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1、第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,重点内容提示1.信道的描述2.移动信道的特征作业：2.2, 2.3,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,关于信道的描述 信道的定义：信号的传输媒质。有线信道和无线信道，广义信道和狭义信道。离散信道和连续信道，恒参信道和随（变）参信道。 广义信道：包括传输媒质外的有关的变换装置（如：发送设备，接收设备，馈线与天线，调整器，解调器等），平常所说的“调制信道”和“编码信道”就属于这一类。 狭义信道：指传输媒质，如有线和无线信道。有线信道属于恒参信道，传输特性基本
2、不随时间变化。移动（无线）信道属于变参信道，存在时延扩展，多径衰落，多普勒效应等问题，对通信影响很大。,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,2.1.1 电波传播的基本特性,1.信道-电波传播的路径。即电波从发射天线到接收天线之间的路径。 2.信道环境-地形、地物、气候、电磁干扰、移动传播与频率的关系。 3.传播方式-直射、反射、绕射、散射、折射。 4.衰落现象-传播环境随时间、地点的变化而变化，移动信道的参数随 时间而变化，属于时变参量系统。接收信号的幅度和相位是随机变化的， 称为电波的衰落现象。多径传播引起多径衰落。 5.多普勒效应-移动通
3、信产生多普勒效应，同样会产生衰落现象。 6.大尺度衰落-收发之间的长距离的信号强度的慢速变化。 7.小尺度衰落-短距离或短时间的信号强度的快速变化。,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,2.2 自由空间的电波传播（参考微波与卫星通信人邮，孙学康编）自由空间定义：指理想的、均匀的各向同性的介质中电波传播不发生反射、折射、绕射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗。在自由空间中，电波以球面波向四周辐射，在接收点接收的功率为,自由空间的传播损耗定义为: 当Gr=Gt=1时，,注：Ar为天线有效面积;S为辐射半径R的球面上单位面积平均
4、功率,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,2.3 3种基本电波传播机制 反射: 波长远小于障碍物尺寸，将产生反射。 绕射（衍射）：波长与障碍物尺寸相当（如孔隙或障碍物边缘），波绕过障碍物，改变方向传播。属于波的物理特性。 散射：波长与障碍物尺寸相当（如小颗粒物或粗糙表面的不均匀介质），被障碍物反射后，向所有方向（四周）传播。属于波的物理现象。移动通信电波传播方式主要是直射波加反射波的方式。,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,1.反射,2.3.1 反射与多经信号,2.两径传播模型,在接收天线
5、B处的接收信号功率为,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,在大多数场合下，地面波的影响可以忽略，则有,式中，,且有,3.多经传播模型,对于多经情况，式（2.8）可推广为,当多经数目很大时，必须用统计 方法计算。,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,2.3.2 绕射(衍射),惠更斯-涅菲尔原理:波在传播过程中，行进中的波前（面）上的每一点，都 可看作为产生次级波的点源。,在接收点接收到的信号是由许多次级波发射的的子波（点源）构成，由于干 涉的结果，有些波相互抵消，有些则相互增强。这与收发距离、
6、波长的等有关。菲涅尔区概念：即从发射点到接收点次级波的路径长度比直接路径长度大的连续区域。菲涅尔区的半径表示为,通常认为，在接收点处第一菲涅尔区产生的场强是全部菲涅尔区场强的一半。 若收发距离略大于第一菲涅尔区，则大部分能量可以到达接收机。（接收点场强 是个菲涅尔区产生场强的矢量和，以奇数区参考，若奇数区为增强，则偶数区就 减弱，因相位差180度，互为倒相。）,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,绕射损耗：在收发路径中，任何的障碍物都会使电波产生绕射，都会有一 定额损耗。精确计算其损耗是困难的。为了估计和计算的方便，人们常利用一些典 型的绕射
7、模型来估测其损耗。,x称为菲涅尔余隙。当x/r=0.5时，损耗为0；当x=0时，为6dB;当x0（负 余隙）时，损耗急剧增加。,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,2.3.3 散射,表面平整度的参考高度为,若平面上最大的突起高度hhc时，反射场强可表示为,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,2.4 阴影衰落的基本特性,阴影衰落是由传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波的阻挡而 形成的电磁场的阴影效应。衰落与地形和地物的分布、高度有关。阴影衰落一般表示为电波传播距离r的m次幂与表示阴影
8、损耗的正态对数分量 的乘积。即,阴影衰落属于慢衰落。,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,2.5 多径传播模型,2.5.1 多径衰落的基本特性,多径产生的原因：接收波为直射波、反射波、散射波、绕射波的组合 叠加，各种波的传播路径不同，导致相位不同，叠加后有的加强有的减 弱，产生衰落现象。,衰落有三种：扩散衰落、多径衰落和阴影衰落。,扩散衰落长区间中心均值衰落，随传播距离的增加而增大，呈d-n规律变化。（n一般为34） （大尺度衰落） 多径衰落短区间（数十波长）的瞬时值衰落.速率快，深度大；（小尺度衰落） 阴影衰落在数百波长的区间内，短区间的中
9、心均值衰落。衰落缓慢，幅度小；（大尺度衰落）,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,三种衰落的特征 多径衰落数十波长的短区间瞬时值衰落.速率快，深度大。有的文献称为小尺度衰落。 阴影衰落在数百波长的区间内，短区间的中心均值衰落。衰落缓慢，幅度小 扩散衰落长区间中心均值衰落，随传播距离的增加而增大，呈d-n规律变化。有文献称后两种衰落为大 尺度衰落，多径衰落为小尺 度衰落。,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,2.5.2多普勒频移（多普勒效应）移动台在运动中通信时，接收到的信号频率会发生变化，称
10、为多普 勒效应。发生的频移表示为：,多普勒频移与移动台运动方向、 速度及电波的入射角有关。若移动 的方向朝向入射波，则频移为正值；若背向入射波，则频移为负值。信号 经过不同方向的传播，产生多普勒扩散，使信号带宽增大。,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,2.5.3 多径信道的信道模型多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特性。通常可将信道看成是作用 于信号上的一个滤波器，因此可通过分析滤波器的冲击响应和传递函数得到多径 信道的特性。设传输信号为（实部部分）,式中：fc为载频,s(t)为复基带信号当信号经过多径信道后，假设第i径的路径 长度为x
11、i，衰落系数（或反射系数）为ai， 则接收到的信号可表示为,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,r(t)实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和时延都不同的各个路径的总和。,(添上fc),第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,考虑到多普勒频移，r(t)为,上式表明了多径和多普勒效应对复基带传输信号s(t)的影响。,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,如果令,则可得,式中，s(t)为复基带传输信号，h(t, )为信道的冲击响应，符号*表示卷
12、积。,模型中的冲击响应可表示为,式中，,为单位冲击函数。,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,2.5.4 多径信道的主要描述参数,（1）时间色散参数用平均附加时延 和均方根(rms)时延扩展 ，以及最大附加时延扩展（xdB）来描述。时延扩展经多径传播，脉冲宽度被展宽。设原发射脉冲宽度为T，经多径传输后变成 T+Tm。Tm是时延扩展，为最大延时与最小延时 的差值。时延扩展不能太大，否则，将引起码间串扰 （ICI).设码元速率为Rb, 要求Tm1Rb，或Rb1Tm。(摘自移动通信技术李斯伟)要求时延扩展小于码元宽度。,1. 时间色散参数和相关带宽
13、,（最强路径信号功率的归一化时延扩展谱）,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,（2）相关带宽与时延扩展相关的另一个重要概念是相关带宽。当两个 频率间隔很近的信号产生不同的时延扩展时，可能使它们变得相关。不同频率信号的衰落一致，这是非频率选择性衰落。否则，就是频率选 择性衰落。对于一个多径信道，存在一定的时延扩展量，也就对应存在一 相关带宽。当传输的信号带宽小于相关带宽时，信号衰落是相关的，一致 的，不会产生失真；当信号的带宽大于相关带宽时，信号衰落就不相关，不 一样，就会产生失真。对于数字移动通信来说，要求码元速率小于相关带宽。 相关带宽与时
14、延扩展的关系为： Bc=12r,此时的信号包络相关系数等于0.5. 一般在实际应用中，常用最大时延来表示相关带宽。即：Bc=1Tm,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,2. 频率色散参数与相关时间频率色散参数是用多普勒扩展来描述。而相关时间是与多普勒扩展相 对应的参数。多普勒扩展和相关时间描述的是信道的时变特性，是由移动台与基站 的相对运动产生的，或是由信道路径中的物体运动引起的。当信道时变时，就存在时间选择性衰落，会引起信号的失真。 （1）多普勒扩展设发射载波为fc，接收到的信号是由许多经多普勒频移的平面波合成， 假设接收天线为全向天线，入
15、射角a服从02的均匀分布，则在aa+ da角度内的到达功率为:,式中，b表示平均功率,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,根据多普勒频移原理，接收的频率为f(a)=fc+fmcos(a) （1）,当角度从a变化到a+da时，信号频率则从fc变到fc+df.因此，在频率域从f到f+df之间的射频功率为:,式中，S(f)为接收信号功率谱,b为到达电波的平均功率。 考虑到入射角的对称性，从上式得到,又由于df=-fmsinada（对式1求导）, 所以，有,此式以书上（2.49）为准,功率谱扩展为fc-fmfc+fm,第二章 移动通信电波传播及传播预测模型 第一讲 电波传播的基本特性与移动信道的电波传播,（2）相关时间相关时间是信道冲激响应保持不变的时间间隔的统计平均值。或是说，相关时间是指一段时间间隔内，两个到达的信号具有很强的相关性。换句话说，在相关时间内信道特性没有发生明显的变化。它表征了时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落是由多普勒效应引起的，并且发生在传输波形的特定时间段上。由多普勒效应引起的时间选择性衰落，对数字信号误码有明显的影响。为了减少这种影响，就要求基带信号的码元速率要低，即码元间隔Tb远小于信道的相关时间。多普勒扩展的倒数就是对信道相关时间的度量，即,
