移動信道傳播特性

1、1華南農(nóng)業(yè)大學華南農(nóng)業(yè)大學胡潔胡潔2影響電磁波傳播的三種基本傳播機制：影響電磁波傳播的三種基本傳播機制：3.1 VHF3.1 VHF、UHFUHF電波傳播特性電波傳播特性 3電波的三種基本傳播機制阻擋體阻擋體 反射反射( )比傳輸波長大得多的物體比傳輸波長大得多的物體 繞射繞射()尖利邊緣尖利邊緣 散射散射()粗糙表面粗糙表面3.1 VHF3.1 VHF、UHFUHF電波傳播特性電波傳播特性 453.1.2 3.1.2 直射波直射波 圖：直射波(Direct transmission)624dGGPPRTTR 直射波傳播可按自由空間傳播來考慮。所謂自由空間，通常指不存在電波的反射、折射、繞射等

2、現(xiàn)象，而且電波傳播速率等于真空中光速c的空間。 自由空間傳播模型用于預測接收機和發(fā)射機之間是完全無阻擋的視距路徑（line of sight:LOS）時的接收信號場強.自由空間自由空間(free space )傳播方程傳播方程3.1.2 3.1.2 直射波直射波 7可見，當收、發(fā)天線增益為0dB，即當GR=GT=1時，自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗(Propagation Loss in free space)(Propagation Loss in free space)：24dPPLRTfs以dB計， 得 24101)(dgdBLfs)(4201)(dBdgdB或 )(201)(2014

3、4.32)(zfsMHgfkmgddBL式中，d d的單位為的單位為kmkm，頻率單位以，頻率單位以MHzMHz計計。 (3-13)3.1.2 3.1.2 直射波直射波 8TransmitterReceiverl電磁波在繞射點四處擴散l繞射波覆蓋所有方向l擴散損耗最為嚴重l計算公式復雜，隨不同繞射常數(shù)變化3.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 93.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 圖 3 3 障礙物與余隙 (a) 負余隙； (b) 正余隙 x表示障礙物頂點P至直射線TR的距離，稱為菲涅爾余隙菲涅爾余隙Fresnel clearan

4、ceFresnel clearance 。規(guī)定阻擋時余隙為負，無阻擋時余隙為正.10菲涅爾區(qū)(Fresnel Zone)l在發(fā)射器和接收器的直線上多大空間的障礙物要被清除l第一菲涅爾區(qū)的半徑:The first Fresnel zone radius DSSDR3.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 11由障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙的關(guān)系如圖 3 - 4 所示。圖圖 3 3 4 4 繞射損耗與余隙關(guān)系繞射損耗與余隙關(guān)系圖中，縱坐標為繞圖中，縱坐標為繞射引起的附加損耗，射引起的附加損耗，即相對于自由空間即相對于自由空間傳播的分貝數(shù)。橫傳播的分貝數(shù)。橫坐標為坐標

5、為x/x1, xx/x1, x是是菲菲涅爾余隙涅爾余隙，x1x1是是第第一菲涅爾區(qū)半徑一菲涅爾區(qū)半徑3.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 12 由圖由圖3 - 4 3 - 4 可見，當可見，當x x/ /x x1 10.5 0.5 時，附加損耗約時，附加損耗約為為0dB0dB， 即障礙物對直射波傳播基本上沒有影響。為即障礙物對直射波傳播基本上沒有影響。為此，在選擇天線高度時，根據(jù)地形盡可能使服務(wù)區(qū)內(nèi)此，在選擇天線高度時，根據(jù)地形盡可能使服務(wù)區(qū)內(nèi)各處的菲涅爾余隙各處的菲涅爾余隙x x0.50.5x x1 1; ; 當當x x0 0，即直射線低于，即直射線低于障礙物

6、頂點時，損耗急劇增加；當障礙物頂點時，損耗急劇增加；當x x=0=0時，即時，即TRTR直射線直射線從障礙物頂點擦過時，附加損耗約為從障礙物頂點擦過時，附加損耗約為 6 dB6 dB。 3.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 13由圖由圖 3 - 4 3 - 4 查得附加損耗查得附加損耗( (x x/ /x x1 1-1)-1)為為17dB, 17dB, 所以電波傳播的損所以電波傳播的損耗耗L L為為 例例 3 3 1 1 設(shè)圖設(shè)圖 3 - 3(3 - 3(a a) )所示的傳播路徑中，所示的傳播路徑中， 菲涅菲涅爾余隙爾余隙x=-82m, x=-82m, d d

7、1 1=5km, =5km, d d2 2=10km, =10km, 工作頻率為工作頻率為150MHz150MHz。試。試求出電波傳播損耗。求出電波傳播損耗。 解解 先由式先由式(3 - 13)(3 - 13)求出自由空間傳播的損耗求出自由空間傳播的損耗L Lfsfs為為 dBggLfs5 .99150201)105(20144.32由式由式(3 - 21)(3 - 21)求第一菲涅爾區(qū)半徑求第一菲涅爾區(qū)半徑x1x1為為 mddddx7 .811015101105234321211dBLLfs5 .116173.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 143.2 3.

8、2 移動信道的特征移動信道的特征 3.2.1 3.2.1 傳播路徑與信號衰落傳播路徑與信號衰落(Propagation Path and Signal Fading )(Propagation Path and Signal Fading ) 圖 3 6 移動信道的傳播路徑 dd1d2hmhb15假設(shè)反射系數(shù)R=-1(鏡面反射)， 則合成場強E為 )1 (2102221djdjeaeaEE式中，E0是直射波場強，是工作波長，1和2分別是地面反射波和散射波相對于直射波的衰減系數(shù)，而 dddddd22113.2.1 3.2.1 傳播路徑與信號衰落傳播路徑與信號衰落 16圖 3 7 典型信號衰落特性

9、 3.2.1 3.2.1 傳播路徑與信號衰落傳播路徑與信號衰落 17實線所示為短期衰落實線所示為短期衰落(Short-time Fade)(Short-time Fade)或叫快衰落（或叫快衰落（Fast Fast FadeFade）：）：是指接收信號的是指接收信號的瞬時值瞬時值。短期衰落是由移動臺周圍（半。短期衰落是由移動臺周圍（半徑徑50-10050-100波長內(nèi)）的散射體（例如建筑物和構(gòu)筑物）或自然障礙波長內(nèi)）的散射體（例如建筑物和構(gòu)筑物）或自然障礙物（例如樹林）對電波的反射在接收天線上造成多徑波干涉的結(jié)物（例如樹林）對電波的反射在接收天線上造成多徑波干涉的結(jié)果。所以，短期衰落有時稱為果

10、。所以，短期衰落有時稱為多徑衰落多徑衰落(multipath fading)(multipath fading)。場。場強起伏可達強起伏可達20-30dB20-30dB，甚至達到，甚至達到40dB40dB。虛線所示為長期衰落（虛線所示為長期衰落（Long-time FadeLong-time Fade）或慢衰落（）或慢衰落（Slow Slow FadeFade）：是指接收信號的平均值或是指接收信號的平均值或包絡(luò)（包絡(luò)（envelopeenvelope）。這個平均。這個平均值又稱為本地均值或小段中值，是由傳播路徑上的地形和人為環(huán)值又稱為本地均值或小段中值，是由傳播路徑上的地形和人為環(huán)境結(jié)構(gòu)的變化

11、而造成的境結(jié)構(gòu)的變化而造成的。3.2.1 3.2.1 傳播路徑與信號衰落傳播路徑與信號衰落 18圖 3-8 移動臺接收N條路徑信號 3.2.2 3.2.2 多徑效應(yīng)與瑞利衰落多徑效應(yīng)與瑞利衰落 19lDopplerDoppler效應(yīng)的例子：火車經(jīng)過你的身邊（波源效應(yīng)的例子：火車經(jīng)過你的身邊（波源在移動）在移動）3.2.2 3.2.2 多徑效應(yīng)與瑞利衰落多徑效應(yīng)與瑞利衰落 當接收體與聲源相互靠近時，接收頻率f大于發(fā)射頻率f即：f0當接收體與聲源相互遠離時，接收頻率f小于發(fā)射頻率 即： f0Rayleigh Rayleigh 分布分布：3.2.2 3.2.2 多徑效應(yīng)與瑞利衰落多徑效應(yīng)與瑞利衰落

12、253. 12)()(0drrprrEm20222)()(drrprrE均值均值：均方值均方值：26萊斯（萊斯（RiceRice）分布）分布-環(huán)境條件環(huán)境條件l直射系統(tǒng)直射系統(tǒng)中，接收信號中有視距信號中，接收信號中有視距信號(LOS)LOS)成為主導分量，成為主導分量，同時還有不同角度隨機到達的多徑分量疊加于其上同時還有不同角度隨機到達的多徑分量疊加于其上l或者或者非直射系統(tǒng)非直射系統(tǒng)中，源自某一個散射體路徑的信號功率特中，源自某一個散射體路徑的信號功率特別強別強3.2.2 3.2.2 多徑效應(yīng)與瑞利衰落多徑效應(yīng)與瑞利衰落 When LOS component present, Rice di

13、stribution is used27l萊斯分布概率密度函數(shù)萊斯分布概率密度函數(shù) I I0 0( () )是是0 0階第一類修正貝塞爾函數(shù)階第一類修正貝塞爾函數(shù)強直射波的存在使接收信號包絡(luò)從瑞利變?yōu)閺娭鄙洳ǖ拇嬖谑菇邮招盘柊j(luò)從瑞利變?yōu)槿R斯分布萊斯分布當直射波進一步增強萊斯分布趨進當直射波進一步增強萊斯分布趨進高斯分布高斯分布22()22022( )(0,0)rArAp reIAr瑞利分布瑞利分布 萊斯分布萊斯分布 高斯分布高斯分布3.2.2 3.2.2 多徑效應(yīng)與瑞利衰落多徑效應(yīng)與瑞利衰落 28 根據(jù)發(fā)送信號與信道變化快慢程度發(fā)送信號與信道變化快慢程度的比較，信道可分為快衰落信道（fast

14、 fading channel）和慢衰落信道（slow fading channel）. 在快衰落信道中，信道沖激響應(yīng)在一個符號周期內(nèi)變化很快. 在慢衰落信道中，信道沖激響應(yīng)在一個符號周期內(nèi)基本無變化。3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲備慢衰落特性和衰落儲備 29 慢衰落由移動通信路徑上的固定障礙物的陰影效應(yīng)引起。 陰影衰落（shadow fade）的速度與地形地貌、用戶的移動速度有關(guān)，與載波頻率無關(guān) 陰影衰落的深度（intensity）與載波頻率有關(guān)，高頻信號的繞射能力不如低頻強服從對數(shù)正態(tài)分布（Lognormal distribution ）051015202530354000.0

15、50.10.150.20.250.30.353.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲備慢衰落特性和衰落儲備 30多徑效應(yīng)（多徑效應(yīng)（multipath effect）：同一信號沿著兩個或多個路徑傳播）：同一信號沿著兩個或多個路徑傳播多普勒頻移（多普勒頻移（doppler shift）：移動臺與基站之間的相對運動或環(huán)境）：移動臺與基站之間的相對運動或環(huán)境物體相對于基站和移動臺在運動物體相對于基站和移動臺在運動 場強信號隨機快速起伏場強信號隨機快速起伏 信道時變引起的多普勒頻移，隨機調(diào)頻信道時變引起的多普勒頻移，隨機調(diào)頻 多徑引起的延時擴展多徑引起的延時擴展v 移動信道的系統(tǒng)特性表征移動信道的系

16、統(tǒng)特性表征瑞利（瑞利（Rayleigh）分布）分布萊斯（萊斯（Rice）分布）分布 Nakagamim 分布分布3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲備慢衰落特性和衰落儲備 31路徑損耗、快衰落和慢衰落3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲備慢衰落特性和衰落儲備 32 為了防止因衰落為了防止因衰落( (包括快衰落和慢衰落包括快衰落和慢衰落) )引起引起的通信中斷，在信道設(shè)計中，的通信中斷，在信道設(shè)計中， 必須使信號的電平必須使信號的電平留有足夠的余量，以使中斷率（掉話率）留有足夠的余量，以使中斷率（掉話率）R R小于規(guī)小于規(guī)定指標。這種電平余量稱為定指標。這種電平余量稱為衰落儲備（衰落

17、儲備（fading fading marginmargin）。 衰落儲備的大小決定于地形、地物、工作頻衰落儲備的大小決定于地形、地物、工作頻率和要求的通信可靠性指標。通信可靠性也稱作率和要求的通信可靠性指標。通信可靠性也稱作可通率，并用可通率，并用T T表示，它與中斷率的關(guān)系是表示，它與中斷率的關(guān)系是T T=1-=1-R R。 3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲備慢衰落特性和衰落儲備 33區(qū)域類型接收機最小可用電平(dBm)手機靈敏度(dBm)快衰落保護余量(dB)慢衰落保護余量(dB)穿透損耗余量(dB)干擾噪聲保護余量(dB)環(huán)境噪聲保護余量(dB)人體損耗(dB)密集市區(qū)-70-

18、1023320213一般市區(qū)-76-1023215213市郊-82-1023210113農(nóng)村-93-10232133.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲備慢衰落特性和衰落儲備 表：接收機最小可用電平表：接收機最小可用電平接收機最小可用電平接收機最小可用電平=手機靈敏度手機靈敏度+衰落余量衰落余量+干擾余量干擾余量343.2.4 3.2.4 多徑時散與相關(guān)帶寬多徑時散與相關(guān)帶寬 1. 多徑時散多徑時散 （Multipath time dispersion ） 假設(shè)基站發(fā)射一個極短的脈沖信號Si(t)=a0(t)，經(jīng)過多徑信道后，移動臺接收信號呈現(xiàn)為一串脈沖， 結(jié)果使脈沖寬度被展寬了。這種因多

19、徑傳播造成信號時間擴散的現(xiàn)象，稱為多徑時散多徑時散。 35時間接收信號強度發(fā)射信號圖 3 14 多徑時散示例 3.2.4 3.2.4 多徑時散與相關(guān)帶寬多徑時散與相關(guān)帶寬 36圖圖 3-15 時變多徑信道響應(yīng)示例時變多徑信道響應(yīng)示例 (a) N=3; (b) N=4; (c) N=5 t = t0t1t1+11t1+12t=t0+t2t2+22 t2+23t2+21t3t3+34t=t0+（a）（b）（c）3.2.4 3.2.4 多徑時散與相關(guān)帶寬多徑時散與相關(guān)帶寬 37圖 3 16 多徑時延信號包絡(luò) 接收到的信號為N個不同路徑傳來的信號之和，即NiiiittSatS10)()(ai是第i條路

20、徑的衰減系數(shù),i(t)為第i條路徑的相對延時差3.2.4 3.2.4 多徑時散與相關(guān)帶寬多徑時散與相關(guān)帶寬 38表 3 1 多徑時散參數(shù)典型值 表示多徑時散散布的程度。越大，時延擴展越嚴重；越小，時延擴展越輕。 時延擴展時延擴展( Delay spread )：3.2.4 3.2.4 多徑時散與相關(guān)帶寬多徑時散與相關(guān)帶寬 020)( )(dtttEdtttE其中最大時延最大時延 是以包絡(luò)電平下降30dB時測定的時延值max39多徑時散的相關(guān)帶寬（多徑時散的相關(guān)帶寬（coherence bandwidth）21cB 例如，例如，=3s, =3s, B Bc c=1/(2=1/(2)=53kHz)

21、=53kHz。此時傳輸信。此時傳輸信號的帶寬應(yīng)小于號的帶寬應(yīng)小于B Bc c=53kHz=53kHz。 為時延擴展，為時延擴展，B Bc c為多徑時散的相關(guān)帶寬。若所傳輸?shù)臑槎鄰綍r散的相關(guān)帶寬。若所傳輸?shù)男盘枎捿^寬，以至與信號帶寬較寬，以至與B Bc c可比擬時，則所傳輸?shù)男盘枌⒖杀葦M時，則所傳輸?shù)男盘枌a(chǎn)生明顯的畸變（產(chǎn)生明顯的畸變（distortiondistortion）。）。 3.2.4 3.2.4 多徑時散與相關(guān)帶寬多徑時散與相關(guān)帶寬 40頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落(frequency selective fading)：在不同頻率衰落特性不一樣信號帶寬超出相關(guān)帶寬信號帶寬超出相

22、關(guān)帶寬，會導致頻率選擇性衰落；接收信號就會產(chǎn)生失真，它在時域表現(xiàn)為接收信號的碼間干擾（intersymbol interference）3.2.4 3.2.4 多徑時散與相關(guān)帶寬多徑時散與相關(guān)帶寬 41 補充：相干時間（補充：相干時間（coherence time）l多普勒頻移計算：l相干時間計算： /vfmmcmcmcfTfTfT423. 0169,1或，或3.2.4 3.2.4 多徑時散與相關(guān)帶寬多徑時散與相關(guān)帶寬 42符號周期（符號周期（symbol period）小于相干時間，）小于相干時間，產(chǎn)生慢衰落產(chǎn)生慢衰落符號周期（符號周期（symbol period）超出相干時間）超出相干時間

23、，產(chǎn)生快衰落產(chǎn)生快衰落 3.2.4 3.2.4 多徑時散與相關(guān)帶寬多徑時散與相關(guān)帶寬 43基于多徑時延擴散平衰落（flat fading）信號帶寬相干帶寬1.時延擴散相干帶寬1.時延擴散符號周期基于多普勒擴散 快衰落 多普勒頻移大相干時間符號周期1.信道變化慢于基帶信號的變化衰落信道的分類衰落信道的分類3.2.4 3.2.4 多徑時散與相關(guān)帶寬多徑時散與相關(guān)帶寬 44Signal propagationPropagation in free space always like light (straight line)Receiving power proportional to 1/d in