移动信道特性与抗衰落技术.pptx

2 2、信道的类型、信道的类型第1页/共65页有线信道举例第2页/共65页无线信道举例地面站地面站地球地球地面站地面站第3页/共65页调 制 器发 转 换 器 媒 质收 转 换 器解 调 器调制信道编码信道狭义广义v广义信道举例广义信道举例第4页/共65页2.1 移动信道的电波传播特性 电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播 环境直接决定传播模型的选取。环境直接决定传播模型的选取。r影响无线传播环境的主要因素 自然地形（高山、丘陵、平原、水域）自然地形（高山、丘陵、平原、水域）人工建筑的数量、分布、材料特性人工建筑的数量、分布、材料特性(人为环境人为环境)该区域植被特征该区域植被特征 天气状况天气状况 自然和人为的电磁噪声状况自然和人为的电磁噪声状况 移动台的移动速度移动台的移动速度 使用频段使用频段第5页/共65页当前陆地移动通信主要使用的频段VHF和UHF,即150MHz、450MHz、900MHz、1800MHz。其频率收发间隔分别为：5.7MHz、10MHz、45MHz、95MHz。移动通信中传播的方式主要有直射波、反射波、绕射波、散射波和地表面波等传播方式。在分析移动通信信道时，主要考虑直射波和反射波的影响。第6页/共65页第7页/共65页直射波及地面反射波（最一般的传播形式）对流层反射波（传播具有很大的随机性）山体绕射波山体绕射波（阴影区域信号来源）（阴影区域信号来源）电离层反射波电离层反射波（超视距通讯途径）（超视距通讯途径）传播途径传播途径第8页/共65页第9页/共65页直射波直射波直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物,直接到达接收端的电波,称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。自由空间传播损耗视距传播第10页/共65页1、自由空间的传播损耗自由空间是指信号在理想的，均匀的各向同性的介质中传播，不发生反射、折射、散射和吸收的现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗的空间。无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量会因为扩散而减少。这种减少，称为自由空间的传播损耗。第11页/共65页 对于移动通信系统而言对于移动通信系统而言,其自由空间路径损耗其自由空间路径损耗Lfs仅与传输仅与传输距离距离d d和电波频率和电波频率f f有关有关,而与收、发天线增益无关。而与收、发天线增益无关。可用下式来表示可用下式来表示:Lfs=32.45+20lgd+20 lgf 式中,传输距离d的单位为km,电波频率f的单位为MHz，Lbs单位为dB。第12页/共65页例题：试计算工作频率为900mhz，通信距离分别为10km和20km时的自由空间传播损耗？当d10km时，L111.53db；当d=20km时，距离增加一倍，衰耗增大6db。L=117.53db第13页/共65页2、视距传播视线所能到达的最远距离称为视线距离d0。已知地球半径为R=6370km，设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR(单位m)，理论上可得视距传播的极限距离为：第14页/共65页当考虑空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，等效为地球半径R=8500km，可得修正后的视距传播的极限距离：第15页/共65页反射波反射波反射波：电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，就会发生反射现象。电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,会在物体表面发生反射,形成反射波。反射常发生于地表、建筑物的墙壁表面等。两径传播模型多径传播模型推导见书上P22第16页/共65页图图 反射波和直射波反射波和直射波 第17页/共65页2.2 移动信道的衰落特性移动信道的衰落特性距离距离(m)接收功率接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落慢衰落快衰落快衰落第18页/共65页快衰落快衰落多径衰落的含义产生多径衰落的原因快衰落(也称短期衰落或多径衰落)指的是接收信号强度随机变化较快,具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。衰落速率每秒3040次，衰落深度30dB左右第19页/共65页慢衰落慢衰落阴影衰落由于电波传播遇到建筑物等的阻挡，形成电波阴影区，阴影区的电场强度弱。阴影效应慢衰落慢衰落(也称长期衰落)指的是接收信号强度随机变化缓慢,甚至具有十几分钟或几小时的长衰落周期。第20页/共65页慢衰落的统计特性衰落储备为了防止因衰落而引起的通信中断，在信道设计中，必须使信号留有足够的余量，以防止中断率R小于规定的指标。第21页/共65页时间接收信号强度发射信号多径传播多径传播2.3 2.3 数字信号的多径传播特性第22页/共65页时延扩展所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径,路径长度不同,且传输路径随移动台的运动而不断变化,因而可能导致发射端一个较窄的脉冲信号s0(t)=a0(t)在到达接收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号。第23页/共65页时延扩展可直观地理解为在一串接受脉冲中,最大传输时延和最小传输时延的差值,即最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值,记为,就是脉冲展宽的时间。越小，时延扩展就越轻微，越大，时延扩展就越严重第24页/共65页相关带宽移动信道的一个特征；表征信号中两个频率分量基本相关的频率间隔。当信号带宽小于相关带宽，发生非频率选择性衰落；当信号带宽大于相关带宽，发生频率选择性衰落；第25页/共65页2.4 电波传播路径损耗的预测电波传播路径损耗的预测地形地物的分类1、地形特征u地形波动高度hu天线有限高度2、地形分类u准平滑地形u不规则地形3、地物分类开阔地、郊区、市区第26页/共65页移动信道上传播损耗的估算经验模型移动通信中电波传播特性：自由空间传播损耗阴影衰落多径效应多普勒效应第27页/共65页第28页/共65页一、准平滑地形上的传播损耗中值1、市区传播损耗中值2、郊区和开阔地的损耗中值第29页/共65页 市区传播损耗中值在城市街道地区，电波传播衰耗取决于传播距离d、工作频率f、基地站天线有效高度hb、移动台天线高度hm以及街道的走向和宽度等。准平滑地形，市区的传播衰耗中值又称其为基本衰耗中值（或基准衰耗中值）。OM模型中，给出了准平滑地形，市区传播衰耗中值的预测曲线族，如下图所示。图中是在基地站天线有效高度hb=200m，移动台天线高度hm=3m，以自由空间传播衰耗为基准(0dB)，求得的衰耗中值的修正值Am(f,d）第30页/共65页图图1 1 准平滑地形大城市基本衰耗中值准平滑地形大城市基本衰耗中值Am(f,d)Am(f,d)第31页/共65页 图图2 2 基地站天线高度增益因子基地站天线高度增益因子 第32页/共65页图图3 3 移动台天线高度增益因子移动台天线高度增益因子 第33页/共65页由曲线上查得的基本衰耗中值Am(f,d)加上自由空间的传播衰耗Lbs才是实际路径衰耗LT。若若基地站天线有效高度不是基地站天线有效高度不是200m200m，可利用图，可利用图2 2查出查出修正因子修正因子H Hb b（h hb b，d d），对基本衰耗中值加以修正，），对基本衰耗中值加以修正，称为称为基站天线高度的增加因子基站天线高度的增加因子。若若移动台天线高度不等于移动台天线高度不等于3m3m时时，可利用图，可利用图3 3查出修查出修正因子正因子H Hm m（h hm m，f f），对基本衰耗中值进行修正，称），对基本衰耗中值进行修正，称为为移动台天线高度的增益因子移动台天线高度的增益因子。在考虑基站天线高度因子与移动台天线高度因子的在考虑基站天线高度因子与移动台天线高度因子的情况下，市区路径传播衰耗中值应为：情况下，市区路径传播衰耗中值应为：第34页/共65页例：计算准平滑地形，城市地区的路径衰耗中值。已知：hb=200m,hm=3m,d=10km,f=900MHz。解：首先求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为：查图可求得查图可求得Am(f,d)Am(f,d)，即，即利用式利用式(2.27)(2.27)就可以计算出准平滑地形，城就可以计算出准平滑地形，城市街道地区传播衰耗中值：市街道地区传播衰耗中值：第35页/共65页若若hb=50m,hm=2m，其他条件不变，求损耗中值。查图查图2-152-15得得查图查图2-162-16得得 在上题结果的基础上，要再加入基站和移动台的在上题结果的基础上，要再加入基站和移动台的高度增益因子。高度增益因子。则修正后的路径衰耗中值为：则修正后的路径衰耗中值为：第36页/共65页2、郊区和开阔区的传播损耗中值市区衰耗中值与郊区衰耗中值之差称为郊区修正因子kmr，kmr为增益因子。它随工作频率和传播距离的变化关系如图2-17所示。开阔区，准开阔区（开阔区与郊区之间的过渡地区）的衰耗中值相对于市区衰耗中值的修正曲线，如图5所示。Q0为开阔区修正因子；Qr为准开阔区修正因子。在求郊区或开阔区，准开阔区的传播衰耗中值时，应在市区衰耗中值的基础上，减去由图2-17或2-18查得的修正因子。第37页/共65页图图2-17 2-17 郊区修正因子郊区修正因子 第38页/共65页图图2-18 2-18 开阔区、准开阔区修正因子开阔区、准开阔区修正因子 第39页/共65页二、不规则地形上的传播衰耗中值丘陵地的修正因子 孤立山岳地形的修正因子 斜坡地形的修正因子水陆混合地形的修正因子第40页/共65页三、任意地形的信号中值预测 计算自由空间的传播衰耗计算准平滑地形市区的信号中值计算准平滑地形市区的信号中值 计算任意地形地物情况下的信号中值计算任意地形地物情况下的信号中值 K KT T为地形地物修正因子为地形地物修正因子第41页/共65页例：某一移动电话系统，工作频率为450MHZ，基地站天线高度为70m，移动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20km，求传播路径的衰耗中值?第42页/共65页其他传播环境上的传播损耗 街道走向的影响 电波传播的衰耗中值与街道的走向（相对于电波传播方向）有关。在纵向街道上衰耗较小，横向街道上衰耗较大。第43页/共65页市区街道走向修正值市区街道走向修正值 第44页/共65页2、建筑物的穿透衰耗一般来说波长越短，穿透能力越强。各个建筑物对电波的吸收也是不同的。式中式中L Lb b为实际路径衰耗中值，为实际路径衰耗中值，L L0 0在街心的衰在街心的衰耗中值，耗中值，L Lp p为建筑物的穿透衰耗。为建筑物的穿透衰耗。第45页/共65页3、植被损耗在传播路径上，由树木、植被引起的附加损耗不仅取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度及季节变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树木的路径长度等多方面因素。一般来说，垂直极化波比水平极化波的衰耗稍大些。第46页/共65页4、隧道中的传播衰耗空间电波在隧道中传播时，由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受到较大的衰耗。电波在隧道中的衰耗还与工作频率有关，频率越高，衰耗越小。当隧道出现分支或转弯时，衰耗会急剧增加，弯曲度越大，衰耗越严重。第47页/共65页某移动电话系统，工作频率为1800MHZ，基地站天线高度为80m，移动台天线高度为1.5m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离为20km，求传播路径的衰耗中值?第48页/共65页抗衰落技术1.分集技术2.自适应均衡技术3.RAKE接收技术第49页/共65页分集技术包括有两个方面的内容：分散传输，使接收到的多径信号分离成独立的，携带同一信息的多路信号；集中处理，将接收到的这些多路分离性好的能量按一定规则合并起来(包括选择与组合)，使接收的有用信号能量最大，以降低衰落的影响。要求要求：只有被分集的几个合成信号之间是统计独：只有被分集的几个合成信号之间是统计独立的，合并后才能使系统性能改善。立的，合并后才能使系统性能改善。第50页/共65页分集接收：显分集：空间分集、频率分集、时间分集、极化分集、隐分集：交织第51页/共65页1）空间分集第52页/共65页2）频率分集第53页/共65页 3)时间分集 将同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，则各次发送信号所出现的衰落将是相互独立的。接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能够减小衰落的影响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象。第54页/共65页4)极化分集理论依据是两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号具有不相关的衰落特性。具体来讲,在发射端的同一地点分别装上垂直极化天线和水平极化天线,在接收端的同一位置也分别装上垂直极化天线和水平极化天线,就可得到两路衰落特性不相关的信号。极化分集实际上是空间分集的特殊情况分集支路只有两路且相互正交。第55页/共65页5)场分量分集根据电磁场理论，电磁波的E场和H场载有相同的消息，其反射机理是不同的。在移动通信中，多个E波和H波叠加，结果表明EZ、HX、HY的分量是互不相关的，因此，通过接收三个场分量，也可以获得分集的效果。第56页/共65页分集合并：(1)最佳选择式最佳选择式:从几个分散的信号中选择信噪比最好的一个作从几个分散的信号中选择信噪比最好的一个作为接收信号。为接收信号。(2)等增益相加式等增益相加式:把几个分散信号以相同的支路增益直接相加把几个分散信号以相同的支路增益直接相加的结果作为接收信号。的结果作为接收信号。(3)最大比值合并最大比值合并:控制各支路增益控制各支路增益,使它们分别与本支路的信噪使它们分别与本支路的信噪比成正比比成正比,即根据各支路的信噪比来设置增益值即根据各支路的信噪比来设置增益值,然后再相加以然后再相加以获得接收信号。获得接收信号。以上合并方式中最大比值合并方式性能最好，等增益合并方式以上合并方式中最大比值合并方式性能最好，等增益合并方式次之，最佳选择方式最差。次之，最佳选择方式最差。第57页/共65页第58页/共65页第59页/共65页二、自适应均衡技术核心思想：抵消第60页/共65页三、多径信号的分离与合并 由于在多径信号中含有可以利用的信息，所以 CDMA接收机可以通过合并多径信号来改善接收信号的信噪比。RAKE接收机就是通过多个相关检测器接收多径信号中各路信号，并把它们合并在一起。RAKE接收机利用相关器检测出多径信号中最强的M个支路信号，然后对每个RAKE支路的输出进行加权、合并，以提供优于单路信号的接收信噪比，然后在此基础上进行判决。第61页/共65页RAKE接收机：作用通过多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并把它们合并在一起，它是专为CDMA系统设计的分集接收器。其理论基础时：当传播时延超过一个码片周期时，多径信号实际上可以被看作是互不相关的。第62页/共65页第63页/共65页作业：P56 1，2，3，7，8，9，13第64页/共65页感谢您的观看！第65页/共65页