移动通信电波传播与传播预测模型.ppt

1/48,第2章 移动通信电波 传播特性,2/19,第1章问题：,1、什么是移动通信？ 2、移动通信的发展经过哪几代？使用的业务分别是什么？ 3、移动通信的工作方式有哪几种？分别适用于现实中哪种情况？ 4、第二代移动通信所使用的工作频段是什么？第三代的工作频段呢？,3/19,本章提示,无线移动信道是一种很不良好的信道。衰落特性是移动信道的基本特征。 载有信息的无线电波在无线移动信道中的幅度损耗，不但会随传播距离的增加，电波的损耗以传播距离的四次方增大；同时会产生阴影效应和多径传播，使电波的包络产生大幅度起伏且随机变化，这就是电波的衰落。,4/19,本章提示,衰落既有慢衰落，同时产生快衰落；多径时延扩展，使信道对信号产生频率选择性衰落，使信号发生波形畸变而引起符号间干扰（ISI）。 多普勒效应在移动通信中普遍存在。多普勒效应使信道对信号产生随机调频和频谱扩展，对信号产生时间选择性衰落，使数字信号误码性能变坏。,5/19,要掌握的概念,多径衰落 阴影衰落 多普勒效应 时延扩展,6/19,第2章 移动通信电波传播,2.1 概述 2.2 自由空间的电波传播 2.3 移动通信的四大效应 2.4 衰落特性的特征量 2.5 多径衰落的时域特征和频域特征,7/19,2.1.1 电波传播的基本特性,基站天线、移 动用户天线和 两付天线之间 的传播路径,直射、反射、绕射和散射以及它们的合成,复杂的无线电波传播环境,传播损耗和弥散 阴影衰落 多径衰落 多普勒频移,8/19,衰落的表现：,1、传播损耗和弥散的产生 2、阴影衰落的形成 3、什么是多径衰落 4、多普勒效应是如何产生的？,9/19,图2-1 典型的移动信道电波传播路径,反射,直射,散射,阻挡体比传输波长大的多的物体 产生多径衰落的主要因素,产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体 树叶、街道标志和灯柱等,10/19,无线信道的分类,无线信道的分类 大尺度衰落 一、根据不同距离内信号强度变化的快慢分为 小尺度衰落 长期慢衰落 二、根据信号与信道变化快慢程度的比较分为 短期快衰落,大尺度衰落与小尺度衰落,11/19,衰落特性的算式描述,衰落特性的算式描述 式中，r(t)表示信道的衰落因子；m(t)表示大尺度衰落； r0(t)表示小尺度衰落。,12/19,2.2 自由空间电波传播方式,自由空间电波传播是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。 电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。,13/19,2.2 自由空间电波传播方式,虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。,14/19,自由空间的电波传播损耗,接收功率 式中，Pt为发射功率，以球面波辐射 , ,为工作波长，Gt，Gr分别表示发射天线和接收天线增益，d为发射天线和接收天线间的距离。 自由空间的传播损耗 当Gt=Gr=1时，,15/19,分贝式 f为移动台的工作频率（MHz） D为收发天线间的距离（km） 接收功率的分贝换算,16/19,2.2 自由空间的电波传播,在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗,分贝表示,f为工作频率（MHz） d为收发天线间距离(km),17/19,2.3 移动通信的四大效应,多普勒效应,远近效应,多径效应,阴影效应,18/19,1、阴影效应阳光不能普照,移动通信中建筑物等的阻挡所引起的阴影效应 。,19/19,2、远近效应CMDA特有的效应,CDMA中离基站距离较近的小区中心，用户接收到的基站信号就比较强。反之，较弱。,20/19,3、多径效应路太多也非好事,通过不同的路径到达接收端的信号，无论是在信号的幅度，还是在到达接收端的时间以及载波相位上都不尽相同。,21/19,（1）多径效应的产生,在电波的传播路径上电波产生了反射、绕射和散射。 电波传到移动台的天线时，信号是许多路径的叠加。 不同相位的多个信号在接收端叠加，有的同相叠加加强，有的反相叠加减弱，接收信号的幅度急剧变化。,严重影响信号传输质量,22/19,（2） 多径衰落的基本特性,1、幅度衰落 幅度随移动台移动距离的变动而衰落 空间角度 模拟系统主要考虑 原因 本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落 地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰落,23/19,（2） 多径衰落的基本特性（续）,2、时延扩展 脉冲宽度扩展 时间角度 数字系统主要考虑 原因 信号传播路径不同，到达接收端的时间也就不同，导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号,24/19,4、多普勒效应你跑的太快了，我跟不上,移动台的运动速度太快了，所引起的频率扩散的效应就是多普勒频移。,25/19,（1） 多普勒频移,当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移（Doppler Shift），可用下式表示,26/19,（1） 多普勒频移（续）,式中，是入射电波与移动台运动方向的夹角（见图2-9），v是运动速度，是波长。 式（2-20）中， 与入射角度无关，是fD的最大值，称为最大多普勒频移。,27/19,（1） 多普勒频移（续）,图2-9 入射角,28/19,说明 多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关： 若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升） 若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降） 信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。,（1） 多普勒频移（续）,29/19,2.4 衰落特性的特征量,衰落深度,衰落速率,30/19,2.4 衰落信号的特征量,1衰落率 衰落率是指信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数。 2、平均衰落率可用下式表示 式中，速度v的单位为km/h，频率f的单位为MHz，平均衰落率A的单位为Hz。,31/19,衰落速率和衰落深度,衰落率 与发射频率，移动台行进速度和方向以及多径传播的路径数有关 衰落深度 信号有效值与该次衰落的信号最小值的差值。 观察实测的衰落信号可以发现，衰落速率与衰落深度有关。深度衰落发生的次数较少，而浅度衰落发生得相当频繁。,32/19,2.5 多径衰落的时域特征和频域特征,2.5.1 时延扩展(时间色散) 2.5.2 相关带宽 2.5.3 随机调频,33/19,2.5.1 时延扩展,图2-12 时延扩展示意图,34/19,2.5.1 时延扩展,时延扩展的大小可以直观地理解为在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，记为。如果发送的窄脉冲宽度为T，则接收信号宽度为T+。 由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元中，引起码间串扰 （Inter Symbol Interference，ISI）。,35/19,2.5.1 时延扩展,当码元速率较小，可以避免码间串扰。当码元速率较高时，应该采用相关的技术来消除或减少码间串扰的影响。 严格意义上，时延扩展可以用实测信号的统计平均的方法来定义。,36/19,2.5.1 时延扩展,理论上定义的时延扩展是对多径信道及多径接收信号时域特征的统计描述，表示时延扩展的程度。 值越小，时延扩展就越轻微；反之，值越大，时延扩展就越严重。 各个地区的时延扩展值只能由实测得到。 表2-2给出时延扩展的一些典型实测数据。,37/19,2.5.1 时延扩展,结论：人口、建筑物密集的地方，对应的时延扩展也更大,38/19,2.5.2 相关带宽,根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：频率选择性衰落与非频率选择性衰落，后者又称为平坦衰落。 频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率有关，即传输信道对信号中不同频率分量有不同的随机响应。,39/19,2.5.2 相关带宽,非频率选择性衰落是指信号中各分量的衰落状况与频率无关，即信号经过传输后，各频率分量所遭受的衰落具有一致性，即相关性，因而衰落信号的波形不失真。 对于移动信道来说，存在一个相关带宽，当信号的带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落；当信号带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落。,40/19,2.5.3 随机调频,如果接收信号为N条路径来的电波，其入射角不尽相同。当N较大时，多普勒频移就成为占有一定宽度的多普勒频展。 设发射频率为fc，对于到达移动台有单个路程，若入射角为，则多普勒频移为fD = fmcos，这里fm = ，为最大多普勒频移。,41/19,2.5.3 随机调频,假设移动台天线为全向天线，且入射角 服从02的均匀分布，即多径电波均匀地来自各个方向，则角度 到 + d 之间到达电波功率为 ，这里Pav是所有到达电波的平均功率。,42/19,2.5.3 随机调频,来自角度 和 的电波引起相同的多普勒频移，使信号的频率为 f = fc + fmcos （2-59） 多普勒频移fD为入射角 的函数，当入射角从 变化到 + d 时，信号的频率从f变化到f + df。因此，在频率域从f到f + df之间的射频功率为,43/19,2.5.3 随机调频,44/19,2.5.3 随机调频