作者：啜钢,孙卓
出版社：电子工业出版社
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移动通信原理试读：
前言
目前，移动通信是通信领域发展最快的通信技术之一，近些年来人们在继续关注第二代蜂窝移动通信系统发展的同时，已将第三代蜂窝移动通信系统投入商用，人们正在从3G商用网络的应用中得到无线宽带业务带来的高速、高质量的享受。与此同时3GPP LTE的标准化也已经取得了巨大进展，并且已有部分的网络投入商用，相信在不久的将来LTE就会得到迅猛发展。另外，基于IEEE 802.16协议簇的下一代无线接入互连网络也在蓬勃发展，4G（或称IMT-Advanced）也正在从理论探讨和系统仿真评估阶段逐步走向制定标准的阶段。
随着移动通信技术的发展，越来越多的年轻学子和广大的工程技术人员渴望学习和了解移动通信的基本原理和新技术。为了满足高等学校电子信息类专业学生和移动通信领域广大工程技术人员的需要，我们编写了此教材。编写此教材的宗旨是：以基础理论、基本技术为基础；以实际移动通信应用系统为重点，力图全面准确地介绍蜂窝移动通信系统基础理论和系统，并且尽量选取较新的资料和作者的一些研究成果，为读者了解移动通信的发展以及新技术和方法提供帮助。另外在对移动通信原理和技术进行介绍时，避免过多的数学分析和表述，而尽量用图表和文字进行论述。
本书共8章，各章主要内容包括：第1章，介绍了移动通信的发展，简单给出了移动通信系统的特点和应用系统。
第2章，较全面地介绍移动通信的无线传播环境和传播预测模型。这部分内容是移动通信的基础，也是移动通信系统设计的关键因素。
第3章，介绍移动通信中的信源编码和调制解调技术，尽管这些技术在通信工程等专业的先修课程中已有所介绍，不过这里将依据移动通信的特点和要求，重点介绍移动通信系统中所采用的调制解调技术。
第4章，介绍移动通信系统中的各种抗衰落和抗干扰技术、链路自适应技术，以及多天线传输技术，以期为后面介绍移动应用系统提供必要的理论基础。
第5章，从移动通信网的角度，介绍网络的组成基础和结构。
第6章，系统介绍GSM系统的业务、网络组成、信道结构，以及呼叫处理和移动性管理等技术。以GSM系统为例，使读者较全面地了解一个实际系统的运作过程。另外，还简单介绍了GSM的增强技术GPRS和EDGE系统的概念。
第7章，对3G技术基础进行介绍，包括3G技术的三大标准的基本概念，以及CDMA2000（主要是CDMA2000 1X），WCDMA和TDD-SCDMA等。
第8章，介绍3GPP LTE基本技术，以及第四代移动通信系统（IMT-Advanced）的两个主要候选标准LTE-Advanced与WirelessMAN-Advanced的增强技术及发展趋势。
本书第1，2，5，6章由啜钢编写，第3，4，7，8章由孙卓编写。
由于作者才疏学浅，书中难免会出现一些错误和不妥之处，敬请批评指正。
编著者
第1章 概述
本章主要介绍了移动通信原理及其应用方面的基本概念，主要包括移动通信系统的发展历程；移动通信的特点；移动通信的工作方式及移动通信的应用系统。
● 重点掌握移动通信的概念、特点；
● 理解移动通信的发展历程及发展趋势；
● 掌握移动通信的3种工作方式；
● 了解移动通信的应用系统。
1.1 移动通信发展简述
1.第一代及第二代移动通信系统
移动通信的飞速发展是超乎寻常的，它是20世纪人类最伟大的科技成果之一。在回顾移动通信的发展进程时我们不得不提起1946年第一个推出移动电话的AT&T的先驱者，正是他们为通信领域开辟了一个崭新的发展空间。然而移动通信真正走向广泛的商用，还应该从20世纪70年代末蜂窝移动通信的推出算起。蜂窝移动通信系统从技术上解决了频率资源有限、用户容量受限、无线电波传输时的干扰等问题。20世纪70年代末的蜂窝移动通信采用的空中接入方式为频分多址接入方式，即所谓的FDMA方式。其传输的无线信号为模拟量，因此人们称此时的移动通信系统为模拟通信系统，也称为第一代移动通信系统（1G）。这种系统的典型代表有美国的AMPS（Advanced Mobile Phone System）、欧洲的TACS（Total Access Communication System）等。我国建设移动通信系统的初期主要就是引入这两类系统。
然而随着移动通信市场的繁荣，对移动通信技术提出了更高的要求。由于模拟系统本身的缺陷，如频谱效率低、网络容量有限、保密性差等，已使得模拟系统无法满足人们的需求了。为此广大的移动通信领域里的有识之士在20世纪90年代初期开发出了基于数字通信的移动通信系统——数字蜂窝移动通信系统，即第二代移动通信系统（2G）。
第二代数字蜂窝移动通信系统克服了模拟系统所存在的许多缺陷，因此2G系统一经推出就备受人们的注目，得到了迅猛的发展。我国2G移动通信网在短短的十几年就发展为世界范围的最大的移动通信网，几乎完全取代了模拟移动通信系统。在当今的数字蜂窝移动系统中，最有代表性的是GSM系统和CDMA系统。这两大系统在目前世界数字移动通信市场中占了主要份额。
GSM系统的空中接口采用的是时分多址（TDMA）的接入方式。到目前为止GSM还是全世界最大的移动网，占移动通信市场的大部分份额。GSM是为了解决欧洲第一代蜂窝系统四分五裂的状态而发展起来的。在GSM之前，欧洲各国在整个欧洲大陆上采用了不同的蜂窝标准，对用户来讲，不能用同一种制式的移动台在整个欧洲进行通信。另外，由于模拟网本身的弱点，使得它的容量也受到了限制。为此欧洲电信联盟在1980初期就开始研制一种覆盖全欧洲的移动通信系统，即目前的GSM系统。如今GSM移动通信系统已经遍及全世界，即所谓的“全球通”。
2.第三代移动通信系统
CDMA 即码分多址接入方式。从当前人们对无线接入方式的认识角度来讲，码分多址技术有其独特的优越性。CDMA技术最先是由美国的高通（Qualcomm）公司提出的，并于1980年11月在美国的圣地亚哥利用两个小区基站和一个移动台，对窄带CDMA进行了首次现场实验。1990年9月高通公司发布了CDMA“公共空中接口”规范的第一个版本。1992年1月6日，美国通信工业协会（TIA）开始准备CDMA的标准化。1995年正式的CDMA标准出台了，即IS-95A。CDMA技术向人们展示的是它独特的无线接入技术：系统区分地址时在频率、时间和空间上是重叠的，它使用相互准正交的地址码来完成对用户的识别。这种技术带来的好处有：①多种形式的分集（时间分集、空间分集和频率分集）；②低的发射功率；③保密性；④软切换；⑤大容量；⑥话音激活技术；⑦频率再用及扇区化；⑧低的信噪比或载干比需求；⑨软容量。这些特性在满足用户需求方面具有独特的优势，因而得到迅速发展。当今的3G技术大多采用了CDMA无线接入方式。
尽管基于语音业务的移动通信网足以满足人们对于语音移动通信的需求，但是随着人们对数据通信业务需求的日益增高，人们不再满足以语音业务为主的移动通信网为人们所提供的服务了。特别是Internet的发展大大推动了人们对数据业务的需求。统计表明，目前固定数据通信网的用户需求和业务使用量已接近了语音业务。在这种情况下，移动通信网所提供的以语音为主的业务已不能满足人们的需要了。为此移动通信业内的领军者们努力开发研究了适用于数据通信的移动系统。首先人们着手开发的是基于2G系统的数据系统。在不大量改变2G系统的条件下，适当增加一些网络和一些适合数据业务的协议，使系统可以较高效率传送数据业务。目前的GPRS就是这样的系统，现已在我国组网投入商用。另外，CDMA20001X也属于这一范畴。
尽管2.5G系统可以方便地传输数据业务，然而由于它的先天不足，即没有从根本上解决无线信道传输速率低的问题，因此应该说2.5G还是一个过渡产品。而当今人们定义的第三代移动通信系统（3G）才能基本达到人们对快速传输数据业务的需求。
3G的目标主要有以下几个方面：（1）全球漫游，以低成本的多模手机来实现。全球具有公用频段，用户不再限制于一个地区和一个网络，而能在整个系统和全球漫游。在设计上具有高度的通用性，拥有足够的系统容量和强大的多种用户管理能力，能提供全球漫游。它是一个覆盖全球的、具有高度智能和个人服务特色的移动通信系统。（2）适应多种环境，采用多层小区结构，即微微蜂窝、微蜂窝、宏蜂窝；将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起，与不同网络互通；提供无缝漫游和业务一致性，网络终端具有多样性；与第二代系统共存和互通，开放结构，易于引入新技术。（3）能提供高质量的多媒体业务，包括高质量的话音、可变速率的数据、高分辨率的图像等多种业务，实现多种信息一体化。（4）足够的系统容量，强大的多种用户管理能力，高保密性能和服务质量。用户可用唯一的个人电信号码（PTN）在任何终端上获取所需要的电信业务，这就超越了传统的终端移动性，真正实现个人移动性。
为实现上述目标，对无线传输技术提出了以下要求：（1）高速传输以支持多媒体业务。室内环境至少 2Mb/s，室外步行环境至少 384kb/s，室外车辆环境至少144kb/s。（2）传输速率按需分配。（3）上下行链路能适应不对称业务的需求。（4）简单的小区结构和易于管理的信道结构。（5）灵活的频率和无线资源的管理、系统配置和服务设施。
当前3G技术标准主要有3个：欧洲的WCDMA、北美的CDMA2000和我国的TD-SCDMA。
随着3G逐渐走向商用，3G演进技术也在世界范围内受到重视。根据两大标准化组织3GPP（3G Partnership Project，第三代合作伙伴计划）和3GPP2（3G Partnership Project，第三代合作伙伴计划2）的标准发展进程可以清晰地看出3G演进路线。
3GPP标准的演进如图1.1所示。图1.1 3GPP标准的演进历程
3GPP的网络演进是分阶段的平滑演进，R99系统考虑到了对GSM的兼容，现有的2G客户和3G R99客户会继续把他们的业务通过CS域和PS域功能的结合来传输；R4系统对CS域进行了大的改动，引入了软交换，并在BSS引入Iu接口，以适应未来发展的需要；R5系统则在 PS 域引入 IMS 子系统，提供基于 IP 的实时多媒体业务，并支持未来新业务的开发。同时在 R5 系统引入了下行链路增强技术，即 HSDPA 技术，可在 5MHz 的信道带宽内提供最高14.4Mb/s 的下行数据传输速率。随后，又在 R6 中引入了上行链路增强技术，即 HSUPA 技术，可在5MHz信道带宽内提供最高5.8Mb/s的上行数据传输速率。
3.下一代移动通信系统
为应对WiMAX等新兴无线宽带技术的竞争，进一步改进和增强现有3G技术以提高3G技术在宽带无线接入市场的竞争力，2004年年底，3GPP提出了3G长期演进—3G LTE（Long Term Evolution）计划。为了实现向LTE演进的系统目标，3GPP提出了一系列新技术和实现方案，而且不考虑与现有WCDMA系统的后向兼容。LTE重新定义了空中接口和核心网络，摒弃了CDMA技术而采用OFDM技术，只支持分组域，这导致LTE与已有3GPP各版本标准不兼容，现有3G网络很难平滑演进到LTE。3GPP于2008年1月通过FDD LTE地面无线接入网络技术规范的审批，目前LTE正处于修订阶段，此后将被纳入即将推出的3GPP R 8之中。
需要说明的是，这里所介绍的3GPP的标准演进同时包括了WCDMA及TD-SCDMA的演进方案。
3GPP2标准的演进如图1.2所示。图1.2 3GPP2标准的演进路线
3GPP2 中核心网和无线接入网的演进是相互独立的，核心网将向全 IP 过渡。为了满足下一代移动通信中高速率的数据业务并保持前后向兼容性，3GPP2 中无线接入技术的演进，即AIE（Air Interface Evolution，空中接口演进）将分阶段1和阶段2两个阶段进行。其中，阶段1完成多载波HRPD（High Rate Packet Data，高速分组数据），即Rev.B Nx EV-DO，主要目标是提高峰值数据速率并保持后向兼容，同时尽可能减小对基础硬件的影响，通过对多个 HRPD载波的捆绑，既保持良好的后向兼容，又能够推进标准化和市场化进程；阶段 2 实现增强数据分组空中接口（E-PDAI），其峰值数据速率目标是前向链路依据不同的移动性，可以支持100～500Mb/s；反向链路支持 50～150Mb/s，同时降低系统时延。2007 年最新推出的CDMA2000 演进升级版本 UMB（超移动宽带）空中接口规范将采用 OFDMA、MIMO、LDPC等先进技术，并支持全 IP 业务。但实际上在 3GPP LTE 的竞争下，2008 年高通公司宣布放弃UMB技术而转向LTE技术的研究。
另外，移动WiMAX技术的崛起打破了WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA三足鼎立的格局，使竞争进一步升级，并加快了技术演进的步伐。随着移动通信技术和宽带无线接入技术的不断发展和融合，能够在移动状态下为用户提供宽带接入的宽带无线移动技术逐渐成为未来无线通信技术的重点。以 3GPP、3GPP2、WiMAX三大阵营为代表的4种技术——WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA（以下简称TD）和WiMAX，成为目前最具发展潜力的宽带无线移动技术。
WiMAX的演进如图1.3所示。图1.3 WiMAX的演进
在 WiMAX 系列标准中，IEEE 802.16d 和 IEEE 802.16e 是核心标准，但随着技术的演进和标准的不断完善，这两大标准已经成为不兼容的两种技术。IEEE 802.16e 采用了很多先进技术来获得高数据速率，包括 OFDMA、先进编码技术 CTC、自适应编码和调制 AMC、混合自动重传请求HARQ、自适应波束成型、时空码STC及MIMO（多入多出）等技术。IEEE 802.16e可以使用不同的载波带宽（1.75～20MHz）。例如，在10MHz载波带宽下，单用户速率可以达到30Mb/s，可以支持120km/h的移动速度。
IEEE 802.16e不仅具备IEEE 802.16d的性能，而且具备移动、切换等功能，支持多种业务和应用。从应用场景和范围来看，IEEE 802.16e更为广泛。因此，IEEE 802.16e将成为WiMAX标准的主流，甚至会用于固定接入。
随着 IEEE 802.16d 和 IEEE 802.16e 技术逐渐走向商用，IEEE 802.16 工作组开始研究WiMAX下一步演进路线，为此成立了IEEE 802.16m工作组，并于2006年底获得IEEE的正式批准。IEEE 802.16m 的目标是成为下一代移动通信技术，以及 ITU 即将讨论的 IMT-Advanced标准之一；传输目标是固定状态下传输速率达到1Gb/s，移动状态下达到100Mb/s。
移动通信的进一步演进方向是IMT-Advanced或称第四代移动通信系统（4G），无论是LTE还是IEEE 802.16m都在向IMT-Advanced标准化演进。对于IEEE 802.16m来说，由于它的方案与4G的演进方案本质区别较小，两者可以适当融合，所以IEEE 802.16m的进一步完善可以成为一种新的IMT-Advanced技术方案。2010年10月，ITU-R经审议一致通过将收到的6个4G标准候选提案融合为2个——LTE-Advanced和WirelessMAN-Advanced（IEEE 802.16m）。
归纳起来4G是具备宽带接入和具有分布式特征的网络，4G是一个采用全IP的网络结构。也就是说，它的核心网采用IP网结构，整个无线接口也要采用IP技术。4G网络要采用许多新的技术和新的方法来支撑，包括：AMC（Adaptive Modulation and Coding，自适应调制和编码技术）、自适应混合ARQ技术、MIMO（多输入多输出）和OFDM（正交频分复用）技术、智能天线技术、软件无线电技术，以及网络优化和安全性等。另外，为了使4G与各种通信网融合必须使4G网络支持多种协议。
1.2 移动通信的特点和应用系统
1.2.1 移动通信的特点所谓移动通信，是指通信双方或至少有一方处于运动中进行信息交换的通信方式。显然，这是一种在人们的生活和工作中非常实用的通信方式。例如，固定点与移动体（汽车、轮船、飞机）之间、移动体与移动体之间、人与活动中的人或人与移动体之间的信息传递，都属于移动通信。
移动通信系统包括无绳电话、无线寻呼、陆地蜂窝移动通信、卫星移动通信等。移动体之间通信联系的传输手段只能依靠无线通信。因此，无线通信是移动通信的基础，而无线通信技术的发展将推动移动通信的发展。当移动体与固定体之间通信联系时，除依靠无线通信技术外，还依赖于有线通信网络技术，例如，公众电话网（PSTN）、公众数据网（PDN）、综合业务数字网（ISDN）。
移动通信的主要特点如下。（1）移动通信利用无线电波进行信息传输
移动通信中基站至用户间必须靠无线电波来传送信息。由于无线传播环境十分复杂，导致了无线电波传播特性一般很差。表现在传播的电波一般是直射波和随时间变化的绕射波、反射波、散射波的叠加，造成所接收信号的电场强度起伏不定，最大可相差 20～30dB，这种现象称为衰落。另外，移动台的不断运动，当达到一定速度时，固定点接收到的载波频率将随运动速度v的不同，产生不同的频移，既产生多普勒效应，使接收点信号场强的振幅、相位随时间、地点而不断地变化，严重影响通信的质量。这就要求在设计移动通信系统时，必须采取抗衰落措施，以保证通信质量。（2）移动通信在强干扰环境下工作
在移动通信系统中，除了一些外部干扰外（如城市噪声、各种车辆发动机点火噪声、微波炉干扰噪声等），自身还会产生各种干扰。主要的干扰有互调干扰、邻道干扰及同频干扰等。因此，无论在系统设计中，还是在组网时，都必须对各种干扰问题予以充分的考虑。
① 互调干扰。所谓互调干扰是指两个或多个信号作用在通信设备的非线性器件上，产生与有用信号频率相近的组合频率，从而对通信系统构成干扰的现象。产生互调干扰的原因是由于在接收机中使用“非线性器件”引起的。如接收机的混频，当输入回路的选择性不好时，就会使干扰信号随有用信号一起进入混频级，最终形成对有用信号的干扰。
② 邻道干扰。它是指相邻或邻近的信道（或频道）之间的干扰，是由于一个强信号串扰弱信号而造成的干扰。例如，有两个用户距离基站位置差异较大，且这两个用户所占用的信道为相邻或邻近信道时，距离基站近的用户信号较强，而距离基站远的用户信号较弱，因此，距离基站近的用户有可能对距离基站远的用户造成干扰。为解决这个问题，在移动通信设备中，使用了自动功率控制电路，以调节发射功率。
③ 同频干扰。同频干扰是指相同载频电台之间的干扰。由于蜂窝式移动通信采用同频复用来规划小区，这就使系统中相同频率电台之间的同频干扰成为其特有的干扰。这种干扰主要与组网方式有关，在设计和规划移动通信网时必须予以充分的重视。（3）通信容量有限
频率作为一种资源必须合理地安排和分配。由于适于移动通信的频段仅限于UHF和VHF，所以可用的通道容量是极其有限的。为满足用户需求量的增加，只能在有限的已有频段中采取有效利用频率措施，如窄带化、缩小频带间隔、频道重复利用等方法来解决。目前常使用频道重复利用的方法来扩容，以增加用户容量。但每个城市要做出长期增容的规划，以利于今后的发展需要。（4）通信系统复杂
由于移动台在通信区域内随时运动，需要随机选用无线信道，进行频率和功率控制、地址登记、越区切换及漫游存取等跟踪技术。这就使其信令种类比固定网要复杂得多。在入网和计费方式上也有特殊的要求，所以移动通信系统是比较复杂的。（5）对移动台的要求高
移动台长期处于不固定位置状态，外界的影响很难预料，如尘土、震动、碰撞、日晒雨淋，这就要求移动台具有很强的适应能力。此外，还要求性能稳定可靠，携带方便、小型、低功耗及耐高、低温等。同时，要尽量使用户操作方便，适应新业务、新技术的发展，以满足不同人群的使用。这给移动台的设计和制造带来了很大困难。1.2.2 移动通信的应用系统
移动通信的应用系统大致包括以下几种。（1）蜂窝式公用陆地移动通信系统
蜂窝式公用陆地移动通信系统适用于全自动拨号、全双工工作、大容量公用移动陆地网组网，可与公用电话网中任何一级交换中心相连接，实现移动用户与本地电话网用户、长途电话网用户及国际电话网用户的通话接续；与公用数据网相连接，实现数据业务的接续。这种系统具有越区切换、自动或人工漫游、计费及业务量统计等功能。（2）集群调度移动通信系统
集群调度移动通信系统属于调度系统的专用通信网。这种系统一般由控制中心、总调度台、分调度台、基地台及移动台组成。（3）无绳电话系统
无绳电话最初是应有线电话用户的需求而诞生的，初期主要应用于家庭。这种无绳电话系统十分简单，只有一个与有线电话用户线相连接的基站和随身携带的手机，基站与手机之间利用无线电沟通。
但是，无绳电话很快得到商业应用，并由室内走向室外。这种公用系统由移动终端（公用无绳电话用户）和基站组成。基站通过用户线与公用电话网的交换机相连接而进入本地电话交换系统。通常在办公楼、居民楼群之间、火车站、机场、繁华街道、商业中心及交通要道设立基站，形成一种微蜂窝或微微蜂窝网，无绳电话用户只要看到这种基站的标志，就可使用手机呼叫。这就是所谓的“TelePoint”（公用无绳电话）。（4）无线电寻呼系统
无线电寻呼系统是一种单向通信系统，既可公用也可专用，仅规模大小有差异。专用寻呼系统由用户交换机、寻呼控制中心、发射台及寻呼接收机组成。公用寻呼系统由与公用电话网相连接的无线寻呼控制中心、寻呼发射台及寻呼接收机组成。（5）卫星移动通信系统
卫星移动通信系统利用卫星中继，在海上、空中和地形复杂而人口稀疏的地区中实现移动通信具有独特的优越性，很早就引起了人们的注意。最近10年来，以手持机为移动终端的非同步卫星移动通信系统已涌现出多种设计及实施方案。其中，呼声最高的要算铱（Iridium）系统，它采用8轨道66颗星的星状星座，卫星高度为765km。另外还有：全球星（Global star）系统，它采用8轨道48颗星的莱克尔星座，卫星高度约1400km；奥德赛（Odessey）系统，采用3轨道12颗星的莱克尔星座，中轨、高度为10000km；白羊（Aries）系统，采用4轨道48颗星的星状星座，高度约1000km；以及俄罗斯的4轨道32颗星的COSCON系统。除上述系统外，海事卫星组织推出的Inmarsat-P，实施全球卫星移动电话网计划，采用12颗星的中轨星座组成全球网，提供声像、传真、数据及寻呼业务。该系统设计可与现行地面移动电话系统连网，用户只需携带便携式双模式话机，在地面移动电话系统的覆盖范围内使用地面蜂窝移动电话网，而在地面移动电话系统不能覆盖的海洋、空中及人烟稀少的边远山区、沙漠地带，则通过转换开关使用卫星网通信。（6）无线LAN/WAN
无线LAN/WAN是无线通信的一个重要领域。IEEE802.11、IEEE802.11a/IEEE802.11b及IEEE802.11g等标准已相继出台，为无线局域网提供了完整的解决方案和标准。随着需求的增长和技术的发展，无线局域网的应用越来越广，它的作用不再局限于有线网络的补充和扩展，已经成为计算机网络的一个重要组成部分。WLAN技术是目前国内外无线通信和计算机网络领域的一大热点，并且正在成为一个新的经济增长点，对WLAN技术的研究、开发和应用也正在国内兴起。
本书主要讨论蜂窝式公用移动通信系统，其他系统读者可参考有关文献资料。
习题与思考题
1.1 简述移动通信的特点。
1.2 移动台主要受哪些干扰影响?哪种干扰是蜂窝移动通信系统所特有的?
1.3 简述蜂窝式移动通信的发展历史，说明各代移动通信系统的特点。
1.4 移动通信的工作方式主要有几种?蜂窝式移动通信系统采用哪种方式?
本章参考文献
1 Willie W.Lu.4G Mobile Reserch IN Asia，IEEE Communication magazine，March 2003
2 Toru Otsu，ichiro okajima，Network Architecture for Mobile Communications Systems Beyond IMT-2000，IEEE Personal Communications，October 2001
3 Aurelian Bria，Fredrik Gessler.4th-Generation Wireless Infrastructures Scenarios and Research Challenges，IEEE Personal Communications，December 2001
4 啜钢，王文博，常永宇，等.移动通信原理与应用.北京：北京邮电大学出版社，2002
5 啜钢，等.CDMA无线网络规划与优化.北京：机械工业出版社，2004
6 杨大成，等.CDMA2000 1x移动通信系统.北京：机械工业出版社，2003.1
第2章 移动通信电波传播与传播预测模型
本章主要介绍移动通信电波传播的基本概念和原理，并介绍常用的几种传播预测模型。首先介绍电波传播的基本特性，在此基础上介绍影响电波传播的3种基本机制：反射、绕射和散射。然后较详细地介绍移动无线信道及其特性参数，给出常用的几种传播预测模型和使用方法。最后介绍中继协同信道及其建模的一些基本概念。
● 理解电波传播的基本特性；
● 了解3种电波传播的机制；
● 掌握自由空间和阴影衰落的概念；
● 掌握多径衰落的特性和多普勒频移；
● 掌握多径信道模型的原理和多径信道的主要参数；
● 掌握多径信道的统计分析及多径信道的分类；
● 掌握多径衰落信道的特征量的概念和计算；
● 了解衰落信道的建模和仿真；
● 理解传播损耗和传播预测模型的基本概念，理解几种典型模型；
● 了解中继协同信道的基本概念。
2.1 电波传播的基本特性及其研究方法
2.1.1 电波传播的基本特性移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性，掌握移动通信电波传播特性对移动通信无线传输技术的研究、开发和移动通信的系统设计具有十分重要的意义。移动通信的信道是指基站天线、移动用户天线和收发天线之间的传播路径，也就是移动通信系统面对的传播环境。总体来说，移动通信的传播环境包括地貌、人工建筑、气候特征、电磁干扰、通信体移动速度和使用的频段等。无线电波在此环境下传播表现出了几种主要传播方式：直射、反射、绕射和散射，以及它们的合成。图2.1描述了一种典型的信号传播环境。图2.1 一种典型的信号传播环境
移动通信系统的传播环境的各种复杂因素本身可能与时间有关，收发两端的位置也是随机的和时变的，因而移动信道是时变的随机参数信道。信道参数的随机变化导致接收信号幅度和相位的随机变化，这种现象称为衰落。
无线电波在这种传播环境下受到的影响主要表现在如下几个方面：随信号传播距离变化而导致的传播损耗，即自由空间传输损耗；由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电磁波的遮蔽所引起的损耗，一般称为阴影衰落；无线电波在传播路径上受到周围环境中地形地物的作用而产生的反射、绕射和散射，使得其到达接收机时是从多条路径传来的多个信号的叠加，这种多径传播所引起的信号在接收端幅度、相位和到达时间的随机变化将导致严重的衰落，即所谓多径衰落。
另外，移动台在传播径向方向的运动将使接收信号产生多普勒（Doppler）效应，其结果会导致接收信号在频域的扩展，同时改变了信号电平的变化率。这就是所谓的多普勒频移，它的影响会产生附加的调频噪声，出现接收信号的失真。
通常在分析、研究无线信道时，常常将无线信道分为大尺度（Large-Scale）传播模型和小尺度传播模型两种。大尺度模型主要用于描述发射机与接收机（T-R）之间的长距离（几百或几千米）上信号强度的变化。小尺度模型用于描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内信号强度的快速变化。通常在同一个无线信道中大尺度衰落和小尺度衰落是同时存在的，如图2.2所示。图2.2 无线信道中的大尺度和小尺度衰落
根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，无线信道的衰落又可分为长期慢衰落和短期快衰落。一般而言，大尺度表征了接收信号在一定时间内的均值随传播距离和环境的变化而呈现的缓慢变化，小尺度表征了接收信号短时间内的快速波动。
因此无线信道的衰落特性可用下式描述
式中，r（t）为信道的衰落因子；m（t）为大尺度衰落；r（t）0为小尺度衰落。
大尺度衰落是由移动通信信道路径上的固定障碍物（建筑物、山-n丘、树林等）的阴影引起的，衰减特性一般服从d律，平均信号衰落和关于平均衰落的变化具有对数正态分布的特征。利用不同测试环境下的移动通信信道的衰落中值计算公式，可以计算移动通信系统的业务覆盖区域。从无线系统工程的角度看，传播衰落主要影响无线区的覆盖。
小尺度衰落由移动台运动和地点的变化而产生，主要特征是多径。多径产生时间扩散，引起信号符号间干扰；运动产生多普勒效应，引起信号随机调频。不同的测试环境有不同的衰落特性。而多径衰落严重影响信号传输质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减小其影响。2.1.2 电波传播特性的研究方法
理论上来说，电波传播的基本细节可以通过求解带边界条件的麦克斯韦方程得到。边界条件反应了传播环境中各种因素的影响。然而表征传播环境的各种复杂因素就是一个复杂的问题，甚至无法得到必要的参数；求解带有复杂边界条件的麦克斯韦方程涉及非常复杂的计算，因而通常采用一次近似的方法分析电波的传播特性，以避免上述问题。
常用的近似方法是射线跟踪。根据电波在各种障碍物表面上的反射、折射等特性，计算出到达接收端的电波受到的影响。最简单的射线跟踪模型是两径模型，通常是一个直射路径和一个地面反射路径，接收信号是这两个路径信号的叠加。
很多复杂的传播环境不能用射线跟踪模型描述。此时，一般要对传播环境进行实际测量，根据实际测量数据，建立经验模型，如奥村模型、哈塔模型等。
本章将分析无线移动通信信道中信号的场强，概率分布及功率谱密度，多径传播与快衰落，阴影衰落，时延扩展与相关带宽，以及信道的衰落特性，包括平坦衰落和频率选择性衰落，衰落率与电平通过率，电平交叉率，平均衰落周期与长期衰落，衰落持续时间，以及衰落信道的数学模型。另外，介绍主要的用于无线网络工程设计的无线传播损耗预测模型。
2.2 自由空间的电波传播
自由空间是指在理想的、均匀的、各向同性的介质中，电波传播不发生发射、折射、绕射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗。在自由空间中，设发射点处的发射功率为P，以t球面波辐射；设接收的功率为P，则有r
式中，，λ为工作波长，G和G分别为发射天线和tr接收天线增益，d为发射天线和接收天线间的距离。
自由空间的传播损耗L定义为
当G=G=1时，自由空间的传播损耗可写成tr
若以分贝（dB）表示，则有
式中，f（MHz）为工作频率，d（km）为收发天线间距离。
需要指出的是，自由空间是不吸收电磁能量的介质。实质上自由空间的传播损耗是指：球面波在传播过程中，随着传播距离的增大，电磁能量在扩散过程中引起的球面波扩散损耗。电波的自由空间传播损耗是与距离的平方成正比的。实际上，接收机天线所捕获的信号能量只是发射机天线发射能量的一小部分，大部分能量都散失掉了。【例 1】 对于自由空间路径损耗模型，求使接收功率达到 1dBm 所需的发射功率。假设载波频率 f=5GHz，全向天线（G=G=1），距tr离分别为d=10m及d=100m。
解：由于G=G=1，所以由式（2.5）有tr
求出发射和接收端距离分别为10m和100m自由空间的路径损耗，然后依据式（2.3）
即
求出所需要的发射功率。
当d=10m时
当d=100m时
另外要说明一点，在移动无线系统中通常接收电平的动态范围很大，因此常常用dBm或dBW为单位来表示接收电平，即
2.3 3种基本电波传播机制
一般认为，在移动通信系统中影响传播的3种最基本的机制为反射、绕射和散射。
● 反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面，当电磁波遇到比其波长大得多的物体时就会发生反射。反射是产生多径衰落的主要因素。
● 当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时会发生绕射。由阻挡表面产生的二次波分布于整个空间，甚至绕射于阻挡体的背面。当发射机和接收机之间不存在视距路径时，围绕阻挡体也产生波的弯曲。视距路径（LOS，Line Of Sight）是指移动台可以看见基站天线；非视距（NLOS）是指移动台看不见基站天线。
● 散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的移动通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会引起散射。2.3.1 反射与多径信号
1.反射
电磁波的反射发生在不同物体界面上，这些反射界面可能是规则的，也可能是不规则的；可能是平滑的，也可能是粗糙的。为了简化，考虑反射表面是平滑的，即所谓理想介质表面。如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来。图2.3示出了平滑表面的反射。图2.3 平滑表面的反射
入射波与反射波的比值称为反射系数。反射系数与入射角θ、电磁波的极化方式及反射介质的特性有关。反射系数可表示为
式中
式中，ε为介电常数，σ为电导率，λ为波长。
2.两径传播模型
移动传播环境是复杂的，实际上由于众多反射波的存在，在接收机端是大量多径信号的叠加。为了使问题简化，首先考虑简单的两径传播情况，然后再研究多径的问题。
图2.4所示为有一条直射波和一条反射波路径的两径传播模型。图中A表示发射天线，B表示接收天线，AB表示直射波路径，ACB表示反射波路径。在接收天线B处的接收信号功率可表示为图2.4 两径传播模型
式中，在绝对值号内，第一项代表直射波，第二项代表地面反射波，第三项代表地表面波，省略号代表感应场和地面二次效应。
在大多数场合，地表面波的影响可以忽略，则式（2.7）可以简化为
式中，P和P分别为接收功率和发射功率；G和G分别为基站和rttr移动台的天线增益；R 为地面反射系数，可由式（2.6）求出；d为收发天线距离；λ为波长；Δφ为两条路径的相位差，且有
3.多径传播模型
考虑N个路径时，式（2.8）可推广为
当多径数目很大时，已无法用式（2.11）准确计算出接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率。2.3.2 绕射
在发送端和接收端之间有障碍物遮挡的情况下，电波绕过遮挡物传播称为绕射现象。绕射通常会引起电波的损耗。损耗的大小与遮挡物的性质，以及与传播路径的相对位置有关。
绕射现象可由惠更斯（Huygens）-菲涅耳原理来解释，即波在传播过程中，行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前（面）。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。
图2.5是对惠更斯-菲涅耳原理的一个说明。图2.5 惠更斯-菲涅耳原理说明
由图2.5可以看出，在P′点处的次级波前中，只有夹角为θ（即∠°TP′R）的次级波前能到达接收点R。在P点，θ=180；对于扩展波前上的其他点，θ将在0°～180°之间变化。θ的变化决定了到达接收点的辐射能量的大小。显然P′′点的二次辐射波对 R 处接收信号电平的贡献小于P′点的。
若经由P′点的间接路径比经由 P 点的直接路径d长λ2，则这两条°信号到达 R 点后，由于相位相差180而相互抵消。如果间接路径长度再增加λ2波长，则通过这条间接路径的信号到达R点与直接路径信号（经由P点）是同相叠加的；间接路径的继续增加，经这条路径的信号就会在接收点R交替抵消和叠加。
上述现象可用菲涅耳区来解释。菲涅耳区表示从发射点到接收点次级波的路径长度比直接路径长度大nλ2的连续区域。图2.6示意了菲涅耳区的概念。图2.6 菲涅耳区无线路径的横截面
经过一些推导可得出，菲涅耳区同心圆的半径为
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