第2章移动信道.

2-1现代移动通信第2章移动通信信道2-2第2章移动通信信道主要内容2.1陆地无线电波传播特性2.2移动通信信道的多径传播特性2.3描述多径衰落信道的主要参数2.4阴影衰落的基本特性2.5电波传播损耗预测模型2.6多径衰落信道的建模和仿真2-3第2章移动通信信道要求与重点1.了解移动通信中电波传播的主要方式，理解两径传播模型的合成场强计算方法。2.掌握多径传播的基本特性，理解多径衰落对数字移动通信的影响。3.掌握描述多径信道的参数，理解小范围衰落模型。4.理解电波传播损耗的预测。5.了解移动通信信道的建模与仿真2-4第2章移动通信信道通过本章学习，着重解决以下问题：大尺度传播特性(Largescale)大尺度传播模型:描述的是发射机与接收机之间(T-R)长距离(几千米、数百波长量级)上的场强变化。小尺度传播特性(Smallescale)小尺度传播模型:描述短距离(数十波长以下量级)内的接收场强的传播模型。统计特性主要参数建模与仿真1)对移动信道有一个全面深入的理解2)更好地理解经历信道后的信号变化机理2-5概述信道分类按传输媒质分有线信道无线信道根据信道特性参数随时间变化的快慢恒参信道：传输特性随时间变化速度极慢，或者说在足够长的时间内，其参数基本不变。变参信道：传输特性随时间的变化较快。移动通信信道典型的无线变参信道。为何要研究传播特性发射机与接收机之间的传播路径非常复杂接收天线将接收从多条路径传来的信号(开放性）移动台的运动（随机移动性）周围环境的变化（复杂性，地貌、人工建筑、气候特征等）电磁干扰，频段等传播特性直接关系到以下因素天线高度的确定预测信号的覆盖范围为实现优质可靠的通信需采用何种抗衰落技术无线通信系统的通信能力和服务质量…………概述无线移动通信信道是一种电波传播环境很复杂的无线信道，电波在不同的地形地貌和移动速度的环境条件下传播。研究传播特性的基本方法理论分析即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用各种模型来描述移动信道。现场电波传播实测即在不同的传播环境中，做电波传播试验。测试参数包括接收信号幅度、时延以及其它反映信道特征的参数。计算机模拟即利用计算机强大的计算能力，快速灵活地模拟各种移动环境。该方法可弥补前两种方法的不足。概述2-8概述目前典型移动通信使用频段：1、150MHz（VHF）2、450MHz（UHF）3、900MHz（UHF）4、1800MHz（UHF）第三代移动通信——IMT-2000使用1.8-2.2GHz频段（UHF）。那么，VHF、UHF频段电波传播有些什么特性呢？2-92.1陆地无线电波传播特性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障碍物的影响与绕射损耗2.1.5反射波2.1.6散射波2-102.1.1电波传播方式VHF与UHF频段，典型传播方式1、直射2、反射3、散射4、绕射2-112.1.2直射波采用模型自由空间传播模型自由空间模型的定义天线周围是均匀无损耗的无限大真空大气层是各向同性的均匀媒质电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1自由空间特性不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，电波的传播速率等于真空中光速C。理想传播条件2-13模型适用范围传播媒体的近似实际情况中，只要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，传播路径上没有障碍物的阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，这样情况下，电波可视作在自由空间传播。自由空间损耗的本质球面波在传播过程中，随着传播距离增大，球面单位面积上的能量减小了，而接收天线的有效截面积是一定的，故而接收天线所捕获的信号功率是减小了，是由于辐射能量的扩散而引起的，这是自由空间损耗的本质。2-14接收功率计算公式自由空间的接收功率：PT=发射功率(W)GT=发射天线增益GR=接收天线增益=c/f波长(m)，c=光速(3×108m/s)d=发射机和接收机之间的距离(m)222)4()(dGGPdPRTTRdPTPR2-15自由空间传播损耗自由空间传播损耗可以定义为：(不考虑天线增益)以dB计，得到：或可见，自由空间电波传播损耗只与工作频率f和传播距离d有关。电波在自由空间传播时，其衰耗为100dB，当工作频率增大一倍时，则传输衰耗为（）。A、增加6dBB、减小6dBC、增加12dBD、不变)(lg20)(lg2044.32)(MHzfkmddBLfs24dPPLRTfs24lg10)(ddBLfs2-162.1.3大气中的电波传播实际移动信道在低层大气中，电波在底层大气中传播。低层大气并不是均匀介质，温湿度、气压等随时间和空间变化，对电波传播产生折射和吸收等现象有利：可使极限视线传播的距离增大。不利：吸收等2-172.1.3大气中的电波传播折射产生机理大气折射率是变化的，当一束电波通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曲的现象，称为折射。其弯曲程度取决于大气折射率n的垂直梯度：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，也就是认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径变成了等效半径：dndh00011eRkRRdnRdh2-18大气折射标准大气情况下，当dn/dh≈-4×10-8(l/m)，等效地球半径系数k=4/3。地球实际半径是6370km,地球等效半径为8500km。大气折射的结果是传播距离比极限视距更远了，即所谓的超视距传播。但在视线距离内，因为由折射现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。2-19大气折射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。若要接收到来波，天线的架高必须超出这条切线，如果天线的高度不够高，为了接收到来波，天线应该向哪个方向移动?CABH1OC1H2C22-20视线传播极限距离(LOS,LineofSight)122etrdddRhh4.12trdhheR1d2dCABo2212()22eteettetdRhRRhhRh2222()22ereerrerdRhRRhhRh8500eRkm2019年12月20日21绕射能够使电磁波绕过地球弯曲的表面或障碍物传播。即使接收机移动到障碍物的阴影区，接收场强衰减得非常快，但是由于绕射场强的存在，接收机仍然能够接收到有用信号。由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图所示。图中，x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称作菲涅尔余隙。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。d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b)26242220181614121086420－2－4绕射损耗/dB－2.5－2.0－1.5－1.0－0.50.501.01.52.02.5x/x1(c)d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b)26242220181614121086420－2－4绕射损耗/dB－2.5－2.0－1.5－1.0－0.50.501.01.52.02.5x/x1(c)(a)负余隙；(b)正余隙；2.1.4障碍物的影响与绕射损耗2-222.1.4障碍物的影响与绕射损耗原理波理论。绕射可以用惠更斯原理解释。惠更斯原理：波前的所有点可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。2019年12月20日23(c)绕射损耗与余隙关系d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b)26242220181614121086420－2－4绕射损耗/dB－2.5－2.0－1.5－1.0－0.50.501.01.52.02.5x/x1(c)由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图(c)所示。图中，纵坐标为绕射引起的附加损耗，即相对于自由空间传播的分贝数。横坐标x／x1中的x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，它由下列关系式求得21211ddddx式中，λ=c/f,c为光速，f为频率。2.1.4障碍物的影响与绕射损耗x/x1＞0.5时附加损耗为0dB。X0时，损耗急剧增加。X=0时，TR射线从障碍物顶点擦过在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔区余隙x/x1＞0.52019年12月20日24例设在P19(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。试求电波传播损耗。解先求出自由空间传播损耗：［Lbs］=32.45+20lg(5+10)+20lg150=99.5dB求第一菲涅尔区半径：mddddx7.811015101105234321211由图(c)查得附加损耗(x／x1≈-1)为17dB，所以电波传播的损耗为［L］=［Lbs］+17=116.5dB绕射损耗2-252.1.5反射反射波：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果尺寸比电波波长大得多时会产生镜面反射。反射波与直射波二径合成()T发射机2d1doabLOSdthrh()R接收机0000(,)cos(())cos(())LOSgEdEdgLOSTccddddEdtttcc2-262.1.5反射地面反射模型（双线或两径传播模型）：双线地面反射模型是基于几何光学的非常有用的传播模型，不仅考虑了直接路径，还考虑了发射机和接收机的地面反射路径。引入反射系数R。定义为反射波场强与入射波场强的比值。镜面反射时，R=-1。适用范围几千米范围的大尺度信号和城区视距内的微蜂窝环境。场强计算步骤路径差、路径差引起的附加相移、接收场强。2-27场强计算步骤a.反射波与直射波的路径差为：通常，上式中每个根号都可以用二项式定理展开，并且只取展开式中的前两项。2222121222()()()()11trtrtrtrdabcddhhddhhhhhhddd222111122trtrtrhhhhhhddddd()trhhd2-28场强计算步骤b.由路径差引起的附加相移c.接收场强在T-R距离很大的情况下，dLOS与dg相差很小，两者近似等于d，此时有：可见：1）合成场强随相位差的变化而变化，有时会相加，有时会抵消，造成衰落现象；2）接收场强幅度近似随距离的2次方衰减，其大小与频率无关，对应的传播损耗为：2d002()2sin()2EdTdkEdd()40lg()()trLdBdkm常数与f无关传播相移系数2019年12月20日29散射：当电磁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巨大时，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、街道标志和灯柱等会引发散射。实际移动环境中，有时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，发生散射作用，这就给接收机提供了额外的能量。hBA如左图所示，两个平面分别有光滑和粗糙的表面，入射波A和B有同样入射角，则其反射波的路径差表示表面的不平度。普遍接受的标准是路径差小于1/4波长则表面对电波是平坦的。表面不平的临界高度：8sin8ch2.1.6散射2-30无线电波传播机制直射、折射、反射、绕射和散射。自由空间（无阻挡物）：直射，视距传播LOS(lin