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文檔簡介
1、第三章移動信道的傳播特性一、信道的分類按信道特性參數(shù)隨外界各種因素影響變化的快慢分恒參信道:在足夠長的時間內,其參數(shù)基本不變變參信道:傳輸特性隨時間的變化極快,又叫time-variant channel。二、無線電波傳播特性電波的傳播方式發(fā)射天線接收天線圖頻率大于30MHz的電波的傳播通路直射波:從發(fā)射天線直接到達接收天線的電波地面反射波:經過地面發(fā)射達到接收機的電波地表面波:沿地球表面?zhèn)鞑サ碾姴ㄖ鄙洳ㄗ杂煽臻g傳播:指天線周圍為無限大的真空時的電波傳播,是理想的傳播條件。在此狀態(tài)下,無反射、折射、繞射、散射和吸收,但是衰減依然存在。在采用全向天線時,假設接收天線和發(fā)射天線之間的距離為d,發(fā)射
2、天線的發(fā)射功率為PT瓦,接收處的電場強度有效值為E0,則有磁場強度有效值H0為單位面積上的電波功率密度S為)/(300mVdPET)/(120300mAdPHT)/(422mWdPST在采用天線增益為GT的方向性天線時)/(300mVdGPETT)/(120300mAdGPHTT)/(422mWdGPSTT假設接收天線的接收功率為PR,接收天線的有效面積AR,則有當收、發(fā)天線增益為0dB時,即GR=GT=1時,接收功率為RRSAP RRGA4224dGGPPRTTR24dPPTR自由空間的傳播損耗Lfs為d的單位為km,頻率單位是MHz。此時,接收電平為式中,Lft、Lfr分別為發(fā)送端、接收端
3、天線饋線系統(tǒng)損耗;Lbt、Lbr分別為發(fā)送端、接收端分路系統(tǒng)損耗,PT、PR的單位是dBm,其余的是dB。fdLfslg20lg2044.32fsbrbtfrftRTTRLLLLLGGPP例題:發(fā)送站和接收站的距離為50km,發(fā)信功率PT=5W,工作頻率f=1.8GHz,天線增益為G T = G R = 3 9 d B , 饋 線 和 分 路 系 統(tǒng) 損 耗LT=LR=3dB,求自由空間傳播條件下的收信電平及功率?大氣中的電波傳播.大氣折射折射定律:電波傳播速度v與大氣折射率n成反比,式中c為光速當一束電波通過折射率隨高度變化的大氣層時,由于不同高度上的電波傳播速度不同,從而使電波射束發(fā)生彎曲
4、。由大氣折射率引起電波傳播方向發(fā)生彎曲的現(xiàn)象,稱為大氣對電波的折射。ncv 等效地球半徑:為了使得電波軌跡與地面之間的高度差保持不變,仍然將電波射線看成是直線,以等效地球半徑Re代替實際地球半徑R0。兩者關系如下:dn/dh為折射率梯度。hneddRRRk0011圖3-不同大氣折射的電波傳播軌跡2.視線傳播極限距離htReoAd1Cd2Bhr圖視線傳播極限距離tehRd21rehRd22)(221rtehhRddd天線頂點A到切點C的距離d1為切點C到天線頂點B的距離d2為因此,視線傳播的極限距離d為式中,ht、hr的單位是m,d的單位是km,Re為地球等效半徑。障礙物的影響與繞射損耗繞射損耗
5、:由于電波的直射路徑上存在各種障礙物而引起的附加傳播損耗。菲涅爾余隙:障礙物頂點至發(fā)送天線和接收天線直線間的距離。未受阻擋視通時為正,阻擋時為負。假設x1是第一菲涅爾區(qū)在某一點橫截面的半徑,則有21211ddddx圖(a)負余隙 (b)正余隙d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b)圖繞射損耗與余隙的關系當x/x10.7時,附加損耗為0 dB,障礙物對直射波傳播基本上沒有影響。反射波形成的原因:電波傳播過程中遇到兩種不同介質的光滑界面時,如果界面尺寸比電波波長大得多時,就會產生鏡面反射。圖-平坦地形對電波的反射在接收點產生的合成場強為:式中,E0為自由空間傳播時的場強有效值;
6、r為反射波與直射波的行程差。為反射系數(shù),值與地面條件有關。衰落因子: r)/(cosEE221200E/EV 三、移動信道的特性移動信道的主要特點傳播的開放性接收點地理環(huán)境的復雜性和多樣性(城市中心繁華區(qū)、近郊小城鎮(zhèn)區(qū)、農村及遠郊區(qū))通信用戶的隨機移動性(慢速步行、高速車載)移動通信系統(tǒng)中信號的損耗.路徑傳播損耗見電波在自由空間的傳播部分.慢衰落損耗是由于在電波傳播路徑上受到建筑物及山丘等的阻擋所產生的陰影效應而產生的損耗。由于慢衰落表示接收信號的長期變化,因此又叫做長期衰落(long term fading)。慢衰落損耗近似服從對數(shù)正態(tài)分布。.快衰落損耗主要是由于多徑傳播而產生的衰落。移動通
7、信中,沿著不同的路徑,經過了不同的距離的信號到達接收端后疊加形成了不同相位的到達信號,合成的信號幅度快速的起伏變化,其變化率比慢衰落快。由于快衰落表示信號的短期變化,所以又稱短期衰落(short term fading)。iyxSi(t)基站天線圖移動臺接收N條路徑信號空間選擇性衰落頻率選擇性衰落時間選擇性衰落空間選擇性衰落角度展寬:多徑信號到達天線陣列的到達角度的展寬。角度展寬給出信號的主要能量的范圍,產生空間選擇性衰落??臻g選擇性衰落用相干距離R描述:式中,為波長, 為天線擴散角。相關距離:兩根天線上的信道響應應保持強相關時的最大空間距離。相關距離越短,角度擴展越大;相關距離越長,角度擴展
8、越小。接收天線距離小于相關距離,信號的相關性很好,信道呈平坦性衰落;大于相關距離,信號的相關性變差,信道呈空間選擇性衰落;R頻率選擇性衰落一個信號中包含的不同頻率分量在信道的傳輸過程中表現(xiàn)出的衰落特性不一樣,從而引起頻率選擇性衰落。時間選擇性衰落用戶的快速移動在頻域上產生多普勒效應而引起頻率擴散,從而引起時間選擇性衰落 。瑞利衰落和萊斯衰落由于信號進行多徑傳播達到接收點處的場強來自不同傳播的路徑,各條路徑延時時間是不同的,而各個方向分量波的疊加形成了不同相位的到達信號,從而形成信號快衰落稱為瑞利衰落。瑞利衰落是萊斯衰落的特殊形式,如果多徑中存在一條直射主徑,則接收到的信號包絡服從萊斯分布,這樣
9、的衰落就是萊斯衰落。慢衰落特性和衰落儲備慢衰落:信號起伏時間長的衰落,是近似服從對數(shù)正態(tài)分布的。為了防止因衰落引起的通信中斷,在信道設計中,必須使信號的電平留有足夠的余量,以使中斷率小于規(guī)定指標。這種電平余量稱為衰落儲備。多徑時散與相關帶寬多徑時散:因為多徑傳播造成信號時間擴散的現(xiàn)象,即因為不同路徑的時延差。景象:一個極短的脈沖信號經過多徑傳輸后,在接收端會產生一串脈沖,從而使脈沖寬度被展寬了。多徑性質隨時間變化而變化的,它所帶來的脈沖數(shù)目、脈沖大小和脈沖延時差的變化是隨機的。t = t0t1t1+11t1+12t=t0+t2t2+22 t2+23t2+21t3t3+34t=t0+(a)(b)
10、(c)圖時變多徑信道響應示例(a) N=3; (b) N=4; (c) N=5相關帶寬兩個相鄰場強為最小值的頻率間隔Bc與相對多徑時延差(t)成反比, Bc=1/(t) 。對于角調制信號來說,假設多徑傳播時的最大時延差為(t)s,則相鄰兩個零點間的頻率間隔為式中,為時延擴展。21cB當一個傳輸信號的頻譜寬于Bc時,傳輸信號的頻譜將受到畸變,致使某些分量被衰落頻率選擇性衰落。因此,為了減小頻率選擇性衰落,傳輸信號的頻帶必須小于多徑傳輸信道的相關帶寬。工程設計中,通常選擇信號帶寬為相關帶寬的1/51/3。 四、陸地移動信道的場強估算地形、地物分類.地形的分類與定義中等起伏地形:指的是在傳輸路徑的地
11、形剖面圖上,地面起伏高度不超過20m,且起伏緩慢,峰點與谷點之間的水平距離大于起伏高度。不規(guī)則地形:除中等起伏地形之外的其他地形,如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陸混合地形等地形的統(tǒng)稱。htshbhga圖基站天線有效高度基站天線的有效高度hb=hts-hga式中,hts為基站天線頂點的海拔高度; hga為從天線設置地點開始,沿著電波傳播方向的3 km到15 km之內的地面平均海拔高度??疾旎咎炀€有效高度的原因:考慮到無線覆蓋的均勻性,避免一個地區(qū)所設的基站間的高度差過大(大于10米)時,網絡的性能變差。因為當覆蓋控制難度較大時,容易造成很強的站間干擾。.地物(或地區(qū))分類按地物的密集程度不同分為:
12、開闊地:在電波傳播的路徑上無高大樹木、建筑物等障礙物,呈開闊狀地面。郊區(qū):在靠近移動臺近處有些障礙物但不稠密。市區(qū):有較密集的建筑物和高層樓房。中等起伏地形上傳播損耗的中值基準中值(或基本中值):在計算傳播損耗時,作為基準的中等起伏地上市區(qū)的損耗中值或場強中值。.市區(qū)傳播損耗的中值影響傳播損耗的因素有:傳播距離d、工作頻率f、基站天線高度hb和移動臺天線高度hm。圖中等起伏地上市區(qū)基本損耗中值郊區(qū)和開闊地損耗的中值郊區(qū)的電波傳播條件優(yōu)于市區(qū),因此郊區(qū)場強中值大于市區(qū)場強中值,郊區(qū)的傳播損耗中值比市區(qū)傳播損耗中值要小。修正因子:場強中值與基準中值之差。圖開闊地、準開闊地修正因子任意地形地區(qū)的傳播
13、損耗的中值準繩:根據(jù)地形的具體情況應用不同的參數(shù),如增益因子、郊區(qū)修正因子、丘陵地的修正因子、孤立山岳修正因子、斜坡地形修正因子、水陸混合路徑修正因子等。中等起伏地市區(qū)中接收信號的功率中值Pp式中,P0為自由空間傳播條件下的接收信號的功率;Am(f, d)是中等起伏地市區(qū)的基本損耗中值;Hb(hb, d)是基站天線高度增益因子;Hm(hm, f)是移動臺天線高度增益因子。),(),(),(0fhHdhHdfAPPmmbbmp其中,PT為發(fā)射機的發(fā)射功率;為工作波長;d收發(fā)天線間的距離;Gb基站天線增益;Gm移動臺天線增益。mbTGGdPP20)4(任意地形地區(qū)接收信號的功率中值PPCPPC是在中等起伏地市區(qū)接收信號的功率中值PP的基礎上加上地形地物修正因子KT。式中,Kmr為郊區(qū)修正因子;Qo、Qr開闊地或準開闊地修
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