（上行）；,2110,2125MHz,（下行）。,3)4G,系统占用频段情况,2.1,移动通信的电波传播特性,2.1.3,无线电波的传播方式,在无线电波的传播环境中，往往有建筑物、树木、山丘等障碍物的存在，直射波会受到干扰而产生反射、绕射、散射等现象。电波的传播方式主要有以下几种。,1.,直射波,在没有障碍物遮挡的情况下，无线电波以直线方式传播，即直射波。,如,下,图所,示。,2.,反射波,当无线电波遇到比其波长大得多的物体时会发生反射，一般发生在地球表面、建筑物墙壁表面、树干等。,2.1,移动通信的电波传播特性,2.1.3,无线电波的传播方式,3.,绕射波,当无线电波传播路径被尖锐的边缘阻挡时将发生绕射，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至到达阻挡物的背面，即在阻挡物的背后产生无线电波。,绕射波的强度受传播环境影响大，且频率越高绕射信号越弱。,4.,散射波,当无线电波传播的介质中存在小于波长的物体且单位体积内阻挡物的个数非常大时，将会发生散射。散射波一般产生于粗超表面、小物体或其他不规则物体，例如树叶、街道标志、灯柱等。,5.,透射波,当无线电波到达两种不同介质界面时，将有部分能量反射到第一种介质中，另一部分能量投射到第二种介质中。,2.2,移动通信的三大损耗,2.2,移动通信中的三大损耗,移动电波传播损耗主要由两方面构成，一方面是路径传播损耗，另一方面是衰落产生的损耗。移动通信中的三大损耗即为路径损耗、慢衰落损耗和快衰落损耗,。,2.2.1,路径损耗,路径损耗简称路损，是无线电波在传输过程中由于传输介质的因素而造成的。这些损耗既有自由空间损耗也有散射、绕射等引起。为了研究这些损耗，最好的办法就是对路损建模。但由于移动信道的环境和条件是依据不同的地点和地形而变的，电磁波经过不同的地貌、采用不同频率的电磁波，路损的模型就不同。对路径损耗建模唯一的方法就是用经验公式。前人凭借工程经验对路损做了很多数学建模和定量分析，其中比较著名的是奥村（,Okumura,）模型。,Okumura,模型是日本科学家奥村于,20,世纪,60,年代经过大量测试总结得到的。该模型以准平滑地形市区的场强中值或路径损耗作为基准，对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。,2.2,移动通信的三大损耗,2.2.1,路径损耗,Okumura,模型提供了大量的图表曲线，利用它们可以得到所需要的路径损耗预测值，但是利用查表的方法计算路径损耗不够方便。日本人,Hata,将奥村的曲线进行了解析化，得到预测路径损耗的经验公式，称为,Okumura-Hata,模型。,Okumura-Hata,模型适用于宏蜂窝（小区半径大于,1km,）系统的路损预测，频率范围是,150MHz,到,1500MHz,，基站有效天线高度在,30200m,之间，移动台有效天线高度在,110m,之间。,在市区，,Okumura-Hata,模型的路径损耗公式如下,：,（,2-2,）,式,中,(MHz),表示载波频率，,(m),表示基站天线有效高度，,(m),表示移动台天线高度，,是移动台天线高度因子，,d(km),表示收发天线之间的距离，,K(dB),是地区环境修正参数。,2.2,移动通信的三大损耗,2.2.2,衰落,由于移动通信环境具有复杂性和多样性，信号的强度随时间而产生随机变化，这种变化称为衰落。衰落分为慢衰落和快衰落。,慢衰落是由于电磁波在传播路径上遇到障碍物的阻碍产生阴影效应而造成的的传播损耗。之所以叫慢衰落是因为它的变化率比信息传输率慢。慢衰落服从对数正态分布。,快衰落是由于多径传播而产生的衰落。多径传播是指电磁波经历不同路径传递到接收端。移动台周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传播，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号的幅度和相位随移动台的运动表现为快速的起伏变化。其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快衰落表示接收信号的短期变化，所以又称短期衰落。快衰落引起的电平起伏服从瑞利分布，相位服从均匀分布。,2.3,移动通信的四大效应,移动通信,信道的三大损耗与四大效应是息息相关的。,（,1,）阴影效应。,由于大型建筑物和其他物体的阻挡，在电波传播的接受区域中产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影。由于波长的原因，光波是可见波，移动通信的电磁波是不可见波，因此电磁波的阴影才不可见。,（,2,）多径效应,在通信过程中，接收端接收到的信号除了直射信号以外，经过建筑物、起伏地形和花草树木等的反射、折射、绕射、散射也会到达接收端。这些通过不同路径到达接收端的信号，无论是在幅度、到达时间及载波相位上都不尽相同。接收端接收到的信号是这些路径传播过来的信号的矢量之和，这种效应就是多径效应。,2.3,移动通信的四大效应,（,3,）远近效应,移动通信过程中，若各移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近的信号强，离基站远的信号弱。同样的，离基站距离近的用户接收到的基站信号就强，离基站远的用户接收到的信号就弱。这就是远近效应。,（,4,）多普勒效应,当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化，称为多普勒效应。速度越高，所产生的效应越大。,如,图所,示，多普勒频移可用下式表示：,（,2-3,）,式中，,是入射电波与移动台运动方向的夹角，,是波长，,是运动速度。,与入射角度无关，为,的最大值，称为最大多普勒频移。,2.4,信道内的噪声与干扰,信号,在信道内传输，除了损耗和衰落之外，还会受到噪声和干扰的影响。,2.4.1,噪声,蜂窝移动通信系统中噪声的来源是多方面的，我们把噪声看成是系统中对信号有影响的所有干扰的集合。根据它们的来源不同，可分为内部噪声、自然噪声和人为噪声。其中自然噪声和人为噪声又称为外部噪声。,（,1,）内部噪声，它来源于信道本身所包含的各种电子器件、转换器以及天线或传输线等。例如，电阻及各种导体都会在分子热运动的影响下产生热噪声，电子管或晶体管等电子器件会由于电子发射不均匀等产生器件噪声。这类干扰的特点是由无数个自由电子作不规则运动所形成的，因此它的波形也是起伏变化的，通常称之为起伏噪声。由于在数学上可以用随机过程来描述这类干扰，因此又可称为,随机噪声,。,2.4,信道内的噪声与干扰,（,2,）人为噪声，指各种电气装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射，诸如电动机、电焊机、高频电气装置、电气开关等所产生的火花放电形成的电磁辐射。人为噪声主要是车辆的点火噪声。,通常，人为噪声源的数量和集中程度随地点和时间而异，还和接收天线的高度以及接收天线离开道路的距离有关。平均人为噪声功率可用如下公式计算：,（,2-4,）,通常,N,的单位用,dBW,表示，因此式（,2-4,）可变为,（,2-5,）,式中，,代表等效噪声系数，,k,是玻尔兹曼常数，,，绝对温度,，,代表接收机的带宽，单位为,Hz,。,2.4,信道内的噪声与干扰,（,3,）自然噪声，包括大气噪声、太阳噪声、银河噪声等。它来源于雷电、磁暴、太阳黑子以及宇宙射线等。可以说整个宇宙空间都是产生这类噪声的根源。因此它的存在是客观的。由于这类自然现象和发生的时间、季节、地区等很有关系，因此受天电干扰的影响也是大小不同的。例如，夏季比冬季严重，赤道比两极严重，在太阳黑子发生变动的年份天电干扰更为加剧。这类干扰所占的频谱范围也很宽，并且不像无线电干扰那样频率是固定的，因此对它的干扰影响就很难防止。,干扰是指无线电台之间的相互干扰，包括电台本身产生的干扰，如邻道干扰、同频道干扰、互调干扰以及因远近效应引起的近端对远端信号的干扰等。,2.4,信道内的噪声与干扰,2.4.2,干扰,在蜂窝移动通信系统组网过程中，会产生的几种主要干扰有：同道干扰、邻道干扰及互调干扰等。此外，还有发射机寄生辐射，接收机寄生灵敏度，接收机阻塞，收、发信设备内部变频，倍频器产生的组合频率干扰等，这些是电台本身产生的干扰，在组网时选择满足条件的设备即可。,同,频道干扰,所有落在收信机通频带内的与有用信号频率相同或相近的干扰信号（非有用信号）称为同频道干扰。在电台密集的地方，如果频率管理或系统设计不当，就会造成同频干扰。,为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用同频道电台，称为同频道复用或信道的地区复用。同频道的无线区相距越远，它们之间的空间隔高度越大，同频道干扰越小，但频率复用次数也随之降低，即频率利用率降低,。,2.4,信道内的噪声与干扰,在进行无线区的频率分配时，应在满足一定通信质量要求的前提下，确定相同频率重复使用的最小距离，该距离称为同频道复用最小安全距离,。,为,减小同频干扰的影响和保证接收信号的质量，必须使接收机输入端的有用信号电平与同频道干扰电平之比大于某个数值，称为射频保护比。,同频道复用距离只与以下因素有关：,1,）调制方式；,2,）电波传播特性；,3,）选用的工作方式。可分为同频单工式或异频双工方式；,4,）基站覆盖范围或无线小区半径,r0,；,5,）要求可靠通信概率。,2.4,信道内的噪声与干扰,邻道干扰,邻道干扰是指相邻或相近信道之间的干扰。邻道干扰有两种类型，即发射机调制边带扩展干扰和发射机边带辐射。,解决邻频道干扰的措施包括：,1,）降低发射机落入相邻频道的干扰功率，即减小发射机的带外辐射；,2,）提高接收机的邻频道选择性；,3,）在网络设计中，避免相邻频道在同一小区或相邻小区内使用，以增加同频道防护比。,2.4,信道内的噪声与干扰,互调干扰,当两个或多个不同频率的信号同时输入到非线性电路时，由于非线性器件的作用，会产生许多谐波和组合频率分量，其中与所需信号频率,0,相接近的组合频率分量会顺利地通过接收机而形成干扰。互调干扰分为：发射机互调干扰，接收机互调干扰。,发射机互调干扰：一部发射机发射的信号进入了另一部发射机，并在其末级功放的非线性作用下与输出信号相互调制，产生不需要的组合干扰频率，对接收信号频率与这些组合频率相同的接收机造成的干扰。图,2-3,是两台发射机之间产生互调干扰的示意图