第2章移动信道的传播特性课件

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1、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

2、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

3、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

4、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,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

5、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

6、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

7、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。,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： PT = 发射功率 (W) GT = 发射天线增益 GR = 接收天线增益 = c/f 波长(m)，c = 光速 (3108 m/s) d = 发射机和接收机

8、之间的距离(m),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

9、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

10、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H1，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,d1,H2,d2,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

11、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/x1，其中x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径。 x/x10.5时附加损耗为0dB，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。 x0时，损耗急剧增加。 x=0时，TR射线从障碍物顶点擦过，附加损耗约为6dB。 因此，在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔区余隙x/x10.5。,2.1.5 反射

12、,反射波：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果尺寸比电波波长大得多时会产生镜面反射。,反射,地面反射模型（双线或两径传播模型）： 适用范围 几千米范围的大尺度信号和城区视距内的微蜂窝环境。 在固定站址通信中，选择站址时应力求减弱地面反射，或调整天线的位置和高度，使地面反射区离开光滑界面。,2.1.6 散射,产生： 当电波入射到粗糙表面时，反射能量由于散射而散布于所有方向，形成散射波。 影响： 在实际移动环境中，有时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（例如树林）时，发生散射作用，这就给接收机提供了额外的能量。,散射,散射与反射：依赖于表面的光滑程度、物体

13、大小与波长的比较。 当平面上最大的突起高度小于表面平整度参数hc时，可认为该表面是平滑的 ，此时电波入射后发生反射； 当平面上最大的突起高度大于或等于hc时，则认为该表面是粗糙的，此时电波入射后发生散射。 例如，GSM移动通信系统在一个建筑物密集的城区以900MHz频率工作，其中建筑物的高度差为1m，此时建筑物的表面往往应作为粗糙表面考虑。,2.2 移动通信信道的多径传播特性,2.2.1 移动通信信道的时变特性 2.2.2 移动环境的多径传播 2.2.3 多普勒频移,2.2.1 移动通信信道的时变特性,无线电信号通过移动通信信道时会经受不同类型的衰减损耗。若用公式表示，接收信号功率可表示为：,

14、：移动台与基站的距离,1、传播损耗(路径损耗） 电波传播所引起的平均接收功率衰减； 其值由 决定， 为发射机与接收机之间的距离； n为路径衰减因子，自由空间时n=2，一般情况下n=35； 描述长程范围内的信号电平变化（几千米量级）。,2.2.1 移动通信信道的时变特性,2、阴影衰落 用 表示。 由大型障碍物的遮挡引起，包括传播环境中的地形起伏、人造建筑物等。 描述短程范围内的信号电平变化（数百波长量级）。,2.2.1 移动通信信道的时变特性,3、多径衰落 用 表示。 主要由多径效应和多普勒效应引起。 数十波长量级内的信号电平变化。 接收信号场强的瞬时值快速变化，在几个波长间距内的变化幅度可达3

15、0dB。 是移动通信信道特性中最具特色的部分。,2.2.1 移动通信信道的时变特性,2.2.1 移动通信信道的时变特性,从工程设计的角度看，传播损耗和阴影衰落合并在一起反映了无线信道在大尺度上对传输信号的影响，它们主要影响到无线覆盖范围，合理的设计总可以消除这种不利的影响；而多径衰落严重影响信号传播质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术(分集、均衡和扩频等)来减小其影响。,大尺度路径损耗传播模型 描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化，用于预测平均场强并估计无线覆盖范围。 受到收发距离及地形地貌的影响。 小尺度多径衰落传播模型 描述移动台在极小范围内移动时，短距离（几个波长）或短时间

16、（秒级）上接收场强的快速变化，用于确定移动通信系统应该采取的抗衰落技术。,2.2.1 移动通信信道的时变特性,2.2.2 移动环境的多径传播,多径传播的产生及影响 信道中的反射物和散射物导致发射波到达接收机时形成在时间、空间上相互区别的多个无线电波。 不同多径成分具有的随机相位和幅度引起信号幅度波动小尺度衰落。 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,