移动信道中的电波传播.pptx

主要内容1 引言2 无线电波传播特性分析3 移动信道特征分析4 陆地移动信道的场强估算5 分集接收1.1 信道分类 。架空明线 有线信道 。电缆 。光纤 恒参信道 。中、长波地表面波传播 无线信道 。短波电离层反射传播 。移动通信使用的VHF、UHF 变参信道 直射、反射及散射传播1.2研究无线信道的意义研究无线移动信道模型，预测接收信场强衰减、吸收、折射、散射、绕射移动环境自然和人为无线电环境接收信号场强情况如何？信号带宽增加GSM均衡CDMA多径合并（RAKE接收）智能天线1.3 研究无线信道的方法从接收信号的角度，进行统计分析接收信号的幅度变化及分布接收信号的到达角分布从多径的数学表达式角度分析研究多径中每径幅度和分布研究每径的到达角度和分布研究每径的时延特性和分布从模型的角度尺度不同（大尺度、小尺度）环境特征不同（室外、室外、陆地、海洋、空间）应用区域（宏蜂窝、微蜂窝、微微蜂窝）主要内容1 引言2 无线电波传播特性分析3 移动信道特征分析4 陆地移动信道的场强估算5 分集接收2.1 电波传播方式研究频段：VHFVHF（30-300MHz30-300MHz）、）、UHFUHF（300-300-3000MHz3000MHz）移动通信常用频段为：150MHz(VHF)450MHz、900MHz、1.8GHZ、2.4GHz等(UHF)无线电波典型传播路径：直射波视距传播反射波翟表面波2.2 直射波（视距传播）自由空间传播大气中的电波传播大气折射视距传播极限距离障碍物的影响与绕射损耗2.2.1自由空间传播（1）即传播空间无限大且无吸收电波能量的介质、无障碍物，电波不产生反射、折射、散射、吸收、屏蔽等能量损耗，电波的衰减仅仅由能量扩散所引起直射波按自由空间传播考虑：只有能量扩散，没有其它损耗考虑接收信号功率、空间传播损耗2.2.1自由空间传播（2）球面波功率密度：PT(W)d(m)RXTXPR(W)接收天线有效面积：全向天线2.2.1自由空间传播（3）GR功率密度：GR GTGTPR(W)实际全向性天线：辐射能量集中(水平大烧饼)RXTXPT(W)d(m)GT为TX的天线增益GR为RX的天线增益接收天线有效面积：u 以上结论也适用于方向性天线(切下一块扇形的烧饼)，只是天线增益GT、GR更大些。2.2.1自由空间传播（4）先只考虑理想全向天线：GT、GR=1,得自由空间传播损耗讨论：(1).d Lfs,能量扩散 (2).f Lfs,接收天线有效面积减小2.2.2 大气中的电波传播（1）折射定律：电波传播速度V与大气折射率n成反比：地球等效半径标准大气折射情况下，地球等效半径为8500km2.2.2 大气中的电波传播（2）地面直射波视线传播极限距离无论如何提高PT、GT 及GR地面直射波受地球曲率的遮挡，传播距离也是有限的，如图所示。uu 容易求出直射波传播极限距离容易求出直射波传播极限距离：实际电磁波在大气中传播会发生折射弯曲，可实现超视线传播相当地球半径R增大为等效半径 Re=8500km (R=6400km)式中，R为地球等效半径，ht、hr 为TX及RX天线高度m2.2.2 大气中的电波传播（3）式中，单位为 d=km ,ht,hr=m2.2.3障碍物的影响与绕射损耗(1)当波撞击在障碍物边缘时发生绕射信号能量绕过障碍物传播的机制称为绕射若无视距传播（LOS）,绕射可以帮助覆盖2.2.3障碍物的影响与绕射损耗(2)绕射由次级波的传播进入阴影区而形成阴影区的绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和与LOS的路径差异导致相移用菲涅尔区表达不同高度障碍物造成的相移2.2.3障碍物的影响与绕射损耗(3)菲涅尔区是以收、发天线为焦点并绕长轴旋转的椭球球体直射波与发射波在接收端有一个行程差，使行程差为 的发射点所构成的面称为菲涅尔椭圆球面 菲涅尔区同心圆半径为：一般来说，当阻挡体不阻挡第一菲涅尔区时绕射损失最小，绕射的影响可以忽略不计。经验表明，在视距通信链路设计时，只要55的第一菲涅尔区无阻挡，其他菲涅尔区的情况基本不影响绕射损耗2.2.3障碍物的影响与绕射损耗(4)通常用其相对值表示：x/x1 x1=d1d2/(d1+d2)1/2 为第一菲涅尔半径图中，x 为菲涅尔余隙2.2.3障碍物的影响与绕射损耗(5)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 则绕射损耗可不计。2.3反射波（1）当电波信号传播碰撞到大大地大于信号波长地障碍物时发生反射良导体反射无衰减绝缘体只反射入射波能量地一部分Grazing角：100反射直角入射，100透射反射造成180度相移2.3反射波（2）考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角2.3反射波（3）反射波附加相移(两径传播模型)附加路径：附加相移：接收信号场强：定义第n个菲涅尔区：第1个菲涅尔区：2.4 散射当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物时发生散射在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，反射能量由于散射而散布于所有方向，给接收机提供了额外的能量若平面上的最大突起高度h小于临界高度，则认为表明光滑，反之则认为粗糙 主要内容1 引言2 无线电波传播特性分析3 移动信道特征分析4 陆地移动信道的场强估算5 分集接收3 移动信道特征分析主要内容3.1 移动环境下场强特性3.2 移动通信环境下的几个效应3.3 多径传输与快衰落3.4 阴影效应与慢衰落3.5 衰落储备3.6 多径时散与相关带宽3.1 移动环境下场强特性移动通信环境下场强变化剧烈场强变化的平均值随距离增加而衰减场强特性曲线的中值呈慢速变化慢衰落场强特性曲线的瞬时值呈快速变化快衰落3.2 移动通信环境下的几个效应空间传播损耗Path loss多径效应：由移动体周围的反射、散射等引起的多径传播，表现为快衰落多普勒效应：由移动体的运动速度和方向引起，多径条件下，会引起多普勒频谱展宽阴影效应：由地形结构引起，表现为慢衰落3.3多径传输与快衰落(1)i移动通信的多径传播BSMSS0反射/散射波直射波反射波diSid1S1d2S2Sv接收信号 S=Si，i=1,2，为多径信号的矢量和,不同位置合成信号幅度不同,发生干涉现象，产生快衰落。3.3多径传输与快衰落(2)接收点某一路径信号为Si(t),是So(t)在该路径上传播，发生以下各种损耗和相移、频移所得到：(1).传播距离di：传播损耗Li 及延时tidi/c (2).反/散射损耗及相移：反射系数Ri 设：发射信号为设：发射信号为 R Ri i11(3).(3).径向速度产生的多普勒频移：径向速度产生的多普勒频移：（图中（图中MSMS背离背离BSBS，接，接收频率降低）收频率降低）3.3多径传输与快衰落(3)式中，信号幅度式中，信号幅度 相移相移 则3.3多径传输与快衰落(4)不同位置的接收信号 S典型移动信道：衰落深度达30dB左右，衰落速率约3040次/秒。SS1S2S1S2S位置1位置2d/m (d=vt)t/s-30-10010相对电平/dB中值 信号快衰落特性信号快衰落特性3.3多径传输与快衰落(5)快衰落统计特性3.3多径传输与快衰落(6)式中，式中，r 为接收信号幅度（包络）为接收信号幅度（包络）为接收信号相位起伏（相位）为接收信号相位起伏（相位）3.3多径传输与快衰落(7)容易证明：(1)随机变量 x,y为统计独立的正态分布，且x,y,A均方值为(2)信号包络 r 为瑞利分布，相位 为均匀分布3.3多径传输与快衰落(8)0P(r)1.17中值P=50%P=50%信号包络的端利分布概率密度函数P(r)3.4 阴影效应与慢衰落（1）MS MS移动时地形、地物大幅度慢变化会引起接收信号电移动时地形、地物大幅度慢变化会引起接收信号电平中值存在周期为秒级的慢衰落。平中值存在周期为秒级的慢衰落。最典型的情况是下图所示地形、地物的最典型的情况是下图所示地形、地物的阴影效应阴影效应：BSS大S小S大山/大建筑物TXMS 当MS移动到山岳或高楼屏蔽电波所造成的阴影区时,接收信号减小,反之增大。3.4 阴影效应与慢衰落（2）慢衰落引起接收信号电平中值存在周期为秒级的慢衰落慢衰落引起接收信号电平中值存在周期为秒级的慢衰落d/m (d=vt)t/s-30-10010相对电平/dB中值信号快衰落及信号快衰落及慢衰落慢衰落特性特性 慢衰落的统计特性为对数正态分布：慢衰落的统计特性为对数正态分布：令令 X=20 logX=20 log(r r的中值的中值)(dB)dB)则则 X X(信号幅度中值的分贝数信号幅度中值的分贝数)为正态分布为正态分布 中值：信号电平大中值：信号电平大于或小于它的概率于或小于它的概率各为各为50503.4慢衰落与快衰落的比较（3）快衰落产生的原因多径效应多普勒效应慢衰落产生的原因：阴影效应大气折射（大气介电常数变化，时变）慢衰落相对于快衰落而言是宏观变化，快衰落是微观变化慢衰落的衰落速率与频率无关，而主要取决于传播环境，快衰落衰落速率与频率有关3.5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R小于规定指标，这种电平余量称为衰落储备量。实测大量数据经统计分析得出的曲线如图所示：中断（概）率 R可通（概）率 TT+R=1衰落储备量/dB频率f/MHz可通率T10203099%95%90%10090030003.6多径时散与相关带宽（1）1多径时散 (1).多径时散含义 (2).多径时散的定量描述 接收端多径时散信号包络放大后如下图所示，称为多径时延散布谱。射频信号包络发收t多径时散uu 多径传播时延不同多径传播时延不同(时延散布时延散布,简称时散简称时散),),造成接收数字造成接收数字信号波形展宽信号波形展宽,形成码间窜扰形成码间窜扰,增大误码率增大误码率 。3.6多径时散与相关带宽（2）按E(t)加权求延时t的平均值 等 ，或者将E(t)看成时延t的“概率密度函数”求其均值，定义：（时延标准偏差）（时延标准偏差）平均多平均多径时延径时延 时延时延扩展扩展（时延均值）（时延均值）0-300相对幅度/dBE(t)：归一化包络特性曲线t（时延）多径时散信号包络多径时散信号包络(多径时延散布谱多径时延散布谱)3.6多径时散与相关带宽（3）多径时散参数典型值参数 市区 郊区 平均时延 1.5 2.5 0.1 2.0 时延扩展 1.0 3.0 0.2 2.0 最大时延 5.0 12 3.0 7.0 u 市区建筑物密集，反射体多，多径传输严重，从而多径，反射体多，多径传输严重，从而多径时散严重时散严重(及及大大)，如无抗多径传输措施，则数字信号传，如无抗多径传输措施，则数字信号传输速率输速率(fsfs、Ts)Ts)受限：受限：TsTs或或 fs1/()fshh20m 地面起伏不大（高度差地面起伏不大（高度差200)0)。其它地形、地物同样采用基准损耗中值修正的方法计算。其它地形、地物同样采用基准损耗中值修正的方法计算。4.3 中等起伏地形传播损耗中值（7）郊区的建筑物一般是分散的、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郊区场强中值大于市区场强中值郊区修正因子4.3 中等起伏地形传播损耗中值（8）开阔地、准开阔地传播条件优于市区为了求出郊区、开阔低及准开阔地的损耗中值，应先求出相应地市区传播损耗中值，再减去由图查得的修正因子开阔地、准开阔地修正因子4.4 不规则地形上传播损耗中值（1）不规则地形上传播损耗中值 L=LT-Ki 1.丘陵地修正因子 Kh 2.孤立山岳修正因子 Kjs 3.斜坡地形修正因子 Ksp 4.水陆混合路径修正因子 Ks 4.4 不规则地形上传播损耗中值（2）1 丘陵地的修正因子丘陵地的地形参数用地形起伏高度 表示 4.4 不规则地形上传播损耗中值（3）若H不等于200m，则修正因子KJS还需乘上系数 a：H的单位m，(H=200m时，a=1)2 孤立山岳修正因子 4.4 不规则地形上传播损耗中值（4）斜坡地形长 510km角度单位：1mrad=0.057度 f=450900MHz3 斜坡地形修正因子 4.4 不规则地形上传播损耗中值（5）在传播路径中遇有湖泊或其他水域，接收场强比全是陆地时要高4 水陆混合路径修正因子 4.5 任意地形地物的传播损耗中值（1）1 传播损耗中值式中，式中，L LT T 为中等起伏地形、市区传播损耗中值为中等起伏地形、市区传播损耗中值(基基 准损耗中值准损耗中值)K KT T 为实际地形地物修正因子，为各种单独地形、为实际地形地物修正因子，为各种单独地形、地物修正因子地物修正因子K Ki i 的代数和的代数和L LA A=L LT T K KT T4.5 任意地形地物的传播损耗中值（2）2.接收信号功率中值 PR=PT+Gb+Gm-LA 式中，PR ：接收信号功率中值，dBW或dBmW PT ：发射信号功率中值，dBW Gb、Gm ：BS及MS天线增益因子，dB LA ：传播损耗中值，传播损耗中值，dBdB 3.接收机灵敏度与最小输入信号功率 接收机灵敏度指无外介噪声和干扰，在规定的标准测试条件下，接收机解调输出得到规定的话音质量时，接收机天线输入端所需的最小信号电压。而接收机输入阻抗为50或75，则可求出接收机灵敏度的输入电压对应的接收机最小输入信号功率PR。4.6 传播损耗中值估算举例（1）例1设射频信号功率P=10W，试将其换算为dBW和dBm(W)。解：可见，1W=0dBW=30dBm NdBW=(N+30)dBm4.6 传播损耗中值估算举例（2）例2某一移动信道，f=450MHz,hb=50m,Gb=6dB,hm=3m,Gm=0dB,d=10km；郊区；正斜坡，m=15mred；且BS发射功率PT=10W。试求，(1).传播路径损耗中值 LA (2).MS接收信号功率中值 PR解：求 。而4.6 传播损耗中值估算举例（3）查图查图3 324(b)24(b)得得.查图查图3 324(a)24(a)得得.查图查图3 32323得得.得得 L LT T=105.5+27-(-12)-0=144.5dB=105.5+27-(-12)-0=144.5dB4.6 传播损耗中值估算举例（4）KT=Kmr(郊区修正因子)+Ksp(正斜陂修正因子)查图326得.Kmr=12.5dB 查图330得.Ksp=3dB 得 KT=12.5dB+3dB=15.5dB 得 LA=LT-KT=144.5-15.5=129dB(2)求 PR=PT+Gb+Gm-LA 而 PT=10W=10lg(10W/1W)=10dBW=10+30=40dBm 得 PR=40dBm+6dB+0dB-129dB=-83dBm若已知接收灵敏度对应的输入信号功率，即可求得接收信号的质量。80706050虚线实线 主要内容1 引言2 无线电波传播特性分析3 移动信道特征分析4 陆地移动信道的场强估算5 分集接收5.1 引言衰落是影响移动通信质量的主要因素，克服衰落影响的方法：衰落储备 衰落储备是通信系统没加入任何抗衰落技术措施时，为保证通信的可靠性(可通率T)，信号电平PR 应增大的幅度，一般为1020dB，即10100倍。若衰落储备全由提高PT 提供，按传播损耗中值求出PT=10W，加上衰落储备后 PT=1001000W，太大！这不是个好办法。所以实际通信系统一般都加入下述的抗衰落技术措施。分集接收自适应均衡等5.2 分集接收原理（1）定义：是指接收端对它收到地多个衰落特性互相独立（携带同一信息）的信号进行特定的处理，以降低信号电平起伏的办法在任一瞬间，两个非相关的衰落信号同时处于深度衰落的概率是极小的5.2 分集接收原理（2）接收信号包络tabC=a+ba,b统计独立,同时发生深度衰落的概率很小u 接收端分别接收多个衰落特性统计独立、携带同一信息的信号，再合并为一路信号，可减小衰落的影响。5.2 分集接收原理（3）分集的两重含义分散传输：使接收端能获得多个统计独立的、携带同一信息的衰落信号集中处理：接收机把接收到的多个统计独立的衰落信号进行合并（包括选择与组合），以降低衰落的影响5.3 分集方式（1）宏分集主要用于蜂窝通信系统，也称为多基站分集。减小慢衰落把多个基站设置在不同的地理位置上和不同的方向上，同时和小区内的一个移动台进行通信微分集减小快衰落在各种无线通信系统中经常使用在空间、频率、极化、场分量、角度及时间等方面分离的信号，都呈现互相独立的衰落特性5.3 分集方式（2）(1).空间分集市区：d0.5郊区：d0.8TXRX1RX2d二重空间分集二重空间分集载频波长载频波长 5.3 分集方式（3）(2).极化分集优点：天线可装在同一地点。TXRX1RX2极化分集极化分集垂直极化波水平极化波5.3 分集方式（4）(3).角度分集TXRX1RX2(4).(4).其它其它5.4 合并方式（1）检测后合并(1).合并位置 .检测（解调）前合并合并器检测器合并器检测器检测器5.4 合并方式（2）选择合并特点：特点：a.a.简单简单 b.b.有一路信号能量未利用，性能较差有一路信号能量未利用，性能较差检测器检测器RX1RX2(S/N)1(S/N)2(2).(2).合并方式合并方式5.4 合并方式（3）.最大比值合并u 特点：特点：a.a.按信噪比加权各路信按信噪比加权各路信 号后再合并，合并后号后再合并，合并后 信噪比大，衰落小。信噪比大，衰落小。b.b.控制复杂控制复杂u将输入信号(包络为r ri)以某种方式加权以某种方式加权(a ai i)，再相加合并。再相加合并。图中采用，图中采用，a ai i=r=ri i/N/Ni ,r ri为信号包络，为信号包络，NNi i为噪声，为噪声，a ai i为信噪比。为信噪比。则则 ，RX1RX2a2a1r1r2捡测器rR5.4 合并方式（4）等增益合并特点：a.性能与接近 b.电路简单采用较多 RX1RX2r1r2捡测器rE习题2、4、5、6