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1、第三讲Mobile Communication第2页2022-8-8目目 录录第第1 1章章 概论概论 (2)(2)第第2 2章章 调制解调调制解调 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 (3)(3)第第4 4章章 抗衰落技术抗衰落技术 (1) (1)第第5 5章章 组网技术组网技术 (4)(4)第第6 6章章 频分多址频分多址(FDMA)(FDMA)模拟蜂窝网模拟蜂窝网 第第7 7章章 时分多址时分多址(TDMA)(TDMA)数字蜂窝网数字蜂窝网 (4)(4)第第8 8章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统移动通信系统( (一一) (4) (4) 第第9
2、9章章 码分多址码分多址(CDMA)(CDMA)移动通信系统移动通信系统( (二二) (1) (1)第第1010章移动通信的展望章移动通信的展望个人通信个人通信 (1)(1)第3页2022-8-8第4页2022-8-83.1 电波传播特性电波传播特性移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约，发移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉、树叶等阻挡和反射。脉、树叶等阻挡和反射。无线信道无线信道不象有线信道那样固定并可预
3、见，而是不象有线信道那样固定并可预见，而是具具有极度的随机性和复杂性。有极度的随机性和复杂性。第5页2022-8-83.1 电波传播特性电波传播特性3.1.1 概述概述3.1.2 自由空间传播模型自由空间传播模型3.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播3.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制第6页2022-8-83.1.1 概概 述述(1) 电磁波的衰减电磁波的衰减 电磁波传播机理大致可分为电磁波传播机理大致可分为 : q 反射反射q 绕射绕射q 散射散射 大多数蜂窝无线系统运作在城区，发射机和接收机之间无直大多数蜂窝无线系统运作在城区，发射机和接收机之间无直接视距路径，因此存在：接视
4、距路径，因此存在：q 绕射损耗绕射损耗q 多径损耗多径损耗q 电磁波强度随传播距离增加衰减电磁波强度随传播距离增加衰减第7页2022-8-83.1.1 概概 述述Signal propagation (Propagation Mechanisms) 自由空间总是像光一样传播（自由空间总是像光一样传播（直线传播直线传播） 接收的功率与接收的功率与 1/d 成正比（成正比（d =发射机与接收机之间的距离）发射机与接收机之间的距离） 接收的功率受下列因素影响：接收的功率受下列因素影响：q 衰减衰减（取决于频率）（取决于频率）q 大物体大物体反射反射q 折射折射（取决于介质的密度）（取决于介质的密度）
5、q 阴影阴影q 小物体的小物体的散射散射q 边沿边沿绕射绕射reflectionscatteringdiffractionshadowingrefraction第8页2022-8-83.1.1 概概 述述(2) 传播模型的研究传播模型的研究大多数传播模型是通过大多数传播模型是通过: 分析分析 + 实验实验 相结合而获得的。相结合而获得的。实验实验方法是通过场强测试，考虑了所有因素；方法是通过场强测试，考虑了所有因素；模型只是在一定频率和环境下建立，适用性如何有待检验。模型只是在一定频率和环境下建立，适用性如何有待检验。传统上集中于给定范围内平均场强预测，和特定位置附近场传统上集中于给定范围内平
6、均场强预测，和特定位置附近场强的变化。强的变化。传播模型分类传播模型分类q大尺度传播模型大尺度传播模型q小尺度传播模型小尺度传播模型第9页2022-8-83.1.1 概概 述述(2) 传播模型的研究传播模型的研究大尺度传播模型：大尺度传播模型： 用于用于预测平均场强预测平均场强并用于估计无线复盖范并用于估计无线复盖范围的传播模型。围的传播模型。由于描述的是发射机与接收机（由于描述的是发射机与接收机（T-R）之间）之间长长距离（几百米距离（几百米几千米）上的场强变化，几千米）上的场强变化，所以被称作所以被称作大尺度大尺度传播模型传播模型。小尺度衰减模型：小尺度衰减模型：描述短距离（几个波长），或
7、短时间（秒描述短距离（几个波长），或短时间（秒级）内的接收场强快速波动的传播模型，称为级）内的接收场强快速波动的传播模型，称为小尺度衰减模小尺度衰减模型。型。频段从频段从1GHz2GHz的蜂窝系统和的蜂窝系统和PCS，相应的测量在，相应的测量在1m 10m范围。范围。第10页2022-8-83.1.1 概概 述述(2) 传播模型的研究传播模型的研究小尺度衰减模型产生机理：小尺度衰减模型产生机理：原因是接收信号由不同方向信号原因是接收信号由不同方向信号合成，并且由于相位变化的随机性，其信号变化范围很大，合成，并且由于相位变化的随机性，其信号变化范围很大，当接收机移动距离与波长相等时，当接收机移动
8、距离与波长相等时，接收场强可以产生接收场强可以产生4个数量个数量级（级（30dB或或40dB）的变化。）的变化。大尺度和小尺度衰减例子：大尺度和小尺度衰减例子：当移动台远离发射机时，当地平当移动台远离发射机时，当地平均接收场强逐渐减弱，该平均场强由大尺度传播模型预测。均接收场强逐渐减弱，该平均场强由大尺度传播模型预测。图图3.1给出一个室内无线通信系统的小尺度衰减和大尺度变化给出一个室内无线通信系统的小尺度衰减和大尺度变化的情况。的情况。第11页2022-8-83.1.1 概概 述述(2) 传播模型的研究传播模型的研究 Flat Terrain Median SignalSlow Fading
9、 (lognormal Shadowing) Fast Fading20 Wavelengths100-10-20-30Transmitter receiver Antennae distanceReceived Signal level (RSL)图3.1 小尺度和大尺度衰减第12页2022-8-83.1.1 概概 述述(2) 传播模型的研究传播模型的研究从图中看出：随着接收机的移动，信号衰落很快；但随距离从图中看出：随着接收机的移动，信号衰落很快；但随距离的变化很慢。的变化很慢。第13页2022-8-83.1.2 自由空间传播模型自由空间传播模型Free Space Propagation
10、 Model(1) 自由空间：无限大真空自由空间：无限大真空如将大气看成如将大气看成各向同性，无损且无限大空间各向同性，无损且无限大空间，则可看作是自，则可看作是自由空间。卫星通信系统和微波视距无线链路，是典型的自由由空间。卫星通信系统和微波视距无线链路，是典型的自由空间传播。空间传播。 第14页2022-8-83.1.2 自由空间传播模型自由空间传播模型(2) 自由空间场强计算自由空间场强计算 如果距辐射源如果距辐射源 d 处的电场强度为处的电场强度为E0：Pt发射天线辐射功率发射天线辐射功率Gt发射天线增益发射天线增益)43()(300mVdGPEtt第15页2022-8-83.1.2 自
11、由空间传播模型自由空间传播模型(2) 自由空间场强计算自由空间场强计算磁场强度有效值为：磁场强度有效值为：单位面积上功率密度单位面积上功率密度 S 为：为：)53()/(120300mAdGPHtt)63()/(422mWdGPStt第16页2022-8-83.1.2 自由空间传播模型自由空间传播模型(2) 自由空间场强计算自由空间场强计算距离发射机距离发射机 d 处天线的接收功率：处天线的接收功率：AR接收天线的有效面积接收天线的有效面积其中其中 AR 与接收天线增益满足下面关系：与接收天线增益满足下面关系：GR 接收天线增益 各向同性天线的有效面积)73()(RRASdP)83(42RRG
12、A42第17页2022-8-83.1.2 自由空间传播模型自由空间传播模型(2) 自由空间场强计算自由空间场强计算接收天线获取的功率：接收天线获取的功率：可以看出 接收功率随 TR 距离的平方衰减。)93(4)(22dGGPdPRTTR第18页2022-8-83.1.2 自由空间传播模型自由空间传播模型(3) 自由空间传播损耗自由空间传播损耗 自由空间传播损耗：自由空间传播损耗：发射功率和接收功率的比值。发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页2022-8-83.1.2 自由空间传播模型自由空间传播模型(3)
13、 自由空间传播损耗自由空间传播损耗 用分贝表示传播损耗：用分贝表示传播损耗：)133()(lg20)(lg2044.322lg20)(MHzfkmdCfddBLfs第20页2022-8-83.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播(1) 视线传播距离视线传播距离 视线传播距离可由右图计算视线传播距离可由右图计算天线高度分别为天线高度分别为 ht 和和 hr ：则：则：视线传播的极限距离视线传播的极限距离 d 为：为：式中，式中，ht、hr的单位是的单位是m，d 的单位是的单位是KmrthRRhRdhRRhRdrt02122202002020）（）（)(57. 3rthhd)(2021rthh
14、Rddd 图3.2 视线传播极限距离d第21页2022-8-83.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播(2) 大气折射及对大气折射及对 d 值的修正值的修正实际系统中，考虑大气的不均匀性对电波传输的影响，将会实际系统中，考虑大气的不均匀性对电波传输的影响，将会产生折射现象，折射引起电波在传播方向上发生弯曲。产生折射现象，折射引起电波在传播方向上发生弯曲。工程上工程上,通常用通常用“地球等效半径地球等效半径”来等效。如下式：来等效。如下式： 式中，式中，k 为地球等效半径系数，为地球实际半径，为地球等效半径系数，为地球实际半径，Re是等效半是等效半径。径。0RRke第22页2022-8-83
15、.1.3 大气中的电波传播大气中的电波传播(2) 大气折射及对大气折射及对 d 值的修正值的修正在标准大气压条件下，在标准大气压条件下，k=4/3Re=63704/3=8500 Km视线传播距离修正为：视线传播距离修正为：式中，式中，ht、hr的单位是的单位是m，d 的单位是的单位是KmrethRRhRdhRRhRdereeete22222221）（）（)(12. 4rthhd第23页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制 在地面移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制为：在地面移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制为：q 反反 射射q 散散 射射q 绕绕 射射 接
16、收功率是基于反射、散射和绕射的大尺度传播模型预测的接收功率是基于反射、散射和绕射的大尺度传播模型预测的的最重要的参数；的最重要的参数； 这三种传播机制也描述了小尺度衰落和多径传播。这三种传播机制也描述了小尺度衰落和多径传播。第24页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制 反射：反射：电磁波在不同性质的介质交接处会有一部分产生反射（发生于地球表面，建筑物，墙壁表面）。 绕射：绕射：接收机与发射机之间的无线路径被光利的边缘阻挡时产生绕射（如：山峰，建筑物）。 散射：散射：当波传播的介质中存在小于波长的物体，并且单位体积内障碍物的个数非常多时产生散射。 q 散射波产生于粗糙表面
17、、小物体、或其他不规则物体（在实际通信系统中，街道标志和灯柱等）。第25页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制(1) 反射反射图3.5 反射波与直射波第26页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制(1) 反射反射什么情况下发生反射？什么情况下发生反射？当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比波长大的多时，就会产生镜面反射。反射系数：反射系数： 考虑平面波入射情况，不同界面的反射特性用反射系数 R 表征： jireREER由图3.5，接收机处的场强：rDtotEEE第27页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制(
18、1) 反射反射当 dht，dhR 时，很小，R1dGPEtttot30dhhrt 2sin2接收场强接收场强（干涉公式干涉公式）：）：dhhEErttot2sin20 sin20E由地面反射引起的变化由地面反射引起的变化参见无线通信原理与应用美Theodore S. Rappaport第28页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制(1) 反射反射当 sin时， d0：dhhddEdErttot2sin2)(00较小时较小时dhhddErt2200第30页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制(1) 反射反射d 处的接收功率表示为：当距离 d 很大时，
19、接收功率随距离成4 次方衰减，比自由空间损耗快得多；但与工作频率 f 无关。路径损耗用路径损耗用dB可表示为可表示为:422)(dhhGGPdPrtrttr)log20log20log10log10(log40)(rtrthhGGddBL第31页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制 dB、dBm、dBw、dBi及及dBd的概念及区别的概念及区别q dB（分贝）：（分贝）：描述（功率）相对比值的单位。描述（功率）相对比值的单位。 dB=10lg(功率比功率比)q dB是相对单位，不能表示功率的绝对电平值。是相对单位，不能表示功率的绝对电平值。第32页2022-8-83.1
20、.4 三种基本传播机制三种基本传播机制 dB、dBm、dBw、dBi及及dBd的概念及区别的概念及区别q dBm（分贝毫瓦）：（分贝毫瓦）：描述功率绝对值的单位。描述功率绝对值的单位。 dBm=10lg(功率值功率值/1mw)q dBm是相对于是相对于 1mw功率电平的绝对值。功率电平的绝对值。 1mw=0 dBm 20mw=13 dBm 40mw=16 dBm第33页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制 dB、dBm、dBw、dBi及及dBd的概念及区别的概念及区别q dBw（分贝瓦）：（分贝瓦）：描述功率绝对值的单位。描述功率绝对值的单位。dBw=10lg(功率值功
21、率值/1w)q dBw是相对于是相对于 1w功率电平的绝对值。功率电平的绝对值。 1w=0 dBw=30dBm 2w=3 dBw=33dBm 40w=16 dBw=46dBm第34页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制 dB、dBm、dBw、dBi及及dBd的概念及区别的概念及区别q dBi（分贝增益）：（分贝增益）：描述与全方向性天线相对增益的单位。描述与全方向性天线相对增益的单位。q dBd（分贝增益）：（分贝增益）：描述与偶极子天线相对增益的单位。描述与偶极子天线相对增益的单位。q 一般认为，表示同一个增益时，用一般认为，表示同一个增益时，用dBi表示比用表示比用
22、dBd表示要表示要大大2.15。 即：即：0dBd=2.15 dBi第35页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制(2) 散射散射 ( Scattering ) 实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强。的要强。这是因为当电波遇到粗糙表面时这是因为当电波遇到粗糙表面时( 例如像灯柱和树例如像灯柱和树 ) ，反射能量由于散射而散布于所有方向，反射能量由于散射而散布于所有方向 ，这样给接收机提供，这样给接收机提供了额外的能量。了额外的能量。第36页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制
23、(2) 散射散射 ( Scattering ) 粗糙地面的反射粗糙地面的反射: i入射角入射角 hc表面平整度参考高度表面平整度参考高度 如果平面上最大的凸起高度如果平面上最大的凸起高度 h0.5 时，时， 绕射损耗为绕射损耗为 0 dB; 当当 x/x10 时，时， 绕射损耗急剧增加绕射损耗急剧增加。(3) 绕射绕射( Diffraction ) 在移动通信系统中，对次级波的阻挡会产生绕射损耗。在移动通信系统中，对次级波的阻挡会产生绕射损耗。P97 例例3-1第46页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制(3) 绕射绕射( Diffraction ) 多重刃形绕射多重刃
24、形绕射q 在很多情况下，特别是山区，传播路径上不光一个阻挡体在很多情况下，特别是山区，传播路径上不光一个阻挡体，而所有障碍物引起的绕射损失都必须计算。，而所有障碍物引起的绕射损失都必须计算。q 布灵顿布灵顿( Bullington ) 提出用一个等效阻挡体代替一系列阻提出用一个等效阻挡体代替一系列阻挡体，就可以使用挡体，就可以使用单刃绕射模型单刃绕射模型计算路径损耗。计算路径损耗。第47页2022-8-83.1.4 三种基本传播机制三种基本传播机制(3) 绕射绕射( Diffraction ) 多重刃形绕射多重刃形绕射单等效刃形 等效于单个刃形的布灵顿 Bullington 结构RT阻挡体#1阻挡体#2