第2章 移动信道的传播特性.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,2,章,移动通信信道,移动通信,前 言,移动通信信道是移动用户在各种环境中进行通信时的无线电波传播通道。,从发射机天线到接收机天线，无线电波的传播有直射、反射、折射、绕射等多种途径，它们可能部分存在或同时存在，呈现随机性。,移动通信信道在各种通信信道中是最为复杂的一种。在有线传播线路中，信噪比的波动通常不超过,12dB,，而陆地移动通信信道中信号强度的骤然降低，即衰落深度可达,30dB,。,前 言,在城市环境中，一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次且是随机的，这比固定点的无线通信要复杂得多。,总之，移动通信信道会引起接收信号在相应的时间域、频率域及空间域产生选择性衰落，而这些衰落不但会严重恶化移动通信系统的传输可靠性，还会明显降低移动通信系统的频谱效率。,因此，为实现优质可靠的无线通信，必须采取相应的一系列措施，而要保证所用技术的有效性，掌握移动通信信道特性是基础。,前 言,电波传播的开放性、接收环境的复杂性和移动台的随机移动性是移动通信信道的主要特点，而这些特点导致了其传播条件是时变、复杂、恶劣的。因此，移动通信信道是十分复杂的。,移动通信信道研究的基本方法是理论分析、现场电波传播实测和计算机仿真三种：,第一种是利用电磁场理论来描述移动通信信道，其不足是数学模型往往过于简化导致应用范围受限；,第二种是通过在不同的电波传播环境中的实测实验，得出包括接收信号幅度、时延及其他反映信道特征的参数，其不足是费时费力且往往只针对某个特定传播环境；,第三种是通过建立仿真模型，用计算机仿真来模拟各种无线电波传播环境。随着计算技术的发展，计算技仿真方法因能快速模拟出各种移动通信信道而得到越来越多的应用。,前 言,无线电波传播特性的研究结果可以用某种统计描述，也可以建立电波传播模型，如图表、近似计算公式或计算机仿真模型等。,本章在阐述陆地无线电波传输特性的基础上，重点讨论陆地移动通信信道的特征、场强（或损耗）的计算方法，并对移动通信信道仿真作简要介绍。,内容安排,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,2.1,陆地无线电波传播特性,确定移动通信工作频段主要考虑以下几个方面：,电波传播特性、天线尺寸；,环境噪声和干扰的影响；,服务区范围、地形和障碍物尺寸以及对建筑物的穿透特性；,设备小型化；,与已开发频段的干扰协调和兼容性；,用户需求及应用特点。,概述,缩写,名称,频率范围,波长名称,传播方式,目前频率分配情况,VLF,甚,低频,30kHz,以下,万米波,(,甚长波,),天波,地波,以地波传播为主,(1020)kHz,主要用于无线电导航,海上移动通信和广播,LF,低频,Low,30kHz300kHz,千米波,(,长波,),天波,地波,以地波传播为主,(2003000)kHz,主要用于广播,无线电导航,海上移动通信,地对空通信,MF,中频,Medium,300kHz,3000kHz,百米波,(,中波,),主要以地波播,夜间天波亦可传播,HF,高频,High,3MHz30MHz,十米,波,(,短波,),地波传播距离极近,以视距内直线传播为主,主要用于定点通信,航海和航空移动通信,广播,热带广播及业余无线电等,VHF,甚,高频,Very,30MHz,300MHz,米波,(,超,短波,),视距内直线传播,(,301000)MHz,主要用于电视广播,陆上移动通信,航空移动通信,海上移动通信,定点通信,空间通信和雷达等,UHF,特,高频,Ultra,300MHz,3000MHz,分米波,(,微波,),与光的传播特性基本相同,SHF,超高频,Super,3GHz30GHz,厘米波,(,微波,),1GHz-10GHz,主要用于无线电微波接力系统,其次是定点通信和移动通信业务,EHF,极,高频,Extremely,30GHz300GHz,毫米波,(,微波,),10GHz,以上,主要用于无线电中继接力通信,空间通信,雷达,导航,无线电天文学,等,2.1,陆地无线电波传播特性,目前典型移动通信使用频段：,1,、,150 MHz,（,VHF,）,2,、,450 MHz,（,UHF,）,3,、,900 MHz,（,UHF,）,4,、,1800MHz,（,UHF,）,5,、第三代移动通信,IMT-2000,使用,1.8-2.2GHz,的频段（,UHF,）。,目录,2.1,陆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,2.1.1,电波传播方式,发射机天线发出的无线电波，可以从不同的路径到达接收机，它们大体上可归结为直射、反射、绕射和散射等形式，其中反射、绕射和散射是影响移动通信中电波传播的基本形式。典型的传播通路如图,2-1,所示。,2.1.1,电波传播方式,图,2-1,典型的电波传播通路,2.1.1,电波传播方式,VHF,与,UHF,频段，典型传播方式：,1,、直射：从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波。,2,、反射：经过大楼墙面等反射到达接收天线的电波称为反射波。,3,、散射：经过粗糙表面或小物体散射到达接收天线的电波称为散射波。,4,、绕射：绕过障碍物遮挡向前传播到达接收天线的电波称为绕射波。,发射机天线发出的电波经过上述多种传播路径最终到达接收机，这些来自同一波源的电波信号叠加在一起会产生干涉，即,多径衰落现象,。,2.1.2,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空间；,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,；,但存在电波传播损耗（也称衰减）。,自由空间损耗,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，这是自由空间损耗的本质。,d,P,T,P,R,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。,接收功率计算公式,自由空间的接收功率：,P,T,=,发射功率,(,W),G,T,=,发射天线增益,G,R,=,接收天线增益,=,c/f,波长,(m),，,c=,光速,(310,8,m/s),d=,发射机和接收机之间的距离,(,m),d,P,T,P,R,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。,2.1.3,大气中的电波传播,在实际移动通信信道中，电波在低层大气中传播。,整个大气层随高度不同表现出不同的特点，分为对流层、平流层、中间层、电离层和散逸层，再上面就是星际空间了。,低层大气是指距地面高度,1015km,以下的大气层。低层大气所含空气占整个地球大气层的,80%,以上，对于天气和气候有直接的影响。,低层大气并不是均匀介质，它的温度、湿度以及气压均随时间和空间而变化，因此会产生折射和吸收现象，在,VHF,和,UHF,波段的折射现象尤为突出，它将直接影响视线传播的极限距离（增大）。,大气折射,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。,大气折射,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。,大气折射,标准大气情况下，等效地球半径系数,k=4/3,。地球实际半径是,6370 km,地球等效半径为,8500 km,。,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,。,大气折射有利于超视距的传播，但在视线距离内，因为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。,超视距传播,假设,A,点架设一部发信机，天线的架高是,H,1,，,AB,是和地球相切的一条射线。若要接收到来波，接收天线的架高必须超出这条切线。,C,A,B,H,1,O,d,1,H,2,d,2,O,视线传播极限距离,2.1.4,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，电波绕过障碍物遮挡向前传播的现象称为,绕射,。,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。,绕射是由次级波的传播进入阴影区而形成。,绕射损耗,绕射损耗：由绕射引起的附加传播损耗称为绕射损耗，该损耗与障碍物的性质、传播路径的相对位置有关。,x,表示障碍物顶点至直射线,TR,的距离，称为菲涅尔余隙。,规定阻挡时余隙为负，无阻挡时余隙为正。,绕射损耗,工程上采用图表形式。,图中横坐标为,x/x,1,，其中,x,1,是第一,菲涅尔区,在,P,点横截面的半径。,x/x,1,0.5,时附加损耗为,0dB,，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。,x小尺度衰落。,延长信号到达接收机的时间，引起码间串扰。,2.2.2,移动环境的多径传播,当移动台在运动中通信时，接收信号的频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移,(Doppler Shift),。,多普勒频移可用下式表示：,v,是移动台运动速度，,是波长，,(t),是入射电波与移动台运动方向的夹角。,2.2.3,多普勒频移,多普勒频移与移动台运动速度,及其运动方向,与无线电波入射方向之间的夹角有关。,朝向,入射波方向移动多普勒频移为正值；被向入射波方向移动多普勒频移为负值。,2.2.3,多普勒频移,2.3,描述多径衰落信道的主要参数,2.3.1,时延扩展和相关带宽,2.3.2,多普勒扩展和相关时间,2.3,描述多径衰落信道的主要参数,移动通信信道是色散信道，即传输信号波形经过移动通信信道后会发生波形失真。电波通过移动通信信道后，信号在时域上、频域上和空间（角度）上都产生色散，本来分开的波形在时间上或频谱上或空间上会产生交叠，体现在以下几方面：,多径效应在时域上引起信号的时延扩展，使得接收信号的时域波形展宽，相应地在频域上规定了相干带宽性能。当信号带宽大于相干带宽时就会发生,频率选择性衰落,。,2.3,描述多径衰落信道的主要参数,多普勒效应在频域上引起频谱扩展，使得接收信号的频谱产生多普勒扩展，相应地在时域上规定了相干时间性能。多普勒效应会导致发送信号在传输过程中的信道特性发生变化，产生所谓的,时间选择性衰落,。,散射效应会引起角度扩展。移动台或基站周围的本地散射以及远端散射会使不同位置的接收天线经历的衰落不同，从而产生角度扩散，相应地在空间上规定了相干距离性能。空域上波束的角度扩散造成了同一时间、不同地点的信号衰落起伏不一样，即所谓的,空间选择性衰落,。,2.3,描述多径衰落信道的主要参数,通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述多径信道的色散，即用功率时延分布（,Power Delay Profile,PDP,）描述信道在时间上的色散；用多普勒功率谱密度（,Doppler Power Spread Density,DPSD,）描述信道,在频率上的色散；用功率角度谱（,Power Azimuth Spectrum,PAS,）描述信道在角度上的色散,。定量描述这些色散时，常用一些特定参数来描述，如时延扩展、相关带宽、多普勒扩展、相关时间、角度扩展和相关距离等。,1,、时延扩展,多径传播造成信号,时间扩散：,假设发射一个极短的脉冲信号，经过多径信道后，接收信号呈现为一串脉冲；,时延扩展大小：在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，记为,。,由于存在时延扩展，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。,当码元速率,R,b,较小，满足条件,R,b,200m,时，,H,b,(h,b,d)0dB,；反之，当,h,b,200m,时，,H,b,(h,b,d)3m,时，,H,m,(h,m,f),0dB,；反之，当,h,m,3m,时，,H,m,(h,m,f)5m,时，,H,m,(h,m,f),不仅与天线高度、频率有关，而且还与环境条件有关。在中小城市，建筑物的平均高度较低，屏蔽作用较小，当,h,m,4m,时，随天线高度的增加，,H,m,(h,m,f),明显增大；,在大城市，建筑物的平局高度在,15m,以上，所以,H,m,(h,m,f),曲线在,10m,范围内没有出现拐点。,1.,准平坦地形大城市地区的中值路径损耗,Okumura,模型计算中值路径损耗的思路是,：,(1),首先算出对应于基站有效天线高度,h,b,为,200,米，移动天线高度,h,m,为,3,米的基本中值损耗。,(2),然后再根据天线的实际高度加以修正。,2.,不规则地形及不同环境中的中值路径损耗,L,M,(dB)=L,fs,+A,m,(f,d)-H,b,(h,b,d)-H,m,(h,m,f)-k,s,-k,h,-k,A,-k,is,以准平坦地形中的中值路径损耗作为标准，针对不同传播环境和不规则地形中的各种因素，用修正因子加以修正，就可得到不规则地形及不同环境中的中值路径损耗，可用下式表示为：,式中，,k,s,为郊区修正因子；,k,h,为丘陵地形修正因子；,k,A,为斜坡地形修正因子；,k,is,为水陆混合传播路径修正因子。另外，还有开阔区校正因子、城市道路走向及道路宽度校正因子、孤立山丘校正因子和植被校正因子等。,P,R,=P,T,-L,M,+G,b,+G,m,-L,b,-L,m,-L,d,2.,不规则地形及不同环境中的中值路径损耗,根据已得出的中值路径损耗，可求出移动台接收到的信号功率为,式中，,P,R,为接收机收到的中值信号功率,(dBW),；,P,T,为发射机输出功率,(dBW),；,L,M,为中值路径损耗,(dBW),；,G,b,和,G,m,分别为基站和移动台天线增益,(dB),；,L,b,为基站馈线损耗,(dB),；,L,m,为移动台馈线损耗,(dB),；,L,d,为,基站天线共用器损耗,(dB),。,例题求解,【,例,2.8】,某移动通信系统，工作频率为,450MHz,，基站天线高度为,50m,，天线增益为,6dB,，移动台天线高度为,3m,，天线增益为,0dB,；在市区工作，传播路径为准平坦地形，通信距离为,10km,。试求,（,1,）传播路径的中值路径损耗。,（,2,）若基站发射机送至天线的信号功率为,10W,，不考虑馈线损耗和公用器损耗，求移动台天线接收到的信号功率。,例题求解,(1),自由空间传播损耗,L,fs,为,由图,2-20,可查得市区基本损耗中值,由图,2-21,可查得基站天线高度增益因子,由图,2-22,可查得移动台天线高度增益因子,可得传播路径损耗中值,为：,例题求解,(2),求得中等起伏地市区中接收信号的功率中值,2.5.3 Hata,模型,1,作为两个全向天线之间的传播损耗处理；,2,作为中等起伏地形（准平滑地形），而不是不规则地形处理；,3,以城市市区的传播损耗公式作为标准，其他地区采用校正公式进行修正。,Hata,根据,Okumura,模型中的各种图表曲线归纳出一个经验公式，称为,Hata,模型,。这种模型在保留,Okumura,模型风格的基础上，作了下列三点假设，以求简化：,2.5.3 Hata,模型,Hata,模型的适用条件：,1,f,为,150,1500MHz,；,2,基站天线有效高度为,30,200m,；,3,移动台天线高度为,1,10m,；,4,通信距离为,1,20km,。,2.5.3 Hata,模型,中值路径损耗的经验公式为：,其中,a(h,m,),为移动台天线修正因子，由传播环境中建筑物的密度及高度等因素确定。在,Hata,模型中，,h,m,以,1.5m,为基准；,f,以,MHz,为单位；,h,b,以,m,为单位；,d,以,km,为单位。,另外，由于中小城市和大城市建筑物状况相差较大，故修正因子分为：,1,.,中,小城市修正因子,2,.,大城市,修正因子（建筑物平均高度超过,15m,）,扩展,Hata,模型,欧洲科学与技术研究协会,(EURO-COST),的,COST-231,工作委员会对,Hata,模型进行了扩展，通过对较高频段的,Okumura,传播曲线进行分析得到的公式，使它适用于,PCS,系统，适用频率也达到,2GHz,。,所以称为,扩展Hata模型,。,有时也称作：,COST-231-Hata,模型。,扩展,Hata,模型,扩展,Hata,模型的市区路径损耗的计算公式为：,中等城市和郊区,大城市中心,