移動通信1415秋移動2-T

第2章移動通信信道

第1

頁陸地?zé)o線電波的傳播特性移動信道的多徑傳播的基本特性移動信道的電波衰落移動環(huán)境的電波傳播損耗的預(yù)測本章要點：大尺度傳播特性大尺度傳播模型:描述的是發(fā)射機與接收機之間(T-R)長距離(幾千米、數(shù)百波長量級)上的場強變化。小尺度傳播特性小尺度傳播模型:描述短距離(數(shù)十波長以下量級)內(nèi)的接收場強的傳播模型。統(tǒng)計特性主要參數(shù)本章主要討論以下問題：第3

頁移動環(huán)境的電波分析

——移動通信的信道為典型的變參信道，對移動體的接收信號分析，應(yīng)考慮電波傳播的一般性和特殊性。

——按點對點的無線電波傳播

分析接收點的信號情況(路徑)，以及考慮移動環(huán)境對電波的影響兩方面結(jié)合進行分析。第4

頁2.1陸地?zé)o線電波傳播特性當(dāng)前陸地移動通信主要使用的頻段為VHF和UHF，即150MHz，450MHz、900MHz和1800MHzVHF和UHF電波傳播方式：直射波、反射波、繞射波和散射波等，2.1.1電波傳播方式第5

頁2.1.2直射波傳播方式

采用模型：自由空間傳播模型（真空的電波傳播模型）自由空間模型的定義： 天線周圍是均勻無損耗的無限大空間 大氣層是各向同性的均勻媒質(zhì) 電導(dǎo)率為0，相對介電常數(shù)和相對磁導(dǎo)率為1自由空間特性：不存在電波的反射、折射、繞射、色散和吸收等現(xiàn)象，電波的傳播速率等于真空中光速C第6

頁1自由空間情況接收點的信號功率PR

設(shè)發(fā)射點為點源天線，輻射功率為PT，見圖示A點 功率密度：SA＝PT/4πd2

設(shè)發(fā)射點天線增益為GT，則在最大輻射方向上的功率密度： S’A＝PTGT/4πd2設(shè)發(fā)射點和接收點天線增益分別為GT和GR，ARE接收天線有效面積第7

頁2自由空間的傳播損耗

設(shè)GT＝GR＝1得：定義：

LS

——自由空間傳播損耗以dB計，得到：3自由空間的電波傳播方程[PR]=[PT]+[GT]-[LS]+[GR]以dBm計（電平表示）：第8

頁2.1.3大氣中的電波傳播

1大氣折射大氣層中大氣折射率隨高度是變化的，使電波射束會發(fā)生彎曲，彎曲的方向和程度取決于大氣折射率的垂直梯度dn/dh.大氣折射對電波傳播的影響，在工程上通常用“地球等效半徑”來表征，也就是認(rèn)為電波依然按直線方向行進，只是地球的實際半徑變成了等效半徑。標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下，等效地球半徑系數(shù)k=4/3。地球?qū)嶋H半徑是6370km,地球等效半徑為8500km。大氣折射的結(jié)果：電波的視距傳播會超過極限視距。第9

頁2

視距傳播的極限距離已知地球半徑為R

=

6370km，設(shè)發(fā)射天線和接收天線高度分別為hT和hR（單位為m），理論上可得視距傳播的極限距離d0為:在標(biāo)準(zhǔn)大氣折射情況下，等效地球半徑R

=

8500km，可得修正后的視距傳播的極限距離d0為第10

頁電波在傳輸過程中，遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時，會發(fā)生反射現(xiàn)象。直射波和反射波會形成干涉。2.1.4反射波

反射波與直射波的行距差為：

式中：d＝d1＋d2第11

頁當(dāng)T－R

距離d

>>(ht+hr)時，上式可采用泰勒級數(shù)進行近似簡化：由Dd引起的附加相移為：接收點合成場強為：設(shè)接收點：直射波場強E0， 反射系數(shù)Re-jp;R≤1；反射波場強:E0Re-jDj 令:V=ET/E0

=1+Re-jDj衰落因子第12

頁結(jié)論：

(1)選擇hT和hR

高度時使?d≠n,

即Δ≠(2n＋1)π

(2)選擇弱反射區(qū)，反射系數(shù)|R|<1

V=ET/E0

第13

頁2.1.5繞射損耗在傳播途中，電波可以繞射傳播到阻擋物的后面。繞射可用惠更斯-菲涅爾原理解釋一個振動源在波前上的所有點可作為產(chǎn)生二次波的點源，由二次波組合起來形成傳播方向上新的波前。當(dāng)電波到達(dá)阻擋物的邊緣時，由二次波的傳播進入陰影區(qū)。定義波前由一系列菲涅爾區(qū)構(gòu)成：菲涅爾區(qū)中相鄰的同心圓之間的路徑差為λ/2，則兩條路徑的相位差為。相鄰費區(qū)面積近似相等。從連續(xù)費涅爾區(qū)傳播出去的二次波對總的接收信號交替產(chǎn)生增加和減小合成信號的作用。繞射損耗的計算——根據(jù)菲涅爾繞射理論，障礙物附加損耗[L’]dB和相對余隙的關(guān)系曲線,可通過曲線計算繞射損耗。X——余隙X1——第一費涅爾區(qū)半徑X/X1——相對余隙第14

頁接收點的信號功率：[PR]=[PT]+[GT]-[LS]-[L’]+[GR]——電波在途經(jīng)障礙物時引起的附加損耗。定義：x表示障礙物頂點P至直射線TR的距離，稱為菲涅爾余隙。規(guī)定阻擋時余隙為負(fù)，無阻擋時余隙為正。

負(fù)余隙正余隙例：求如圖情況的繞射損耗。解：由x＝0，查圖[L’]=6dB

總損耗:[LT]≈[Ls]+[L’][Ls]=32.4+20lg[d(km)]+20lg[f(MHz)]dB如圖當(dāng)x＜0時，TR直射線低于障礙物頂點，損耗急劇增加。當(dāng)相對余隙x/x1>0.5,則障礙物對直射波的傳播基本上沒有影響。[L’]≈0,

可按直射和反射波干涉分析第15

頁第16

頁2.2移動信道的多徑傳播特性2.2.1傳播路徑與信號衰落移動通信中，移動臺周圍環(huán)境復(fù)雜，傳輸信道的特性隨時隨地變化，移動信道是典型的變參信道。在VHF、UHF移動信道中，移動臺接收到的是直射波、地面反射波和經(jīng)各種障礙物反射波（散射波）的合成信號。信號電平的變動范圍可達(dá)30~40dB。見圖示。信號瞬時值局部信號中值第17

頁1多徑傳播和快衰落多經(jīng)效應(yīng)——多條反射波通過各個路徑到達(dá)接收點，距離不同，因而到達(dá)時間和相位也就不同。各信號在接收端疊加，信號的幅度將急劇變化，即產(chǎn)生了衰落。多徑快衰落——由于多徑現(xiàn)象引起的接收信號的幅度產(chǎn)生快速和大幅度的變化，稱為多經(jīng)快衰落。多徑效應(yīng)的主要原因——是由移動臺周圍的近端區(qū)域內(nèi)的物體造成的反射。2.2.2多徑效應(yīng)與瑞利衰落第18

頁2多普勒頻移當(dāng)移動臺在運動中通信時，接收信號頻率會發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)。由此引起的附加頻移稱為多普勒頻移（DopplerShift）。即：

fm最大多普勒頻移。朝向入射波方向移動－>多普勒頻移為正值；被向入射波方向移動－>多普勒頻移為負(fù)值。

例：900MHz，v=50km可得：是=0.33m;fm=41.7Hz處于運動之中的移動臺的接收信號可以表示為——頻率的彌散第19

頁3 多徑接收信號的統(tǒng)計特性假設(shè)條件：（1）在發(fā)信機與收信機之間沒有直射波通路；（2）有大量反射波存在，且到達(dá)接收天線的方向角是隨機的，相位也是隨機的，且在0～2內(nèi)均勻分布；（3）各個反射波的幅度和相位都是統(tǒng)計獨立的。在離基站較遠(yuǎn)、反射物較多的地區(qū)，接收信號可以表示為：結(jié)論：接收到的信號振幅包絡(luò)r服從瑞利分布，也稱為瑞利衰落。接收信號的相位q

服從0～2的均勻分布.第20

頁接收信號的相位q

服從0～2的均勻分布

即概率密度：接收信號包絡(luò)

r

服從瑞利分布，即概率密度：結(jié)論：——由于多經(jīng)效應(yīng)，在輸入N個多徑信號是相互獨立且沒有一個信號占支配地位情況，接收到的信號振幅包絡(luò)服從瑞利分布，也稱為瑞利衰落。（σ為方差）——移動通信的信道也稱為瑞利信道。第21

頁4 瑞利分布的幾個統(tǒng)計特性均值：中值r中：均方值（平均功率）：第22

頁

同理，歸一化信號包絡(luò)r/σ低于某一指定值k的概率為：第23

頁5 有較強直射波情況的多經(jīng)分析結(jié)果理論上可以推出，當(dāng)?shù)竭_(dá)接收點的多路徑信號中存在一條信號較強的直射波分量或主要的靜態(tài)(非衰落)信號分量時，接收信號包絡(luò)服從萊斯分布?！街校瑀

是衰落信號的包絡(luò)；A0為直射波信號的幅度；s

為r的方差，I0為零階修正貝塞爾函數(shù)；令參數(shù)b0=A0/s概率密度：當(dāng)主要分量減弱后，萊斯分布退化為瑞利分布！當(dāng)主要分量很強時，萊斯分布將趨進高斯分布當(dāng)小區(qū)半徑在1km以內(nèi)或室內(nèi)無線電波傳播時，常服從于萊斯分布。第24

頁b0=A0/s6Nakagami-m分布由Nakagami在20世紀(jì)60年代提出基于現(xiàn)場測試的實驗方法；用曲線擬合得到近似分布的經(jīng)驗公式

對無線信道的描述有很好的適應(yīng)性，參數(shù)m取不同值時對應(yīng)不同分布，更具廣泛性：

當(dāng)m＝1時，退化為瑞利分布。

當(dāng)m較大時，接近于高斯分布。第26

頁陰影效應(yīng)—— 當(dāng)電波在傳播路徑上遇到起伏地形、建筑物 等障礙物的阻擋時，會產(chǎn)生電磁場的陰影。陰影衰落—— 移動臺在運動中通過不同障礙物的陰影時， 接收信號場強中值會發(fā)生緩慢變化，即稱為 陰影衰落。也稱為慢衰落，或稱位置衰落， 地形衰落。 慢衰落速率——主要決定于移動臺周圍地形，基站天線的 位置與高度，移動臺行進速度等，而與工作 頻率無關(guān)。 慢衰落的深度——即接收信號局部中值電平變化的幅度取 決于信號頻率與障礙物狀況。1陰影效應(yīng)和慢衰落

2.2.3慢衰落特性和衰落儲備第27

頁慢衰落服從的分布——對實測數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析表明，接收信號的局部中值r

在市區(qū)或郊區(qū)近似服從對數(shù)正態(tài)分布，即以dB表示的信號電平服從正態(tài)分布，其概率密度函數(shù)為：式中:r

為信號中值(dB)，

m為信號中值

r

的期望值（dB)——s為標(biāo)準(zhǔn)偏差，取決于測試區(qū)的地形地物、工作頻率等因素。2慢衰落的統(tǒng)計特性衰落儲備通信中斷率R——為防止因衰落引起通信的中斷，在信道設(shè)計中，必須使信號電平留有足夠的余量，以使通信中斷率R小于規(guī)定的指標(biāo)，該余量稱為衰落儲備。通信概率（可靠性，也稱可通率）T——指MS在覆蓋區(qū)內(nèi)進行滿意通話時的成功概率，T=1-R

。例：設(shè)接收機在小區(qū)邊緣時的通信概率為50%，則表示僅能在小區(qū)邊緣上的一半?yún)^(qū)域或時間能正常通信，此時衰落儲備為零；若設(shè)計使接收機在小區(qū)邊緣的通信概率提高至90%，則衰落儲備：在市區(qū)，f=450MHz時，查表得11.5dB。提高接收信號可靠性的方法提高發(fā)射機的輸出功率提高接收機的靈敏度第28

頁2.2.4時延擴展與相關(guān)帶寬第29

頁1 時延擴展移動信道由于多徑效應(yīng)，信號在時域上、頻域上和空間（角度）上都會產(chǎn)生交疊，使信號產(chǎn)生衰落失真?！鄰叫?yīng)在時域上引起信號的時延擴展，使得接收信號的時域波形展寬——會引起碼間干擾a0d(t)時延擴展的大小——可以直觀地理解為在一串接收脈沖中，最大傳輸時延和最小傳輸時延差t，時延擴展記為△。實測發(fā)射窄脈沖時接收機接收到的信號波形圖t是隨機量，由不同時延信號分量的平均功率構(gòu)成時延功率譜P(t)——歸一化時延譜曲線

tm

：平均時延，P(τ)的一階矩D：時延擴展，P(τ)的二階中心矩，均方根值Tm：最大時延：當(dāng)信號強度下30dB時測定的時延值。第30

頁不同時延t的信號相對功率密度圖各個地區(qū)的時延擴展值由實測得到，典型值見下表第31

頁2相關(guān)帶寬第32

頁頻率選擇性衰落——是指信號中各分量的衰落狀況與頻率有關(guān)，即傳輸信道對信號中不同頻率分量有不同的隨機響應(yīng)。平坦衰落——是指信號中各分量的衰落狀況與頻率無關(guān)，即信號經(jīng)過傳輸后，各頻率分量所遭受的衰落具有一致性，即相關(guān)性，因而衰落信號的波形不失真。移動信道由于多徑現(xiàn)象將導(dǎo)致信號頻率衰落，當(dāng)信號的帶寬小于相關(guān)帶寬時，發(fā)生平坦衰落；當(dāng)信號帶寬大于相關(guān)帶寬時，發(fā)生頻率選擇性衰落。由推導(dǎo)可得相關(guān)帶寬：Bc≈1/(2pD)定義：指一特定頻率范圍內(nèi)，兩個頻率分量有很強的幅度相關(guān)性

即在此范圍內(nèi)的所有頻率分量幾乎具有相同的增益及線性相位。頻率選擇性衰落與非頻率選擇性衰落（平坦衰落）第33

頁相關(guān)帶寬：Bc≈1/(2pD)例市區(qū)D=3usBc=1/(2pD)=53kHz衰落信號中的兩個頻率分量，當(dāng)其頻率間隔小于相關(guān)帶寬時，它們是相關(guān)的，其衰落具有一致性；當(dāng)頻率間隔大于相關(guān)帶寬時，它們就不相關(guān)了，其衰落具有不一致性。平坦衰落選擇性衰落第34

頁時延擴展的影響，由信道和信號兩方面決定信號帶寬小于信道相關(guān)帶寬

Bs<Bc平坦衰落信號帶寬遠(yuǎn)大于信道相關(guān)帶寬

Bs>>Bc頻率選擇性衰落數(shù)字通信系統(tǒng)碼間干擾第35

頁綜合以上分析，移動信道的電波傳播，考慮到傳播路徑的衰減、陰影衰落和多經(jīng)衰落等的影響，接收信號功率可表示為：

P(d)=|d|-a×S(d)×R(d)式中:第一項：|d|-a——信號功率與距離d的負(fù)a次方成正比；表示了傳播距離對接收信號的影響。a一般為2～6。第二項：S(d)——陰影衰落，表示了由于傳播環(huán)境中的地形起伏、建筑物等因素對接收信號的影響。第三項：R(d)——多徑衰落，表示了由于移動傳播環(huán)境的多徑效應(yīng)對接收信號的影響。多徑衰落是移動信道特性中最具有特色的部分。

2.3移動信道的電波衰落

——由分析表明：在不同的環(huán)境情況，路徑傳播損耗可表示為L≈kda，a為路徑損耗指數(shù)，例如：在自由空間情況，Ls＝(4pd/l)2

=kd2，a＝

2；

在較寬闊的宏區(qū)情況，a≈3～4；

而在室內(nèi)或微小區(qū)結(jié)構(gòu)等一般情況，

a的范圍為2～6；

路徑傳播損耗L可通過預(yù)測或?qū)崪y的方法得到：第36

頁路徑傳播損耗L陸地移動傳播特性圖示：

長區(qū)間中心值隨與基站的距離變化而變化，其衰減特性一般服從d

?a規(guī)律。第37

頁陸地移動傳播特性圖示：

在數(shù)十波長的范圍內(nèi)，接收信號場強的瞬時值呈現(xiàn)快速變化的特征，這就是多徑衰落引起的，又稱為快衰落。第38

頁陸地移動傳播特性圖示：

在數(shù)百波長的區(qū)間內(nèi)，信號的短區(qū)間中心值也出現(xiàn)緩慢變動的特征，這就是陰影衰落。第39

頁2.4電波傳播損耗預(yù)測模型第40

頁設(shè)計無線通信系統(tǒng)時，首要問題是在給定條件下如何算出接收信號的場強或者接收信號的中值。工程中的求解模型的方法:

1、大量的場強測試

2、通過數(shù)據(jù)處理，找出各種地形地物下的傳播損耗與距離、頻率及天線高度的關(guān)系，給出傳播特性的各種圖表和計算公式，建立電波傳播預(yù)測模型。模型建立的方法

1、它是先以自由空間傳播為基礎(chǔ)

2、再分別考慮各種地形、地物對電波傳播的影響

3、并逐一予以必要的修正預(yù)測目標(biāo)：中值損耗=自由空間損耗+地形損耗+修正2.4.1地形環(huán)境分類1．地形的定義地形——即中等起伏地形和不規(guī)則地形，以中等起伏地形作傳播基準(zhǔn)。（1）地形波動高度△h△h——沿通信方向，距接收點10km范圍內(nèi)的地形波動，在平均意義上描述了電波傳播路徑中地形變化的程度。第41

頁定義：基站天線有效高度hb——沿電波傳播方向，距基站天線3～15km范圍內(nèi)平均地面高度以上的天線高度。移動臺天線有效高度hm——移動臺天線距地面的實際高度。（2）天線有效高度第42

頁2．地形分類實際地形雖然千差萬別，但從電波傳播的角度考慮，可分為兩大類，即準(zhǔn)平坦地形和不規(guī)則地形。（1）準(zhǔn)平坦地形 指該地區(qū)的地形波動高度在20m以內(nèi)，而且起伏緩慢。（2）不規(guī)則地形 指除準(zhǔn)平坦地形之外的其它地形，如丘陵地形、孤立山峰、傾斜地形、水陸混合地形等。第43

頁3．傳播環(huán)境分類（1）開闊地區(qū)——電波傳播方向上沒有建筑物或高大樹木等障礙物的開闊地帶。如平原地區(qū)的農(nóng)村。（2） 郊區(qū)——有一至二層的樓房，但分布不密集。如城市外圍以及公路網(wǎng)。（3） 中小城市地區(qū)——建筑物較多，有商業(yè)中心。但高層建筑較少，街道也較寬。（4） 大城市地區(qū)——建筑物密集，街道較窄，高層建筑較多。第44

頁2.4.2奧村模型（Okumura）Okumura模型適用條件：1．f為100～1500MHz；2．基站天線有效高度hb為30～200米；3．移動臺天線高度hm為1～10米；4．通信距離d為1～20km。Okumura模型特點：

以準(zhǔn)平坦（中等起伏）地形的大城市市區(qū)（基站有效天線高度hb為200米，移動天線高度hm為3米）的路徑損耗中值（或場強中值）為基礎(chǔ),因而被稱為基準(zhǔn)中值預(yù)測。其它天線高度、地形、環(huán)境，則需加校正因子。第45

頁

計算式： [LT

]=[Ls]+[Am(f,d)]?[Hb(hb,d)]?[Hm(hm,

f)]第46

頁1．準(zhǔn)平坦地形大城市地區(qū)的中值路徑損耗（基準(zhǔn)中值預(yù)測）[LT]——基準(zhǔn)中值損耗[Ls]

——自由空間路徑損耗

[Am]——為中等起伏地形市區(qū)，基站天線高度為200m,移動臺天線高度為3m時相對于自由空間的中值損耗，又稱基本中值損耗；

[Hb(hb,d)]、[Hm(hm,f)]為天線高度增益因子。 例：Am(450,20)≈30.5dB [LT

]=[Ls]+[Am(f,d)]?[Hb(hb,d)]?[Hm(hm,

f)]

第47

頁[Hb(hb，d)]

為基站天線高度增益因子（dB），即實際基站天線高度相對于以標(biāo)準(zhǔn)天線高度hb=200m的增益，為距離的函數(shù)。例：[Hb(70,20)]=-10dB返表2 [LT

]=[LS]+[Am(f,d)]?[Hb(hb,d)]?[Hm(hm,

f)]

第48

頁[Hm(hm，f)]

為移動臺天線高度增益因子（dB），即實際移動臺天線高度相對于以標(biāo)準(zhǔn)天線高度hm=3m的增益，為頻率的函數(shù)。[Hm(1.5,

450)]=-3dB返表3（1）市區(qū)街道走向的修正因子第49

頁

[Kal

]

——縱向修正因子，縱向路線(與電波傳播方向相平行)[Kac]——橫向修正因子，橫向路線(與電波傳播方向相垂直)[LA

]=[LT

]-

[Kal

]（

[Kac]）2 準(zhǔn)平坦地形其他情況的幾個修正因子（2）郊區(qū)和開闊地的修正因子第50

頁[Kmr]——郊區(qū)修正因子；[Q

]——開闊地修正因子 [LA

]=[LT

]-

[Kmr

]-[Q

]3

不規(guī)則地形上的修正因子第51

頁以基準(zhǔn)中值損耗作為基礎(chǔ)，針對不同傳播環(huán)境和不規(guī)則地形中的各種因素，用修正因子加以修正(查圖表），就可得到不規(guī)則地形及不同環(huán)境中的中值路徑損耗。[Kh

]——丘陵地形修正因子；[Ksp]——斜坡地形修正因子；[Ks]——水陸混合路徑修正因子；[Kjs]——孤立山岳修正因子；修正因子表示式：

[KT]=[kmr]+[Q0(r)]+[kh]+[ksp]+[ks]+[kjs

]

（查圖表）總的傳播損耗中值：[LA]=[LT]－[KT]

＝

[Ls]+[Am(f,d)

]?[Hb(hb,d)

]?[Hm(hm,

f)]－[KT]4

接收信號中值預(yù)測根據(jù)已得出的中值路徑損耗，可求出移動臺接收到的信號功率中值為:

[Pr]=[Pt]+[Gb]+[Gm]

－[LT]+[KT]式中：[Pr]——接收端信號中值（dBw）；

[Pt]——發(fā)射機輸出功率（dBw）；

[LT]——基準(zhǔn)中值損耗（dB）；

[Gb]、[Gm]——分別為基站和移動臺天線增益（dB）；

地形地物修正因子[KT]

一般可寫成：

[KT

]=Kmr+Qo+Qr+Kh+Khf+Kjs+Ksp+KS

第52

頁5

舉例某移動通信系統(tǒng)，工作頻率為450MHz，基站天線高度為70m，Gb=6dB,移動臺高度1.5m，Gm=1dB；在市區(qū)工作，傳播路徑為準(zhǔn)平坦地形，通信距離為20km，求（1）傳播路徑的中值路徑損耗.（2）若基站發(fā)射機送至天線的功率10W，求移動臺接收機輸入功率中值。解（1）由已知為準(zhǔn)平坦地形的城市；自由空間傳播損耗為:

[Ls]=32.45+20lgd+20lgf=32.45+20lg20+20lg450=111.5dB查表1: Am(f,d)=Am(