移动通信技术与设计基础-信号传播

第3章移动无线电传播3.1概述1、研究信道的意义任何一个通信系统，信道是比不可少的组成部分。信道按传输媒质分，可分为：•有线信道：有线和光纤；•无线信道：中、长地表面波传播，短波电离层反射传播，超短波和微波直射传播以及各种散射传播。2、信道的基本分类根据信道特性参数随外界各种因素的影响而变化的快慢，通常又分为：•恒参信道：传输特性的变化量极微且变化速度极慢。•变参信道：传输特性随时间的变化较快。移动信道为典型的变参信道。1第3章移动无线电传播2、信道的基本分类根据信道特性参数随外界各种因素的影响，通常分为：•恒参信道？变参信道？恒参信道：传输特性的变化量极微且变化速度极慢。变参信道：传输特性随时间的变化较快。移动信道为典型的变参信道。•理想无线信道？非理想无线信道？理想：无阻挡、无衰落、无时变、无干扰，自由空间传播。•固定无线信道？移动无线信道？•视距无线信道？非视距无线信道？视距，如：地面视距、卫星。非视距，如：地面绕射、对流层散射、电离层折射。•有干扰无线信道？无干扰无线信道？干扰，如：系统内部的干扰、系统外部的非敌意干扰、敌意干扰。2第3章移动无线电传播3.1概述3、移动通信的电波传播的基本特点(1)存在着严重的多径衰落现象。(2)存在着固定通信中没有的阴影衰落。(3)存在有相对运动引起的多普勒效应。(4)存在有时延散布引起信号波形展宽。3第3章移动无线电传播3.1概述4、如何研究无线信道无线通信系统的性能主要受到移动无线信道的制约。由于发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，极具有随机性特别难以分析。无线信道的建模历来是移动无线系统设计中的难点，这一问题的解决办法一般利用统计方法。4第3章移动无线电传播5四种传播机制直射：自由空间传播反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。第3章移动无线电传播3.1概述5、移动环境下的电波传播方式电波传播的机理是多种多样的，但总体上可以归纳为直射、反射、绕射和散射。6直射绕射反射散射第3章移动无线电传播3.1概述5、移动环境下的电波传播方式电波传播的机理是多种多样的，但总体上可以归纳为直射、反射、绕射和散射。大多数蜂窝无线系统运行在城区，发射机和接收机之间无直接视距路径，而且高层建筑产生强烈的绕射损耗。此外，由于不同物体的多径反射，经过不同长度路径的电磁波的相互作用引起多径损耗。同时发射机和接收机之间距离的不断变化而引起电磁波强度的衰减。7无线传输的开放性导致信号的衰落与干扰8BuildingRadioTowerCellularstationVCnn????基台1基台4基台3基台2频道1频道1频道2频道3第3章移动无线电传播3.1概述6、两类基本传播模型大尺度传播模型：用于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，它们描述的是发射机与接收机之间距离的长距离（几百米与几千米）上的场强变化。小尺度衰减模型：描述短距离（几个波长）或短时间（秒级）内的接收场强的快速波动的传播模型。910第3章移动无线电传播第3章移动无线电传播11距离场强02468806040200mVdB/km几百个波长几十个波长第3章移动无线电传播3.2自由空间传播模型3.2.1自由空间损耗1、什么是自由空间•l均匀无损耗的无限大空间•l各向同性•l电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1•l不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，电波的传播速率等于真空中光速C12第3章移动无线电传播3.2自由空间传播模型3.2.1自由空间损耗2、自由空间损耗球面波在传播过程中，随着传播距离增大，电波能量在扩散过程中所引起的球面波扩散损耗。接收天线所捕获的信号功率是发射天线辐射功率的很小部分，这是自由空间损耗的本质。13第3章移动无线电传播3.2自由空间传播模型3.2.2模型适用范围预测接收机和发射机之间是完全无阻隔的视距路径。卫星通信和微波是典型的自由空间传播。现实环境中，适用于传播介质与障碍物对电波传播影响的程度小到可以忽略的条件下。14益：发射和接收天线的增和发射功率rttrttrggPggdPP:)4(2第3章移动无线电传播3.2自由空间传播模型3.2.3Friis公式传输功率损耗：发送功率和接收功率的比值注：天线增益是以全向天线为参考的定向增益。15kmdMHzfGGLggdfggdPPLrtbsrtrtrts::)log(10log20log2045.32142第3章移动无线电传播3.2自由空间传播模型3.2.3Friis公式适用范围：d为发射天线的远场值时适用。天线的远场定义为超过Fraunhorer距离df的地区，df发射天线截面的最大线形尺寸和载波长有关。dfD;dfλ16远区场满足：尺寸：天线的最大物理线性DDdf22kmdMHzfGGLggdfggdPPLrtbsrtrtrts::)log(10log20log2045.32142第3章移动无线电传播3.2.3Friis公式结论：1、自由空间损耗模型中接收功率与距离的平方成反比，也与频率的平方成反比。2、现实环境中，系统不大可能工作于理想的自由空间，实际传输损耗要比1/d2计算的结果大许多。一般有不同的传播环境，n取3或4，甚至更高。实测结果有，d小于15km时，n取3～4，d大于15km时，n取5～6。17nrdP1第3章移动无线电传播3.2自由空间传播模型3.2.4计算当使用公式Friis公式，求得d。处接收功率时，在距离大于d。时，自由空间中接收功率为工程设计中，常采用dBm或dBW来表示接收电平，分别是以1mw和1w为参考电平的对数单位。18193.3电波传播路径损耗的预测（1）电波传播路径损耗的预测的基本方法为了掌握在各种地形地物条件下，对不同工作频率的电波传播特性，通常需要作大量的电波传播试验，得到大量的实测数据，研究统计规律，从而得到各种地形地物条件下的传播衰耗和工作频率、距离、天线高度之间的关系，绘出电波传播特性的计算图表或得到计算电波传播衰耗的计算模型以便用它来予测移动通信中接收信号强度(或传播衰耗)。203.3电波传播路径损耗的预测在无线通信系统中，电波传播经常在不规则地区。大量的传播模型可用来预测不规则地区的路径损耗。地形分为两大类：中等起伏地形和不规则地形。中等起伏地形：指在传播路径地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢。不规则地形：如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等。地物（或地区）分类按照地物的密集程度不同可分为三类地区:开阔地郊区市区213.3电波传播路径损耗的预测（2）电波传播路径损耗的预测模型A、平面大地模型B、布林顿理论模型C、Egli模型（经验公式）D、Okumura模型（图表计算模型）电波传播路径损耗的预测模型传播损耗采用实验图表计算法22TmmbbmfsTKfhHdhHdfALL),(),(),(自由空间损耗24d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f：载波频率；hb：基台天线高度；d：传输距离；hm：移动台天线高度。奥村模型基站有效天线高度为200m，移动天线高度为3m的中等起伏地区基本衰耗中值(Am)曲线23奥村模型基站天线高度不是200m，其变化的大小用基站天线高度增益因子24奥村模型移动台天线高度不是3m，其变化的大小用移动台天线高度增益因子Hm25奥村模型天线高度增益因子26奥村模型移动台天线高度不是3m，其变化的大小用移动台天线高度增益因子Hm27奥村模型郊区修正因子28奥村模型开阔地修正因子29奥村模型丘陵地修正因子30奥村模型孤立山峰修正因子31奥村模型斜坡地形修正因子32奥村模型水陆混合修正因子333.10室外传播模型3.10.4Hata模型Hata模型是根据Okumura曲线图所作的经验公式，频率范围为150MHz到1500MHz。市区路径损耗的标准公式为343.10室外传播模型3.10.4Hata模型对于中小城市，移动天线修正因子为对于大城市．移动天线修正因子为353.10室外传播模型3.10.4Hata模型对于郊区的路径损耗，标准Hata模型修正为：对于农村地区，标准Hata模型修正为：363.10室外传播模型3.10.5Hata模型的PCS扩展Hata模型扩展到2GHz的公式为373.11室内传播模型•随着PCS系统的应用，人们越来越关注室内无线电波传播。•室内无线信道的特别之处：–覆盖距离小–环境波动大–建筑物内传播受到建筑物的布置、材料结构和建筑物类型等因素的强烈影响。383.11室内传播模型39一般说明l室内传播特点：覆盖距离更小，环境变化更大l受到影响的因素很多，如：门窗是开还是关？天线放置的位置？人员的分布情况？l室内信道可以分为视距（LOS）和阻挡（OBS）两种。分隔损耗l同楼层的分隔损耗给出不同频段、不同材料不同分隔方式的损耗值。如：混凝土墙在1300MHz的损耗为8－15dB。l楼层间的分隔损耗和建筑物的材料、类型、层数、窗户及频段有关。一层的衰减要大，而五、六层以上的衰减很小。3.11室内传播模型•室内无线传播同室外具有同样的机理：反射、绕射和散射。但条件却不同。例如，信号电平在很大程度上依赖于建筑物内门开还是关。无线装置安装的位置、天线安装的高度与天花板的情况等。同样，较小的传播距离使得天线的远场条件难以满足。403.11室内传播模型3.11.1分隔损耗（同楼层）–建筑物具有大量的分隔和阻挡物。不同的建筑物材料不同。分隔的物理和电特性变化范围非常广泛，应用通用模型非常困难3.11.2间分隔损耗–决定因素：建筑物外部面积、材料、建筑物类型、窗口数量。413.11室内传播模型3.11.3对数距离路径损耗模型研究表明，室内路径损耗遵从公式：42的典型值可以查表。和方差为：正态随机变量，标准物类型依赖于周围环境和建筑nXnXddndPLdBPL:)log(10)()(003.12建筑物信号穿透•位于建筑物外的发射机在建筑物内的接收信号，对于无线系统是非常重要的。•仅靠有限的经验很难确定精确的透射模型。测试报告显示，随着高度的增加，接收信号增加。低楼层的杂散结构引起大的衰减，减少了信号的穿透能力。•在高层，由于可能存在视距路径使得具有强的入射信号。•无线信号的穿透能力是频率及建筑物高度的函数，天线对信号穿透也有重要的影响。•频率增加，穿透损耗减小。4344移动通信中的电波传播电波传播的衰落特性•慢衰落慢衰落的原因：地形地物对电波传播路径的阻挡。慢衰落的统计特性：服从正态分布45移动通信中的电波传播•快衰落快衰落的原因：移动台接收的电波除直射波外，还有从各种障碍体(包括大地)反射或散射传播到达接收点电波，相互迭加造成信号包络的快速起伏。快衰落的统计特性：靠近基站有直射分量存在时服从莱斯分布没有较强分量并存在多个散射分量时服从瑞利分布46移动通信中的电波传播•快衰落47移动通信中的电波传播衰落幅度统计特性电平通过率：以正斜率通过某电平概率衰落速率：nd=2v/衰落深度：可达30dB衰落持续时间：信号低于某电平的持续时间483.4信道的分类（1）恒参信道与变参信道恒参信道网络模型函数与时间无关变参信道网络模型函数与时间有关（2）相关带宽由于多径时延使接收信号的波形展宽，在相应的频域上规定了信道的相关带宽。相关带宽=1/信号的最大时延49信道的分类（3）相干时间由于收发双方相对运动形成的多谱勒频展使接收信号的频谱展宽，在相应的时域上规定了信道的相干时间。（4）信道的分类1、非弥散信道：Bd《1/T；《1/W2、频率选择性衰落信道：Bd《1/T；》1/W3、时