移动通信第3章

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1、第3章 移动信道的传播特性,3.1 无线电波传播特性 3.2 移动信道的特征 3.3 陆地移动信道的传输损耗 3.4 移动信道的传播模型 思考题与习题,3.1 无线电波传播特性,学习要求: 理解电波传播的基本特性 理解三种电波的传播机制理解视线传播距离会计算电波传播损耗,研究对象: 基站和手机之间的传播路径。移动信道的基本特征:衰落特性。衰落的表现 : (1)传播损耗和弥散 (2)阴影衰落 (3)多径衰落 (4)多普勒效应,信道的分类 大尺度衰落根据不同距离内信号强度变化的快慢分为 小尺度衰落 长期慢衰落根据信号与信道变化快慢程度的比较分为 短期快衰落大尺度衰落与小尺度衰落,衰落特性的算式描述

2、r(t)= m(t) r0 (t)式中,r(t)表示信道的衰落因子;m(t)表示尺度衰落;r0(t)表示小尺度衰落。,小尺度衰落,大尺度衰落,直射波地面反射波地表面波,无线电波传播方式:直射波、反射波、绕射波、散射波 当频率f30 MHz时,典型的传播通路,3.1.2 直射波,直射波传播可按自由空间传播来考虑。自由空间传播指天线周围为无限大真空时的电波传播。(电波在自由空间传播时,其能量既不会被障碍物所吸收,也不会产生反射或散射。),由电磁场理论可知:当电波经过一段路径传播之后, 能量仍会受到衰减,这是由辐射能量的扩散而引起的。 采用各向同性天线(亦称全向天线或无方向性天线)辐射功率为PT瓦,

3、距辐射源dm,单位面积上的电波功率密度S为 :,若用发射天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线, 则单位面积电磁波功率为:,方向性天线:,接收天线获取的电波功率为: PR = SAR AR为接收天线的有效面积:,接收功率为:,自由空间传播损耗Lfs可定义为 :,用分贝表示:,或,Lfs(dB) = 32.44+20lg d(km)+20lg f(MHz),d的单位为km, 频率单位以MHz计,3.1.3 大气中的电波传播1. 大气折射,电波传播速度v与大气折射率n成反比, 即,电波在大气中的传播,地球等效半径:即认为电波依然按直线方向行进,只是地球的实际半径R0(6.37106 m)变成了

4、等效半径Re, Re与R0之间的关系为,k:地球等效半径系数,dn/dh:大气折射率的垂直梯度,当dn/dh0时,表示大气折射率n随着高度升高而减少。因而k1, ReR0。 在标准大气折射情况下,即当dn/dh-410-8(l/m),等效地球半径系数k=4/3,等效地球半径Re=8 500km。 由上可知:大气折射有利于超视距的传播。但在视线距离内,因为由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。,2. 视线传播极限距离 天线的高度分别为ht和hr。由于地球等效半径Re远远大于天线高度,自发射天线顶点A到切点C的距离d1为,(3 - 17),由切点C到接收天线顶点B的距离

5、d2为,视线传播的极限距离,视线传播的极限距离d为,(3 - 19),在标准大气折射情况下, Re=8500km, 故,(3 - 20),式中, ht、 hr的单位是m, d的单位是km。,3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗,无线电波的绕射,惠更斯菲涅尔原理,惠更斯菲涅尔原理,波前(面)上每点产生的次级波组合形成传播方向上 新的波前(面)绕射由次级波的传播进入阴影区而形成场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和,1、任一P ,只有夹角为(即 TPR )的次级波前能到达接收点R。2、 在0到180之间变化3、到达接收点辐射能量与成正比,P,T,R,菲涅尔区同心半径,第一菲涅尔区半径(n=1)特点 在接

6、收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半 发射机和接收机的距离略大于第一菲涅尔区,则大部分能 量可以达到接收机。,设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图 x表示障碍物顶点P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 。,b)正余隙,a) 负余隙,纵坐标为绕射引起的附加损耗, 即相对于自由空间传播损耗的分贝数。 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,由图可见,当x/x10.5 时,附加损耗约为0dB, 即障碍物对直射波传播基本上没有影响。为此,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余隙x0.5x1; 当x0,即直射线低于障

7、碍物顶点时,损耗急剧增加;当x=0时,即TR直射线从障碍物顶点擦过时,附加损耗约为 6 dB。,例3-1 设图 3 - 3(a)所示的传播路径中, 菲涅尔余隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。 试 求出电波传播损耗。 解 先由式(3 - 13)求出自由空间传播的损耗Lfs为,Lfs = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB,由式(3 - 21)求第一菲涅尔区半径x1为,式中,=c/f, c为光速,f为频率。,由图3-4 查得附加损耗(x/x1-1)为16.5dB, 因此电波传播的损耗L为 L = Lfs+16.5 = 11

8、6.0dB,3.1.5 反射波 当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时, 如果界面尺寸比电波波长大得多, 就会产生镜面反射。 在考虑地面对电波的反射时, 按照电波在反射点的反射角等于入射角。 不同界面的反射特性用反射系数R表征, 它定义为反射波场强与入射波场强的比值, R可表示为,R = |R|e-j,|R|:反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比。:反射波相对于入射波的相移。,图 3 - 5 反射波与直射波,水平极化波和垂直极化波的反射系数Rh和Rv如:,c是反射媒质的等效复介电常数, 它与反射媒质的相对介电常数r、 电导率和工作波长有关, 即,(3-25),极化电磁波在传播过程中,其电场

9、矢量的方向和幅度随时间变化的状态电磁波的极化形式线极化、圆极化和椭圆极化线极化的两种特殊情况水平极化(电场方向平行于地面)垂直极化(电场方向垂直于地面),对于地面反射, 当工作频率高于150MHz(2m)时,1可得:,即反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度,而相差为180。,Rv=Rh = -1,由发射点T发出的电波分别经过直射线(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点R, 由于两者的路径不同, 从而会产生附加相移。 反射波与直射波的路径差为:,d=d1+d2。,由此可得到 :,由路径差d引起的附加相移为:,2/称为传播相移常数,这时接收场强E可表示为,直射波与地面反射波的合成场强随反射系数

10、以及路径差的变化而变化,有时相加,有时相减造成合成波的衰落现象。|R|越接近1衰落越严重为此在选择地址时候使地面反射区离开光滑界面。,3.2 移动信道的特征,学习要点:了解传播路径与信号衰落理解多径衰落的特性掌握多普勒频移理解多径效应、慢衰落特性、多径时散的概念掌握衰落储备的概念,相关带宽的概念,3.2.1 传播路径与信号衰落 1、传播路径 在VHF、 UHF移动信道中, 电波传播方式除了上述的直射波和地面反射波之外, 还需要考虑散射波。,移动信道的传播路径,图中, hb为基站天线高度, hm为移动台天线高度。 直射波的传播距离为d, 地面反射波的传播距离为d1, 散射波的传播距离为d2。 移

11、动台接收信号的场强由上述三种电波的矢量合成。 为分析简便, 假设反射系数R=-1(镜面反射), 则合成场强E为,E0:直射波场强, :工作波长, 1和2分别是地面反射波和散射波相对于直射波的衰减系数, 而,d1 = d1-dd2 = d2-d,典型信号衰落特性,2、信号衰落,快衰落,慢衰落,3.2.2 多径效应与瑞利衰落1、多普勒频移,原因移动时会引起多普勒(Doppler)频率漂移表达式多普勒频移,最大多普勒(Doppler)频移,主要讨论多径信道的包络统计特性。接收信号的包络根据不同的无线环境一般服从,瑞利分布,莱斯分布,Nakagami-m分布,环境条件通常在离基站较远、反射物较多的地区

12、符合 (如下图)发射机和接收机之间没有直射波路径存在大量反射波,到达接收天线的方向角随机且02均匀分布各反射波的幅度和相位都统计独立场强分量Tc,Ts接收信号的幅度相位分布,瑞利分布,直射系统中,接收信号中有视距信号成为主导分量,同时还有不同角度随机到达的多径分量迭加于其上非直射系统中,源自某一个散射体路径的信号功率特别强,莱斯分布,多径信道的信道模型,多径信道对无线信道信号的影响表现为多径衰落特性,通常信道可以看成作用于信号上的一个滤波器。,通过信道信号可表示为,表示第i分量的实际幅度和增量延迟;,包含在第i个增量延迟内一个多径分量所有的相移,(3 - 32),在陆地移动通信中, 移动台往往

13、受到各种障碍物和其它移动体的影响, 以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和, 如图 3 - 8 所示。 假设基站发射的信号为,式中, 0为载波角频率, 0为载波初相。 经反射(或散射)到达接收天线的第i个信号为Si(t), 其振幅为i, 相移为i。,服从瑞利衰落的多径效应的推导,图 3 8 移动台接收N条路径信号,(3 - 33),式中, v为车速, 为波长, fm为i=0时的最大多普勒频移, 因此Si(t)可写成,(3 - 34),假设Si(t)与移动台运动方向之间的夹角为i, 其多普勒频移值为,假设N个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立, 则接收信号为,(3

14、- 35),令:,(3 - 36),(3 - 37),(3 - 39),(3 - 40),则S(t)可写成 S(t) = (x+jy)expj(0t+0) (3 - 38) 由于x和y都是独立随机变量之和, 因而根据概率的中心极限定理, 大量独立随机变量之和的分布趋向正态分布, 即有概率密度函数为,式中,x、y分别为随机变量x和y的标准偏差。 x、 y在区间dx、dy上的取值概率分别为p(x)dx、 p(y)dy,由于它们相互独立,所以在面积dxdy中的取值概率为 p(x,y)dxdy = p(x)dxp(y)dy (3 - 41)式中, p(x, y)为随机变量x和y的联合概率密度函数。,假设 , 且p(x)和p(y)均值为零, 则,(3 - 42),通常,二维分布的概率密度函数使用极坐标系(r, )表示比较方便。 此时, 接收天线处的信号振幅为r, 相位为, 对应于直角坐标系为,在面积drd中的取值概率为,得联合概率密度函数为,(3 - 43),

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