移动通信第一、三、四章补充、复习与总结

1移动通信信道与移动用户信源信源编码信道编码调制器信道解调器信道解码信源解码信宿1.1研究移动无线信道的意义和方法1.2移动信道下电波传播机制1.3移动信道的特征通信是通过信道传送的，因此首先必须分析和掌握信道的特点和实质，才能针对存在的问题对症下药，给出一一解决的技术方案。移动信道是无线信道的一个子类，它不仅具有所有无线信道的特点，而且还具有通信用户随机移动性的新特色。1.1研究无线信道的意义和方法移动信道的特点和实质。移动信道下的电波传播机制（直射波、反射波、绕射波、散射波）移动信道三大损耗（路径损耗、慢衰落、快衰落（频率选择性衰落、时间选择性衰落、空间选择性衰落））移动信道四大效应（阴影效应、多径效应、多普勒效应、远近效应）1.1研究无线信道的意义和方法移动信道是最为复杂的一种无线信道移动信道的特点•传播的开放性•接收点地理环境的复杂性和多样性•通信用户的随机移动性1.1研究无线信道的意义和方法任何一种通信系统都是围绕着通信传输的数量与质量两个类型的三种指标：有效性、可靠性和安全性进行不断的优化。移动通信系统的性能主要受到移动信道的制约。有效性——占用尽可能少的信道资源（频段、时隙、功率等）传送尽可能多的信源信息。可靠性——在传输中，抵抗各类噪声、衰落、干扰的能力。安全性——在传输中的安全保密能力。1.1研究无线信道的意义和方法1.2移动信道下电波传播机制直射波反射波绕射波散射波直射波：是指视距范围内无遮挡的传播。直射波传播的信号最强。可按自由空间传播来考虑。反射波：从不同建筑物或其他物体反射后到达接收点的传播信号，其信号强度仅次于直射波。1.2移动信道下电波传播机制绕射波：从较大的山丘或建筑物绕射后到达接收点的传播信号，其强度与反射波相当。散射波：由空气中离子受激后二次发射所引起的慢反射后到达接收点的传播信号，其信号强度最弱。1.2移动信道下电波传播机制1.3.1三类不同的损耗路径传播损耗慢衰落损耗快衰落损耗1.3.2三种效应阴影效应远近效应多普勒效应1.3.3三类主要快衰落的物理模型与实例空间选择性衰落频率选择性衰落时间选择性衰落1.3移动信道的特征1.3.1三类不同的损耗路径传播损耗：指在空间传播所产生的损耗，它反映了传播在宏观大范围（即公里量级）的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。自由空间传播损耗：理想传播条件，电波在自由空间传播时，不存在电波的反射、折射、绕射、色散、吸收等现象。但由于辐射能量的扩散而引起衰减。自由空间中距发射机d处天线的接收功率：PT为发射功率，GT是发射天线增益，GR是接收天线增益，d是T－R间距离，λ为波长，单位米。慢衰落损耗：它反映了中等范围内数百波长量级接收电平的均值缓慢变化而产生的损耗（宏观变化），近似服从对数正态分布。产生原因：•阴影效应•大气折射1.3.1三类不同的损耗1.3.1三类不同的损耗快衰落损耗：反映了微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗。其变化率比慢衰落快。一般遵从Rayleigh（瑞利）分布或Rician（莱斯）分布。空间选择性衰落频率选择性衰落时间选择性衰落产生原因：多径效应多普勒效应多径接收信号的统计特性瑞利衰落：无直射波的N个路径传播时，若每条反射波的幅度和相位统计独立，相位在0～2均匀分布，则接收的合成信号包络服从瑞利分布，此时的多径衰落为瑞利衰落。（适宜于在离基站较远的地方或由于遮蔽而没有直射波时）1.3.1三类不同的损耗多径接收信号的统计特性多径接收信号的统计特性瑞利（Rayleigh）衰落指在无直射波的N个路径传播时，若每条路径的信号为高斯分布，相位为0～2均匀分布的合成信号包络分布为瑞利分布。2222rrrPre莱斯分布指含有一个强直射波的N个路径传播时，若每条反射波的幅度和相位统计独立，相位在0～2均匀分布，则接收的合成信号包络服从莱斯分布，（适宜于在离基站较近的区域）多径接收信号的统计特性多径接收信号的统计特性多径接收信号的统计特性莱斯（Rician）衰落含有一个强直射波的N个路径传播时，若每条路径的信号为高斯分布，相位为0～2均匀分布的合成信号包络分布为莱斯分布。接收信号的功率：nPddSdRd其中，|d|表示移动台与基站的距离路径传播损耗：|d|-n，一般n为3～4。阴影衰落：S(d)。多径衰落：R(d)。1.3.1三类不同的损耗接收信号的统计分析1.3.1三类不同的损耗1.3.2三种效应阴影效应：当电波在传播路径上受到起伏地形、建筑物、植被等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的半盲区。远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站间的距离也是随机地变化，若各移动用户发射功率一样，那么到达基站的信号强弱不同，离基站近信号强，离基站远信号弱。通信系统的非线性则进一步加重，出现强者更强、弱者更弱和以强压弱的现象。1.3.2三种效应1.3.2三种效应多普勒效应——由于处于接收状态的移动用户高速运动而引起传播频率的扩散。其扩散程度与用户运动速度成正比。多普勒频移：多普勒效应所引起的附加频移。V是移动台的移动速率m/s。θ是入射波与移动台移动方向的夹角。λ是波长。1.3.2三种效应cosdvf1.3.3三类主要快衰落的物理模型与实例快衰落：反映了微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗。其变化率比慢衰落快。产生原因：•多径效应•多普勒效应三类主要快衰落•空间选择性衰落•频率选择性衰落•时间选择性衰落空间选择性衰落：在不同地点（空间）信号衰落特性不一样。信道模型3.1.3.3三类主要快衰落的物理模型与实例频率选择性衰落：信号在不同的频率衰落特性不一样。信道模型结论：由于时延扩散引起了频率选择性衰落。1.3.3三类主要快衰落的物理模型与实例时延扩展：多条不同传播路径的信号到达接收点的时间不同。是最大传输时延和最小传输时延的差值Δ。在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰。相关带宽：常用最大时延的倒数来规定相关带宽。即信号带宽大于相关带宽时，该信号在信道中传输则会产生频率选择性衰落。1.3.3三类主要快衰落的物理模型与实例cB2πΔ1＝窄带信号通过移动信道将引起平坦衰落，而宽带信号将引起频率选择性衰落。1.3.3三类主要快衰落的物理模型与实例时间选择性衰落：信号在不同的时间衰落特性不一样。结论：由于变速移动引起的频率扩散，在接收点波形产生了时间选择性衰落。相干时间：Tc≈1/fd，当信号码元周期TC时，发生时间选择性衰落。1.3.3三类主要快衰落的物理模型与实例三类选择性衰落产生条件第一类多径干扰：由于快速移动用户附近物体的反射而形成的干扰信号，其特点是在信号频域上产生的Doppler（多普勒）扩散而引起的时间选择性衰落。第二类多径干扰：由远处山丘与高大建筑物反射而形成的干扰信号，其特点是信号在时域和空间角度上产生了扩散，从而引起相对应的频率选择性衰落和空间选择性衰落。第三类多径干扰：由基站附近的建筑物和其他物体的反射而形成的干扰信号，其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起空间选择性衰落。3.1.3.3三类主要快衰落的物理模型与实例3.1.3.3三类主要快衰落的物理模型与实例在移动通信环境中，存在的噪声和干扰按照来源分为以下几种：1、接收机内部噪声2、外部噪声3、互调干扰4、邻道干扰5、同频干扰6、数字传输系统的码间干扰及多址干扰1.3.3外部噪声和干扰1.3.3.1外部噪声外部噪声包括自然噪声和人为噪声自然噪声主要有大气噪声、太阳噪声和银河噪声。人为噪声是指各种电气装置的随机电磁辐射，如电力线噪声、工业设备噪声、高频电气装置和汽车发动机噪声等。1.3.3.2互调干扰当有多个不同频率的信号加到非线性器件上时，非线性变换将产生许多组合频率信号，其中的一部分可能落到接收机通带内，成为对有用信号的干扰，称为互调干扰。产生互调干扰的条件：存在非线性部件，使输入信号混频产生互调成分。输入信号频率必须满足其组合频率能落到接收机通带内。输入信号功率足够大，由此产生幅度较大的互调干扰成分。在移动通信系统中，可能造成互调干扰的原因是：发射机的互调：在发射机的末端，由于功率放大器的工作非线性，把侵入的其它干扰信号与有用的发射信号产生相互调制而形成的一种干扰。接收机的互调：处于互调关系的两个或两个以上的无线电信号同时被一个接收机接收，由于接收机高频放大器或混频器的非线性而发生相互调制。1.3.3.2互调干扰1.3.3.3邻道干扰邻道干扰是一种来自相邻的或相近的频道的干扰。相邻频率的信号干扰产生的原因：发射信号的杂散、谐波接收机滤波问题解决办法：采用信道分配不相邻的方法。1.3.3.4同频干扰同频干扰就是指所有落到接收机通带内的与有用信号频率相同的无用信号的干扰。同频干扰产生的原因－－蜂窝网中的频率复用。对同频干扰和同频复用距离的研究是小区制移动通信网频率分配的依据。1.3.3.4同频干扰多址干扰：由于多个用户要求同时通信，而又不能完全将它们彼此隔开而引起的干扰。多址干扰与多址接入技术，以及具体的信号多址划分的设计技术有直接关系。由于频分、时分划分的正交性，多址干扰小到可以忽略的程度。对于码分多址，由于具体码组设计时，码组间的互相关特性不理想而造成的多个用户之间的相互干扰。在实际的蜂窝系统中，小区内各用户间的多址干扰大约占总多址干扰的60％，小区间的各用户所产生的多址干扰约占40％，其中36%来自于该小区外的第一层的6个相邻小区。而第二层以外各层小区各用户所产生的干扰之和大约总共占4%。1.3.3.5多址干扰