第3章移动信道的传播特性.

第3章移动信道的传播特性第3章移动信道的传播特性3.1无线电波传播特性3.2移动信道的特征3.3陆地移动信道的传输损耗3.4移动信道的传播模型思考题与习题第3章移动信道的传播特性为什么要研究无线移动信道无线通信系统的性能主要受无线移动信道的制约，无线移动信道具有多样性，同一无线移动接口在不同的无线移动信道中性能大不相同如何描述无线移动信道理论分析：用电磁场理论和统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用数学模型来描述移动信道。现场电波实测（场强实测统计）：在不同的传播环境中，做电波实测实验，验证和校正理论分析结果。计算机模拟：灵活快速地模拟各种移动环境。第3章移动信道的传播特性频率越低，传播损耗越小，覆盖距离越远；而且频率越低，绕射能力越强，建筑物内覆盖效果越好。但是，低频段频率资源紧张，系统容量有限，因此主要应用于广播、电视、寻呼等系统。高频段频率资源丰富，系统容量大；但是频率越高，传播损耗越大，覆盖距离越近；而且频率越高，绕射能力越弱，建筑物内覆盖效果越差。而且频率越高，技术难度越大，系统的成本也相应提高。移动通信系统选择所用频段要综合考虑覆盖效果和容量。UHF频段与其他频段相比，在覆盖效果和容量之间折衷的比较好，因此被广泛应用于移动通信领域。当然，随着人们对移动通信的需求越来越多，需要的容量越来越大，移动通信系统必然要向高频段发展。第3章移动信道的传播特性①建筑物反射波②绕射波③直达波④地面反射波传播途径①建筑物反射波②绕射波③直达波④地面反射波第3章移动信道的传播特性3.1.2直射波直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间传播，是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。实际情况下，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εr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。直射波按自由空间传播考虑：只有能量扩散，没有其它损耗。第3章移动信道的传播特性由上式可见，自由空间传播损耗Lfs可定义为24dPPLRTfs(3-11)以dB计，得)(4lg20)(4lg10)(2dBddBddBLfs(3-12)或［Lfs］(dB)=32.44+20lgd(km)+20lgf(MHz)(3-13)式中，d的单位为km，频率单位以MHz计。讨论：(1)d↑，导致能量扩散，则Lfs↑,(2)f↑，导致接收天线有效面积减小，则Lfs↑,第3章移动信道的传播特性3.1.4障碍物的影响与绕射损耗在实际情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物，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3-3所示。图中，x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，如图3-3(a)所示；无阻挡时余隙为正，如图3-3(b)所示。由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图3-4所示。第3章移动信道的传播特性图中，纵坐标为绕射引起的附加损耗，即相对于自由空间传播损耗的分贝数。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，它由下列关系式可求得：21211ddddx(3-21)第3章移动信道的传播特性图3-3障碍物与余隙(a)负余隙；(b)正余隙d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b)x1为菲涅尔半径21211ddddxx为菲涅尔余隙第3章移动信道的传播特性讨论选择基站天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的余隙X/X10.5，此时附加损耗约为0dB,即障碍物对直射波传播基本没影响。当x=0时，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为6dB。当x＜0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；第3章移动信道的传播特性由图3-4查得附加损耗(x/x1≈-1)为16.5dB,因此电波传播的损耗L为［L］=［Lfs］+16.5=116.0dBmddddx7.8110151010105233321211例3-1：设图3-3(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。试求出电波传播损耗。解：先求出自由空间传播的损耗Lfs为［Lfs］=32.44+20lg(5+10)+20lg150=99.5dB第一菲涅尔区半径:分析：电波传播损耗［L］=［Lfs］+实际地形地物引起的附加损耗第3章移动信道的传播特性3.2移动信道的特征3.2.1传播路径与信号衰落3.2.2多径效应与瑞利衰落3.2.3慢衰落特性与衰落储备3.2.4多径时散与相关带宽第3章移动信道的传播特性3.2.1传播路径与信号衰落θi图3-6移动信道的传播路径BSMSS0反射/散射波diSid1S1…d2S2Svimidffcoscos注：第3章移动信道的传播特性在移动通信中，散射体的运动和移动台的运动对接收信号的影响是一致的。如果移动台与附近的散射体始终保持静止，则所接收到的信号包络保持不变；如果二者存在相对运动，则接收信号包络有起伏变化。由于地物（如建筑物和其它障碍物）的反射作用，接收信号场强矢量合成的结果形成驻波分布，即在不同地点的信号场强不同。当移动台在驻波场中运动时，接收场强出现快速、大幅度的周期性变化，称为多径快衰落，也称小区间瞬时值变动。MS的接收信号S=ΣSi，i=1,2…，就会产生快衰落。第3章移动信道的传播特性3.2.2多径效应与瑞利衰落yxSi(t)基站天线i图3–8移动台接收N条路径信号在障碍物均匀的城市街道或森林中，在接收信号中没有视距传播的直达波时，信号包络起伏近似于瑞利分布，多径快衰落称为瑞利衰落。第3章移动信道的传播特性到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和，如图3-8所示。设基站发射的信号为为初相为角频率，其中，000000)](exp[)(tjatS假设N个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号为NiitStS1)()(第3章移动信道的传播特性假设，为接收信号包络的时间平均功率，且p(x)和p(y)均值为零，则22222),(rerrp222yx2222221),(yxeyxp用极坐标(r,θ)表示：xyyxrarctan222式中：3.2.2多径效应与瑞利衰落——续概率密度函数服从正态分布第3章移动信道的传播特性当接收信号中有视距传播的直达波信号时，视距信号成为主接收信号分量，同时还有不同角度随机到达的多径分量迭加在这个主信号分量上，这时的接收信号就呈现为莱斯分布，甚至高斯分布。但当主信号减弱达到与其他多径信号分量的功率一样即没有视距信号时，混合信号的包络又服从瑞利分布。注意：莱斯分布适用于一条路径明显强于其它多径的情况，但并不意味着这条径就是直射径。第3章移动信道的传播特性3.2.3慢衰落特性和衰落储备d/m(d=vt)t/s-30-10010相对电平/dB中值图3-8信号快衰落及慢衰落特性第3章移动信道的传播特性慢衰落（阴影衰落）：MS移动时，由于移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡，形成电磁场阴影效应，引起接收信号电平中值存在周期为秒级的慢衰落。特点：衰落与无线电传播地形和地物的分布、高度有关。第3章移动信道的传播特性衰落储备：为防止衰落引起通信中断，必须提高PT或GTGR，使接收信号电平PR留有足够余量使中断率低于规定的指标，这部分余量称为衰落储备量。图3-13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第3章移动信道的传播特性快衰落(FastFading)主要由于多径传播而产生的衰落，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起信号的多径传快衰落示意图输，使到达的信号之间相互叠加，其合成信号幅度表现为快速的起伏变化，它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗，其变化率比慢衰落快，故称它为快衰落，由于快衰落表示接收信号的短期变化，所以又称短期衰落(short-term-fading）。快衰落又叫多径衰落；服从瑞利分布。波峰与波峰之间一般1/2个波长。时间选择性衰落：用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引起频率扩散，从而引起时间选择性衰落。•空间选择性衰落：不同的地点，不同的传输路径衰落特性不一样。•频率选择性衰落：不同的频率衰落特性不一样，引起时延扩散，从而引起频率选择性衰落。•为减少快衰落对无线通信的影响，常用方法有空间分集，频率分集，时间分集等。•第3章移动信道的传播特性•慢衰落(SlowFading)在移动通信传播环境中，电波在传播路径上遇到起伏的山丘、建筑物、树林等障碍物阻挡，形成电波的阴影区，就会造成信号场强中值的缓慢变化，引起衰落。通常把这种现象称为阴影效应，由此引起的衰落又称为阴影慢衰落。另外，由于气象条件的变化，电波折射系数随时间的平缓变化，使得同一地点接收到的信号场强中值也随时间缓慢地变化。但因为在陆地移动通信中随着时间的慢变化远小于随地形的慢变化，因而常常在工程设计中忽略了随时间的慢变化，而仅考虑随地形的慢变化。慢衰落的场强中值服从对数正态分布，且与位置/地点相关，衰落的速度取决于移动台的速度第3章移动信道的传播特性3.2.4多径时散与相关带宽图3-10多径时散示意图射频信号包络发收t多径时散第3章移动信道的传播特性图3-11时变多径信道响应示例(a)N=3;(b)N=4;(c)N=5t1t1＋11t1＋12t＝t0＋t2t2＋22t2＋23t2＋21t3t3＋34t＝t0＋t＝t0(a)(b)(c)第3章移动信道的传播特性1.多径时散多径时散(时延散布,简称时散)：因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时散。多径时散的后果：在数字传输中，由于多径传播时延不同造成接收数字信号波形展宽,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,增大误码率。为了避免码间串扰:使码元周期大于多径引起的时延扩展或者使信号传输速率低于时延扩展的倒数第3章移动信道的传播特性0220)()(dttEtdtttE平均多径时延（时延均值）时延扩展：（时延标准偏差，即E(t)的均方根）最大时延：强度下降30dB时的时延值第3章移动信道的传播特性3.3.2地形、地物分类1.地形的分类与定义为了计算移动信道中信号电场强度中值(或传播损耗中值)，可将地形分为两大类，即中等起伏地形和不规则地形，并以中等起伏地形作传播基准。所谓中等起伏地形，是指在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。第3章移动信道的传播特性图3-22基站天线有效高度(hb)03km15km海平面平均地面高度hgahbhts第3章移动信道的传播特性由于天线架设在高度不同地形上，天线的有效高度是不一样的。(例如，把20m的天线架设在地面上和架设在几十层的高楼顶上，通信效果自然不同。)因此，必须合理规定天线的有效高度，其计算方法参见图3-22。若基站天线顶点的海拔高度为hts，从天线设置地点开始，沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度为hga，则定义基站天线的有效高度hb为hb=hts-hga(3-61)第3章移动信道的传播特性2.地物(或地区)分类不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区：①开阔地。在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等。②郊