移动通信第三章移动信道的传播特性

1、第三章 移动信道的传播特性目录目录3.1 电波传播特性电波传播特性3.2 移动信道的特征移动信道的特征3.3 陆地移动信道的传输损耗陆地移动信道的传输损耗3.4 噪声与干扰噪声与干扰3.1 电波传播特性1电波传播特性电波传播特性 1. 自由空间传播损耗自由空间传播损耗 2. 阴影衰落阴影衰落 3. 多径衰落多径衰落 4. 存在多普勒效应存在多普勒效应3.1 电波传播特性电波传播特性3.1 电波传播特性二二. 自由空间传播损耗自由空间传播损耗 对于移动通信系统而言，自由空间传播损耗对于移动通信系统而言，自由空间传播损耗Lfs与传播距离与传播距离d和工作频率和工作频率f有关，可定义为：有关，可定义

2、为：式中：式中：d为距离，其单位为为距离，其单位为km； f为频率，单位为为频率，单位为Mhz。)(lg20)(lg2044.32)(LMHzfkmddBfs 结论：传播距离结论：传播距离d越远，自由空间传播损耗越远，自由空间传播损耗Lfs越大；当越大；当传播距离传播距离d加大一倍，自由空间传播损耗加大一倍，自由空间传播损耗Lfs就增加就增加6dB；工作频率工作频率f越高，自由空间传播损耗越高，自由空间传播损耗Lfs越大，当工作频率越大，当工作频率f提高一倍，自由空间传播损耗提高一倍，自由空间传播损耗Lfs就增大就增大6dB。3.1 电波传播特性三三. 电波的三种基本传播机制电波的三种基本传播

3、机制1. 直射波：沿直线传播到达接收天线。直射波：沿直线传播到达接收天线。 2. 反射波：发生于地球表面、建筑物和墙壁，电波传播反射波：发生于地球表面、建筑物和墙壁，电波传播遇到比波长大得多的物体时发生反射。遇到比波长大得多的物体时发生反射。3. 绕射波：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的绕射波：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射。绕射使得无线电信号绕地球表边缘阻挡时发生绕射。绕射使得无线电信号绕地球表面传播，能够传播到阻挡物后面。面传播，能够传播到阻挡物后面。4. 散射波：当电波穿行的介质中存在小于波长的物体并散射波：当电波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积

4、内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，发生散射。四四. 大气中的电波传播大气中的电波传播3.1 电波传播特性1. 大气折射大气折射 大气折射对电波传播的影响，大气折射对电波传播的影响， 在工程上通常用在工程上通常用“地球等效半径地球等效半径”来表征，来表征， 即认为电波依然按直线方即认为电波依然按直线方向行进，向行进， 只是地球的实际半径只是地球的实际半径R0(6.37106m)变成变成了等效半径了等效半径Re， Re与与R0之间的关系为：之间的关系为：dhdnRRRke0011式中，式中， k称作地球等效半径系数。称作地球等效半径系数。 2. 视距传播距离视

5、距传播距离htReoAd1Cd2BhrtehRd21rehRd 2)(221rtehhRddd3.1 电波传播特性在标准大气折射情况下， Re=8500km, 故rthhd12. 43.1 电波传播特性3. 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗 电波的直射路径上存在各种障碍物， 由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。 图中， x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离， 称为菲涅尔余隙。 规定阻挡时余隙为负无阻挡时余隙为正。d1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a )(b )由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图2624222018161412108642024绕射损耗

6、/ dB2.52.01.51.00.50.501.0 1.5 2.0 2.5x / x13.1 电波传播特性21211ddddxd1PTRRTd1d2d2h2h1h1xxPh2(a)(b)3.1 电波传播特性例 3 - 1 ：设图 3 - 3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频率为150MHz。 试 求出电波传播损耗。 Lfs = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB 由式由式(3 - 21)求第一菲涅尔区半径求第一菲涅尔区半径x1为为 ：mddddx7 .8110151010105233321211 由图

7、由图 3 - 4 查得附加损耗查得附加损耗(x/x1-1)为为16.5dB, 因此电波因此电波传播的损耗传播的损耗L为：为：L = Lfs+16.5 = 116.0dB解：解： 先由式先由式(3 - 13)求出自由空间传播的损耗求出自由空间传播的损耗Lfs为：为： 3.1 电波传播特性4. 反射波反射波 由发射点T发出的电波分别经过直射线(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点R，接收场强E可表示为：)1 ()1 ()(00jjeREReEE |R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比，为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比， 代表反射波相对于入射波的相移。代表反射波相对于入射波的相移

8、。R为反射系数，为反射系数，为路径差引起的相移为路径差引起的相移 。TaobcRhrd1d2ht3.2 移动信道的特征一一. 传播路径传播路径3.2 移动信道的特征移动信道的特征接收信号的场强由几种电波的矢量合成。接收信号的场强由几种电波的矢量合成。3.2 移动信道的特征二二. 信号衰落信号衰落 移动通信接收点所接收到的信号场强是随机起伏变化移动通信接收点所接收到的信号场强是随机起伏变化的，这种随机起伏变化称为衰落。的，这种随机起伏变化称为衰落。yxSi(t)基站天线i 在陆地移动通信中，在陆地移动通信中， 移动台往往受到各种障碍物和其移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响，它移动体的影响

9、， 以致到达移动台的信号是来自不同传播以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和。路径的信号之和。 多径衰落信号包络服从瑞利分布，是快衰落，局部中多径衰落信号包络服从瑞利分布，是快衰落，局部中值也在变化，其造成的衰落是慢衰落。值也在变化，其造成的衰落是慢衰落。3.2 移动信道的特征010.20.40.62340.81.05t / sd / m相对于中值电平 / dB302010010 还有一种随时间变化的慢衰落，还有一种随时间变化的慢衰落， 它也服从对数正态分它也服从对数正态分布。布。 这是由于大气折射率的平缓变化，这是由于大气折射率的平缓变化， 使得同一地点处所使得同一地点处所收到的信

10、号中值电平随时间作慢变化，收到的信号中值电平随时间作慢变化， 这种因气象条件造这种因气象条件造成的慢衰落其变化速度更缓慢成的慢衰落其变化速度更缓慢(其衰落周期常以小时甚至天其衰落周期常以小时甚至天为量级计为量级计)， 因此常可忽略不计。因此常可忽略不计。3.2 移动信道的特征三三. 多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽3.2 移动信道的特征 假设基站发射假设基站发射一个极短的脉冲信一个极短的脉冲信号，经过多径信道号，经过多径信道后，后， 移动台接收信移动台接收信号呈现为一串脉冲，号呈现为一串脉冲， 结果使脉冲宽度被结果使脉冲宽度被展宽了。展宽了。 这种因多这种因多径传播造成信号时径传播造成信号

11、时间扩散的现象，间扩散的现象， 称称为多径时散。为多径时散。t1t111 t112t t0t2t222 t223t221t3t334t t0t t0(a)(b)(c)1. 多径时散多径时散3.2 移动信道的特征 实际上，实际上， 各个脉冲幅度是随机变化的，各个脉冲幅度是随机变化的， 它们在时间上可以它们在时间上可以互不交叠，互不交叠， 也可以相互交叠，也可以相互交叠， 甚至随移动台周围散射体数目的甚至随移动台周围散射体数目的增加，增加， 所接收到的一串离散脉冲将会变成有一定宽度的连续信所接收到的一串离散脉冲将会变成有一定宽度的连续信号脉冲。号脉冲。 根据统计测试结果，根据统计测试结果， 移动通

12、信中接收移动通信中接收机接收到多径的机接收到多径的时延信号强度大致如图时延信号强度大致如图 3 - 16 所示。所示。0omax0 dB30 dB相对强度 / dBt(相对时延时间)E(t) 图中，图中， t是相对时延值；是相对时延值； E(t)为归一化的时延强度曲线，为归一化的时延强度曲线， 它它是以不同时延信号强度所构成的时延谱，是以不同时延信号强度所构成的时延谱， 也有人称之为多径散也有人称之为多径散布谱。布谱。3.2 移动信道的特征 E(t)的一阶矩为平均多径时延的一阶矩为平均多径时延 ； E(t)的均方根为多径的均方根为多径时延散布时延散布(简称时散简称时散)， 常称作常称作时延扩展

13、时延扩展， 记作记作。 可按以下可按以下公式计算公式计算 和和：0220)()(dttEtdtttE 一般一般情况下，市区的时延比郊区大，说明市区的传播条情况下，市区的时延比郊区大，说明市区的传播条件更恶劣些。为了避免码间干扰，要求信号的传输速率必件更恶劣些。为了避免码间干扰，要求信号的传输速率必须比须比1/低得多。低得多。2. 相关带宽相关带宽3.2 移动信道的特征 从频域观点而言，从频域观点而言， 多径时散现象将导致频率选择性衰多径时散现象将导致频率选择性衰落，落， 即信道对不同频率成分有不同的响应。即信道对不同频率成分有不同的响应。 若信号带宽过若信号带宽过大，大， 就会引起严重的失真。

14、就会引起严重的失真。1 r1 rA(, t)(2tn)() 12(tn 两相邻场强为最小值得频率间隔是与相对多径时延差两相邻场强为最小值得频率间隔是与相对多径时延差成反比，通常称为多径时散的相关带宽。若所传输的信号成反比，通常称为多径时散的相关带宽。若所传输的信号带宽较宽，与多径时散的相关带宽带宽较宽，与多径时散的相关带宽Bc接近，则所传输的接近，则所传输的信号会发生明显畸变。信号会发生明显畸变。3.2 移动信道的特征 工程上，工程上， 对于角度调制信号，对于角度调制信号， 相关带宽可按下式估算：相关带宽可按下式估算：21cB式中，式中， 为时延扩展。为时延扩展。 3.3 陆地移动信道的传输损

15、耗一一. 地形、地物对电波传播的影响地形、地物对电波传播的影响1. 地形的分类与定义地形的分类与定义a 中等起伏地形中等起伏地形：指传播路径的地形剖面图：指传播路径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。b 不规则地形不规则地形：形如丘陵、孤立山岳、斜破：形如丘陵、孤立山岳、斜破和水绿混合地形等统称为不规则地形。和水绿混合地形等统称为不规则地形。3.3 陆地移动信道的传输损耗3.3 陆地移动信道的传输损耗2. 地物（或地区）分类地物（或地区）分类 不同地物环境其传播环境条

16、件不同，按照地物不同地物环境其传播环境条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区：的密集程度不同可分为三类地区：a 开阔地开阔地：在电波传播的路径上无高大树木、：在电波传播的路径上无高大树木、建筑物，呈开阔状地面，或在建筑物，呈开阔状地面，或在400m内没有内没有任何阻挡物的场地。任何阻挡物的场地。b 郊区郊区：在靠近移动台近处有些障碍物但不：在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密。稠密。c 市区市区：由较密集的建筑物和高层楼房。：由较密集的建筑物和高层楼房。3.3 陆地移动信道的传输损耗二二. 电波传播损耗的估算电波传播损耗的估算 思想：以中等起伏地市区的传播损耗为基准，思想：以中等起伏地市

17、区的传播损耗为基准，任意地形地物坏境的传播损耗根据具体的地形地任意地形地物坏境的传播损耗根据具体的地形地物环境，以相应的地形地物坏境的修正因子加以物环境，以相应的地形地物坏境的修正因子加以修正。修正。TTAKLL 1) 中等起伏地形上传播损耗的中值中等起伏地形上传播损耗的中值A）市区传播损耗的中值）市区传播损耗的中值),(),(),(fhHdhHdfALLmmbbmfsT用相应的市区传播损耗中值减去修正因子。用相应的市区传播损耗中值减去修正因子。Lfs：自由空间传播损耗；：自由空间传播损耗；Am(f,d)：中等起伏地上市区的基本损耗中值；：中等起伏地上市区的基本损耗中值； 在基准天线高度情况下

18、测得的以自由空间的传播损耗为在基准天线高度情况下测得的以自由空间的传播损耗为0dB的相对值的相对值. 基准天线高度基准天线高度: hb200m，hm3m， Hb(hb,d)：基站天线高度增益因子；：基站天线高度增益因子；Hm(hm,f)：移动台天线高度增益因子；：移动台天线高度增益因子；B）郊区和开阔地损耗的中值）郊区和开阔地损耗的中值3.3 陆地移动信道的传输损耗2）任意地形上传播损耗的中值）任意地形上传播损耗的中值 任意地形地区接收信号的功率中值是以中等起伏地市区传播任意地形地区接收信号的功率中值是以中等起伏地市区传播损耗损耗LT为基为基础，减去地形地区修正因子础，减去地形地区修正因子KT

19、， （式中，（式中， LT为中等起伏地市区传播损耗中值）为中等起伏地市区传播损耗中值）TTAKLL 地形地区修正因子地形地区修正因子KT一般可写成：一般可写成： sspjshfhromrTkKKKKQQKK （式中：（式中：Kmr郊区修正因子，可由图郊区修正因子，可由图 3 - 26 求得；求得；Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，可由图开阔地或准开阔地修正因子，可由图 3-27 求得；求得；Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值，可由图丘陵地修正因子及微小修正值，可由图 3- 28求得；求得；Kjs孤立山岳修正因子，可由图孤立山岳修正因子，可由图 3 - 29 求得；求得；Ksp斜坡地形修正

20、因子，可由图斜坡地形修正因子，可由图 3 - 30 求得；求得；KS水陆混合路径修正因子，可由图水陆混合路径修正因子，可由图 3 - 31 求得求得 ） 1）中等起伏地市区中接收信号的功率中值）中等起伏地市区中接收信号的功率中值Pp3.3 陆地移动信道的传输损耗4. 接收信号功率的估算接收信号功率的估算),(),(),(0fhHdhHdfAPPmmbbmP 式中：式中：P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率，即为自由空间传播条件下的接收信号的功率，即 mbTGGdPP204 （PT发射机送至天线的发射功率；发射机送至天线的发射功率；工作波长；工作波长； d收发天线间的距离；收发天线间的距离；

21、Gb基站天线增益；基站天线增益；Gm移动台天线增益。）移动台天线增益。）Am(f, d)是中等起伏地市区的基本损耗中值，即假定自由空间损耗为是中等起伏地市区的基本损耗中值，即假定自由空间损耗为0 dB，基站天线高度为基站天线高度为200m, 移动台天线高度为移动台天线高度为3 m的情况下得到的损耗中值，的情况下得到的损耗中值，它可它可由图由图 3-23 求出。求出。Hb(hb, d)是基站天线高度增益因子，它是以基站天线高度是基站天线高度增益因子，它是以基站天线高度200m为基准得到为基准得到的相对增益，其值可由图的相对增益，其值可由图3-24(a)求出。求出。Hm(hm, f)是移动天线高度

22、增益因子，它是以移动台天线高度是移动天线高度增益因子，它是以移动台天线高度3m为为基准得基准得到的相对增益，可由图到的相对增益，可由图324(b)求得求得2）任意地形地区接收信号的功率中值）任意地形地区接收信号的功率中值Ppc3.3 陆地移动信道的传输损耗 任意地形地区接收信号的功率中值是以中等起伏地市区接任意地形地区接收信号的功率中值是以中等起伏地市区接收信号的功率中值收信号的功率中值PP为基为基础，加上地形地区修正因子础，加上地形地区修正因子KT，即，即TPPCKPP 地形地区修正因子地形地区修正因子KT一般可写成一般可写成 sspjshfhromrTkKKKKQQKK （式中：（式中：K

23、mr郊区修正因子，可由图郊区修正因子，可由图 3 - 26 求得；求得；Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，可由图开阔地或准开阔地修正因子，可由图 3-27 求得；求得；Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值，可由图丘陵地修正因子及微小修正值，可由图 3- 28求得；求得；Kjs孤立山岳修正因子，可由图孤立山岳修正因子，可由图 3 - 29 求得；求得；Ksp斜坡地形修正因子，可由图斜坡地形修正因子，可由图 3 - 30 求得；求得；KS水陆混合路径修正因子，可由图水陆混合路径修正因子，可由图 3 - 31 求得求得 ）3.3 陆地移动信道的传输损耗GSM900MHz： Hata-Okumur

24、a（奥村）电波传播衰减计算模式（奥村）电波传播衰减计算模式 特点：以平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作特点：以平坦地形大城市区的中值场强或路径损耗作为参考，对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正为参考，对其他传播环境和地形条件等因素分别以校正因子的形式进行修正。因子的形式进行修正。GSM1800MHz： Cost-231-Walfish-Ikegami电波传播衰减计算模式电波传播衰减计算模式 特点：从对众多城市的电波实测中得出的一种小区域特点：从对众多城市的电波实测中得出的一种小区域覆盖范围内的电波损耗模式。覆盖范围内的电波损耗模式。 电波传播损耗预测模型：电波传播损耗预测模型：3.4 噪声与干扰一一. 噪声的分类与特性噪声的分类与特性3.4 噪声与干扰噪声与干扰1)内部噪声内部噪声2)自然噪声自然噪声3)人为噪声人为噪声1) 大气噪声大气噪声2) 太阳噪声太阳噪声3) 银河噪声银河噪声4) 郊区人为噪声郊区人为噪声5) 市区人为噪声市区人为噪声6) 典型接收机的典型接收机的内部噪声内部噪声 外部噪声外部噪声3.4 噪声与干扰二二. 干扰干扰1. 邻道干扰邻道干扰相邻的或邻近频道的信号相互干扰。相邻的或邻近频道的信号相互干