课程名称:现代移动通信技术
英文名称:Contemporary Mobile Communication Technology 学分数:学时数:
任课教师:职称:
教学要求及目的:
本课程是通信与信息系统专业通信理论与技术研究方向的硕士研究生方向学位课。它紧紧围绕第二代数字移动通信(2G)和第三代移动通信(3G)以及后3G/4G讲述现代通信的基本原理与技术,是一门理论性与实用性很强的课程。学生学习本课程最好已具备信号与系统,模拟与数字电子技术,通信原理,移动通信等基础课的知识。通过本课程的学习,学生即可以深入的学习和掌握第二代数字移动通信和第三代移动通信的基本原理与技术,又可以对后3G/4G未来通信的基本原理与技术的发展方向有所了解。
主要参考文献:
[1] T.S.Rappaport9(著),蔡涛等译,“无线通信原理与应用”,电子工业出版社,1999年;
[2] 吴伟陵,移动通信中的关键技术,北京邮电大学出版社,2000;
[3] 杨小牛等,“软件无线电原理与应用”,电子工业出版社,2001年;
[4] 王文博等,“宽带无线通信OFDM技术”,人民邮电出版社,2003年。
[4] 张贤达,保铮,“通信信号处理”,国防工业出版社,2001。
[5] 查光明等,“扩频通信”,西安电子科技大学出版社,1999;
[6] 龚耀寰,“自适应滤波-时域自适应滤波和智能天线”,电子工业出版社,2003年7月;
现代移动通信技术
一.本课程主要讲述内容
本课程主要内容包括移动通信的发展现状与发展方向、扩频通信基础、移动中的关键技术、软件无线电、智能天线技术、正交频分复用等内容。其中软件无线电、智能天线技术、正交频分复用等内容均是在第三代以及未来移动通信技术中所涉及到的学科前沿知识。
二.移动通信概述
2.1 移动通信系统的分类
用途和区域: 陆上,海上,空间 经营方式: 公共网,专用网 信号性质: 模拟,数字
多址方式: FDMA ,TDMA , CDMA ,SDMA
其中陆上移动通信发展最迅猛,海上,空间通信方式成本较高,用户少 2.2 移动通信系统的基本组成
典型系统方案如图所示
MS1
MS2
MSn
图1. 典型系统方案
覆盖区:每个基站均有一个由发送功率和天线高度所确定的地理覆盖范围。 全系统服务区:多个基站覆盖区的集合。
2.3 移动通信中的多址方式 2.
3.1 对多址的理解
多址问题可以被认为是一个滤波的问题。许多用户可以同时使用同一个频谱,能
后采用不同的滤波器和信号处理技术,使不同用户信号互不干扰地被分别接收和解调。
2.3.2 主要的多址方式
FDMA TDMA CDMA SDMA
2.3.3 FDMA(频分多址)Frequency Division Multiple Address
主要蜂窝系统有北美AMPS和英国TACS
不同信号被分配到不同频率的信道,发往和来自邻近信道的干扰用带通滤波器去除。早期的模拟FM蜂窝移动系统均采用FDMA。
2.3.4 TDMA
一个信道由一连串周期性的时隙构成。不同信号的能量被分配到不同的时隙时,利用定时选通来限制邻近信道的干扰,从而让规定时隙中有用的信号能量通过。
主要系统:北美DAMPS,欧洲 GSM
需要说明:现在使用的TDMA系统实际上是FDMA与TDMA的组合。
DAMPS 先用了30KHz 频分信道,再把它分成六个时隙进行TDMA的传输。
2.3.5 CDMA
每个信号被分配一个位随机二进制序列进行扩频,不同信号的能量被分配到不同的位随机序列里。在接收方,用相关器对信号加以分离,这种相关器只接收选定的二进制序列并压缩其频谱,凡不符和该用户二进制序列的信号就不能压缩带宽。结果是:只有有用信号的信息才被识别和提取出来。
(a)FDMA (b)TDMA (C)CDMA
图 1.2
2.3.6 SDMA
SDMA 控制了用户向空间辐射的能量,可以
使用定向波束天线来服务于不同的用户。同
样的频率在一个小区内重复使用(波束不同),
提高频谱利用,降低干扰。扇型天线可看作
SDMA的一种基本方式,SDMA 是适合TDMA,图1.3 CDMA。
2.4 无线移动通信的演变:模拟到数字
2.4.1 模拟蜂窝通信的问题
(1) 频谱利用率低
(2) 不能提供高速数据服务,业务种类受限
(3) 保密性差
(4) 网络管理控制不易
2.4.2 数字移动通信网的主要优点
2.4.2.1 可提高频谱利用率从而可进一步提高系统的容量
模拟调频技术以经很难进一步压缩信号频谱,限制了谱利用率的提高,数字方式即可采用多种技术,途径:
(1) 低速语音编码
(2) 高速数字调制解调技术
2.4.2.2 多种应用业务数字话音,数据图象
GSM 9.6k bit/s GPRS 112 k bit/s FDMA 1.2k bit/s或2.4k bit/s
2.4.2.3 可进行高频,高强度的加密
2.4.2.4 提高抗衰减能力
模拟抗衰减的主要手段:分集
数字抗衰减:扩频,跳频,交织,自适应均衡,纠错编码
2.4.2.5 网络管理与控制灵活
模拟网的信令以数字信号方式传输,而用户信息是模拟信号
数字网中,信令与用户信息均是数字,因此,在用户话音中插入控制比特容易实现
三. 第三代移动通信
3.1 3G的目标
(5) 建立一个覆盖全球的使用的通信系统,标准统一;
(6) 支持多媒体业务,特别是Internet 业务;
(7) 高速移动环境,114k bit/s,步行 364k bit/s 室内2Mbit/s;
(8) 从第二代平稳过渡;
3.2 3G标准化情况
至1998年6月30号,向ITU提交的3G标准有10种(地面),分别代表各自的利益集团。包括同一家公司提出两种截能不同的内容,作为竞争备份。
主要有三种:(1)WCDMA 日本,若基亚,爱立信双工方式,FDD,TDD。
(2)CDMA2000 美国,与IS—95后向兼容FDD,TDD。
(3)TD—SCDMA 中国TDD
3.3 三种主要3G方案的简单比较
3.3.1 WCDMA
建立在窄带CDMA基础上,主要技术特点有:
(1) 可适应多种速率的传输,灵活提供多种业务;
(2) 是一个异步传输系统,BTS之间无需同步;
(3) 优化的分组数据传输方式;
(4) 支持不同载频之间的切换;
(5) 上下行链路采用快速功率控制
(6) 反向采用异频辅助的相干控制;(提高反向解调增益,提高功率控制准确性)
(7) 充分考虑信号设计对EMC的影响.
3.3.2 CDMA2000
基于IS—95 CDMA, 提出人: Lucent、 Motorlola、Nortel、 Qualcorm、韩国Samsuny,出于商业利益,沿用了IS—95 的主要技术和基本技术思路.如帧长 20ms,采用IS—95 的软切换和功率控制技术,需要GPS同步.但也有一些实质性的改变,主要有:
(1) 反向信道相干接收
(2) 前向发送分集
(3) 全部速率采用了CRC (Cyclic Redundary Check)方式
(4) 充分考虑了信号设计对EMC的影响
3.3.3 TD—SCDMA
TDD 双工方式
传输带宽 1.6M bit,码片速率1.2M Chip/s
TDD不需成对的频率
TDD 上下行工作于同一频率对称的电波传输特性,使之能够采用智能天线技术,达到提高性能,降低成本的目的
TDD系统成本较小,可能比FDD系统低20—50%;
TDD 方式的缺陷:
(1) 终端移动速度:抗快衰减能力较FDD差
(2) 覆盖距离:小区半径
关键技术:
(1)软件无线电 soft ware radio
(2)智能天线smart antenna
3.3.4 3G的频谱资源
各国情况不同,有一部分其他系统占有,目前,清理工作正在进行.
3.4 中国数字移动通信和3G情况
(1) 1993年,我国第一个全数字移动电话GSM建成开通.
CDMA 系统: 长城网,最初覆盖北京,上海,西安,广州.联通的CDMA
2000年12月底,我国移动电话用户数已超过6千万,网络居世界第二位;
2001年GPRS 开通
预计 2004年,我国移动电话用户达到2亿
(2) 3G方面: 97年开始研究;
98年6月向ITU提交TD—SCDMA建议,9个月完成对其他提议的评估报告
98年11月,国家重大项目,第3代移动通信系统研究开发启动
四. 扩频通信基础
4.1 概述
4.1.1 历史:
实用的扩频通信系统到50年代中期才发展起来. 最早应用:军事通信、制导系统等; 4.1.2 定义
扩频技术是利用与传输数据(信息)无关的码元,对被传输信号扩展频谱,使之占有远超
过被传输信息所必须的最小带宽,而接收机用同一码元对接收信号进行同步相关处理以解扩和恢复数据.
4.1.3 扩频信号特性:
(1) 扩频信号是不可预测的伪随机的宽带信号; (2) 扩频信号带宽远大于欲传输数据的信息带宽; (3) 接收机必须有与宽带载波同步的副本; 4.1.4扩频系统的特点
(1) 由于扩频信号的不可预测性,扩频信号具有很高的抗干扰能力;
(2) 扩频信号的功率被均匀分布在很宽的频率范围内,所以被传输信号功率谱密度很低,侦
察接收机很难以检测,因此扩频系统具有LPI 特性; (3) 扩频系统具有码分多址的通信能力;
(4) 不同的用户使用不同的码,具有很高的保密性; 4.1.5 扩频技术当前主要研究内容;
(1) 扩频技术的性能度量; (2) 扩频码的设计及性能;
(3) 扩频信号的截获、跟踪、同步; (4) 扩频系统的干扰抑制方法和性能;
4.2 扩频基本原理
4.2.1 香容定理(扩频基本理论依据)
公式:)1(log 2N
s
w c
+
= (4—1) 式中:c 是信道容量(bit/s ),是信道带宽,w N 是噪声功率,s 是信号功率
香农定理描述了信道无误差地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系.
对(4-1)式换底有:
)/1(log 44.1N s w
c
e += (4—2) 在典型的干扰环境中s/ N<<1,对上式用幂级数展开,略去高次项后有:
n
s
w w N s c .44
.1≈= (4—3)
从(4-3)式可以看出:对任意给定的SNR,只要增加用于传输信息的带宽W,理论上就可以增加在信道中无误差的传输的信息率.
例:某系统在
310?=N
s
环境中要求的传输速率是3k bit/s,则: MHz N
s c
w 31010323=×==
?
若 增加至:w MHz w 6=,则
4
6310510
6103?×=××==w c N s 即: 系统可以工作在更低的信噪比环境中. 4.2.2 数字扩频过程的直观解释:
)
()t c
时域相乘,频域相卷。
若:d(t),c(t)的频域坡形为方波,d(t)传输的信息频带较窄,而PN 序列频带较宽.根据信号与系统基本理论。
图 4.1
)()(21
)()(w c w d t c t d ??
?π
(4-3) 不同宽度的门函数卷积将产生一梯形波,可见经过处理后,信息的频谱被扩展了,能量被均匀分布于更宽的频带内。 4.2.3扩频增益与干扰容限
信号带宽为Bd ,扩频后带宽为Bs ,扩频增益为:
d
s
P B B G =
(4.4)
干扰容限:(表示扩频系统在干扰环境中的工作能力) ])([out sys p j N
S
L G M +?= (4.5)
为系统损耗(包括射频滤波的损耗,相关处理,放大器的损耗等) sys L
out N
S
)(
为系统输出端的信噪比。
4.3 主要的扩频系统
4.3.1 直接系列扩频系统(DSSS )
图4。2 DSSS 系统简化框图
为了使系统能够正常工作,从上图中可看出:发端扩频码C1与收端扩频码
??
?=?=⊕1
11r r C C C C (4.6) 上式是相关解码的基础,上式还隐含了一个扩频码的同步问题。在DSSS 中,通常对载波进行相移键控调制。
4.3.2 频率跳变扩频系统(FHSS )
FHD 可解释为“多频码选频移键控”系统,某一个时刻究竟可用频率集中,哪一个频率用跳变码决定。
图 4.3 FHSS 系统简化框图
技术难点:
(1)跳频图案;
(2)快速响应的频率合成器,(体积小,重量轻,高跳变,为关键元件) 从减少误码率的角度出发,每比特信息选出的频率数越多越好。但这受到频率合成器带宽和可用频率数的限制。
FHSS 系统的特点
(1) 抗干扰机理与DS 系统不相同。DS 是将能量均匀分布在较宽的频带内(包括
干扰),有用信号解扩后能量集中在信号带宽。FH 系统只有当干扰频率处于带宽内时才能起干扰作用。因此,瞄准式干扰对 FH 系统作用不大,而对DS 系统才有威胁;
(2) 易于解决邻近电台的干扰,避免所谓的邻近效应; (3) 具有多址和高的频带利用率; (4) 具有频率分集效果;
4.3.3 频率跳变—直接系列混频系统(FH /DS )
(1)FH/DS 的目的:在要求处理增益比较高的场合,单独使用一种扩频技术会遇到实现上的困难,
例:若数据数率Rb =5kb /s ,要求Gp 大于等于50db ,这对应着要求扩频后射频带宽为:Br 大于等于1000M 。
若单独采用DS 系统时,扩频码产生器速率500Mb /s ;
若单独采用FH 系统,则需要有一个能产生频率数为,频率间隔为5KHz 的频率合成器。
510=N 而上述两者均会遇到在技术上的实现困难。
若采用混合系统FH/DS ,则用一个50Mb /S 的扩频码产生器和一个跳频数N=20,频率间隔为50MHz 的频率合成器即可以满足要求:Gp 大于等于50dB 的要求,这在具体实现上要容易的多。
(2)高处理增益的原因:
DS FH P G G G ?= (4.7)
在FH/DS 系统中,待传送的信息先用DS 扩频码扩频后,使信息带宽由Bb 扩展到Bds ,这一DS 扩频信号的中心频率受到FH 码的控制发生跳变。若跳频间隔大于或等于Bds ,跳频数为N ,则FH/DS 系统的射频带宽Br 大于NB ds 。
D
DS
D
r
p B B N
G B G ≥=
(3) FH/DS 系统框图
图4.4
4.4 扩频码
4.4.1 对扩频码的要求:
(1) 易于产生; (2) 具有随机性
(3) 扩频码应具有尽可能长的周期,使干扰和非法破坏者难以从扩频码的一小段
去重建整个码序列;
(4) 具有良好的互相关和自相关特性,以利于接收时的截获和跟踪,以及多用户
应用。
扩频码中应用最广的是m 序列,又称最大长度序列。 4.4.2 伪随机序列的产生
PN 码可由移位寄存器网络来产生。下面以四级移位寄存器为例来说明。
图4.5 四级移位寄存器
如果初始状态为1000,即:0,0,0,11234====????n n n n a a a a
上图中反馈逻辑为:
43??⊕=n n n
a a a 产生一个PN 码{ }=100010011010111100010011010111。。。
4?n a
如果{}={0000},则输出一个0序列
1234????n n n n a a a a 四级移位寄存器总共可能有=16个状态,除了一个零状态外,还有15个状态。改变4级移位寄存器的反馈逻辑:
r
242??⊕=n n n a a a
图 4.6
如果初始状态分别为{1111},{0001}或{1011},则分别可得到三个完全不同的输出序列: 111100111100。。。 000101000101。。。 101101101101。。。 周期分别为6,6和3。
PN 码具有类似于噪声序列的性质,是一种貌似随机但实际上是有规律的周期性二进制序列。
还可以有其他的反馈逻辑:如4321????⊕⊕⊕=n n n n n
a a a a a
从上述例子可以得出以下结论:
①线性移位寄存器的输出序列是一个周期序列:
②当初始状态是“0”状态,线性移位寄存器的输出序列均是“0”序列。 ③级数相同的线性移位寄存器的输出序列和反馈逻辑有关;
在所有伪随机序列中,m 序列是最重要,最基本的伪随机序列。在定时严格的系统中,可以采用m 序列为地址码,利用不同相位来区分不同用户。目前CDMA 中用m 序列为地址码,另外还有一种伪随机序列Gold 码是由m 序列引出的。
4.4.3 m 序列
定义:如果r 级线性移位寄存器输出序列的周期是P= 12?r ,则该序列为m 序列。 M 序列归一化自相关函数为:
???
???≠??===)12( 0,1
)12( 0,1)(r r p
t R 模模ττ (4.8) 对于两个不同相位的m 序列a (n )和)τa(n-,当周期p 很大且对0≠p 模τ时,这两
个序列几乎是正交的。这也是m 序列在CDMA 中被广泛应用的关键原因。
在IS —95CDMA 中,一般是采用Galois 发生器来产生m 序列。
图4.7 产生m 序列的不同相位Galois 发生器的一个简化形式。 只要改变掩码,m 序列的相位将随之改变,IS —95中CDMA 用这一特性给每一个用户分配一个由手机ESN (电子串号)计算出的掩码。 3210m m m m 4.4.4 Gold 码。
一.M 序列的缺点。
M 序列的互相关性不好,而且相同级数的移位寄存器能产生的不同类型的m 序列的个数有限。
例 r =7时,m 序列的个数有17个,远小于。
17127127>>=?二.Gold 码的定义: 1967年由R.Gold 提出
如果有2个m 序列,他们的互相关函数的绝对值有界,且满足下列条件。
当r 为奇数时:12
|)(|
2
1+=+r R τ
当r 为偶数0时(且r 不为四的整数倍):12|)(|2
1+=+r R τ
则称这一对m 序列为优先对。
如果把两个m 序列发生器产生的优选对序列模2相加,则产生一个新的码序列,即:Gold 码序列。
Gold 码的自相关特性不如m 序列,具有三值自相关特性。但其互相关特性比m 序列要好。
4.5 扩频信号的调制解调
一.基本过程;
解调器 二.调制解调框图。
图 4.8(a )调制
其中:m (t )为数据序列,P (t )是对扩频码, 为载波,c f θ是t =0时的载波初始相位。数据波形是时间上的无交迭矩形脉冲,每一脉冲的幅度为1±。m (t )序列中,每一个符号代表一个数据符号,周期为Ts ,Es 是每个符号的能量。P (t )序列中的每一个脉冲代表一个码片,周期为Tc ,数据符号和码片的边缘变换相一致。因此有Ts 和Tc 的比率为整数。如果Wss 是Sss (t )的带宽,B 是)2cos()
(t f t m c π的带宽,由于P(t)扩频有。
B W ss
>IF接收
图4.8(b )解调 由于
1)()(=t p t p r )2cos()(2)(
1θπβ
+=∴t f t m T E t S c s
S
图4.9宽带滤波器输出 解扩后相关器输出
4.6 扩频码的同步
4.6.1实现扩频码的同步包括两个步骤:截获和跟踪
截获:使本地参考码和接收码的相位差小于一个码元宽度,这一步在有的文献中称为同步或粗同步。
跟踪:一旦扩频接收机实现同步,本地参考信号(包括码相位和载波频率)必须尽可能精确地跟踪接收信号的变化。
4.6.2几种截获方法
一,滑动相关法。
所谓滑动相关法是使本地码产生器同发端码产生器的时钟频率有一定的差频,滑动直至两个码序列相符对停止。流程图如下:
图 4.10 滑动相关法流程图
滑动相关法的优点是十分简单,但当接收码同本地码之间失配量很大时,搜索过程可能很长。
适用场合:两个码序列较为接近的场合。
二,全系统统一定时
这种方法已在卫星移动通信中得到应用。扩频系统采用准确度极高的时钟,如铯原子钟。卫星的轨道参数可以精确知道,传输延迟可以精确被推算出来。接收机的搜索过程较短即可实现同步。
三,突发同步
这种方法是发射一个短促的高功率低占空比的脉冲序列,给接收机提供快速接近随后而来的直接序列或频率跳变信号的信息。
优点:这种信号突然发射突然消失,容易被干扰者忽略,即使要进行干扰也要发射连续的大功率干扰才能奏效。
4.6.3CDMA中PN码的捕获:
在CDMA中,PN码的捕获采用了两种搜索算法,以实现快速捕获,具体过程如下:(1) 在相关解调过程中,先设置一较低门限,然后相关解调PN码的一小段,如果没有超过门限,则表明在该相位没有有用信号,将相位向后移一段PN码的相关解调。(2) 如果超过门限,在该相位再作更大一段PN码的相关解调,以判定该相位是否是有用信号。
(3) 每次移PN码半个比特的长度。
利用上述方法,则可实现相位差在一个比特内。对一个比特内的同步,则采用前后抽样延迟锁相环方法。
4.7 自适应抑制干扰技术在扩频通信中的应用。
4,7,1 DS 扩频通信的弱点:
(1) 远近效应,近端强信号压制远端弱信号(功率控制) (2) 抗瞄准式窄带干扰性能差。 4.7.2 自适应天线抑制干扰技术。
主要类型:
(1) 波束形成自适应天线阵,准则为在感兴趣方向上形成主瓣 (2) 抑制干扰的自适应调零天线,在干扰方向上形成零点。 4.7.3 自适应滤波器的抑制窄带干扰。
在某些应用场合(如机动性和体积受限),当自适应天线受限或抑制干扰的性能指标(如SNR 改善)达不到要求时,可使用自适应滤波器抑制窄带干扰。也就是说:窄带瞄准式干扰和其他单频干扰所引起的DSSS 系统的性能下降,可以由自适应滤波器性能来改善。这是因为扩频信号具有很宽的带宽,而强的窄带干扰是容易识别和估计的。
通常,估计和抑制窄带干扰的算法可分为两类:第一类是以FFT 为基础,用以完成对接收信号的谱估计,在谱估计的基础上用一个横向滤波器来抑制干扰。这类算法称为非参数法;
第二类是线性预测,称为参数法,这种算法是把干扰模拟为白噪声,通过一个全极点滤波器,用线性预测器来估计所有极点模型的相关参数。
需要注意的是:窄带干扰的估计和抑制是在扩频信号解扩前进行的。
4.8 扩频技术应用领域:
(1) 抗有意和无意干扰,抑制干扰的能力和扩频增益成正比; (2) 定位和速度估计;
(3) 降低所传输的信号被截获的可能性,扩频增益增大,扩频后的信号的隐蔽性越好,
既被截获的可能性就越低;通信的保密性越好。
(4) 多址通信(码分多址):大量互不相关的用户在同一或相邻的地区共享相同的频带,
同时可容纳的用户数与扩频增益成正比。
4.8.2 码间干扰抑制。
影响通信质量的干扰主要有: (1) 窄带干扰
(2) 多径效应产生的干扰(码间干扰)
(3) 在多址系统中由其它发射引起的多址干扰(或称同信道干扰、多用户干扰) 注意:并非扩频才能缓解多径效应引起的码间干扰,均衡也可以作到。 4.8.3多址干扰抑制。
先考虑有K 个用户的多址通信情况。记第k 个用户的信息道数据的扩频序列为{
},并且K 个用户同时共享同一信道。若k 个用户信号均同步,则接收信号为:
k n C n k n k
k k
m n w C b r +=∑=1假定只对第一个用户的信号感兴趣,于是信号k =1的相关接收输出:
1
10
0110
2
210
111)(n N n n
N n k n
k
k k m
N n n
m
m C w C C
b
c
b
Y ∑∑∑∑?=?==?=++= 利用特征序列{
}的相互正交性,有:
k n C 1
1
0110n N n n m
m
C w Nb Y ∑?=++= 推广到针对任一用户的信号检测,有:
k n N n n k m
k m
C w Nb Y ∑?=++=1
这表明只要设计k 个相关接收机,他们分别用特征序列:{
}(k=0,1,2,3,…..)与
接收信号作相关运算,即可分别检测出k 个用户的发射信号。
k n C 正是特征序列的相互正交性使得同时在同一信道发射的多用户信号可以被成功检测,这是CDMA 的基础。
五.移动通信关键技术研究
5.1移动信道特性研究
5.1.1 引言
一个通过无线信道传播的信号往往会沿一些不同的路径到达接收端,这一现象称为信号的多径传输。
虽然电磁波多径传播的形式很复杂,但一般归结为反射,绕射和散射三种基本传播方式。
移动通信中的信道是一个时变的信道,信道经过移动信道,接收信号功率为
)()(||)(d R d S d d P n ?=
式中d 表示距离向量,其绝对值|d |表示移动用户与基站的距离,n 为路径损失指数S(d)为阴影衰落,R(d)为多径衰落, 为自由空间损耗.
n
d ?|
|信道对无线信号的影响可归结为三类:
(1) 自由空间的路径损耗(也称为传输损耗)|d|.
(2) 阴影衰落S(d),由传输环境中的地形起伏,建筑物和其他障碍物对电波的阻塞或
遮蔽而引起的衰落;
(3) 多径衰落R(d):由移动传播环境中的多径传输而引起的衰落,
事实上,上述三种效应描述的是在三种不同的区间范围内信道对信号的作用:
(1) 自由空间的路径损耗描述的是大尺度的区间(数百或数千米)内接收信号
强度随发射——接收距离而变化的特性;
(2) 阴影衰落描述的是中等尺度区间(数百波长)内信道电平中值的慢变化特
性;
(3) 多径衰落描述的是小尺度区间(数个或数十个波长)内接收信号场强的瞬
时值的快速变化特性。
图5.1 衰落信号的路径损失慢衰落和快衰落
5.1.2反射、绕射与散射产生的原因
反射、绕射与散射是移动通信系统中三种最基本的传播方式,产生的原因分别是: (1) 当传播的电磁波入射到一个其尺寸比波长大的多的物体时,电磁波会发生反射,反
射主要来自地表面,建筑物和墙壁;
(2) 若发射端和接收端之间的无线电波被一个具有明显不规则性(边缘)的表面阻塞,
则会发生绕射;
(3) 当电磁波在传播过程中遇到一些尺寸小于波长的目标物或每单位体积的障碍物数目
很多时,则会产生散射。例如:粗糙的表面,小目标物或信道中其它无规则物,在实际中,树叶、街道路标和路灯杆等均会引起散射。
5.1.3 影响多径衰落的因素
衰落是由阴影和多径效应造成的信号电平的扰动。 三种多径衰落效应:
(1) 信号强度在一段很小的传播距离或时间间隔内快速变化; (2) 不同路径的多普勒频移的变化引起的随机频率调制; (3) 多径传播时延引起的扩展; 影响衰落的主要因素; (1) 多径传播; (2) 移动台的速度,(引起多普勒频移); (3) 周围物体的速度; (4) 信号的发射带宽;
5.1.4 信号的传播损耗,慢衰落和快衰落
传播损耗:
r t t r G G d
P P 2
)4(
πλ=
为接收功率,为发射功率,
r p t p d
πλ4为距离,为发射增益
t G 当移动环境中存在地表反射时
r t r t t r G G d
h h P P 2
2)(
= 其中:ht 发射机高度,hr 为接收机高度
慢衰落表示接收信号的长期变化又称长期衰落,是由建筑物或自然界特征的阻塞效应引起的。其分布近似服从对数正态分布:
??
???≤>??=0,00],22)(lg exp[12x x u x x P r σσπ 其中:x 为一随机变量,表示信号电平的慢扰动;σμ ,分别为x 的均值与标准偏差, 快衰落对应与接收信号随距离快速变化,产生的原因是移动台附近的障碍物(一般几十
米附近)引起,其分布满足Rayleigh 分布:
??
???<>=?0,00,)(2
2
22x x e x x p x σσ
5.1.5选择性衰落
一,多普勒扩展(时间选择性衰落)。
由移动台与基站之间的相对运动引起,可使单频信号在接收端表现为有限带宽的频谱。
多普勒频移:
αλ
ν
cos =
d f d f 的大小和正负与移动台的速度v 和相对运动的方向α决定。
例:若原为单频信号,
)(4
1
)(2sin )(c c f f f p t f t f ?=→=δπ
而在移动中,接收信号的功率谱为:
)cos (41)(αλ
ν
δ??=c s f f f p
设α在[0,π2]内均匀分布,则
2
2)
(41
)]([)(c m
s f f f f p E f p ??=
=π
m c m c f f f f f +≤≤?
其中: 最大多普勒频移λ
ν=m f 。 对时间选择性衰落的理解
)]
(2[)()()(200d t
f j t j f f x e
t x x e t x d ????πωωπω
以GSM 900M 为例,移动台相对基站100km/h 运动,
0=α时
正向:Hz f 83d = 反向:Hz f d 83?=、
多普勒扩展可用信道相干时间来表示:
coh T m
coh f T 1≈
=
m
m f f 423
.01692
=π 相干时间与多普勒扩展成反比,它是信道随时间变化快慢的一个测度,相干时间越长,信道变化越慢,反之越小,信道变化越快。
coh T 如果基带信号带宽比多普勒扩展
大得多,则在接收端,多普勒扩展的作用较小,这
m f
意味着无线信道是一种慢衰落信道。 三.时延扩展(频率选择性衰落)
一般情况上,接收信号为M 个不同路径的散射信号之和,即:
∑=?=M
i i b i r t t s t s 1
)]([)(τα
式中:i α是第i 条路径的衰落系数,)(t i τ为第i 条路径的时延。 发送的是一串离散的脉冲串,接收到的则为具有一定宽度的连续脉冲。
频率选择性理解:
相干带宽(与时延扩展成反比):
?
=
π21
coh B 相干带宽与信号带宽之比越小,信号频率选择性越强; 相干带宽与信号带宽之比越大,信号频率选择性越弱;
四.角度扩展(空间选择性衰落)
反射源不能再看成为一个点源,从而引起角度扩展;
接收端的角度扩展(angle spread )指的是多径信号到达天线的到达角的展宽; 发射端的角度扩展是由多径的反射和散射引起的角度扩展
空间选择性衰落同相干距离(coherend distance )描述:相干距离定义为两根天线上的信道响应保持强相关的最大空间距离。
coh R 相干距离于角度成反比:Rcoh 增加,DOA 扩展减少
Rcoh 减少,DOA 扩展增加。
表:蜂窝通信中典型的时延扩展,角度扩展和多普勒扩展: 环境
时延扩展 / us
角度扩展 /(度) 多普勒扩展 /Hz 平坦的农村 0.5 1 190 城市 5 20 120 丘陵 20 30
190 林荫路 0.3
120
10
室内 0.1 360 5