移动通信第2章移动通信信道与天线.pptx
第 2 章 移动通信信道与天线,2.1移动通信信道,通信信道(Communication Channel)是通信网中数据传输的通路，一般分为物理信道和逻辑信道。物理信道指用于传输数据信号的物理通路，它由传输介质与有关通信设备组成，逻辑信道是指在物理信道的基础上，发送与接收数据信号的双方通过中间节点所实现的逻辑通路。,2.2无线电波传播理论,麦克斯韦于 1861 年在他递交给英国皇家学会的论文电磁场的动力理论中阐明了电磁波传播的理论基础。赫兹（Heinrich Rudolf Hertz）在 1886 年间首先通过试验验证了麦克斯韦尔的理论，并证明了无线电辐射具有波的所有特性，并发现电磁场方程可以用偏微分方程表达，即波动方程。无线电波是指在自由空间（包括空气和真空）传播的射频频段的电磁波，无线电波的波长越短、频率越高，相同时间内传输的信息就越多。无线电波在空间中的传播方式主要包括：直射、反射、折射、穿透、绕射（衍射）和散射。,2.2.1无线电波传播特性及频谱划分（1）无线电波传播特性无线电波是电磁波的一种，频率大约为 10KHz30000000KHz，或波长为30000m10m 的电磁波，电磁波包含很多种类，按照频率从低到高的顺序排列为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X 射线及 射线。频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远，绕射能力也越强。但是低频段的频率资源紧张，系统容量有限，因此低频段的无线电波主要应用于广播、电视、寻呼等系统。高频段频率资源丰富，系统容量大。但是频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近，绕射能力越弱。另外，频率越高，技术难度也越大，系统的成本相应提高。,（2）无线电波频谱划分根据无线电波的波长（或频率）把无线电波划分为各种不同的波段（或频段）无线电波划分波段表,（3）无线电波的主要应用航海和航空中使用的话音电台应用 VHF 调幅技术，这使得飞机和船舶上可以使用轻型天线。政府、消防、警察和商业使用的电台通常在专用频段上应用窄带调频技术。民用或军用高频话音服务使用短波用于船舶，飞机或孤立地点间的通讯。陆地中继无线电(Terrestial Trunked Radio,TETRA)是一种为军队、警察、急救等特殊部门设计的数字集群电话系统。无线电紧急定位信标，紧急定位发射机或个人定位信标是用来在紧急情况下，通过卫星对人员进行定位的小型无线电发射机，它的作用是提供给救援人员目标的精确位置，以便提供及时的救援。雷达通过测量反射无线电波的延迟来推算目标的距离，并通过反射波的极化和频率感应目标的表面类型。微波炉利用高功率的微波对食物加热。无线电波可以产生微弱的静电力和磁力，在微重力条件下，这可以被用来固定物体的位置。另外在天文学方面，通过射电天文望远镜接收到的宇宙天体发射的无线电波信号可以研究天体的物理、化学性质。,2.2.2自由空间无线电波传播,自由空间是指无任何衰减、无任何阻挡、无任何多径的传播空间。理想的无线传播条件是不存在的，一般认为只要满足以下条件，电波的传播方式就被认为是在自由空间传播的，包括：（1）地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，（2）其相对介电常数 和相对导磁率 都等于 1，（3）传播路径上没有障碍物阻挡，（4）到达接收天线的地面反射信号场强可以忽略不计。,设各向同性的天线的辐射功率为 PT，则距离辐射源 d 处的天线接收功率 PR(d)可以表示为：式中：GT 为发射天线的增益；GR 为接收天线的增益；L 为与传播无关的系统损耗因子；波长单位为 m。在距离天线 d 处的接收功率是距离(发射机到接收机之间的距离)的函数，接收机接收到的功率随距离的平方衰减，接收功率与距离的关系为20dB/10 倍程。发射机发射信号后，经过一定距离的传播，功率因为辐射而受到损耗，这种损耗称为路径损耗。路径损耗定义为有效发射功率与接收功率之间的差值。当在有增益的情况下，自由空间的路径损耗为：,当天线具有单位增益，即发射天线的增益和接收天线的增益都为 1 时，其路径损耗 PL(dB)则简化为：把波长变换为频率后，考虑到发射和接收天线的增益，路径损耗用对数表示，分别为：,2.2.3无线电波传播衰落,在移动通信传播环境中，电波在传播路径上遇到起伏的地带、高大建筑物、树林等障碍物阻挡，形成电波的阴影区，就会造成信号场强中值的缓慢变化，引起衰落，通常把这种现象称为阴影效应，由阴影效应引起的衰落又称之为阴影慢衰落。慢衰落反映了接收电平的均值变化而产生的损耗，一般遵从对数正态分布。快衰落产生的原因包括：多径效应、多普勒效应,2.2.4移动无线信道的特性,1、移动通信的无线传播环境对无线传播环境的分析，是为了能够更好的更准确的研究信息在自由空间中如何传播的，是移动通信网小区规划的基础，分析的价值就是保证了精度，同时节省了人力、费用和时间，在规划某区域的蜂窝系统之前，选择信号覆盖区的蜂窝站址使其互不干扰，是需要完成的前提工作。,对于直射波而言，可以按自由空间传播来考虑，虽然电波在自由空间里传播时，不受阻挡，没有反射、折射、绕射、散射和吸收。但是，当电波经过一段距离的传播之后，由于辐射造成的能量扩散仍会引起衰落，直射现象的传播方式如图所示。除了考虑电波在自由空间中的直射传播方式外，还应考虑在接收机和发射机之间的各种障碍物对电波传播所产生的影响，这种影响即是由电磁波的绕射所造成的。绕射现象如图 2-2-4 所示。,当无线电波在传播过程中，遇到两种不同介质的光滑界面，即界面面积比波长大得多时，就会发生反射现象。因此从发射天线到接收天线的电波传播过程中也同时包含有反射波，其过程如图 所示。当无线电波传播过程中遇到小于波长的物体，并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，就会发生散射现象。直射、绕射、反射、散射是移动通信中电波的四种基本传播方式，再加上移动台的快速移动，就构成了移动通信中的复杂的电波传播环境。,2.2.5移动无线信道衰落特性,1、快衰落如前所述，快衰落主要是由于多径传播而产生的衰落，因为移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快衰落表示接收信号的短期变化，所以又称短期衰落(short-term-fading）。快衰落根据其信号特点，一般服从瑞利（Rayleigh）分布、莱斯（Rice）分布或纳卡迦米（Nakagami）分布。,2、慢衰落慢衰落是由大气折射、大气湍流、大气层等平均大气条件的变化而引起的，主要与气象条件、电路长度、地形等因素有关。由于障碍物的阻挡而造成的阴影效应，使得接收信号强度下降，但该场强中值随地理位置的改变变化缓慢，因此慢衰落又称为阴影衰落或对数正态衰落。慢衰落的场强中值服从对数正态分布，且与位置与地点相关，衰落的速度取决于移动台的速度。接收信号电平的随机起伏，即接收信号幅度随时间的不规则变化，衰落对传输信号的质量和传输可靠度都有很大的影响，严重的衰落甚至会使传播中断。3、时延扩展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，它是最大传输时延和最小传输时延的差值，即最后一个可分辨的时延信号与第一个时延信号到达时间的差值。当两条多径信号之间的相对时延超过一个扩频码的码片宽度时，扩频系统可以利用分集接收技术合并这两个可分离的多径信号，从而改善接收信号的质量。时延扩展是一个统计变量，与电波传播环境(时间、地域和用户情况)密切相关,4、相干带宽相干带宽是描述多径信道特性的一个重要参数，它是指某一特定的频率范围，在该频率范围内的任意两个频率分量都具有很强的幅度相关性，即在相干带宽范围内，多径信道具有恒定的增益和线性相位。通常，相干带宽近似等于最大多径时延的倒数，从频域看，如果相干带宽小于发送信道的带宽，则该信道特性会导致接收信号波形产生频率选择性衰落，即某些频率成分信号的幅值可以增强，而另外一些频率成分信号的幅值会被削弱。5、相干时间时间分集要求两次发射的时间要大于信道的相干时间，即如果发射时间小于信道的相干时间，则两次发射的信号会经历相同的衰落，分集抗衰落的作用就不存在了。例如，对于码片速率为 1.28Mcps 的 TD-SCDMA 系统，每个 chip 时间长度为 0.78us，也就是码片之间的相干时间是 0.78us，同一信号通过不同路径到达接收端的码片超过这个时间，就有多径分集的效果。,2.3电波传播损耗预测模型,移动通信系统的无线网络工程设计中，采用电波传播损耗预测模型计算路径的传播损耗，确定无线蜂窝小区的服务覆盖区。也就是说，在建设实际的移动通信系统之前，要根据系统所处的传播环境和地形特征，运用相应条件下的传播模型，准确预测路径传输损耗或接收点信号场强。对移动通信系统场强进行充分的预测是完全有必要的。只有这样，才能做好无线网络的规划，才能使所建的移动通信网有的放矢。在系统建成之后，还要根据实际情况进行场强实测，对系统进行调整，使其在最佳状态下运行。,2.3.1地形地物移动通信中陆地上的地形分类有准平滑地形和不规则地形，移动通信中陆地上的地物分为开阔地、郊区、市区，移动通信网络规划时，就是按照这几种类型的地区分别进行链路预算的。2.3.2Okumura-Hata 模型Okumura-Hata 模型，是根据实测数据建立的模型，该模型提供的数据较齐全，应用较广泛，该模型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件等因素用校正因子加以修正。Okumura-Hata 模型的适用范围如表所示模型路径损耗公式为：,2.3.3COST 231-Hata 模型根据 Okumura-Hata 模型，利用一些修正项使频率覆盖范围从 1500MHz 扩展到 2000MHz，所得到的传播模型表达式即为 COST 231-Hata 模型。COST 231-Hata 模型的适用条件包括：（1）使用频段 f：1500 至 2000MHz。（2）基站天线有效高度为 30 至 200 米。（3）移动台天线高度为 1 至 10 米。通信距离为 1 至 20km。（4）基本传播损耗中值公式表示：,2.3.4传播模型的应用对环境的传播损耗进行测试，即使用连续波（Continuous Wave）作为信号源测试其传播损耗，那么所测得的信号传播损耗就只与无线环境有关，而与信号本身没有关系，这样测试得到的数据用来进行模型校正最准确。,2.4天线,移动无线信道最重要的组成部分之一就是用来发送和接收无线电磁波的天线系统。天线是一种变换器，它把传输线上传播的导行波，变换成在无界媒介（通常是自由空间）中传播的电磁波，或者进行相反的变换，是一种在无线电设备中用来发射或接收电磁波的部件。无线电通信、广播、电视、雷达、导航、电子对抗、遥感、射电天文等工程系统，均离不开利用电磁波来传递信息，并且依靠天线来进行工作。此外，在用电磁波传送能量方面，非信号的能量辐射也需要天线，一般天线都具有可逆性，即同一副天线既可用作发射天线，也可用作接收天线，同一天线作为发射或接收的基本特性参数是相同的，这就是天线的互易定理。,2.4.1 天线定义及类型天线辐射的是无线电波，接收的也是无线电波，然而发射机通过馈线送入天线的并不是无线电波，接收天线也不能把无线电波直接经馈线送入接收机，其中必须经过能量转换过程。在发射端，发射机产生的已调制的高频振荡电流（能量）经馈电设备输入发射天线（馈电设备可随频率和形式不同，直接传输电流波或电磁波），发射天线将高频电流或导波（能量）转变为无线电波自由电磁波（能量）向周围空间辐射，天线设备在无线传输过程中的位置如图 2-4-1 所示。,2.4.2天线辐射电磁波的工作原理当导体上通以高频电流时，在其周围空间会产生电场与磁场，按电磁场在空间的分布特性，可分为近区、中间区、远区。如果 R 为空间中某一点距导体的距离，在 R 小于（波长/2pi）时的区域称近区，在该区内的电磁场与导体中电流和电压有紧密的联系。反之，在 R 大于（波长/2pi）的区域称为远区，在该区域内电磁场能离开导体向空间传播，它的变化相对于导体上的电流电压就要滞后一段时间，此时传播出去的电磁波已不与导线上的电流、电压有直接的联系了，这区域的电磁场称为辐射场。,2.4.4几种典型的移动通信收发天线移动通信系统常用的天线有基站天线、直放站天线与室内天线，天线的选择需要根据服务区的覆盖、服务质量、话务分布、地形地貌条件，来综合考虑。（1）板状天线这类天线是用得最为普遍的一类，且是极为重要的基站天线，其优点是：增益高、扇形区方向图好、后瓣小、垂直面方向图俯角控制方便、密封性能可靠并且使用寿命长，板状天线也常常被用作为直放站的用户天线。（2）栅状抛物面天线除板状天线外，也可选用栅状抛物面天线作为直放站施主天线，由于抛物面具有良好的聚焦作用，所以抛物面天线集射能力较强。（3）八木定向天线八木定向天线具有增益较高、结构轻巧、架设方便、价格便宜等优点。因此，它特别适用于点对点的通信，例如它是室内分布系统的室外接收天线的首选天线类型，并且，八木定向天线的单元数越多，其增益越高。,（4）全向吸顶天线具有结构轻巧、外型美观、安装方便等优点，市场上见到的室内吸顶天线，外形花色很多，但其内芯的构造几乎都是一样的。这种吸顶天线的内部结构，虽然尺寸很小，但由于是在天线宽带理论的基础上，借助计算机的辅助设计，以及使用网络分析仪进行调试，所以能很好地满足在非常宽的工作频带内的驻波比要求，按照国家标准，在较宽的频带内工作的天线其驻波比指标要求为 VSWR 2。当然，如果能达到 VSWR 1.5 更好。室内吸顶天线属于低增益天线,一般为 G=2 dBi。（5）环形天线环形天线有普通的单极或多级天线功能，再加上小型环形天线的体积小、高可靠性和低成本等优势，使其成为微小型通信产品的理想天线。天线种类的分类如表所示。,
