第3章移动信道的传播特性.ppt

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1、守时是人的基本素质 竺可桢先生认为：大学教育首要是道德教育，一个受过大学教育的人，一定要有高尚的道德。他说，无论社会如何腐化，凡有真知灼见的人，他一定能坚持自己的选择，“乱世道德堕落，历史上均是如此，但大学犹如海上之灯塔，吾人不能于此时降落道德之标准也。”,小结,扩频通信的原理扩频通信的理论基础 扩频通信特点1）优点 2）缺点自相关性、互相关性的利用m序列的定义m序列的产生：移位寄存器码序列的周期P=2n-1=15游程其他码序列:m序列、M序列、Gold序列、R-S码等,正交的Walsh函数。多载波传输系统：子载波正交,本章要解决的问题,电波传播方式有哪几种？明确障碍物的影响与绕射损耗什么是衰

2、落？什么是衰落储备？什么是多径时散？明确接收机输入电压、功率的关系 陆地移动信道中的传输损耗传播损耗的预测模型,第3章 移动信道的传播特性,信道,3.1 无线电波传播特性,3.1.1 电波传播方式 发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率f 30 MHz时，典型的传播通路如图 3-1 所示。直射波，它是VHF（30MHz300MHz)和UHF（300MHz3000MHz)频段的主要传播方式；地面反射波；地表面波（绕射波）。,图 3-1 典型的传播通路,3.1.2 直射波 自由空间传播损耗Lfs可定义为 Lfs(dB)=32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz)式

3、中，d 的单位为km，频率单位为MHz。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。x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲涅尔余隙,图 3-3 障碍物与余隙(a)负余隙；(b)正余隙,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)+20lg 150=99.5dB,第一菲涅尔区半径 x1为,由书中图 3-4 查得附加损耗(x/x1-1)

4、为16.5dB,因此电波传播的损耗L为L=Lfs+16.5=116.0dB。说明：障碍物增加了信号损耗，解决方法是增加天线高度。,图 3 4 绕射损耗与余隙关系,3.1.5 反射波 当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果界面尺寸比电波波长大得多，就会产生镜面反射。由于大地和大气是不同的介质，所以入射波会在界面上产生反射，如图 3-5 所示。,图 3-5 反射波与直射波,接收场强E可表示为由上式可见，直射波与地面反射波的合成场强将随反射系数R以及差的变化而变化，有时会同时相加，有时会反相抵消，这就造成了合成波的衰落现象。,3.2 移动信道的特征,3.2.1 传播路径与信号衰落,图 3-6

5、 移动信道的传播路径,散射波,反射波,直射波,图 3-7 典型信号衰落特性,直射波、反射波、散射波三波形成干涉场-产生快衰落,移动台的不断运动-产生慢衰落,3.2.2 多径效应与瑞利衰落 在陆地移动通信中，移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响，以致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。假设基站发射的信号为,图 3 8 移动台接收N条路径信号,r0(3-2),第i个信号其多普勒频移值为,可求得概率密度函数为,由式(3-2)不难得出多径衰落信号包络服从瑞利分布，把这种多径衰落称为瑞利衰落。,多径效应引起多谱勒移埴改变,图 3-9 瑞利分布的概率密度,多径衰落信号包

6、络服从瑞利分布，把这种多径衰落称为瑞利衰落。,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备 在移动信道中，由大量统计测试表明：在信号电平发生快衰落的同时，其局部中值电平还随地点、时间以及移动台速度作比较平缓的变化，其衰落周期以秒级计，称作慢衰落或长期衰落。慢衰落近似服从对数正态分布。所谓对数正态分布，是指以分贝数表示的信号电平为正态分布。为了防止因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，以使中断率小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。,3.2.4 多径时散与相关带宽 1.多径时散 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(参见图

7、 3-14)。假设基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0(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。为了避免码间干扰，如无抗多径措施，则要求信号的传输速率必须比时延扩展的倒数（1/）低得多。,图 3-14 多径时散示例,多径时散,图 3-15 时变多径信道响应示例(a)N=3;(b)N=4;(c)N=5,图 3-16 多径时延信号强度,移动速度越快，时延越大，强度（t）越小。,表 3-1 多径时散参数典型值,2.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。

8、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 3-17 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)ej(t)，这里r为一比例常数。于是，接收信号为两者之和，即,图 3-17 双射线信道等效网络,可知，当(t)=2n时(n为整数)，双径信号同相叠加，信号出现峰点；而当(t)=(2n+1)时，双径信号反相相消，信号出现谷点。幅频特性如图 3-18 所示。,图 3-18 双射线信道的幅频特性,由图可见，其相邻两个谷点的相位差为,=(t)=2,则,或,c 称为多径时散的相

9、关带宽。若所传输的信号带宽较宽，以至于与c 可比拟时（差不多），则所传输的信号将产生明显的畸变。,3.3 陆地移动信道的传输损耗,3.3.1 接收机输入电压、功率与场强的关系 1.接收机输入电压的定义 参见图 3-19。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P=U2s/4R。由于Ri=Rs=R是接收机和信号源满足功率匹配的条件，因此U2s/4R是接收机输入功率的最大值，常称为额定输入功率。,图 3 19 接收机输入电压的定义,为了计算方便，电压或功率常以分贝计。其中，电压常以1V作基

10、准，功率常以1mW作基准，因而有：,式中，Us以V计。,2.接收场强与接收电压的关系 当采用线天线时，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，必须先求半波振子的有效长度(参见图 3-20)。,图 3-20 半波振子天线的有效长度,图 3-21 半波振子天线的阻抗匹配电路,功率平衡,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20

11、m，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。,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：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。郊区。在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等。市区。有较密集的建筑物和高层楼房。,3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中值 1.市区传播损耗的中值 在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称作基准中值或

12、基本中值。由电波传播理论可知，传播损耗取决于传播距离d、工作频率f、基站天线高度hb和移动台天线高度hm等。在大量实验、统计分析的基础上，可作出传播损耗基本中值的预测曲线。图 3-23 给出了典型中等起伏地上市区的基本中值Am(f,d)与频率、距离的关系曲线。,图 3-23 中等起伏地上市区基本损耗中值,图 3-24 天线高度增益因子(a)基站Hb(hb,d);(b)移动台Hm(hm,f),图 3-25 街道走向修正曲线,2.郊区和开阔地损耗的中值 郊区的建筑物一般是分散、低矮的，故电波传播条件优于市区。郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子，记作Kmr，它与频率和距离的关系如图 3-

13、26 所示。由图可知，郊区场强中值大于市区场强中值。或者说，郊区的传播损耗中值比市区传播损耗中值要小。,图 3-26 郊区修正因子,图 3-27 给出的是开阔地、准开阔地(开阔地与郊区间的过渡区)的场强中值相对于基准场强中值的修正曲线。Qo表示开阔地修正因子,Qr表示准开阔地修正因子。显然，开阔地的传播条件优于市区、郊区及准开阔地，在相同条件下，开阔地上场强中值比市区高近20dB。为了求出郊区、开阔地及准开阔地的损耗中值，应先求出相应的市区传播损耗中值，然后再减去由图 3-26 或图 3-27 查得的修正因子即可。,图 3-27 开阔地、准开阔地修正因子,3.3.4 不规则地形上传播损耗的中值

14、 1.丘陵地的修正因子Kh 丘陵地的地形参数用地形起伏高度h表征。它的定义是：自接收点向发射点延伸10 km的范围内，地形起伏的90%与10%的高度差(参见图3-28(a)上方)即为h。这一定义只适用于地形起伏达数次以上的情况，对于单纯斜坡地形将用后述的另一种方法处理。丘陵地场强中值修正因子分两项：(a)修正因子Kh;(b)微小修正因子Khf,图 3-28 丘陵地场强中值修正因子(a)修正因子Kh;(b)微小修正因子Khf,2.孤立山岳修正因子Kjs 当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时，若求山背后的电场强度，一般从相应的自由空间场强中减去刃峰绕射损耗即可。但对天线高度较低的陆上移动台来说，

15、还必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽吸收等附加损耗。由于附加损耗不易计算，故仍采用统计方法给出的修正因子Kjs曲线。图 3-29 给出的是适用于工作频段为450900MHz、山岳高度在110350 m范围，由实测所得的弧立山岳地形的修正因子Kjs的曲线。,图 3-29 孤立山岳修正因子Kjs,其中，d1是发射天线至山顶的水平距离，d2是山顶至移动台的水平距离。图中，Kjs是针对山岳高度H=200m所得到的场强中值与基准场强的差值。如果实际的山岳高度不为200m，则上述求得的修正因子Kjs还需乘以系数，计算的经验公式为,式中，H的单位为m。,3.斜波地形修正因子Ksp 斜坡地形系指在510km范围内

16、的倾斜地形。若在电波传播方向上，地形逐渐升高，称为正斜坡，倾角为+m；反之为负斜坡，倾角为-m，如图 3-30 的下部所示。,图 3-30 斜坡地形修正因子Ksp,4.水陆混合路径修正因子KS 在传播路径中如遇有湖泊或其它水域，接收信号的场强往往比全是陆地时要高。为估算水陆混合路径情况下的场强中值，用水面距离dSR与全程距离d的比值作为地形参数。此外，水陆混合路径修正因子KS的大小还与水面所处的位置有关。图 3-31 中，曲线A表示水面靠近移动台一方的修正因子，曲线B(虚线)表示水面靠近基站一方时的修正因子。在同样dSR/d情况下，水面位于移动台一方的修正因子KS较大，即信号场强中值较大。如果

17、水面位于传播路径中间，则应取上述两条曲线的中间值。,图 3-31 水陆混合路径修正因子,3.3.5 任意地形地区的传播损耗的中值（略）1.中等起伏地市区中接收信号的功率中值PP 中等起伏地市区接收信号的功率中值PP(不考虑街道走向)可由下式确定：PP=P0-Am(f,d)+Hb(hb,d)+Hm(hm,f)(3-3)式中，P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率，即,(3-4),PT发射机送至天线的发射功率；工作波长；d收发天线间的距离；Gb基站天线增益；Gm移动台天线增益。,Am(f,d)是中等起伏地市区的基本损耗中值，即假定自由空间损耗为0dB，基站天线高度为200m,移动台天线高度为3m

18、的情况下得到的损耗中值，它可由图 3-23 求出。Hb(hb,d)是基站天线高度增益因子，它是以基站天线高度200m为基准得到的相对增益，其值可由图 3-24(a)求出。Hm(hm,f)是移动台天线高度增益因子，它是以移动台天线高度3m为基准得到的相对增益，可由图 3-24(b)求得。,电磁波传播,一、隧道中的电磁波传播 当电磁波在长隧道中传播时，随着距离的增加，很快衰减而中断通信，若要在这些地方保持通信，必须采用同轴泄漏电缆。二、建筑物内的电磁波传播1、电磁波由室外向室内的穿透传播：低频时损耗大，而频率高时相对小一些。楼层愈高，其穿透损耗愈小。2、电磁波在建筑物内的传播：发射点与接收点分两种

19、情形1）同处一室；2）不在同一房间，有窗和无窗情况三、微小区中的电磁波传播：直视天线的地方，符合自由空间损耗；距离加大时，损耗会突变呈4次方规律增加。,传播损耗的预测模型,一、Okumura模型 Okumura（奥村）模型是预测城区信号时使用最广泛的模型。应用频率在150MHz1920MHz，主要用于900MHz，距离在1km100km之间，天线高度在30m1000m之间。在城区中，电波传播衰耗取决于传播距离d、工作频率f、基站天线高度hb、移动台天线高度hm，以及街道的走向和宽窄等。二、Hata模型：适用于宏蜂窝（小区半径小于1km）的路径损耗预测三、Longley-Rice模型：预测点对点

20、通信信号的模型，应用研究频率在40MHz100GHz。,作业与思考题,作业如果现代生活中没有移动通信，那你怎么与异地的亲人通信？1.试简述移动信道中电波传播的方式及其特点。3.假设接收机输入电阻为50，灵敏度为1 V，试求接收功率为多少dBm。5.某一移动信道，传播路径如图3-3(a)所示，假设d1=10 km，d2=5 km，工作频率为450 MHz，|x|=82 m，试求电波传播损耗值。思考题2.试比较10 dBm、10 W及10 dB之间的差别。6.某一移动通信系统，基站天线高度为100 m，天线增益Gb=6 dB，移动台天线高度为3 m，Gm=0 dB，市区为中等起伏地，通信距离为10 km，工作频率为150 MHz，试求：(1)传播路径上的损耗中值；(2)基站发射机送至天线的功率为10 W，试计算移动台天线上的信号功率中值。,