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1、,移动通信系统,第二章无线通信电波传播与干扰,第二章 无线通信电波传播与干扰,2.1 概述 2.2 自由空间传播 2.3 多径传播的基本特性 2.4 多径传播对数字传输的影响 2.5 阴影衰落传播 2.6 电波传播的路径损耗预测模型 2.7 多径传播的建模与仿真 2.8 外部噪声与干扰,2.1.1 电磁波传播 2.1.2 移动信道 2.1.3 陆地移动信道无线电波传播 2.1.4 地形环境分类,2.1 概述,电磁波传播特性,电磁波传播特性是研究无线通信系统的首要问题传播特性如何直接关系到一系列系统设计问题通信设备的能力天线高度确定通信距离的计算如何保证优质可靠通信,2.1 概述,电磁波传播路径
2、,移动通信工作于VHF和UHF频段传播路径直射波视距传播折射波地表面波移动信道多径衰落,2.1 概述,电磁波传播路径,2.1 概述,1) 直射波：电波传播过程中没有遇到任何的障碍物, 直接到达接收端的电波, 称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。 2) 反射波：电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时, 会在物体表面发生反射, 形成反射波。 反射常发生于地表、 建筑物的墙壁表面等。 3) 绕射波：电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时, 会由阻挡表面产生二次波, 二次波能够散布于空间, 甚至到达阻挡体的背面, 那些到达阻挡体背面的电波就称为绕射波。 由于地球表面的弯曲性和地表物体
3、的密集性, 使得绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。 4) 散射波：电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时, 会在其表面发生散射, 形成散射波。 散射波可能散布于许多方向, 因而电波的能量也被分散于多个方向。,2.1.1 电磁波传播 2.1.2 移动信道 2.1.3 陆地移动信道无线电波传播 2.1.4 地形环境分类,2.1 概述,移动信道的复杂性,移动信道是最复杂的一种通信信道有线信道信噪比为46dB,传输波动不超过12dB,传输质量可控无线信道衰落（信号强度的骤然降低）深度可达30dB；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，这
4、种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信可靠性同频干扰。衰落使接收信号弱于同频干扰信号，接收机就会锁定在错误信号上衰落使数字通信的误比特率(BER)大大增加在有线信道中能够很好工作的语音编码器、调制解调器和同步装置在移动环境中工作性能将会大大恶化,2.1 概述,移动信道在无线通信中的位置,2.1 概述,移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。影响移动信道特性的三个因素传播环境对移动信道特性起着关键作用系统工作频率对移动信道特性的影响工作频率越高，接收信号衰落越大移动台运动状况对移动信道特性的影响运动速度越高，移动信道特性越复杂,移动信道衰落特性,2.1 概述,确定某个特定区域的传播环境的主
5、要因素自然地形(高山、丘陵、平原或水域等)人工建筑的数量、高度、分布和材料特性该地区的植被特征天气状况自然的和人为的电磁噪声状况,传播环境对移动信道的影响,2.1 概述,2.1 概述,移动信道环境的影响 基站天线与移动台天线存在显著高度差别,2.1 概述,移动信道环境的影响 近端区域物体的反射导致多径衰落,移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境。影响移动信道特性的两个因素传播环境对移动信道特性起着关键作用系统工作频率和移动台运动状况对移动信道特性的影响工作频率越高，接收信号衰落越大运动速度越高，移动信道特性越复杂,移动信道衰落特性,2.1 概述,复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征抵消衰落影
6、响的各种技术措施抗衰落技术：分集、扩频跳频、均衡、交织和纠错编码信号传输方式：调制方式各种抗衰落技术和数字传输技术的研究对发展数字移动通信系统十分重要,移动信道衰落特性,2.1 概述,复杂无线移动通信信道的基本特点： 以地波形式传播 同时受电波传播时的衍(绕)射、反射、 散射和吸收等现象影响 从观察时间的角度，可分为长期慢衰落效应和短期快衰落效应 对接收信号的主要影响是多径衰落 可从时间和空间描述、测试多径衰落,无线移动通信信道的基本特点,2.1 概述,对移动信道的研究,移动信道的研究是移动通信研究的热点。移动信道已成为许多理论分析和现场实测的课题由于移动信道的复杂性，仍有许多待研究课题,2.
7、1 概述,移动信道的基本研究方法理论分析。用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用各种数学模型来描述移动信道。现场电波传播实测。在不同的传播环境中，对电波传播实测试验。移动信道的计算机模拟。是近年来随着计算机技术的发展而出现的研究方法。上述三种研究方法是相辅相成的。在实际研究工作中，往往处于研究进程的不同阶段。,对移动信道的研究,2.1 概述,移动信道（电波传播）特性的研究结果对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述。如，移动环境中接收信号的幅度在大多数情况下符合瑞利分布。在有些情况，则更符合莱斯分布。电波衰落特性的统计规律，为研究移动信道抗衰落技术提供了基本依据。建立电波传
8、播模型。模型可包括图表、近似计算公式等。,对移动信道的研究,2.1 概述,移动通信系统设计的技术问题无线电信号在移动信道中可能发生的变化以及发生这些变化的原因对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能有什么影响 有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响本章讲解第一个问题，即移动信道（电波传播）特性如何？这是研究移动通信首先必须搞清楚的问题。后两个问题不做详细讲述，可参考有关文献资料。,对移动信道的研究,2.1 概述,2.1.1 电磁波传播 2.1.2 移动信道 2.1.3 陆地移动信道无线电波传播 2.1.4 地形环境分类,2.1 概述,陆地移动信道无线电波传播数学描述,移动信道是一
9、种时变信道。无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的损耗。损耗包括三个部分。接收信号功率可用公式表示为：,：表示移动台与基站的距离（矢量）,接收信号功率是距离的函数、时间的函数知道接收信号的功率P(t)，与知道场强E(t)和幅度r(t)等效,2.1 概述,三类衰减效应,三类衰减效应,空间传播损耗与弥散，用 表示，其中n一般取3-4。阴影衰落，用 表示。多径衰落，用 表示。,2.1 概述,三类衰落效应图,空间传播损耗与弥散,多径衰落,阴影衰落,三种衰落效应表现在不同距离（时间）范围内。下图给出了一种典型的实测接收信号场强分布。,2.1 概述,三类衰落效应图,多径衰落：移动传播环境的多径传输而
10、引起的衰落。是移动信道特性中最具特色的部分。数十波长的范围内，接收信号场强的瞬时值呈现快速变化的特征。衰落特性符合瑞利分布。这种衰落由于衰落速率较快，又可称为快衰落或短区间衰落。在数十波长范围内对信号求平均，可得到短区间中值。,2.1 概述,三类衰落效应图,阴影衰落：由于传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波遮蔽所引起的衰落。数百波长区间内，信号的短区间中值也出现缓慢变动的特征。其衰落特性符合对数正态分布。这种衰落速率较慢，又称慢衰落。在较大区间内对短区间中值求平均可得长区间中值。,2.1 概述,三类衰落效应图,空间传播损耗与弥散长区间中值随距基站的距离而变，其衰减特性一般服从 律。其
11、中n一般取3-4。它表明的是在以公里计的较大范围内接收信号的变化特性。,2.1 概述,三类衰落对无线系统工程的影响,从无线系统工程的角度看传播损耗和阴影衰落主要影响到无线区的覆盖。合理的设计总可以消除这种不利的影响。多径衰落严重影响信号传输质量，并且是不可避免的，只能采用抗衰落技术来减少其影响。,2.1 概述,三类衰落对无线系统工程的影响,2.1 概述,移动通信电波传播最具特色的现象是多径衰落, 或称多径效应。无线电波在传输过程中会受到地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等, 从而使电波沿着各种不同的路径传播, 这称为多径传播。由于多径传播使得接收端接收到的信号也是在幅度、相位、频率和到达时
12、间上都不尽相同的多条路径上信号的合成信号, 因而会产生信号的频率选择性衰落和时延扩展等现象, 这些被称为多径衰落或多径效应。 所谓频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关, 即传输信道对信号中不同频率成分有不同的、随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致, 因此衰落信号波形将产生失真。,2.1.1 电磁波传播 2.1.2 移动信道 2.1.3 陆地移动信道无线电波传播 2.1.4 地形环境分类,2.1 概述,地形特征定义,地形环境不同，电波特性就不相同。将传播环境按地形特征分类，有助于研究不同地形环境下的电波传播特性。主要考虑传播路径中的地形变形度量以及地形起伏区域中的天线高度计
13、算两个问题。即：地形波动高度天线有效高度,2.1 概述,地形波动高度,10高度线指地形剖面图上有10地段上高度超过此线的一条水平线,地形波动高度h描述电波传播路径中地形变化的程度。h定义为：沿通信方向，距接收地点lOkm范围内，10高度线和90高度线之高度差,2.1 概述,地形特征定义,地形环境不同，电波特性就不相同。将传播环境按地形特征分类，有助于研究不同地形环境下的电波传播特性。主要考虑传播路径中的地形变形度量以及地形起伏区域中的天线高度计算两个问题。即：地形波动高度天线有效高度,2.1 概述,天线有效高度,移动台天线有效高度：移功台天线距地面的实际高度基站天线有效高度hb:沿电波传播方向
14、，距基站天线3-15km的范围内平均地面高度以上的天线高度,2.1 概述,地形分类,从电波传播的角度考虑，可将千差万别的实际地形分为两类准平坦地形：指该地区的地形波动高度在20m以内，而且起伏缓慢。平坦地形包含在这一类中不规则地形：是指除准平坦地形之外的其它地形。不规则地形按其形态，又可分为若干类，如丘陵地形，孤立山岳，倾斜地形和水陆混合地形等。,2.1 概述,地形分类,各类地形的地面波动高度h,2.1 概述,传播环境分类,除地形条件外，电波传播还受楼房、人工建筑以及树木等的影响。即传播环境应包括自然地形、建筑物和植被状况。根据建筑物植被状况，传播环境可分为四类：开阔地区：在电波传播方向上无建
15、筑物或树木等障碍的开阔状地带。平原地区的农村属于开阔区。郊区：在移动台附近有些障碍物，但稠密建筑物多为1-2层楼房。城市外围以及公路网可视为郊区。中小城市地区：建筑物较多，可有高层建筑，但数量较少，街道也比较宽。大城市地区：建筑物密集，街道较窄，高层建筑较多。,2.1 概述,第二章 无线通信传播与移动信道,2.1 概述 2.2 自由空间传播 2.3 多径传播的基本特性 2.4 多径传播对数字传输的影响 2.5 阴影衰落传播 2.6 电波传播的路径损耗预测模型 2.7 多径传播的建模与仿真 2.8 外部噪声与干扰,自由空间是满足下述条件的一种理想空间均匀无损耗的无限大空间；各向同性；电导率为零，
16、介电常数和磁导率分别等于真空介电常数0和真空磁导率0；这种空间中，不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，而且电波传播速率等于真空中光速c。,2.2.1 自由空间定义,2.2 自由空间传播,自由空间假设对信道电波特性分析的意义无线电波在自由空间的传播是电波传播研究中最基本、最简单的一种，现实环境中并不存在。在研究移动通信电波传播问题时，自由空间的概念提供了一个比较各种传播环境的标准，可简化场强和传输损耗的计算，通常可把满足一定条件的理想空间视为自由空间。如果现实环境中，传播介质与障碍物对电波传播影响的程度小到可以忽略，则这种条件下的电波传播可认为是自由空间传播。,2.2.1 自由空间定义,2.2 自由空间传播,自由空间传播的接收点信号功率,2.2.2 自由空间电波传播的功率计算,Pt为发射机送至天线的功率gt和gr分别为发射和接收天线增益为波长d为接收天线与发射天线之间的距离,。,2.2 自由空间传播,
