移動(dòng)通信原理第2次課件2.1-2.2.1

第2章無(wú)線傳輸與移動(dòng)信道2.1移動(dòng)信道的特點(diǎn)信道是信號(hào)在通信系統(tǒng)中傳輸?shù)耐ǖ馈Ｐ诺婪秶亩x有兩種：信號(hào)從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩怂?jīng)過(guò)的傳輸介質(zhì)定義為狹義信道。廣義信道的定義是除包括傳輸介質(zhì)，還包括信號(hào)傳輸?shù)南嚓P(guān)設(shè)備，如收發(fā)設(shè)備、調(diào)制解調(diào)設(shè)備等。2.1.1移動(dòng)通信信道的主要特點(diǎn)我們僅按照狹義信道來(lái)分析移動(dòng)信道的主要特點(diǎn)。信道的開(kāi)放性一切無(wú)線信道都是以開(kāi)放的自由空間為傳輸介質(zhì)，具有無(wú)限的開(kāi)放性。2.發(fā)射和接收地理環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性發(fā)射和接收地理環(huán)境可以是高樓林立的城市繁華區(qū)，郊區(qū)；以山丘、湖泊、平原為主的農(nóng)村地區(qū)；屏蔽電磁波的地鐵、隧道、坑道、地下車(chē)庫(kù)、電梯等空間；高速移動(dòng)的汽車(chē)、火車(chē)、輕軌、高鐵、飛機(jī)，以及船舶等交通工具。3.用戶移動(dòng)的隨機(jī)性和用戶密度的動(dòng)態(tài)時(shí)變性移動(dòng)用戶的移動(dòng)是隨機(jī)的，且有大致三種類(lèi)型的移動(dòng)速度：室內(nèi)、步行和高速交通工具移動(dòng)。這也導(dǎo)致覆蓋區(qū)用戶的密度具有動(dòng)態(tài)時(shí)變性，且三種移動(dòng)速度對(duì)覆蓋區(qū)用戶密度動(dòng)態(tài)時(shí)變性的影響各不相同。移動(dòng)通信科學(xué)家和工程師正是針對(duì)移動(dòng)通信信道的這些特點(diǎn)不斷采用各種技術(shù)，以便實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信系統(tǒng)的有效性、可靠性和安全性，這些也是衡量任何一種通信系統(tǒng)的基本指標(biāo)。有效性，是指在占有盡可能少的信道資源，如頻段、時(shí)隙和功率等的條件下盡可能多地傳輸信息，是通信數(shù)量上的指標(biāo)?？煽啃裕侵冈趥鬏斶^(guò)程中抵抗各類(lèi)自然干擾實(shí)現(xiàn)正確傳輸?shù)哪芰?。在軍事通信中，還包含抵抗敵方人為設(shè)置干擾的能力。安全性，是指在傳輸過(guò)程中的保密性能，即防竊聽(tīng)、偽造和篡改的能力。2.1.2移動(dòng)通信的無(wú)線電波傳播方式1.無(wú)線電波頻段波長(zhǎng)（波段）頻率（頻段）

通用名

主要應(yīng)用100km以上3

kHz極低頻(ELF)水下通信100～10km3～30

kHz甚低頻(VLF)海上通信10～1km30～300kHz低頻(LF)或長(zhǎng)波(LW)調(diào)幅廣播1000～100m300～3000kHz中頻(MF)或中波(MW)調(diào)幅廣播100～10m3～30MHz高頻(HF)或短波(SW)調(diào)幅廣播、業(yè)余無(wú)線電10～1m30～300

MHz甚高頻(VHF)、米波調(diào)頻廣播、電視1.0～0.1m300～3000MHz特高頻(UHF)、分米波電視、蜂窩電話100～10mm3～30

GHz超高頻(SHF)、厘米波蜂窩電話、固定無(wú)線、衛(wèi)星通信10～1mm30～300GHz極高頻(EHF)、毫米波衛(wèi)星通信、雷達(dá)2.無(wú)線電波傳播方式按照電波的傳播路徑，可以將無(wú)線電波傳播方式分為下述幾種：直射波，是在視距范圍內(nèi)無(wú)遮擋傳播的無(wú)線電波。它是短波和微波的主要傳播方式，傳播衰耗較小。反射波，是從障礙物和反射體反射后到達(dá)接收點(diǎn)的無(wú)線電波。中波和短波就主要依靠在地面與電離層之間反射形成的反射波來(lái)傳輸信號(hào)，傳播衰耗較直射波大。繞射波，當(dāng)無(wú)線電波的波長(zhǎng)與障礙物的尺寸相當(dāng)時(shí)，無(wú)線電波就會(huì)繞過(guò)障礙物傳向前方而不會(huì)反射回去。長(zhǎng)波和中波的波長(zhǎng)很長(zhǎng)，可以繞過(guò)較大建筑物和山丘沿地球表面?zhèn)鞑?，其衰耗較小。另外，還有穿透建筑物的傳播以及空氣中離子受激后二次發(fā)射的漫反射產(chǎn)生的散射波……，但是它們相對(duì)直射波、反射波、繞射波都比較弱。所以從電磁波傳播上看，直射、反射、繞射是主要的，但是，有時(shí)穿透的直射波與散射波的影響也是需要考慮的。移動(dòng)通信主要利用直射波和反射波傳播，在接收信號(hào)中將產(chǎn)生多徑效應(yīng)。2.1.3接收信號(hào)中的3類(lèi)損耗和4種效應(yīng)由于移動(dòng)通信信道的上述特殊性，以及它主要利用直射波和反射波傳播信號(hào)，終端接收信號(hào)也就具有以下特點(diǎn)。1.具有3類(lèi)不同層次的損耗。1）路徑傳播損耗路徑傳播損耗是電波在空中傳播時(shí)由距離因素產(chǎn)生的損耗，一般稱為衰耗，它隨接收點(diǎn)距發(fā)射臺(tái)的距離（以千米數(shù)量級(jí)）而變化。在自由空間傳播情況下，接收電平的平均值隨距離的平方衰減。2）長(zhǎng)期慢衰落損耗長(zhǎng)期慢衰落損耗是由于陰影效應(yīng)而產(chǎn)生的損耗。當(dāng)陰影長(zhǎng)度達(dá)到數(shù)百波長(zhǎng)以上時(shí)，陰影效應(yīng)使得接收電平的平均值出現(xiàn)值得關(guān)注的隨機(jī)起伏。其變化速率比傳輸信號(hào)速率低，變化周期長(zhǎng)。陰影效應(yīng)引起的慢衰落損耗為無(wú)線通信所特有，它服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。因移動(dòng)通過(guò)的陰影長(zhǎng)度達(dá)數(shù)百波長(zhǎng)以上時(shí)才有顯著變化，故也稱之為大尺度衰落損耗。3）短期快衰落損耗短期快衰落損耗是由多經(jīng)效應(yīng)和多普勒效應(yīng)引起的。當(dāng)移動(dòng)距離達(dá)到數(shù)十波長(zhǎng)時(shí)，接收電平的平均值就將發(fā)生值得關(guān)注的隨機(jī)起伏。接收信號(hào)電平一般遵循瑞利（Rayleigh）分布或萊斯(Rice)分布。因快衰落的變化速率較快，周期短，故叫作短期快衰落。又因引起這種衰落出現(xiàn)的移動(dòng)距離短，又將這種衰落叫做小尺度衰落。這種衰落由于與空間位置和頻率等有關(guān)，又稱之為選擇性衰落。它包括空間選擇性衰落、頻率選擇性衰落和時(shí)間選擇性衰落，如表所示。短期快衰落選擇性衰落空間選擇性衰落：不同地點(diǎn)和空間位置衰落特性不同頻率選擇性衰落：不同頻段的衰落特性不同時(shí)間選擇性衰落：不同時(shí)間衰落特性不同大尺度衰落和小尺度衰落示意圖針對(duì)不同的衰落特性，可以采用不同的技術(shù)來(lái)克服它們對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的影響。2.接收信號(hào)具有4種主要效應(yīng)。1）陰影效應(yīng)大型建筑物和物體對(duì)無(wú)線電波的阻擋將在障礙物后形成半盲區(qū)，這個(gè)半盲區(qū)類(lèi)似于物體在陽(yáng)光下的陰影。處于半盲區(qū)內(nèi)的接收信號(hào)會(huì)很弱。當(dāng)移動(dòng)臺(tái)在建筑物之間移動(dòng)時(shí)，它將不斷出入建筑物形成的半盲區(qū)，接收信號(hào)強(qiáng)度也將隨之起伏變化，這種現(xiàn)象就叫作陰影效應(yīng)。2）遠(yuǎn)近效應(yīng)當(dāng)各移動(dòng)臺(tái)發(fā)射功率相同時(shí)，基站接收的離基站較近的用戶信號(hào)較強(qiáng)，而接收的離基站較遠(yuǎn)，以及在小區(qū)邊緣的用戶信號(hào)就很弱。在基站的接收端，遠(yuǎn)端用戶的信號(hào)將被近端用戶的信號(hào)淹沒(méi)掉，基站接收遠(yuǎn)端移動(dòng)臺(tái)信號(hào)的信噪比嚴(yán)重下降，將使通信質(zhì)量嚴(yán)重下降，甚至導(dǎo)致通信中斷，這就是遠(yuǎn)近效應(yīng)。3）多徑效應(yīng)基站發(fā)射的電波可以經(jīng)過(guò)多條傳播路徑到達(dá)移動(dòng)終端。例如，經(jīng)過(guò)建筑物反射、地面反射、山體反射和直接傳播等路徑到手機(jī)。手機(jī)接收到的電波信號(hào)是通過(guò)這些路徑傳輸來(lái)的所有電波信號(hào)的疊加，它們可能相互增強(qiáng)，也可能相互削弱而引起接收信號(hào)衰落，這就是多徑效應(yīng)。當(dāng)終端處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，多徑效應(yīng)引起的衰落會(huì)不斷變化。多徑效應(yīng)還形成附加的調(diào)幅和調(diào)相。

4）多普勒頻移當(dāng)終端高速移動(dòng)，比如車(chē)載通信，朝向或背離基站的徑向速度分量≥70km/h時(shí)，會(huì)引起無(wú)線電波頻率的多普勒頻移，頻移的大小與終端在徑向上的速度分量大小有關(guān)，徑向移動(dòng)速度越大多普勒頻移越嚴(yán)重。通常慢速移動(dòng)的步行和準(zhǔn)靜態(tài)的室內(nèi)通信，則不予考慮多普勒頻移。多普勒頻移與徑向移動(dòng)速度的關(guān)系如下表所示。多普勒頻移與徑向移動(dòng)速度的關(guān)系移動(dòng)速度Δf/fΔff=150MHzf=450MHz

f=900MHz60km/h0.055×10-68.33Hz25Hz50Hz1,200km/h1.11×10-6166.6Hz500Hz1,000Hz2.2移動(dòng)通信中的幾種主要噪聲和干擾嚴(yán)重影響移動(dòng)通信系統(tǒng)性能的噪聲和干擾有四類(lèi)：1、加性白高斯噪聲（AWGN）加性是指噪聲與信號(hào)遵從簡(jiǎn)單的線性疊加關(guān)系:白噪聲是指噪聲的功率譜是平坦的；高斯噪聲是指噪聲的幅度分布服從正態(tài)分布。這類(lèi)噪聲是最基本的噪聲，并非移動(dòng)信道所特有。如圖所示。高斯白噪聲n(t)發(fā)送信號(hào)S(t)接收信號(hào)v(t)v(t)=s(t)＋n(t)2、符號(hào)間干擾（ISI）由于實(shí)際信道的頻帶總是有限的，并且偏離理想特性，使通過(guò)的信號(hào)在頻域上產(chǎn)生頻率失真，在時(shí)域上波形發(fā)生時(shí)散效應(yīng)。這種時(shí)散效應(yīng)對(duì)通信所造成的危害稱之為符號(hào)間干擾。另外，多徑效應(yīng)也會(huì)使同一碼元到達(dá)接收點(diǎn)的傳輸時(shí)延不一致，使碼元在接收點(diǎn)展寬，造成相互產(chǎn)生符號(hào)間干擾。當(dāng)數(shù)據(jù)速率提高時(shí)，符號(hào)間的間隔將減小到一定程度，以至相互嚴(yán)重重疊無(wú)法識(shí)別，通信的可靠性嚴(yán)重降低，甚至通信無(wú)法進(jìn)行。3、多址干擾（MAI）在移動(dòng)通信網(wǎng)中對(duì)同時(shí)通信的多個(gè)用戶的信號(hào)一定要采用正交隔離手段，否則就會(huì)互相干擾，在通話時(shí)串話。第一代采用頻段隔離，一個(gè)用戶使用一個(gè)頻段。只要濾波器隔離度做得好，基本上能防止串話之類(lèi)多用戶干擾。在第三代移動(dòng)通信系統(tǒng)中，采用碼分多址CDMA技術(shù)。不同用戶采用同一時(shí)隙、同一頻段傳輸信息，僅靠不同的地址碼相互區(qū)分。當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)通信時(shí)，由于各用戶的地址碼不具有完全理想的自相關(guān)、互相關(guān)特性，因此產(chǎn)生多址干擾。MAI又稱為同小區(qū)或小區(qū)內(nèi)干擾。在CDMA系統(tǒng)中，多址干擾比白噪聲和符號(hào)間干擾更為嚴(yán)重，當(dāng)同時(shí)通信的用戶增多時(shí)它是系統(tǒng)內(nèi)的第一重要干擾源。4、相鄰小區(qū)（扇區(qū)）干擾（AC(S)I）相鄰小區(qū)（扇區(qū)）干擾是移動(dòng)臺(tái)接收到的所有相鄰小區(qū)或扇區(qū)的信號(hào)。符號(hào)間干擾和多址干擾限制單小區(qū)的通信容量。相鄰小區(qū)（扇區(qū)）干擾限制了基站的覆蓋范圍，也就是限制了系統(tǒng)的通信容量。2.3移動(dòng)通信信道的物理模型在研究工作中，移動(dòng)通信信道可以分為4種信道模型。1、AWGN信道它是最基本、最典型的恒參信道，是研究各類(lèi)信道的基礎(chǔ)。在AWGN信道中，典型的抗干擾措施是采用先進(jìn)的信號(hào)處理技術(shù)，如信道編碼技術(shù)。2、陰影衰落信道這類(lèi)信道是大尺度衰落信道，服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布?？朔ヂ涞挠行Х椒ㄊ遣捎霉β士刂萍夹g(shù)和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化等。3、平坦瑞利衰落信道它是最典型的寬帶無(wú)線和慢速移動(dòng)典型信道模型，其衰落服從瑞利或萊斯分布。在小尺度衰落中，僅僅考慮空間選擇性衰落。最有效的克服空間選擇性衰落的方法是空間分集技術(shù)或其它空域處理技術(shù)。4、選擇性衰落信道分為時(shí)間選擇性衰落信道和頻率選擇性衰落信道。時(shí)間選擇性衰落信道是典型的寬帶無(wú)線和快速移動(dòng)信道。最有效的克服辦法是采用信道交織編碼技術(shù)。頻率選擇性衰落信道是典型的寬帶無(wú)線和慢速移動(dòng)信道，其最有效的方法是自適應(yīng)均衡和Rake接收等。第3章多址技術(shù)現(xiàn)在，先簡(jiǎn)單介紹一下各種多址接入技術(shù)。除CDMA而外，多址接入技術(shù)還有頻分多址(FDMA)、時(shí)分多址(TDMA)和空分多址(SDMA)，以及由這些基本的多址接入技術(shù)派生出的組合多址接入技術(shù),如FDMA/TDMA、FDMA/CDMA等。FDMA、TDMA和CDMA多址接入技術(shù)的示意圖如下。1、頻分多址（FDMA）FDMA是將可以使用的射頻頻帶分割成互不重疊的若干子頻帶。每個(gè)子頻帶就是一個(gè)信道，系統(tǒng)為不同地址的信號(hào)分配不同的子頻帶。在純FDMA系統(tǒng)中,采用頻分雙工(FDD)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)雙工通信。首先將可用射頻帶寬分割成上行頻段和下行頻段，然后再進(jìn)一步細(xì)分為傳輸子頻帶作為工作信道，如圖所示。FDMA移動(dòng)通信系統(tǒng)工作示意圖第一代模擬移動(dòng)通信系統(tǒng)僅采用FDMA技術(shù)。第二代和第三代數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)為了提高頻帶的利用率采用FDMA技術(shù)與其它多址技術(shù)相結(jié)合。FDMA的主要優(yōu)點(diǎn)是：1）技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單成熟。由于采用頻分技術(shù)，不需要象時(shí)分技術(shù)那樣需要復(fù)雜的成幀和時(shí)間同步信號(hào)的傳輸。2）適合實(shí)時(shí)信號(hào)的傳輸。當(dāng)系統(tǒng)分配給用戶一個(gè)信道后,用戶可占有這個(gè)信道連續(xù)傳輸信號(hào)，直到傳輸結(jié)束,信道才被系統(tǒng)收回。FDMA的主要缺點(diǎn)是：3）頻率利用率低。由于一個(gè)信道占用一個(gè)載頻，且只可傳送一路話音,頻率利用率不高，系統(tǒng)容量有限。4）保密性差。因?yàn)橄到y(tǒng)中有多個(gè)頻率信號(hào),易出現(xiàn)相互串話干擾,且加密困難，保密性差。5）基站設(shè)備數(shù)量大，成本高。這是因?yàn)槊繉?duì)信道需要一套收發(fā)信機(jī)，有多少對(duì)信道就需要多少套收發(fā)信機(jī)。6）語(yǔ)音質(zhì)量較差。在越區(qū)切換時(shí),語(yǔ)音信道還必須抹掉一部分語(yǔ)音信號(hào)來(lái)傳輸信令，降低了語(yǔ)音質(zhì)量。

2、時(shí)分多址（TDMA）TDMA是在可用射頻頻段上，將發(fā)射時(shí)間分割成若干幀，再將幀分成若干時(shí)隙。一個(gè)時(shí)隙就是一個(gè)信道,系統(tǒng)將這些時(shí)隙分配給不同地址的信號(hào)使用。TDMA的主要優(yōu)點(diǎn)：1）TDMA系統(tǒng)的用戶和基站可以采用相同的工作頻率,可以有效避免不同頻率的發(fā)射機(jī)同時(shí)工作產(chǎn)生的互調(diào)干擾。2）TDMA沒(méi)有頻率分配問(wèn)題,對(duì)時(shí)隙的管理和分配要比對(duì)頻率的管理和分配簡(jiǎn)單而經(jīng)濟(jì)。由于對(duì)時(shí)隙實(shí)行動(dòng)態(tài)分配,有利于提高系統(tǒng)容量。3）幀中的空閑時(shí)隙,可用來(lái)傳送檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度或發(fā)送控制信息,有利于加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的控制功能和保證移動(dòng)臺(tái)的越區(qū)切換。4）TDMA的頻譜利用率高,減少了基站上、下行頻帶寬度,基站造價(jià)低。5）TDMA采用數(shù)字技術(shù)，可方便非話業(yè)務(wù)的傳輸。TDMA的問(wèn)題是需要嚴(yán)格的定時(shí)與幀同步,技術(shù)比較復(fù)雜。

3、碼分多址(CDMA)

CDMA采用擴(kuò)頻技術(shù)，系統(tǒng)為不同的信號(hào)分配相互