移动通信第1讲777

移动通信---第一讲1.1.1无线电波传播方式传播路径•直射波---视距传播•反射波•地表面波移动信道多径衰落1.1.2直射波自由空间电波传播：指理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，电波不发生反射、折射、绕射、散射和吸收现象，只存在电磁能量扩散而引起的传播损耗。假设为远场(Fraunhoferregion)•dD且dλ，其中•D为天线最大直线长度•λ为载波波长无干扰，无阻挡。相对介电常数ε和相对导磁率μ都等于1自由空间中的电波传输损耗电场强度有效值E0为)/(300mVdPET磁场强度有效值H0为)/(120300mAdPHT单位面积上的电波功率密度S为)/(422mWdPSTPT：各向同性天线的辐射功率，单位Wattsd：距辐射源的距离，单位米自由空间中的电波传输损耗若用天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线，则上述公式应改写为:)/(300mVdGPETT)/(120300mAdGPHTT)/(422mWdGPSTT电场强度：磁场强度：自由空间功率通量密度：在此覆盖区域范围内，接收机天线“捕获”此通量的一小部分。自由空间中的电波传输损耗在距离d处，接收信号功率为：接收功率PR=功率通量密度S×接收天线有效面积AR式中:λ为载波波长，λ2/4π为各向同性天线的有效面积。GR接收天线增益􀂄接收功率:RRGA4224dGGPPRTTR自由空间中的电波传输损耗自由空间损耗：[Lfs]dB=10lgPT-10lgPR当收、发天线增益为0dB，即当GR=GT=1时，自由空间传播损耗Lfs:[]()32.44201()201()fsLdBgdkmgfMHz式中，d的单位为km，频率单位以MHz计。RTfsPPL例：PR=PTGTGR(λ/4πd)2信号在自由空间中的发射功率为1W，载波频率为2.4GHz，如果接收器和发送器的距离为1.6km,则接收功率是多少？假设收发天线的增益为1.6路径损耗为多少？传播延时为多少？1.1.3大气中的电波传播1.大气折射概念：当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度dn/dh。这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。rn电波传播速度v与大气折射率n成反比nc式中，c为光速。不考虑传导电流和介质磁化情况下,介质折射率n与相对介电系数εr的关系为:大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0(6.37×106m)变成了等效半径Re,Re与R0之间的关系为dhdnRRRke0011式中，k称作地球等效半径系数。在标准大气折射情况下，即当dn/dh≈-4×10-8(l/m)，等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径Re=8500km。图3–2视线传播极限距离2.视线传播极限距离自发射天线顶点A到切点C的距离d1为同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d2为在标准大气折射情况下，Re=8500km,故htReoAd1Cd2BhrtehRd21rehRd22)(221rtehhRddd)(12.4rthhd式中，ht、hr的单位是m,d的单位是km。1.1.4障碍物的影响与绕射损耗绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。由阻挡表面产生的二次波散布于空间，甚至于阻挡体的背面。绕射损耗：各种障碍物对电波传输所引起的损耗。菲涅尔余隙：从障碍物顶点到视线传播路径的高差称为菲涅尔余隙，规定无阻挡时的余隙为正,阻挡时的余隙为负余隙。1.1.4障碍物的影响与绕射损耗(a)负余隙；(b)正余隙3.1.5反射波当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比电波波长大得多，就会产生镜面反射。良导体反射无衰减。绝缘体只反射入射波能量的一部分：“Grazing角”，100%反射直角入射，100%透射反射造成180°相移两径地面反射传播模型反射系数•水平极化波•垂直极化波当f150MHz时，θ1oRv=Rh=-1反射波与入射波相差18022cossincossinccccvR22cossincossincchR两径地面反射传播模型两径地面反射传播模型:从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况。路径差Δd222221222111)()()()(dhhdhhdhhddhhddcbadrtrtrtrt式中:d=d1+d2。由路径差Δd引起的附加相移Δφ为d2式中:2π/λ称为传播相移常数。)1()Re1()(00jjeREEE这时接收场强E可表示为两径地面反射传播模型接收功率:Pr=PtGtGr(ht2hr2/d4)Pr=P0/d4P0:第一米（d=1m）的接收信号强度1.2移动信道的特征路径传播损耗传播损耗慢衰落损耗快衰落损耗阴影效应传播效应多普勒效应图3–7典型信号衰落特性移动通信的场强特征移动通信环境下场强变化剧烈场强变化的平均值随距离增加而衰减场强特性曲线的中值呈慢速变化---慢衰落场强特性曲线的瞬时值呈快速变化---快衰落1.2.1传播路径与信号衰落1.2.2多径效应与瑞利衰落快衰落（小尺度）产生原因：多径效应多普勒频移对系统性能的影响：场强信号随机快速起伏时延扩展随机调频移动信道的系统特性表征：瑞利Rayleigh分布莱斯Ricean分布多径效应与瑞利衰落快衰落三种典型情况•只有多径效应(移动台固定)•只有多普勒效应•多径+多普勒θiyxSi(t)基站天线图3-8移动台接收N条路径信号多径效应与瑞利衰落瑞利(Rayleigh)分布（快衰落包络的统计特性）•指在无直射波的N个路径，传播时若每条路径的信号幅度为高斯分布、相位在0--2π为均匀分布，则合成信号包络分布为瑞利分布：多径效应与莱斯衰落莱斯(Rician)分布•指含有一个强直射波的N个路径，传播时若每条路径的信号幅度为高斯分布、相位在0--2π为均匀分布，则合成信号包络分布为莱斯分布1.2.3慢衰落特性和衰落储备慢衰落产生原因•阴影效应，特点：衰落速率与频率无关。•大气折射，大气介电常数的变化，时变。统计特性•局部均值•分布特性－对数正态分布位置函数：时间函数：•联合分布慢衰落特性和衰落储备衰落储备为了防止因衰落(包括快衰落和慢衰落)引起的通信中断，在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。衰落储备的大小决定于地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标。通信可靠性也称作可通率，并用T表示，它与中断率的关系是T=1-R。1.2.4多径时散与相关带宽多径传播导致的衰落效应接收信号的强度衰落体现在三个方面：时延扩展⇒频率选择性衰落频率扩展⇒时间选择性衰落角度扩展⇒空间选择性衰落为什么？时延扩展---频率选择性衰落频率选择性衰落指在不同频段上衰落特性不一样。原因：用户信号由于远处高达建筑物或山丘的反射而形成的干扰信号。其特点是传送的信号在空间与时间上产生了扩散。频率扩展---时间选择性衰落时间选择性衰落指在不同时间衰落特性不一样。原因：快速移动用户附近的物体的反射而形成的干扰信号。其特点是由于快速移动，在信号的频域产生多普勒频移扩散，引起时域上时间选择性衰落。角度扩展---空间选择性衰落空间选择性衰落指在不同地点与空间位置衰落特性不一样。原因：由于接收信号受基站附近建筑物和其他物体的反射而引起的干扰。其特点是严重影响到达天线的信号入射角的分布，从而引起信号在空间选择性衰落。工程上，对于角度调制信号，相关带宽可按下式估算：21cB式中，Δ为时延扩展。例如，Δ=3μs,Bc=1/(2πΔ)=53kHz。此时传输信号的带宽应小于Bc=53kHz。相关带宽的意义从频域来看，多径现象将导致频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。带宽超过相关带宽，将产生较大失真和符号间串扰。信号传输速率受多径时延的限制。小结：移动通信电波传播的特点电磁波多径传播——反射、散射和绕射多普勒频率扩展，运动引起信道变化（扩散频移）无线环境中的信号衰减分成三部分：幅度衰减较大的路径损耗伴随中等幅度衰减的具有对数正态分布特性的慢变化成分－大尺度变化衰减幅度较小的快变化成分－小尺度衰落两类典型小尺度衰落包络分布的描述方法：瑞利分布（非视距传播）莱斯分布（视距传播）多径信号强度衰落体现在三个方面：时延扩展⇒频率选择性衰落BcBs频率扩展⇒时间选择性衰落角度扩展⇒空间选择性衰落1.3陆地移动信道的传播损耗移动通信中传播损耗估算的一般方法(只对慢衰落有效)1.3.1地形、地物分类移动通信环境分类--电波传播路径地形分类不规则地形中等起伏地形移动通信环境分类--电波传播路径地物分类按照地物的密集程度分为：•开阔地环境：在电波传播路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面•郊区环境平坦地形：在移动台附近有些障碍物，稠密建筑物多为1~2层楼房•城市环境：有较稠密的建筑物和高层楼房大都市高楼大厦稠密建筑区•中等稠密建筑区：多为2~8层，间或40层高楼•中小建筑区：多为2~5层，间或20层高楼•平房建筑区：多为2~4层1.3.3任意地形地区的传播损耗的中值p117任意地形地区接收信号的功率中值PPf：载波频率；hb：基台天线高度；d：传输距离；hm：移动台天线高度。TmmbbmPKfhHdhHdfAPP),(),(),(][][0自由空间功率中值中等起伏地区基本衰耗中值基台天线高度因子移动台天线高度因子mbTGGdPP204自由空间功率中值地形地物修正因子Kmr——郊区修正因子，可由图3-26Qo、Qr——开阔地或准开阔地修正因子，可由图3-27求得；Kh、Khf——丘陵地修正因子及微小修正值，可由图3-28求得；Kjs——孤立山岳修正因子，可由图3-29Ksp——斜坡地形修正因子，可由图3-30KS——水陆混合路径修正因子，可由图3-31求得sspjshfhromrTKKKKKQQKK地形地物修正因子：任意地形地区的传播损耗的中值LA=Lfs+Am(f,d)-Hb(hb,d)-Hm(hm,f)-KTf：载波频率；hb：基台天线高度；d：传输距离；hm：移动台天线高度。自由空间损耗(GbGmλ/4πd)2中等起伏地区基本衰耗中值基台天线高度因子移动台天线高度因子地形地物修正因子中等起伏市区中值损耗Am(f,d)在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称作基准中值或基本中值。基站天线有效高度若基站天线顶点的海拔高度为hts，从天线设置地点开始，沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度为hga，则定义基站天线的有效高度为gatsbhhh基站天线高度增益因子移动台天线高度增益因子街道走向修正曲线开阔地、准开阔地修正因子(a)修正因子Kh;(b)微小修正因子Khf丘陵地场强中值修正因子起伏高度孤立山岳修正因子f:450~900MHzH:110~350mH07.0斜坡地形修正因子正斜坡负斜坡水陆混合路径修正因子KS1.4.1传播损耗预测模型室外：Longley-Rice模型：应用于f为40MHz到100GHz之间，不同种类的地形中点对点的通信系统。可以做到点到点方式的预测和区域预测。Durkin模型：建立访问服务区的地形数据库，可看成是二维阵列，然后计算沿径向的路径损耗，最后仿真的接收机位置可被重复地移动到服务区不同的位置来推导出信号场强轮廓。Okumura模型：应用最广泛。Hata模型：根据Okumura曲线图所作的