移动信道的传播特性

1,张燕zy29209,第三章移动信道的传播特性,2,补充：dB、dBm、dBW,dB是一个纯计数单位,例甲功率比乙功率大一倍，那么10lg(甲功率/乙功率)=10lg2=3dB。也就是说，甲的功率比乙的功率大3dB。,常用于两个量的比值，表示两个量的相对大小关系。,3,dBm是一个表示功率绝对值的值，是以1mW功率为基准的一个比值，计算公式,例发射功率为1mW，换算成dBm就是,例100W功率，换算成dBm就是,4,dBW也是一个表示功率绝对值的值，是以1W功率为基准的一个比值，计算公式,例发射功率为1W，换算成dBW就是,换算成dBm就是,5,例如，输入功率为50mW，相对1mW而言，输入功率为,如果紧接着在链路上损耗了10dB，则链路输出的绝对功率为17-10=7dBm。如果相对1W而言，则输入功率为,链路损耗10dB，则链路输出的绝对功率为-13-10=-23dBW。,6,移动无线信道概述,移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境不同的环境，其传播特性不尽相同。复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征这是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的采用理论分析，场强实测统计和计算机模拟三种方法描述移动无线信道,7,主要内容,3.1无线电波传播特性3.2移动信道的特征3.3陆地移动信道的传输损耗思考题与习题,8,3.1无线电波传播特性,3.1.1电波传播方式,9,10,1)直射波电波传播过程中没有遇到任何的障碍物,直接到达接收端的电波,称为直射波。直射波更多出现于理想的电波传播环境中。2)反射波电波在传播过程中遇到比自身的波长大得多的物体时,会在物体表面发生反射,形成反射波。反射常发生于地表、建筑物的墙壁表面等。,11,3)绕射波电波在传播过程中被尖利的边缘阻挡时,会由阻挡表面产生二次波,二次波散布于空间,那些到达阻挡体背面的电波就称为绕射波。由于地球表面的弯曲性和地表物体的密集性,绕射波在电波传播过程中起到了重要作用。4)散射波电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时,会在其表面发生散射,形成散射波。散射波可能散布于许多方向,因而电波的能量也被分散于多个方向。,12,直射波,直射波可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间传播，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，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强。,13,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，这是由辐射能量的扩散而引起的。假设发送方全向天线的辐射功率为PT瓦，距离d米的接收天线获取的功率为PR瓦，自由空间传播损耗(衰落)Lfs为,14,由电磁场理论推导，自由空间传播损耗(衰落)Lfs可定义为,式中，d为传播距离，单位为km，f为工作频率，单位为MHz。,以dB为单位，GT=1，GR=1时，Lfs为,15,从上式可看出传播距离d越远，自由空间路径损耗Lfs越大，当传播距离d加大一倍时，自由空间路径损耗Lfs就增加6dB。电波频率f越高，自由空间路径损耗Lfs就越大，当电波频率f提高一倍时，自由空间传播损耗Lfs就增加6dB。在无线电传播中，自由空间传播是最简单的形式。当讨论其他传播方式时，常用自由空间传播作为参考。,16,反射波,由发射点发出的电波分别经过直射线与地面反射路径到达接收点，由于两者的路径不同，从而会产生附加相移。,17,绕射,在实际陆地无线通信中，发射与接收之间的传播路径上，往往有山丘、建筑物、树木等障碍物存在。此时，电波根据绕射原理越过障碍物的，由此而引起的损耗称为绕射损耗。绕射损耗与障碍物顶点至直射线的距离x,障碍物与发射点的距离d1，与接收点的距离d2，以及电波的波长都有关系。,18,图3-3障碍物与余隙(a)负余隙；(b)正余隙,19,图34绕射损耗与余隙关系,20,散射,实际移动无线环境中，接收信号和单独绕射和反射模型预测的不同。这是因为当电波遇到粗糙表面或体积小但数目多的障碍物时，反射能量由于散射而散布于所有方向。例如树木。实际移动信道中，散射体很多，因此接收信号是由多个电波合成的。,21,建筑物的穿透传播,发射机在建筑物外部时,电磁波可能会在穿透建筑物后继续传播,称为穿透传播。穿透传播会造成穿透损耗。穿透损耗可定义为建筑物室外场强与室内场强之比(用dB表示)。影响穿透损耗的几点要素有建筑物结构(砖石、钢筋混凝土、土等)和建筑物厚度、电波频率、楼层高度、进入室内的深度等。,22,简单来说钢筋混凝土结构的穿透损耗大于砖石或土结构的穿透损耗；电波频率越高，穿透能力越强越有利于在建筑物内部传播；同一建筑物，高楼层比低楼层信号损耗小，地下室信号损耗较大;近窗口处的损耗一般小于远离窗口的地方;建筑物内的损耗随电波穿透深度(即进入室内的深度)而增大。,23,900M信号的穿透损耗参数表,隔墙阻挡：520dB楼层阻挡：20dB，室内损耗值是楼层高度的函数，-1.9dB/层家具和其它障碍物的阻挡：215dB厚玻璃：610dB火车车厢的穿透损耗为：1530dB电梯的穿透损耗：30dB左右茂密树叶损耗：10dB,24,移动通信电波传播路径损耗和多径衰落,25,3.2移动信道的特征,空间中电波的传播由于阻挡、距离等多种因素使得其必然存在传播损耗，移动台接收信号的强度随移动台的运动产生随机变化，即衰落。这种变化的周期从几分之一秒至几小时不等。因此移动通信电波传播中的衰落又常分为慢衰落和快衰落两种。其中，接收信号强度曲线的中值呈现慢速变化，称为慢衰落；曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。,26,图3-7典型信号衰落特性,27,3.2.1快衰落,快衰落(也称短期衰落或多径衰落)指的是接收信号强度随机变化较快，具有几秒钟或几分钟的短衰落周期。有两种效应都会导致这种信号幅度快速波动。第一种称为多径衰落它是由于沿不同路径到达的信号相加而产生的。第二种称为多普勒效应，它是由于移动终端朝着或背向基站发送器运动而产生的。,28,1、多径衰落,无线电波在传输过程中会受到地形、地物的影响而产生反射、绕射、散射等,从而使电波沿着各种不同的路径传播,这称为多径传播。多径传播使得接收端接收到的信号是在幅度、相位、频率和到达时间上都不尽相同的多条路径上信号的合成信号,不同相位的多个信号在接收端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落，称为多径衰落，或称多径效应。,29,图3-8移动台接收N条路径信号,30,当发射机和接收机之间没有视距传播路径时，多径效应使接收信号包络变化接近瑞利分布，这种多径衰落称为瑞利衰落。在典型移动信道中，衰落深度达30dB左右，衰落速率(每秒钟信号包络经过中值电平的来回次数)约3040次/秒。当两者之间有一条视距传播路径，而且信号很强时，接收信号的包络服从莱斯分布。多径效应会产生信号的时延扩展和频率选择性衰落现象。,31,(a)多径时散,多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽，这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时散。,图3-14多径时散示例,32,所谓时延扩展是指由于电波传播存在多条不同的路径，路径长度不同，且传输路径随移动台的运动而不断变化，因而可能导致发射端一个较窄的脉冲信号，在到达接收端时变成了由许多不同时延脉冲构成的一组信号。时延扩展可直观地理解为在一串接受脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，即最后一个可分辨的延时信号与第一个延时信号到达时间的差值，记为。实际上，就是脉冲展宽的时间。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。,33,图3-16多径时延信号强度,34,多径时散的影响,在数字传输中，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周期中，引起码间串扰(ISI)。为了避免码间串扰，应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展。或者等效地说码元速率Rb小于时延扩展的倒数。即,35,时延大小主要取决于地形和地物(如高大建筑)的影响。一般情况下，市区的时延要比郊区大。也就是说，从多径时散考虑，市区传播条件更恶劣。,表3-1多径时散参数典型值,36,(b)频率选择性衰落,根据衰落与频率的关系，可将衰落分为两种：非频率选择性衰落(又称为平坦衰落)与频率选择性衰落。所谓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。,37,所谓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成分有不同的随机的响应。由于信号中不同频率分量衰落不一致，因此衰落信号波形将产生失真。从频域观点而言，多径时散现象将导致频率选择性衰落，即信道对不同频率成分有不同的响应。若信号带宽过大，就会引起严重的失真。,38,对于移动信道来说，存在一个相关带宽Bc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。实际上，由于移动信道的复杂性，很难准确地分析相关带宽的大小。实际中，常用最大时延max的倒数来规定相关带宽，即,39,2、多普勒效应,多普勒效应指出，波在波源移向观察者时频率变高,而在波源远离观察者时频率变低。在移动通信中，当移动台移向基站时，接收频率变高，远离基站时，频率变低。频率的变化值即多普勒频移fd为,40,多普勒效应会引起接收功率谱的展宽，称为多普勒频展。用FD表示多普勒频展的宽度，将其倒数定义为相关时间：,多普勒频展和时间选择性衰落,相关时间表征的是时变信道对信号的衰落节拍，这种衰落在时域具有选择性，称为时间选择性衰落。,41,对于移动信道当发送信号的持续时间TTc，则会产生时间选择性衰落，快衰落。当TTc，产生慢衰落。当TTc，多普勒扩展可不考虑。时间选择性衰落对数字信号的误码性能有明显影响，为了减少其影响，要求码元速率远大于衰落节拍的速率。,时间选择性衰落,42,3.2.2慢衰落,慢衰落指的是接收信号强度随机变化缓慢，具有十几分钟或几小时的长衰落周期。慢衰落产生的原因：障碍物阻挡电磁波产生的阴影区，因此慢衰落也被称为阴影衰落。主要受地形地物的影响。天气变化、障碍物和移动台的相对速度、电磁波的工作频率等有关。,43,慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速度等。慢衰落的特性可用电场实测的方法找出其统计规律。通常把同一类地形、地物中某一段距离作为样本区间，进行统计分析。慢衰落近似服从对数正态分布。,44,图3-11(a)市区信号慢衰落特性曲线,45,图3-11(b)郊区信号慢衰落特性曲线,46,图3-12慢衰落中值标准偏差,47,3.2.3、衰落储备,为了防止因衰落(包括快衰落和慢衰落)引起的通信中断，在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。衰落储备的大小决定于地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标。通信可靠性也成为可通率，用T表示，它与中断率R的关系是T=1-R。,48,图3-13衰落储备量,49,3.3陆地移动信道的传输损耗,由于移动信道中电波传播的条件十分恶劣和复杂，因而通常采用分析和统计相结合的方法计算传播损耗。在陆地移动通信信道中，我们先以自由空间传播为基础，再分别考虑各种地形、地物对电波传播的实际影响，并逐一予以必要的修正。并在信道设计中保留足够的衰落储备。,50,地形的分类和定义,实际地形虽然千差万别，但从电波传播的角度考虑，可分为两大类，即中等起伏地形和不规则地形，并以中等起伏地形作传播基准。所谓中等起伏地形，是指在传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。,51,地物分类,不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区：开阔地。在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等。郊区。在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等。市区。有较密集的建筑物和高层楼房。,52,中等起伏地形上市区传播损耗的中值,在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称作基准中值或基本中值。,53,图3-23中等起伏地上市区基本损耗中值,54,图3-24天线高度增益因子(a)基站Hb(hb,d);(b)移动台Hm(hm,f),55,图3-25街道走向修正曲线,56,图3-26郊区修正因子Kmr,57,图3-27开阔地、准开阔地修正因子Qo、Qr,58,图3-28丘陵地场强中值修正因子(a)修正因子Kh;(b)微小修正因子Khf,59,图3-29孤立山岳修正因子Kjs,60,图3-30斜坡地形修正因子Ksp,61,图3-31水陆混合路径修正因子KS,62,任意地形地区的传播损耗的中值,任意地形地区接收信号的功率中值PP等于PP=P0-Am(f,d)+KP0是由空间传播条件下的接收信号功率Am(f,d)是中等起伏地市区的基本损耗中值K是各种天线增益和地形地物修正因子之和任意地形地区的传播损耗中值LA则等于LA=Lfs+Am(f,d)-K,63,Am(f,d)中等起伏地上市区基本损耗中值，图3-23;Hb(hb,d)基站天线高度增益因子，图3-24(a);Hm(hm,f)移动台天线高度增益因子，图3-24(b);Kal、Kac街道走向，纵向或横向路径的修正值，图3-25;Kmr郊区修正因子，图3-26；Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，图3-27；Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正因子,图3-28;Kjs孤立山岳修正因子，图3-29;Ksp斜坡地形修正因子，图3-30;KS水陆混合路径修正因子，图3-31。,64,例3-2某一移动信道，工作频段为450MHz,基站天线高度为50m，天线增益为6dB，移动台天线高度为3m，天线增益为0dB；在市区工作，传播路径为中等起伏地，通信距离为10km。试求：(1)传播路径损耗中值；(2)若基站发射机送至天线的信号功率为10W，求移动台天线得到的信号功率中值。,65,解(1)根据已知条件，自由空间传播损耗Lfs=32.44+20lgf+20lgd=105.5dB由图3-23查得市区基本