第三章-移动通信信道与天线

第3章移动通信信道与天线3.1认识无线信道

无线移动信道的电波传播特性与传播环境——地貌、人工建筑、气候特征、电磁干扰情况、通信体移动速度和使用的频段等密切相关。无线通信系统的通信能力和服务质量、无线通信设备要采用的无线传输技术都与无线移动信道性能的好坏密切相关。因此，要想在比较有限的频谱资源上尽可能地高质量、大容量传输有用的信息，就要求我们必须了解无线移动信道的特性。

移动信道为典型的变参信道，一般使用甚高频VHF(30-300MHz)

、特高频UHF(300~3000MHz)频段，本章在阐述VHF和UHF频段电波传播特性的基础上，重点讨论陆地移动信道的特征、传播损耗的估算方法，并对其他移动信道作简单介绍。信道传输媒质有线信道（架空明线、电缆、光纤）无线信道信道特性参数随外界变化恒参信道（有线）变参信道（无线）中长波地表面传播短波电离层反射传播超短波和微波直射传播散射传播3.1认识无线信道为何较早的移动通信系统主要使用VHF和UHF频段。

(1)VHF／UHF频段适合于移动通信

从VHF／UHF频段电波的传播特性来看，主要是在视距范围内，一般为几十公里。而大部分车辆的日常运动半径也在几十公里范围内，因此这个频段适于移动通信。

(2)天线长度决定于波长，这个频段信号发射和接收时，所使用的天线较短便于移动。

(3)抗干扰能力强

VHF／UHF频段，可以用较小的发射功率获得较好的信噪比。

3.2无线电波的传播方式发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率f＞30MHz时，典型的传播通路如图地波传播（2MHz以下）电离层传播（3~30MHz）自由空间传播（直射波）（30MHz以上）对流程传播（30~300MHz）外层传播（卫星通信）3.3移动通信电波传播特性

3.3.1陆地移动通信的地形地物1，地形的分类和定义准平滑地形（起伏20m以下） 丘陵地形不规则地形 孤立山岳 倾斜地形 水路混合地形2，地物的分类和定义开阔区郊区市区隧道区3，基地台、移动台天线有效高度的定义基站：天线的海拔高度-地面的海拔高度移动台：车体或人体的高度，<3m3.3.2移动通信电波传播的主要方式1，直射

没有障碍物，自由空间直线传播2，反射

碰到比电磁波波长大的障碍物，地表高大建筑物3，衍射

碰到比电磁波波长大的障碍物，在物体背后产生的次级波4，散射

碰到比电磁波波长小的障碍物，信号碰到粗糙面，向各个方向产生反射多径传播到达接收端的信号是来自不同传播路径信号之和。分析移动通信时主要考虑直射波和反射波3.3.3描述移动通信衰落特征的物理量1，场强中值当场强高于规定电平值的持续时间占统计时间的一半时，规定的那个电平为场强中值2，衰落深度衰弱的严重程度3，衰落速率场强衰弱的快慢，单位时间内场强包络与场强中值相交次数的一半4，衰弱持续时间场强低于某一定电平值的持续时间3.4移动通信信道3.4.1移动无线信道特性描述无线比有线信道复杂，主要表现在以下几个方面：移动通信的工作环境十分复杂移动通信常常在快速移动当中信道的特性非常复杂3.4.2移动无线信道电波传播的衰落特性快衰落：曲线瞬时呈快速变化主要原因：多径效应，多普勒平移慢衰弱：信号强度特征曲线的中值呈慢速变化主要原因：位置变化（障碍物状况的变化），气象条件1，多径效应

无线电波主要传播类型包括直射、反射等。移动台所处地理环境的复杂性，使得接收端的信号不仅会含有直射波的主径信号，还会有从不同建筑物反射及衍射等过来的多条不同路径的信号，而且它们到达时的信号强度、时间及载波相位都不同，在接收端收到的信号是上述各路径信号的矢量和。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，可能产生达30～40dB的深度衰落。通常这种由于多径现象引起的干扰称为多径干扰或多径效应，产生的衰落称为多径衰落。快衰弱2,多普勒频移由于移动台的高速移动而产生的传播信号频率的扩散，称为多普勒效应，如图2-14所示。多普勒频移表征了时变信道影响信号衰落的衰落节拍，信道随节拍在时域上对信号有不同的选择性，会引起时间选择性衰落，对数字信号的误码性能有明显的影响。传播信号频率扩散程度与移动台的运动速度v成正比，即多普勒频率fd为相对运动：fr=fc+fd背向运动：fr=fc-fd快衰落，时间选择性衰落3，阴影效应由于电波传播遇到建筑物等阻挡，形成电波阴影区，阴影区的电场强度减弱的现象称为阴影效应。接收天线处场强中值的变化引起的衰落，称为阴影衰落。由于这种衰落的变化速率较慢，是一种慢衰落。慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围地形，包括山丘起伏、建筑物的分布与高度、街道走向、基站天线的位置与高度，以及移动台行进速度，而与频率无关。慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与周围环境。4,时延扩展(色散)

假设基站发射一个窄脉冲信号

，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，脉冲宽度被展宽了，直观上将最大传输时延和最小传输时延的差值称为时延扩展，用△t表示。如果发送的窄脉冲宽度为T，则接收信号宽度为T+△t

。这种因多径传播造成信号时间扩展的现象，称为时延扩展，也称为多径时散，为了避免码间干扰Rb<1/△t5,相关带宽

时延扩展的概念从时域的角度反映了多径效应对接收端信号的影响，

从频域的角度看，考虑到信号中不同的频率分量通过多径信道后对接收端信号的影响，引入相关带宽（Bc）的概念。相关带宽是由时延扩展得出的一个确定关系值，频率间隔很小的两个衰落信号存在不同的时延，两个衰落信号的幅度可能有很强的相关性，这样的频率间隔称为相关带宽。若所传输的信号带宽较宽，以至与相关带宽（Bc）可比拟时，则所传输的信号将产生明显的畸变，称为频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。Bc=1/2

△t（角频率）Bc=1/Tm相关带宽表示的是另个频率分量基本相关的频率间隔。如果频率B信号<Bc，衰落具有一致性，非频率选择性衰落（平坦衰落）如果频率B信号>Bc，衰落不具有一致性，频率选择性衰落3.5移动通信天线3.5.1天线的定义与类型3.5.2天线特性3.5.3几种典型的移动通信天线3.5.4智能天线及其在移动通信中的应用3.6抗衰落技术

3.6.1概述在移动通信系统中，移动台常常工作在城市建筑群或其他复杂的地理环境中，而且移动的速度和方向是任意的。发送的信号经过反射、散射等传播路径后，到达接收端的信号往往是多个幅度和相位各不相同的信号的叠加，使接收到的信号幅度出现随机起伏变化，形成多径衰落在移动通信信道中，除了多径衰落还有阴影衰落。气象条件等的变化也都影响信号的传播，使接收到的信号的幅度和相位发生变化。采用分集接收，均衡技术和信道编码来改进接收信号的质量3.6.2分集技术的基本原理分集技术的含义:

发射端分散传输，使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号；接收端分集接收，集中处理，把接收到的多个统计独立的衰落信号进行合并以降低衰落的影响。分集接收把接收到的多个衰落独立的信号加以处理，合理地利用这些信号来改善接收信号的质量。作用充分利用接收信号；减小在平坦性衰落（非选择性衰落）信道上接收信号的衰落深度和衰落的持续时间。分集技术是抗衰落的有效措施之一分集技术可以分为宏分集和微分集两大类宏分集

——“多基站”分集，可以减小慢衰落（如阴影衰落）的影响；移动台选择信号最好的一个基站进行通信。微分集

——在空间、时间、频率、极化、场分量、角度等方面分离无线信号，用来减小快衰落影响。

3.6.3分集技术及其在移动通信中的应用空间分集(Spacediversity)频率分集(Frequencydiversity)时间分集(Timediversity)极化分集(Polarizationdiversity)空间分集接收指在空间不同的垂直高度上设置几幅天线，同时接收一个发送天线的信号，然后合并或者选择其中一个强信号。接收天线之间的距离d≥λ/2保证接收天线输入的信号衰落特性是独立的。当某一幅天线接收的信号很低时，其他天线则不一定在同一时刻出现幅度低的现象。对于空间分集而言，分集的支路数M越大，分集的效果越好。但当M较大时（如M>3），分集的复杂性增加，分集增益的增加随着M的增大而变得缓慢。分集天线之间的距离D

η=h/D参数η，在900MHz的系统中取10，DCS1800中取20，天线挂高h，25m~30mD一般在3.5m~4m之间在移动环境下，两个在同一地点极化方向相互正交的天线发出的信号呈现出不相关衰落特性。极化分集实际上是空间分集的特殊情况，其分集支路只有两路。极化方式(Polarization）:V垂直极化；H水平极化，即电磁场的振动方向频率分集是采用两个或两个以上具有一定间隔的信号同时发送和接收，然后进行合并或选择将要传输的信息分别以不同的载频发射出去，只要载频之间的间隔足够大（大于相干带宽），那么在接收端就可以得到衰落特性不相关的信号。（相当于是减小频率选择性衰落）频率分集的优点是与空间分集相比，减少了天线的数目。但缺点是要占用更多的频谱资源，在发射端需要多部发射机。CDMA的扩频技术就是一种频率分集时间分集将给定的信号在时间上相差一定的间隔重复传输M次，只要时间间隔大于相干时间，就可以得到M条独立的分集支路。特点是增加了接收概率；接收机有多路，接收机复杂时间分集和空间分集相比，优点是减少了接收天线数目，缺点是占用更多的时间资源，降低了传输效率。3.6.4隐分集与RAKE接收显分集（空间，极化，频率，时间）隐分集（交织编码技术，跳频，直接扩频）隐分集技术，是指只用一副天线接收信号来实现分集的技术。分集作用是隐含在传输信号的方式中，而在接收端利用信号处理技术实现分集。RAKE接收是将那些幅度明显大于噪声背景的多径分量取出，通过延时和相位校准，使它们在某一时刻对对齐，按照一定的规则合并。只适用于CDMA多址系统，因为只有CDMA系统才能根据用户的地址码分辨那些是真正发给用户的信息RAKE接收机利用