无线信道特性(共48张PPT)精选

移动通信(tōngxìn)第三章无线信道特性1第一页，共48页。影响电磁波传播的三种根本传播机制(jīzhì)：反射、绕射、散射基站天线移动台天线绕射波山峰散射波直射波地面反射波基站天线移动台天线3.1VHF、UHF电波(diànbō)传播特性2第二页，共48页。电磁波的传播方式传播路径(lùjìng)： 直射波——视距传播 反射波 地外表波移动信道： 多径衰落反射波直射波地表面波3.1VHF、UHF电波传播(chuánbō)特性3第三页，共48页。直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间，严格地说应指真空．但通常把满足一定条件的理想空间视为自由空间。不存在电波的反射、折射、绕射等现象，而且(érqiě)电波传播速率等于真空中光速c的空间。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.自由空间传播(chuánbō)方程3.1.2直射(zhíshè)波4第四页，共48页。可见(kějiàn)，当收、发天线增益为0dB，即当GR=GT=1时，自由空间传播损耗Lfs可定义为以dB计，得或式中，d的单位(dānwèi)为km，频率单位(dānwèi)以MHz计。(3-13)3.1.2直射(zhíshè)波5第五页，共48页。3.1.4障碍物的影响(yǐngxiǎng)与绕射损耗图3–3障碍物与余隙(a)负余隙；(b)正余隙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(guīdìng)阻挡时余隙为负，无阻挡时余隙为正.6第六页，共48页。由障碍物引起的绕射损耗(sǔnhào)与菲涅尔余隙的关系如图3-4所示。图3–4绕射损耗(sǔnhào)与余隙关系图中，纵坐标为绕射引起的附加损耗(sǔnhào)，即相对于自由空间传播的分贝数。横坐标为x/x1,x是菲涅尔余隙，x1是第一菲涅尔区半径:3.1.4障碍物的影响与绕射损耗

7第七页，共48页。由图3-4可见，当x/x1＞0.5时，附加损耗约为0dB，即障碍物对直射波传播根本上没有影响。为此，在选择天线高度时，根据地形(dìxíng)尽可能使效劳区内各处的菲涅尔余隙x＞0.5x1;当x＜0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；当x=0时，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为6dB。3.1.4障碍物的影响(yǐngxiǎng)与绕射损耗8第八页，共48页。由图3-4查得附加损耗(sǔnhào)(x/x1≈-1)为17dB,所以电波传播的损耗(sǔnhào)L为例3–1设图3-3(a)所示的传播路径(lùjìng)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。解先由式(3-13)求出自由空间传播的损耗Lfs为由式(3-21)求第一(dìyī)菲涅尔区半径x1为3.1.4障碍物的影响与绕射损耗

9第九页，共48页。3.2移动信道(xìndào)的特征3.2.1传播路径与信号(xìnhào)衰落图3–6移动信道的传播(chuánbō)路径10第十页，共48页。假设(jiǎshè)反射系数R=-1(镜面反射)，那么合成场强E为式中，E0是直射波场强，λ是工作波长，α1和α2分别是地面(dìmiàn)反射波和散射波相对于直射波的衰减系数，而3.2.1传播路径(lùjìng)与信号衰落11第十一页，共48页。图3–7典型(diǎnxíng)信号衰落特性3.2.1传播路径(lùjìng)与信号衰落12第十二页，共48页。3.2.2多径效应(xiàoyìng)与瑞利衰落图3-8移动台接收(jiēshōu)N条路径信号13第十三页，共48页。X和Y点的路径(lùjìng)差：接收信号相位(xiàngwèi)变化值：频率(pínlǜ)变化值〔多普勒频移〕：3.2.2多径效应与瑞利衰落

多普勒频移远端信号源14第十四页，共48页。假设(jiǎshè)基站发射的信号为式中，ω0为载波角频率，φ0为载波初相。经反射(或散射(sǎnshè))到达接收天线的第i个信号Si(t)，其振幅为αi,相移为φi。假设Si(t)与移动台运动方向之间的夹角为θi,其多普勒频移值为因此(yīncǐ)Si(t)可写成3.2.2多径效应与瑞利衰落

15第十五页，共48页。推导得到(dédào)多径传播的包络概率密度函数p(r)为多径传播(chuánbō)的相位概率密度函数p(θ)为(3-44)多径衰落的信号包络服从(fúcóng)瑞利分布，故把这种多径衰落称为瑞利衰落。3.2.2多径效应与瑞利衰落

多径合成信号：16第十六页，共48页。图3–9瑞利分布(fēnbù)的概率密度r>0Rayleigh分布(fēnbù)：3.2.2多径效应(xiàoyìng)与瑞利衰落均值：均方值：17第十七页，共48页。根据发送信号与信道变化快慢程度(chéngdù)的比较，信道可分为快衰落信道和慢衰落信道。在快衰落信道中，信道冲激响应在一个符号周期内变化很快。在慢衰落信道中，信道冲激响应在一个符号周期内根本无变化。3.2.3慢衰落特性(tèxìng)和衰落储藏慢衰落(shuāiluò)与快衰落(shuāiluò)18第十八页，共48页。产生原因 慢衰落由移动通信路径(lùjìng)上的固定障碍物的阴影效应引起。阴影衰落的速度与地形地貌、用户的移动速度有关，与载波频率无关阴影衰落的深度与载波频率有关，高频信号的绕射能力不如低频强移动信道的系统特性表征 服从对数正态分布移动(yídòng)环境的衰落特性---慢衰落3.2.3慢衰落特性(tèxìng)和衰落储藏19第十九页，共48页。移动环境(huánjìng)的衰落特性---快衰落产生原因 多径效应：同一信号沿着两个或多个路径传播 多普勒频移：移动台与基站之间的相对运动 环境物体(wùtǐ)相对于基站和移动台在运动对系统性能的影响场强信号随机快速起伏信道时变引起的多普勒频移，随机调频多径引起的延时扩展移动信道的系统特性表征 瑞利〔Rayleigh〕分布 莱斯〔Ricean〕分布Nakagami－m分布3.2.3慢衰落特性(tèxìng)和衰落储藏20第二十页，共48页。rP(r)Rician分布(fēnbù)3.2.3慢衰落(shuāiluò)特性和衰落(shuāiluò)储藏21第二十一页，共48页。路径(lùjìng)损耗、快衰落和慢衰落3.2.3慢衰落特性(tèxìng)和衰落储藏22第二十二页，共48页。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藏。衰落储藏的大小决定于地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标。通信可靠性也称作可通率，并用(bìnɡyònɡ)T表示，它与中断率的关系是T=1-R。3.2.3慢衰落(shuāiluò)特性和衰落(shuāiluò)储藏23第二十三页，共48页。区域类型接收机最小可用电平(dBm)手机灵敏度(dBm)快衰落保护余量(dB)慢衰落保护余量(dB)穿透损耗余量(dB)干扰噪声保护余量(dB)环境噪声保护余量(dB)人体损耗(dB)密集市区-70-1023320213一般市区-76-1023215213市郊-82-1023210113农村-93-10232

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33.2.3慢衰落特性(tèxìng)和衰落储藏表：接收机最小可用电平(diànpínɡ)24第二十四页，共48页。5x1;当x＜0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；接收到的信号(xìnhào)为N个不同路径传来的信号(xìnhào)之和，即4多径时散与相关带宽3陆地移动通信系统(xìtǒng)的传输损耗由图3-4可见，当x/x1＞0.第三十四页，共48页。第三十四页，共48页。场强信号随机快速起伏时延扩展(kuòzhǎn)：此时传输(chuánshū)信号的带宽应小于Bc=53kHz。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。Hb(hb,d)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(dédào)的相对增益，其值可由图3-24(a)求出。第二十七页，共48页。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(jīzhǔn)，因而把它称作基准(jīzhǔn)中值或根本中值。图3-8移动台接收(jiēshōu)N条路径信号(1)根据条件，KT=0,LA=LT，可分别(fēnbié)计算如下：由障碍物引起的绕射损耗(sǔnhào)与菲涅尔余隙的关系如图3-4所示。3.2.4多径时散与相关(xiāngguān)带宽1.多径时散假设基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0δ(t)，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，结果使脉冲宽度被展宽了。这种因多径传播造成信号时间扩散(kuòsàn)的现象，称为多径时散。25第二十五页，共48页。图3–14多径时散例如(lìrú)3.2.4多径时散与相关(xiāngguān)带宽26第二十六页，共48页。图3-15时变多径信道响应(xiǎngyìng)例如(a)N=3;(b)N=4;(c)N=53.2.4多径时散与相关(xiāngguān)带宽27第二十七页，共48页。第三十八页，共48页。图3–14多径时散例如(lìrú)例如，Δ=3μs,Bc=1/(2πΔ)=53kHz。多径时散的相关(xiāngguān)带宽1传播路径与信号(xìnhào)衰落多径传播(chuánbō)的相位概率密度函数p(θ)为4多径时散与相关(xiāngguān)带宽3慢衰落特性(tèxìng)和衰落储藏3陆地移动通信系统(xìtǒng)的传输损耗3陆地移动通信系统(xìtǒng)的传输损耗X和Y点的路径(lùjìng)差：例如，Δ=3μs,Bc=1/(2πΔ)=53kHz。(2)假设(jiǎshè)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。3慢衰落(shuāiluò)特性和衰落(shuāiluò)储藏第三十五页，共48页。图3–16多径时延信号(xìnhào)包络接收到的信号(xìnhào)为N个不同路径传来的信号(xìnhào)之和，即ai是第i条路径(lùjìng)的衰减系数,τi(t)为第i条路径(lùjìng)的相对延时差3.2.4多径时散与相关带宽

28第二十八页，共48页。表3–1多径时散参数(cānshù)典型值Δ表示多径时散散布的程度(chéngdù)。Δ越大，时延扩展越严重；Δ越小，时延扩展越轻。时延扩展(kuòzhǎn)：3.2.4多径时散与相关带宽

最大时延是以包络电平下降30dB时测定的时延值29第二十九页，共48页。多径时散的相关(xiāngguān)带宽例如，Δ=3μs,Bc=1/(2πΔ)=53kHz。此时传输(chuánshū)信号的带宽应小于Bc=53kHz。Δ为时延扩展，Bc为多径时散的相关带宽。假设所传输(chuánshū)的信号带宽较宽，以至与Bc可比较时，那么所传输(chuánshū)的信号将产生明显的畸变。3.2.4多径时散与相关带宽

30第三十页，共48页。频率选择性衰落：信号带宽超出(chāochū)相关带宽，会导致频率选择性衰落3.2.4多径时散与相关(xiāngguān)带宽31第三十一页，共48页。3.3.3中等起伏(qǐfú)地形上传播损耗的中值1.市区传播损耗(sǔnhào)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(jīzhǔn)，因而把它称作基准(jīzhǔn)中值或根本中值。3.3陆地移动通信系统的传输损耗

32第三十二页，共48页。图3–23中等起伏地上(dìshànɡ)市区根本损耗中值3.3陆地移动(yídòng)通信系统的传输损耗33第三十三页，共48页。如果基站天线的高度不是200m,那么损耗中值的差异用基站天线高度增益因子Hb(hb,d)表示(biǎoshì)。图3-24(a)给出了不同通信距离d时，Hb(hb,d)与hb的关系。显然，当hb＞200m时，Hb(hb,d)＞0dB；反之，当hb＜200m时，Hb(hb,d)＜0dB。同理，当移动台天线高度不是3m时，需用移动台天线高度增益因子Hm(hm,f)加以修正，参见图3-24(b)。当hm＞3m时，Hm(hm,f)＞0dB；反之，当hm＜3m时，Hm(hm,f)＜0dB。3.3陆地移动通信系统的传输(chuánshū)损耗34第三十四页，共48页。图3–24天线高度增益(zēngyì)因子3.3陆地移动通信系统(xìtǒng)的传输损耗35第三十五页，共48页。图3–24天线高度增益(zēngyì)因子3.3陆地移动通信系统(xìtǒng)的传输损耗36第三十六页，共48页。3.3.5任意地形地区的传播损耗(sǔnhào)的中值1.中等起伏地市区中接收(jiēshōu)信号的功率中值PP中等起伏地市区接收(jiēshōu)信号的功率中值PP(不考虑街道走向)可由下式确定：式中，P0为自由空间传播条件(tiáojiàn)下的接收信号的功率，即3.3陆地移动通信系统的传输损耗

37第三十七页，共48页。PT——发射机送至天线的发射功率；λ——工作波长；d——收发天线间的距离(jùlí)；Gb——基站天线增益；Gm——移动台天线增益。Am(f,d)是中等起伏地市区的根本损耗中值，即假定自由空间损耗为0dB，基站天线高度为200m,移动台天线高度为3m的情况下得到的损耗中值，它可由图3-23求出。3.3陆地移动通信系统(xìtǒng)的传输损耗38第三十八页，共48页。Hb(hb,d)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(dédào)的相对增益，其值可由图3-24(a)求出。Hm(hm,f)是移动天线高度增益因子，它是以移动台天线高度3m为基准得到(dédào)的相对增益，可由图324(b)求得。3.3陆地移动通信(tōngxìn)系统的传输损耗39第三十九页，共48页。2.任意(rènyì)地形地区接收信号的功率中值PPC任意(rènyì)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PP为根底，加上地形地区修正因子KT，即地形地区修正(xiūzhèng)因子KT一般可写成3.3陆地移动通信系统的传输(chuánshū)损耗40第四十页，共48页。式中：Kmr——郊区修正因子，可由图3-26求得；Qo、Qr——开阔地或准开阔地修正因子，可由图3-27求得；Kh、Khf——丘陵地修正因子及微小修正值，可由图3-28求得；Kjs——孤立山岳(shānyuè)修正因子，可由图3-29求得；Ksp——斜坡地形修正因子，可由图3-30求得；KS——水陆混合路径修正因子，可由图3