電信傳輸原理第7章移動(dòng)通信無(wú)線傳輸

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1、第 7章 移 動(dòng) 通 信 無(wú) 線 傳 輸 內(nèi)容提要 2 移動(dòng)通信概述移動(dòng)通信的信道特征移動(dòng)信道的噪聲與干擾移動(dòng)信道的傳播模型蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 7.1 移動(dòng)通信概述 移動(dòng)通信技術(shù)可以說(shuō)從無(wú)線電通信發(fā)明之日就產(chǎn)生了。而現(xiàn)代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展始于上世紀(jì)20年代，歷經(jīng)了模擬移動(dòng)通信（1G）和數(shù)字移動(dòng)通信（2G、3G、4G），目前5G正在研發(fā)階段。 移動(dòng)通信是指通信雙方至少有一方處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)中，并且其中的一部分傳輸介質(zhì)是無(wú)線的通信方式，來(lái)進(jìn)行信息的傳遞和交換。 按照移動(dòng)體所處的位置不同，移動(dòng)通信可分為陸地移動(dòng)通信系統(tǒng)、海上移動(dòng)通信系統(tǒng)和衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。 7.1.1 移動(dòng)通信的發(fā)展 1G移動(dòng)通信系統(tǒng)：從二十

2、世紀(jì)七十年代中期至八十年代中期，稱為1G（第一代移動(dòng)通訊技術(shù)），主要采用的是模擬技術(shù)和頻分多址(FDMA)技術(shù)。 2G移動(dòng)通信系統(tǒng)：2G時(shí)代從二十世紀(jì)八十年代中期開(kāi)始， 主要采用的是數(shù)碼的時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)和碼分多址(CDMA)技術(shù)，以GSM和IS-95為代表。 3G移動(dòng)通信系統(tǒng):3G是英3rd Generation的縮寫(xiě)，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡谌苿?dòng)通信技術(shù)，第三代移動(dòng)通信有更寬的帶寬，其傳輸速度最低為384K，最高為2000kbps ，帶寬可達(dá)5MHz以上。目 前3G存在四種標(biāo)準(zhǔn)：CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA、WiMAX。 4G移動(dòng)通信系統(tǒng)：4G是第四代移動(dòng)通信

3、及其技術(shù)的簡(jiǎn)稱，該技術(shù)包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，是集3G與WLAN于一體，不僅音質(zhì)清晰，并能夠快速傳輸數(shù)據(jù)、高質(zhì)量、音頻、視頻和圖像等，支持交互式多媒體業(yè)務(wù)，如視頻會(huì)議、無(wú)線因特網(wǎng)等，提供更廣泛的服務(wù)和應(yīng)用。 5G移動(dòng)通信系統(tǒng):國(guó)際電信聯(lián)盟（ITU）從2012年開(kāi)始組織全球業(yè)界開(kāi)展5G標(biāo)準(zhǔn)化前期研究，持續(xù)推動(dòng)全球5G共識(shí)形成。2017年底啟動(dòng)5G候選提案征集，2018年底啟動(dòng)5G技術(shù)評(píng)估和標(biāo)準(zhǔn)化，并于2020年底完成標(biāo)準(zhǔn)制定。 7.1.2 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 用戶終端通過(guò)基站經(jīng)傳輸鏈路與核心網(wǎng)相連，這樣就可以形成移動(dòng)臺(tái) 基站 核心網(wǎng) 固定用戶或移動(dòng)臺(tái) 基站 核心網(wǎng) 移動(dòng)用戶等不同

4、情況的通信鏈路,如圖7-1所示。 圖7 -1 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 7.1.3 移動(dòng)通信的特點(diǎn)信道特性差：移動(dòng)通信中的用戶可以在一定范圍內(nèi)自由活動(dòng)，無(wú)線電波的傳播特性一般要受到諸多因素的影響使電波會(huì)隨著傳輸距離的增加而出現(xiàn)衰減，這些衰減和影響還是不斷變化的，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。傳播環(huán)境干擾嚴(yán)重：由于移動(dòng)通信開(kāi)放式的傳輸環(huán)境，系統(tǒng)運(yùn)行在復(fù)雜的干擾環(huán)境中，如外部噪聲干擾、系統(tǒng)內(nèi)干擾和系統(tǒng)間干擾。如何減少這些噪聲和干擾的影響，也是移動(dòng)通信系統(tǒng)要解決的重要問(wèn)題。 移動(dòng)通信的頻譜資源非常有限：由于移動(dòng)通信可利用的頻率資源有限，如何提高移動(dòng)通信系統(tǒng)的通信容量，始終是移動(dòng)通信發(fā)展中的焦點(diǎn)。為了解決這一矛盾，一

5、方面要開(kāi)辟和啟用新的頻段；另一方面，要研究各種新技術(shù)和新措施，以壓縮信號(hào)所占的頻帶寬度和提高頻率利用率。通信系統(tǒng)復(fù)雜：由于移動(dòng)臺(tái)處于移動(dòng)狀態(tài)，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)。對(duì)移動(dòng)終端的要求高：移動(dòng)通信終端長(zhǎng)期處于位置不固定的移動(dòng)狀態(tài)，外界的影響時(shí)刻存在，這就要求移動(dòng)終端要有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。 內(nèi)容提要 9 移動(dòng)通信概述移動(dòng)通信的信道特征移動(dòng)信道的噪聲與干擾移動(dòng)信道的傳播模型蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 信道是信號(hào)的傳輸介質(zhì)，可分為有線信道和無(wú)線信道兩類。有線信道包括明線、對(duì)稱電纜、同軸電纜及光纜。無(wú)線信道有地波傳播、短波電離層反射、超短波或微波視距中繼、人造衛(wèi)星以及各種散射信道等。移動(dòng)通信采用無(wú)線通信方式。因此系統(tǒng)性能主要

6、受無(wú)線信道的制約。 無(wú)線信號(hào)傳播的開(kāi)放性，接收點(diǎn)地理環(huán)境的復(fù)雜性和多樣性，以及移動(dòng)用戶的隨機(jī)移動(dòng)性是移動(dòng)無(wú)線信道的固有特征。7.2 移動(dòng)通信的信道特征 7.2.1 表征衰落特性的常用數(shù)字特征場(chǎng)強(qiáng)中值：在移動(dòng)通信中，接收信號(hào)的強(qiáng)弱值稱為場(chǎng)強(qiáng)，為了表征電波傳播的特性，則在T時(shí)間內(nèi)超過(guò) 的概率為 ，在上式統(tǒng)計(jì)時(shí)間T內(nèi)，當(dāng)超過(guò)值的百分比為50%時(shí)，即稱為場(chǎng)強(qiáng)中值。衰落深度：這是電波衰落程度的一種量度，用電平表示為：衰落深度/ ， 為接收電平值， 為場(chǎng)強(qiáng)中值。一般在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，衰落深度可達(dá)20 30分貝。0E 1% 100%n ii tP T 020lg iEdB E iE 0E 衰落速率：衰落速率

7、描述接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)變化快慢，即衰落的頻繁程度。移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度越快，衰落越快，其平均衰落率表示為： （Hz） 式中，N為衰落率； 為移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)速度，單位為km/h； 為波長(zhǎng)，應(yīng)與同單位（km）;f為頻率，一般以MHz為單位。 衰落持續(xù)時(shí)間：衰落持續(xù)時(shí)間是指場(chǎng)強(qiáng)低于某一給定電平值的持續(xù)時(shí)間。在移動(dòng)通信中，常會(huì)出現(xiàn)移動(dòng)臺(tái)收不到基站信號(hào)或信號(hào)中斷的情況。這種情況是由于接收到的信號(hào)電平值低于接收機(jī)門(mén)限電平所致。31.85 102N f 7.2.2 移動(dòng)通信中無(wú)線電波傳播的特性1.無(wú)線電波傳播特性直線傳播反射與折射繞射干涉2.無(wú)線電波傳播特性傳播的開(kāi)放性接收點(diǎn)地理環(huán)境的復(fù)雜性與多樣性 通信用戶的隨機(jī)移動(dòng)性

8、7.2.3 移動(dòng)信號(hào)傳播的四種效應(yīng)陰影效應(yīng)：隨移動(dòng)臺(tái)位置的不斷變化而引起的接收點(diǎn)場(chǎng)強(qiáng)平均值的起伏變化叫做陰影效應(yīng)。遠(yuǎn)近效應(yīng)：由于各移動(dòng)臺(tái)與基站之間的距離遠(yuǎn)近不同導(dǎo)致在基站接收端，信號(hào)以強(qiáng)壓弱，使離基站較遠(yuǎn)的移動(dòng)臺(tái)產(chǎn)生通信中斷的現(xiàn)象稱為遠(yuǎn)近效應(yīng)。多徑效應(yīng)：在移動(dòng)傳播環(huán)境中，到達(dá)移動(dòng)臺(tái)天線的信號(hào)不是單一路徑來(lái)的，這種干擾或衰落是由于多徑現(xiàn)象所引起的，故稱這類干擾或衰落為多徑效應(yīng)。多普勒效應(yīng)：由于移動(dòng)臺(tái)的高速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的傳播信號(hào)頻率的 擴(kuò)散，稱為多普勒效應(yīng)。 7.2.4 移動(dòng)信號(hào)傳播的3類衰落損耗 在移動(dòng)信道電波傳播的特點(diǎn)、電波的傳播形式及信號(hào)的四種效應(yīng)下，信號(hào)從發(fā)射端經(jīng)過(guò)無(wú)線信道到達(dá)接收端，功率會(huì)

9、發(fā)生衰減，主要表現(xiàn)為以下3類衰落損耗:路徑傳播損耗、大尺度衰落、小尺度衰落。路徑傳播損耗：路徑傳播損耗，是指電波在空間傳播所產(chǎn)生的損耗，即在發(fā)射端和接收端之間由傳播環(huán)境引入的損耗的量。 大尺度衰落損耗：大尺度衰落損耗又稱慢衰落，主要是指信號(hào)由于陰影效應(yīng)而產(chǎn)生的損耗或由于大氣參數(shù)變化引起折射率的緩慢變化還形成另一種慢衰落。小尺度衰落損耗：它反映了在微觀范圍(數(shù)十波長(zhǎng)以下量級(jí))內(nèi)接收信號(hào)電平的平均值隨機(jī)起伏變化的趨勢(shì)，又稱快衰落。主要是由于多徑效應(yīng)和多普勒效應(yīng)而引起的損耗。 7.2.5 移動(dòng)信道參數(shù)1.空間選擇性角度擴(kuò)展：角度擴(kuò)展的倒數(shù)就是相關(guān)距離，描述空域的相關(guān)性?？臻g選擇性衰落用相關(guān)距離表示相

10、關(guān)距離：相關(guān)距離為兩根天線上的信道響應(yīng)應(yīng)保持強(qiáng)相關(guān)時(shí)的最大空間距離。 2.頻率選擇性時(shí)延展寬：移動(dòng)信道的多徑環(huán)境引起的信號(hào)多徑衰落從時(shí)域角度方面進(jìn)行描述。頻率選擇性衰落用相干帶寬描述， 其中，Tm為最大時(shí)延擴(kuò)展。R 1c mB T 相關(guān)帶寬：相關(guān)帶寬為信道在兩個(gè)頻移處的頻率響應(yīng)保持強(qiáng)相關(guān)時(shí)的最大頻率差。相干帶寬越小，時(shí)延擴(kuò)展越大；反之相干帶寬越大，時(shí)延擴(kuò)展越小。3.時(shí)間選擇性衰落 時(shí)間選擇性衰落是指不同的時(shí)間衰落特性不同。頻率擴(kuò)散：用戶的快速移動(dòng)，在頻域上產(chǎn)生多普勒效應(yīng)而引起頻率擴(kuò)散，頻率擴(kuò)散引起時(shí)間選擇性衰落。時(shí)間選擇性衰落用相關(guān)時(shí)間 描述， 其中B為最大多普勒擴(kuò)展。相關(guān)時(shí)間：相關(guān)時(shí)間為兩個(gè)

11、瞬時(shí)時(shí)間的信道沖擊響應(yīng)保持強(qiáng)相關(guān)時(shí)的最大時(shí)間間隔，T 1T B 內(nèi)容提要 19 移動(dòng)通信概述移動(dòng)通信的信道特征移動(dòng)信道的噪聲與干擾移動(dòng)信道的傳播模型蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 無(wú)線信道對(duì)信號(hào)傳輸?shù)南拗瞥藫p耗和衰減外，另一個(gè)重要的限制因素是噪聲和干擾，當(dāng)噪聲和干擾嚴(yán)重時(shí)，會(huì)使有用信號(hào)出現(xiàn)損傷，甚至無(wú)法恢復(fù)，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。 在通信系統(tǒng)中，任何不需要的隨機(jī)自發(fā)脈沖信號(hào)都稱為噪聲，噪聲可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。無(wú)線電臺(tái)（如基站與移動(dòng)臺(tái)接收機(jī)）之間的相互干擾則統(tǒng)稱為干擾。干擾主要有鄰道干擾、同頻道干擾、互調(diào)干擾等。7.3 移動(dòng)信道的噪聲與干擾 7.3.1 移動(dòng)信道的噪聲噪聲的分類與特性： 移動(dòng)通信中，根據(jù)噪聲來(lái)

12、源的不同，可分為內(nèi)部噪聲和外部噪聲。內(nèi)部噪聲：內(nèi)部噪聲是指系統(tǒng)設(shè)備（如電臺(tái)）本身電氣元件產(chǎn)生的各種噪聲。它們的瞬時(shí)特征服從高斯分布，又稱為高斯噪聲。外部噪聲：自然噪聲和人為噪聲統(tǒng)稱為外部噪聲。 7.3.2 移動(dòng)信道的干擾 在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，基站或移動(dòng)臺(tái)的接收機(jī)必須能在其它通信系統(tǒng)產(chǎn)生的眾多較強(qiáng)的干擾信號(hào)中檢測(cè)出有用信號(hào)。在蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)中，存在鄰道干擾、同道干擾、互調(diào)干擾等問(wèn)題，這些都是在組網(wǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的干擾。鄰道干擾：鄰頻道干擾是指相鄰的或鄰近的信道之間的相互干擾。同頻道干擾：同頻道干擾是指所有落到接收機(jī)通帶內(nèi)的，與有用信號(hào)頻率相同或相近的無(wú)用信號(hào)的干擾?；フ{(diào)干擾：互調(diào)干擾是由傳輸信道中的非

13、線性電路產(chǎn)生的。 內(nèi)容提要 23 移動(dòng)通信概述移動(dòng)通信的信道特征移動(dòng)信道的噪聲與干擾移動(dòng)信道的傳播模型蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 傳播模型是非常重要的。傳播模型是移動(dòng)通信網(wǎng)小區(qū)規(guī)劃的基礎(chǔ)。在規(guī)劃某-區(qū)域的蜂窩系統(tǒng)之前,選擇信號(hào)覆蓋區(qū)的蜂窩站址使其互不干擾，是一個(gè)重要的任務(wù)。所以傳播環(huán)境對(duì)無(wú)線傳播模型的建立起關(guān)鍵作用。 無(wú)線傳播模型-般分為：室外傳播模型和室內(nèi)傳播模型。7.4 移動(dòng)信道的傳播模型 7.4.1 室外傳播模型 室外傳播模型分為兩類：宏蜂窩模型和微蜂窩模型。 宏蜂窩模型 一般是指適用于覆蓋半徑1km以外的傳播模型，常用的宏蜂窩模型包括：Okumura-Hata模型、Walfisch-Ikegami模

14、型； 微蜂窩模型一般是指適用于覆蓋半徑1km以內(nèi)的傳播模型，常用的微蜂窩模型包括LEE微蜂窩模型、標(biāo)準(zhǔn)微蜂窩模型。 7.4.2 室內(nèi)無(wú)線傳播模型 室內(nèi)傳播模型是指無(wú)線電波通過(guò)介質(zhì)在室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)行傳播采用的一種模型。一般說(shuō)來(lái)，室內(nèi)信道分為視距(LOS)和阻擋(OBS)兩種，并且隨著環(huán)境雜亂程度而不斷變化。 常用的室內(nèi)傳播模型有: 分隔損耗（同樓層）模型、樓層間分隔損耗模型、對(duì)數(shù)距離路徑損耗模型、Ericsson多重?cái)帱c(diǎn)模型、衰減因子模型。 內(nèi)容提要 27 移動(dòng)通信概述移動(dòng)通信的信道特征移動(dòng)信道的噪聲與干擾移動(dòng)信道的傳播模型蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 7.5.1 移動(dòng)通信網(wǎng)的體制 一般來(lái)說(shuō)，移動(dòng)通信網(wǎng)的服務(wù)區(qū)

15、覆蓋方式可分為兩類：一是小容量的大區(qū)制；二是大容量的小區(qū)制。大區(qū)制：大區(qū)制是移動(dòng)通信網(wǎng)的區(qū)域覆蓋方式之一，一般在較大的服務(wù)區(qū)內(nèi)設(shè)一個(gè)基站，負(fù)責(zé)移動(dòng)通信的聯(lián)絡(luò)與控制。其覆蓋范圍半徑為30km50km，天線高度約為幾十米至百余米。小區(qū)制：小區(qū)制將所要覆蓋移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的地區(qū)劃分為若干小區(qū)，每個(gè)小區(qū)的半徑可視用戶的分布密度在110公里左右，在每個(gè)小區(qū)設(shè)立一個(gè)基站為本小區(qū)范圍內(nèi)的用戶服務(wù)。7.5 蜂窩組網(wǎng)技術(shù) 7.5.2 組網(wǎng)方式 為了使得服務(wù)區(qū)達(dá)到無(wú)縫覆蓋，提高系統(tǒng)的容量，就需要采用多個(gè)基站來(lái)覆蓋給定的服務(wù)區(qū)。每個(gè)基站的覆蓋區(qū)域稱為一個(gè)小區(qū)。小區(qū)的形狀：正六邊形小區(qū)的形狀最接近理想的圓形用它覆蓋整個(gè)服

16、務(wù)區(qū)所需的基站數(shù)最少，也就最經(jīng)濟(jì)。將小區(qū)形狀為正六邊形的小區(qū)制移動(dòng)通信網(wǎng)稱為蜂窩網(wǎng)。區(qū)群中的小區(qū)數(shù)目：區(qū)群的組成滿足兩個(gè)條件：一是區(qū)群之間可以鄰接，且無(wú)空隙無(wú)重疊地進(jìn)行覆蓋；二是鄰接之后的區(qū)群應(yīng)保證各個(gè)相鄰?fù)诺佬^(qū)之間的距離相等。 同頻（信道）小區(qū)的距離：在不同小區(qū)組（區(qū)群）之間可以重復(fù)使用同一頻率模式，稱為頻率重用。在頻率重用時(shí)，為了避免產(chǎn)生同頻道干擾，應(yīng)使同頻信道小區(qū)中心間的距離足夠大。設(shè)小區(qū)的輻射半徑（即六邊形外接圓的半徑），可以計(jì)算出同頻信道小區(qū)中心間的距離D為 小區(qū)數(shù)N越大，同頻小區(qū)的距離越遠(yuǎn)，抗同頻干擾性能越好。中心激勵(lì)與頂點(diǎn)激勵(lì)：在每個(gè)小區(qū)中基站設(shè)在小區(qū)的中心，并采用全向天線對(duì)

17、小區(qū)進(jìn)行覆蓋，通常稱為中心激勵(lì)。也可將基站設(shè)在每個(gè)正六邊形小區(qū)相隔開(kāi)的三個(gè)頂點(diǎn)上，并采用 三副扇形定向天線來(lái)覆蓋整個(gè)小區(qū)，這就是頂點(diǎn)激勵(lì)。 22 2 233 3 32 2aaD R b a ab b R N R 小區(qū)的分裂：小區(qū)一般分為巨區(qū)、宏區(qū)、微區(qū)、微微區(qū)幾類。 當(dāng)一個(gè)特定的小區(qū)的用戶容量和話務(wù)量增加時(shí)，為了提高系統(tǒng)容量，小區(qū)可以被分裂成更小的小區(qū)，通過(guò)增加小區(qū)數(shù)（基站數(shù)）來(lái)增加信道的重用數(shù)，這種技術(shù)稱為小區(qū)分裂。扇區(qū)劃分：移動(dòng)通信系統(tǒng)中的同頻干擾可以采用定向天線來(lái)減少。每個(gè)定向天線輻射覆蓋的某個(gè)特定的區(qū)域稱為扇區(qū)，扇區(qū)的劃分與系統(tǒng)提供的業(yè)務(wù)量相匹配，業(yè)務(wù)量高的地區(qū)， 扇區(qū)劃分得密集一些，

18、可以進(jìn)一步提高系統(tǒng)容量。 7.5.3 移動(dòng)通信系統(tǒng)的容量 移動(dòng)通信系統(tǒng)的頻譜資源非常有限，如何實(shí)現(xiàn)頻譜利用率最大化，即實(shí)現(xiàn)蜂窩系統(tǒng)的容量最大，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要方面。容量度量方法：蜂窩系統(tǒng)的通信容量一般用每個(gè)小區(qū)的可用信道數(shù)進(jìn)行度量，也可用每小區(qū)的愛(ài)爾蘭數(shù)度量，二者之間可以轉(zhuǎn)化。提高容量的方法：信道分配技術(shù)；功率控制技術(shù)；自適應(yīng)天線技術(shù)；小區(qū)分裂；小區(qū)扇區(qū)化（裂向）。 6.6 習(xí) 題1.什么是移動(dòng)通信?它有哪些特點(diǎn)？2.移動(dòng)通信使用哪些頻段？3.闡述移動(dòng)通信中無(wú)線電波傳播的特性。4.闡述陰影效應(yīng)、遠(yuǎn)近效應(yīng)、多徑效應(yīng)、多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因5.在移動(dòng)通信中接收信號(hào)有幾類損耗？各有什么特點(diǎn)？6.在移動(dòng)通信中主要的噪聲和干擾有哪幾種？產(chǎn)生的原因？7.移動(dòng)通信系統(tǒng)是如何組網(wǎng)的？ 8.移動(dòng)通信系統(tǒng)提高系統(tǒng)容量的方法有哪些？