§3移动信道中的传播与分集接收.ppt

1、1,移 动 通 信,3 移动信道中的电波传播与分集接收,2,3.1 概述,移动通信系统的电波传播问题比较复杂，因而其传播特性与固定点无线通信的传播模式不同，必须根据移动通信的特点，按照不同的传播环境和地形特征，运用统计分析结合实际测量的方法，找到移动条件下的传播规律，以获得准确预测接收场强的方法。 移动台处于运动状态，电波传播条件随着移动而发生较大变化，接收信号的场强起伏很大，可达几十分贝，出现严重的衰落现象。如 由此可见，接收信号出现严重的衰落现象是移动通信电波传播的一个基本特点。,3 移动信道中的电波传播与分集接收,3,3.1 概述,3.1.1 表征衰落特性的常用参数,衰落是指移动通信中的

2、接收信号场强随机起伏变化的现象。由于对随机量的研究，通常采用统计分析方法，所以在研究衰落时，先测得衰落的瞬时分布，得出各个不同时刻的信号电平记录，再统计分析获得描述衰落的统计数字特征参数。,1、场强中值,场强中值指具有50%概率的场强值，即场强值高于规定电平值的持续时间占统计时间的50%时，则所规定的那个电平为场强中值。,例如,4,3.1 概述,3.1.1 表征衰落特性的常用参数,2、衰落深度,通常定义接收电平与场强中值电平之差为衰落深度。即以场强中值电平为参考电平，表明信号起伏偏离其中值电平的幅度，是衡量衰落严重程度的参数。实际使用时，常用分贝表示：,式中，Ei为接收电平，E0为场强中值电平

3、。,一般在移动通信中，衰落深度可达2030dB。,5,3.1 概述,3.1.1 表征衰落特性的常用参数,3、衰落速率,衰落速率用以描述接收信号场强变化的快慢，即衰落的频繁程度。其定义为：单位时间内场强包络与给定电平值ER相交次数的一半，用N表示。通常取场强中值电平为给定电平，此时也称衰落率。,研究表明：衰落速率与工作频率、移动台的行进速度和行进方向等有关。工作频率越高，衰落越快，场强包络上升和下降就越陡峭。测试得出，移动台的行进方向正好朝着或背着信号传播方向衰落最快，其平均衰落率为：,V：km/h；f：MHz,6,3.1 概述,3.1.1 表征衰落特性的常用参数,4、衰落持续时间,衰落持续时间

4、指场强低于某一给定电平值的持续时间。,移动通信中，当接收电平低于接收机门限电平时，就可能造成语音中断或产生信令误码。,所以，了解衰落低于门限电平持续时间的统计分布规律，对提高移动通信系统的可靠性有着重要的意义。例如，知道了衰落持续时间，就可以判断话音传输受影响的程度。,7,3.1 概述,3.1.2 自由空间的传播衰耗,自由空间是一个理想的空间，指电波直线传播而没有吸收，且不存在反射、折射、绕射和散射等现象。,如图所示的自由空间中，在原点O有一辐射源，均匀地向各方向辐射，辐射功率为PT。能量均匀地分布在以O点为球心、d为半径的球面上。已知球面的表,8,3.1 概述,3.1.2 自由空间的传播衰耗

5、,通常定义发射功率与接收功率的比值为传播衰耗。即自由空间传播衰耗为：,工程上，传播衰耗常用分贝表示：,若距离d用km，波长换算为频率f（MHz），则传播衰耗改写为： Lbs（dB）=32.45+20lgd+20lgf,9,3.2 电波传播特性与移动信道特征,3.2.1 移动通信电波传播方式,移动通信一般采用甚高频（VHF）和超高频（UHF）频段。,（1）陆地移动通信的电波传播,（2）海上移动通信的电波传播,（3）空中移动通信的电波传播,（4）卫星移动通信的电波传播,10,3.2 电波传播特性与移动信道特征,3.2.2 地形地物对电波传播的影响,地形地物的种类千差万别，对移动通信电波传播的影响也

6、是错综复杂的。为了确定不同地形和传播环境条件下的电波传播特性，首先必须对地形特征和传播环境分类，并给以明确的定义。,1、地形特征的分类与定义 对于复杂的地形特征，一般可分为两类，即“准平滑地形”和“不规则地形”。所谓“准平滑地形”是指在传播路径的地形剖面图上，其地面起伏高度不超过20米，且起伏缓慢。除此以外的其它地形统称为“不规则地形”。不规则地形按其状态又可分为：丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形和水陆混合地形等等。,11,3.2 电波传播特性与移动信道特征,3.2.2 地形地物对电波传播的影响,1、地形特征的分类与定义,由于天线总是架设在某种地形地物上，故只讲天线自身的高度在通信中并无多大实际意

7、义。例如，同一天线架设在山顶与架设在平地的效果就大不相同。因此，有必要定义一个“天线有效高度”。,如图,设基地站天线的顶端海拔高度为hts，从基地站天线设置点起315公里距离内地平面平均海拔高度为hgs，则基地站天线有效高度定义为：hb= hts hgs,移动台天线的高度hm则是指路面以上的高度。后面所涉及的天线高度，均为有效高度。,12,3.2 电波传播特性与移动信道特征,3.2.2 地形地物对电波传播的影响,2、传播环境的分类与定义,地面障碍物的种类很多。可根据地物密集的程度，把传播环境分为四类。,1）开阔地,2）郊区,电波传播方向上没有高大的树木或建筑物等开阔地带，或者300400米以内

8、没有任何阻挡的小片场地，如农田、广场等均属开阔地。,在移动台附近有些障碍物，但不稠密的地区。例如房屋、树林稀少的农村或市郊公路网等。,13,3.2 电波传播特性与移动信道特征,3.2.2 地形地物对电波传播的影响,2、传播环境的分类与定义,地面障碍物的种类很多。可根据地物密集的程度，把传播环境分为四类。,3）市区,4）隧道区,在此区域内有较密集的建筑物，如大城市的高楼群等。,地下铁道、地下停车场、人防工事、海底隧道等地区。,14,3.2 电波传播特性与移动信道特征,3.2.3 多径传播,在陆地移动通信系统中，工作在城市建筑群和其它地形地物较为复杂的环境中, 由于移动台天线高度较低， “淹没”在

9、城市建筑物的高度之下，根本没有视线路径。所以，基地站和移动台之间的电波传播已不是单纯的直射波形式，而出现多条路径的反射，以致到达接收天线的信号是来自不同传播路径的各电波的合成波。,如图,由于移动台不停的运动，尽管各个反射波都是从一个天线源辐射出来的，但传播路径不同，反射体的性质不同，使得到达接收点各反射波的幅值和相位都是随机变化的。因而合成波的幅值和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化。这种现象称为多径衰落或快衰落。多径衰落是一种微观的快速变化。,实例,15,移动通信中，基站用固定的高天线，移动台用接近地面的低天线。引起多径的主要原因是移动台周围的建筑物和其他各种反射体，甚至包括车辆、行人。,

10、移动台周围的区域称为近端区域，该区域内的物体造成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，只有高层建筑的反射才能对移动台构成多径，并且这些路径要比近端区域中建筑物所引起的多径的长度要长。,所谓近端区和远端区都是相对某个移动台而言，并没有严格的界线。而且，当移动台移动时，近端区和远端区都是在变化的。,16,移动信道的多径环境引起的信号多径衰落，可以从空间和时间两方面进行描述和测量。,从空间角度来看，沿移动台运动方向，接收信号的幅度随距离或时间（移动台运动时）变动呈现衰减，亦称为幅度衰落。此外，接收信号的局部中值为随距离增加而起伏下降，反映了地形起伏所引起的衰减

11、以及空间扩散损耗。,从时间角度，各个路径的长度不同，因而信号到达的时间也各不相同。这样，若从基站发射一个脉冲信号，则接收信号中不但包括该脉冲，而且还包括它的各个延迟信号。这种由于多径效应引起的接收信号中脉冲的宽度扩展现象，称为时延扩展。扩展的时间可以用第一个码元信号至最后一个多径信号的时间来测量。,17,一般来说，模拟移动通信中主要考虑多径效应所引起的接收信号幅度变化。而数字移动通信中主要考虑多径效应所引起的脉冲信号的时延扩展，因为时延扩展将引起码间串扰，严重影响数字信号的传输质量。,由于移动环境的复杂性与不确定性，不管是幅度衰落还是时延扩展，都必须用统计的方法来分析。,18,3.2 电波传播

12、特性与移动信道特征,3.2.3 多径传播,通过统计分析可知，多径衰落后，信号的振幅服从瑞利分布，所以多径衰落又称作瑞利衰落。设接收到的载波振幅为Ai，其瑞利分布的概率密度函数可用下式表示：,19,3.2 电波传播特性与移动信道特征,3.2.4 阴影效应,另一种变化是慢衰落。由于电波传播路径上遇到建筑物、树林等障碍物阻挡，在阻挡物的后面，会形成电波的阴影区，如图所示。阴影区的信号场强较弱，当移动台穿过阴影区时，就会造成接收信号场强中值的缓慢变化。通常把这种现象称为阴影效应。,另外，由于气象条件的改变，电波折射系数随时间平缓变化，使得同一地点所接收到的场强中值也随时间缓慢的变化。由阴影效应和气象条

13、件变化造成的接收场强中值的缓慢变化称为慢衰落，慢衰落在性质上属于缓慢的宏观变化,其衰落周期常以小时甚至天为量级计。其衰落的速率与工作频率无关，而仅取决于移动台的移动速度。但衰落深度取决于障碍物的状态及信号工作频率。,20,3.2 电波传播特性与移动信道特征,3.2.4 阴影效应,通过统计分析可知，慢衰落一般服从对数正态分布，若以分贝数表示信号的中值电平，则服从正态分布。,正态分布又称为高斯分布，在概率论与数理统计中占有特别重要的地位。正态分布的概率密度函数可表示为：,其概率密度曲线如下图所示。,21,3.2 电波传播特性与移动信道特征,3.2.4 阴影效应,22,3.2 电波传播特性与移动信道

14、特征,3.2.5 多普勒频移,当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。,多普勒效应所引起的附加频移称为多普勒频移，可表示为：,式中， 为入射电波与移动台运动方向的夹角； 为移动台运动速度； 为波长； 为最大多普勒频移。,23,为了防止因衰落(包括快衰落和慢衰落)引起的通信中断，在信道设计中， 必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。衰落储备的大小决定于地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标。通信可靠性也称作可通率，并用T表示，它与中断率的关系是T=1-R。,3.2.6 衰落储备,24,图 3 13 衰落储备量,25,图 3

15、-13示出了可通率T分别为90%、95%和99%的三组曲线，根据地形地物、工作频率和可通率要求，由此图可查得必须的衰落储备量。 例如： f=450MHz，市区工作， 要求T=99%，则由图可查得此时必须的衰落储备约为22.5dB。,26,3.2.7 多径时散与相关带宽,1. 多径时散,在多径传播条件下，接收信号会产生多径时散（也称为时延扩展），在时域上将造成数字信号波形的展宽。 假设基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0(t)，经过多条路径长度不一样的传播路径后，移动台接收到的信号是由许多不同时延的脉冲组成，因此呈现为一串脉冲，结果使脉冲宽度被展宽了。这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，

16、称为多径时散。,27,图 3 14 多径时散示例,28,图 3-15 时变多径信道响应示例,(a) N=3; (b) N=4; (c) N=5,29,一般情况下，接收到的信号为N个不同路径传来的信号之和，即,式中，ai是第i条路径的衰减系数；i(t)为第i条路径的相对延时差。,30,时延扩展可以直观地理解为在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，也就是最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值，记为 。实际上， 就是脉冲展宽的时间。若发送的窄脉冲宽度为T，则接收信号宽度为 。,在数字传输中，由于时延扩展，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。为了

17、避免码间串扰，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展，或者说等效的说码元速率 小于时延扩展的倒数，即 。例如对于WCDMA系统，多径时延必须大于一个码片周期(0.26s)才能被识别。,31,式中，表示平均多径时延;表示多径时散散布的程度。越大，时延扩展越严重；越小，时延扩展越轻。,时延扩展可以用实测信号的统计平均的方法来定义。根据统计测试结果，移动通信中接收机接收到多径的时延信号包络大致如图 3 - 16 所示。,实际上，因为各个脉冲幅度是随机变化的，它们在时间上可以互不交叠，也可以相互交叠，甚至随移动台周围散射体数目的增加，所接收到的一串离散脉冲将会变成有一定宽度的连续信号脉冲。,32,E(

18、t)为归一化时延强度曲线,最大时延max是以包络电平下降30dB时测定的时延值， 如图 3-16 所示。,图 3 16 多径时延信号包络,33,表 3 1 多径时散参数典型值,34,2. 相关带宽,当信号通过移动信道时，会引起多径衰落，根据衰落与信号频率的关系，可以将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落。非频率选择性衰落也称为平坦衰落。,频率选择性衰落：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成分有不同的随机响应。由于信号中不同频率分量的衰落状况不一致，所以衰落信号波形将产生失真。,非频率选择性衰落：指信号中各分量的衰落状况与频率无关，即信号经过传输后，各频率分

19、量所遭受的衰落居于哦一致性，即相关性，因而衰落信号的波形不失真。,35,图 3 17 双射线信道等效网络,为分析简便，不计信道的固定衰减，用“1”表示第一条射线，信号为Si(t); 用“2”表示另一条射线，其信号为rSi(t)ej(t)，这里r为一比例常数。,为了说明这一问题，先讨论两条射线的情况。,36,于是，接收信号为两者之和，即,图 3 - 17 所示的双射线信道等效网络的传递函数为,信道的幅频特性为,(3-55),37,图 3 18 双射线信道的幅频特性,38,由图可见，其相邻两个谷点的相位差为,则,或,由此可见，两相邻场强为最小值的频率间隔是与多径时延(t)成反比的，通常称Bc为多径

20、时散的相关带宽，可以定义为信号包络相关系数等于0.5时所对应的频率间隔。若所传输的信号带宽较宽，以至与Bc可比拟时，则所传输的信号将产生明显的畸变。,39,式中，为时延扩展。,例如，=3s, Bc=1/(2)=53kHz。此时传输信号的带宽应小于Bc=53kHz。,工程上，对于角度调制信号，相关带宽可按下式估算：,相关带宽实际上是对移动信道传输具有一定带宽信号的能力的统计度量。也就是说，相关带宽是移动信道的一个特性。,一般来说，窄带信号通过移动信道时将引起平坦衰落，而宽带 扩频信号将引起频率选择性衰落。,40,3.3 电波传播特性的估算,3.3.1 接收机输入电压、功率与场强的关系,1. 接收

21、机输入电压的定义,图 3 19 接收机输入电压的定义,在信道分析或设计中,首先要求出接收信号场强与距离的关系然后由场强求出接收机的输入电压或输入功率.,41,将电势为Us和内阻为Rs的信号源(如天线)接到接收机的输入端，若接收机的输入电阻为Ri且Ri=Rs，则接收机输入端的端电压U=Us/2，相应的输入功率 。由于Ri=Rs=R是接收机和信号源满足功率匹配的条件，因此 是接收机输入功率的最大值，常称为额定输入功率。 实际中，采用线天线的接收机常常用天线上感应的信号电势作为接收机的输入电压。这种感应电势，即图 3-19中的Us，它并不等于接收机输入端的端电压U。,42,为了计算方便，电压或功率常

22、以分贝计。其中，电压常以1V作基准，功率常以1mW作基准，因而有：,式中， Us以V计。,43,2. 接收场强与接收电压的关系,在采用线天线时，接收场强E是指有效长度为1m的天线所感应的电压值，常以V/m作单位。,为了求出基本天线即半波振子所产生的电压,必须先求半波振子有效长度(见图3-20).,44,图 3 20 半波振子天线的有效长度,如果将中点电流作为高度构成一个矩形,如图中虚线所示,并假定图中虚线与实线所围面积相等,则矩形的长度即为半波振子的有效长度.,半波振子在天线上的电流分布呈余弦函数,中点的电流最大两端的电流均为零.,45,式中，E的单位为V/m，以m为单位，Us的单位为V。若场

23、强用dBV/m计，则,经计算半波振子天线的有效长度为/。 那么，半波振子天线的感应电压为,46,如图3 - 21 所示。在图中，假定天线阻抗为 73.12， 接收机的输入阻抗为50。接收机输入端的端电压U与天线上的感应电势Us有以下关系：,在实际中,接收机的输入电路与接收天线之间并不一定满足上述匹配条件(Ri=Rs=R). 在这时,应在接收机的输入端加入一阻抗匹配网络与天线连接。,图3-21 半波振子天线的阻抗匹配电路,47,接收机输入端的端电压U与天线上的感应电势Us有以下关系：,48,3.3 电波传播特性的估算,在前面的分析可知：移动通信中电波传播非常复杂。任何一个或几个理论公式都不能得到

24、较理想的结果。经过大量的实地测量和分析，总结归纳出了多种经验模型和公式。,在此主要介绍应用较广泛的OM模型（Okumura模型），由奥村等人在日本东京，使用不同的频率、不同的天线高度、不同的距离进行一系列测试，最后绘成经验曲线构成的模型。,OM模型以城市为“准平滑地形”，给出城市场强中值，对于其它地形，给出修正。,适用的范围：频率150MHz1920MHz，基站天线高度301000m，移动台天线高度110m，传播距离1100km。,49,3.3 电波传播特性的估算,3.3.2 市区传播衰耗中值,在城市街道地区，电波传播衰耗取决于传播距离d，工作频率f，基地站天线有效高度hb，移动台天线高度hm

25、以及街道的走向和宽窄等。,OM模型中，给出了准平滑地形、市区传播衰耗中值的预测曲线簇。如图,利用该图就能够预测准平滑地形上，城市地区的电波传播衰耗中值。由于在计算其它地形地物的传播衰耗中值时，通常以准平滑地形、市区的传播衰耗中值为基础，所以，又称其为基本衰耗中值（或基准衰耗中值）。,50,上图表明了基本衰耗中值Am(f、d)与工作频率f、通信距离d的关系。可以看出随着工作频率的升高或通信距离的增大，传播衰耗都会增加。图中纵坐标以分贝计量，这是在基地站天线有效高度hb = 200m，移动台天线高度hm3m，以自由空间传播衰耗为基准（0dB），求得的衰耗中值的修正值Am(f、d)。换言之，由曲线上

26、查得的基本衰耗中值Am(f、d) 加上自由空间的传播衰耗Lbs，才是实际路径衰耗LT,即,3.3 电波传播特性的估算,3.3.2 市区传播衰耗中值,51,3.3 电波传播特性的估算,3.3.2 市区传播衰耗中值,若基地站天线有效高度不是200m，可利用一修正图查出修正因子，对基本衰耗中值加以修正，它称为基地站天线高度的增益因子。该图是hb=200m作为0dB参考的。,同样，若移动台天线高度不等于3m时，可利用另一修正图查出修正因子，对基本衰耗中值进行修正，它称为移动台天线高度的增益因子。图中曲线是以hm=3m作为0dB参考。,如图,如图,52,3.3 电波传播特性的估算,3.3.3 郊区和开阔

27、区的传播衰耗中值,郊区的建筑物一般是分散、低矮的，电波传播条件优于市区，故其衰耗中值低于市区衰耗中值。市区衰耗中值与郊区衰耗中值之差称为郊区修正因子kmr，所以kmr为增益因子。它随工作频率和传播距离变化的关系。,开阔区、准开阔区（开阔区与郊区之间的过渡地区）的衰耗中值相对于市区衰耗中值的修正曲线。,需要说明的是，当通信距离较短（如5km以内），且基地站天线又较高时，按上述方法求出的衰耗中值若小于自由空间传播衰耗时，则应以自由空间传播衰耗为准。,如图,如图,53,3.3 电波传播特性的估算,3.3.4 不规则地形上的传播衰耗中值,在计算不规则地形上的传播衰耗中值时，同样可以采用对基本衰耗中值修

28、正的方法。,1、丘陵地的修正因子 丘陵地的地形参数可用“地形起伏”高度差表示。其定义是：自接收点向发射点延伸10km范围内，地形起伏的90与10处的高度差。此定义只适用于地形起伏达数次以上的情况。,由于在丘陵地中，起伏的顶部与谷部的衰耗中值相差较大，为此有必要进一步加以修正。给出了丘陵地上起伏的顶部和谷部的微小修正值khf,如图,如图,54,3.3 电波传播特性的估算,3.3.4 不规则地形上的传播衰耗中值,在计算不规则地形上的传播衰耗中值时，同样可以采用对基本衰耗中值修正的方法。,2、孤立山岳地形的修正因子,当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时，若求山背后的场强时，则应考虑绕射衰耗、阴影效

29、应、屏蔽吸收等附加衰耗。可用孤立山岳修正因子kjs加以修正。,它表示在使用450MHz、900MHz频段，山岳高度H = 110350m时，基本衰耗中值与实测的衰耗中值的差值，并归一化为H=200m时的值，即孤立山岳修正因子kjs。当山岳高度不等于200m时，查得的kjs值还需乘以一个系数,Hi为山岳的实际高度，单位为米（m）。,如图,55,3.3 电波传播特性的估算,3.3.4 不规则地形上的传播衰耗中值,在计算不规则地形上的传播衰耗中值时，同样可以采用对基本衰耗中值修正的方法。,3、斜坡地形的修正因子,斜坡地形系指在510km内倾斜的地形。若在电波传播方向上，地形逐渐升高，称为正斜坡；反之

30、为负斜坡。如图所示。图中曲线是450MHz和900MHz频段斜坡地形的修正因子曲线，其纵坐标为斜坡地形修正因子，它亦是增益因子；横坐标为倾角，它以毫弧度（mr）为单位，图中以收、发天线之间的距离为参变量给出了三种不同距离的修正值，其它距离的修正值可用内插法近似求得。,56,3.3 电波传播特性的估算,3.3.4 不规则地形上的传播衰耗中值,在计算不规则地形上的传播衰耗中值时，同样可以采用对基本衰耗中值修正的方法。,4、水陆混合地形的修正因子,在电波传播路径上如遇有湖泊或其它水域，接收信号的路径衰耗中值比单纯陆地传播时要低。不难想象，水路混合地形修正因子上ks，亦应为增益因子。,如图,图中的横坐

31、标用水面距离dsR与全部距离d之比（dsR/d）作为地形参数。纵坐标为水陆混合地形修正因子ks ，其值还与水面所处的位置有关。图中曲线A表示水面位于移动台一方时，水陆混合地形的修正值。曲线B表示水面位于基地站一方时的修正值。当水面在传播路径的中间时，则取上述两曲线的中间值。,57,3.3 电波传播特性的估算,3.3.5 任意地形地物的信号中值预测,上面介绍了在各种地形地物情况下，电波传播衰耗中值与工作频率、通信距离、天线高度等的关系，并给出了电波传播的各种衰耗曲线。利用这些曲线，就可以对各种地形地物情况下的信号中值作出预测。信号中值可以是场强中值，也可以是路径衰耗中值或是接收信号的功率中值，总

32、之都是用来表示移动通信电波传播特性的。不过在传播电路计算中，常用功率中值和路径衰耗中值。下面简要说明预测步骤。,1、计算自由空间的传播衰耗 Lbs（dB）=32.45+20lgd+20lgf 其中d：km，f：MHz,58,3.3 电波传播特性的估算,3.3.5 任意地形地物的信号中值预测,2、准平滑地形的信号中值,LT（dB）=Lbs+Am（f、d）Hb（hb、d） Hm（hm、d） 若发射机的发送至天线的功率为PT，则自由空间传播条件下的接收信号的功率 准平滑地形接收信号功率中值PP为： PP=PT LT = PT Lbs Am（f、d）+Hb（hb、d）+Hm（hm、d）,59,3 .任

33、意地形地物情况下的信号中值 任意地形地物情况下的传播信号衰耗中值LA为,式中：LT为准平滑地形市区的传播衰耗中值；KT为地形地物修正因子。 KT由如下项目构成：,60,式中： Kmr郊区修正因子，可由图 3 - 26 求得； Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，可由图 3-27 求得； Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值，可由图 3- 28求得； Kjs孤立山岳修正因子，可由图 3 - 29 求得； Ksp斜坡地形修正因子，可由图 3 - 30 求得； KS水陆混合路径修正因子，可由图 3 - 31 求得,地形地物修正因子,61,根据实际的地形地物情况，KT因子可能只有其中的某几项或为零。

34、例如，传播路径是开阔区、斜坡地形，则,其余各项为零。其他情况可以类推。 任意地形地物情况下接收信号的功率中值PPC是以市区准平滑地形的接收功率中值PP为基础，加上地形地物修正因子KT， 即,62,3.3 电波传播特性的估算,3.3.5 任意地形地物的信号中值预测,例1 某移动台电话系统，工作频率为450MHz，基地站高度为70m，移动台天线高1.5m，在市区工作，传播路径为准平滑地形，通信距离20km，求传播路径的衰耗中值？,解：1）求Lbs Lbs = 32.45 + 20lgd + 20lgf = 32.45 + 20lg20 + 20lg450 = 111.5（dB） 2）求LT 查表可

35、得：Am(f、d) = Am(450、20) 30.5(dB),63,Hb(hb、d) = Hb(70、20) 10(dB),例2 若上题改为在郊区工作，传播路径是正斜坡，且Qm= 15mr，其它条件不变，再求传播路径的衰耗中值？,解：根据已知条件查表可得：Kmr = 8.5(dB) , Ksp = 3(dB) 即 KT = Kmr + Ksp =11.5(dB) LA = LT KT = 15511.5 =143.5(dB),Hm(hm、f) = Hm(1.5、450) 3(dB) LT = Lbs + Am(f、d) Hb(hb、d) Hm(hm、f) = 111.5 + 30.5 (10

36、) (3) = 155(dB) 3、求LA KT = 0 LA = LT KT = LT =155(dB),64,习题： 某发射机发射功率为1kw，载频为900MHz，基地站高度为100m，移动台天线高10m，在郊区工作，通信距离50km，求接收功率（假设接收机天线为单位增益）。,65,3.3 电波传播特性的估算,3.3.6 其它因素的影响,移动通信的电波传播是错综复杂的。在已介绍的OM模型中，给出了多种地形地物的修正因子，借以对电波传播特性作出较为准确的估算。除此以外，还有其它一些因素，也将影响移动通信的电波传播，这些因素在进行预测估算时，也应给以考虑。,1、街道走向的影响,电波传播的衰耗中

37、值与街道的走向（相对于电波传播方向）有关。特别是在市区，当街道走向与电波传播方向平行（纵向）或垂直（横向）时，在离开基地站同一距离上，接收的场强中值相差很大（沟道效应）。,如图,66,3.3 电波传播特性的估算,3.3.6 其它因素的影响,2、建筑物的穿透衰耗,各个频段的电波穿透建筑物的能力是不同的，一般说波长越短，穿透能力越强。同时各个建筑物对电波的吸收能也是不同的。不同的材料、结构和楼房层数，其吸收衰耗的数据都不一样。例如，砖石材料的吸收较小，钢筋混凝土的大些，钢架结构的最大。一般介绍的经验传播模型都是以在街心或空阔地面为假设条件，故如果移动台要在室内使用，在计算传播衰耗和场强时，需把建筑

38、物的穿透衰耗也计算进去，才能保持良好的可通率。,即： Lb L0 Lp 式中Lb为实际路径衰耗中值，L0为在街心的路径衰耗中值，Lp为建筑物的穿透衰耗。,Lp与楼层等关系如图所示,67,3.3 电波传播特性的估算,3.3.6 其它因素的影响,3、植被衰耗,树木、植被对电波有吸收作用。在传播路径上，由树木、植被引起的附加衰耗不仅取决于树木的高度、种类、形状、分布密度、空气湿度及季节的变化，还取决于工作频率、天线极化、通过树林的路径长度等多方面因素。在城市中，由于树林、绿地与建筑物往往是交替存在着，所以，它对电波传播引起的衰耗与大片森林对电波传播的影响是不同的。大片森林对电波传播产生的附加衰耗如图

39、。图中曲线A与B分别相对于垂直极化波与水平极化波。,68,3.3 电波传播特性的估算,3.3.6 其它因素的影响,4、隧道中的传播衰耗,移动通信的空间电波传播在遇到隧道等地理障碍时，将受到严重衰落而不能通信。如地下铁道中的无线调度系统、汽车移动电话在公路穿越河流或山脉的地下通道中，均需解决隧道或地下通道中的传播问题。空间电波在隧道中传播时，由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受到较大的衰耗。,如图,图3-33给出的是在长约2km的隧道内实测得到的电波传播特性,其工作频率为400MHz,发射机位于隧道入口处,天线高度为4m,发射机功率为4W.,69,3.3 电波传播特性的估算,3.3.6 其它因素

40、的影响,由图可见,400MHz频率的电波在隧道内的传输损耗大约为4050dB/km;当传播路径上出现障碍物(如车辆等)或通道弯曲时,损耗还会增大. 频率越低,损耗也越大,如150MHz频率的电波,在隧道内的频率损耗约为100150dB/km,解决电波在隧道中的传播问题，通常采用两种措施：一是在较高频段使用强方向性天线。将电磁波集中射入隧道内；二是在隧道中，纵向沿隧道壁敷设导波线，使电磁波沿着导波线传播，同时泄露出一部分能量，以便与隧道内的行使车辆进行通信。,70,3.4 分集接收技术,衰落是影响通信质量的主要因素。快衰落深度高达3040dB，想利用增加发射功率（100010000倍）是不现实的

41、。采用分集接收才是有效的抗衰落措施，且已广泛应用于移动通信、短波通信中。,3.4.1 分集接收原理,分集接收是指接收端对它收到的多个衰落特性互相独立的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法。,下面给出一种“选择式”合并法进行分集的示意图。 见图,“分集”指分散传输、集中处理。,1、概念,71,3.4 分集接收技术,3.4.1 分集接收原理,两类分集方式：宏分集和微分集。,宏分集主要用于蜂窝通信系统中，也称为“多基站”分集。这是一种减小慢衰落影响的分集技术，其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上（如蜂窝小区的对角上）和在不同方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信（可以选用其中信号最好的

42、一个基站进行通信）。显然，只要在各个方向上的信号传播不是同时受到阴影效应或地形的影响而出现严重的慢衰落，这种办法就能保持通信不会中断。,如图,2、分集方式,72,3.4 分集接收技术,3.4.1 分集接收原理,微分集是一种减小快衰落影响的分集技术，在各种无线通信系统中都经常使用。微分集又可分为下列六种：,1）空间分集,2、分集方式,空间分集的依据在于快衰落的空间独立性，即在任意两个不同的位置上接收同一个信号，只要两个位置的距离大到一定程度，则两处所收信号的衰落是不相关的，为此，空间分集的接收机至少需要两付相隔距离为d的无线，间隔距离d与工作波长、地物及天线高度有关，在移动信道中，通常取：,如9

43、00MHz时，d0.27m，不仅适合基站，也适合移台。,73,2) 频率分集 由于频率间隔大于相关带宽的两个信号所遭受的衰落可以认为是不相关的，因此可以用两个以上不同的频率传输同一信息，以实现频率分集。根据相关带宽的定义，即 式中，为延时扩展。例如，市区中=3s, Bc约为53kHz。这样频率分集需要用两部以上的发射机(频率相隔53kHz以上)同时发送同一信号，并用两部以上的独立接收机来接收信号。它不仅使设备复杂，而且在频谱利用方面也很不经济。,3.4 分集接收技术,2、分集方式,74,3.4 分集接收技术,3.4.1 分集接收原理,3）极化分集,2、分集方式,由于两个不同极化的电磁波具有独立

44、的衰落特性，所以发送端和接收端可以用两个位置很近但为不同极化的天线分别发送和接收信号，以获得分集效果。,极化分集可以看成空间分集的一种特殊情况，它也要用两付天线（二重分集情况），但仅仅是利用不同极化的电磁波所具有的不相关衰落特性，因而缩短了天线间的距离。但由于射频功率分给两个不同的极化天线，因此发射功率要损失3dB。,75,3.4 分集接收技术,3.4.1 分集接收原理,4）场分量分集,2、分集方式,由电磁场理论可知，电磁波的E场和H场载有相同的消息，而反射机理是不同的。例如，一个散射体反射E波和H波的驻波图形相位差90，即当E波为最大时，H波为最小。在移动信道中，多个E波和H波叠加，结果表明

45、EZ、HX和HY的分量是互不相关的，因此，通过接收三个场分量，也可以获得分集的效果。场分量分集不要求天线间有实体上的间隔，因此适用于较低工作频段（例如低于100 MHHz）。当工作频率较高时（800900 MHz），空间分集在结构上容易实现，此时不需采用三付天线进行场分量分集。,场分量分集和空间分集都优于极化分集之处在于这两种方式不像极化分集那样要降低3dB的辐射功率。,76,3.4 分集接收技术,3.4.1 分集接收原理,5）角度分集,2、分集方式,角度分集的作法是使电波通过几个不同路径，并以不同角度到达接收端，而接收端利用多个方向性接收天线能分离出不同方向来的信号分量，由于这些分量具有互相

46、独立的衰落特性，因而可以实现角度分集并获得抗衰落的效果。角度分集在较高频率时容易实现。,77,6) 时间分集。 同一信号在不同的时间区间多次重发，只要各次发送的时间间隔足够大，那么各次发送信号所出现的衰落将是彼此独立的，接收机将重复收到的同一信号进行合并，就能减小衰落的影响。时间分集主要用于在衰落信道中传输数字信号。此外，时间分集也有利于克服移动信道中由多普勒效应引起的信号衰落现象 (但不利于静止台) 。由于它的衰落速率与移动台的运动速度及工作波长有关，为了使重复传输的数字信号具有独立的特性，必须保证数字信号的重发时间间隔满足以下关系：,fm为衰落频率,v为车速,为工作波长.,78,3.4 分

47、集接收技术,3、合并方式,接收端收到M（M2）个分集信号后，如何利用这些信号以减小衰落的影响，这就是合并问题。一般均使用线性合并器，把输入的M个独立衰落信号相加后合并输出。,假设M个输人信号电压为r1(t),r2(t), ,rM(t)，则合并器输出电压r(t)为： r(t) = a1r1(t) + a2r2(t) + +aMrM(t) = akrk(t) 式中，ak为第k个信号的加权系数。,根据在接收端使用合并技术的位置不同，可以分为检测前(Predetection)合并技术和检测后(Postdetection)合并技术。,79,(1) 选择式合并 选择式合并是检测所有分集支路的信号，以选择其

48、中信噪比最高的那一个支路的信号作为合并器的输出。由上述可见，在选择式合并器中，加权系数只有一项为1，其余均为0。,对于具体的合并技术来说，选择不同的加权系数，就可构成不同的合并方式，常用的有以下三种方式：,80,图 3 38 二重分集选择式合并,81,(2) 最大比值合并。最大比值合并是一种最佳合并方式， 其方框图如图 3 - 39 所示。,M个分集支路经过相位调整，保证各路信号在叠加时是同相位的（不同于选择分集），然后按适当的增益系数同相相加（检测前合并），再送入检测器。,M路信号在进行加权的权重是由各路信号所对应的信号电压与噪声功率比值所决定的。,82,图 3 39 最大比值合并方式,83,实际上，每一支路的加权系数ak与信号包络rk成正比而与噪声功率Nk成反比。为了书写简便，每一支路信号包络rk(t)用rk表示。即,由此可得最大比值合并器输出的信号包络为,式中，下标R是表征最大比值合并方式。,由上式可以看出，合并后信号的振幅与各支路信噪比相联系，信噪比越大的支路对合并后的信号贡献越