移动通信原理-第二章 无线传播与移动信道

北邮信息理论与技术教研中心BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter第二章无线传播与移动信道主讲人:牛凯BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter2移动信道属于无线信道，它既不同于传统的固定式有线信道，也与一般具有可移动功能的无线接入的无线信道有所区别。它是移动的动态信道。正如前面所分析的，移动信道是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所在地点环境条件的客观存在的信道，其信道参数是时变的。利用这类复杂的移动信道进行通信，首先必须分析和掌握信道的基本特点和实质，然后才能针对存在的问题一一对症下药给出相应技术解决方案。任何一种通信系统都是围绕着如何完成通信的三项基本指标——有效性，可靠性和安全性进行不断的优化。移动通信中的各类新技术，都是针对移动信道的动态时变特性，为解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性的基本指标而设计的。因此，分析移动信道的特点是解决移动通信关键技术的前提，是产生移动通信中各类新技术的源泉。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter3§2.1移动信道的特点•2.1.1移动通信信道的主要三个特点1)传播的开放性2)接收地点地理环境的复杂性与多样性3)通信用户的随机移动性BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter4§2.1移动信道的特点•2.1.2移动通信信道中的电磁波传播若从移动信道中的电磁波传播上看可分为：1)直射波2)反射波3)绕射波另外，还有穿透建筑物的传播以及空气中离子受激后二次发射的漫反射产生的散射波……但是它们相对于直射波、反射波、绕射波都比较弱，所以从电磁波传播上看：直射、反射、绕射是主要的，但是有时，穿透的直射波与散射波的影响是需要进一步考虑的。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter5§2.1移动信道的特点•2.1.3接收信号中的三类损耗与四种效应在上述移动信道的三个主要特点以及传播的三种主要类型作用下，接收点的信号将产生如下的特点：1.具有三类不同层次的损耗路径传播损耗慢衰落损耗。快衰落。仔细划分这一快衰落又可分为：空间选择性快衰落、频率选择性快衰落与时间选择性快衰落，。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter6§2.1移动信道的特点•2.1.3接收信号中的三类损耗与四种效应2.四种主要效应阴影效应：由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端(如手机)与专用仪表可以测试出来。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter7§2.1移动信道的特点•远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化，若各移动用户发射信号功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现了以强压弱的现象，并使弱者，即离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象，通常称这一现象为远近效应。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter8§2.1移动信道的特点•多径效应：由于接收者所处地理环境的复杂性、使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号。而且它们到达时的信号强度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等等。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter9§2.1移动信道的特点•多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移动中比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速(≥70km/h)车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter10§2.2三类主要快衰落•空间选择性衰落•频率选择性衰落•时间选择性衰落BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter11§2.2三类主要快衰落•2.2.1空间选择性衰落所谓空间选择性衰落是指在不同的地点与空间位置衰落特性不一样。空间选择性衰落现象、成因与机理可以引用下列直观图形表示：BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter12§2.2三类主要快衰落空间选择性衰落信道原理图t0t1St3SS2Sts0开放型无线移动信道BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter13§2.2三类主要快衰落•1)信道输入：•射频：单频等幅载波;•角度域：在角上送入一个脉冲式的点波束。•2)信道输出•时空域：在不同接收点时域上衰落特性是不一样的，即同一时间，不同地点(空间)衰落起伏是不一样的，这样，从空域上看，其信号包络的起伏周期为；•角度域：在原来角度上的点波束产生了扩散，其扩散宽度为。•3)结论：由于开放型的时变信道使天线的点波束产生了扩散而引起了空间选择性衰落，其衰落周期，其中为波长。•空间选择性衰落，通常又称为平坦瑞利衰落。这里的平坦特性是指在时域、频域中不存在选择性衰落。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter14§2.2三类主要快衰落•2.2.2频率选择性衰落所谓频率选择性衰落是指在不同频段上衰落特性不一样。其现象、成因与机理如图所示：BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter15§2.2三类主要快衰落tt0ff0tt宽带移动信道t2LL1频率选择性衰落信道原理图BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter16§2.2三类主要快衰落•1)信道输入•频域：白色等幅频谱•时域：在时刻输入一个脉冲•2)信道输出•频域：衰落起伏的有色谱•时域：在瞬间，脉冲在时域产生了扩散，其扩散宽度为。其中为绝对时延。•3)结论：由于信道在时域的时延扩散，引起了在频域的频率选择性衰落。且其衰落周期，即与时域中的时延扩散程度成正比。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter17§2.2三类主要快衰落•2.2.3时间选择性衰落所谓时间选择性衰落，是指在不同的时间衰落特性是不一样的。其现象、成因与机理如图所示：BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter18§2.2三类主要快衰落时间选择性衰落信道原理图f0f高速移动用户信道ttBfff0BBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter19§2.2三类主要快衰落•1)信道输入：•时域：单频等幅载波；•频域：在单一频率上单根谱线(脉冲)；•2)信道输出：•时域：包络起伏不平；•频域：以为中心产生频率扩散，其宽度为。其中为绝对多普勒频移，为相对值。•3)结论：由于用户的高速移动在频域引起多普勒频移，在相应的时域其波形产生时间选择性衰落。其衰落周期为。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter20§2.2三类主要快衰落•2.2.4实际移动通信中三类选择性衰落产生的条件在实际移动通信中，三类选择性衰落都存在，根据其产生的条件大致可以划分为以下三类。并可以用下列示意图表示：BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter21§2.2三类主要快衰落第一类多径干扰第二类多径干扰第三类多径干扰三类多径干扰示意图BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter22§2.2三类主要快衰落•1)第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近的物体的反射而形成的干扰信号，其特点是由于用户的快速移动因此在信号的频域上产生了多普勒(Doppler)频移扩散，而引起信号在时域上时间选择性衰落。•2)第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物与山丘的反射而形成的干扰信号。其特点是传送的信号在空间与时间上产生了扩散。空域上波束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。•3)第三类多径干扰：它是由于接收信号受基站附近建筑物和其它物体的反射而引起的干扰。其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在空间的选择性衰落。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter23§2.2三类主要快衰落下面，我们给出在第二代移动通信中某种典型地理环境下，电波传播在空间角度、时间与频率所产生的典型扩散值，并用表格表示：地理环境角度扩散时延扩散多普勒频率扩散室内360º5Hz农村1º190Hz都市20º120Hz丘陵30º190Hz小区120º10Hz0.1s0.1s5s20s0.2sBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter24§2.3传播类型与信道模型的定量分析上面我们重点从概念与定性的观点探讨了移动通信中的电波传播与移动信道的主要特性。这一节，我们试图从定量的观点对传播模型与信道模型作进一步深入分析。BUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter25§2.3传播类型与信道模型的定量分析•2.3.1传播损耗的初步定量分析这里首先从总体上对传播损耗作如下初步的定量分析。由前面的定性分析可得到传播的总损耗分别由大范围(大尺度、公里量级)的路径衰耗、中范围(中尺度、数百波长量级)的阴影效应和小范围(小尺度、数十波长以下)的快衰落共同决定。它可表示为：其中：表示大范围的路径衰耗，，表示中范围的阴影效应损耗，表示小范围内的快衰落损耗。[()][()][()][()]nPdtdtSdtKdt[()]ndt2~5.5n[()]Sdt[()]KdtBUPTInformationTheory&TechnologyEducation&ResearchCenter26§2.3传播类型与信道模型的定量分析•2.3.2大范围的路径传播衰耗的定量分析上面定性分析已指出移动通信信道是一个完全开放式信道，其传播损耗从宏观的大范围看，主要决定于传播的环境与条件。传播损耗不仅决定于传播距离，而且还与传播中的地形、地貌、传播的载波频率，以及发、收天线高度等密切相关。因此想从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难，一般在工程上多采用一些经验公式与模型，它对于工程技术人员而言已基本上能满足工程上的估算要