2 第二章之一 电波传播特性

1移动通信——第二课移动信道的电波传播特性2主要内容研究移动通信信道的意义和方法无线电波传播特性分析移动信道的特征陆地移动信道的场强估计移动信道的传播模型噪声与干扰3研究移动通信信道的意义和方法研究无线移动信道模型，预测接收信号场强：衰减、吸收、折射、散射、绕射...移动环境...自然和人为无线电环境...接收信号场强情况如何？信号带宽的增加GSM的均衡CDMA的多径合并开发时域多径资源智能天线的引入开发空域多径资源4研究移动通信信道的意义和方法无线电发射包括电磁场电场分量感应场分量辐射场分量辐射场具有E和B分量在距离d处的EⅹB的场强∝1/d2以发射机为球心的表面区域影响接收信号强度的两个因素：距离=路径衰减多径=相位差5研究移动通信信道的意义和方法模型是特定的6电磁波传播理论电波传播方式及特点三类损耗与四种效应三类主要快衰落多径信道的统计分析7电波传播方式及特点电磁波从发射机发出，传播到接收天线，可以有不同的传播方式，主要的传播方式四种：无线电波的几种主要传播方式1.地波传播：是一种沿着地球表面传播的电磁波，称为地面波或表面波传播，简称地表波。2.天波传播：电波向天空辐射并经电离层反射回到地面的传播方式称为天波传播，也称电离层传播。83.直射波传播：电波从发射天线直射到接收天线的传播方式，称为直射波传播，有时也称视距传播或视线传播。4.散射传播：这种传播主要是由于电磁波投射到大气层（如对流层）中的不均匀气团时产生散射，其中一部分电磁波到达接收地点。电波传播方式及特点9•直射•反射•折射•绕射•散射电磁波的基本传播机制电波传播方式及特点101.电波在均匀媒质中沿直线传播一般辐射到空间的电磁波都是球面波。但是当我们仅考虑离开场源很远的一小部分空间范围内的波面时，可以近似地看成均匀平面波。2.能量的扩散与吸收随着传播距离的增加，电磁波能量分布在越来越大的面积上，由于天线辐射的总能量一定，因此分布的面积越大，则通过单位面积上的能量就越小。所以离开天线的距离越远，空间的电磁场就越来越弱。自由空间直射传播11无线电的频率与波长满足以下关系:cf其中，λ是无线电的波长f是无线电的频率c是光速，c=3×108m/s典型的例子：GSM系统使用900MHz频段，其波长是：3×108/900×106=0.33m自由空间直射传播12•发射和接收的功率分别是Pt、Pr•发射和接收天线的增益分别是Gt、Gr24dGGPPrttr24dL定义自由空间传播损耗：L自由空间直射传播13自由空间传播损耗自由空间传播损耗的计算公式：)(lg20)(lg2044.32)(MHzfkmddBL结论：自由空间传播损耗L只与工作频率f和传播距离d有关。当f或d增大一倍时，传播损耗增加6dB。•移动通信的例子：d=50km,f=2GHz,可以计算出L=132dB;•卫星通信的例子：d=40000km,f=6GHz,此时的L=200dB14自由空间接收电平的计算24dGGPPrttr用分贝表示的接收电平：)()()()()(dBLdBGdBGdBmPdBmPrttrL例：Pt=1W=30dBm,f=3800MHz,d=45km,Gt=Gr=39dB,则Pr=Pt+Gt+Gr–L=30+39+39–137=-29dBm=1.26μW。15视距LOS的计算发射和接收天线的高度分别是ht和hr，地球的等效半径为Re=8500km,O点为地心。retehRdhRd2221rtehhRddd221则视距传播的极限距离为：•典型例子：发射和接收天线高50m,则视距d=50km。自由空间传播损耗16反射波直射波地面散射波基站天线移动台天线反射17理想介质表面的反射极化特性多径信号•两径传播模型•多径传播模型反射18理想介质表面的反射如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来反射系数（R）入射波与反射波的比值入射角θ式中(垂直极化）（水平极化）而其中，ε为介电常数，σ为电导率，λ为波长。020cosz20cosz600jzzRsinsin19极化特性极化电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态电磁波的极化形式•线极化、圆极化和椭圆极化线极化的两种特殊情况•水平极化（电场方向平行于地面）•垂直极化（电场方向垂直于地面）极化反射系数对于地面反射，当工作频率高于150MHz（），时，算得应用–接收天线的极化方式同被接收的电磁波的极化形式一致时，才能有效地接收到信号，否则将产生极化失配–不同极化形式的天线也可以互相配合使用m21()()1vhRR垂直极化反射系数水平极化反射系数20两径传播模型接收信号功率简化后：其中，相位差，多径传播模型其中，N为路径数。当N很大时，无法用公式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。22....)1(Re14jjtrtrAeRGGdPP直射波2tr2trRe1GGd4PPl2()lACCBAB2i1N1iitr2tr)jexp(R1GGd4PP两径传播模型ACBhmhbd直射波反射波发射天线接收天线多径信号21折射无线电波传播特性分析当一束电波通过折射率对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。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。22基站天线移动台天线绕射波山峰绕射23惠更斯－菲涅尔原理菲涅尔区基尔霍夫公式绕射24惠更斯－菲涅尔原理原理•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。说明在P’点处的次级波前中，只有夹角为θ（即）的次级波前能到达接收点R每个点均有其对应的θ角，θ将在0º到180º之间变化θ越大，到达接收点辐射能量越大'TPRT90RP”P’Pd扩展波前次级波前2/2d/2d图2-3对惠更斯－菲涅尔原理说明25T90RP”d22/2d/2dd1mP'PP3r2r1r3/2d/2dn菲涅尔区菲涅尔区从发射点到接收点次级波路径长度直接路径长度大nλ/2的连续区域接收点信号的合成•n为奇数时，两信号抵消•n为偶数时，两信号叠加菲涅尔区同心半径第一菲涅尔区半径（n=1）特点•在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半•发射机和接收机的距离略大于第一菲涅尔区，则大部分能量可以达到接收机。1212nnddrdd图菲涅尔区截面26多重刃形绕射1）连续两个障碍物绕射损耗2）多于两个障碍物情况绕射27如果在电磁波的直射路径上存在障碍物，则对接收的电磁波产生附加损耗。根据障碍物与收发天线的关系，分为正余隙和负余隙。绕射28在实际移动无线环境中，接收信号比单独绕射和反射模型预测的要强，这是因为当电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，给接收机提供了额外的能量。临近金属物体（街头标志等）：通常采用统计模型散射29起因无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所有方向表面光滑度的判定表面平整度的参数高度平面上最大的突起高度h{粗糙表面下的反射场强散射损耗系数式中，为表面高度h的标准差，h是具有局部平均值的高斯分布的随机变量。用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强表面粗糙大于h表面光滑小于hcc8sincih2sinexp8hisroughsh散射30电磁波传播理论电波传播方式及特点三类损耗与四种效应三类主要快衰落多径信道的统计分析311.路径传播损耗2.慢衰落损耗3.快衰落①空间选择性快衰落②频率选择性快衰落③时间选择性快衰落接收信号中的三类损耗与四种效应321.阴影效应由大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区。它类似于太阳光受阻挡后可产生的阴影，光波的波长较短，因此阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端(如手机)与专用仪表可以测试出来。接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应2.远近效应由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也是在随机变化，若各移动用户发射信号功率一样，到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的现象，并使弱者，即离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象，通常称这一现象为远近效应。333.多径效应•由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号。而且它们到达时的信号强度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。•这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等。接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应直射波光滑地面反射波基站天线34多径对信号的影响)cos()(tatSc11111()cos(())cos(()cdcrtawtfat22222()cos(())cos(()cdcrtawtfat121212()()()2cos()cos()22crtrtrtawt)cos()cos(tac354.多普勒效应•它是由于接收用户处于高速移动中（比如车载通信时）传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。•这一现象只产生在高速(≥70km/h)车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。接收信号中的三类损耗与四种效应四种主要效应36衰落：电磁波在传播过程中，由于传播媒介及传播途径随时间的变化而引起的接收信号强弱变化的现象叫作衰落。衰落根据其时间特性可分为慢衰落和快衰落两种。•信号强度曲线的中值呈现慢速变化，称为慢衰落；•曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。•快衰落与慢衰落并不是两个独立的衰落（虽然它们的产生原因不同），快衰落反映的是瞬时值，慢衰落反映的是瞬时值加权平均后的中值。衰落根据其频率特性可分为非频率选择性衰落（平衰落）和频率选择性衰落两种。什么叫衰落37衰落影响之一：接收电平降低，无法保证正常通信。衰落影响之二：接收波形畸变，产生严重的误码。衰落影响之三：传播延时变化，破坏与时延有关的同步。衰落影响之四：在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响某些跟踪过程。所以，需要对衰落进行研究，以解决如何对抗衰落的问题。衰落有什么影响38慢衰落：由于移动台的不断运动，电波传播路径地形地貌是不断变化的，因而局部中值也是不断变化的．这种接收信号的场强中值在长时间内的缓慢变化称为慢衰落，比多径效应引起的快衰落要慢得多。•中值：在局部时间（或地点）中，信号电平大于或小于它的时间各为50%。移动环境的衰落特性---慢衰落39阴影效应：由于大型建筑物和其他物体的阻挡而形成在传播接收区域上半盲区，表现为慢衰落。移动环境的衰落特性---慢衰落40产生原因:慢衰落是由大气折射、大气湍流、大气层结等平均大气条件的变化而引起的，主要与气象条件、电路长度、地形等因素有关。•阴影效应：由障碍物阻挡造成阴影效应，衰落速率与工作频率无关•大气折射：大气介电常数的变换，时变特点:衰落与传播地形和地物分布、高度有关移动环境的衰落特性---慢衰落41慢衰落一般服从对数正态分布2222exp21)(m