3-1、无线移动通信信道解析

移动通信原理第三章无线移动通信信道移动通信原理2•了解电磁波的传播特性•掌握计算路径损耗的方法•了解各个传播模型的分类及工作环境学习完本课程，您需要：第三章无线移动通信信道移动通信原理33.1概述3.2VHF、UHF频段的电波传播特性3.3阴影效应3.4移动信道的多径传播特性3.5多普勒频移3.6电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测移动通信原理4无线移动信道是一种很不良好的信道。视距、衰落、多径和随机变化是移动信道的基本特征。无线移动信道是指基站天线、移动用户天线和两副天线之间的传播路径载有信息的无线电波在无线移动信道中的传播损耗，不但会随传播距离的增加而增大；同时会产生阴影效应和多径传播，使电波的包络产生大幅度起伏且随机变化，这就是电波的衰落。3.1概述移动通信原理5衰落既有慢衰落，同时产生快衰落；多径时延扩展（多径效应），使信道对信号产生频率选择性衰落，使信号发生波形畸变而引起符号间干扰(ISI)多普勒效应(由移动台运动引起)在移动通信中普遍存在。多普勒效应使信道对信号产生随机调频和频谱扩展，对信号产生时间选择性衰落，使数字信号误码性能变坏。3.1概述移动通信原理6对接收点信号场强的预测估算，是通信工程设计中的重要环节。由于移动信道传播特性的随机变化，不可能用一两个公式对其进行计算；必须依据实际环境，选用不同的数学模型进行预测估算，再经实际电测才能确定。3.1概述移动通信原理73.1概述•绝对功率的dB表示：dBm射频（RF）信号的绝对功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下：例如信号功率为xW，利用dBm表示时其大小为：例如：1W等于30dBm，等于0dBW。pdBm10logloglogX1000mW1mWpdBW10logloglogXW1W功率单位简介移动通信原理8功率单位简介3.1概述•相对功率的dB表示：dBc射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，其区别在于：dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式•天线和天线增益天线增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子Dipole的功率能量密度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi移动通信原理93.2VHF、UHF频段的电波传播特性•当前陆地移动通信主要使用的频段为VHF(30~300MHz)和UHF(300~3000MHz)，即150MHz，450MHz、900MHz和1800MHz。•移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、地表面波等传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，且传播距离有限。移动通信原理103.2VHF、UHF频段的电波传播特性图3-1典型的移动信道电波传播路径移动通信原理113.2.1自由空间电波传播方式•自由空间电波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，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。移动通信原理12虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。3.2.1自由空间电波传播方式移动通信原理13自由空间传播损耗公式[Lbs](dB)=32.45+20lgd+20lgf（2-13）式中，d是距离的千米数，f是频率的兆赫数。以dB计，得3.2.1自由空间电波传播方式•由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时，［Lbs］将分别增加6dB。记住此公式移动通信原理143.2.2视距传播的极限距离•由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。•视线所能到达的最远距离称为视线距离d0图3-2视距传播的极限距离移动通信原理15•已知地球半径为R=6370km，设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR（单位为m），理论上可得视距传播的极限距离d0为•由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，视线距离越远。3.2.2视距传播的极限距离移动通信原理163.2.2视距传播的极限距离•实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球半径R=8500km，可得修正后的视距传播的极限距离d0为移动通信原理173.2.3绕射损耗•在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗，通常将这种损耗称为绕射损耗•电波传播的损耗的计算=自由空间传播的损耗+绕射损耗移动通信原理183.2.4反射波•电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会发生反射现象。•图3-3所示为从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的二径传播模型。图3-3反射波和直射波移动通信原理19•在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射。•当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。•当发射机和接收机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波的弯曲，称为绕射。•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、街道标志和灯柱等都会发生散射。3.2.4反射波移动通信原理203.3阴影效应•当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。•移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，接收信号强度就下降，构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，称为阴影衰落移动通信原理21•由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落（长期衰落）。•慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落，属于大尺度衰落。•慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速度等，而与频率无关。3.3阴影效应移动通信原理223.3阴影效应•慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况。•频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信号比频率较高的信号更具有较强的绕射能力。•慢衰落的特性是与环境特征密切相关的，可用电场实测的方法找出其统计规律。移动通信原理23•陆地移动信道的主要特征是多径传播。•传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起电波的反射，如右图所示。3.4移动信道的多径传播特性移动通信原理24•这样，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引起的，称为多径衰落(快衰落：时域扩展)。3.4移动信道的多径传播特性移动通信原理25图多径时散示例多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽，为了说明它对移动通信的影响，首先看一个简单的例子移动通信原理26•假设基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0δ(t)，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，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，称为多径时散。多径效应移动通信原理27•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)()(10ttSatSiNiii式中，ai是第i条路径的衰减系数；τi(t)为第i条路径的相对延时差。移动通信原理283.5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。由此引起的附加频移称为多普勒频移（DopplerShift），造成多普勒频展，多普勒频移可用下式表示移动通信原理29•式中，是入射电波与移动台运动方向的夹角（见下图），v是运动速度，是波长。•式中，与入射角度无关，是fD的最大值，称为最大多普勒频移。mfv3.5多普勒频移移动通信原理30•多径效应导致信号时域展宽；频率选择性衰落(信号中不同频率分量衰落不一致，引起信号波形失真)•多普勒效应导致信号频域展宽；时间选择性衰落•信号在时域或频域的展宽，使得本来分开的波形在时间上或在频谱上会产生交叠，使信号产生衰落失真重要提示移动通信原理31)e1)(()()(j0tirtStS3.6相关带宽从频域观点而言，多径时散现象将导致频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。若信号带宽过大，就会引起严重的失真。为了说明这一问题，先讨论两条射线的情况，即如图所示的双射线信道。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)ejωΔ(t)，这里r为一比例常数。于是，接收信号为两者之和，即移动通信原理32双射线信道等效网络移动通信原理33双射线信道等效网络的传递函数为)(01)()(),(tjieretStStH信道的幅频特性为)(sin)(cos1),(tjrtrtA由上式可知，当ωΔ(t)=2nπ时(n为整数)，双径信号同相叠加，信号出现峰点；而当ωΔ(t)=(2n+1)π时，双径信号反相相消，信号出现谷点。根据式画出的幅频特性如图所示。移动通信原理34双射线信道的幅频特性移动通信原理35由图可见，其相邻两个谷点的相位差为则)(12)(π2tBtc或Δφ=Δω×Δ(t)=2π由此可见，两相邻场强为最小值的频率间隔是与相对多径时延差Δ(t)成反比的，通常称Bc为多径时散的相关带宽。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。移动通信原理3621cB式中，Δ为时延扩展。实际上，移动信道中的传播路径通常不止两条，而是多条，且由于移动台处于运动状态，相对多径时延差Δ(t)也是随时间而变化的，因而合成信号振幅的谷点和峰点在频率轴上的位置也将随时间而变化，使信道的传递函数呈现复杂情况，这就很难准确地分析相关带宽的大小。工程上，对于角度调制信号，相关带宽可按下式估算：移动通信原理37根据衰落与频率的关系，将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落，后者又称为平坦衰落频率选择性衰落是指传输信道对信号不同的频率成分有不同的随机响应，信号中不同频率分量衰落不一致，引起信号波形失真非频率选择性衰落是指信号经过传输信道后，各频率分量的衰落是相关的具有一致性，衰落波形不失真移动通信原理38是否发生频率选择性衰落或非频率选择性衰落要由信道和信号两方面来决定，对于移动信道来说，存在一个固有的相关带宽当信号带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落（平坦衰落），波形不失真当信号的带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落，引起波形失真，造成码间干扰移动通信原理39对移动信道而言–当码元速率较低，信号的带宽小于相关带宽，衰落为平坦衰落–反之，若速率较高，信号带宽大于相关带宽，衰落为频率选择性衰落，引起波形失真，造成码间干扰（ISI）移动通信原理403.7衰落特性的特征量1、衰落速率和衰落深度衰落率，定义为信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数衰落深度即信号的有效值与该次衰落的信号最小值的差值2、电平通过率和平均衰落持续时间电平通过率定义为信号包络单位时间内以正斜率通过某一规定电平R的平均次数，描述衰落次数的统计规律平均衰落持续时间，定义为信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比移动通信原理413.8电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测•设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强，或接收信号中值。•这些给定条件包括发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线高度、收发信机之间距离等。•这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。•采用电波传播损耗预测模型