1、移动通信技术u 本课程是为通信工程系本科大四学生开设的专业必修课，亦可作为选修课程。u 主要讲授移动通信系统的基本概念，基本理论，基本技术及几代移动通信的典型系统及应用。内容以当前广泛应用的移动通信新技术和移动通信系统为背景，力求能反映近年来国内外移动通信的发展状况。第1章 移动通信概述移动通信的概念及特点移动通信的概念及特点1.11.1移动通信发展概况移动通信发展概况1.21.2移动通信的分类及工作方式移动通信的分类及工作方式1.31.3 移动通信采用的基本技术移动通信采用的基本技术1.41.4移动通信的应用系统移动通信的应用系统1.51.51.1 移动通信的概念及特点 1.1.1 移动通信
2、的概念移动通信的概念 移动通信就是通信双方至少有一方移动通信就是通信双方至少有一方是在运动中是在运动中 实现通实现通信的通信方式。信的通信方式。例如，固定体与移动体之间或移动例如，固定体与移动体之间或移动体与移动体之间的信息交换，都属于移体与移动体之间的信息交换，都属于移动通信。动通信。1.1.2 移动通信的特点移动通信的特点1.l 2.3.4.5.1.2 移动通信发展概况1.2 移动通信发展概况 第一阶段从20世纪20年代至40年代。在这期间，首先在短波几个频段上开发出专用移动通信系统，特点是专用系统的应用，工作频率较低。第二阶段从20世纪40年代中期至60年代初期。在此期间内，出现了公用移
3、动通信业务。这一阶段的特点是移动通信从专用网向公用网过渡，接续方式为人工，网的容量较小。1.2 移动通信发展概况1.2 移动通信发展概况 第三阶段第三阶段从从20世纪世纪60年代中期至年代中期至70年代年代中期。中期。在此期间，美国推出了改进型移动电话在此期间，美国推出了改进型移动电话系统（系统（IMTS），采用大区制、中小容量，），采用大区制、中小容量，实现了无线频道自动选择并能够自动接续实现了无线频道自动选择并能够自动接续到公用电话网。到公用电话网。这一阶段是移动通信系统改进与完善这一阶段是移动通信系统改进与完善的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，的阶段，其特点是采用大区制、中小容量，实
4、现了自动选频与自动接续。实现了自动选频与自动接续。第四阶段从20世纪70年代中期至80年代中期。这是移动通信蓬勃发展时期。1.2 移动通信发展概况 1978年底，美国贝尔试验室提出了蜂年底，美国贝尔试验室提出了蜂窝网的概念，成功研制了世界上首个蜂窝窝网的概念，成功研制了世界上首个蜂窝移动通信网，这一阶段的特点是蜂窝状移移动通信网，这一阶段的特点是蜂窝状移动通信网成为实用系统，并在世界各地迅动通信网成为实用系统，并在世界各地迅速发展，形成了所谓的第一代移动通信系速发展，形成了所谓的第一代移动通信系统。统。n 第一代移动通信特点：第一代移动通信特点：第五阶段从20世纪80年代中期开始。模拟蜂窝网虽
5、然取得了很大成功，但也暴露了一些问题。解决这些问题的方法是开发新一代数字蜂窝移动通信系统，即第二代移动通信系统。1.2 移动通信发展概况 第六阶段从20世纪90年代中期至21世纪初，伴随着对第三代移动通信的大量谈论，以及2.5G产品GPRS系统的过渡，3G(3G技术名为IMT-2000)走上了通信舞台的前沿。1.2 移动通信发展概况l 虽然虽然3G系统已经在许多国家得到大规模商业系统已经在许多国家得到大规模商业应用，但另一方面宽带无线接入技术从固定向应用，但另一方面宽带无线接入技术从固定向移动化发展，形成了与移动通信技术竞争的局移动化发展，形成了与移动通信技术竞争的局面。为应对面。为应对“宽带
6、接入移动化宽带接入移动化”的挑战，同时的挑战，同时为了满足新型业务需求，为了满足新型业务需求，2004年底第三代合作年底第三代合作伙伴项目（伙伴项目（Generation Partnership Project，3GPP）组织启动了长期演进（）组织启动了长期演进（Long Term Evolution，LTE）的标准化工作。）的标准化工作。3rd1.2 1.2 移动通信发展概况移动通信发展概况 LTE致力于进一步改进和增强现有3G技术的性能，以提供更快的分组速率、频谱效率以及更低的延迟。在推动3G系统产业化的同时，世界各国已把研究重点转入后三代/第四代（B3G/4G）移动通信系统。可以称之为移
7、动通信发展的第七阶段。l 2005年10月，国际电信联盟正式将B3G/4G移动通信技术命名为IMT-Advanced(International Mobile Telecommunication-Advanced)。l “IMT-Advanced”l 第五代移动通信系统（第五代移动通信系统（5G）是）是4G系统的发展，是面向系统的发展，是面向2020年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，年以后移动通信需求而发展的新一代移动通信系统，ITU将其将其晢命名为晢命名为IMT-2020。工业和信息化部（简称工信部）于。工业和信息化部（简称工信部）于2019年年6月月6日分别向中国电信、中国移动
8、、中国联通、中国广电发放日分别向中国电信、中国移动、中国联通、中国广电发放了了5G商用牌照，中国广电成为第四大基础电信运营商。移动互商用牌照，中国广电成为第四大基础电信运营商。移动互联网和物联网是移动通信发展的两大主要驱动力，为第五代移联网和物联网是移动通信发展的两大主要驱动力，为第五代移动通信提供了广阔的应用前景。移动互联网颠覆了传统移动通动通信提供了广阔的应用前景。移动互联网颠覆了传统移动通信业务模式，其进一步发展带来移动流量的超千倍增长，推动信业务模式，其进一步发展带来移动流量的超千倍增长，推动技术和产业的新一轮变革。物联网扩展了移动通信的服务范围技术和产业的新一轮变革。物联网扩展了移动
9、通信的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联，使移动通信，从人与人通信延伸到物与物、人与物智能互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。技术渗透至更加广阔的行业和领域。1.2 1.2 移动通信发展概况移动通信发展概况 和现有的4G系统相比，5G系统的性能在3个方面提高了1000倍：传输速度提高1000倍，平均传输速率将达到100Mb/s1Gb/s；数据流量提高1000倍；频谱效率和能耗效率提高1000倍。在传输速率、资源利用、无线覆盖性能和用户体验等方面比现有移动通信系统有显著提升。5G将渗透到社会各个领域，以用户为中心构建全方位的信息生态系统。5G将信息突破时空限制，提供最
10、佳交互体验，为用户提供身临其境的信息盛宴。5G通过无缝融合的方式便捷地实现人与物的互联，为用户提供光纤般的接入速率、实时的使用体验。它将提供超高流量密度、超高连接密度和超高移动性等多场景的一致服务，实现业务与用户感知的智能优化，同时将为网络提供超百倍的能效提升，并大幅度降低网络成本。15G的主要技术特点有：（1）5G更加注重网络吞吐速率，传输时延以及对虚拟现实、3D、交互游戏等新兴移动业务的支撑能力。（2）5G系统力求体系结构实现多点、多用户、多天线、多小区协同组网上有重大突破性提高。室内无线覆盖和支撑能力极大提高。（3）有线、无线融合，光载波组网技术及物联网结合技术的广泛应用。（4）5G实现
11、“软”配置技术，营运商通过动态配置业务，调整网络资源。25G的主要关键技术有：（1）超高密度的无线组网技术和自组织网络技术。（2）无线传输方面，大规模多输入多输出（Multi Input Multi Output，MIMO）技术。（3）集中与分布控制相结合的技术，网络演进中基础设施是可编程与灵活扩展能力统一融合的平台，适应各种不同规模的应用技术。（4）滤波器的多载波（FilterBankbasedMulticarrier，FBMC）技术。（5）软件定义无线网络（SoftwareDefinedNetwork，SDN）技术与内容分发网络（Content Delivery Network，CDN）技
12、术。1.3 1.3 移动通信的分类及工作方式移动通信的分类及工作方式 1.3.1 移动通信的分类移动通信的分类 按使用对象分为民用通信和军用通信。按使用对象分为民用通信和军用通信。按使用环境分为陆地通信、海上通信和按使用环境分为陆地通信、海上通信和空中通信。空中通信。l 按多址方式分为频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA）和码分多址（CDMA）等。l 按覆盖范围分为广域网、城域网、局域网和个域网。按业务类型分为电话网、数据网和综合业务网等。按工作方式分为单工、双工和半双工。按服务范围分为专用网和公用网。按信号形式分为模拟网和数字网。1.3 移动通信的分类及工作方式 1单工通信 单工通信是指
13、通信双方电台交替地进行收信和发信。单工通信通常用于点到点通信，如图1.1所示。1.3.2 移动通信的工作方式移动通信的工作方式图图1.1 单工通信示意图单工通信示意图 根据收、发频率的异同，单工通信又分为：根据收、发频率的异同，单工通信又分为：l 同频单工：同频单工：同频单工通信是指通信双同频单工通信是指通信双方（如图方（如图1.1中的电台甲和电台乙）使用中的电台甲和电台乙）使用相同的频率相同的频率f1工作，发送时不接收，接收工作，发送时不接收，接收时不发送。时不发送。l 异频单工：异频单工：异频单工通信方式，收发信异频单工通信方式，收发信机使用两个不同的频率分别进行发送和机使用两个不同的频率
14、分别进行发送和接收。接收。2双工通信 双工通信，是指通信双方可同时进行消息传输的工作方式，亦称全双工通信，如图1.2所示。双工通信分为频分双工（FDD）和时分双工（TDD）。图图1.2 双工通信示意图双工通信示意图3半双工通信 半双工通信是指移动台采用单工方式，基站采用双工方式的通话方式，如图1.3所示。该方式主要用于解决双工方式耗电大的问题。图图1.3 半双工通信示意图半双工通信示意图1.4 移动通信采用的基本技术 1.4.1 调制技术 数字移动通信对数字调制技术的主要要求：已调信号的频谱窄和带外衰减快；易于采用相干或非相干解调；抗噪声和抗干扰的能力强；适宜在衰落信道中传输。数字信号调制的基
15、本类型分为振幅键控（ASK）、频移键控（FSK）和相移键控（PSK）3种。在实际应用中，两类数字调制方式用得在实际应用中，两类数字调制方式用得最多，分别为最多，分别为线性调制线性调制和和恒定包络调制恒定包络调制技术。技术。（1）线性调制技术 主要包括PSK、QPSK、DQPSK、OQPSK、/4-DQPSK和多电平PSK等调制方式。（2）恒定包络（连续相位）调制技术 主要包括MSK、GMSK、GFSK和TFM等调制方式。除了以上除了以上提到的两种调制技术，另外还提到的两种调制技术，另外还有一种获得迅速发展的数字调制技术是振有一种获得迅速发展的数字调制技术是振幅和相位联合调制（幅和相位联合调制（
16、QAM）技术。）技术。1.4.2 移动信道电波传播特性的研究 研究移动信道的传播特性，首先要弄清移动信道的传播规律和各种物理现象的机理以及这些现象对信号传输所产生的不良影响，进而研究消除各种不良影响的对策。理论分析方法：通常用射线表示电磁波束的传播，在确定收发天线的高度、位置和周围环境的具体特征后，根据直射、折射、反射、散射、透射等波动现象，用电磁波理论计算电波传播的路径损耗及有关信道参数。实测分析方法：在典型的传播环境中进行现场测试，并用计算机对大量实测数据进行统计分析，以建立预测模型（如冲击响应模型），进行传播预测。1.4.3 多址方式 多址方式的基本类型有频分多址（FDMA）、时分多址（
17、TDMA）和码分多址（CDMA）。实际中也常用到3种基本多址方式混合的多址方式，如FDMA/TDMA、FDMA/CDMA、TDMA/CDMA等。TDMA系统的通信容量大于FDMA系统，CDMA系统的通信容量又大于TDMA系统。在移动通信系统开发研制中，码分多在移动通信系统开发研制中，码分多址（址（CDMA）是最具有竞争力的多址方式）是最具有竞争力的多址方式。1.4.4 抗干扰技术 移动通信系统中采用的抗干扰措施是多种多样的，主要有：l利用信道编码进行检错、纠错。l分集技术、均衡技术、调制技术。l扩频、跳频技术。l扇区天线、多波束天线和自适应天线等。l干扰抵消和多用户检测器技术。1.4.5 组网
18、技术 1网络结构图图1.4 数字蜂窝通信系统的网络结构数字蜂窝通信系统的网络结构 2网络接口 图图1.5 GSM系统的接口系统的接口 数字蜂窝移动通信系统（数字蜂窝移动通信系统（GSM）的接口）的接口如图如图1.5 所示所示。数字蜂窝移动通信系统（GSM）的接口协议模型分别如图1.6所示。3网络的控制与管理网络的控制与管理图图1.6 GSM的无线接口协议模型的无线接口协议模型1.5 移动通信的应用系统 已经发展成熟的常用移动通信系统包括集群移动通信系统、无线寻呼系统、无绳电话通信系统、卫星移动通信系统、无线局域网、蜂窝移动通信系统。其中卫星移动通信系统、无线局域网、蜂窝移动通信系统是现在常用的
19、移动通信系统。1.集群移动通信系统 集群通信系统采用半双工通信方式，即基站以双工方式工作，移动台以异频单工方式工作。集群系统主要以无线用户为主，即以调度台与移动台之间的通话为主。集群移动通信系统采用的基本技术是集群移动通信系统采用的基本技术是频率共用技术频率共用技术。集群通信系统属于专用移动通信网，适用于在各个行业（或几个行业合用）中间进行调度和指挥，对网中的不同用户常常赋予不同的优先等级。2.无线寻呼系统l 无线寻呼系统是一种不用语音的无线寻呼系统是一种不用语音的单向单向选选择呼叫系统。其接收端是多个可以由用户携择呼叫系统。其接收端是多个可以由用户携带的高灵敏度收信机（称作袖珍铃），俗称带的
20、高灵敏度收信机（称作袖珍铃），俗称“BB机机”。它在收信机收到呼叫时，就会自。它在收信机收到呼叫时，就会自动振铃、显示数码或汉字，向用户传递特定动振铃、显示数码或汉字，向用户传递特定的信息。可看做有线电话网中呼叫振铃功能的信息。可看做有线电话网中呼叫振铃功能的无线延伸或扩展。的无线延伸或扩展。无线寻呼系统可分为：无线寻呼系统可分为：l专用系统：专用系统：由用户交换机、寻呼中心、发由用户交换机、寻呼中心、发射台及射台及呼接收机组成，以采用人工方式的呼接收机组成，以采用人工方式的较多。一般在操作台旁有一部有线电话。较多。一般在操作台旁有一部有线电话。l 公用系统：公用系统：由与公用电话网相连接的无
21、线由与公用电话网相连接的无线寻呼控制中心、寻呼发射台及寻呼接收机寻呼控制中心、寻呼发射台及寻呼接收机组成，多采用人工和自动两种方式。组成，多采用人工和自动两种方式。无绳电话最初是应有线电话用户的需求而诞生的，初期主要应用于家庭。这种无绳电话只有一个与有线电话用户线相连接的基站和随身携带的手机，基站与手机之间利用无线电沟通，故而得名“无绳”。图图1.7 无绳电话系统示意图无绳电话系统示意图3.无绳电话通信系统无绳电话通信系统 在此基础上相继开发了在此基础上相继开发了DECT、PHS、PACS等无绳公众通信系统。等无绳公众通信系统。图图1.7 无绳电话系统示意图无绳电话系统示意图 成本低廉是无绳电
22、话系统的主要优点。成本低廉是无绳电话系统的主要优点。l 以上提到的以上提到的PAS系统俗称为系统俗称为“小灵通系小灵通系统统”。它是在日本。它是在日本PHS基础上改进的一种基础上改进的一种无线市话系统无线市话系统。图图1.7 无绳电话系统示意图无绳电话系统示意图4.卫星移动通信系统 无线局域网(Wireless Local Area Networks；WLAN)利用无线技术在空中传输数据、话音和视频信号。作为传统布线网络的一种替代方案或延伸，无线局域网把个人从办公桌边解放了出来，使他们可以随时随地获取信息，提高了员工的办公效率。l WLAN是无线通信的一个重要领域，它支持小范围、低速的游牧移动
23、通信。5.无线局域网6.蜂窝移动通信系统 蜂窝系统也叫蜂窝系统也叫“小区制小区制”系统。是将所有要覆盖的系统。是将所有要覆盖的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的地区划分为若干个小区，每个小区的半径可视用户的分布密度在分布密度在110km左右。在每个小区设立一个基站为左右。在每个小区设立一个基站为本小区范围内的用户服务。小区的大小可根据容量和本小区范围内的用户服务。小区的大小可根据容量和应用环境决定。应用环境决定。蜂窝式公用陆地移动通信系统适用于全自动拨号、全双工工作、大容量公用移动陆地网组网，可与公用电话网中任何一级交换中心相连接，实现移动用户与本地电话网用户、长途电话网用户及国际
24、电话网用户的通话接续。l 蜂窝式公用陆地移动通信系统系统具有越区切换、自动或人工漫游、计费及业务量统计等功能。第2章移动信道电波传播理论无线电波传播的基本特性 2.1移动无线信道的多径传播衰落特性移动无线信道的多径传播衰落特性2.2描述多径信道的主要参数 2.3 多径信道电波传播损耗模型2.42.1 无线电波传播的基本特性 移动通信信道的基本特点有3个：（1）带宽有限，它取决于使用的频率资源和信道的传播特性；（2）干扰和噪声影响大，这主要是移动通信工作的电磁环境所决定的；（3）存在着多径衰落。移动信道的衰落特性取决于无线电波的传播环境。移动信道复杂、恶劣的传播条件这一特征是由在运动中进行无线通
25、信这一方式本身所决定的。2.1.1 概况 对移动信道进行研究的基本方法有3种。（1）理论分析：缺陷是数学模型往往过于简化导致应用范围受限。（2）现场电波传播实测：缺陷是费时费力且往往只针对某个特定传播环境。（3）移动信道的计算机模拟：能灵活快速地模拟出各种移动通信信道，应用广泛。移动环境中电波传播特性研究的结果往往用两种方式给出。方式一：对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。方式二：建立电波传播模型：如图表、近似计算公式或计算机仿真模型等。无线电波传播特性波波 段段波波 长长频频 率率主主 要要 用用 途途长波长波10km10km1km1km30kHz30kHz300kHz300kHz中波
26、中波1km1km100m100m300kHz300kHz3MHz3MHz调幅无线电广播调幅无线电广播短波短波100m100m10m10m3MHz3MHz30MHz30MHz微波微波米波（米波（VHFVHF）10m10m1m1m30MHz30MHz300MHz300MHz调频无线电广播调频无线电广播分米波（分米波（UHFUHF）1m1m0.1m0.1m300MHz300MHz3GHz3GHz电视、雷达、电视、雷达、导航、导航、移动通信移动通信厘米波厘米波10cm10cm1cm1cm3GHz3GHz30GHz30GHz毫米波毫米波10mm10mm1mm1mm30GHz30GHz300GHz300G
27、Hz2.1.2 无线电波的传播方式 无线电波从发射天线发出，可以沿着不同的途径和方式到达接收天线，这与电波频率和极化方式有关。f30MHz时，主要传播方式有以下三种：直射波地面反射波地表面波图2.1电波传播的主要方式 在VHF(米波)、UHF(分米波)移动信道中，电波在移动通信信道中传播时遇到各种障碍物时会发生反射、折射和散射等现象。因此，通过不同路径到达接收机的电波信号会产生衰落现象。直射波传播按自由空间传播来考虑。自由空间传播指的是天线周围为无限大真空时的电波传播，是无线电波的理想传播模式。在自由空间传播时，电波的能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。2.1.3 直射波传直射波传
28、播播 如果地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对导磁率都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，则电波可视作在自由空间传播。虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但当电波经过一段路径传播之后，能量仍有衰减，这是由辐射能量的扩散而引起的。设该球面上电波的功率密度为S，发射天线的增益为qr，则有 （2.1）（2.2）在球面处的接收天线接收到的功率为Ar为接收天线的有效接收面积图2.2 自由空间的传输损耗 发送功率Pt与接收功率Pr之比定义为传输损耗，或称系统损耗。经推导可得出传输损耗Ls的表达式为（2.3a
29、）Gt和Gr为发射和接收天线增益（dB）损耗常用分贝表示。式（2.3a）也可表示成 （2.3b）d的单位是Km，频率f 的单位是MHz自由空间路径损耗或自由空间基本传输损耗可以表示为（2.4）Lbs单位：dB(分贝)。表示自由空间中两个理想点源天线（增益系数G=1的天线）之间的传输损耗。自由空间是不吸收电磁能量的理想介质。2.1.4 反射波传播 当电波在传播中遇到两种不同介质的光滑面时，如果界面尺寸比电波波长大得多时会产生镜面反射，由于大地和大气是不同的介质，所以入射波会在界面上产生反射，如图2.3所示。图2.3 反射波与直射波 通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反
30、射角等于入射角。不同界面的反射特性用反射系数R表示。它可以用以下公式表示：(2.5)jRR e反射波与直射波的路径差为 (2.6)式中，d=d1+d2。2211dhhdhhddrtrt 通常ht+hrd,，故 (2.7)反射路径与直射路径的相位差 (2.8)2/称为传播相移常数。d2dhhdrt2 当传播路径远大于天线高度时，并假设一定的简化条件，则接收天线R处的总场强为（2.9）E0是自由空间单径传播的场强。在实际移动信道中，电波在低层大气中传播。由于低层大气不是均匀介质，它的温度、湿度、气压均随着时间和空间而变化，因此会产生折射和吸引现象，从而直接影响视线传播的极限距离。2.1.5 大气折
31、射 在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，可以推出介质的折射率n与相对介电常数r的关系为（2.10）rn 大气折射率n通常很接近于1。大气的相对介电常数与温度、湿度和气压有关。大气高度不同，r 不同。当一束电波通过折射率n随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于dn/dh（大气折射率的垂直梯度）。l 这种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。在实际传输中，大气最典型的折射出现在电波的水平传播中。在工程上，大气折射对电波传播的影响通常用地球等效半径来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0(
32、6.37106 m)变成了等效半径Re。等效地球半径：电波在以等效地球半径Re为半径的球面上空沿直线传播与电波在实际地球上空沿曲线传播等效。等效地球半径示意图 定义K为等效地球半径系数，即（2.11）e001d1dRKnRRh 则等效地球半径与实际地球半径的关系为 e0RKR 在标准大气折射情况下，等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径Re=8500km。电波传播在大气中折射分为3种类型：（1）无折射：dn/dh=0,K=1,Re=R0。此情况下，大气是均匀的，电波沿直线传播。如图2.4所示（2）负折射：dn/dh0,K1,ReR0。此情况下，大气折射率随高度的增加而增大，电波传播向上弯曲。
33、如图2.4所示。（3）正折射：dn/dh0,K1,ReR0。此情况下，大气折射率随高度的增加而减小，电波传播向下弯曲。如图2.4所示。图2.4 大气折射的几种情况 由前面的分类可知，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。视线传播的极限距离可由图2.5计算。图2.5 视距传播的极限距离 假设天线的高度为ht和hr，两副天线顶点的连线AB与地面相切于C点，Re为等效地球半径。由于Re远大于天线高度，可以证明，自发射天线顶点A到切点C的距离为 (2.12)同理，由切点C到接收天线顶点B的距离为 (2.13)12etdR h1
34、2erdR h在标准大气折射的情况下，Re=8500 km，故上式可写为（2.14）则视距传播的极限距离为d可以表示为 (2.13)122()etrdddRhh4.12()trdhh2.1.6 障碍物的影响及绕射损耗 在实际移动信道中，电波的直射路径上存在各种障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。设发射天线为T，是一个点源天线；接收天线为R。发射电波沿球面传播。TR连线交球面于A0点。根据惠更斯-菲涅耳原理，对于处于远区场的R点来说，波阵面上的每个点都可视为二次波源。1电波传播的菲涅耳区图2.6 菲涅耳区的概念（a）图2.6 菲涅耳区的概念（a）在球面上选择A1点，使得（2.16）1
35、02A RA R 则有一部分能量是沿着TA1R传送的。这条路径与直线路径TR的路径差为（2.17）110010()()2dTAARTAA RARA R 所引起的相位差为（2.18）也就是说，沿这两条路径到达接收点R的射线之间的相位差为。2d 同样，可以在球面上选择点A2，A3，An，使得（2.19）这些点在球面上可以构成一系列圆，并将球面分成许多环形带Nn，如图2.6（b）所示。图2.6 菲涅耳区的概念（b）02nA RA Rnl 当电波传播的波阵面的半径变化时，具有相同相位特性的环形带构成的空间区域就是菲涅耳区。l 第I菲涅耳区：n=1时构成的菲涅耳区。l 理论分析表明：通过第I菲涅耳区到达
36、接收天线R的电磁波能量约占R点接收到的总能量的1/2。如果在这个区域内有障碍物存在，将会对电波传播产生较大的影响。2电波传播的绕射损耗 为了衡量障碍物对传播通路的影响程度，定义了菲涅尔余隙的概念。设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图2.7所示。负余隙正余隙 如图2.7所示，障碍物的顶点P到发射端与接收端的连线TR的距离x称为菲涅耳余隙。2.7 障碍物与余隙12112d dxdd 图中，纵坐标为绕射损耗（即相对于自由空间传播损耗的分贝数），横坐标为x/x1。x为菲涅尔余隙；x1称为第一菲涅尔区在P点横截面的半径，由下列关系式可求得：（2.20）图2.8 绕射损耗与余隙的关系 结论：（1）当x/
37、x10.5 时，绕射损耗约为0dB，障碍物对直射波传播基本上没有影响。因此，在选择天线高度时，根据地形应尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x0.5x1。图2.8 绕射损耗与余隙的关系（2）当x0时，直射波低于障碍物的顶点，衰减急剧增加；（3）当x=0，即TR射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗为6 dB。图2.8 绕射损耗与余隙的关系 例2.1 电波传播路径如图所示，设菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。例2.1 电波传播路径如图所示，设菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz。试求出电波传播损耗。解：
38、自由空间传播的损耗Lfs为 Lfs=32.45+20lg150+20lg(5+10)=99.5dB第一菲涅尔区半径x1为 mddddx7.8110151010105233321211式中，=c/f,c为光速，f为频率。解：所以，x/x1-1 查绕射损耗与余隙关系表，得绕射损耗为16.5dB 因此，电波传播的损耗因此，电波传播的损耗L为为 L=Lfs+16.5=116.0dB2.1.1 移动信道的时变特性 移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损害。2.2 移动无线信道的多径传播衰落特性 按收信号功率可表示为 式（2.21）是信道对传输信号作用的一般表示式。式中
39、，表示移动台与基站的距离。d (2.21)这些作用有3类。（1）传播损耗，又称为路径损耗。其值用 表示。其中n为路径衰减因子，自由空间传播时n=2，一般情况下n=35。nd（2）阴影衰落，用 表示。()S d（3）多径衰落，用 表示。()R d图2.10 陆地移动传播 陆地移动信道的主要特征是多径传播。l 在移动通信中，移动台往往受到各种障碍物(建筑物、树木、植被以及起伏的地形)和其它移动体的影响，会引起电波的反射，如图2.11所示。2.2.2 移动环境的多径传播图2.11 多径传播示意图l 通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台用接近地面的低天线。l 电波的反射导致移动台的接收信号
40、是来自不同传播路径的信号之和，这种现象称为多径效应。多径效应使得接收信号产生深度且快速的衰落，称为多径衰落。多径衰落的信号包络服从瑞利分布，故多径衰落又称为瑞利衰落。2.2.3 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。由多普勒效应引起的附加频移称为多普勒频移，可用下式表示（2.22）DmcoscosvffDmcoscosvff 与入射角度无关，是fD的最大值，称为最大多普勒频移。mvf图2.12 入射角 863 100.5600 10ccmf330 1016.70.5 3600mzzfHH 例例2.2 若载波若载波fc=600MHz，移动台速度，移动台速度v
41、=30km/h,求最大多普勒平移。求最大多普勒平移。解：2.3 描述多径信道的主要参数 移动信道的多径环境引起的信号多径衰落可从时域角度方面进行描述，各路径长度不同使得信号到达时间不同，基站发送一个脉冲信号，则接收信号中不仅含有该信号，还包含有它的各个时延信号，这种由于多径效应使接收信号脉冲宽度扩展的现象，称为时延扩展。2.3.1 时延扩展 当发射端发送一个极窄的脉冲信号 至移动台时，由于在多径传播条件下存在着多条长短不一的传播路径，发射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一样，移动台所接收的信号 是由多个时延信号构成，产生时延扩展（Time Delay Spread）,如图2.13所示。图2
42、.13 时延扩展示意图0()()s tat()rst0()()s tat()rst 当发射端发送一个极窄的脉冲信号 至移动台时，由于在多径传播条件下存在着多条长短不一的传播路径，发射信号沿各个路径到达接收天线的时间就不一样，移动台所接收的信号 是由多个时延信号构成，产生时延扩展（Time Delay Spread）,如图2.13所示。0()()s tat()rst 时延扩展 可用实测信号的统计平均的方法来定义。利用宽带伪噪声信号所测得的典型时延谱曲线如图2.14所示。图2.14 典型的时延谱曲线 定义P()的一阶矩为平均时延m，P()的均方根值为时延扩展，即（2.23）（2.24）m 0()d
43、P22m()()dP图2.14 典型的时延谱曲线2.3.2 相关带宽 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（平坦衰落）；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。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。衰落信号的波形不失真。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。时延扩展将导致频率选择性衰落，若信号带宽过大，会引起严重失真。考虑频率分别为f1和f2的两个信号的包络相关性。这种相关性可由两信号的相关系数（归一化的相关函数）得出。由图2.15可知，当两信号频率间隔增加时，相
44、关系数减小，也就是信号的不一致性增加。图2.15 相关系数曲线 将信号包络相关系数等于0.5时所对应的频率间隔定义为相关带宽Bc，即（2.25）c1Bf 实际应用中，常用最大时延Tm的倒数来规定相关带宽，即（2.26）cm1BT 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。2.4 多径信道电波传播损耗模型 设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强或接收信号中值。这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。2.4.1 奥村模型 该模型的特点是：以大城市地区准平坦地形的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用
45、校正因子加以修正。Okumura模型中大城市地区准平坦地形的中值路径损耗（dB）由下式给出（2.27）Mbsmbbmm(,)(,)(,)LLAf dHh dHhf Lbs为自由空间路径损耗（dB）。Am(f,d)为大城市地区当基站天线高度hb=200m、移动台天线高度hm=3m时相对自由空间的中值损耗。又称为基本中值损耗。Hb(hb,d)是基站天线高度增益因子。Hm(hm,f)是移动台天线高度增益因子。图2.16 准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗图2.17 基站天线高度增益因子图2.18 移动台天线高度增益因子例2.3 某一移动信道，工作频段为450MHz，基站天线高度为50m，天线
46、增益为6dB，移动台天线高度为3m，天线增益为0dB；在市区工作，传播路径为准平坦地形，通信距离为10km，求传播路径的中值路径损耗。解解：自由空间传播损耗：自由空间传播损耗 Lfs=32.45+20lgf+20lgd =32.45+20lg450+20lg10 =105.5dB 因为工作在准平坦地形，由图因为工作在准平坦地形，由图2.16查得，市区基本中值查得，市区基本中值损耗为损耗为 Am(f,d)=Am(450,10)=27dB 由图由图2.17查得，基站天线高度增益因子查得，基站天线高度增益因子 Hb(hb,d)=Hb(50,10)=-12dB 由图由图2.18查得，移动台天线高度增益
47、因子查得，移动台天线高度增益因子 Hm(hm,f)=Hm(3,450)=0dB 所以，传播路径中值损耗为所以，传播路径中值损耗为 =105.5+27+12=144.5dBMbsmbbmm(,)(,)(,)LLAf dHh dHhf2.4.2 Hata模型 Hata模型是根据奥村模型是根据奥村Okumura用图表用图表给出的路径损耗数据归纳出的一个经验给出的路径损耗数据归纳出的一个经验公 式，该 公 式 适 用 的 频 率 范 围 为公 式，该 公 式 适 用 的 频 率 范 围 为1501500 MHz。该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对不同的传播环境和地形条
48、件等因素用校正因子加以修正。中值路径损耗的经验公式为（2.28）Mbmb69.5526.16lg()13.82lg()()44.96.55lglg()Lfha hhd2中小城市修正因子（除大城市以外的其它所有城市）1大城市修正因子（建筑物平均高度超过15m）(hm)=8.29lg(1.54hm)2-1.1dB 150MHzf300MHz (2.29)(hm)=3.2lg(11.75 hm)2-4.97 dB 400MHz f 1500MHz (2.30)(hm)=（1.1 lgf-0.7）hm（1.56 lgf0.8）(2.31)欧洲研究委员会COST-231对Hata模型进行了扩展，使它适用
49、于PCS系统，适用频率也达到了2GHz。这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗以及移动台与周围建筑屋顶之间的损耗。Hata模型的扩展已被用于微小区的实际工程设计。2.4.3 Hata模型扩展 Lb=46.3+33.91gf13.82lghb(hm)+（44.96.55lghb）lgd+CM (2.32)(2.32)式中，(hm)由式(2.29)、式(2.30)和式(2.31)计算，CM由下式给出 CM=0dB 中等城市和郊区 (2.33a)CM=3dB 市中心 (2.33b)某一移动通信系统，基站天线高度为某一移动通信系统，基站天线高度为100m，天线增益，天线增益Gb=6 dB，
50、移动台天线高度为，移动台天线高度为3m，Gm=0dB，市区为中等起，市区为中等起伏地，通信距离为伏地，通信距离为10km，工作频率为，工作频率为150MHz，试求：传播，试求：传播路径上的损耗中值；（注：路径上的损耗中值；（注：lg150=2.176）思考与练习第3章编码及调制技术信源编码概述 3.1信道编码概述 3.2调制技术概述3.3线性调制技术 3.4恒定包络调制技术3.5扩频调制技术3.6l信息：是事物行为、状态的表征。l“信息变换”过程：将信息脱离源事物而附着于另一种事物的过程。l信息载体：能将自己的某种物理量与附着的信息建立一一对应关系的物理载体。如电信号、光信号、声信号等。3.1
