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1、移动通信第四讲移动信道中的电波传播与分集接收（一） 回顾n我们已经了解了BTS小区cell、LocationArea（BSC）区、MSC区等概念n分级之下的无缝覆盖n导出了常用移动通信系统模型MTBTSBSCMSC/VLRCNHLR/AUC用户BSSNSS回顾n知道了移动通信接入网AN与电信网络基础设施之间的关系运营者CN网络移动通信网MT回顾n为了深入分析起见，借用ISO组织倡导的OSI（开放系统互连）7层协议模型n得到了移动通信系统（接入系统）的分层描述方法功能分层轴设 备 分 布 轴回顾n具体到GSM系统以及深受其影响的系统n有如下模型RR链路层物理层 无线信道链路层线缆链路层线缆链路层
2、线缆人 MTBTSBSCMSCMMCCRRMMRRMMCCLevel 3Level 2Level 1回顾n其中的直接连接子系统的接口协议n中继连接子系统的对等实体的意义n尤其是空中接口RR链路层物理层 无线信道链路层线缆链路层线缆链路层线缆人 MTBTSBSCMSCMMCCRRMMRRMMCCLevel 3Level 2Level 1回顾n对于物理层、高层协议的简单评述n物理层复杂，系统体制及协议的多样性n高层量大，有一定的继承性n尽量使得高层协议于底层设备无关回顾n物理层的打包传输n物理帧，及其对高层协议包（信令、数据）的承载n物理帧的一般格式帧 头帧 号信 息均 衡训 练校 验信 息回顾n
3、发送、接收的一般过程n发送信源压缩、纠错编码、交织、成帧、基带成形、中频调制、射频搬移、放大发射。n接收天线接收、低噪声放大、射频搬移、中频解调、捕捉、同步、译码。回顾信源编码信源信道编码中频调制BPF混频BPF功放BPFI 中频0射频0交织成帧成形BPF信宿LNA放大混频BPF解调译码I 中频0射频I捕捉同步回顾n捕捉同步环节非常重要n初始捕捉针对物理帧头n有频差存在n靠包络检波思想，来确定帧头是否到达n到达以后的检验序贯检测n一旦粗同步上，对帧头进行信道估计，并且抵消系统间的频率差异载波同步回顾n帧同步（组同步、符号同步）在序贯检测完成后认为已经完成n位同步对发送的物理帧，以高于其物理为速
4、率的若干倍的本地位时钟，进行采样、处理，择其中的较大值使用，并且以之为接收端的位时钟。动态调整时钟电路或算法，保持位同步。回顾n这样得到了解调、译码后的数据。n能否正确操作，取决于输入端的信号功率，及整套算法。n但是接收功率是一个至关重要的因素。n那么，接收功率应该多大？发射功率应是多大？与哪些因素有关？n经济性、无线电电磁干扰的角度理解。移动通信无线信道概述 n无线信道指的是：n超长波 （100-10km）极低频VLF（3 - 30KHz）n长波 （101km） 低频LF （30300KHz）n中波 （1000100m）中频MF （0.33MHz）n短波 （10010m）高频HF （330M
5、Hz）n超短波（米波）(101m) 甚高频VHF（30300MHz）n微波（分米波）(101dm) 特高频UHF（0.33GHz）n微波（厘米波）(101cm) 超高频SHF（330GHz）n微波（毫米波）（10-1mm） 极高频EHF（30-300GHz） 移动通信无线信道概述n微波段内还有所谓：nC波段（3.625至6.425GHz）、nKu波段（10.95至14.50GHz）等称谓n起源于战时雷达等设备工作频率的保密称呼。 无线电波的传播特性 nVLF: 超长波，地表面波传播nLF： 长波， 地表面波传播nMF: 中波， 地表面波传播nHF： 短波， 电离层反射传播nVHF：超短波，视距
6、直射、反射、散射nUHF：分米微波，视距直射、反射、散射nSHF：厘米微波，视距直射、反射、散射nEHF：毫米微波，视距直射、反射、散射 移动通信无线信道 n占用VHF、UHF频段居多n以直射、折射、绕射、反射、散射等无线电波传播方式为主，传递到收方n因而信道是时变的，或叫变参信道。 VHF、UHF电波传播特性 n150MHz频段 传呼等n450MHz频段 集群通信、模拟手机等n900MHz频段 GSM、CDMA等n1800MHz频段 GSM（DCS-1800）等n2000MHz频段 IMT-2000（3G）n2400MHz频段 WLAN、Bluetooth、HomeRF等 VHF、UHF频段
7、电波以直射、反射传输为主 n该频段地面波传播部分衰耗大，所以接收到的地表波信号能量几乎可以不计。 n该频段电波会穿透电离层，不会反射回来，因而接收不到电离层反射回来的电波能量。 n以直射（折射可被看作分段直射）、受障碍物反射传播（散射可被看作漫反射）方式为主要形式传播。 n绕射指的是VHF、UHF频段电波经过山体、森林时被部分吸收的现象，这部分影响可折合到直射传播时的能量损耗上去。 自由空间中的直射波传播 n直射波可按自由空间中的传播来考虑 n没有阻挡，没有吸收。 n实际上地面上空的空气在一定条件下的电波传播 n大气各向同性，、1、空中无阻挡，接收处无地面反射的电波传播也可看作自由空间传播。
8、自由空间中的直射波传播 续（1）n自由空间中直射波的能量扩散 n虽然自由空间中直射波不会被阻挡或被吸收，但能量仍会由于电波扩散而受到衰减。 自由空间传输损耗公式 nLfs = PT / PRnPT：辐射功率，瓦 nPr：接收功率，瓦 nGT：发散天线增益 nGR：接收天线增益 自由空间传输损耗公式 续（1）n可根据电波在自由空间传播规律列出得到下式： nPr=SAR=(PTGT/4d2)(2GR/4) =PTGTGR（ / 4d ）2nLfs=PT/PR= GTGR（ 4d / ）2自由空间传输损耗公式 续（2）nLfs（db）=10lg（ 4d / ）2 - 10lg（ GTGR ）n此中：
9、d的单位为米，的单位为米 n当把d的单位折合为公里，以频率f来表示，频率的单位为Mhz时 自由空间传输损耗公式 续（3）n得到：Lfs(dB)=32.44 + 20lgd + 20lgf - 10lg GTGRn可见：自由空间中电波传播损耗或衰减只与工作频率f，和传播距离d有关。nf或d增大一倍，Lfs(dB)增加6dB，即衰耗值减小4倍。 非理想条件下的大气中传播 n实际移动信道 n电波在低层大气中传播，介质非均匀，温度、湿度、气压均不一致，会影响电波传播，产生折射、吸收现象。 VHF、UHF波段 n折射尤为突出，改变了视距传播的极限距离。 有利于超视距的传播。 VHF、UHF波段 续（1）
10、n但也会由折射现象引起直射与折射形成多矩波， 形成随机合成波， 影响见后述。 地球等效半径 Re n地球半径 R0=6.37106 mn由于折射使视距传播远了，可以认为R0变大了。 n即等效地球半径概念 Re 。 地球等效半径 Re 续（1）nRe可如下计算：nRE/R0=1/（1+R0dn/dh）nn：大气折射率nh：大气高度 ndn/dh： 单位：1/米地球等效半径 Re 续（2）n标准大气折射值dn/dh -4 10-8（1/m） n此时下：Re R0=6.37 106mnRe = 8.5 106mRe下的视线传播极限距离 dRe下的视线传播极限距离nd=n在标准大气折射下， Re= 8
11、.5 106mn在ht200m，hr1.5m时，d63km )(Re2hrht 折射传输时的电波衰耗n仍可套用自由空间直射电波传播衰耗公式，只是距离d变大了。 障碍物的影响与绕射损耗 n绕射指的是VHF、UHF频段电波经过山体、森林等障碍物时被部分吸收的现象，这部分影响可折合到直射传播时的能量损耗上去。 nL=Lfs+L附加损耗（即绕射损耗） 障碍物的影响与绕射损耗 续（1）n绕射损耗计算与查表 h1h2TRxPd1d2X为负数时有阻挡X为正数时无阻挡障碍物的影响与绕射损耗 续（2）n经工程测算，得出绕射损耗图 06dB0dBX/x1绕 射 损 耗正负障碍物的影响与绕射损耗 续（3）n其中：
12、21211ddddx x1 为正值分析得出： x/x10，即x0，无阻挡，则无附加损耗 x/x10，即x0, 有阻挡，则有附加损耗 x0时，电波在障碍顶点处擦过，有吸收效应，附加6db损耗 反射波 (地面、障碍物等造成的反射) n电波传播产生反射波的条件及场合 n电波传播遇到两种不同介质的光滑界面时，媒介面尺寸远大于波长，就会产生镜面反射。 TR反射波 (地面、障碍物等造成的反射) 续（1）nVHF、UHF的波长从10m到1dm（分米）n界面尺寸很容易比这个波长大。 反射系数R nR=反射波场强/入射波场强=n|r| 场强振幅比n 反射波相对入射波的相移jerjer两径传播模型 n如下图： T
13、Rd两径传播模型 续（1）n在VHF、UHF电波传播的大部分应用场合，均有： nPr = Pt /4d2 Gt Gr |1+R e|nR：反射系数nd = AC + CB AB 波程差n= 2 * d / 波程差带来的相位差 n可见此时的损耗计算不那么容易。n并且，产生了多径传播的随机合成电磁波。 Doppler shift 多普勒频移 n多普勒效应 nMT在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。 模型 MT入射波波长 =c/f c光速 f电磁波频率VfD 记为多普勒效应引起的相对于的附加频移 fD = （/）cosFm = / 称为最大多普勒频移 例子GSM系统与3G系统n载
14、波f0 900MHznMT移动速度v = 50km/hnfm 41.7(Hz)n载波f0 2000MHznMT移动速度v = 200km/hnfm 370(Hz) 电波传播及衰耗现象、合成波现象 n 直射波、折射波、绕射波、反射波、散射波传播损耗 （衰耗）n直射波传播的情况及其衰耗与d、f的关系已经介绍过了。 n折射波传播的情况及其衰耗套用直射波情况，只是传播距离d等效加长，f不变。 n绕射波传播的情况及其衰耗随传播中遇到的障碍物的不同而不同，无法精确数学分析，只能依靠工程数据图表查找出附加损耗，再计算到直射传播基本损耗上去。 n反射波及其衰耗的情况可参考直射情况，再考虑上反射系数R的作用。
15、n漫反射传播现象的处理考虑。 实际环境下的合成波传播 n是上述直射、折射、绕射、反射传输形式的综合体n无线电信号通过移动信道时，遭受到来自不同途径的衰减损耗n最后形成随机合成电波信号，被接收天线拾取。 n实际上是无法精确描述各种传输路径的传播情况的，只能工程地处理。 n即：通过实地工程测量，造出表格，构造各种模型，给工程设计人员提供指导作用。 定性的结论 n电磁波传播情况虽然复杂至极，但定性的结论还是可以给出的。 n接收功率与传播距离d的关系 n当电磁波频率f一定时，电磁波在自由空间（真空）中传播时的接收功率与传播距离d的平方成反比。 n在实际空间中传输时，把平方修正成为三次方或四次方。 定性
16、的结论 续（1）n电磁波传播情况虽然复杂至极，但定性的结论还是可以给出的。 n接收功率与合成波现象的关系 n合成波形成于VHF、UHF电磁波的多径传播（直射、折射、绕射、反射）。由于途径多样性多变性，因而在接收天线上形成一个随机合成波。 n因而可以认为接收功率与一个R（d）成正比，该R（d）实际上是一个受一定距离决定的随时变化的随机数值。 n该R（d）无法数学精确描述，但可以依照随机过程理论统计意义上面去描述。n比如可以统计给出R（d）的均值、方差。 定性的结论 续（2）n电磁波传播情况虽然复杂至极，但定性的结论还是可以给出的。 n传播环境随时间的变化及其对接收功率的影响 n前面讲过，电磁波传播的衰耗和距离d有关系，在这传输距离d上又有多种变化着的传播途径（直射、折射、绕射、反射），并且大气性质还随时间变化，因而仅一个R（d）描述接收功率的随机性还不够。 n因而认为接收功率还与一个S（d）成正比，该S（d）实际上也是一个受一定距离决定的随时变化的随机数值。 n只是R（d）的随机变化速率远大于S（d）的变化速率。前者是小于秒级别意义上的，后者至少是小时级别的。 定性的结论 续（3）n移动
