第二章移动通信的电波传播.ppt

1、2-1. 移动信道的电波传播衰耗 2.2 移动信道的电波传播,第二章 移动信道的电波传播特性 （教材为第三章）,第一节、移动信道的电波传播衰耗,一. 传播损耗计算在系统设计中的作用 二.自由空间的电波传播 三.实际电波传播,一. 传播损耗计算在系统设计中的作用,1.电台接收灵敏度 达到一定输出性能的最小输入信号电压称为电台接收灵敏度。 将电势为Us和内阻为Rs的信号源(如天线)接到接收机的输入端，若接收机的输入电阻为Ri且Ri=Rs，则接收机输入端的端电压U=Us/2,第一节、移动信道的电波传播衰耗,采用线天线的接收机一般用天线上感应的信号电势作为接收机的接收灵敏度电压。 感应电势为图中的信号

2、源电势Us，不等于接收机输入端的端电压U 电压常以分贝计 以1V作基准，有： Us以V计。,第一节、移动信道的电波传播衰耗,2. 接收场强与接收电压的关系,在采用线天线时，接收场强E是指有效长度为1m的天线所感应的电压值，常以V/m作单位。 半波振子天线,第一节、移动信道的电波传播衰耗,场强用dBV/m计,E的单位为V/m 的单位为m Us的单位为V,3.接收机输入电压与接收功率的关系,第一节、移动信道的电波传播衰耗,Ui以V计,功率以分贝计，以1mW作基准，有：,由接收到的功率P可转化为接收机输入电压Ui， 要求接收机输入电压Ui大于接收灵敏度电压Us， 电台才能正常工作。,接收机输入功率：

3、,此为功率匹配条件的 接收机输入功率最大值。,二.自由空间的电波传播,第一节、移动信道的电波传播衰耗,移动通信采用VHF（30300MHz）、 UHF（3003000MHz）频段无线电波传播。 无线电波典型的传播通路如图所示。 直射波传播可按自由空间传播来考虑。,1. 自由空间概念,自由空间传播系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。,第一节、移动信道的电波传播衰耗,2. 自由空间的电波传播,电波在自由空间传播，经过一段路径后，能量会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。 由电磁场理论知，若各向同性天

4、线(亦称全向天线或无方向性天线)的辐射功率为PT瓦，则距辐射源d米处 电场强度有效值E0为： 磁场强度有效值H0为： 单位面积上的电波功率密度S为,第一节、移动信道的电波传播衰耗,接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积： AR为接收天线的有效面积，与接收天线增益GR满足： 则 当收、发天线增益为0dB，即GR=GT=1，接收天线上获得的功率为,第一节、移动信道的电波传播衰耗,自由空间传播损耗Lfs定义为 以dB计， d的单位为km，频率单位以MHz计。 传播损耗Lfs随距离d增加而增大，随频率f增加而增大，且均为每倍程20dB（平方关系）。,第一节、移动信道的电波传

5、播衰耗,三.实际电波传播,直射波传播只能在视线距离内。 视线能达到的最大距离为 视线传播极限距离d0 发射天线顶点A到切点C的距离d1为 由切点C到接收天线顶点B的距离d2为 视线传播极限距离d0为,第一节、移动信道的电波传播衰耗,1.实际电波传播机制,在标准大气折射情况下，Re=8 500km, Ht hr单位为m，d0单位为km 在蜂窝移动通信系统中，要求最大传播距离小于0.7 d0 影响直射波传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射。,第一节、移动信道的电波传播衰耗,当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射此时接收信号为直射波与反射波的合成信号。 考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，

6、即电波在反射点的反射角等于入射角。 不同界面的反射特性用反射系数R表征，为反射波场强与入射波场强的比值 R可表示为 |R|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。,第一节、移动信道的电波传播衰耗,当工作频率高于150MHz (2m)，1时，反射波场强幅度等于入射波场强幅度，相差为180 直射波与反射波的路径差为 由路径差d引起的附加相移为,第一节、移动信道的电波传播衰耗,接收场强E表示为 附加衰耗 近似有：,第一节、移动信道的电波传播衰耗,接收机和发射机之间的无线路径被有尖利边缘的物体阻挡时发生绕射 电波打到阻挡体边缘时产生漫反射成为新的点源，无线信号能到达阻挡

7、体的后面，此为费涅尔效应。 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。 x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径,第一节、移动信道的电波传播衰耗,由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图,第一节、移动信道的电波传播衰耗,x=0，TR直射线从障碍物顶点擦过，附加损耗约为 6 dB。 x0，直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加 x/x10.5 ，附加损耗约为0dB，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。 在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x0.5x1,当电波穿行的介质中存在小于波长的物体且单位体积内阻挡体的个数非常多时发生散射。 移动电波基本的传

8、播机制为直射波、反射波、绕射波和散射波。,第一节、移动信道的电波传播衰耗,2.实际电波衰耗计算,地形分为两大类：中等起伏地形和不规则地形。 中等起伏地形是指在传播路径地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点间的水平距离大于起伏高度。 不规则地形是指其它如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等。 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，有些障碍物但不稠密，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。,第一节、移动信道的电波传播衰耗,1）图表计

9、算（P110119） 对不同地形地物电波传播的统计分析， 做出图表用于查表计算。,P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率。 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0 dB，基站天线高度为200m, 移动台天线高度为3 m的情况下得到的损耗中值，由图 3-23 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200m为基准得到的相对增益，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为基准得到的相对增益，由图3-24(b)求得。,第一节、移动信道的电波传播衰耗,中等起伏地市区接收信号的功率中值PP

10、(不考虑街道走向)可由下式确定：,地形地区修正因子KT一般可写成 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 - 31 求得,第一节、移动信道的电波传播衰耗,任意地形地物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为基础，加上地形地物修正因子KT确定：,任意地形地区的传播损耗中值 式中， LT为中等起伏地

11、市区传播损耗中值,第一节、移动信道的电波传播衰耗,2）近似模型计算,如对数距离路径损耗模型，考虑直射反射绕射散射的平均接收信号功率随距离对数衰耗： n为路径损耗指数，介于1.66之间，由具体传播环境决定。 在已知参考距离d0处的衰耗值LP（d0）时，可有：,第一节、移动信道的电波传播衰耗,建立各种信道模型做近似计算。,第二节、移动信道的电波传播,一.移动信道的特点 二. 多径效应 三.衰落储备,一.移动信道的特点,1.移动通信信道的三个主要特点 1).传播的开放性 2).接收地点地理环境的复杂性与多样性 3).通信用户的随机移动性,第二节、移动信道的电波传播,2.接收信号中的三类损耗与四种效应

12、,在上述移动信道的三个主要特点以及传播的四种主要类型作用下，接收点的信号将产生如下的特点： 1）.具有三类不同层次的损耗： 路径传播损耗； 慢衰落损耗； 多径衰落。,第二节、移动信道的电波传播,多径衰落又可分为： 空间选择性快衰落-在不同的地点（空间）位置衰落特性不一样。由于接收信号受基站附近建筑物和其它物体的反射而引起的干扰。 频率选择性快衰落-由于信道在时域的时延扩散，引起了在频域的频率选择性衰落。 时间选择性快衰落-由于用户的高速移动在频域引起多普勒频移，在相应的时域其波形产生时间选择性衰落。,第二节、移动信道的电波传播,2).四种主要效应,阴影效应：由于大型建筑物和其它物体的阻挡，在电

13、波传播的接收区域中产生传播半盲区。 远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也在随机变化，若各移动用户发射信号功率一样，到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱，甚至出现以强压弱的现象，即离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象。 多径效应：由于接收者所处地理环境的复杂性、使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射过来以及绕射过来的多条不同路径信号。它们到达时的信号强度，到达时间以及到达时的载波相位都是不一样的，所接收到的信号是上述各路径信号的矢量和，也就是说各径之间可能产生自干扰。 多普勒效应：由于接收用户处于高速移动中传播频率的扩

14、散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比，这一现象只产生在高速(70km/h)车载通信时。,第二节、移动信道的电波传播,二. 多径衰落,1.幅度快衰落 幅度快衰落包络概率密度函数p(r)为 幅度快衰落的信号包络服从瑞利分布， 故把这种多 径衰落称为瑞利衰落。 均 值 均方值 r=，p(r)为最大值，表示 r在值出现的可能性最大,第二节、移动信道的电波传播,第二节、移动信道的电波传播,当 时，有,即衰落信号的包络有50%概率大于1.177。,1.177常称为包络r的中值，记作rmid。,信号包络低于的概率为,信号包络r低于某一指定值k 的概率为,2.多普勒频移,移动台的运动对所收信号产生多普勒

15、频移： 信号中心频率为f+fd 最大多普勒频移fm=v/ 多普勒扩展Bd=fm 信号带宽BsBd时，可忽略多普勒扩展。 相干时间Tc=1/fm。信号带宽Bs的倒数大于Tc则导致接收失真。 考虑时间相关大于0.5，Tc=9/16fm,第二节、移动信道的电波传播,3.多径时延,假设基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0(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的现象，称为多径时散。 移动通信中接收机接收到多径的时延信号包络 表示多径时散散布的程度。 越大，时延扩展越严重；越小，时延扩展越轻,第二节、移动信道的电波传播,两相邻场

16、强为最小值的频率间隔是与多径时延(t)成反比的，通常称Bc为多径时散的相关带宽。 若所传输的信号带宽较宽，以至与Bc可比拟时，则所传输的信号将产生明显的畸变,导致接收频率选择性衰落，需要均衡。 工程上，对于角度调制信号，相关带宽可按下式估算：,第二节、移动信道的电波传播,第二代移动通信中某种典型地理环境下，电波传播在空间角度、时间与频率所产生的典型扩散值，,第二节、移动信道的电波传播,三.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。 通信可靠性也称作可通率，并用T表示，它与中断率的关系是T=1-R 图 示可通率T分别为90%、95%和99%的三组曲线，根据地形地物、工作频率和可通率要求，由此图可查得必须的衰落储备量。,第二节、移动信道的电波传播,移动通信补充练习题,1.在自由空间参考距离