移动通信入门第二章移动通信的传输通道.pptx
第二章 移动通信的传输通道,目录,2.1移动通信的电波传播特性,2.1.1 无线电波简介 由物理知识可知，通有交流电流的导体周围会产生变化的磁场，变化的磁场又引起变化的电场，变化的电场又在它周围更远的地方引起变化的磁场。磁场、电场不断相互激发，相互交替产生，向四周空间传播的电磁场叫电磁波。无线电波是电磁波的一种，它是能量传输的一种形式。电磁场的波长、频率和传播速度的关系式为：=（2-1）式中为波长（m）；为传播速度（m/s）；f为频率（Hz）。电磁波的传播速度与传播媒质有关，在真空中的传播速度等于光速，即c=3.0 10 8 m/s。,2.1移动通信的电波传播特性,2.1.2 无线电波的波段划分无线电波的频率是有限的，从几十kHz到几万MHz，是一种宝贵的资源。习惯上把无线电频率范围划分为若干区域，叫作频段或波段。表2-1列出了波段名称、相应波长范围和主要用途。,2.1移动通信的电波传播特性,我国移动通信系统占用频段情况1)我国GSM通信系统占用频段情况GSM900频段：890915MHz（上行）；935960MHz（下行）。DCS1800频段：17101785MHz（上行）；18051880MHz（下行）。2)3G系统占用频段情况TD-SCDMA频段：18801920MHz；20102025MHz；23002400MHz。WCDMA频段：19401955MHz（上行）；21302145MHz（下行）。Cdma2000频段：19201935MHz（上行）；21102125MHz（下行）。3)4G 系统占用频段情况,2.1移动通信的电波传播特性,2.1.3 无线电波的传播方式在无线电波的传播环境中，往往有建筑物、树木、山丘等障碍物的存在，直射波会受到干扰而产生反射、绕射、散射等现象。电波的传播方式主要有以下几种。1.直射波在没有障碍物遮挡的情况下，无线电波以直线方式传播，即直射波。如下图所示。2.反射波当无线电波遇到比其波长大得多的物体时会发生反射，一般发生在地球表面、建筑物墙壁表面、树干等。,2.1移动通信的电波传播特性,2.1.3 无线电波的传播方式3.绕射波当无线电波传播路径被尖锐的边缘阻挡时将发生绕射，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至到达阻挡物的背面，即在阻挡物的背后产生无线电波。绕射波的强度受传播环境影响大，且频率越高绕射信号越弱。4.散射波当无线电波传播的介质中存在小于波长的物体且单位体积内阻挡物的个数非常大时，将会发生散射。散射波一般产生于粗超表面、小物体或其他不规则物体，例如树叶、街道标志、灯柱等。5.透射波当无线电波到达两种不同介质界面时，将有部分能量反射到第一种介质中，另一部分能量投射到第二种介质中。,2.2 移动通信的三大损耗,2.2 移动通信中的三大损耗移动电波传播损耗主要由两方面构成，一方面是路径传播损耗，另一方面是衰落产生的损耗。移动通信中的三大损耗即为路径损耗、慢衰落损耗和快衰落损耗。2.2.1 路径损耗路径损耗简称路损，是无线电波在传输过程中由于传输介质的因素而造成的。这些损耗既有自由空间损耗也有散射、绕射等引起。为了研究这些损耗，最好的办法就是对路损建模。但由于移动信道的环境和条件是依据不同的地点和地形而变的，电磁波经过不同的地貌、采用不同频率的电磁波，路损的模型就不同。对路径损耗建模唯一的方法就是用经验公式。前人凭借工程经验对路损做了很多数学建模和定量分析，其中比较著名的是奥村（Okumura）模型。Okumura模型是日本科学家奥村于20世纪60年代经过大量测试总结得到的。该模型以准平滑地形市区的场强中值或路径损耗作为基准，对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。,2.2 移动通信的三大损耗,2.2.1 路径损耗Okumura模型提供了大量的图表曲线，利用它们可以得到所需要的路径损耗预测值，但是利用查表的方法计算路径损耗不够方便。日本人Hata将奥村的曲线进行了解析化，得到预测路径损耗的经验公式，称为Okumura-Hata模型。Okumura-Hata模型适用于宏蜂窝（小区半径大于1km）系统的路损预测，频率范围是150MHz到1500MHz，基站有效天线高度在30200m之间，移动台有效天线高度在110m之间。在市区，Okumura-Hata模型的路径损耗公式如下：50 市区=69.55+26.16 13.82+44.96.55（2-2）式中(MHz)表示载波频率，(m)表示基站天线有效高度，(m)表示移动台天线高度，是移动台天线高度因子，d(km)表示收发天线之间的距离，K(dB)是地区环境修正参数。,2.2 移动通信的三大损耗,2.2.2 衰落由于移动通信环境具有复杂性和多样性，信号的强度随时间而产生随机变化，这种变化称为衰落。衰落分为慢衰落和快衰落。慢衰落是由于电磁波在传播路径上遇到障碍物的阻碍产生阴影效应而造成的的传播损耗。之所以叫慢衰落是因为它的变化率比信息传输率慢。慢衰落服从对数正态分布。快衰落是由于多径传播而产生的衰落。多径传播是指电磁波经历不同路径传递到接收端。移动台周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传播，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号的幅度和相位随移动台的运动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。快衰落引起的电平起伏服从瑞利分布，相位服从均匀分布。,2.3 移动通信的四大效应,移动通信信道的三大损耗与四大效应是息息相关的。（1）阴影效应。由于大型建筑物和其他物体的阻挡，在电波传播的接受区域中产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影。由于波长的原因，光波是可见波，移动通信的电磁波是不可见波，因此电磁波的阴影才不可见。（2）多径效应在通信过程中，接收端接收到的信号除了直射信号以外，经过建筑物、起伏地形和花草树木等的反射、折射、绕射、散射也会到达接收端。这些通过不同路径到达接收端的信号，无论是在幅度、到达时间及载波相位上都不尽相同。接收端接收到的信号是这些路径传播过来的信号的矢量之和，这种效应就是多径效应。,2.3 移动通信的四大效应,（3）远近效应移动通信过程中，若各移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近的信号强，离基站远的信号弱。同样的，离基站距离近的用户接收到的基站信号就强，离基站远的用户接收到的信号就弱。这就是远近效应。（4）多普勒效应当移动台以恒定的速率沿某一方向移动时，由于传播路程差的原因，会造成相位和频率的变化，称为多普勒效应。速度越高，所产生的效应越大。,如图所示，多普勒频移可用下式表示：=cos=cos（2-3）式中，是入射电波与移动台运动方向的夹角，是波长，是运动速度。=与入射角度无关，为 的最大值，称为最大多普勒频移。,2.4 信道内的噪声与干扰,信号在信道内传输，除了损耗和衰落之外，还会受到噪声和干扰的影响。2.4.1 噪声蜂窝移动通信系统中噪声的来源是多方面的，我们把噪声看成是系统中对信号有影响的所有干扰的集合。根据它们的来源不同，可分为内部噪声、自然噪声和人为噪声。其中自然噪声和人为噪声又称为外部噪声。（1）内部噪声，它来源于信道本身所包含的各种电子器件、转换器以及天线或传输线等。例如，电阻及各种导体都会在分子热运动的影响下产生热噪声，电子管或晶体管等电子器件会由于电子发射不均匀等产生器件噪声。这类干扰的特点是由无数个自由电子作不规则运动所形成的，因此它的波形也是起伏变化的，通常称之为起伏噪声。由于在数学上可以用随机过程来描述这类干扰，因此又可称为随机噪声。,2.4 信道内的噪声与干扰,（2）人为噪声，指各种电气装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射，诸如电动机、电焊机、高频电气装置、电气开关等所产生的火花放电形成的电磁辐射。人为噪声主要是车辆的点火噪声。通常，人为噪声源的数量和集中程度随地点和时间而异，还和接收天线的高度以及接收天线离开道路的距离有关。平均人为噪声功率可用如下公式计算：N=N 0（2-4）通常N的单位用dBW表示，因此式（2-4）可变为 N=N+10 0+10（2-5）式中，N 代表等效噪声系数，k是玻尔兹曼常数，k=1.38 10 23 J/K，绝对温度 0=290，代表接收机的带宽，单位为Hz。,2.4 信道内的噪声与干扰,（3）自然噪声，包括大气噪声、太阳噪声、银河噪声等。它来源于雷电、磁暴、太阳黑子以及宇宙射线等。可以说整个宇宙空间都是产生这类噪声的根源。因此它的存在是客观的。由于这类自然现象和发生的时间、季节、地区等很有关系，因此受天电干扰的影响也是大小不同的。例如，夏季比冬季严重，赤道比两极严重，在太阳黑子发生变动的年份天电干扰更为加剧。这类干扰所占的频谱范围也很宽，并且不像无线电干扰那样频率是固定的，因此对它的干扰影响就很难防止。干扰是指无线电台之间的相互干扰，包括电台本身产生的干扰，如邻道干扰、同频道干扰、互调干扰以及因远近效应引起的近端对远端信号的干扰等。,2.4 信道内的噪声与干扰,2.4.2干扰在蜂窝移动通信系统组网过程中，会产生的几种主要干扰有：同道干扰、邻道干扰及互调干扰等。此外，还有发射机寄生辐射，接收机寄生灵敏度，接收机阻塞，收、发信设备内部变频，倍频器产生的组合频率干扰等，这些是电台本身产生的干扰，在组网时选择满足条件的设备即可。同频道干扰 所有落在收信机通频带内的与有用信号频率相同或相近的干扰信号（非有用信号）称为同频道干扰。在电台密集的地方，如果频率管理或系统设计不当，就会造成同频干扰。为了提高频率利用率，在相隔一定距离以外，可以使用同频道电台，称为同频道复用或信道的地区复用。同频道的无线区相距越远，它们之间的空间隔高度越大，同频道干扰越小，但频率复用次数也随之降低，即频率利用率降低。,2.4 信道内的噪声与干扰,在进行无线区的频率分配时，应在满足一定通信质量要求的前提下，确定相同频率重复使用的最小距离，该距离称为同频道复用最小安全距离。为减小同频干扰的影响和保证接收信号的质量，必须使接收机输入端的有用信号电平与同频道干扰电平之比大于某个数值，称为射频保护比。同频道复用距离只与以下因素有关：1）调制方式；2）电波传播特性；3）选用的工作方式。可分为同频单工式或异频双工方式；4）基站覆盖范围或无线小区半径r0；5）要求可靠通信概率。,2.4 信道内的噪声与干扰,邻道干扰邻道干扰是指相邻或相近信道之间的干扰。邻道干扰有两种类型，即发射机调制边带扩展干扰和发射机边带辐射。解决邻频道干扰的措施包括：1）降低发射机落入相邻频道的干扰功率，即减小发射机的带外辐射；2）提高接收机的邻频道选择性；3）在网络设计中，避免相邻频道在同一小区或相邻小区内使用，以增加同频道防护比。,2.4 信道内的噪声与干扰,互调干扰当两个或多个不同频率的信号同时输入到非线性电路时，由于非线性器件的作用，会产生许多谐波和组合频率分量，其中与所需信号频率0相接近的组合频率分量会顺利地通过接收机而形成干扰。互调干扰分为：发射机互调干扰，接收机互调干扰。发射机互调干扰：一部发射机发射的信号进入了另一部发射机，并在其末级功放的非线性作用下与输出信号相互调制，产生不需要的组合干扰频率，对接收信号频率与这些组合频率相同的接收机造成的干扰。图2-3是两台发射机之间产生互调干扰的示意图。,2.4 信道内的噪声与干扰,互调干扰当两个或多个不同频率的信号同时输入到非线性电路时，由于非线性器件的作用，会产生许多谐波和组合频率分量，其中与所需信号频率0相接近的组合频率分量会顺利地通过接收机而形成干扰。互调干扰分为：发射机互调干扰，接收机互调干扰。发射机互调干扰：一部发射机发射的信号进入了另一部发射机，并在其末级功放的非线性作用下与输出信号相互调制，产生不需要的组合干扰频率，对接收信号频率与这些组合频率相同的接收机造成的干扰。如下图所示是两台发射机之间产生互调干扰的示意图。,2.4 信道内的噪声与干扰,降低发射机互调干扰的措施有：加大发射机天线之间的距离；采用单向隔离器件和采用高Q谐振腔；提高发射机的互调转换衰耗。接收机互调干扰：当多个强干扰信号进入接收机前端电路时，在器件的非线性作用下，干扰信号互相混频后产生可落入接收机中频频带内的互调产物而造成的干扰。降低接收机互调干扰的措施有：提高接收机前端电路的线性度；在接收机前端插入滤波器，提高其选择性；选用无三阶互调的信道组工作。判别信道组是否存在三阶互调时，应首先将给定的信道序号依次排列；然后计算任意两信道序号之差，构成差值数字三角形，即差值阵列；最后再检查差值阵列（不包括序号）中是否有相等的数字，若所有数字均不重复，则此信道组为无三阶互调信道组。表2-3是依据差值阵列法用计算机选出的无三阶互调信道组。,2.5 分集技术,在高斯信道中，影响通信质量的主要因素是衰落。分集技术是一种非常有效的补偿方法，它是指接收端对收到的多个携带同一信息但经历独立衰落的信号进行特定的处理，以降低信号电平的起伏。分集技术包含两方面内容，一是分散传输，使接收到的多径信号分离成独立的、携带同一信息的多路信号；二是集中处理，将接收到的这些多路信号的能量按一定规则合并起来（包括选择与组合），使接收的有用信号能量最大，以降低衰落的影响。2.5.1 分集技术的分类按照不同的分类原则，分集有很多种分类方法，从分集涉及基站和接入点的数目来分类，可以把分集分为宏分集和微分集。,2.5 分集技术,宏分集主要用于蜂窝通信系统中，也称为多基站分集。这是一种减小衰落影响的分集技术，其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上（如蜂窝小区的对角上）和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信（可以选用其中信号最好的一个基站进行通信）。显然，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的衰落（基站天线的架设可以防止这种情况发生），这种办法就能保持通信不会中断。宏分集技术是WCDMA系统的一个重要特点，但在LTE系统中却没有采用。因为宏分集技术需要无线网络控制器RNC来实现，使得网络架构不能扁平化，满足不了LTE系统的延迟要求。,2.5 分集技术,微分集也是一种减小衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。与宏分集不同，微分集不会涉及很多基站，但是它一般会涉及多个天线（角度分集除外）。理论和实践都表明，在空间、频率、极化、场分量、角度及时间等方面分离的无线信号，都呈现互相独立的衰落特性，相应地，微分集技术可分为空间分集、频率分集、极化分集、场分量分集、角度分集和时间分集等六种。（1）空间分集空间分集是指信号发送端和接收端使用的是天线阵列，各个阵元之间的距离满足接收或者发送信号之间的衰落是独立不相关的。也就是说，在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，那么两处所收信号的衰落是不相关的（独立的）。为此，空间分集的接收机至少需要两副相隔距离为d的天线，间隔距离d与工作波长、地物及天线高度有关，通常取：市区 d0.5 郊区 d0.8在满足上式的条件下，两信号的衰落相关性已很弱；d越大，相关性就越弱。,2.5 分集技术,（2）频率分集由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关（独立的）的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。这样频率分集需要用两部以上的发射机（频率相隔53kHz以上）同时发送同一信号，并用两部以上的独立接收机来接收信号。它不仅使设备复杂，而且在频谱利用方面也很不经济。（3）极化分集极化分集可以看成空间分集的一种特殊情况，它也要用两副天线（二重分集情况），但仅仅是利用不同极化的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短了天线间的距离。由于两个不同极化的电磁波具有独立的衰落特性，所以发送端和接收端可以用两个位置很近、但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。极化分集的优点是空间利用率高，缺点是因为极化分集中的极化方向只有水平极化和垂直极化，因此分集支路只有两个；同时由于射频功率分给两个不同的极化天线，因此发射功率要损失3dB。,2.5 分集技术,（4）场分量分集根据电磁场理论可知，电磁波的E场和H场载有相同的消息，其反射机理是不同的。例如，一个散射体反射E波和H波的驻波图形相位差90，即当E波为最大时，H波为最小。在移动信道中，多个E波和H波叠加，结果表明EZ、HX和HY的分量是互不相关的，因此，通过接收三个场分量，也可以获得分集的效果。场分量分集不要求天线间有实体上的间隔，因此适用于较低工作频段（例如低于100MHz）。当工作频率较高时（800900MHz），空间分集在结构上容易实现。场分量分集的优点是不像极化分集那样要损失3dB的发射功率。（5）角度分集角度分集是利用单个天线上不同角度到达的信号的衰落独立性来实现抗摔落的一种分集方式。它也是空间分集的一个特例，与空间分集相比，角度分集在空间利用上有独特的优势，但是性能略差。显然，角度分集在较高频率时容易实现。,2.5 分集技术,（6）时间分集同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。,2.5 分集技术,2.5.2 分集合并技术 在接收端，要对不同分集支路上接收到的信号进行合并。通常有三种合并技术，即选择式合并（Selection Combining）、最大比合并（Maximal Ratio Combining）和等增益合并（Equal Gain Combining）。（1）选择式合并所有的接收信号送入选择逻辑，选择逻辑从所有接收信号中选择具有最高基带信噪比的基带信号作为输出。二重分集选择式合并原理框图如图所示。,2.5 分集技术,（2）最大比合并最大比合并的原理如图所示。每路信号的加权系数与包络成正比，与噪声功率成反比，合并器对加权后的各路信号求和。加权系数：=合并器输出信号包络：=1=1 2 特点：复杂，但抗衰落性能最好，所以，即使各路信号都很差，以至于没有一路信号可以被单独解调时，最大比合并方法仍能合成出一个达到解调所需信噪比要求的信号。在所有已知的线性分集合并方法中，这种方法的抗衰落特性是最佳的。,2.5 分集技术,（3）等增益合并 在某些情况下，按最大比合并的需要产生可变的加权因子并不方便，因而，出现了等增益合并方法，如图所示。这种方法也是把各支路信号进行同相后再相加，只不过加权时各路的加权因子=1。这样，接收仍然可以利用同时接收到的各路信号，并且，接收机从大量不能够正确解调的信号中合成一个可以正确解调信号的概率仍很大，其性能只比最大比合并略差，但比选择式合并好不少。,2.5 分集技术,2.5.3 Rake接收机RAKE接收技术是第三代CDMA移动通信系统中的一项重要技术。在CDMA移动通信系统中，由于信号带宽较宽，存在着复杂的多径无线电信号，通信受到多径衰落的影响。RAKE接收技术实际上是一种多径分集接收技术，可以在时间上分辨出细微的多径信号，对这些分辨出来的多径信号分别进行加权调整、使之复合成加强的信号。由于该接收机中横向滤波器具有类似于锯齿状的抽头，就像耙子一样，故称该接收机为RAKE接收机。其理论基础是：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可被看作是互不相关的。如图所示，Rake接收机利用多个相关器分别检测多径信号中最强的M个支路信号，然后对每个相关器的输出进行加权，以提供优于单路相关器的信号检测，然后再在此基础上进行解调和判决。,2.6 均衡技术,在移动通信中，由于多径的影响，导致传输的信号会产生符号间干扰，使得被传输的信号产生失真，从而在接收机中产生误码。均衡技术正是一种克服符号间干扰的技术，它通过在基带系统中插入一种可调（或不可调）的滤波器就可以补偿整个系统的幅频和相频特性，从而减少码间串扰的影响。实现均衡的滤波器称为均衡器。均衡分为时域均衡和频域均衡。1、时域均衡时域均衡是直接从时间响应的角度考虑，使包括均衡器在内的整个传输系统的冲激响应满足无码间干扰的时域条件，即：h k=1 或常数=0 0 0（2-6）,2.6 均衡技术,从实现上来说，一般时域均衡采用的是横向滤波器技术，主要是由延迟器、可变权值乘法器等组成。横向滤波器的结构如图所示。2、频域均衡频域均衡是从频率响应考虑，利用可调滤波器的频率特性来弥补实际信道的幅频特性和群延时特性，使包括均衡器在内的整个系统的总频率特性满足无码间干扰传输条件，即满足：H=1 或常数/2 0/2（2-7）,
