移动环境下的电波传输

内容概述移动环境下电波传输的基本方式移动环境下电波传输的基本效应1本文档共56页；当前第1页；编辑于星期一\18点14分为什么研究移动环境电波传播？建立无线移动信道模型，预测接收信号场强；组网规划、基站选址、无线覆盖预测；抗多径、抗干扰、抗衰落技术；2本文档共56页；当前第2页；编辑于星期一\18点14分移动信道的特点移动通信信道的主要三个特点：传播的开放性传播环境的复杂性与多样性通信用户的随机移动性3本文档共56页；当前第3页；编辑于星期一\18点14分移动环境下电波传输的基本方式1)直射波

2)反射波

3)绕射波4)穿透建筑物的传播

5)漫反射产生的散射波

从移动信道中的电磁波传播方式上看可分为：4本文档共56页；当前第4页；编辑于星期一\18点14分直射波——视距传播（LOS）自由空间功率通量密度（W/m2），表示通过单位球表面积的辐射功率：式中Gt

发射机天线增益。5本文档共56页；当前第5页；编辑于星期一\18点14分直射波——视距传播（LOS）在电磁波覆盖区域范围内，接收机天线“捕获”功率通量的一小部分。天线孔径Ae，直观地为垂直于通量的等效天线面积：式中Gr接收机天线增益。6本文档共56页；当前第6页；编辑于星期一\18点14分直射波——视距传播（LOS）接收功率(Pr)=功率通量密度(Pd)×Ae

/LPt为发射机输出功率Gt

和Gr为天线增益λ

为载波波长L为馈线损耗7本文档共56页；当前第7页；编辑于星期一\18点14分自由空间传播模型路径损耗，指发射器和接收器之间由传播环境引入的功率损耗的量，一般由dB（分贝）表示：其中，d以km为单位，f以MHz为单位8本文档共56页；当前第8页；编辑于星期一\18点14分反射良导体反射无衰减。绝缘体只反射入射波能量的一部分：“Grazing角”，100%反射直角入射，100%透射反射造成180°相移不同频率电磁波的色散9本文档共56页；当前第9页；编辑于星期一\18点14分反射波的叠加——干涉绿色信号比蓝色信号到达红接收点的传输距离长1/2λ。对2GHz信号，λ(波长)=15cm10本文档共56页；当前第10页；编辑于星期一\18点14分菲涅尔区直射波与反射波的相位差介于和的区域称为第n菲涅耳区：恒时延椭圆轨迹的边界。相邻菲涅尔区之间的相位差为180°：11本文档共56页；当前第11页；编辑于星期一\18点14分地面反射

若地面反射属于第一菲涅尔区，路径时延造成的相移<180°反射造成的附加相移为180°地面反射路径恶化了LOS传播12本文档共56页；当前第12页；编辑于星期一\18点14分两径地面反射传播模型413本文档共56页；当前第13页；编辑于星期一\18点14分两径地面反射传播模型路径损耗：14本文档共56页；当前第14页；编辑于星期一\18点14分多径传播模型考虑N条路径时，可推广为：多径数目很大时，只能应用统计的方法计算或进行仿真。15本文档共56页；当前第15页；编辑于星期一\18点14分绕射（衍射）机理当波撞击在障碍物边缘时发生绕射。绕射波场强为围绕阻挡物的所有次级波的矢量和；若无LOS，绕射可帮助覆盖。16本文档共56页；当前第16页；编辑于星期一\18点14分绕射分析---菲涅尔区几何特征菲涅尔区表示从发射机到接收机次级波路径长度比总的视距路径长度大nλ/2的连续区域。假设h<<d1、d2，并且h>>λ、α和β很小，则菲涅尔区同心圆半径rn为：17本文档共56页；当前第17页；编辑于星期一\18点14分绕射分析---菲涅尔余隙X为正X为负18本文档共56页；当前第18页；编辑于星期一\18点14分绕射分析---菲涅尔区几何特征例：设在图1.3.4(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作频率为150MHz，试求电波传输损耗。自由空间损耗：第一菲涅尔区半径：查得附加损耗为17dB，传输损耗为：19本文档共56页；当前第19页；编辑于星期一\18点14分移动环境下电波传播的四种效应多径衰落阴影衰落多径时延扩展多普勒频率扩展20本文档共56页；当前第20页；编辑于星期一\18点14分多径衰落多径效应：信号在传播过程中，受地物、地貌等诸多因素的影响，使接收机收到经反射、衍射和散射等多条路径到达的电磁波，这种现象就是多径效应。多径衰落：由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，这些不同路径到达的电磁波相位不一致且具有时变性，导致合成的接收信号呈衰落状态，称为多径衰落。21本文档共56页；当前第21页；编辑于星期一\18点14分多径衰落22本文档共56页；当前第22页；编辑于星期一\18点14分多径衰落发送信号：接收信号：令则假定N个路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的，且统计独立，则X和Y是N个独立随机变量之和。根据中心极限定律，X和Y趋于正态分布。23本文档共56页；当前第23页；编辑于星期一\18点14分推论1：在无直射波的N个路径中，合成信号的复包络服从瑞利分布：多径衰落模型—瑞利（Rayleigh）分布24本文档共56页；当前第24页；编辑于星期一\18点14分多径衰落模型—瑞利（Rayleigh）分布推论2：多径信号的相位服从均匀分布：为信号包络的时间平均功率，累积分布函数：均值：方差：中值：25本文档共56页；当前第25页；编辑于星期一\18点14分多径衰落模型——莱斯（Rician）分布含有一个强直射波的N个路径，则合成信号包络分布为莱斯分布：26本文档共56页；当前第26页；编辑于星期一\18点14分多径衰落模型——莱斯（Rician）分布A是直射波的幅度是零阶第一类修正贝塞尔函数定义莱斯因子K：，瑞利分布，高斯分布27本文档共56页；当前第27页；编辑于星期一\18点14分多径衰落模型——Nakagami分布多径信号并不一定具有独立性，此时Nakagami分布能提供更好的与实际测试的匹配度：m：形状因子，表示衰落的严重程度；m=1，瑞利分布；m=0.5，单边高斯分布；，近似莱斯分布。28本文档共56页；当前第28页；编辑于星期一\18点14分多径衰落的特征量衰落率电平通过率平均衰落持续时间29本文档共56页；当前第29页；编辑于星期一\18点14分衰落率信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数。多径衰落又称快衰落30本文档共56页；当前第30页；编辑于星期一\18点14分电平通过率信号包络单位时间内以正斜率通过某一规定电平A的平均次数。其中，31本文档共56页；当前第31页；编辑于星期一\18点14分电平通过率例.设移动台车速为60km/h，工作频率为1000MHz，求对于信号均方值电平的电平通过率。电平相对值：最大多普勒频移：电平通过率：32本文档共56页；当前第32页；编辑于星期一\18点14分平均衰落持续时间信号包络低于给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比。对于瑞利衰落，33本文档共56页；当前第33页；编辑于星期一\18点14分平均衰落时间例.设移动台车速为24km/h，工作频率为850MHz，已知接收信号包络服从瑞利分布。求接收信号包络低于中值电平的平均衰落时间。平均衰落时间：最大多普勒频移：电平相对值：34本文档共56页；当前第34页；编辑于星期一\18点14分阴影衰落产生原因：障碍物阻挡，移动台进入阴影区大气折射，大气介电常数的变化统计特性–对数正态分布(r是信号强度的dB值)：位置函数：时间函数：联合分布：35本文档共56页；当前第35页；编辑于星期一\18点14分对数正态分布36本文档共56页；当前第36页；编辑于星期一\18点14分阴影衰落的标准偏差频率/MHz准平坦地形不规则地形，城市区郊区50150300503.5-5.54-789101509111345067.51115189006.58141824表1、标准偏差（dB）37本文档共56页；当前第37页；编辑于星期一\18点14分慢衰落与快衰落的合成效果38本文档共56页；当前第38页；编辑于星期一\18点14分移动环境下场强测试曲线39本文档共56页；当前第39页；编辑于星期一\18点14分接收信号统计分析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迅速衰减（路径损耗）场强变化的中值呈慢速变化---慢衰落（阴影衰落）场强变化的瞬时值（几个波长范围内）呈快速变化---快衰落（多径衰落）40本文档共56页；当前第40页；编辑于星期一\18点14分衰落的影响场强影响信号质量，相位影响信号带宽慢衰落影响覆盖，快衰落产生突发错误例：基站覆盖范围的估算41本文档共56页；当前第41页；编辑于星期一\18点14分多径时延扩展三径时延扩展：多径时延扩展：多径时延扩展：多径信号传播路径不同引起的时延散布；42本文档共56页；当前第42页；编辑于星期一\18点14分多径时延扩展特征值平均时延：时延扩展：最大时延扩展（-30dB值）瑞利信道下的多径时延扩展服从负指数分布。43本文档共56页；当前第43页；编辑于星期一\18点14分典型的多径时延44本文档共56页；当前第44页；编辑于星期一\18点14分时延扩展可理解为接收脉冲最大时延和最小时延的差值。若发送的窄脉冲宽度为T，则接收信号宽度为T+时延扩展会引起数字信号的码间串扰。应使码元速率：多径时延扩展的影响45本文档共56页；当前第45页；编辑于星期一\18点14分时延扩展与相关带宽时域上，时延扩展导致码间串扰；频域上，时延扩展导致频率选择性衰落。相关带宽：理论上：实际应用中：46本文档共56页；当前第46页；编辑于星期一\18点14分时延扩展与相关带宽多径扩展和相关带宽的关系：47本文档共56页；当前第47页；编辑于星期一\18点14分时延扩展与相关带宽

：频率选择性衰落，码间串扰，信号失真；：平坦衰落信道，无码间串扰；相关带宽是对移动信道具有一定带宽信号的传输能力的统计度量。48本文档共56页；当前第48页；编辑于星期一\18点14分回顾电波传输的三种方式电波传输的四种效应49本文档共56页；当前第49页；编辑于星期一\18点14分多普勒效应移动台在运动中通信时，接收信号的频率会发生变化，其变化程度与用户运动速度成正比，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移。50本文档共56页；当前第50页；编辑于星期一\18点14分多普勒效应最大多普勒频移：多普勒频移：移动台朝向入射波方向，多普勒频移为正；移动台背向入射波方向，多普勒频移为负。成因：相位的线性变化导致频率变化，只对高速运动的通信产生影响。应用：天体测距、超音速飞行…。51本文档共56页；当前第51页；编辑于星期一\18点14分多普勒频率扩展多径传播下，存在很多条到达方向不相同的子径信号，这些子径信号的多普勒频移均不相同，从而形成信号频率的扩展，称为多普勒频率扩展。52本文档共56页；当前第52页；编辑于星期一\18点14分多普勒频谱当多径电波与移动台的运动方向夹角在[0~2π]内服从均匀分布时，多普勒扩展的功率谱为：53本文档共56页；当前第53页；编辑于星期一\18点14分频率扩展与相干时间时域上，频率扩展导致时间选择性衰落相干时间：当发送信号的持续时间Ts>Tc则会产生