第3章移动信道中的电波传播2007

第三章移动信道中的电波传播与分集接收 引言3 1VHF UHF电波传播特性3 2移动信道衰落特性3 3陆地移动信道场强中值估算3 5分集接收习题 架空明线有线信道 电缆 光纤恒参信道 中 长波地表面波传播无线信道 短波电离层反射传播 移动通信使用的VHF UHF变参信道直射 反射及散射传播 引言 1 信道分类 1 移动通信使用的VHF 30 300MHZ UHF 300 3000MHZ 频段电波传播特性 2 陆地移动信道场强估算 3 分集接收技术 2 本章研究内容 3 1VHF UHF电波传播特性 3 1 1VHF UHF电波传播方式3 1 2直射波及传播损耗3 1 3地面直射波视线传播极限距离3 1 4障碍物对直射波的影响与绕射损耗 3 1 1VHF UHF电波传播方式移动通信常用频段为 150MHz VHF 450MHz 900MHz 1 8GHZ 2 4GHz等 UHF 该频段频率高 地表波传输损耗大 天波穿透电离层而去 主要传播方式为直线传播 与光线传播方式一样 包括直射 反射及散射 接收信号为多径传播信号矢量相加 发生干涉 接收信号幅度 包络 在空间分布上的起伏 衰落 移动台运动中收到的信号幅度 包络 在时间上起伏 衰落 称为多径衰落 对移动通信信号接收产生极不利的影响 下面详细研究以上问题 直射波 反射波及多径衰落 反射 反射体尺寸比波长大很多散射 漫反射 反射体尺寸与波长相近或较小 3 1 2直射波及传播损耗直射波按自由空间传播考虑 只有能量扩散 没有其它损耗 接收天线有效面积 全向天线 GR 功率密度 GR GT GT GT为TX的天线增益 GR为RX的天线增益 接收天线有效面积 以上结论也适用于方向性天线 切下一块扇形的烧饼 只是天线增益GT GR更大些 先只考虑理想全向天线 GT GR 1 得自由空间传播损耗 讨论 1 d Lfs 能量扩散 2 f Lfs 接收天线有效面积减小 电磁波在自由空间传播 即传播空间无限大且无吸收电波能量的介质 无障碍物 电波不产生反射 折射 散射 吸收 屏蔽等能量损耗 电波的衰减仅仅由能量扩散所引起 实际电磁波在大气中传播会发生折射弯曲 可实现超视线传播相当地球半径R增大为等效半径Re 8500km R 6400km 3 1 3地面直射波视线传播极限距离无论如何提高PT GT及GR地面直射波受地球曲率的遮挡 传播距离也是有限的 如图3 2所示 式中 R为地球半径 ht hr为TX及RX天线高度 m 容易求出直射波传播极限距离 式中 单位为 d km ht hr m 3 1 4障碍物对直射波的影响与绕射损耗 通常用其相对值表示 x x1x1 d1d2 d1 d2 1 2为菲涅尔半径 图中 x为菲涅尔余隙 讨论选择基站天线高度时 根据地形尽可能使服务区内各处的余隙X X1 0 5则绕射损耗可不计 3 2 1多径传输与快衰落3 2 2阴影效应与慢衰落3 2 3衰落储备3 2 4多径时散与相关带宽 3 2移动信道衰落特性 3 2 1多径传播与快衰落1 多径传播与快衰落 接收信号S Si i 1 2 为多径信号的矢量和 不同位置合成信号幅度不同 发生干涉现象 产生快衰落 接收点某一路径信号为Si t 是So t 在该路径上传播 发生以下各种损耗和相移 频移所得到 1 传播距离di 传播损耗Li及延时 ti di c 2 反 散射损耗及相移 反射系数Ri 设 发射信号为 式中 Ri 1 3 径向速度产生的多普勒频移 图中v正方向MS背离BS 接收频率降低 式中 信号幅度 相移 则 不同位置的接收信号S 典型移动信道 衰落深度达30dB左右 衰落速率约30 40次 秒 2 快衰落统计特征 式中 r为接收信号幅度 包络 为接收信号相位起伏 相位 容易证明 1 随机变量x y为统计独立的正态分布 且x y A均方值为 2 信号包络r为瑞利分布 相位 为均匀分布 MS移动时地形 地物大幅度慢变化会引起接收信号电平中值存在周期为秒级的慢衰落 如图所示 3 2 2阴影效应与慢衰落 当MS移动到山岳或高楼屏蔽电波所造成的阴影区时 接收信号减小 反之增大 最典型的情况是下图所示地形 地物的阴影效应 慢衰落的统计特性为对数正态分布 令X 20log r的中值 dB 则X 信号幅度中值的分贝数 为正态分布 中值 信号电平大于或小于它的概率各为50 为防止衰落引起通信中断 必须提高PT或GTGR 使接收信号电平PR留有足够余量 称为衰落储备量 实则大量数据经统计分析得出的曲线如图所示 3 2 3衰落储备 1 多径时散 1 多径时散含义 2 多径时散的定量描述接收端多径时散信号包络放大后如下图所示 称为多径时延散布谱 多径传播时延不同 时延散布 简称时散 造成接收数字信号波形展宽 形成码间窜扰 增大误码率 3 2 4多径时散与相关带宽 按E t 加权求延时t的平均值等 或者将E t 看成时延t的 概率密度函数 求其均值 定义 时延标准偏差 平均多径时延 时延扩展 时延均值 多径时散参数典型值 市区建筑物密集 反射体多 多径传输严重 从而多经时散严重 及 大 如无抗多径传输措施 则数字信号传输速率 fs Ts 受限 Ts 2 或fs 1 2 多径时散在频域上导致频率选择性衰落 信道对不同频率成分有不同响应 若信号带宽过大 就会引起严重失真 2 相关带宽 信道频率特性为 由此作出信道幅频特性如下 幅频特性不平坦 在一些频率有衰落 频率选择性衰落 或 相邻两个频率衰落点的频差满足 得多径时散的相关带宽 若所传输的信号带宽较宽 大于BC时 信号将产生明显畸变 为防止这个问题应选取 例 若 3 S 则BC 1 2 53KHz 则所传输信号的带宽应小于53KHz 估算方法3 3 2地形 地物分类3 3 3中等起伏地形传播损耗中值3 3 4不规则地形上传播损耗中值3 3 5任意地形地物的传播损耗中值传播损耗中值估算举例 3 3陆地移动信道场强中值估算 3 3陆地移动信道的场强估算 3 3 1接收机输入电压 功率与场强的关系 1 接收机输入电压的定义 图3 19接收机输入电压的定义 1 计算自由空间传播损耗 2 由实际地形 地物及天线高度对电波传播的影响 用在大量实验数椐上统计得出的经验曲线和公式进行修正 经验曲线和公式有多种 本书使用应用较广泛的OM模型 奥村模型 陆地移动信道场强中值估算方法 1 地形分类及天线高度 1 中等起伏地 准平坦地形 3 3 2地形 地物分类 地面起伏不大 高度差 20米 且起伏缓慢 峰点与谷点之间水平距离大于起伏高度 2 不规则地形丘陵 孤立山岳 斜坡及水陆混合等地形 3 天线高度 2 地物 或地区 分类 开阔地 广场 农田 荒野等 郊区 有少量低层房屋或小树林 市区 有较密集的建筑物和高楼移动台天线高度较低 地物对其收发信号有屏蔽作用 三类地物的传播损耗依次增加 式中 自由空间传播损耗 中等起伏地 市区传播损耗基本中值 hb 200m hm 3m 基站天线高度增益因子 hb任意 移动台天线高度增益因子 hm任意 3 3 3中等起伏地形传播损耗中值 1 中等起伏地形 市区传播损耗中值 基准损耗中值 其它各种地形 地物上的传播损耗都以此为基准 进行修正而得到 2 郊区和开阔地损耗中值 1 郊区 L LT Kmr Kmr郊区修正因子 2 开阔地 L LT Q0 或Qr Q0开阔地修正因子 Qr准开阔地修正因子郊区及开阔地传播损耗比市区小 为市区传播损耗中值 基准损耗中值 减去修正因子 修正因子 0 其它地形 地物同样采用基准损耗中值修正的方法计算 3 3 4不规则地形上传播损耗中值L LT Ki1 丘陵地修正因子Kh 2 孤立山岳修正因子Kjs 3 斜坡地形修正因子Ksp 4 水陆混合路径修正因子Ks 3 3 5任意地形地物的传播损耗中值1 传播损耗中值 式中 LT为中等起伏地形 市区传播损耗中值 基准损耗中值 KT为实际地形地物修正因子 为各种单独地形 地物修正因子Ki的代数和 2 接收信号功率中值PR PT Gb Gm LA式中 PR 接收信号功率中值 dBW或dBmW PT 发射信号功率中值 dBW Gb Gm BS及MS天线增益因子 dB LA 传播损耗中值 dB 3 接收机灵敏度与最小输入信号功率接收机灵敏度指无外界噪声和干扰 在规定的标准测试条件下 接收机解调输出得到规定的话音质量时 接收机天线输入端所需的最小信号电压 而接收机输入阻抗为50 或75 则可求出接收机灵敏度的输入电压对应的接收机最小输入信号功率PR 例1 设射频信号功率P 10W 试将其换算为dBW和dBm W 解 可见 1W 0dBW 30dBmNdBW N 30 dBm 传播损耗中值估算举例 例2 某一移动信道 f 450MHz hb 50m Gb 6dB hm 3m Gm 0dB d 10km 郊区 正斜坡 m 15mred 且BS发射功率PT 10W 试求 1 传播路径损耗中值LA 2 MS接收信号功率中值PR解 求 查图3 24 b 得 查图3 24 a 得 查图3 23得 而 得LT 105 5 27 12 0 144 5dB KT Kmr 郊区修正因子 Ksp 正斜陂修正因子 查图3 26得 Kmr 12 5dB查图3 30得 Ksp 3dB得KT 12 5dB 3dB 15 5dB 得LA LT KT 144 5 15 5 129dB 2 求PR PT Gb Gm LA而PT 10W 10 lg 10W 1W 10dBW 10 30 40dBm得PR 40dBm 6dB 0dB 129dB 83dBm若已知接收灵敏度对应的输入信号功率 即可求得接收信号的质量 式中 自由空间传播损耗 中等起伏地 市区传播损耗基本中值 hb 200m hm 3m 基站天线高度增益因子 hb任意 移动台天线高度增益因子 hm任意 中等起伏地 市区传播损耗中值 基准损耗中值 80706050 虚线 实线 说明 若H不等于200m 则修正因子KJS还需乘上系数a H的单位m H 200m时 a 1 说明 斜坡地形长5 10km角度单位 1mred 0 057度f 450 900MHz 3 5分集接收引言3 5 1分集接收原理及方式 衰落是影响移动通信质量的主要因素 克服衰落影响的方法 1 衰落储备衰落储备是通信系统没加入任何抗衰落技术措施时 为保证通信的可靠性 可通率T 信号电平PR应增大的幅度 一般为10 20dB 即10 100倍 若衰落储备全由提高PT提供 按传播损耗中值求出PT 10W 加上衰落储备后PT 100 1000W 太大 这不是个好办法 所以实际通信系统一般都加入下述的抗衰落技术措施 2 分集接收 3 自适应均衡等 引言 3 5 1分集接收原理及方式1 分集接收原理 a b C a b a b统计独立 同时发生深度衰落的概率很小 接收端分别接收多个衰落特性统计独立 携带同一信息的信号 再合并为一路信号 可减小衰落的影响 2 分集方式在移动通信系统中可能用到两类分集方式 一类称为 宏分集 另一类称为 微分集 宏分集 主要用于蜂窝通信系统中 也称为 多基站 分集 这是一种减小慢衰落影响的分集技术 其作法是把多个基站设置在不同的地理位置上 如蜂窝小区的对角上 和在不同方向上 同时和小区内的一个移动台进行通信 可以选用其中信号最好的一个基站进行通信 2 分集方式 1 空间分集 市区 d 0 5 郊区 d 0 8 2 极化分集 优点 天线可装在同一地点 3 角度分集 4 其它 检测后合并 1 合并位置 检测 解调 前合并 3 合并方式 选择合并 特点 a 简单b 有一路信号能量未利用 性能较差 2 合并方式 最大比值合并 特点 a 按信噪比加权各路信号后再合并 合并后信噪比大 衰落小 b 控制复杂 将输入信号 包络为ri 以某种方式加权 ai 再相加合并 图中采用 ai ri Ni ri为信号包络 Ni为噪声 ai为信噪比 则 等增益合并 特点 a 性能与 接近b 电路简单采用较多 3 5 2分集合并性能的分析与比较 1 选择式合并的性能 分集重数M增大 可通率T随之增大 图3 41选择式合并输出载噪比累积概率分布曲线 其中 M 1表示无分集 M 2为二重分集 M 3为三重分集 等等 由图可知 当超过纵坐标的概率为99 时 用二重分集 M 2 和三重分集 M 3 的信噪比与无分集 M 1 的情况相比 分别有10dB和14dB的增益 但是 当分集重数M 3时 随着M的增加 所得信噪比增益的增大越来越缓慢 因此