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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
2、性基本不随时间变化。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-移动通信产生
3、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功率,第
4、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B处的接收信
5、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、波长的等有关。 菲
6、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模型来估测其损耗。,x
7、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次幂与表示阴影损耗的正态对数分量的乘
8、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，短区间的中心均值衰落。衰落缓 慢，幅度小
9、；（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，称为多普勒效应。发生的频移表示为：,
10、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xi，衰落系数（或反射系数）为ai，则接收到的
11、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*表示卷积。,模型中的冲击响应可表示为,式中，,为单位
12、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,（最强路径信号功率的归一化时延扩展谱）
13、,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。相关带宽与时延扩展的关系为： Bc=12r,此时的信号包络相关
14、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，入射角a服从02的均匀分布，则在aa+da角度内的
15、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,
