第2章-移动通信的基本概念xin

1第2章移动通信的基本概念授课人：李玲香2引言研究任何无线电通信系统的总体，必须首先对电波传播路径作分析，因为它直接关系到通信设备能力和天线高度的确定；关系到通信距离的计算和频道的选择；关系到如何实现优化可靠的信道的技术措施和系统指标的确定。3教学目标掌握信道及无线信道的结构；熟悉VHF、UHF电波传播特性；掌握移动信道的特征；掌握任意地形地区的传播损耗中值的估算；掌握移动通信系统的组成；了解全国蜂窝系统的网络结构，了解移动通信网络的区域、号码、地址与识别。学习完本课程，你将能够：4第2移动通信基础知识2.1无线电波的传播特性2.2移动信道的特征2.3陆地信道的场强估计与损耗2.4蜂窝系统工作原理2.5移动通信系统的基本网络结构51、什么叫无线电波？无线电波是一种能量传输形式，在传播过程中，电场和磁场在空间是相互垂直的，同时这两者又都垂直于传播方向。2.1无线电波的传播特性一、无线电磁波62、电磁波的传播电场电场电场振子电波传输方向磁场磁场2.1无线电波的传播特性73、无线电波传播特点无线电波有点象一个池塘上的波纹，在传播时波会减弱。无线电波在空气中的传播速度略小于光速，通常我们就认为它等于光速。2.1无线电波的传播特性83、波长、频率和传播速度的关系可用式λ＝Ｖ/ｆ表示。其中，Ｖ为速度，单位为米/秒；ｆ为频率，单位为赫兹；λ为波长，单位为米。波长2.1无线电波的传播特性94、无线电波频段的划分频段名称频率范围波长范围长波30～300KHz1000～10000m中波300～3000KHz100～1000m短波3～30MHz10～100m超短波30～300MHz（VHF）1～10m微波0.3～3GHz（UHF）10cm～1m3～30GHz1～10cm30～300GHz1～10mm2.1无线电波的传播特性105、VHF、UHFVHF：甚高频（30MHz—300MHz）。目前使用情况：150MHzUHF：特高频（300MHz—3000MHz）。目前使用情况：450MHz、800MHz、900MHz、1800MHz、1900MHz、2000MHz2.1无线电波的传播特性为何移动通信通信主要使用VHF和UHF频段？（1）VHF/UHF频段适合于移动通信：从VHF/UHF频段电波的传播特性来看，主要是视距范围内，一般为几十公里，而大部分车辆的日常移动半径在几十公里范围内，因此，这个频段适合于移动通信。（2）天线长度决定波长，这个频段信号发射和接收时，所使用的无线较短便于移动。（3）抗干扰能力强：VHF/UHF频段，可以使用较小的发射功率获得及爱好的信噪比。116、超短波的传播目前GSM和CDMA移动通信使用的频段都属于UHF（特高频）超短波，其高端属于微波。超短波和微波又称空间波，空间波一般只能沿直线方向传播到直接可见的地方。超短波和微波均属于视距传播。2.1无线电波的传播特性127、电波传播方式发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率f＞30MHz时，典型的传播通路如图所示。发射天线接收天线①③②2.1无线电波的传播特性13二、直射波直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间传播系指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。特点：电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。产生原因：由于辐射能量的扩散而引起的。直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗：)(201)(20144.32)]([zfsMHgfkmgddBL结论：自由空间电波传播损耗只与工作频率f和传播距离d有关。当f或d增大一倍时，[Lfs]将分别增大6dB。2.1无线电波的传播特性14自由空间传播模型一般用于预测接收机和发射机之间完全无阻挡的视距路径是接受的场强，比如卫星通信系统和微波视距通信的无线链路就是典型的自由空间传播。结论：自由空间电波传播损耗只与工作频率f和传播距离d有关。当f或d增大一倍时，[Lfs]将分别增大6dB。自由空间传播导致大部分发射信号大部分都散失在空间中，从而需要增加发射台的发射功率提高移动台的接收灵敏度。15三、大气中的电波传播特点：折射、能量吸收由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。结论：大气折射有利于超视距的传播，但在视线距离内，因为由折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰落。障碍物会带来绕射损耗。2.1无线电波的传播特性16四、反射波产生反射的条件：两种不同介质的光滑界面界面尺寸比波长大得多TaθθobcRhrd1d2ht2.1无线电波的传播特性17结论：反射波与直射波的合成场强随反射系数R和路径差△d变化。有时同相相加，有时反相抵消，因此造成了合成波的衰落现象。故在固定选址中，尽量减弱地面反射。2.1无线电波的传播特性18五、视距传播的极限距离由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。视线所能到达的最远距离称为视线距离d0（见下图）。2.1无线电传的播特性19已知地球半径为R=6370km，设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR（单位为m），理论上可得视距传播的极限距离d0为:实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球半径R=8500km，可得修正后的视距传播的极限距离d0为：由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，视线距离越远。2.1无线电传的播特性)()()((57.30kmmhmhdRT)()()((12.40kmmhmhdRT20六、绕射损耗在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗。通常将这种损耗称为绕射损耗。设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图所示，图中x表示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直距离，在传播理论中x称为菲涅尔余隙。图菲涅尔余隙（a）中所示的x被定义为负值。（b）中所示的x被定义为正值。2.1无线电传的播特性21根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图2-4所示。横坐标为x/x1，x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有：绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系由图2-6可见，当横坐标x/x1＞0.5时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为6dB，当x＜0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。2.1无线电传的播特性21211ddddx22例2-1设图2-3(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。解：先由式(2-13)求出自由空间传播的损耗Lfs为：［Lfs］=32.45+20lg(5+10)+20lg150=99.5dB由式(2-16)求第一菲涅尔区半径x1为：mddddx7.8110151010105233321211式中，λ=c/f,c为光速，f为频率。2.1无线电波的传播特性查得附加损耗(x/x1≈-1)为16.5dB,因此电波传播的损耗L为［L］=［Lfs］+16.5=116.0dB23一、信道分类按信道特性参数的变化状态分类：（1）恒参信道：指传输信道特性的变化量极微且变化速度极慢。即，在足够长的时间内，其参数基本不变。（2）变参信道：指传输特性的参数随时间变化极快。移动信道即为典型的“变参信道”。2.2移动通信的特征242.2移动通信的特征镜面发射：反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁波遇到比其波长大的多的物体时就会发生反射。反射是产生多径衰落的主要因素。漫反射：漫反射产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体。在实际的移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引发散射。绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射。当发射机和接收机之间不存在视距路径（LOS，Lineofsight）（视距路径是指移动台可以看见基站天线；非视距（NLOS）（非视距是指移动台看不见基站天线），围绕阻挡体也产生波的弯曲。二、传播路径与信号衰落在移动信道中，仅出现镜面发射和漫发射的情况，被认为视距传播，而绕射则被称为非视距传播。在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射。25①建筑物反射波②绕射波③直达波④地面反射波1、多径传播模型2.2移动通信的特征262、多径效应与瑞利衰落：在陆地移动通信系统中，移动台往往受到各种障碍物和其他物体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和。其合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，这种衰落称之为快衰落或瑞利衰落。3、阴影效应与慢衰落：电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡，就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，其局部中值电平随地点、时间以及移动台速度做比较平缓的变化，称为慢衰落。在蜂窝移动通信中，信道工作于符合瑞利分布的快衰落并叠加有信号幅度满足对数正态分布的慢衰落。2.2移动通信的特征27三、多普勒频移当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移（DopplerShift），可用下式表示：θiyxSi(t)基站天线2.2移动通信的特征28二多普勒频移由于移动台移动而产生的频率偏移现象称为多普勒效应。式中，v为车速，λ为波长，fm为θi=0°时的最大多普勒频移。影响：使工作频率产生小范围的“晃动”，对采用载波提取方式进行解调的接收机有影响。2.2移动通信的特征coscosmDfvf29多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关。若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升）；反之若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降）。信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。说明：2.2移动通信的特征30三、多径效应时间接收信号强度发射信号接收技术无线环境-多径效应2.2移动通信的特征311、衰落距离(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落2.2移动通信的特征在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面的影响而发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做衰落。衰落根据其时间特性可以分为二类：快衰落和慢衰落。322、衰落有什么影响？衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的误码。衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延有关的同步。衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程。所以，对抗衰落是无线通信必需认真解决的问题。333、如何对抗衰落？频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致，所以衰落信号波形将产生失真。非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率无关，即信号经过传输后，各频率分量所遭受的衰落具有一致性，即相关性，因而衰落信号的波形不失真。对于移动信道来说，存在一个相关带宽，当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。衰落根据其频率特性可以分为二类：非频率选择性衰落（又称平衰落）和频率选择性衰落。343、如何对抗衰落？频率选择性衰落主要是多径效应引起的。多径效应最严重的后果之一是在信道传递函数中引入一个非理想的Hc(f)，破坏奈奎斯特准则和匹配滤波准则，从而产生码间串扰，是有效的Eb/No恶化；对抗频率选择性就是要消除非理想Hc(f)的影响。对抗频率选择性衰落的主要方法：分集技术、PAKE技术、均衡技术和纠错技术。非频率选择性衰落主要体现为接收电平的降低.统计特性:平均接收电平及接收电平降低到某个