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1、移动通信,第四讲移动信道中的电波传播与分集接收（一）,回顾,我们已经了解了BTS小区cell、LocationArea（BSC）区、MSC区等概念分级之下的无缝覆盖导出了常用移动通信系统模型,回顾,知道了移动通信接入网AN与电信网络基础设施之间的关系,回顾,为了深入分析起见，借用ISO组织倡导的OSI（开放系统互连）7层协议模型得到了移动通信系统（接入系统）的分层描述方法,回顾,具体到GSM系统以及深受其影响的系统有如下模型,回顾,其中的直接连接子系统的接口协议中继连接子系统的对等实体的意义尤其是空中接口,回顾,对于物理层、高层协议的简单评述物理层复杂，系统体制及协议的多样性高层量大，有一定的
2、继承性尽量使得高层协议于底层设备无关,回顾,物理层的打包传输物理帧，及其对高层协议包（信令、数据）的承载物理帧的一般格式,回顾,发送、接收的一般过程发送信源压缩、纠错编码、交织、成帧、基带成形、中频调制、射频搬移、放大发射。接收天线接收、低噪声放大、射频搬移、中频解调、捕捉、同步、译码。,回顾,回顾,捕捉同步环节非常重要初始捕捉针对物理帧头有频差存在靠包络检波思想，来确定帧头是否到达到达以后的检验序贯检测一旦粗同步上，对帧头进行信道估计，并且抵消系统间的频率差异载波同步,回顾,帧同步（组同步、符号同步）在序贯检测完成后认为已经完成位同步对发送的物理帧，以高于其物理为速率的若干倍的本地位时钟，进
3、行采样、处理，择其中的较大值使用，并且以之为接收端的位时钟。动态调整时钟电路或算法，保持位同步。,回顾,这样得到了解调、译码后的数据。能否正确操作，取决于输入端的信号功率，及整套算法。但是接收功率是一个至关重要的因素。那么，接收功率应该多大？发射功率应是多大？与哪些因素有关？经济性、无线电电磁干扰的角度理解。,移动通信无线信道概述,无线信道指的是：超长波（100-10km）极低频VLF（3-30KHz）长波（101km）低频LF（30300KHz）中波（1000100m）中频MF（0.33MHz）短波（10010m）高频HF（330MHz）超短波（米波）(101m)甚高频VHF（30300MH
4、z）微波（分米波）(101dm)特高频UHF（0.33GHz）微波（厘米波）(101cm)超高频SHF（330GHz）微波（毫米波）（10-1mm）极高频EHF（30-300GHz）,移动通信无线信道概述,微波段内还有所谓：C波段（3.625至6.425GHz）、Ku波段（10.95至14.50GHz）等称谓起源于战时雷达等设备工作频率的保密称呼。,无线电波的传播特性,VLF:超长波，地表面波传播LF：长波，地表面波传播MF:中波，地表面波传播HF：短波，电离层反射传播VHF：超短波，视距直射、反射、散射UHF：分米微波，视距直射、反射、散射SHF：厘米微波，视距直射、反射、散射EHF：毫米微
5、波，视距直射、反射、散射,移动通信无线信道,占用VHF、UHF频段居多以直射、折射、绕射、反射、散射等无线电波传播方式为主，传递到收方因而信道是时变的，或叫变参信道。,VHF、UHF电波传播特性,150MHz频段 传呼等450MHz频段 集群通信、模拟手机等900MHz频段 GSM、CDMA等1800MHz频段 GSM（DCS-1800）等2000MHz频段 IMT-2000（3G）2400MHz频段 WLAN、Bluetooth、HomeRF等,VHF、UHF频段电波以直射、反射传输为主,该频段地面波传播部分衰耗大，所以接收到的地表波信号能量几乎可以不计。该频段电波会穿透电离层，不会反射回来
6、，因而接收不到电离层反射回来的电波能量。以直射（折射可被看作分段直射）、受障碍物反射传播（散射可被看作漫反射）方式为主要形式传播。绕射指的是VHF、UHF频段电波经过山体、森林时被部分吸收的现象，这部分影响可折合到直射传播时的能量损耗上去。,自由空间中的直射波传播,直射波可按自由空间中的传播来考虑 没有阻挡，没有吸收。实际上地面上空的空气在一定条件下的电波传播 大气各向同性，、1、空中无阻挡，接收处无地面反射的电波传播也可看作自由空间传播。,自由空间中的直射波传播 续（1）,自由空间中直射波的能量扩散 虽然自由空间中直射波不会被阻挡或被吸收，但能量仍会由于电波扩散而受到衰减。,自由空间传输损耗
7、公式,Lfs=PT/PRPT：辐射功率，瓦 Pr：接收功率，瓦 GT：发散天线增益 GR：接收天线增益,自由空间传输损耗公式 续（1）,可根据电波在自由空间传播规律列出得到下式：Pr=SAR=(PTGT/4d2)(2GR/4)=PTGTGR（/4d）2Lfs=PT/PR=GTGR（4d/）2,自由空间传输损耗公式 续（2）,Lfs（db）=10lg（4d/）2-10lg（GTGR）此中：d的单位为米，的单位为米 当把d的单位折合为公里，以频率f来表示，频率的单位为Mhz时,自由空间传输损耗公式 续（3）,得到：Lfs(dB)=32.44+20lgd+20lgf-10lg GTGR可见：自由空间
8、中电波传播损耗或衰减只与工作频率f，和传播距离d有关。f或d增大一倍，Lfs(dB)增加6dB，即衰耗值减小4倍。,非理想条件下的大气中传播,实际移动信道 电波在低层大气中传播，介质非均匀，温度、湿度、气压均不一致，会影响电波传播，产生折射、吸收现象。,VHF、UHF波段,折射尤为突出，改变了视距传播的极限距离。,有利于超视距的传播。,VHF、UHF波段 续（1）,但也会由折射现象引起直射与折射形成多矩波，形成随机合成波，,影响见后述。,地球等效半径 Re,地球半径 R0=6.37106 m由于折射使视距传播远了，可以认为R0变大了。即等效地球半径概念 Re。,地球等效半径 Re 续（1）,R
9、e可如下计算：RE/R0=1/（1+R0dn/dh）n：大气折射率h：大气高度 dn/dh：单位：1/米,地球等效半径 Re 续（2）,标准大气折射值dn/dh-4 10-8（1/m）此时下：Re R0=6.37 106mRe=8.5 106m,Re下的视线传播极限距离,Re下的视线传播极限距离,d=在标准大气折射下，Re=8.5 106m在ht200m，hr1.5m时，d63km,折射传输时的电波衰耗,仍可套用自由空间直射电波传播衰耗公式，只是距离d变大了。,障碍物的影响与绕射损耗,绕射指的是VHF、UHF频段电波经过山体、森林等障碍物时被部分吸收的现象，这部分影响可折合到直射传播时的能量损
10、耗上去。L=Lfs+L附加损耗（即绕射损耗）,障碍物的影响与绕射损耗 续（1）,绕射损耗计算与查表,障碍物的影响与绕射损耗 续（2）,经工程测算，得出绕射损耗图,障碍物的影响与绕射损耗 续（3）,其中：,x1 为正值分析得出：x/x10，即x0，无阻挡，则无附加损耗 x/x10，即x0,有阻挡，则有附加损耗 x0时，电波在障碍顶点处擦过，有吸收效应，附加6db损耗,反射波(地面、障碍物等造成的反射),电波传播产生反射波的条件及场合 电波传播遇到两种不同介质的光滑界面时，媒介面尺寸远大于波长，就会产生镜面反射。,反射波(地面、障碍物等造成的反射)续（1）,VHF、UHF的波长从10m到1dm（分
11、米）界面尺寸很容易比这个波长大。,反射系数R,R=反射波场强/入射波场强=|r|场强振幅比 反射波相对入射波的相移,两径传播模型,如下图：,两径传播模型 续（1）,在VHF、UHF电波传播的大部分应用场合，均有：Pr=Pt/4d2 Gt Gr|1+R e|R：反射系数d=AC+CB AB 波程差=2*d/波程差带来的相位差 可见此时的损耗计算不那么容易。并且，产生了多径传播的随机合成电磁波。,Doppler shift 多普勒频移,多普勒效应 MT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。,模型,fD 记为多普勒效应引起的相对于的附加频移 fD=（/）cosFm=/称为最大多普勒
12、频移,例子GSM系统与3G系统,载波f0 900MHzMT移动速度v=50km/hfm 41.7(Hz)载波f0 2000MHzMT移动速度v=200km/hfm 370(Hz),电波传播及衰耗现象、合成波现象,直射波、折射波、绕射波、反射波、散射波传播损耗（衰耗）直射波传播的情况及其衰耗与d、f的关系已经介绍过了。折射波传播的情况及其衰耗套用直射波情况，只是传播距离d等效加长，f不变。绕射波传播的情况及其衰耗随传播中遇到的障碍物的不同而不同，无法精确数学分析，只能依靠工程数据图表查找出附加损耗，再计算到直射传播基本损耗上去。反射波及其衰耗的情况可参考直射情况，再考虑上反射系数R的作用。漫反射
13、传播现象的处理考虑。,实际环境下的合成波传播,是上述直射、折射、绕射、反射传输形式的综合体无线电信号通过移动信道时，遭受到来自不同途径的衰减损耗最后形成随机合成电波信号，被接收天线拾取。实际上是无法精确描述各种传输路径的传播情况的，只能工程地处理。即：通过实地工程测量，造出表格，构造各种模型，给工程设计人员提供指导作用。,定性的结论,电磁波传播情况虽然复杂至极，但定性的结论还是可以给出的。接收功率与传播距离d的关系 当电磁波频率f一定时，电磁波在自由空间（真空）中传播时的接收功率与传播距离d的平方成反比。在实际空间中传输时，把平方修正成为三次方或四次方。,定性的结论 续（1）,电磁波传播情况虽
14、然复杂至极，但定性的结论还是可以给出的。接收功率与合成波现象的关系 合成波形成于VHF、UHF电磁波的多径传播（直射、折射、绕射、反射）。由于途径多样性多变性，因而在接收天线上形成一个随机合成波。因而可以认为接收功率与一个R（d）成正比，该R（d）实际上是一个受一定距离决定的随时变化的随机数值。该R（d）无法数学精确描述，但可以依照随机过程理论统计意义上面去描述。比如可以统计给出R（d）的均值、方差。,定性的结论 续（2）,电磁波传播情况虽然复杂至极，但定性的结论还是可以给出的。传播环境随时间的变化及其对接收功率的影响 前面讲过，电磁波传播的衰耗和距离d有关系，在这传输距离d上又有多种变化着的
15、传播途径（直射、折射、绕射、反射），并且大气性质还随时间变化，因而仅一个R（d）描述接收功率的随机性还不够。因而认为接收功率还与一个S（d）成正比，该S（d）实际上也是一个受一定距离决定的随时变化的随机数值。只是R（d）的随机变化速率远大于S（d）的变化速率。前者是小于秒级别意义上的，后者至少是小时级别的。,定性的结论 续（3）,移动信道接收功率的综合的定性的结论 Pr(d)=Pt|d|-n S(d)R(d)n取34；S（d）叫做阴影衰落因子，表示地形起伏、大气变化等慢变因素对电波引起的衰落；R（d）叫做多径衰落因子，表示由于合成波这一随机多径传播环境的特性而引起的衰落。,研究电波传播途径的目的,掌握电波传播途径的特性 构造出可行的工程模型 研究找出克服不利影响的途径 一项非常复杂但又有意义的课题,举个传播衰耗模型的应用例子,可从最后的放音质量要求指标上，倒推出一个经济可靠的Pt值来。,
