2019最新第2章--移动通信信道的电波传播-21--、频段的电波传播特性22--阴-影-效-应23

第2章移动通信信道的电波传播•2.1VHF、UHF频段的电波传播特性•2.2阴影效应•2.3移动信道的多径传播特性•2.4多径衰落的时域特征和频域特征•2.5电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测2.1VHF、UHF频段的电波传播特性2.1.1自由空间电波传播方式2.1.2视距传播的极限距离2.1.3绕射损耗2.1.4反射波当前陆地移动通信主要使用的频段为150MHz(VHF)，和450、900、1800MHz(UHF)。电波传播方式主要有直射波，反射波和地表面波，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播距离有限，分析移动信道时，主要考虑直射波和反射波两种传播方式重点12.1.1自由空间电波传播方式自由空间电波传播是指天线周围为无限大真空时的理想条件下电波传播，电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射在理想情况下，地面上空的大气层是各向同性的均匀介质，其相对介电常数r和相对导磁率µr都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这种情况下，电波可视作在自由空间传播，即直射波传播直射波传播时，能量仍会受到衰减，这是由于球面辐射导致能量扩散而引起的。直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗Lbs，表示式为)(lg20lg2045.32dBfdLbs式中，d为传播距离km，f为工作频率MHz。即直射波的传播损耗只与d与f有关，当d或f增大时，Lbs将增加根据勾股定理可将视距表示为收发天线高度的函数，见板书：ACd1d2BohThRR由于球形地表对视线的遮档，视线所能到达的最远距离称为视距2.1.2视距传播的极限距离已知地球半径为R=6370km，设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR(单位为m)，理论上可得视距传播的极限距离d0为)())()((57.30kmmhmhdTR即视距取决于收、发天线的高度。天线架设越高，视线距离越远。考虑空气不均匀性对电波传播轨迹的影响，在标准大气折射情况下，等效地球半径R=8500km，可得修正后的视距传播的实际极限距离)())()((12.40kmmhmhdTR重点2hRd1Rd2xPTTRhT(a)(b)RRhRTThTd1Pxd2在电波的直射路径上，由障碍物引起的损耗称为绕射损耗。障碍物，发射点，接收点的相对位置如下图所示。x表示障碍物顶点P至收发天线连线TR的距离，称为菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，如图(a)所示；无阻挡时余隙为正，如图(b)所示2.1.3绕射损耗由常识可知：当菲涅尔余隙x0时，障碍物对直射波的传播基本上没影响当菲涅尔余隙x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦过，障碍物引起的绕射损耗开始产生当菲涅尔余隙x0时，TR直射线低于障碍物顶点，障碍物引起的绕射损耗急剧增加根据绕射理论，可导出绕射损耗与x之间的关系曲线如右图所示，曲线的横坐标为x/x1，x1称菲涅尔半径2624201612840－2绕射损耗/dB－2.5－2－1012x/x121211ddddx由图可见，当横坐标x/x1＞0.5时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响。当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为6dB，当x＜0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。2624201612840－2绕射损耗/dB－2.5－2－1012x/x1波会在两种不同介质的界面上产生反射，大地和大气即是不同的介质，电波会在地面上产生反射，对移动通信最主要的影响是反射波与直射波之间存在着由于行程差产生的相位差d1d2hRacbhT2.1.4反射波d1d2hRacbhTdhhcbadRT2分别根据勾股定理计算a,b,c，经近似化简可得到反射波与直射波的行程差：行程差导致两路信号到达接收天线的时间差，进而导致两路信号到达接收天线的相位差Δφ0dTt220考虑到地面反射时会发生反相，两路电波最终相位差Δφ为d20在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射。当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。2.1节小结-VHF、UHF频段的电波传播特性：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。当发射机和接收机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波的绕射。在高频波段，绕射和反射一样，依赖于物体的形状以及绕射点入射波的振幅、相位和极化情况。当电波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常多时，发生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会发生散射。作业W2-1，简述移动通信中电波传播的方式W2-2，发射天线高200m，接收天线高3m，求视线传播极限距离2.2阴影效应当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、高大的树林等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。移动台在运动中通过这些障碍物的阴影时，就会形成接收天线处场强的衰落，称为阴影衰落。由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落。慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速度等，而与频率无关。慢衰落的深度，即接收信号电平变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况。频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信号比频率较高的信号更具有较强的绕射能力。通过电场实测可以得到慢衰落的统计规律。统计分析表明，接收信号的局部均值rlm近似服从对数正态分布，其概率密度函数为221()e2πlmlmrrlmPr式中，为整个测试区的平均值，即rlm的期望值，取决于发射机功率、发射和接收天线高度以及移动台与基站的距离。σ为标准偏差，取决于测试区的地形地物、工作频率等因素lmr2.3.1概述2.3.2多普勒频移2.3.3多径接收信号的统计特性2.3.4衰落信号的特征量2.3移动信道的多径传播特性2.3.1概述()()()nPddSdRd1．移动信道的时变特性移动信道是一种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损害。接收信号的功率可表示为：表达式中的三个因子分别表示了移动信道对传输信号在不同距离范围内，表现出不同的时变特性的三类作用：①第一项||−n表示自由空间传播损耗与弥散，其中||表示移动台与基站的距离，n一般为3～4。表现为长区间中信号场强中心值随距离基站的位置变化而变化②每二项S()表示阴影衰落。这是由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的慢衰落。表现为数百波长的短区间内，信号场强的中心值也出现缓慢变动的特征上述两种衰落都属于慢衰落也称长期衰落，具有十几分钟或几小时的长周期。ddd阴影效应路径损耗多径衰落移动电台发射台穿透损耗③第三项表示多径衰落，如前所述，移动通信的无线电波在传输过程中会受到空中信道，地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等，从而使电波沿着各种不同的路径传播，称为多径传播多径传播的各路信号由于时间延迟不同导致相位不同。在接收端有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。使接收信号的幅度急剧变化，称为多径衰落。多径衰落属于快衰落或短期衰落，具有几秒钟或几分钟的短周期。接收信号场强瞬时值呈现快速变化的特征，由于信号包络服从瑞利分布。多径衰落亦称为瑞利衰落，是移动信道特性中最具有特色的部分图2-7陆地移动传播特性2，移动环境的多径传播在移动通信系统中，基站用固定的高天线，通常高30m，最高可达90m；移动台用接近地面的低天线，通常高2m～3m。移动台周围的区域称为近端区域，该区域内的物体对电波的反射是造成多径效应的主要原因。离移动台较远的区域称为远端区域，在远端区域，只有高层建筑、较高的山峰等的反射才能对该移动台构成多径2.3.2多普勒频移Dmcoscosvff（2-20）当移动台在运动中通信时，多普勒效应会使接收信号频率发生变化，称为多普勒频移（DopplerShift），表示为：式中，与入射角度无关，是fD的最大值，称为最大多普勒频移mfv一般情况下的多普勒频移取决于入射电波与移动台运动方向的夹角α，称为入射角，v是运动速度，λ是波长。考虑到多普勒频移，处于运动之中的移动台的接收信号可以表示为式中第二项是多普勒频移的影响，第三项为电波到达相位，用l为表示传播路径长度则：2.3.3多径接收信号的统计特性s(t)=a0cos(ct+2fDt+0)（2-21）02πl（2-22）分两种情况考虑移动台的接收信号：1，在离基站较远的地区，直射波由于扩散损耗大而很弱，或者由于遮蔽没有直射波，仅有大量反射波，没有一个信号占支配地位，多径信号相互独立，到达接收天线的方向角，相位都是随机的，在这种假设下可以导出接收信号幅度和相位的联合概率密度：22222(,)e2πrrrpr（2-30）在(0，∞)区间内对r积分，可得的概率密度：表明接收信号的相位服从0～2的均匀分布1()2πp（2-31）在[0，2]区间内对积分，可得r的概率密度222()exp(0)2rrrprr（2-32）上式表明接收信号包络服从瑞利分布，概率密度函数曲线如右图所示，式中为r的方差2，在离基站较近的区域中，通常有较强的直射波，成为占支配地位的信号。理论上可以导出，存在占支配地位分量的大量随机变量之和服从莱斯分布，概率密度函数为：式中r是衰落信号的包络，为r的方差，rs为直射波幅度。I0为零阶修正贝塞尔函数22ssr0222()exp2rrrrrprI（2-37）2.3.4衰落信号的特征量式中，速度v的单位为km/h，频率f的单位为MHz，平均衰落率A的单位为Hz。31.8510(Hz)2vAvf（2-39）1，衰落率：衰落率是指信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数。它表示了信号衰落的频繁程度，是对衰落特征的最简洁描述，平均衰落率可用下式表示2，电平通过率：电平通过率定义为信号包络在单位时间内以正斜率通过某一规定电平R的平均次数。观察实测的衰落信号可以发现，衰落速率与衰落深度有关。深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生得相当频繁。电平通过率可以定量地描述这一特征。衰落率只是电平通过率的一个特例，即规定电平R为信号包络的中值RR()PrRN≤（2-43）3，衰落持续时间：平均衰落持续时间定义为信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比，可用下式表示接收信号电平低于接收门限时，会造成语音中断或误码率突然增大，平均衰落持续时间可以定量表示衰落使接收信号电平低于接收门限的时间平均值，据此可判断语音受影响的程度，发生突发错误的概率及突发错误的长度，对工程设计有重要意义图2-11电平通过率和平均电平持续时间2.4多径衰落的时域特征和频域特征2.4.1时延扩展2.4.2相关带宽2.4.3随机调频由于多径传播的各路径长度不同,且传输路径随移动台运动而不断变化,导致发射端一个窄脉冲信号，到达接收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号。其中最大时延和最小时延的差值称为时延扩展Δ，时延扩展导致脉冲展宽，当码元速率较高时，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰，须采用相应技术消除或减少码间串扰的影响。…a0n4t2.4.1时延扩展时延扩展Δ可以用实测信号的统计平均来定义，典型的实测时延谱曲线如下图所示，是由不同时延的信号分量的平均功率构成的谱2.4.2相关带宽根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落与非频率选择性衰落频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应。非频率选择性衰落又称为平坦衰落。是指信号中各分量的衰落状况与频率无