第三章--移动信道中的电波传播

第三章移动信道中的电波传播主要内容1引言2无线电波传播特性分析3移动信道特征分析4陆地移动信道的场强估算5分集接收1.1信道分类。架空明线有线信道。电缆。光纤恒参信道。中、长波地表面波传播无线信道。短波电离层反射传播。移动通信使用的VHF、UHF变参信道直射、反射及散射传播1.2研究无线信道的意义研究无线移动信道模型，预测接收信场强衰减、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？信号带宽增加GSM均衡CDMA多径合并（RAKE接收）智能天线1.3研究无线信道的方法从接收信号的角度，进行统计分析接收信号的幅度变化及分布接收信号的到达角分布从多径的数学表达式角度分析研究多径中每径幅度和分布研究每径的到达角度和分布研究每径的时延特性和分布从模型的角度尺度不同（大尺度、小尺度）环境特征不同（室外、室外、陆地、海洋、空间）应用区域（宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝）主要内容1引言2无线电波传播特性分析3移动信道特征分析4陆地移动信道的场强估算5分集接收2.1电波传播方式研究频段：VHF（30-300MHz）、UHF（300-3000MHz）移动通信常用频段为：150MHz(VHF)450MHz、900MHz、1.8GHZ、2.4GHz等(UHF)无线电波典型传播路径：直射波－视距传播反射波翟表面波2.2直射波（视距传播）自由空间传播大气中的电波传播大气折射视距传播极限距离障碍物的影响与绕射损耗2.2.1自由空间传播（1）即传播空间无限大且无吸收电波能量的介质、无障碍物，电波不产生反射、折射、散射、吸收、屏蔽等能量损耗，电波的衰减仅仅由能量扩散所引起直射波按自由空间传播考虑：只有能量扩散，没有其它损耗考虑接收信号功率、空间传播损耗2.2.1自由空间传播（2）球面波功率密度：PT(W)d(m)RXTXPR(W)接收天线有效面积：全向天线2.2.1自由空间传播（3）GR功率密度：GRGTGTPR(W)实际全向性天线：辐射能量集中(水平大烧饼)RXTXPT(W)d(m)GT为TX的天线增益GR为RX的天线增益接收天线有效面积：以上结论也适用于方向性天线(切下一块扇形的烧饼)，只是天线增益GT、GR更大些。2.2.1自由空间传播（4）先只考虑理想全向天线：GT、GR=1,得自由空间传播损耗讨论：(1).d↑Lfs↑,能量扩散(2).f↑Lfs↑,接收天线有效面积减小2.2.2大气中的电波传播（1）折射定律：电波传播速度V与大气折射率n成反比：ncv/rn地球等效半径dhdnRRRke0011标准大气折射情况下，地球等效半径为8500km2.2.2大气中的电波传播（2）地面直射波视线传播极限距离无论如何提高PT、GT及GR地面直射波受地球曲率的遮挡，传播距离也是有限的，如图所示。容易求出直射波传播极限距离：实际电磁波在大气中传播会发生折射弯曲，可实现超视线传播相当地球半径R增大为等效半径Re=8500km(R=6400km)式中，R为地球等效半径，ht、hr为TX及RX天线高度[m]rthhRddd2212.2.2大气中的电波传播（3）式中，单位为[d]=km,[ht,hr]=m2.2.3障碍物的影响与绕射损耗(1)当波撞击在障碍物边缘时发生绕射信号能量绕过障碍物传播的机制称为绕射若无视距传播（LOS）,绕射可以帮助覆盖2.2.3障碍物的影响与绕射损耗(2)绕射由次级波的传播进入阴影区而形成阴影区的绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和与LOS的路径差异导致相移用菲涅尔区表达不同高度障碍物造成的相移2.2.3障碍物的影响与绕射损耗(3)菲涅尔区是以收、发天线为焦点并绕长轴旋转的椭球球体直射波与发射波在接收端有一个行程差，使行程差为的发射点所构成的面称为菲涅尔椭圆球面菲涅尔区同心圆半径为：2/n2121ddddnnX一般来说，当阻挡体不阻挡第一菲涅尔区时绕射损失最小，绕射的影响可以忽略不计。经验表明，在视距通信链路设计时，只要55％的第一菲涅尔区无阻挡，其他菲涅尔区的情况基本不影响绕射损耗2.2.3障碍物的影响与绕射损耗(4)通常用其相对值表示：x/x1x1=[λd1d2/(d1+d2)]1/2为第一菲涅尔半径图中，x为菲涅尔余隙2.2.3障碍物的影响与绕射损耗(5)讨论选择基站天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的余隙X/X10.5则绕射损耗可不计。2.3反射波（1）当电波信号传播碰撞到大大地大于信号波长地障碍物时发生反射良导体反射无衰减绝缘体只反射入射波能量地一部分Grazing角：100％反射直角入射，100％透射反射造成180度相移2.3反射波（2）考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角2.3反射波（3）反射波附加相移(两径传播模型)附加路径：附加相移：dhhdrt2dhhdrt42接收信号场强：）＋（－－＝＝j0j0e1e1REREE定义第n个菲涅尔区：第1个菲涅尔区：nrthhd42.4散射当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物时发生散射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若平面上的最大突起高度h小于临界高度，则认为表明光滑，反之则认为粗糙主要内容1引言2无线电波传播特性分析3移动信道特征分析4陆地移动信道的场强估算5分集接收3移动信道特征分析主要内容3.1移动环境下场强特性3.2移动通信环境下的几个效应3.3多径传输与快衰落3.4阴影效应与慢衰落3.5衰落储备3.6多径时散与相关带宽3.1移动环境下场强特性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3.2移动通信环境下的几个效应空间传播损耗－－Pathloss多径效应：由移动体周围的反射、散射等引起的多径传播，表现为快衰落多普勒效应：由移动体的运动速度和方向引起，多径条件下，会引起多普勒频谱展宽阴影效应：由地形结构引起，表现为慢衰落3.3多径传输与快衰落(1)θi移动通信的多径传播BSMSS0反射/散射波diSid1S1…d2S2Sv接收信号S=ΣSi，i=1,2…，为多径信号的矢量和,不同位置合成信号幅度不同,发生干涉现象，产生快衰落。3.3多径传输与快衰落(2)接收点某一路径信号为Si(t),是So(t)在该路径上传播，发生以下各种损耗和相移、频移所得到：(1).传播距离di：传播损耗Li及延时∆ti＝di/c(2).反/散射损耗及相移：反射系数Ri设：发射信号为│Ri│≤1(3).径向速度产生的多普勒频移：（图中MS背离BS，接收频率降低）3.3多径传输与快衰落(3)式中，信号幅度相移则3.3多径传输与快衰落(4)不同位置的接收信号S典型移动信道：衰落深度达30dB左右，衰落速率约30～40次/秒。SS1S2S1S2S位置1位置2d/m(d=vt)t/s-30-10010相对电平/dB中值•信号快衰落特性3.3多径传输与快衰落(5)快衰落统计特性3.3多径传输与快衰落(6)式中，r为接收信号幅度（包络）θ为接收信号相位起伏（相位）3.3多径传输与快衰落(7)容易证明：(1)随机变量x,y为统计独立的正态分布，且x,y,A均方值为,02,0r(2)信号包络r为瑞利分布，相位θ为均匀分布3.3多径传输与快衰落(8)0P(r)1.17中值P=50%P=50%信号包络的端利分布概率密度函数P(r)3.4阴影效应与慢衰落（1）MS移动时地形、地物大幅度慢变化会引起接收信号电平中值存在周期为秒级的慢衰落。最典型的情况是下图所示地形、地物的阴影效应：BSS大S小S大山/大建筑物TXMS当MS移动到山岳或高楼屏蔽电波所造成的阴影区时,接收信号减小,反之增大。3.4阴影效应与慢衰落（2）慢衰落引起接收信号电平中值存在周期为秒级的慢衰落d/m(d=vt)t/s-30-10010相对电平/dB中值信号快衰落及慢衰落特性►慢衰落的统计特性为对数正态分布：令X=20log(r的中值)(dB)则X(信号幅度中值的分贝数)为正态分布中值：信号电平大于或小于它的概率各为50％3.4慢衰落与快衰落的比较（3）快衰落产生的原因多径效应多普勒效应慢衰落产生的原因：阴影效应大气折射（大气介电常数变化，时变）慢衰落相对于快衰落而言是宏观变化，快衰落是微观变化慢衰落的衰落速率与频率无关，而主要取决于传播环境，快衰落衰落速率与频率有关3.5衰落储备为防止衰落引起通信中断，必须提高PT或GTGR，使接收信号电平PR留有足够余量，使中断率R小于规定指标，这种电平余量称为衰落储备量。实测大量数据经统计分析得出的曲线如图所示：中断（概）率R可通（概）率TT+R=1衰落储备量/dB频率f/MHz可通率T10203099%95%90%10090030003.6多径时散与相关带宽（1）1．多径时散(1).多径时散含义(2).多径时散的定量描述接收端多径时散信号包络放大后如下图所示，称为多径时延散布谱。射频信号包络发收t多径时散多径传播时延不同(时延散布,简称时散),造成接收数字信号波形展宽,形成码间窜扰,增大误码率。3.6多径时散与相关带宽（2）按E(t)加权求延时t的平均值等，或者将E(t)看成时延t的“概率密度函数”求其均值，定义：（时延标准偏差）平均多径时延时延扩展（时延均值）0-300相对幅度/dBE(t)：归一化包络特性曲线t（时延）多径时散信号包络(多径时延散布谱)dtttE0)(2/1202])([dttEt3.6多径时散与相关带宽（3）多径时散参数典型值参数市区郊区平均时延1.5～2.50.1～2.0时延扩展1.0～3.00.2～2.0最大时延5.0～123.0～7.0市区建筑物密集，反射体多，多径传输严重，从而多径时散严重(及Δ大)，如无抗多径传输措施，则数字信号传输速率(fs、Ts)受限：TsΔ或fs1/(Δ)。3.6多径时散与相关带宽（4）多径时散在频域上导致频率选择性衰落：信道对不同频率成分有不同响应。若信号带宽过大，就会引起严重失真。r延时ΔST(t)SR(t)•多径时散的双路经(双射线)信道等效网络1r2.相关带宽STSR0SR归一化t•多径时散的双路经(双射线)信道近似t113.6多径时散与相关带宽（5）►信道频率特性为由此作出信道幅频特性如下幅频特性不平坦，在一些频率有衰落(频率选择性衰落)。1+r1-r21n2n21neHj21n)()()(jSjSjHeTR)sin()cos(11jrrerj3.6多径时散与相关带宽（6）或相邻两个频率衰落点的频差满足得多径时散的相关带宽若所传输的信号带宽较宽，大于BC时，信号将产生明显畸变。为防止这个问题应选取f实际情况远比这复杂。对调角信号，相关带宽工程估算式为式中，Δ为时延扩展。21221212cB3.6多径时散与相关带宽（7）例：若Δ=3μS，则BC=1/2πΔ=53KHz，则所传输信号的带宽应小于53KHz。主要内容1引言2无线电波传播特性分析3移动信道特征分析4陆地移动信道的场强估算5分集接收主要内容4.1估算方法4.2地形、地物分类4.3中等起伏地形传播损耗中值4.4不规则地形上传播损耗中值4.5任意地形地物的传播损耗中值4.6传播损耗中值估算举例背景准确计算信号场强或传播损耗困难——移动信道中电波传播条件十分恶劣和复杂通常采用分析和统计相结合的办法——分析：了解各因素的影响——统计：大量实验、找出各种地形地物下的传播损耗与距离、频率、天线高度间的关系4.1估算方法（1）4.1估算方法（2）1.计算自由空间传播损耗（基础）。2.由实际地形、地物及天线高度对电波传播的影响，用在大量实验数