移动信道的传播特性(1)ppt课件

1、第 2 章挪动通讯信道n挪动通讯信道是挪动用户在各种环境中进展通讯时的无线电波传播通道。n从发射机天线到接纳机天线，无线电波的传播有直射、反射、折射、绕射等多种途径，它们能够部分存在或同时存在，呈现随机性。n挪动通讯信道在各种通讯信道中是最为复杂的一种。在有线传播线路中，信噪比的动摇通常不超越12dB，而陆地挪动通讯信道中信号强度的骤然降低，即衰落深度可达30dB。n在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的挪动台的接纳信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次且是随机的，这比固定点的无线通讯要复杂得多。n总之，挪动通讯信道会引起接纳信号在相应的时间域、频率域及空间域产生选择性衰落，而这些衰落不但会严重恶化

2、挪动通讯系统的传输可靠性，还会明显降低挪动通讯系统的频谱效率。n因此，为实现优质可靠的无线通讯，必需采取相应的一系列措施，而要保证所用技术的有效性，掌握挪动通讯信道特性是根底。n 电波传播的开放性、接纳环境的复杂性和挪动台的随机挪动性是挪动通讯信道的主要特点，而这些特点导致了其传播条件是时变、复杂、恶劣的。因此，挪动通讯信道是非常复杂的。n 挪动通讯信道研讨的根本方法是实际分析、现场电波传播实测和计算机仿真三种：n 第一种是利用电磁场实际来描画挪动通讯信道，其缺乏是数学模型往往过于简化导致运用范围受限；n 第二种是经过在不同的电波传播环境中的实测实验，得出包括接纳信号幅度、时延及其他反映信道特

3、征的参数，其缺乏是费时费力且往往只针对某个特定传播环境；n 第三种是经过建立仿真模型，用计算机仿真来模拟各种无线电波传播环境。随着计算技术的开展，计算技仿真方法因能快速模拟出各种挪动通讯信道而得到越来越多的运用。n无线电波传播特性的研讨结果可以用某种统计描画，也可以建立电波传播模型，如图表、近似计算公式或计算机仿真模型等。n本章在论述陆地无线电波传输特性的根底上，重点讨论陆地挪动通讯信道的特征、场强或损耗的计算方法，并对挪动通讯信道仿真作简要引见。2.1 陆地无线电波传播特性2.2挪动通讯信道的多径传播特性2.3描画多径衰落信道的主要参数2.4 阴影衰落的根本特性2.5 电波传播损耗预测模型确

4、定挪动通讯任务频段主要思索以下几个方面：电波传播特性、天线尺寸；环境噪声和干扰的影响；效力区范围、地形和妨碍物尺寸以及对建筑物的穿透特性；设备小型化；与已开发频段的干扰协调和兼容性；用户需求及运用特点。缩写称号频率范围波长称号传播方式目前频率分配情况VLF甚低频30kHz以下万米波(甚长波)天波,地波,以地波传播为主(1020)kHz,主要用于无线电导航,海上挪动通讯和广播LF低频Low30kHz300kHz千米波(长波)天波,地波,以地波传播为主(2003000)kHz,主要用于广播,无线电导航,海上挪动通讯,地对空通讯MF 中频Medium300kHz3000kHz百米波(中波)主要以地波

5、播,夜间天波亦可传播HF高频High3MHz30MHz十米波(短波)地波传播间隔极近,以视距内直线传播为主主要用于定点通讯,航海和航空挪动通讯,广播,热带广播及业余无线电等VHF甚高频Very30MHz300MHz米波(超短波)视距内直线传播(301000)MHz,主要用于电视广播,陆上挪动通讯,航空挪动通讯,海上挪动通讯,定点通讯,空间通讯和雷达等UHF特高频Ultra300MHz3000MHz分米波(微波)与光的传播特性根本一样SHF超高频Super3GHz30GHz厘米波(微波)1GHz-10GHz,主要用于无线电微波接力系统,其次是定点通讯和挪动通讯业务EHF极高频Extremely3

6、0GHz300GHz毫米波(微波)10GHz以上,主要用于无线电中继接力通讯,空间通讯,雷达,导航,无线电天文学等n 目前典型挪动通讯运用频段：n1、150 MHz VHFn2、450 MHz UHFn3、900 MHz UHFn4、1800MHz UHFn 5、第三代挪动通讯IMT-2000运用1.8-2.2GHz的频段UHF。目录目录2.1.1 电波传播方式2.1.2 直射波2.1.3 大气中的电波传播2.1.4 妨碍物的影响与绕射损耗2.1.5 反射波2.1.6 散射波 发射机天线发出的无线电波，可以从不同的途径到达接纳机，它们大体上可归结为直射、反射、绕射和散射等方式，其中反射、绕射和

7、散射是影响挪动通讯中电波传播的根本方式。典型的传播通路如图2-1所示。图图2-1 典型的电波传播通路典型的电波传播通路nVHF与UHF频段，典型传播方式：n1、直射：从发射天线直接到达接纳天线的电波称为直射波。n2、反射：经过大楼墙面等反射到达接纳天线的电波称为反射波。n3、散射：经过粗糙外表或小物体散射到达接纳天线的电波称为散射波。n4、绕射：绕过妨碍物遮挡向前传播到达接纳天线的电波称为绕射波。n发射机天线发出的电波经过上述多种传播途径最终到达接纳机，这些来自同一波源的电波信号叠加在一同会产生干涉，即多径衰落景象。n采用模型n自在空间传播模型。n自在空间模型的定义n天线周围是均匀无损耗的无限

8、大空间；n大气层是各向同性的均匀媒质；n电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1。n自在空间特性n不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等景象，电波的传播速率等于真空中光速C；n但存在电波传播损耗也称衰减。n自在空间损耗的本质n 球面波在传播过程中，随着传播间隔增大，球面单位面积上的能量减小了，而接纳天线的有效截面积是一定的，故而接纳天线所捕获的信号功率是减小了，这是自在空间损耗的本质。dPTPRn传播媒体的近似n实践情况中，只需地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对磁导率为1，传播途径上没有妨碍物的阻挠，到达接纳天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，这样情况下，电波可视

9、作在自在空间传播。n 自在空间的接纳功率：n PT = 发射功率 (W)n GT = 发射天线增益n GR = 接纳天线增益n = c/f 波长(m)，c = 光速 (3108 m/s)n d = 发射机和接纳机之间的间隔(m) 222)4()(dGGPdPRTTRdPTPRn自在空间传播损耗可以定义为：(不思索天线增益)n以dB计，得到：n或n可见，自在空间电波传播损耗只与任务频率 f 和传播间隔 d 有关。)(lg20)(lg2044.32)(MHzfkmddBLfs24dPPLRTfs24lg10)(ddBLfsn 在实践挪动通讯信道中，电波在低层大气中传播。n 整个大气层随高度不同表现

10、出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层，再上面就是星际空间了。n 低层大气是指距地面高度1015km以下的大气层。低层大气所含空气占整个地球大气层的80%以上，对于天气和气候有直接的影响。n 低层大气并不是均匀介质，它的温度、湿度以及气压均随时间和空间而变化，因此会产生折射和吸收景象，在VHF和UHF波段的折射景象尤为突出，它将直接影响视野传播的极限间隔增大。n折射产活力理n 大气折射率是变化的，当一束电波经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。这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯

11、曲的景象，称为折射。n其弯曲程度取决于大气折射率n的垂直梯度：n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，也就是以为电波依然按直线方向行进，只是地球的实践半径变成了等效半径。dndh00011eRk RRdnRdhn 规范大气情况下，等效地球半径系数k=4/3。地球实践半径是6370 km, 地球等效半径为8500 km。n 大气折射的结果是传播间隔比极限视距更远了，即所谓的超视距传播。n 大气折射有利于超视距的传播，但在视野间隔内，由于折射景象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰落。 假设A点架设一部发信机，天线的架高是H1，AB是和地球相切的一条射线。假

12、设要接纳到来波，接纳天线的架高必需超出这条切线。CABH1Od1H2d2O122etrdddRhh4.12trdhh2212()22eteettetdRhRR hhR h2222()22ereerrerdRhRR hhR h8500eRkmn 在实践情况下，电波的直射途径上存在各种妨碍物，电波绕过妨碍物遮挡向前传播的景象称为绕射。n 绕射可以用惠更斯原了解释。n 惠更斯原理：波前的一切点可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来构成传播方向上新的波前。n 绕射是由次级波的传播进入阴影区而构成。 n 绕射损耗：由绕射引起的附加传播损耗称为绕射损耗，该损耗与妨碍物的性质、传播途径的相对位置有关。n

13、 x表示妨碍物顶点至直射线TR的间隔，称为菲涅尔余隙。n 规定阻挠时余隙为负，无阻挠时余隙为正。n 工程上采用图表方式。n 图中横坐标为x/x1，其中x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径。n x/x10.5时附加损耗为0dB，即妨碍物对直射波传播根本上没有影响。n x小尺度衰落。p 延伸信号到达接纳机的时间，引起码间串扰。当挪动台在运动中通讯时，接纳信号的频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移(Doppler Shift)。多普勒频移可用下式表示：v 是挪动台运动速度， 是波长，(t) 是入射电波与挪动台运动方向的夹角。( )cos ( )dvftt多普勒频移与挪动台

14、运动速度及其运动方向与无线电波入射方向之间的夹角有关。 朝向入射波方向挪动多普勒频移为正值；被向入射波方向挪动多普勒频移为负值。2.3.1 时延扩展和相关带宽2.3.2 多普勒扩展和相关时间 挪动通讯信道是色散信道，即传输信号波形经过挪动通讯信道后会发生波形失真。电波经过挪动通讯信道后，信号在时域上、频域上和空间角度上都产生色散，本来分开的波形在时间上或频谱上或空间上会产生交叠，表达在以下几方面：多径效应在时域上引起信号的时延扩展，使得接纳信号的时域波形展宽，相应地在频域上规定了相关带宽性能。当信号带宽大于相关带宽时就会发生频率选择性衰落。n多普勒效应在频域上引起频谱扩展，使得接纳信号的频谱产

15、生多普勒扩展，相应地在时域上规定了相关时间性能。多普勒效应会导致发送信号在传输过程中的信道特性发生变化，产生所谓的时间选择性衰落。n散射效应会引起角度扩展。挪动台或基站周围的本地散射以及远端散射会使不同位置的接纳天线阅历的衰落不同，从而产生角度分散，相应地在空间上规定了相关间隔性能。空域上波束的角度分散呵斥了同一时间、不同地点的信号衰落起伏不一样，即所谓的空间选择性衰落。 通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描画多径信道的色散，即用功率时延分布Power Delay Profile, PDP描画信道在时间上的色散；用多普勒功率谱密度Doppler Power Spread Density,

16、 DPSD描画信道在频率上的色散；用功率角度谱Power Azimuth Spectrum, PAS描画信道在角度上的色散。定量描画这些色散时，常用一些特定参数来描画，如时延扩展、相关带宽、多普勒扩展、相关时间、角度扩展和相关间隔等。1、时延扩展多径传播呵斥信号时间分散： 假设发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，接纳信号呈现为一串脉冲； 时延扩展大小：在一串接纳脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，记为。由于存在时延扩展，接纳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。当码元速率Rb较小，满足条件Rb 200m时，Hb(hb, d) 0dB；反之，当hb200m时，Hb(

17、hb, d)3m时， Hm(hm, f)0dB；反之，当hm3m时， Hm(hm, f)5m时， Hm(hm, f) 不仅与天线高度、频率有关，而且还与环境条件有关。在中小城市，建筑物的平均高度较低，屏蔽作用较小，当hm4m时，随天线高度的添加， Hm(hm, f)明显增大； 在大城市，建筑物的平局高度在15m以上，所以Hm(hm, f)曲线在10m范围内没有出现拐点。Okumura模型计算中值途径损耗的思绪是： (1) 首先算出对应于基站有效天线高度hb为200米，挪动天线高度hm为3米的根本中值损耗。 (2) 然后再根据天线的实践高度加以修正。LM(dB)=Lfs+Am(f, d)-Hb(

18、hb, d) -Hm(hm, f)-ks-kh-kA-kis 以准平坦地形中的中值途径损耗作为规范，针对不同传以准平坦地形中的中值途径损耗作为规范，针对不同传播环境和不规那么地形中的各种要素，用修正因子加以修正播环境和不规那么地形中的各种要素，用修正因子加以修正，就可得到不规那么地形及不同环境中的中值途径损耗，可，就可得到不规那么地形及不同环境中的中值途径损耗，可用下式表示为：用下式表示为：式中，式中，ks为郊区修正因子；为郊区修正因子；kh为丘陵地形修正因子；为丘陵地形修正因子；kA为斜为斜坡地形修正因子；坡地形修正因子；kis为水陆混合传播途径修正因子。另外，为水陆混合传播途径修正因子。另

19、外，还有开阔区校正因子、城市道路走向及道路宽度校正因子、还有开阔区校正因子、城市道路走向及道路宽度校正因子、孤立山丘校正因子和植被校正因子等。孤立山丘校正因子和植被校正因子等。 PR=PT-LM+Gb+Gm-Lb-Lm-Ld 根据已得出的中值途径损耗，可求出挪动台接纳到的信号根据已得出的中值途径损耗，可求出挪动台接纳到的信号功率为功率为 式中，式中，PR为接纳机收到的中值信号功率为接纳机收到的中值信号功率(dBW)；PT为发射机为发射机输出功率输出功率(dBW)；LM为中值途径损耗为中值途径损耗(dBW)；Gb和和Gm分别分别为基站和挪动台天线增益为基站和挪动台天线增益(dB)；Lb为基站馈线

20、损耗为基站馈线损耗(dB)；Lm为挪动台馈线损耗为挪动台馈线损耗(dB)；Ld为基站天线共用器损耗为基站天线共用器损耗(dB)。【例2.8】某挪动通讯系统，任务频率为450MHz，基站天线高度为50m，天线增益为6dB，挪动台天线高度为3m，天线增益为0dB；在市区任务，传播途径为准平坦地形，通讯间隔为10km。试求1传播途径的中值途径损耗。2假设基站发射机送至天线的信号功率为10W，不思索馈线损耗和公用器损耗，求挪动台天线接纳到的信号功率。(1) 自在空间传播损耗Lfs为由图2-20可查得市区根本损耗中值 由图2-21可查得基站天线高度增益因子由图2-22可查得挪动台天线高度增益因子32.4420lg20lgfsLfddB5 .10510lg20450lg2044.32dBdfAm27),(dBdhHbb12),(dBfhHmm0),(可得传播途径损耗中值为： 105.527 12144.5MLdB(2)求得中等起伏地市区中接纳信号的功率中值RTMbmbmdPPLGGLLL10lg10 144.5 6 0 0 0 0128.598.5dBWdBm