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1、1影响电磁波传播的三种基本传播机制：影响电磁波传播的三种基本传播机制：反射（反射（反射（反射（ReflectionReflection） 、绕射（、绕射（、绕射（、绕射（DiffractionDiffraction）、散射）、散射）、散射）、散射（ScatteringScattering）基站天线基站天线基站天线基站天线移动台天线移动台天线移动台天线移动台天线绕射波绕射波绕射波绕射波山峰山峰山峰山峰散射波散射波散射波散射波直射波直射波直射波直射波地面反射波地面反射波地面反射波地面反射波基站天线基站天线基站天线基站天线移动台天线移动台天线移动台天线移动台天线3.1 VHF3.1 VHF、UHFU
2、HF电波传播特性电波传播特性 2电波的三种基本传播机制阻挡体阻挡体 反射反射(ReflectionReflection )比传输波长大得多的物体比传输波长大得多的物体 绕射绕射(DiffractionDiffraction)尖利边缘尖利边缘 散射散射(ScatteringScattering)粗糙表面粗糙表面3.1 VHF3.1 VHF、UHFUHF电波传播特性电波传播特性 343.1.2 3.1.2 直射波直射波 图：直射波(Direct transmission)5 直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间，通常指不存在电波的反射、折射、绕射等现象，而且电波传播速率等于真空中光速c的
3、空间。 自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径（line of sight:LOS）时的接收信号场强.自由空间自由空间(free space )传播方程传播方程3.1.2 3.1.2 直射波直射波 6可见，当收、发天线增益为0dB，即当GR=GT=1时，自由空间传播损耗自由空间传播损耗(Propagation Loss in free space)(Propagation Loss in free space)：以dB计， 得 或 式中，d d的单位为的单位为kmkm，频率单位以，频率单位以MHzMHz计计。 (3-13)3.1.2 3.1.2 直射波直射波 7Tra
4、nsmitterReceiverl电磁波在绕射点四处扩散l绕射波覆盖所有方向l扩散损耗最为严重l计算公式复杂，随不同绕射常数变化3.1.4 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗 83.1.4 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗 图 3 3 障碍物与余隙 (a) 负余隙； (b) 正余隙 x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲涅尔余隙菲涅尔余隙Fresnel clearanceFresnel clearance 。规定阻挡时余隙为负，无阻挡时余隙为正.9菲涅尔区(Fresnel Zone)l在发射器和接收器的直线上多大空间的障碍物要被清除l第一菲涅
5、尔区的半径:The first Fresnel zone radius 3.1.4 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗 10由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图 3 - 4 所示。图图 3 3 4 4 绕射损耗与余隙关系绕射损耗与余隙关系图中，纵坐标为绕图中，纵坐标为绕射引起的附加损耗，射引起的附加损耗，即相对于自由空间即相对于自由空间传播的分贝数。横传播的分贝数。横坐标为坐标为x/x1, xx/x1, x是是菲菲涅尔余隙涅尔余隙，x1x1是是第第一菲涅尔区半径一菲涅尔区半径3.1.4 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗 11 由由图图3 3
6、 - - 4 4 可可见见，当当x x/ /x x1 10.5 0.5 时时，附附加加损损耗耗约约为为0dB0dB， 即即障障碍碍物物对对直直射射波波传传播播基基本本上上没没有有影影响响。为为此此，在在选选择择天天线线高高度度时时，根根据据地地形形尽尽可可能能使使服服务务区区内内各各处处的的菲菲涅涅尔尔余余隙隙x x0.50.5x x1 1; ; 当当x x0 0，即即直直射射线线低低于于障障碍碍物物顶顶点点时时，损损耗耗急急剧剧增增加加；当当x x=0=0时时，即即TRTR直直射射线线从从障障碍碍物顶点擦过时，附加损耗约为物顶点擦过时，附加损耗约为 6 dB6 dB。 3.1.4 3.1.4
7、 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗 12由图由图 3 - 4 3 - 4 查得附加损耗查得附加损耗( (x x/ /x x1 1-1)-1)为为17dB, 17dB, 所以电波传播的损所以电波传播的损耗耗L L为为 例例 3 3 1 1 设设图图 3 3 - - 3(3(a a) )所所示示的的传传播播路路径径中中， 菲菲涅涅尔尔余余隙隙x=-82m, x=-82m, d d1 1=5km, =5km, d d2 2=10km, =10km, 工工作作频频率率为为150MHz150MHz。试试求出电波传播损耗。求出电波传播损耗。 解解 先由式先由式(3 - 13)(3 - 13)求
8、出自由空间传播的损耗求出自由空间传播的损耗L Lfsfs为为 由式由式(3 - 21)(3 - 21)求第一菲涅尔区半径求第一菲涅尔区半径x1x1为为 3.1.4 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗 133.2 3.2 移动信道的特征移动信道的特征 3.2.1 3.2.1 传播路径与信号衰落传播路径与信号衰落(Propagation Path and Signal Fading )(Propagation Path and Signal Fading ) 图 3 6 移动信道的传播路径 14假设反射系数R=-1(镜面反射)， 则合成场强E为 式中，E0是直射波场强，是工作
9、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 3.2.1 3.2.1 传播路径与信号衰落传播路径与信号衰落 15图 3 7 典型信号衰落特性 3.2.1 3.2.1 传播路径与信号衰落传播路径与信号衰落 16实线所示为短期衰落实线所示为短期衰落(Short-time Fade)(Short-time Fade)或叫小尺度衰落、快衰或叫小尺度衰落、快衰落（落（Fast FadeFast Fade）、多径衰落）、多径衰落(multipath fading) (multipath fading) ：是指接收信是指接收信号的号的瞬时值瞬时值。短期衰落是由移动台周围（半径。短期衰落是由
10、移动台周围（半径50-10050-100波长内）的波长内）的散射体（例如建筑物和构筑物）或自然障碍物（例如树林）对电散射体（例如建筑物和构筑物）或自然障碍物（例如树林）对电波的反射在接收天线上造成多径波干涉的结果。场强起伏可达波的反射在接收天线上造成多径波干涉的结果。场强起伏可达20-30dB20-30dB，甚至达到，甚至达到40dB40dB。虚线所示为长期衰落（虚线所示为长期衰落（Long-time FadeLong-time Fade），或叫大尺度衰落、慢），或叫大尺度衰落、慢衰落（衰落（Slow FadeSlow Fade）、阴影衰落）、阴影衰落：是指接收信号的平均值或是指接收信号的平均
11、值或包络包络（envelopeenvelope）。这个平均值又称为本地均值或小段中值，是由传。这个平均值又称为本地均值或小段中值，是由传播路径上的地形和人为环境结构的变化而造成的播路径上的地形和人为环境结构的变化而造成的。3.2.1 3.2.1 传播路径与信号衰落传播路径与信号衰落 173.2.1 3.2.1 传播路径与信号衰落传播路径与信号衰落 18建筑物反射波建筑物反射波建筑物反射波建筑物反射波绕射波绕射波绕射波绕射波直达波直达波直达波直达波地面反射波地面反射波地面反射波地面反射波图 3-8 移动台接收N条路径信号 3.2.2 3.2.2 多径效应与瑞利衰落多径效应与瑞利衰落 19lDop
12、plerDoppler效应的例子：火车经过你的身边（波源效应的例子：火车经过你的身边（波源在移动）在移动）3.2.2 3.2.2 多径效应与瑞利衰落多径效应与瑞利衰落 当接收体与声源相互靠近时，接收频率f大于发射频率f即：f0当接收体与声源相互远离时，接收频率f小于发射频率 即： f0Rayleigh Rayleigh 分布分布：3.2.2 3.2.2 多径效应与瑞利衰落多径效应与瑞利衰落 均值均值：均方值均方值：26 莱斯（莱斯（RiceRice）分布）分布-环境条件环境条件直直射射系系统统中中，接接收收信信号号中中有有视视距距信信号号(LOS)LOS)成成为为主主导导分分量量，同时还有不同
13、角度随机到达的多径分量叠加于其上同时还有不同角度随机到达的多径分量叠加于其上或或者者非非直直射射系系统统中中，源源自自某某一一个个散散射射体体路路径径的的信信号号功功率率特特别强别强PlayPlay3.2.2 3.2.2 多径效应与瑞利衰落多径效应与瑞利衰落 When LOS component present, Rice distribution is used27莱斯分布概率密度函数莱斯分布概率密度函数 I I0 0( () )是是0 0阶第一类修正贝塞尔函数阶第一类修正贝塞尔函数强直射波的存在使接收信号包络从瑞利变为强直射波的存在使接收信号包络从瑞利变为莱斯分布莱斯分布当直射波进一步增强
14、莱斯分布趋进当直射波进一步增强莱斯分布趋进高斯分布高斯分布瑞利分布瑞利分布 莱斯分布莱斯分布 高斯分布高斯分布图图图图 莱斯分布的概率密度函数莱斯分布的概率密度函数莱斯分布的概率密度函数莱斯分布的概率密度函数3.2.2 3.2.2 多径效应与瑞利衰落多径效应与瑞利衰落 28 根据发送信号与信道变化快慢程度发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可分为快衰落信道（fast fading channel）和慢衰落信道（slow fading channel）. 在快衰落信道中，信道冲激响应在一个符号周期内变化很快. 在慢衰落信道中，信道冲激响应在一个符号周期内基本无变化。3.2.3 3.2.3 慢衰
15、落特性和衰落储备慢衰落特性和衰落储备 29vv产生原因产生原因产生原因产生原因 慢衰落由移动通信路径上的固定障碍物的阴影效应引起。 阴影衰落（shadow fade）的速度与地形地貌、用户的移动速度有关，与载波频率无关 阴影衰落的深度（intensity）与载波频率有关，高频信号的绕射能力不如低频强vv移动信道的系统特性表征移动信道的系统特性表征移动信道的系统特性表征移动信道的系统特性表征服从对数正态分布（Lognormal distribution ）移动环境的衰落特性移动环境的衰落特性移动环境的衰落特性移动环境的衰落特性-慢衰落（慢衰落（慢衰落（慢衰落（slow fadeslow fade
16、）3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落储备慢衰落特性和衰落储备 30移动环境的衰落特性移动环境的衰落特性移动环境的衰落特性移动环境的衰落特性-快衰落（快衰落（快衰落（快衰落（fast fadefast fade）vv产生原因产生原因产生原因产生原因多径效应（多径效应（multipath effect）：同一信号沿着两个或多个路径传播）：同一信号沿着两个或多个路径传播多普勒频移（多普勒频移（doppler shift）：移动台与基站之间的相对运动或环境）：移动台与基站之间的相对运动或环境物体相对于基站和移动台在运动物体相对于基站和移动台在运动vv对系统性能的影响对系统性能的影响对系统性能的影
17、响对系统性能的影响 场强信号随机快速起伏场强信号随机快速起伏 信道时变引起的多普勒频移，随机调频信道时变引起的多普勒频移，随机调频 多径引起的延时扩展多径引起的延时扩展v移动信道的系统特性表征移动信道的系统特性表征瑞利（瑞利（Rayleigh）分布）分布莱斯（莱斯（Rice）分布）分布 Nakagamim 分布分布3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落储备慢衰落特性和衰落储备 31路径损耗、快衰落和慢衰落3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落储备慢衰落特性和衰落储备 32 为为了了防防止止因因衰衰落落( (包包括括快快衰衰落落和和慢慢衰衰落落) )引引起起的的通通信信中中断断，在在信信道道
18、设设计计中中， 必必须须使使信信号号的的电电平平留留有有足足够够的的余余量量，以以使使中中断断率率（掉掉话话率率）R R小小于于规规定定指指标标。这这种种电电平平余余量量称称为为衰衰落落储储备备（fading fading marginmargin）。 衰衰落落储储备备的的大大小小决决定定于于地地形形、地地物物、工工作作频频率率和和要要求求的的通通信信可可靠靠性性指指标标。通通信信可可靠靠性性也也称称作作可通率，并用可通率，并用T T表示，它与中断率的关系是表示，它与中断率的关系是T T=1-=1-R R。 3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落储备慢衰落特性和衰落储备 33区域类型接收机最
19、小可用电平(dBm)手机灵敏度(dBm)快衰落保护余量(dB)慢衰落保护余量(dB)穿透损耗余量(dB)干扰噪声保护余量(dB)环境噪声保护余量(dB)人体损耗(dB)密集市区-70-1023320213一般市区-76-1023215213市郊-82-1023210113农村-93-10232133.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落储备慢衰落特性和衰落储备 表：接收机最小可用电平表：接收机最小可用电平接收机最小可用电平接收机最小可用电平=手机灵敏度手机灵敏度+衰落余量衰落余量+干扰余量干扰余量343.2.4 3.2.4 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽 1. 多径时散多径时散 （Mul
20、tipath time dispersion ） 假设基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0(t)，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲， 结果使脉冲宽度被展宽了。这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时散多径时散。 35时间接收信号强度发射信号图 3 14 多径时散示例 3.2.4 3.2.4 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽 36图图 3-15 时变多径信道响应示例时变多径信道响应示例 (a) N=3; (b) N=4; (c) N=5 3.2.4 3.2.4 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽 37图 3 16 多径时延信号包络 接收到的信号为N个不同路径传来的
21、信号之和，即ai是第i条路径的衰减系数,i(t)为第i条路径的相对延时差3.2.4 3.2.4 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽 38表 3 1 多径时散参数典型值 表示多径时散散布的程度。越大，时延扩展越严重；越小，时延扩展越轻。 时延扩展时延扩展( Delay spread )：3.2.4 3.2.4 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽 最大时延最大时延 是以包络电平下降30dB时测定的时延值39多径时散的相关带宽（多径时散的相关带宽（coherence bandwidth） 例例如如，=3s, =3s, B Bc c=1/(2=1/(2)=53kHz)=53kHz。此此时时传传输输
22、信信号的带宽应小于号的带宽应小于B Bc c=53kHz=53kHz。 为为时时延延扩扩展展，B Bc c为为多多径径时时散散的的相相关关带带宽宽。若若所所传传输输的的信信号号带带宽宽较较宽宽，以以至至与与B Bc c可可比比拟拟时时，则则所所传传输输的的信信号号将将产生明显的畸变（产生明显的畸变（distortiondistortion）。）。 3.2.4 3.2.4 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽 40频率选择性衰落频率选择性衰落(frequency selective fading)：在不同频率衰落特性不一样信号带宽超出相关带宽信号带宽超出相关带宽，会导致频率选择性衰落；接收信号就
23、会产生失真，它在时域表现为接收信号的码间干扰（intersymbol interference）3.2.4 3.2.4 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽 41 补充：相干时间（补充：相干时间（coherence time）l多普勒频移计算：l相干时间计算： 3.2.4 3.2.4 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽 42符号周期（符号周期（symbol period）小于相干时间，）小于相干时间，产生慢衰落产生慢衰落符号周期（符号周期（symbol period）超出相干时间）超出相干时间，产生快衰落产生快衰落 3.2.4 3.2.4 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽 43基于多径时
24、延扩散平衰落（flat fading）1.信号带宽相干带宽2.时延扩散相干带宽2.时延扩散符号周期基于多普勒扩散 快衰落 1.多普勒频移大2.相干时间符号周期3.信道变化慢于基带信号的变化衰落信道的分衰落信道的分类3.2.4 3.2.4 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽 44Signal propagationPropagation in free space always like light (straight line)Receiving power proportional to 1/d in vacuum much more in real environments(d = di
25、stance between sender and receiver)Receiving power additionally influenced byqfading (frequency dependent)qShadowingqreflection at large obstaclesqrefraction depending on the density of a mediumqscattering at small obstaclesqdiffraction at edgesreflectionscatteringdiffractionshadowingrefraction45464
26、7Signal can take many different paths between sender and receiver due to reflection, scattering, diffractionTime dispersion：signal is dispersed over time interference with “neighbor” symbols, InterSymbol Interference (ISI)The signal reaches a receiver directly and phase shifted distorted signal depending on the phases of the different partsMultipath propagationsignal at sendersignal at receiverLOS pulsesmultipathpulses
