移动通信工程理论和应用

引言　1

第1章　移动无线电信号环境　15

1.1　移动无线电通信媒介　15

1.2　传播路径损耗　19

1.3　由于散射因素引起的多径衰落　23

1.4　热噪声和人为噪声特性　29

1.4.1　热噪声特性　29

1.4.2　人为噪声特性　31

1.5　时延扩散　34

1.6　相干带宽　38

1.7　在800～900MHz范围内的多径衰落现象　39

练习题　40

参考文献　42

第2章　统计通信理论　44

2.1　统计方法　44

2.2　平均值　45

2.3　遍历过程　46

2.4　累计概率分布(CPD)　47

2.5　概率密度函数(PDF)　47

2.5.1　单个变量的PDF　47

2.5.2　两个变量的联合PDF　48

2.5.3　边缘PDF　49

2.5.4　联合特征函数　50

2.5.5　条件PDF　50

2.6　有效概率密度函数　52

2.6.1　均匀分布　52

2.6.2　高斯分布　53

2.6.3　瑞利分布　53

2.6.4　对数分布　55

2.6.5　二项式分布　56

2.6.6　泊松分布　57

2.7　电平交叉率(LCR)　57

2.8　衰落持续期　60

2.9　相关函数　61

2.9.1　自相关　62

2.9.2　互相关　62

2.10　功率谱密度和连续谱密度　63

2.11　采样分布　64

2.12　置信区间　67

2.13　差错概率　68

2.14　脉冲响应测量　69

2.15　均衡器　70

2.15.1　使峰值失真最小(迫零均衡器)　71

2.15.2　使均方误差最小(MSE算法)　72

2.15.3　构成一个自动均衡器　72

2.15.4　均衡器的讨论　72

练习题　73

参考文献　74

第3章　在平坦地面上的路径损耗　76

3.1　用模型分析法预测路径损耗　76

3.1.1　无线电水平线　76

3.1.2　空中反射　77

3.1.3　信号平均　77

3.1.4　终端在移动　77

3.1.5　移动台天线高度　77

3.1.6　地面波的影响　78

3.2　传播损耗--在光滑地面上　78

3.3　传播损耗--在粗糙地面上　81

3.3.1　正态分布的表面特性　83

3.3.2　表面粗糙度是距离的函数　84

3.3.3　地形数据的分辨间隔　85

3.3.4　有效散射地区的分析　85

3.4　双波模型--解释移动无线电路径的损耗和天线高度的作用 87

3.5　计算平均信号强度(本地均值)的规则　90

3.5.1　中值法　90

3.5.2　均值法　90

3.5.3　确定L值　91

3.6　预测传播路径损耗的模型　92

3.6.1　用于UHF的预测模型　92

3.6.2　Okumura等人的模型　94

3.6.3　经过不同环境的路径损耗的通用公式　96

练习题　97

参考文献　98

第4章　在丘陵地形中的路径损耗和常用的预测方法　100

4.1　基于模型分析的路径损耗预测　100

4.1.1　二次反射波存在　101

4.1.2　二次反射波不存在　103

4.1.3　一次反射波不存在　104

4.2　绕射损耗　105

4.3　圆拱形小山的绕射损耗　110

4.4　路径间隙标准　112

4.5　Lee的宏小区模型　112

4.5.1　人为影响--用不同的方法解释路径损耗　113

4.5.2　地形的影响　114

4.5.3　Lee的宏小区预测模型　115

4.6　Lee的微小区模型　116

4.7　建筑物内的预测模型　119

4.7.1　路径损耗斜率　119

4.7.2　总的接收功率　120

4.8　场强预测的效果　121

4.8.1　街道定向的影响　121

4.8.2　植被的影响　121

4.8.3　隧道内衰减的影响　123

4.8.4　大楼和建筑物的影响　123

4.8.5　路径损耗和局部均值之间的关系　123

4.9　信号门限的预测　124

4.10　信号覆盖地域的预测　124

4.10.1　方法Ａ　124

4.10.2　方法B　127

4.10.3　两种方法的比较　127

4.11　宽带信号传播　128

4.11.1　宽带信号的路径损耗　128

4.11.2　宽带的多径损耗特性　129

练习题　131

参考文献　132

第5章　系统RF设计对传播的影响　135

5.1　天线设计的影响　135

5.2　天线方向性的影响　138

5.3　天线方向图波动影响　140

5.4　高增益天线的影响　144

5.5　移动无线电环境中的电场和磁场的独立性　145

5.6　无线电波极化的影响　148

练习题　152

参考文献　152

第6章　接收信号的包络特性　154

6.1　短时限与长时限衰落的比较　154

6.2　短时限衰落的模型分析　156

6.3　累积概率分布(CPD)　157

6.3.1　来自E场信号r0(t)的CPD　157

6.3.2　H场分量信号的CPD　160

6.3.3　来自定向天线rd(t)的CPD　161

6.3.4　求角电波到达的PDF　161

6.4　电平交叉率(LCR)　162

6.4.1　来自E场信号的re(t)的LCR　163

6.4.2　磁场分量的rhx,rhy的LCR　165

6.4.3　定向天线的rd(t)的LCR166算衰落平均持续时间　169

6.6　基于时间分隔的移动接收信号的包络相关性　172

6.7　基于时间和空间分隔的移动接收信号的包络相关性　174

6.8　基于频率和时间分隔的移动接收信号的包络相关性　176

6.9　基于频率分隔的基站接收信号的包络相关性　178

6.10　功率谱分析　180

练习题　181

参考文献　181

第7章　接收信号相位特性　183

7.1　与移动无线电信号有关的随机变量　183

7.1.1　求随机变量的协方差　183

7.1.2　信号s(t)的功率谱　184

7.1.3　协方差矩阵　188

7.2　相位相关特性　189

7.2.1　ψ(t)的相位相关特性　189

7.2.2　在频率和时间间隔中的相位相关性　191

7.3　随机FM的特性　192

7.3.1　随机FM的概率分布　192

7.3.2　随机FM的功率谱　193

7.3.3　随机FM的电平交叉率(LCR)　195

7.4　喀呖噪声的特性　197

7.4.1　喀呖噪声　197

7.4.2　求p(n, n,ψn,ψn)的过程　198

7.4.3　平均喀呖声速率　199

7.5　模拟模型　200

7.5.1　瑞利多径衰落模拟器　200

7.5.2　多径衰落和选择性衰落模拟器　203

练习题　204

参考文献　204

第8章　调制技术　207

8.1　系统的应用　207

8.2　调频移动无线电　207

8.2.1　无衰落情况　208

8.2.2　瑞利衰落情况　213

8.3　数字调制　218

8.3.1　无衰落情况　218

8.3.2　衰落情况(移动无线电环境)　222

8.4　恒定包络调制　224

8.4.1　四相移键控(QPSK)　224

8.4.2　交错四相相移键控(OQPSK)　225

8.4.3　π/4-四相差分相移键控(π/4-DQPSK)　227

8.4.4　副载波QPSK　228

8.4.5　高斯滤波最小频移键控(GMSK)　228

8.5　非恒定包络调制　232

8.6　OFDM调制解调器　234

8.7　扩频系统　236

8.8　跳频差分相移键控(FH-DPSK)系统　237

8.9　FH-DPSK系统的差错率和系统效率　240

8.9.1　单有源基站小区内部的干扰　240

8.9.2　多基站小区间干扰　241

8.9.3　多径衰落环境　243

8.10　频谱效率和每个小区的信道数　243

8.11　扩频调制--直接序列(DS)　245

8.11.1　用DS信号降低干扰　246

8.11.2　相关器和瑞克接收机　247

8.12　改进的单边带(SSB)系统　247

练习题　248

参考文献　249

第9章　分集方案　251

9.1　移动无线电系统的功能设计--分集方案　251

9.2　宏观分集方案--在不同站址上天线的应用　251

9.3　微观分集方案--应用在同址天线上　252

9.4　空间分集　252

9.4.1　在移动台　253

9.4.2　在基站　253

9.5　场分量分集　256

9.6　极化分集　257

9.7　角分集　257

9.7.1　在基站　257

9.7.2　在移动台　258

9.8　频率分集　260

9.8.1　与频率统计相关　260

9.8.2　相关性与频率的关系　261

9.8.3　相干带宽　262

9.8.4　具有两个不相干带宽的两个频率　262

9.8.5　具有相干带宽的两个频率　262

9.9　时间分集　263

练习题　263

参考文献　264

第10章　合并技术　265

10.1　用宏观分集的合并技术　265

10.1.1　选择性分集合并　265

10.1.2　用选择性合并改善平均信噪比　265

10.2　微观分集的合并技术　267

10.3　预检测和后检测合并　267

10.3.1　使用预检测方法　267

10.3.2　使用后检测方法　267

10.4　选择性分集合并　268

10.4.1　第一种情况：所有Γk=Γ　269

10.4.2　第二种情况：γ TDMA和CDMA之间无线电容量的比较　392

15.4.1　C/I＜1系统--FDMA和TDMA系统　392

15.4.2　C/I＜1系统--CDMA系统　392

15.4.3　CDMA系统的容量更大　393

15.5　处理增益(P.G.)　394

15.6　蜂窝和PCS频段中的环境噪声及其对CDMA系统容量和覆盖范围的影响　395

15.6.1　引言　395

15.6.2　理论　395

15.6.3　计算结果　396

15.6.4　结论　398

15.7　CDMA系统抵消干扰的限制　399

15.8　虚拟信道的多址方案　401

15.8.1　ALOHA　401

15.8.2　时隙ALOHA　403

15.8.3　CSMA　403

15.8.4　预约ALOHA　404

15.8.5　PRMA　404

15.8.6　PRMA**405

15.8.7　BTMA　405

15.8.8　CSMA/CD　405

15.8.9　DSMA　405

15.8.10　ISMA　405

15.8.11　RAMA　405

15.8.12　CDPA　405

15.8.13　结论　406

15.9　移动卫星系统　407

15.9.1　GEO. MEO和LEO系统的比较　409

15.9.2　LEO工作的简述　410

15.9.3　LEO的工作原理　412

15.10　在SDMA系统中同信道干扰的性质　413

15.11　外来干扰容限的要求　415

15.11.1　无线通信系统的设计　416

15.11.2　计算特定的电平X　417

15.11.3　求出容许干扰电平　418

15.11.4　外来系统可容许的最大干扰电平　419

练习题　419

参考文献　419

第16章　几个敏感课题概念的阐明　422

16.1　编写本章的动力　422

16.2　60年代的研究方向　422

16.2.1　移动无线电环境　422

16.2.2　移动无线电环境对信号的影响　423

16.3　AWGN信道　424

16.4　移动无线电的衰落模型　425

16.5　天线高度的影响　426

16.6　路径损耗预测与本地平均值预测之间的不同　427

16.6.1　路径损耗曲线的产生　427

16.6.2　路径损耗的标准偏差　427

16.6.3　本地平均值预测　428

16.6.4　人造建筑物的影响　428

16.7　合并信号分集　429

16.7.1　分集增益　430

16.7.2　分集不改善检波后合并的C/I　430

16.7.3　分集改善检波前合并的C/I　430

16.7.4　分集接收与天线阵接收是不同的　430

16.7.5　发射或接收分集　431

16.8　天线高度增益和分集增益　432

16.9　时延扩散Δ　434

16.9.1　时延扩散不影响模拟话音信号　435

16.9.2　对FDMA和CDMA的影响比对TDMA小　435

16.9.3　用分集方案能减小时延扩散　435

16.10　噪声系数(NF)问题　435

16.10.1　环境噪声　435

16.10.2　接收机噪声　436

16.10.3　天线温度噪声　437

16.11　功率受限和带宽受限系统　438

16.11.1　功率受限系统　438

16.11.2　带宽受限系统　438

16.12　移动台和便携台的覆盖范围　439

16.12.1　移动台的覆盖范围　439

16.12.2　便携台的覆盖范围　439

16.13　射线跟踪和积木式部件方法　440

16.13.1　射线跟踪方法　440

16.13.2　积木式部件方法　441

16.14　编码方案和可变的突发差错间隔　441

16.15　天线向下倾斜　442

16.15.1　电子向下倾斜　442

16.15.2　机械向下倾斜　443

16.15.3　倾斜天线的影响　446

16.16　互调　446

16.17　移动台位置　450

16.17.1　基于基站的定位　450

16.17.2　基于移动台的定位　450

16.17.3　讨论　450

16.18　用天线高度的角扩展及其应用　450

练习题　454

参考文献　454

第17章　新概念　456

17.1　瑞利衰落环境中的信道容量　456

17.1.1　高斯噪声环境中的信道容量　456

17.1.2　瑞利衰落环境中的信道容量　456

17.1.3　在瑞利衰落环境中具有M支路分集方案时的信道容量　458

17.1.4　极端情况　458

17.1.5　结论　459

17.2　实时运行平均值　460

17.2.1　脱机平均值　461

17.2.2　实时平均值　462

17.2.3　讨论　464

17.2.4　无线电通信环境　465

17.3　GSM和CDMA之间的链路容量与呼叫中断的比较　467

17.3.1　乒乓切换的呼叫中断率　467

17.3.2　求出δ和μ值　468

17.3.3　δ和μ的公式　468

17.3.4　小结和结论　469

17.4　通过蜂窝系统的数据传输　469

17.4.1　引言　469

17.4.2　理论推导　470

17.4.3　分析　474

17.4.4　总结　475

17.5　CDMA的多用户检测　477

17.5.1　最佳的多用户干扰抵消　478

17.5.2　连续的干扰抵消　479

17.6　无线本地环路系统的频谱和技术　480

17.6.1　图17.14所示出的WLL系统的特征　480

17.6.2　部署无线系统的概念　481

17.6.3　部署WLL系统的考虑　481

17.6.4　计算WLL系统的容量　485

17.6.5　WLL的TDD　488

17.7　小波(Wavelet)表达式　489

练习题　490

参考文献　490

第18章　军事移动通信　492

18.1　干扰环境中使用的策略　492

18.1.1　干扰策略　492

18.1.2　电子反干扰(ECCM)技术　492

18.2　扩展频谱方案--跳频(FH)　493

18.3　编码方案　497

18.4　在干扰环境中组合编码. 分集和跳频　498

18.4.1　二进制R-S码　498

18.4.2　非二进制R-S码　503

18.5　自适应天线调零　505

18.5.1　使用自适应天线阵的可能性　505

18.5.2　需要考虑的问题　506

练习题　506

参考文献　507