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1、移动通信,主要内容：1 移动信道中的电波传播 2 衰落 3 信号场强的估算 4 特殊的移动信道 5 分集接收技术,第二章 移动信道中的电波传播,移动通信,2.1 移动信道概述,无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约，移动无线信道具有多样性，同一无线空中接口在不同的移动无线信道中的性能大不相同。移动无线信道电波在空间的传播路径电波的传播方式有三种：地波，天波，空间波,移动通信的电波频率在150M以上，属于VHF和UHF，主要以空间波方式传播直线传播。传播路径有三种：直射波，反射(散射)波，地面波。,移动通信,2.1.1 移动通信环境-场强测试曲线,返回,2.1.2 移动信道中的电波传播,在
2、实际移动信道中，散射体很多，所以接收信号都是由多个电波合成的,如下图。,移动通信,主要特点：衰落 快衰落多径传播 慢衰落地形地物的遮挡阴影效应多径时散多径传播多普勒效应移动台的运动多径传播和移动中的通信,直射波、反射波或散射波在接收点形成干涉场，使信号产生深度且快速的衰落快衰落，如图3.7实线所示。图中，横坐标是时间或距离，纵坐标是相对信号电平(以dB计)，信号电平的变动范围约为3040dB。图中虚线表示的是信号的局部中值（在局部时间中，信号电平大于或小于它的时间各为50）。由于移动台的不断运动，电波传播路径上的地形、地物也不断变化的，因而局部中值也在变化。这种变化所造成的衰落比多径效应所引起
3、的快衰落要慢得多，所以称作慢衰落。,2.1.2 信号的衰落特性(1),2.1.2 信号的衰落特性(2),静止状态的信号电平,移动通信,2.1.2 信号的衰落特性(3),移动状态的信号电平,移动通信,2.1.2 移动通信环境的场强特性,测试曲线,移动通信,2.1.3 移动通信环境的几个效应,2.2 快衰落,产生的原因：多径传播 多普勒效应 三种典型情况：1、只有多径效应（移动台静止或移动缓慢）2、只有多普勒效应3、多径传播+多普勒效应（移动台高速移动）,移动通信,移动通信,2.2.1 瑞利衰落-包络统计特性,r接收信号的包络；接收信号的等效正弦波有效值的,瑞利信号的数字特征：,当r=时，p(r)
4、有最大值，表示r在值出现的可能性最大。由于衰落信号的包络有50概率大于1.177。因此，1.177被称为包络r的中值，记作rmid。,瑞利分布的概率密度函数p(r)与r的关系如下图所示。,在典型移动信道中，衰落深度达30dB左右，衰落速率(它等于每秒钟信号包络经过中值电平次数的一半)约3040次秒。,2.2.1 瑞利衰落-包络统计特性,移动通信,图3-9,见P70图3-10,横坐标是以rmid进行归一化，并以分贝表示的电平值，即20lgr/rmid。纵坐标是包络电平大于(左)和小于(右)横坐标的概率。,2.2.1 瑞利衰落-包络统计特性,移动通信,2.2.1 瑞利衰落-瞬时幅度特性,移动通信,
5、2.2.2 莱斯衰落,移动通信,指含有一个强直射波的N个路径传播时，若每条路径的信号幅度为高斯分布，相位在02为均匀分布的合成信号的包络分布为莱斯分布。,2.3 阴影衰落（慢衰落）,移动通信,与地点有关,m信号中值；M信号中值的均值；信号中值的标准偏差。,2.4 衰落储备,为防止因衰落而引起通信的中断，在信道设计时，必须使信号电平保留足够的余量，以使中断率小于规定值。这个电平余量称为衰落储备=中值最小必需电平,移动通信,2.5 多径时散和相关带宽,多径传输在时域上会造成数字信号波形的展宽，一个极短的脉冲信号，经过多径传播后，移动台会收到一串脉冲，结果使脉冲宽度被展宽了。这种因多径传播造成信号时
6、间扩散的现象，称为多径时散。各个脉冲幅度在时间上可能相互交叠，甚至使一串离散脉冲变成有一定宽度的连续信号脉冲。根据统计测试结果，移动通信中接收机接收到多径的时延信号强度大致如图3-16所示。图中，t是相对时延值；E(t)为归一化的信号强度，也就是接收信号的相对强度，又称为多径散布谱。图中，t0表示脉冲信号的前沿。,移动通信,2.5.1 多径时延信号强度,最大时延max，是以强度下降30dB时测定的时延值。为了避免码间干扰，如无抗多径措施，则要求信号的传输速率必须比1/低得多。,移动通信,图3-16,从频域观点而言，多径时散现象将导致频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。若信号带宽过
7、大，就会引起严重的失真。以两条射线的情况为例。为分析简便，不计信道的固定衰减，用“1”表示第一条射线，信号为Si(t)；用“2”表示另一条射线，其信号为rSi(t)e j(t)，这里r为一比例常数。于是，接收信号为两者之和，即 So(t)=Si(t)+rSi(t)e j(t)等效网络的传递函数为：H(jt)=1+r e j(t)信道的幅频特性为 A(,t)=|1+rcos(t)+jrsin(t)|由此可知，当(t)=2n时，双径信号同相叠加，信号出现峰值；当(t)=(2n+1)时，双径信号反相叠加，信号出现谷点。,2.5.2 相关带宽,移动通信,两相邻场强为最小值的频率间隔Bc=1(t)是与多
8、径时延(t)成反比的，称Bc为多径时散的相关带宽。若所传输的信号带宽较宽，以至与Bc可比拟时，则所传输的信号将产生明显的畸变。实际上，移动信道中的传播路径通常不止两条，而是多条，且由于移动台处于运动状态，相对时延差(t)也是随时间而变化的，所以合成信号振幅的谷点和峰点在频率轴上的位置也将随时间而变化，很难准确地分析相关带宽的大小。工程上，对于角度调制信号，相关带宽可按下式估算：Bc=12(为时延扩展),2.5.2 相关带宽,移动通信,2.6 移动信道的场强估算,由于移动信道中电波传播的条件十分恶劣和复杂，要准确地计算信号场强或传播损耗是很困难的，通常采用分析和统计相结合的办法。通过大量实验，找
9、出各种地形地物下的传播损耗与距离、频率、天线高度之间的关系。前人进行了很多研究，提出了很多模型，比较有名的有Egli模型、奥村模型等，本节着重介绍奥村模型。它是以实测数据为基础的经验模型，用以估算移动信道的场强中值。它是先以自由空间传播为基础，再分别考虑各种地形、地物对电波传播的实际影响，并逐一予以必要的修正。,移动通信,移动通信,2.6.1 自由空间的传播损耗,PT发射功率。d距离。GT发射天线增益。GR接收天线增益。,1地形的分类 为了计算移动信道中信号电场强度中值(或传播损耗中值)，可将地形分为两大类:中等起伏地形和不规则地形，并以中等起伏地形作传播基准。中等起伏地形是指在传播路径的地形
10、剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。,2.6.2 地形、地物分类,移动通信,2地物(或地区)分类 不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区：开阔地。在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等；郊区。在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等；市区。有较密集的建筑物和高层楼房。,2.6.2 地形、地物分类,移动通信,3.天线的有效高度 若基站天线顶点的海拔高度为hts，从天线设置地点
11、开始，沿着电波传播方向的3km15 km之内的地面平均海拔高度为hga，则定义基站天线的有效高度为 hb hts-hga若传播距离不到15km，hga是3km到实际距离之间的平均海拔高度。,2.6.2地形、地物分类,天线的有效高度是指天线在周围地面上的高度。,移动通信,2.6.3 中等起伏地形上传播损耗,1市区传播损耗的中值 在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称作基准中值。图3-23给出了典型中等起伏地上市区的基本中值Am(f,d)与频率、距离的关系曲线。图上，纵坐标刻度以dB计，是以自由空间的传播损耗为0dB的相对值。换言之，曲线上
12、读出的是基本损耗中值大于自由空间传播损耗的数值。由图可见，随着频率升高和距离增大，市区传播基本损耗中值都将增加。图中曲线是在基站天线高度hb200m，移动台天线高度hm3m。,移动通信,移动通信,图3-23,41,如果基站天线的高度不是200m，则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子Hb表示。显然，当hb200m时，Hb0dB；反之，当hb 3 m时，Hm 0 dB；反之，则Hm 0dB。另外，当移动台天线高度大于5m以上时，其高度增益因子不仅与天线高度、频率有关，而且还与环境条件有关。例如，在中小城市，因建筑物的平均高度较低，它的屏蔽作用较小，当移动台天线高度大于4m时，随天线高度增加，天线
13、高度增益因子明显增大；当移动台天线高度在14m范围内，Hm受环境条件的影响较小。,2.6.3 天线高度增益,移动通信,移动通信,图3-24,2.6.3 天线高度增益,市区的场强中值还与街道走向(相对于电波传播方向)有关。纵向路线(与电波传播方向相平行)的损耗中值明显小于横向路线(与传播方向相垂直)的损耗中值。这是由于沿建筑物形成的沟道有利于无线电波的传播(称沟道效应)，使得在纵向路线上的场强中值高于基准场强中值，而在横向路线上的场强中值低于基准场强中值。图3-25给出了它们相对于基准场强中值的修正曲线。,2.6.3 街道上传播损耗,图3-25,1郊区和开阔地损耗的中值 郊区的建筑物一般是分散、
14、低矮的，故电波传播条件优于市区。郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子，记作Kmr，郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小。2.开阔地、准开阔地(开阔地与郊区间的过渡区)的场强中值相对于基准场强中值的修正曲线。显然，开阔地的传播条件优于市区、郊区及准开阔地，在相同条件下，开阔地上场强中值比市区高达20dB。Qo表示开阔地修正因子，Qr表示准开阔地修正因子。,2.6.4 郊区和开阔地损耗,移动通信,移动通信,图3-26 图3-27,2.6.4 郊区和开阔地损耗,2.6.5不规则地形的传播损耗,1丘陵地的修正因子 丘陵地的地形参数用地形起伏高度表征。它的定义是：自接收点向发射点延伸10k
15、m的范围内，地形起伏的90与10的高度差。(图3-28)2孤立山峰修正 当电波传播路径上有非常陡峭的单独山峰时，若求山背后的电场强度，除了考虑绕射损耗外，还必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽吸收等附加损耗。(图3-29)3斜波地形修正因子 斜坡地形系指在电波传播方向上的倾斜地形。若地形逐渐升高，称为正斜坡；反之为负斜坡。(图3-30)4水陆混合路径修正因子 在传播路径中如遇有湖泊或其它水域，接收信号的场强往往比全是陆地时要高。(图3-31),图3-28,图3-29,图3-30,图3-31,2.6.5 任意地形地区的传播损耗的中值,1中等起伏地市区中接收信号的功率中值Pp:Pp=Po-Am+Hb+H
16、m式中，Po自由空间传播条件下的接收信号的功率;Am中等起伏地市区的基本损耗中值;Hb基站天线高度增益因子;Hm移动天线高度增益因子;若需要考虑街道走向时，还应再加上纵向或横向路径的修正值。,移动通信,2.6.5 任意地形地区的传播损耗的中值,2任意地形地区接收信号的功率中值Ppc Ppc是以中等起伏地市区接收信号的功率中值Pp为基础，加上地形地物修正因子KT，即 Ppc=Pp+KT3.任意地形地区的传播损耗中值:LA=LT KTLT为中等起伏地市区传播损耗中值。LT=Lfs+Am-Hb-Hm,移动通信,例:某一移动信道，工作频段为450MHz，基站天线高度为50m，天线增益为6dB，移动台天
17、线高度为3m，天线增益为0dB；在市区工作，传播路径为中等起伏地，通信距离为10km。求：(1)传播路径损耗中值；(2)若基站发射机送至天线的信号功率为10W，求移动台天线得到的信号功率中值。解:(1)根据已知条件，KT 0，LALT，自由空间传播损耗 Lfs=32.44+20lg f+20lg d=32.44+20lg 450+20lg 10=105.5 dB,例 题,移动通信,由图323查得市区基本损耗中值 Am=27dB由图324(a)可得基站天线高度增益因子Hb=-12dB;移动台天线高度增益因子Hm=0dB.把上述各项代入式(368)，可得传播路径损耗中值为 LA=LT=105.5+
18、27+12=144.5dB(2)由式(363)和(364)可求得中等起伏地市区中接收信号的功率中值 Pp=-98.5dBm,移动通信,例 题,Hata模型（秦正治公式）奥村模型的公式化，适用于150MHz15000MHz 由 标准公式 以及 大城市，小城市，小区，开阔地 的修正公式组成,COST-231/Walfish/Ikegami模型 主要用于微小区的设计 主要参数有：建筑物高度；道路宽度；建筑物间隔；相对于直达无线电路径的道路方位角适用范围：频率（800M2G）电波传播距离（0.025km）基站天线高度（450m）移动台天线高度（13m）1.可视传播路径的损耗2.非可视传播路径的损耗3.
19、1.8G的传播损耗,2.7 其它移动信道,1.建筑物的穿透损耗,规定用建筑物附近道路中央的场强与在室内不同楼层中测得的场强之差表示此穿透损耗。穿透损耗的大小与建筑物的材料、窗口大小和通信所用的频率有关，但主要与楼层的高低有关。图332给出的是在日本东京地区测得的建筑物穿透损耗。由图可见，楼层越 低，损耗越大。对于多层楼房内设置基站的专用移动通信系统而言，由于室内建筑物的结构多种多样，所用天线的型式与架设地点各不相同，因而很难确定一种统一的穿透损耗作为通信系统设计的依据。,移动通信,图3-32,移动通信,2.7.1建筑物的穿透损耗,2.限定空间中的电波传播,2.7.2限定空间中的电波传播,所谓的
20、限定空间是指无线电不能穿透的场所。在限定空间中，因为电波的传播损耗很大，因而通信距离很短。例如，一般VHF或UHF电台，在矿井巷道或在直径为3m左右隧道中的通信距离只有几百米。图3-33给出的是在长约2km的隧道内实测得到的电波传播特性，其工作频率为400MHz，发射机位于隧道入口处，天线高度为4m，发射机功率为4W。由图可见，400MHz频率的电波在隧道内的传输损耗大约为 4050dB/km；当传播路径上出现障碍物(如车辆等)或通道弯曲时，损耗还会增大。频率越低，损耗也越大，如150MHz频率的电波，在隧道内的损耗约为100150dB/km。,移动通信,图3-33,移动通信,2.7.2限定空
21、间中的电波传播,在限定空间内，为了增加通信距离，常用导波线传输方式。即在隧道内敷设能导引电磁波的导波线，借助导波线，电磁波能量一面向前方传输，一面泄漏出一部分能量，以便与隧道内的行驶车辆进行通信。常见的导波线有两种：平行双导线和泄漏同轴电缆。平行双导线在传送高频能量时具有开放式电磁场分布，即电磁波能量分布在传输线附近的空间，为增加传输线的纵向通信距离，应尽量减小传输线的固有损耗。它的辐射性能易受敷设条件和周围物体的影响，尤其是当其表面潮湿或覆盖灰尘时，损耗会急剧增大。,移动通信,2.7.2限定空间中的电波传播,图334 泄漏同轴电缆的结构示意图 在同轴电缆的外导体上按一定节距开槽以泄漏电磁波。
22、开槽形状有多种，如八字槽式、椭圆孔和纵槽式等。图中的开槽形状是八字槽式。,移动通信,2.7.2限定空间中的电波传播,泄漏同轴电缆的主要技术特性有：波段、特性阻抗、传播损耗和耦合损耗等。其中，耦合损耗和传播损耗是两个主要的性能参数，它们是影响横向和纵向通信距离的主要因素。耦合损耗是表征泄漏同轴电缆辐射能力强弱的物理量，耦合损耗越小辐射能力越强。它定义为电缆内所传输的信号功率与在距离电缆r(如1.5m)处用半波天线接收到的信号功率之差。槽孔长度和倾斜角越大、槽孔节距越小，辐射能力越强，耦合损耗就越小。,移动通信,2.7.2限定空间中的电波传播,传输损耗包括电缆的固有损耗与辐射损耗。由于泄漏同轴电缆
23、在传输能量的过程中必须不断向外辐射能量，因而要产生辐射损耗，并限制泄漏同轴电缆的纵向传输距离。显然，泄漏同轴电缆的耦合损耗越小，辐射损耗就越大，也就是传输损耗越大。泄漏同轴电缆的耦合损耗一般设计为5055dB以内，以便增大纵向通信距离。由于泄漏同轴电缆的电气性能良好，辐射能力容易控制，耦合损耗和传输损耗受周围环境及沾污的影响较小，而且使用方便，因而获得广泛应用。,移动通信,2.7.2限定空间中的电波传播,2.8接收机输入电压、功率与场强的关系,实际上，天线上感应到的信号就是接收机的输入电压。即天线就是接收机的信号源，当接收机和信号源满足功率匹配的条件时，接收机的,输入电阻为Ri=Rs，则接收机
24、输入端信号的端电压 Ui=Us2(Us：信号电动势)相应的输入功率为：Pi=Us24Ri,移动通信,在实际中，接收机的输入电路与接收天线之间不满足匹配条件。这时接收机输入端的端电压U与天线上的感应电势Us，有以下关系：,移动通信,图3-20 半波天线有效长度,接收机输入电压与信号场强的关系,在采用线天线时，接收场强E是指有效长度为1 m的天线所感应的电压值，以Vm 作单位。半波振子天线上的电流分布呈余弦函数，中点的电流最大，两端电流均为零。如果将中点电流作为高度构成一个矩形，如图中虚线所示，使虚线与实线所围面积相等，则矩形的长度即为半波振子的有效长度。经过计算，半波振子天线的有效长度为。这样半
25、波振子天线的感应电压Us为:,移动通信,接收机的最小必需电平是由接收机灵敏度和必需载噪比共同来决定。3级的话音 C/N12dB 4级的话音 C/N18dB 接收机的灵敏度：以标准测试音调制时，在接收机输出端得到规定的信纳比(信号+噪声+失真)/(噪声+失真)，输出功率为50额定功率时，接收机输入端所需的最小信号电平。可用电动势、输入电压或输入功率表示。Prmin=Ui2/R=Us2/4R灵敏度的定义是在输入端无外界噪声或干扰条件下测定的，它只考虑了接收机的内部噪声，它只是无外界噪声或干扰条件下的最小接收电平。,2.8.2 接收机的最小必需电平,移动通信,2.8.2移动通信中的噪声,图4-1,移动通信,人为噪声移动信道中，认为噪声主要是车辆的点火噪声。点火噪声的噪声强度随地点的分布近似服从对数正态分布,移动通信,2.8.2噪声环境下-话音质量的恶化,不过，在噪声不是很大的情况下，由载噪比求得的最小信号电平不会大于灵敏度，所以在大多数情况下，仍可以用灵敏度作为接收机的最小必需电平。衰落储备：瑞利衰落：36dB;阴影衰落：通信概率90%，1.28；通信概率95%，1.64。,2.8.2 接收机的最小必需电平,通过以上分析，我们可得到移动通信的系统方程：发射功率=接收机最小必需电平+衰落储备+传播损耗+馈线损耗-天线增益,
