第2章+移動信道電波傳播及無線鏈路計算.ppt

1、第2章 移動信道電波傳播及無線鏈路計算,2.1 VHF、UHF頻段電波傳播特性 2.2 移動通信環(huán)境中的電波傳播特性 2.3 多徑傳播與數(shù)字信號傳輸 2.4 電波傳播特性的估算 2.5 無線鏈路計算(一) 2.6 無線鏈路計算(二) 2.7 分集接收技術 習題,2.1 VHF、 UHF頻段電波傳播特性,移動通信中， 移動臺是處在運動狀態(tài)之中的， 電波傳播的條件隨著移動而發(fā)生較大的變化， 接收信號的場強起伏也很大， 可達幾十分貝， 極易出現(xiàn)嚴重的衰落現(xiàn)象。 圖2 - 1示出了一個場強的實測記錄。 由此可見， 接收信號出現(xiàn)嚴重的衰落現(xiàn)象是移動通信電波傳播的一個基本特點。,圖2 - 1 移動通信場強

2、實測記錄(f=160 MHz),2.1.1 電波傳播方式 現(xiàn)代移動通信已廣泛使用150 MHz(VHF)、 450 MHz、 900 MHz(UHF)頻段， 因此， 必須熟悉它們的傳播方式和特點。 發(fā)射機天線發(fā)出的無線電波， 通過不同的路徑到達接收機， 當頻率f 30 MHz時， 典型的傳播通路如圖2 - 2所示。,圖 2 - 2 典型的傳播通路,2.1.2 自由空間的傳播損耗 直射波傳播可按自由空間傳播來考慮。 自由空間是一個理想的空間， 在自由空間中， 電波沿直線傳播， 不發(fā)生反射、 折射、 繞射、 散射和吸收等現(xiàn)象。 在圖2 - 3所示的自由空間中， 設在原點O有一輻射源， 均勻地向各方

3、向輻射， 輻射功率為PT。,經(jīng)輻射后， 能量均勻地分布在以O點為球心， d為半徑的球面上。 已知球面的表面積為4d2， 因此， 在球面單位面積上的功率應為PT/4d2。 若接收天線所能接收的有效面積取為 A = 2/4， 則接收功率為,圖 2 - 3 自由空間傳播損耗,通常， 定義發(fā)射功率與接收功率的比值為傳播損耗。 所以， 自由空間傳播損耗Lbs為,若以dB表示， 則有,(2 - 1),2.1.3 大氣中的電波傳播 1. 大氣折射 在不考慮傳導電流和介質磁化的情況下， 介質折射率n與相對介電系數(shù)r的關系為,眾所周知， 大氣的相對介電系數(shù)與溫度、 濕度及氣壓有關。 大氣高度不同， r也不同，

4、即dndh是不同的。 根據(jù)折射定律， 電波傳播速度v與大氣折射率 n成反比， 即,大氣折射對電波傳播的影響， 在工程上通常用“地球等效半徑”來表征， 即認為電波依然按直線方向行進， 只是地球的實際半徑Ro(6.37106 m)變成了等效半徑Re， Re 與Ro之間的關系為,2. 視線傳播極限距離 視線傳播的極限距離可由圖2 - 4計算。 天線高度分別為ht和hr， 兩個天線頂點的連線AB與地面相切于C點。 由于地球等效半徑Re遠遠大于天線高度，因此， 自發(fā)射天線頂點A到切點C的距離d1為,同理， 由切點C到接收天線頂點B的距離d2為,圖 2 - 4 視線傳播的極限距離,所以， 視線傳播的極限距

5、離為,在標準大氣折射情況下， Re = 8 500 km， 故,2.1.4 障礙物的影響與繞射損耗 實際情況中， 電波在直射傳播中存在各種障礙物， 由障礙物引起的附加傳播損耗稱為繞射損耗。 設障礙物與發(fā)射點和接收點的相對位置如圖2 - 5所示。 圖中， x表示障礙物頂點P至直射線TR的距離， 稱作菲涅爾余隙。 規(guī)定阻擋時余隙為負， 如圖2 - 5(a)所示；無阻擋時余隙為正， 如圖2 - 5(b)所示。,由障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙的關系如圖2 - 5(c)所示。 圖中， 縱坐標為繞射引起的附加損耗， 即相對于自由空間傳播的分貝數(shù)。 橫坐標xx1 中的x1是第一菲涅爾區(qū)在P點橫截面的半徑

6、， 它由下列關系式求得,(2 - 2),圖 2 - 5 障礙物與余隙繞射及損耗菲涅爾余隙的關系 (a) 負余隙； (b) 正余隙； (c) 繞射損耗與余隙關系,例 2.1 設在圖2 - 5(a)所示的傳播路徑中， 菲涅爾余隙x=-82 m， d1=5 km， d2=10 km， 工作頻率為150 MHz。 試求電波傳播損耗。 解 先由式(2 - 1)求出自由空間傳播損耗： Lbs=32.45+20lg(5+10)+20lg150=99.5 dB 由式(2 - 2)求第一菲涅爾區(qū)半徑：,由圖2 - 5(c)查得附加損耗(xx1-1)為 17 dB， 所以電波傳播的損耗為 L=Lbs+17=116

7、.5 dB,2.1.5 反射波 當電波傳播中遇到兩種不同介質的光滑界面時， 如果界面尺寸比電波波長大得多， 就會產生鏡面反射。 由于大地和大氣是不同的介質， 所以入射波會在界面上產生反射， 如圖2 - 6所示。,圖 2 - 6 反射波與直射波,不同界面的反射特性用反射系數(shù)R表征， 它定義為反射波場強與入射波場強的比值， 可表示為 R=|R|e-j 式中， |R|為反射點上反射波場強與入射波場強的振幅比， 代表反射波相對于入射波的相移。,對于水平極化波和垂直極化波的反射系數(shù)Rh和Rv， 分別由下列公式計算：,(2 - 3),(2 - 4),式中， c是反射媒質的等效復介電常數(shù)， 它與反射媒質的相

8、對介電常數(shù)r、 電導率和工作波長有關， 即 c=r-j60 對于地面反射， 當工作頻率高于 150 MHz(2 m)時， 1， 由式(2 - 3)和式(2 - 4)可得 Rv=Rh=-1 即反射波場強的幅度等于入射波場強的幅度， 相差為180。,在圖2 - 6中， 由發(fā)射點T發(fā)出的電波分別經(jīng)過直射線(TR)與地面反射路徑(TOR)到達接收點R， 由于兩者的路徑不同， 因此會產生附加相移。 由圖2 - 6可知， 反射波與直射波的路徑差為,(2 - 5),通常， (ht+hr)d， 故上式中每個根號均可用二項式定理展開， 并且只取展開式中的前兩項， 例如：,由此可得到,(2 - 6),由路徑差d引

9、起的附加相移為,(2 - 7),式中， 2/稱為傳播相移常數(shù)。 這時， 接收場強E可表示為,(2 - 8),2.2 移動通信環(huán)境中的電波傳播特性,2.2.1 場強測試曲線顯示的電波傳播特性 1. 固定通信環(huán)境中的電波傳播特性 固定無線通信的接收點測試的模擬信號的場強特性如圖 2 - 7所示。 接收點的信號場強值(dB)是時間t的函數(shù)。 其信號場強值取決于發(fā)、 收間的自由空間距離和地形地物對傳播路徑的阻擋程度。,圖 2 - 7 固定點測試與模擬信號的場強特性,2. 移動通信環(huán)境中的電波傳播特性 移動無線通信的接收點測試的場強特性可分作以下幾種情況： (1) 定點移動測試的場強特性。 在給定接收點

10、移動中對模擬信號進行場強測試， 其信號場強與時間的關系特性如圖2 - 8所示。,圖 2 - 8 給定點移動測試與模擬信號的場強特性,(2) 由近及遠移動測試的場強特性。 沿路移動測試并記錄不同距離接收點的模擬信號的電平， 其場強特性如圖2 - 9所示。 接收點的信號場強值(dB)是距離d的函數(shù)， 并隨距離的增加而呈下降的總趨勢。 分析表明， 它受到自由空間傳播距離、 陰影效應(阻擋)、 多徑效應、 移動體的移動速度等因素的影響。 圖2 - 10所示為圖2 - 9的移動場強特性的細部， 它可顯示出信號起伏的嚴重性。,圖 2 - 9 移動場強測試與模擬信號的場強特性,圖 2 - 10 移動場強特性

11、的細部,(3) 移動體測試的場強特性。 移動體變速運動時的場強特性。 圖2 - 11所示為移動體變速運動時的場強的變化曲線。 移動體恒速運動時的場強特性。 圖2 - 12所示為移動體恒速運動時的場強變化曲線。,圖 2 - 11 變速運動時的場強的變化曲線,圖 2 - 12 恒速運動時的場強的變化曲線 (a) 高速； (b) 低速,由上述移動條件下獲得的場強特性曲線可以歸納出如下重要結論： (1) 移動通信環(huán)境電波傳播的場強特性曲線的起伏現(xiàn)象加??； (2) 場強特性曲線的平均值隨距離的增加而衰減； (3) 場強特性曲線的中值呈慢速起伏變化， 即慢衰落； (4) 場強特性曲線的瞬時值呈快速或起伏變

12、化， 即快衰落。,因此， 對移動條件下的場強特性進行分析可知， 移動通信環(huán)境電波傳播特性有如下特點： (1) 自由空間傳播損耗。 (2) 陰影衰落(效應)。 (3) 多徑效應。 (4) 多普勒效應。,2.2.2 電波傳播的衰落特性 1. 慢衰落特性 1) 慢衰落的原因 電波傳播慢衰落有兩個主要原因： 陰影效應和大氣折射。 (1) 陰影效應。 移動臺在運動過程中， 周圍地形地物造成對電波傳播路徑的阻擋， 形成電磁場的陰影， 這種隨移動臺運動而不斷變化的電磁陰影引起接收點場強中值起伏變化的現(xiàn)象叫做陰影效應。,(2) 大氣折射。 當移動臺處于靜止狀態(tài)時， 由于氣象條件的平緩變化使大氣相對介電常數(shù)發(fā)生

13、變化， 導致大氣折射率的變化， 從而引起接收點場強中值緩慢變化， 這種現(xiàn)象叫做大氣折射。,2) 慢衰落的統(tǒng)計特性 因為接收點的信號電平的隨機性， 在討論其信號電平特性時， 需采用統(tǒng)計的方法。 慢衰落的統(tǒng)計特性是指接收信號的局部平均值。 (1) 局部均值。 局部均值的概念如圖2 - 13所示。 圖中， 橫坐標x為距離， 且有x=vt， 縱坐標為場強。 距離x1點處的場強局部均值定義為,(2 - 9),圖 2 - 13 場強局部均值,若將接收信號r(x)表示成慢衰落m0(x)和快衰落r0(x)兩部分， 則可寫作 r(x)=m0(x)r0(x) (2 - 10) 代入式(2 - 9)， 有,當x=x

14、1， 并假定m0(x1)是實際的局部均值時， 則有 m(x1)=m0(x1)， x1-Lxx1+L 因此， 對場強實測曲線做統(tǒng)計處理時， 應選擇適當?shù)腖以滿足下列關系：,r(t)= m0(t)r0(t),(2) 對數(shù)正態(tài)分布。 基于位置函數(shù)， 對表征慢衰落的局部均值的統(tǒng)計規(guī)律分析表明， 慢衰落符合對數(shù)正態(tài)分布。 即有,同理， 基于時間函數(shù)的對數(shù)正態(tài)分布為,(2 - 11),(2 - 12),(3) 聯(lián)合分布的標準離差。 當L和t是統(tǒng)計獨立的正態(tài)分布的標準離差時,2 電波傳播的快衰落特性 1) 快衰落的原因 移動臺附近的散射體(地形、 地物和移動體等)引起的多徑傳播信號在接收點相疊加， 造成接收

15、信號快速起伏的現(xiàn)象叫快衰落。 具體來說， 快衰落可分為以下4種典型情況。,(1) 移動臺保持靜止， 周圍是移動體。 接收信號的衰落取決于周圍移動體的流量和與移動臺的距離。 (2) 移動臺以速度v運動， 周圍無散射體。 由于移動臺的運動產生多普勒效應， 因此會引起接收信號電平的起伏。 接收信號可表示為,(2 - 13),或寫作,其中， =2/， x=vt, x為位移， v為速度； 為電波傳播方向與移動臺運動方向的夾角； A為信號幅度； f0為發(fā)送信號的載波頻率。 若定義多普勒頻率為,(2 - 14),由(2 - 13)式可知， 多普勒效應使接收信號的載波頻率 變?yōu)?fR=f0-fD,(3) 移動

16、臺以速度v在基站和一個反射體間運動。 移動臺收到來自基站的直射波和反射波。 因為當=0時， 式(2 - 13)即為直射波信號； 當=180時， 式(2 - 13)即為反射波信號， 所以接收點的信號為,其信號包絡為一駐波， 即,(4) 移動臺以速度v運動， 接收來自N個方向的反射波而無直射波。 接收點的信號為N個路徑信號的和， 即,2) 快衰落的統(tǒng)計特性 快衰落的統(tǒng)計特性包括信號包絡統(tǒng)計特性和瞬時幅度特性兩方面。 (1) 快衰落信號包絡統(tǒng)計特性。,移動臺遠離基站的情況下， 快衰落信號包絡統(tǒng)計特性是指在無直射波的N個路徑傳播時， 接收信號的包絡統(tǒng)計特性。 若每條路徑的信號幅度為高斯分布， 相位在0

17、2 內為均勻分布， 則合成信號的包絡分布為瑞利(Raleigh)分布(可參見圖2 - 14(a)， 且有如下概率密度函數(shù)(Probability Density Function)表達式：,(2 - 15),圖 2 - 14 概率密度函數(shù),而合成信號的相位分布為均勻分布， 即,(2 - 16),合成信號包絡的累積概率分布 (Cumulative Probability Distribution)為,(2 - 17),一階矩(均值)為,二階矩為,利用式(2 - 17)表示的信號包絡的累積分布， 可定義信號包絡樣本區(qū)間的中值(場強中值)是滿足下式的rm值， 即 P(rrm)=0.5 (2 - 18

18、) 可求得rm=1.77。,移動臺靠近基站的情況下， 快衰落信號包絡統(tǒng)計特性是指在含有一個強直射波的N個路徑傳播時， 接收信號的包絡統(tǒng)計特性。 若每條路徑的信號幅度為高斯分布， 相位在02內為均勻分布， 則合成信號的包絡分布為萊斯(Rician)分布 (可參見圖2 - 14(b)， 且有如下概率密度函數(shù)表達式：,(2 - 19),當 時， 式(2 - 19)可簡化為,(2 - 20),(2) 快衰落瞬時幅度特性。 快衰落瞬時幅度特性可用電平通過率(Level Crossing Rate)、 衰落速率(Fading Rate)、 衰落深度(Deep of Fading)和衰落持續(xù)時間(Faded

19、 Duration)來表征。 電平通過率LCR(Level Crossing Rate，)是指在單位時間內信號電平以正斜率通過某一給定電平A的次數(shù)。 若時間T內發(fā)生N次則有,圖(2 - 15)中所示的A為給定電平， 在時間T內以正斜率通過A電平的次數(shù)為4次， 所以其電平通過率等于4/ T。 因為電平通過率是隨機量， 所以多用平均電平通過率來描述， 它與移動體運動速度v、 工作波長有關， 可表示為,(2 - 21),式中,圖 2 - 15 電平通過率和平均衰落持續(xù)時間,衰落速率是指在單位時間內信號電平以正斜率通過中值電平的次數(shù)。 它等于某一給定電平為中值電平時的電平通過率。 中值電平滿足式(2

20、- 18)的rm值。 衰落速率與信號波長、運動速度v和多徑數(shù)目有關。 由經(jīng)驗數(shù)據(jù)可得到平均衰落率(Average Fading Rate)為,衰落持續(xù)時間是指信號電平低于某一電平(門限電平)的持續(xù)時間。 它是隨機量。 因此，可定義平均衰落持續(xù)時間AFD(Average Faded Duration)： 信號電平低于某一規(guī)定電平值A的概率與該規(guī)定電平值的電平通過率之比， 即有,2.3 多徑傳播與數(shù)字信號傳輸,多徑衰落信道對模擬信號傳輸?shù)挠绊懸褳槿藗兯煜ぁ?其信道特性可由信號在自由空間傳播損耗、 信號衰落深度、 信號衰落次數(shù)等參數(shù)來表征。 這些參數(shù)決定了電波傳播的覆蓋范圍和場強分布圖。 但是，

21、對數(shù)字信號的傳輸來說， 僅有這些參數(shù)是不夠的。,在圖2 - 16中， 示出了信號的時延擴展的情況。當工作頻率為850 MHz、 移動臺速度為15 kmh時， 信號衰落次數(shù)為16次/s， 衰落持續(xù)時間為6 ms。 局部散射體引起的近區(qū)時延擴展在市區(qū)為3 s， 在郊區(qū)為0.3s。 遠區(qū)高層建筑物引起的信號時延約為20s， 遠山區(qū)引起的多徑時延約為100s。 下面將重點討論多徑時延擴展對數(shù)字通信的影響。,圖 2 - 16 移動通信多徑傳播時延擴展,2.3.1 多徑時延擴展 若已知多徑時延的分布為p()， 則有平均時延(一階矩)為,二階中心矩(方差)為,定義多徑時延擴展為， 且有表達式,(2 - 22

22、),圖 2 - 17 多徑時延統(tǒng)計參量的物理意義,2.3.2 相關帶寬和相關時間 1. 信道相關帶寬 信道相關帶寬是表征載波頻率不同的信號其包絡衰落的相關性。 相關帶寬Bc與多徑擴展有關， 它反映信道的時間散布。 當相關系數(shù)取0.5時， 相關帶寬可有如下表達式：,(2 - 23),2. 信道相關時間 信道相關時間t與信道多普勒擴展Bd有關， 它反映信道的頻率散布。 可表示為,(2 - 24),2.3.3 多徑衰落信道對數(shù)字信號傳輸?shù)挠绊?1. 幅度衰落特性對數(shù)字信號的影響 1) 幅度衰落特性 多徑傳播將引起接收信號呈現(xiàn)幅度(包絡)衰落和頻率選擇性衰落。 多徑信號的包絡衰落分為慢衰落(短期衰落)

23、和快衰落(長期衰落)。,可得到如下的統(tǒng)計規(guī)律： (1) 無直射波的移動通信環(huán)境下的快衰落符合瑞利分布。 (2) 有直射波的移動通信環(huán)境下的快衰落符合萊斯分布。,2) 幅度衰落的影響 幅度慢衰落表現(xiàn)為接收信噪比的緩慢變化， 它將影響數(shù)字信號傳輸?shù)恼`碼率。 為保證傳輸誤碼率小于給定值， 要求接收點處的信號電平高于門限值。 快衰落瞬時幅度特性是用電平通過率、 衰落速率、 衰落深度和衰落持續(xù)時間以及衰落持續(xù)時間的分布來表征的。,2. 選擇性衰落信道 1) 時間選擇性信道 時間選擇性信道是指在時間(0， T)內， 信號的包絡、 頻率和相位均隨時間而變化。 2) 頻率選擇性信道 頻率選擇性信道對不同頻率的

24、信號具有不同的增益和相移， 這將對數(shù)字信號產生波形失真， 甚至造成信號的重疊， 引起符號間干擾。,3) 頻率非選擇性慢衰落信道 頻率非選擇性慢衰落信道是指信號帶寬W滿足條件WBc， 信號持續(xù)時間T滿足條件Tt的信道。,2.4 電波傳播特性的估算,2.4.1 市區(qū)傳播損耗中值 在城市街道地區(qū)， 電波傳播損耗取決于傳播距離d、 工作頻率f、 基地站天線有效高度hb， 移動臺天線高度hm以及街道的走向和寬窄等。 OM模型中， 給出了準平滑地形市區(qū)傳播損耗中值的預測曲線簇， 如圖2 - 18所示。,圖 2 - 18 測準平滑地形大城市地區(qū)的電波傳播損耗中值,若基地站天線有效高度不是200 m， 可利用

25、圖2 - 19查出修正因子Hb(hb， d)， 對基本損耗中值加以修正， 它稱為基地站天線高度的增益因子。 圖2 - 20是以hb=200m， hm=3 m 作為0 dB參考的。 Hb(hb， d)反映了由于基地站天線高度變化， 使圖2 - 19的預測值產生的變化量。 同樣， 若移動臺天線高度不等于3m時， 可利用圖2 - 20查出修正因子Hm(hm， f)， 對基本損耗中值進行修正， 它稱為移動臺天線高度的增益因子。,圖 2 - 19 基地站天線高度增益因子,圖 2 - 20 移動臺天線高度增益因子,在考慮基地站天線高度增益因子與移動臺天線高度增益因子的情況下， 式(2 - 25)所示的準平

26、滑地形市區(qū)路徑傳播損耗中值應為 LT=Lbs+Am(f， d)-Hb(hb， d)-Hm(hm， f) (2 - 26),2.4.2 郊區(qū)和開闊區(qū)的傳播損耗中值 郊區(qū)的建筑物一般是分散、 低矮的， 電波傳播條件優(yōu)于市區(qū)， 故其損耗中值必然低于市區(qū)損耗中值。 市區(qū)損耗中值與郊區(qū)損耗中值之差稱為郊區(qū)修正因子kmr， 所以， kmr為增益因子。 它隨工作頻率和傳播距離變化的關系示于圖2 - 21中。,圖 2 - 21 郊區(qū)修正因子,開闊區(qū)、 準開闊區(qū)(開闊區(qū)與郊區(qū)之間的過渡地區(qū))的損耗中值相對于市區(qū)損耗中值的修正曲線如圖2 - 22所示。,圖 2 - 22 開闊區(qū)、 準開闊區(qū)修正因子,2.4.3 不

27、規(guī)則地形上的傳播損耗中值 1. 丘陵地的修正因子 丘陵地的地形參數(shù)可用“地形起伏”高度h表示。 其定義是： 自接收點向發(fā)射點延伸10 km范圍內， 地形起伏的90與10處的高度差， 如圖2 - 23所示。,圖 2 - 23 丘陵地的修正因子,在丘陵地中， 由于起伏的頂部與谷部的損耗中值相差較大， 為此有必要進一步加以修正， 如圖2 - 23所示。 圖2 - 24中給出了丘陵地上起伏的頂部和谷部的微小修正值khf， 它是在kh的基礎上， 進一步修正的微小修正值。,圖 2 - 24 丘陵地形微小修正值,2. 孤立山岳地形的修正因子 當電波傳播路徑上有近似刃形的單獨山岳時， 若求山背后的場強， 則應

28、考慮繞射損耗、 陰影效應、 屏蔽吸收等附加損耗。 這時， 可用孤立山岳修正因子kjs加以修正， 其曲線如圖2 - 25所示。,圖 2 - 25 孤立山岳地形的修正因子,3. 斜坡地形的修正因子 斜坡地形系指在 510 km內傾斜的地形。 若在電波傳播方向上， 地形逐漸升高， 稱為正斜坡， 傾角為+m； 反之為負斜坡， 傾角為-m ， 如圖2 - 26所示。,圖 2 - 26 斜坡地形修正因子,4. 水陸混合地形的修正因子 在電波傳播路徑上， 如遇有湖泊或其它水域， 接收信號的路徑損耗中值比單純陸地傳播時要低。 不難想像， 水路混合地形修正因子ks亦應為增益因子。 圖2 - 27（c）中的橫坐標

29、用水面距離dSR與全部距離d之比(dSRd)作為地形參數(shù)， 縱坐標為水陸混合地形修正因子ks， 其值還與水面所處的位置有關。圖中， 曲線A表示水面位于移動臺一方時， 水陸混合地形的修正值(圖2 - 27(a)； 曲線B表示水面位于基地站一方時的修正值圖(2 - 27(b)。 當水面在傳播路徑的中間時， 則取上述兩曲線的中間值。,圖 2 - 27 水陸混合地形的修正因子,2.4.4 任意地形、 地物的傳播損耗 1. 計算自由空間的傳播損耗 根據(jù)式(2 - 1)， 自由空間的傳播損耗Lbs為 Lbs=32.45 + 20lgd(km) + 20lgf(MHz) 2. 準平滑地形市區(qū)的信號中值 根據(jù)

30、式(2 - 26)， 準平滑地形市區(qū)的傳播損耗中值LT為 LT=Lbs+ Am(f， d)- Hb(hb，d)-Hm(hm， f),如果發(fā)射機送至天線的發(fā)射功率為PT， 則準平滑地形市區(qū)接收信號功率中值Pp為 Pp= PT-LT= PT-Lbs-Am(f， d)+Hb(hb， d)+Hm(hm， f) (2 - 27),3. 任意地形、 地物情況下的信號中值 任意地形、 地物情況下的傳播損耗中值LA為 LA=LT-KT (2 - 28) 式中， LT為準平滑地形市區(qū)的傳播損耗中值； KT為地形、 地物修正因子， 它由如下項目構成： KT=kmr+Qo+Qr+kh+khf+kjs+ksp+ks

31、(2 - 29),式中： kmr郊區(qū)修正因子， 可由圖2 - 21查得； Qo、 Qr開闊區(qū)、 準開闊區(qū)修正因子， 可由圖2 - 22查得； kh、 khf丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值， 可由圖2 - 23、 圖2 - 24查得；,任意地形、 地物情況下， 接收信號的功率中值Ppc是以準平滑地形市區(qū)的接收功率中值Pp為基礎， 加上地形、 地物修正因子KT， 即 Ppc=Pp+KT (2 - 30),例 2.2 某一移動電話系統(tǒng)， 工作頻率為450 MHz， 基地站天線高度為70m， 移動臺天線高度為1.5m， 在市區(qū)工作， 傳播路徑為準平滑地形， 通信距離為20 km， 求傳播路徑的損耗

32、中值。 例 2.3 若上題改為在郊區(qū)工作， 傳播路徑是正斜波， 且m=15mrad， 其它條件不變， 再求傳播路徑的損耗中值。,4. 奧村(Okumura)傳播路徑損耗經(jīng)驗公式 根據(jù)奧村的各種傳播路徑損耗經(jīng)驗曲線， 可歸納出一個傳播路徑損耗經(jīng)驗公式： Lp=69.55+ 26.16lgfc-13.82lghb-a(hm) +(44.9- 6.55lghb)lgd(dB) (2 - 31),中小城市的修正因子a(hm)為 a(hm)=(1.1lgfc-0.7)hm-(1.56lgfc-0.8) (2 - 32) 大城市的修正因子a(hm)為 a(hm)=3.2(lg11.57hm)2-4.97，

33、 fc400MHz (2 - 33) a(hm)=8.29(lg1.54hm)2-1.1， fc200 MHz (2 - 34),2.4.5 其它因素的影響 1. 街道走向的影響 電波傳播的損耗中值與街道的走向(相對于電波傳播方向)有關， 特別是在市區(qū)， 當街道走向與電波傳播方向平行(縱向)或垂直(橫向)時， 在離開基地站同一距離上， 接收的場強中值相差很大。 圖2 - 28給出了它們相對于基本損耗中值的修正曲線。,圖 2 - 28 市區(qū)街道走向修正值因子,2. 建筑物的穿透損耗 各個頻段的電波穿透建筑物的能力是不同的， 一般來說波長越短， 穿透能力越強， 如表2- 1所示。 同時， 各個建筑

34、物對電波的吸收能力也是不同的。 不同的材料、 結構和樓房層數(shù)， 其吸收損耗的數(shù)據(jù)都不一樣。,表 2 - 1 建筑物的穿透損耗 (地面層),一般介紹的經(jīng)驗傳播模型都是以在街心或空闊地面為假設條件， 故如果移動臺要在室內使用， 在計算傳播損耗和場強時， 需把建筑物的穿透損耗也計算過去， 才能保持良好的可通率。 即 Lb=L0-Lp 式中，Lb為實際路徑損耗中值， L0為在街心的路徑損耗中值， Lp為建筑物的穿透損耗。,3. 植被損耗 樹木、 植被對電波有吸收作用。 在傳播路徑上由樹木、 植被引起的附加損耗不僅取決于樹木的高度、 種類、 形狀、 分布密度、 空氣濕度及季節(jié)的變化， 還取決于工作頻率、

35、 天線極化、 通過樹林的路徑長度等多方面因素。 在城市中， 由于樹林、 綠地與建筑物往往是交替存在著， 所以， 它對電波傳播引起的損耗與大片森林對電波傳播的影響是不同的。 大片森林對電波傳播產生的附加損耗可參看圖2 - 30。,圖 2 - 29 信號損耗值與樓層高度,圖 2 - 30 森林地帶的附加損耗,圖 2 - 31 電波在隧道中的傳播損耗,4. 隧道中的傳播 移動通信的空間電波傳播在遇到隧道等地理障礙時， 將受到嚴重衰落而不能通信。 如地下鐵道中的無線調度系統(tǒng)， 汽車移動電話在公路穿越河流或山脈的地下通道中， 均需解決隧道或地下通道中的傳播問題。 空間電波在隧道中傳播時， 由于隧道壁的吸

36、收及電波的干涉作用而受到較大的損耗。 在圖2 - 31中， 曲線A是頻率為160 MHz時， 隧道內兩半波偶極子天線之間的電波傳播損耗。,*2.5 無線鏈路計算(一),2.5.1 信噪比和語音質量標準 信噪比的定義是： 在接收機的輸出端， 低頻信號+噪聲+失真與噪聲的功率比值， 即,信號+噪聲+失真,噪聲,這一比值有時也稱為收信機的輸出信噪比。 在沒有特定干擾時， 它對語音而言即為信納比：,信納比(SINAD)=,信號+噪聲+失真,噪聲+失真,在移動通信系統(tǒng)中， 信噪比的數(shù)值是根據(jù)語音質量的要求來確定的。 語音質量的合格標準對不同使用對象是不相同的， 因而其對應的信噪比數(shù)值也不相同。 語音質量

37、的評定往往采用主觀評定的辦法， CCITT把語音質量劃分為五級進行評分， 如表2 - 2所示。,表 2 - 2 CCITT語音質量五級評分標準,2.5.2 接收機允許的最小輸入載噪比 在模擬移動電話系統(tǒng)中， 語音信號多采用調頻制。 當調頻波用鑒頻器解調時， 解調器輸出的信號和噪聲電平隨輸入電平而變化， 其變化特性如圖2 - 32所示。,圖 2 - 32 調頻接收機輸出端信噪比與輸入電平的關系,在模擬制移動通信系統(tǒng)中， 語音信號的調制多采用調頻(相)制而不采用其它連續(xù)波調制， 這是因為調頻制的抗噪聲能力較強， 這一點可以從調頻解調器輸出信噪比的改善得以反映。 由調制解調的理論分析可知， 調頻接收

38、機輸出信噪比與輸入載噪比有如下的關系：,(2 - 35),在工程上， 多使用式(2 - 6)的改寫形式， 即調頻接收機的信噪比改善度GFM：,(2 - 36),2.5.3 噪聲和衰落的影響 由于噪聲和衰落的存在將導致信息傳輸質量的下降， 即造成信息的損傷或惡化， 所以， 在討論系統(tǒng)質量指標時， 必須研究噪聲和衰落的影響。 在移動通信的電路計算中， 可以把人為噪聲和衰落的影響分成兩部分來考慮， 一部分是人為噪聲和多徑衰落的影響， 另一部分是陰影效應引起接收信號中值變動的影響。,首先考慮人為噪聲和多徑衰落的影響。 我們知道， 當移動臺運動時， 人為噪聲和多徑衰落是同時存在的， 而從語音質量主觀評定

39、的效果來看， 兩者對接收機接收質量的影響相似。 其影響的大小可用惡化量來表示。 惡化量d定義為： 當存在人為噪聲和多徑衰落時， 為達到僅有接收機固有噪聲時的同樣語音質量， 所需的接收機輸入電平的增加量。 統(tǒng)計測試表明， 移動臺語音質量為3級和4級時的惡化量分別如圖2 - 33和圖2 - 34所示。,圖 2 - 33 移動臺接收機性能的惡化量(3級語音質量),圖 2 - 34 移動臺接收機性能的惡化量(4級語音質量),圖中， 曲線A表示移動臺車輛停在高噪聲區(qū)的惡化量； 曲線B表示移動臺車輛在高噪聲區(qū)內運動時的惡化量； 曲線C表示移動臺車輛在低噪聲區(qū)內運動時的惡化量。 由圖2 - 33和圖2 -

40、34可見， 在頻率較高時， 幾條曲線有匯合的趨勢。,圖2 - 35和圖2 - 36分別表示基地站接收質量為3級和4級時的惡化量。 在進行無線區(qū)的電路計算時， 為了滿足規(guī)定的語音質量要求， 可將惡化量的因素作為接收機輸入信號的抗噪聲和抗多徑衰落的儲備量來處理。,圖 2 - 35 基地臺接收機性能的惡化量(3級語音質量),圖 2 - 36 基地臺接收機性能的惡化量(4級語音質量),2.5.4 接收機輸入端要求的最低保護功率電平 1. 接收機輸入電壓與輸入功率 如圖2 - 37所示， 當電動勢為e， 內阻為R的信號發(fā)生器接至接收機輸入端時， 接收機輸入端的實際電壓為e2， 接收機輸入功率為e24R。

41、,圖 2 - 37 接收機輸入電壓的定義,在電路計算中， 接收機輸入電壓常以dBV來表示。 此時， 接收機輸入電壓電平A為,(2 - 38),(2 - 39),(2 - 40),將式(2 - 40)中的輸入電壓e用電壓電平A代入得 Pr=A-10lgR-126(dBW) (2 - 41) 當R=75 時 Pr=A-145(dBW) (2 - 42) 當 R=50 時 Pr=A-143(dBW) (2 - 43) 表2 - 3列出了dBV、 dBmV與V之間的關系表。,表 2 - 3 dBV、 dBmV與V換算表,2. 接收機靈敏度與接收機輸入端要求的最低保護功率電平 接收機靈敏度指無外界噪聲和

42、干擾， 在規(guī)定的標準測試條件下， 接收機輸出端得到規(guī)定的語音質量時， 測得的接收機天線輸入端所需的最小信號電壓。 它能夠較全面地反映接收機接收有用微弱信號的能力和接收機內部噪聲的大小。 將輸入靈敏度的電壓值e代入式(2 - 42)或式(2 - 43)就可得到一個與之相對應的最小輸入電平Pr。,對陸地移動通信系統(tǒng)而言， 接收機輸入端要求的最低保護功率電平是指： 在考慮環(huán)境噪聲和多徑衰落引起的惡化量d的情況下， 為了達到一定的語音質量， 所需要輸入的最低功率電平， 它可用下式表示： Pmin=Pr+d (dBW) (2 - 44),3. 靈敏度與噪聲系數(shù)的互換關系 對于調頻接收機， 按定義結合實際

43、測量， 以輸入電動勢表示的靈敏度為,(2 - 45),有時， 也用噪聲系數(shù)F來表示接收機輸入端要求的最低保護功率電平Pmin。由于,將上式代入式(2 - 45)得,(2 - 46),取對數(shù)后得,(2 - 47),*2.6 無線鏈路計算(二),2.6.1 設計方程 在設計一個基站覆蓋區(qū)時， 必須掌握一個基本原則和考慮三個相互制約的要素。 這個基本原則是設法使上行(移動臺到基地站)和下行(基地站到移動臺)信道的系統(tǒng)余量相等。,從而保證上、 下行的通信距離、 語音質量和通信概率大體相同。 三個要素是： 覆蓋區(qū)半徑； 語音質量； 通信概率(通信可靠性)， 即移動臺在業(yè)務區(qū)范圍內的任何位置上或在邊緣地區(qū)

44、希望滿意通信的成功概率。,除上述三要素外， 還應當考慮傳播環(huán)境， 地形、 地物特征， 使用頻段以及可利用的系統(tǒng)參數(shù)等因素。 在此基礎上， 就可以利用下面的設計方程來權衡。 SM=SG-SL (2 - 48) SG=PT+Gt+Gr-Pmin (2 - 49) SL=LA+Lt+Lr (2 - 50),例 2.4 某移動電話系統(tǒng)， 工作頻率為450 MHz。 基地站天線高度70 m， 移動臺天線高度為1.5m， 市區(qū)工作， 傳播路徑為準平滑地形， 通信距離20 km。 要求語音質量為3級， 業(yè)務區(qū)邊緣的通信概率為50， 且基地站天線增益為10 dB， 移動臺天線增益為1.5 dB， 發(fā)信端的附加

45、損耗為4.5 dB， 收信端的附加損耗為0.5 dB， 移動臺接收機靈敏度為0.7V。 移動臺移動范圍在低噪聲區(qū)內。 求所需基地站發(fā)射機的輸出功率。,例 2.5 考慮某大城市郊區(qū)公用移動電話系統(tǒng)中的一個基地站覆蓋區(qū)。 要求覆蓋半徑為30 km， 覆蓋區(qū)邊緣的通信概率為50， 語音質量為4級。 傳播環(huán)境為準平滑郊區(qū)低噪聲區(qū)， 已知工作頻率為450 MHz， 系統(tǒng)設備參數(shù)如下：,基地站發(fā)信設備參數(shù)： 天線增益 Gt=8 dB 附加損耗 Lt=6 dB 發(fā)射機輸出功率 PT =25W 移動臺設備參數(shù)： 天線高度 hm=3 m 天線增益 Gr=2 dB 饋線損耗 Lr=0.5 dB 接收機靈敏度 SV

46、=0.7 V 問基地站發(fā)射天線應架設多高？,2.6.2 通信概率 1. 基地站覆蓋區(qū)邊緣的通信概率 當移動臺沿無線覆蓋區(qū)邊緣行駛一周時(基地站位于中心)， 移動臺接收信號的中值電平是一隨機變量， 設其為x。 它服從平均值為aL， 標準偏差為L的正態(tài)分布， 其概率密度函數(shù)為,(2 - 51),圖 2 - 38 通信概率,例 2.6 根據(jù)例2.4的舉例已知： 當要求無線覆蓋區(qū)邊緣的通信概率為50時， 所需發(fā)射機的輸出功率為8.5dBW(7W)。 若要求無線覆蓋區(qū)邊緣的通信概率(只考慮位置概率)增加到90時， 問系統(tǒng)余量多大？發(fā)射機輸出功率應增加到多少？ 例 2.7 在例2.6給定的無線設備參數(shù)及其

47、它條件不變的情況下， 要求通信概率(只考慮位置概率)提高為90， 則此時通信距離變?yōu)槎嗌俟铮?表 2 - 4 位置分布和隨時間分布的標準偏差,圖 2 - 39 通信概率與系統(tǒng)余量的關系,圖 2 - 40 無線覆蓋區(qū)與半徑示意,2. 移動臺與移動臺通信時的通信概率 前面討論的都是基地站與移動臺之間的電波傳播， 下面將討論移動臺和移動臺之間通信時的通信概率。 根據(jù)統(tǒng)計理論可知， 如果移動移動與固定移動所處的傳播環(huán)境相同(包括地形、 地物、 環(huán)境噪聲)， 那么在移動移動傳播情況下， 接收信號場強中值隨位置的變化應為兩個固定移動接收信號中值電平的概率分布之和， 即服從兩個正態(tài)分布和的分布規(guī)律。,假定

48、在這種傳播條件下， 兩個分布具有相同的最大值， 則移動移動傳播的位置標準偏差L是固定移動傳播時的位置標準偏差L的 倍， 即,(2 - 52),3. 位置概率與時間概率 正態(tài)分布又稱為高斯分布， 它在概率論與數(shù)理統(tǒng)計中占有特別重要的地位。 它之所以重要， 一方面， 它是最常見的一種概率分布； 另一方面， 很多其它概率分布在一定條件下可用正態(tài)分布近似表示， 或直接由正態(tài)分布導出。 正態(tài)分布的概率密度函數(shù)可表示如下：,(2 - 53),圖 2 - 41 正態(tài)分布曲線,場強中值x(以dB表示)隨移動臺位置變化的慢衰落服從正態(tài)分布， 其概率密度函數(shù)是,(2 - 54),(2 - 55),(2 - 56)

49、,2.6.3 基地站(與手持機)上、 下行線路的功率均衡 由設計方程式(2 - 48)、 (2 - 49)、 (2 - 50)可得 SM=SG-SL= PT+Gt+Gr-Pmin-LA-Lt-Lr 當系統(tǒng)余量SM=0dB(即業(yè)務區(qū)邊緣的通信概率為50)時， 空間傳輸?shù)娜菰S衰減值為 LA=PT+Gt+Gr-Lt-Lr- Pmin (2 - 57),當基地站和手持機的發(fā)射功率和最低保護接收電平確定之后， 上、 下行線路的傳輸方程如下： Ld= PbT+Gbt+Gmr-Lbt-Lmr-P(m)min (2 - 58) Lu=PmT+Gmt+Gbr-Lmt-Lbr-P(b)min (2 - 59),在

50、工程上， 為改善上、 下行線路傳輸?shù)钠胶猓?通常采取以下幾項技術措施。 (1) 基地站采用分集接收， 以提高基地站接收天線增益， 不過通常在900 MHz頻段， 采用空間分集接收， 改善僅為2dB左右。 (2) 提高基地站接收機靈敏度， 如在基地站接收機前端加裝低噪聲放大器， 可提供6 dB 的增益， 但其改善程度與基地站周圍的環(huán)境噪聲有關， 通常在噪雜的城區(qū)僅為24 dB左右。,(3) 基地站采用全向發(fā)射天線， 而接收機采用6副60定向接收天線， 并采用自動定位技術， 以保持從信號最強的接收天線獲取信號。 這樣可提供58 dB左右的增益。,2.7 分集接收技術,2.7.1 概述 (1) 多徑

51、信號的幅度衰落和相位延遲， 將引起接收的模擬信號呈包絡衰落和頻率選擇性衰落。 (2) 表征數(shù)字信道特性的參數(shù)， 也即對數(shù)字信號傳輸具有重大影響的參數(shù)， 主要有多徑帶來的傳播路徑損耗， 信號到達時間的延遲擴展， 可移動體快速運動帶來的多普勒頻譜擴展。,(3) 蜂窩移動通信， 特別是數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)采用多項抗衰落、 抗干擾技術以保證移動通信的可靠性。 這些技術是： 用于抗白噪聲的信源編碼、 信道編碼和調制技術； 用于抗慢衰落和遠近效應的功率控制技術； 用于抗頻率選擇性衰落的擴頻技術； 用于抗時間選擇性衰落的信道交織技術和抗路徑選擇性衰落的RAKE接收技術； 用于抗空間選擇性衰落的分集接收和分集

52、發(fā)送技術； 用于抗多址干擾的多用戶檢測技術。,2.7.2 分集接收技術 1. 什么是分集 多徑傳播的信號到達接收機輸入端， 形成幅度衰落、 時間延遲擴展以及多普勒頻譜擴展，這將導致數(shù)字信號的高誤碼率(BER)， 嚴重影響通信質量。 為了提高系統(tǒng)抗多徑的性能， 一個有效的方法是對信號的分集接收。 分集接收的基本思想是： 將接收到的多徑信號分離成不相關的(獨立的)多路信號， 然后將這些多路分離信號的能量按一定規(guī)則合并起來， 使接收的有用信號能量最大， 從而提高接收端的信噪功率比， 對數(shù)字信號而言， 使誤碼率最小。,因此， 分集接收技術應包括兩個方面： (1) 如何把接收的多徑信號分離出來， 使其互

53、不相關； (2) 怎樣將分離出的多徑信號合并起來， 以獲得最大的信噪比的收益。,2. 分集技術的分類 (1) 依分集的目的可分為： 宏觀分集(Macroscopic Diversity)抗長期(慢)衰落為目的； 微觀分集(Microscopic Diversity)抗短期(快)衰落為目的。 (2) 依信號傳輸?shù)姆绞娇煞譃椋?顯分集構成明顯分集信號的傳輸方式， 多指利用多幅天線接收信號的分集； 隱分集分集作用隱含在傳輸信號之中的方式， 在接收端利用信號處理技術實現(xiàn)分集。,(3) 依獲得獨立路徑信號的方法可分為： 空間分集、 時間分集、 頻率分集和極化分集。 空間分集(Space Diversit

54、y)利用在空間相距為d的多副天線接收信號來實現(xiàn)分集。 當工作波長為時， 要求d/2， 以保證多副天線之間接收路徑的獨立性。 空間分集示意圖如圖2 - 42所示。 圖2 - 42(a)為先合并后檢測方式； 圖2 - 42(b)為先檢測后合并方式。,圖2 42 空間分集(Space Diversity),時間分集(Time Diversity)要求 TTc， 即重發(fā)信號的間隔時間 T要大于信道相關時間Tc， 以保證重發(fā)信號在時域上的獨立性。 在移動通信系統(tǒng)中， 常采用交織編碼技術來達到時間分集的目的， 其交織編碼的深度應大于信道相關時間。,頻率分集(Frequency iversity)要求 WB

55、c， 即頻率分集信號的頻率間隔W要大于信道相關帶寬Bc， 以保證各頻率分集信號在頻域上的獨立性。 在移動通信系統(tǒng)中，可采用信號載波頻率跳變擴展頻譜技術來達到頻率分集的目的。 其頻率跳變的間隔應大于信道相關帶寬。,3. 顯分集的合并技術 1) 信號合并準則 設分集重數(shù)為L， 則合并的信號可表示為 s(t)=k1s1(t)+k2s2(t)+kLsL(t) (2 - 61) 其中， ki為加權系數(shù)， i=1， 2， 3， ， L。 選擇不同的加權系數(shù)就形成了不同的合并方法。,圖 2 - 43 選擇性合并原理框圖,2) 最大信噪比準則下的信號合并方法 (1) 選擇性合并(Selective Combi

56、ning)。 選擇性合并方法是在多支路(子信道)接收信號中， 選取信噪比最高的支路的信號作輸出信號。 選擇性合并原理框圖如圖2 - 43所示。 由L個接收機獲得的L個獨立路徑信號被選擇邏輯電路按信噪比最大準則來選擇輸出。,兩路信號選擇性合并的示意圖如圖2 - 44所示。 圖中， r1(t)和r2(t)是接收的兩路相互獨立的衰落信號， r(t)為選擇性合并的輸出信號， A為門限電平。 顯然， 合并輸出信號r(t)的平均通過率和平均衰落時間都比r1(t)和r2(t)大為減少。 換句話說， 合成信號包絡電平的改善在于： 衰落深度減小， 即提高了信噪比； 平均衰落時間減少， 即減少突發(fā)差錯的長度， 從

57、而顯示了分集接收抗衰落的作用。,圖 2 - 44 兩路信號選擇性合并的示意圖,選擇性合并處理增量。 若每一支路的平均信噪比為 ， 可以證明選擇合并后的平均輸出信噪比,(2 - 63),(2 - 62),(2) 切換合并(Switched Combining)。 切換合并的方法與選擇性合并方法的不同之處在于： 選擇合并法的選擇邏輯是對r1(t)和r2(t)的比較， 取大者為輸出信號； 切換合并法需設置門限電平VT， 其選擇邏輯是將r1(或r2)與VT比較， 當 r1(r2)VT時， 發(fā)生切換， 接收r2(r1)。 若切換后仍低于門限值時， 策略1是不斷地切換； 策略2是停留在該位置(即保持切換)， 其原理框圖如圖2 - 45所示。,圖 2 - 45 切換合并原理框圖,兩路信號切換合并示意圖如圖2 - 46所示。 圖中采取第二種切換策略即切換保持策略。切換合并信號為r(t)。 采用此方法切換， 邏輯簡單， 但合并性能比選擇合并要差， 且門限電平的選擇和切換噪聲對性能影響很大。 為此， 門限電平應改為動態(tài)門限