移動通信-第3講-移動信道1

1、第三講Mobile Communication第2頁2021-12-12目目 錄錄第第1 1章章 概論概論 (2)(2)第第2 2章章 調(diào)制解調(diào)調(diào)制解調(diào) 第第3 3章章 移動信道的傳播特性移動信道的傳播特性 (3)(3)第第4 4章章 抗衰落技術(shù)抗衰落技術(shù) (1) (1)第第5 5章章 組網(wǎng)技術(shù)組網(wǎng)技術(shù) (4)(4)第第6 6章章 頻分多址頻分多址(FDMA)(FDMA)模擬蜂窩網(wǎng)模擬蜂窩網(wǎng) 第第7 7章章 時分多址時分多址(TDMA)(TDMA)數(shù)字蜂窩網(wǎng)數(shù)字蜂窩網(wǎng) (4)(4)第第8 8章章 碼分多址碼分多址(CDMA)(CDMA)移動通信系統(tǒng)移動通信系統(tǒng)( (一一) (4) (4) 第第

2、9 9章章 碼分多址碼分多址(CDMA)(CDMA)移動通信系統(tǒng)移動通信系統(tǒng)( (二二) (1) (1)第第1010章移動通信的展望章移動通信的展望個人通信個人通信 (1)(1)第3頁2021-12-12第4頁2021-12-123.1 電波傳播特性電波傳播特性移動通信系統(tǒng)的性能主要受到無線信道的制約，發(fā)移動通信系統(tǒng)的性能主要受到無線信道的制約，發(fā)射機與接收機之間的傳播路徑非常復(fù)雜，從簡單的射機與接收機之間的傳播路徑非常復(fù)雜，從簡單的視距傳播，到遭遇各種復(fù)雜的地物，如建筑物、山視距傳播，到遭遇各種復(fù)雜的地物，如建筑物、山脈、樹葉等阻擋和反射。脈、樹葉等阻擋和反射。無線信道無線信道不象有線信道那

3、樣固定并可預(yù)見，而是不象有線信道那樣固定并可預(yù)見，而是具具有極度的隨機性和復(fù)雜性。有極度的隨機性和復(fù)雜性。第5頁2021-12-123.1 電波傳播特性電波傳播特性3.1.1 概述概述3.1.2 自由空間傳播模型自由空間傳播模型3.1.3 大氣中的電波傳播大氣中的電波傳播3.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制第6頁2021-12-123.1.1 概概 述述(1) 電磁波的衰減電磁波的衰減 電磁波傳播機理大致可分為電磁波傳播機理大致可分為 : q 反射反射q 繞射繞射q 散射散射 大多數(shù)蜂窩無線系統(tǒng)運作在城區(qū)，發(fā)射機和接收機之間無直大多數(shù)蜂窩無線系統(tǒng)運作在城區(qū)，發(fā)射機和接收機之間無直接視距

4、路徑，因此存在：接視距路徑，因此存在：q 繞射損耗繞射損耗q 多徑損耗多徑損耗q 電磁波強度隨傳播距離增加衰減電磁波強度隨傳播距離增加衰減第7頁2021-12-123.1.1 概概 述述Signal propagation (Propagation Mechanisms) 自由空間總是像光一樣傳播（自由空間總是像光一樣傳播（直線傳播直線傳播） 接收的功率與接收的功率與 1/d 成正比（成正比（d =發(fā)射機與接收機之間的距離）發(fā)射機與接收機之間的距離） 接收的功率受下列因素影響：接收的功率受下列因素影響：q 衰減衰減（取決于頻率）（取決于頻率）q 大物體大物體反射反射q 折射折射（取決于介質(zhì)的密

5、度）（取決于介質(zhì)的密度）q 陰影陰影q 小物體的小物體的散射散射q 邊沿邊沿繞射繞射reflectionscatteringdiffractionshadowingrefraction第8頁2021-12-123.1.1 概概 述述(2) 傳播模型的研究傳播模型的研究大多數(shù)傳播模型是通過大多數(shù)傳播模型是通過: 分析分析 + 實驗實驗 相結(jié)合而獲得的。相結(jié)合而獲得的。實驗實驗方法是通過場強測試，考慮了所有因素；方法是通過場強測試，考慮了所有因素；模型只是在一定頻率和環(huán)境下建立，適用性如何有待檢驗。模型只是在一定頻率和環(huán)境下建立，適用性如何有待檢驗。傳統(tǒng)上集中于給定范圍內(nèi)平均場強預(yù)測，和特定位置附

6、近場傳統(tǒng)上集中于給定范圍內(nèi)平均場強預(yù)測，和特定位置附近場強的變化。強的變化。傳播模型分類傳播模型分類q大尺度傳播模型大尺度傳播模型q小尺度傳播模型小尺度傳播模型第9頁2021-12-123.1.1 概概 述述(2) 傳播模型的研究傳播模型的研究大尺度傳播模型：大尺度傳播模型： 用于用于預(yù)測平均場強預(yù)測平均場強并用于估計無線復(fù)蓋范并用于估計無線復(fù)蓋范圍的傳播模型。圍的傳播模型。由于描述的是發(fā)射機與接收機（由于描述的是發(fā)射機與接收機（T-R）之間）之間長長距離（幾百米距離（幾百米幾千米）上的場強變化，幾千米）上的場強變化，所以被稱作所以被稱作大尺度大尺度傳播模型傳播模型。小尺度衰減模型：小尺度衰減

7、模型：描述短距離（幾個波長），或短時間（秒描述短距離（幾個波長），或短時間（秒級）內(nèi)的接收場強快速波動的傳播模型，稱為級）內(nèi)的接收場強快速波動的傳播模型，稱為小尺度衰減模小尺度衰減模型。型。頻段從頻段從1GHz2GHz的蜂窩系統(tǒng)和的蜂窩系統(tǒng)和PCS，相應(yīng)的測量在，相應(yīng)的測量在1m 10m范圍。范圍。第10頁2021-12-123.1.1 概概 述述(2) 傳播模型的研究傳播模型的研究小尺度衰減模型產(chǎn)生機理：小尺度衰減模型產(chǎn)生機理：原因是接收信號由不同方向信號原因是接收信號由不同方向信號合成，并且由于相位變化的隨機性，其信號變化范圍很大，合成，并且由于相位變化的隨機性，其信號變化范圍很大，當接收

8、機移動距離與波長相等時，當接收機移動距離與波長相等時，接收場強可以產(chǎn)生接收場強可以產(chǎn)生4個數(shù)量個數(shù)量級（級（30dB或或40dB）的變化。）的變化。大尺度和小尺度衰減例子：大尺度和小尺度衰減例子：當移動臺遠離發(fā)射機時，當?shù)仄疆斠苿优_遠離發(fā)射機時，當?shù)仄骄邮請鰪娭饾u減弱，該平均場強由大尺度傳播模型預(yù)測。均接收場強逐漸減弱，該平均場強由大尺度傳播模型預(yù)測。圖圖3.1給出一個室內(nèi)無線通信系統(tǒng)的小尺度衰減和大尺度變化給出一個室內(nèi)無線通信系統(tǒng)的小尺度衰減和大尺度變化的情況。的情況。第11頁2021-12-123.1.1 概概 述述(2) 傳播模型的研究傳播模型的研究 Flat Terrain Medi

9、an SignalSlow Fading (lognormal Shadowing) Fast Fading20 Wavelengths100-10-20-30Transmitter receiver Antennae distanceReceived Signal level (RSL)圖3.1 小尺度和大尺度衰減第12頁2021-12-123.1.1 概概 述述(2) 傳播模型的研究傳播模型的研究從圖中看出：隨著接收機的移動，信號衰落很快；但隨距離從圖中看出：隨著接收機的移動，信號衰落很快；但隨距離的變化很慢。的變化很慢。第13頁2021-12-123.1.2 自由空間傳播模型自由空間傳播

10、模型Free Space Propagation Model(1) 自由空間：無限大真空自由空間：無限大真空如將大氣看成如將大氣看成各向同性，無損且無限大空間各向同性，無損且無限大空間，則可看作是自，則可看作是自由空間。衛(wèi)星通信系統(tǒng)和微波視距無線鏈路，是典型的自由由空間。衛(wèi)星通信系統(tǒng)和微波視距無線鏈路，是典型的自由空間傳播?？臻g傳播。 第14頁2021-12-123.1.2 自由空間傳播模型自由空間傳播模型(2) 自由空間場強計算自由空間場強計算 如果距輻射源如果距輻射源 d 處的電場強度為處的電場強度為E0：Pt發(fā)射天線輻射功率發(fā)射天線輻射功率Gt發(fā)射天線增益發(fā)射天線增益)43()(300m

11、VdGPEtt第15頁2021-12-123.1.2 自由空間傳播模型自由空間傳播模型(2) 自由空間場強計算自由空間場強計算磁場強度有效值為：磁場強度有效值為：單位面積上功率密度單位面積上功率密度 S 為：為：)53()/(120300mAdGPHtt)63()/(422mWdGPStt第16頁2021-12-123.1.2 自由空間傳播模型自由空間傳播模型(2) 自由空間場強計算自由空間場強計算距離發(fā)射機距離發(fā)射機 d 處天線的接收功率：處天線的接收功率：AR接收天線的有效面積接收天線的有效面積其中其中 AR 與接收天線增益滿足下面關(guān)系：與接收天線增益滿足下面關(guān)系：GR 接收天線增益 各向

12、同性天線的有效面積)73()(RRASdP)83(42RRGA42第17頁2021-12-123.1.2 自由空間傳播模型自由空間傳播模型(2) 自由空間場強計算自由空間場強計算接收天線獲取的功率：接收天線獲取的功率：可以看出 接收功率隨 TR 距離的平方衰減。)93(4)(22dGGPdPRTTR第18頁2021-12-123.1.2 自由空間傳播模型自由空間傳播模型(3) 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 自由空間傳播損耗：自由空間傳播損耗：發(fā)射功率和接收功率的比值。發(fā)射功率和接收功率的比值。 可以看出：可以看出： Lfs d2)113()4(1)4(22dGGdPPLRTRTfs1第19

13、頁2021-12-123.1.2 自由空間傳播模型自由空間傳播模型(3) 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 用分貝表示傳播損耗：用分貝表示傳播損耗：)133()(lg20)(lg2044.322lg20)(MHzfkmdCfddBLfs第20頁2021-12-123.1.3 大氣中的電波傳播大氣中的電波傳播(1) 視線傳播距離視線傳播距離 視線傳播距離可由右圖計算視線傳播距離可由右圖計算天線高度分別為天線高度分別為 ht 和和 hr ：則：則：視線傳播的極限距離視線傳播的極限距離 d 為：為：式中，式中，ht、hr的單位是的單位是m，d 的單位是的單位是KmrthRRhRdhRRhRdrt02

14、122202002020）（）（)(57. 3rthhd)(2021rthhRddd 圖3.2 視線傳播極限距離d第21頁2021-12-123.1.3 大氣中的電波傳播大氣中的電波傳播(2) 大氣折射及對大氣折射及對 d 值的修正值的修正實際系統(tǒng)中，考慮大氣的不均勻性對電波傳輸?shù)挠绊懀瑢嶋H系統(tǒng)中，考慮大氣的不均勻性對電波傳輸?shù)挠绊懀瑢a(chǎn)生折射現(xiàn)象，折射引起電波在傳播方向上發(fā)生彎曲。產(chǎn)生折射現(xiàn)象，折射引起電波在傳播方向上發(fā)生彎曲。工程上工程上,通常用通常用“地球等效半徑地球等效半徑”來等效。如下式：來等效。如下式： 式中，式中，k 為地球等效半徑系數(shù)，為地球?qū)嶋H半徑，為地球等效半徑系數(shù)，

15、為地球?qū)嶋H半徑，Re是等效半是等效半徑。徑。0RRke第22頁2021-12-123.1.3 大氣中的電波傳播大氣中的電波傳播(2) 大氣折射及對大氣折射及對 d 值的修正值的修正在標準大氣壓條件下，在標準大氣壓條件下，k=4/3Re=63704/3=8500 Km視線傳播距離修正為：視線傳播距離修正為：式中，式中，ht、hr的單位是的單位是m，d 的單位是的單位是KmrethRRhRdhRRhRdereeete22222221）（）（)(12. 4rthhd第23頁2021-12-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制 在地面移動通信系統(tǒng)中，影響傳播的三種最基本的機制為：在地面移動

16、通信系統(tǒng)中，影響傳播的三種最基本的機制為：q 反反 射射q 散散 射射q 繞繞 射射 接收功率是基于反射、散射和繞射的大尺度傳播模型預(yù)測的接收功率是基于反射、散射和繞射的大尺度傳播模型預(yù)測的的最重要的參數(shù)；的最重要的參數(shù)； 這三種傳播機制也描述了小尺度衰落和多徑傳播。這三種傳播機制也描述了小尺度衰落和多徑傳播。第24頁2021-12-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制 反射：反射：電磁波在不同性質(zhì)的介質(zhì)交接處會有一部分產(chǎn)生反射（發(fā)生于地球表面，建筑物，墻壁表面）。 繞射：繞射：接收機與發(fā)射機之間的無線路徑被光利的邊緣阻擋時產(chǎn)生繞射（如：山峰，建筑物）。 散射：散射：當波傳播的介質(zhì)

17、中存在小于波長的物體，并且單位體積內(nèi)障礙物的個數(shù)非常多時產(chǎn)生散射。 q 散射波產(chǎn)生于粗糙表面、小物體、或其他不規(guī)則物體（在實際通信系統(tǒng)中，街道標志和燈柱等）。第25頁2021-12-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制(1) 反射反射圖3.5 反射波與直射波第26頁2021-12-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制(1) 反射反射什么情況下發(fā)生反射？什么情況下發(fā)生反射？當電波傳播中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時，如果界面尺寸比波長大的多時，就會產(chǎn)生鏡面反射。反射系數(shù)：反射系數(shù)： 考慮平面波入射情況，不同界面的反射特性用反射系數(shù) R 表征： jireREER由圖3.5，接

18、收機處的場強：rDtotEEE第27頁2021-12-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制(1) 反射反射當 dht，dhR 時，很小，R1dGPEtttot30dhhrt 2sin2接收場強接收場強（干涉公式干涉公式）：）：dhhEErttot2sin20 sin20E由地面反射引起的變化由地面反射引起的變化參見無線通信原理與應(yīng)用美Theodore S. Rappaport第28頁2021-12-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制(1) 反射反射當 sin時， d0：dhhddEdErttot2sin2)(00較小時較小時dhhddErt2200第30頁2021-1

19、2-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制(1) 反射反射d 處的接收功率表示為：當距離 d 很大時，接收功率隨距離成4 次方衰減，比自由空間損耗快得多；但與工作頻率 f 無關(guān)。路徑損耗用路徑損耗用dB可表示為可表示為:422)(dhhGGPdPrtrttr)log20log20log10log10(log40)(rtrthhGGddBL第31頁2021-12-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制 dB、dBm、dBw、dBi及及dBd的概念及區(qū)別的概念及區(qū)別q dB（分貝）：（分貝）：描述（功率）相對比值的單位。描述（功率）相對比值的單位。 dB=10lg(功率比功率比

20、)q dB是相對單位，不能表示功率的絕對電平值。是相對單位，不能表示功率的絕對電平值。第32頁2021-12-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制 dB、dBm、dBw、dBi及及dBd的概念及區(qū)別的概念及區(qū)別q dBm（分貝毫瓦）：（分貝毫瓦）：描述功率絕對值的單位。描述功率絕對值的單位。 dBm=10lg(功率值功率值/1mw)q dBm是相對于是相對于 1mw功率電平的絕對值。功率電平的絕對值。 1mw=0 dBm 20mw=13 dBm 40mw=16 dBm第33頁2021-12-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制 dB、dBm、dBw、dBi及及dBd的概

21、念及區(qū)別的概念及區(qū)別q dBw（分貝瓦）：（分貝瓦）：描述功率絕對值的單位。描述功率絕對值的單位。dBw=10lg(功率值功率值/1w)q dBw是相對于是相對于 1w功率電平的絕對值。功率電平的絕對值。 1w=0 dBw=30dBm 2w=3 dBw=33dBm 40w=16 dBw=46dBm第34頁2021-12-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制 dB、dBm、dBw、dBi及及dBd的概念及區(qū)別的概念及區(qū)別q dBi（分貝增益）：（分貝增益）：描述與全方向性天線相對增益的單位。描述與全方向性天線相對增益的單位。q dBd（分貝增益）：（分貝增益）：描述與偶極子天線相對增益的單位。描述與偶極子天線相對增益的單位。q 一般認為，表示同一個增益時，用一般認為，表示同一個增益時，用dBi表示比用表示比用dBd表示要表示要大大2.15。 即：即：0dBd=2.15 dBi第35頁2021-12-123.1.4 三種基本傳播機制三種基本傳播機制(2) 散射散射 ( Scattering ) 實際移動無線環(huán)境中，接收信號比單獨繞射和反射模型預(yù)測實際移動無線環(huán)境中，接收信號比單獨繞射和反射模型預(yù)測的要強。的要強。這是因為當電波遇到粗糙表面時這是因為當電波遇到粗糙表面時( 例如