移动通信-第3讲-移动信道1

第三讲MobileCommunication第2页2020/5/10目录第1章概论(2)第2章调制解调第3章移动信道的传播特性(3)第4章抗衰落技术(1)第5章组网技术(4)第6章频分多址(FDMA)模拟蜂窝网第7章时分多址(TDMA)数字蜂窝网(4)第8章码分多址(CDMA)移动通信系统(一)(4)第9章码分多址(CDMA)移动通信系统(二)(1)第10章移动通信的展望——个人通信(1)第3页2020/5/10第三章移动信道中的电波传播与分集接收3.1无线电波传播3.2移动信道特征3.3陆地移动信道的传输损耗第4页2020/5/103.1电波传播特性移动通信系统的性能主要受到无线信道的制约，发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播，到遭遇各种复杂的地物，如建筑物、山脉、树叶等阻挡和反射。无线信道不象有线信道那样固定并可预见，而是具有极度的随机性和复杂性。第5页2020/5/103.1电波传播特性3.1.1概述3.1.2自由空间传播模型3.1.3大气中的电波传播3.1.4三种基本传播机制第6页2020/5/103.1.1概述(1)电磁波的衰减电磁波传播机理大致可分为:反射绕射散射大多数蜂窝无线系统运作在城区，发射机和接收机之间无直接视距路径，因此存在：绕射损耗多径损耗电磁波强度随传播距离增加衰减第7页2020/5/103.1.1概述Signalpropagation(PropagationMechanisms)自由空间总是像光一样传播（直线传播）接收的功率与1/d²成正比（d=发射机与接收机之间的距离）接收的功率受下列因素影响：衰减（取决于频率）大物体反射折射（取决于介质的密度）阴影小物体的散射边沿绕射reflectionscatteringdiffractionshadowingrefraction第8页2020/5/103.1.1概述(2)传播模型的研究大多数传播模型是通过:分析+实验相结合而获得的。实验方法是通过场强测试，考虑了所有因素；模型只是在一定频率和环境下建立，适用性如何有待检验。传统上集中于给定范围内平均场强预测，和特定位置附近场强的变化。传播模型分类大尺度传播模型小尺度传播模型第9页2020/5/103.1.1概述(2)传播模型的研究大尺度传播模型：用于预测平均场强并用于估计无线复盖范围的传播模型。由于描述的是发射机与接收机（T-R）之间长距离（几百米—几千米）上的场强变化，所以被称作大尺度传播模型。小尺度衰减模型：描述短距离（几个波长），或短时间（秒级）内的接收场强快速波动的传播模型，称为小尺度衰减模型。频段从1GHz～2GHz的蜂窝系统和PCS，相应的测量在1m～10m范围。第10页2020/5/103.1.1概述(2)传播模型的研究小尺度衰减模型产生机理：原因是接收信号由不同方向信号合成，并且由于相位变化的随机性，其信号变化范围很大，当接收机移动距离与波长相等时，接收场强可以产生4个数量级（30dB或40dB）的变化。大尺度和小尺度衰减例子：当移动台远离发射机时，当地平均接收场强逐渐减弱，该平均场强由大尺度传播模型预测。图3.1给出一个室内无线通信系统的小尺度衰减和大尺度变化的情况。第11页2020/5/103.1.1概述(2)传播模型的研究FlatTerrainMedianSignalSlowFading(lognormalShadowing)FastFading20Wavelengths100-10-20-30TransmitterreceiverAntennaedistance图3.1小尺度和大尺度衰减第12页2020/5/103.1.1概述(2)传播模型的研究从图中看出：随着接收机的移动，信号衰落很快；但随距离的变化很慢。第13页2020/5/103.1.2自由空间传播模型FreeSpacePropagationModel(1)自由空间：无限大真空如将大气看成各向同性，无损且无限大空间，则可看作是自由空间。卫星通信系统和微波视距无线链路，是典型的自由空间传播。第14页2020/5/103.1.2自由空间传播模型(2)自由空间场强计算如果距辐射源d处的电场强度为E0：Pt—发射天线辐射功率Gt—发射天线增益)43()(300mVdGPEtt第15页2020/5/103.1.2自由空间传播模型(2)自由空间场强计算磁场强度有效值为：单位面积上功率密度S为：)53()/(120300mAdGPHtt)63()/(422mWdGPStt第16页2020/5/103.1.2自由空间传播模型(2)自由空间场强计算距离发射机d处天线的接收功率：AR—接收天线的有效面积其中AR与接收天线增益满足下面关系：GR—接收天线增益—各向同性天线的有效面积)73()(RRASdP)83(42RRGA42第17页2020/5/103.1.2自由空间传播模型(2)自由空间场强计算接收天线获取的功率：可以看出接收功率随T－R距离的平方衰减。)93(4)(22dGGPdPRTTR第18页2020/5/103.1.2自由空间传播模型(3)自由空间传播损耗自由空间传播损耗：发射功率和接收功率的比值。可以看出：Lfs∝d2)113()4(1)4(22dGGdPPLRTRTfs1第19页2020/5/103.1.2自由空间传播模型(3)自由空间传播损耗用分贝表示传播损耗：)133()(lg20)(lg2044.322lg20)(MHzfkmdCfddBLfs第20页2020/5/103.1.3大气中的电波传播(1)视线传播距离视线传播距离可由右图计算天线高度分别为ht和hr：则：视线传播的极限距离d为：式中，ht、hr的单位是m，d的单位是KmrthRRhRdhRRhRdrt02122202002020）（）（)(57.3rthhd)(2021rthhRdddhtReoAd1Cd2Bhr图3.2视线传播极限距离d第21页2020/5/103.1.3大气中的电波传播(2)大气折射及对d值的修正实际系统中，考虑大气的不均匀性对电波传输的影响，将会产生折射现象，折射引起电波在传播方向上发生弯曲。工程上,通常用“地球等效半径”来等效。如下式：式中，k为地球等效半径系数，为地球实际半径，Re是等效半径。0RRke第22页2020/5/103.1.3大气中的电波传播(2)大气折射及对d值的修正在标准大气压条件下，k=4/3Re=6370×4/3=8500Km视线传播距离修正为：式中，ht、hr的单位是m，d的单位是KmrethRRhRdhRRhRdereeete22222221）（）（)(12.4rthhd第23页2020/5/103.1.4三种基本传播机制在地面移动通信系统中，影响传播的三种最基本的机制为：反射散射绕射接收功率是基于反射、散射和绕射的大尺度传播模型预测的的最重要的参数；这三种传播机制也描述了小尺度衰落和多径传播。第24页2020/5/103.1.4三种基本传播机制反射：电磁波在不同性质的介质交接处会有一部分产生反射（发生于地球表面，建筑物，墙壁表面）。绕射：接收机与发射机之间的无线路径被光利的边缘阻挡时产生绕射（如：山峰，建筑物）。散射：当波传播的介质中存在小于波长的物体，并且单位体积内障碍物的个数非常多时产生散射。散射波产生于粗糙表面、小物体、或其他不规则物体（在实际通信系统中，街道标志和灯柱等）。第25页2020/5/103.1.4三种基本传播机制(1)反射TEiθθoErEDRhrd1d2ht图3.5反射波与直射波第26页2020/5/103.1.4三种基本传播机制(1)反射什么情况下发生反射？当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比波长大的多时，就会产生镜面反射。反射系数：考虑平面波入射情况，不同界面的反射特性用反射系数R表征：jireREER由图3.5，接收机处的场强：rDtotEEE第27页2020/5/103.1.4三种基本传播机制(1)反射当dht，dhR时，θ很小，│R│→1dGPEtttot30dhhrt2sin2接收场强（干涉公式）：dhhEErttot2sin20sin20E由地面反射引起的变化参见《无线通信原理与应用》[美]TheodoreS.Rappaport第28页2020/5/103.1.4三种基本传播机制(1)反射当sinθ≈θ时，θ0.3弧度即：由此：接收电场近似为：3.02dhhrtrthhd2002)(EdEtot第29页2020/5/103.1.4三种基本传播机制(1)反射如果E0为距发射机d0处电场，则对于dd0：dhhddEdErttot2sin2)(00较小时dhhddErt2200第30页2020/5/103.1.4三种基本传播机制(1)反射d处的接收功率表示为：当距离d很大时，接收功率随距离成4次方衰减，比自由空间损耗快得多；但与工作频率f无关。路径损耗用dB可表示为:422)(dhhGGPdPrtrttr)log20log20log10log10(log40)(rtrthhGGddBL第31页2020/5/103.1.4三种基本传播机制dB、dBm、dBw、dBi及dBd的概念及区别dB（分贝）：描述（功率）相对比值的单位。dB=10lg(功率比)dB是相对单位，不能表示功率的绝对电平值。第32页2020/5/103.1.4三种基本传播机制dB、dBm、dBw、dBi及dBd的概念及区别dBm（分贝毫瓦）：描述功率绝对值的单位。dBm=10lg(功率值/1mw)dBm是相对于1mw功率电平的绝对值。1mw=0dBm20mw=13dBm40mw=16dBm第33页2020/5/103.1.4三种基本传播机制dB、dBm、dBw、dBi及dBd的概念及区别dBw（分贝瓦）：描述功率绝对值的单位。dBw=10lg(功率值/1w)dBw是相对于1w功率电平的绝对值。1w=0dBw=30dBm2w=3dBw=33dBm40w=16dBw=46dBm第34页2020/5/103.1.4三种基本传播机制dB、dBm、dBw、dBi及dBd的概念及区别dBi（分贝增益）：描述与全方向性天线相对增益的单位。dBd（分贝增益）：描述与偶极子天线相对增益的单位。一般认为，表示同一个增益时，用dBi表示比用dBd表示要大2.15。即：0dBd=2.15dBi第35页2020/5/103.1.4三种基本传播机制(2)散射(Scattering)实际移动无线环境中，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(例如像灯柱和树)，反射能量由于散射而散布于所有方向，这样给接收机提供了额外的能量。第36页2020/5/103.1.4三种基本传播机制(2)散射(Scattering)①粗糙地面的反射:θi—入射角hc—表面平整度参考高度如果平面上最大的凸起高度hhc，则认为表明是光滑的，反之则为粗糙的。表面平整度：ichsin8（瑞利准则）第37页2020/5/103.1.4三种基本传播机制(2)散射(Scattering)②雷达有效截面模型：当较大的、远距离的物体（例如墙壁、广告牌等）引起散射时，该物体的位置对准确预测散射信号强度非常有用。散射体的雷达有效截面（RCS）定义为：在接收机方向上散射信号的功率密度与入射波功率密度的比值。第38页2020/5/103.1.4三种基本传播机制(2)散射(Scattering)对城区移动无线系统，下面双静态雷达公式描述了波在自由空间中遇到较远散射体时的传播情况，在接收方向上的再反射为：RTTTRddRCSG