无线移动通信信道.ppt

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1、2 了解电磁波的传播特性了解电磁波的传播特性 掌握计算路径损耗的方法掌握计算路径损耗的方法 了解各个传播模型的分类及工作环境了解各个传播模型的分类及工作环境学习完本课程，您需要：学习完本课程，您需要：33.1 3.1 概述概述3.2 3.2 3.3 3.3 4 无线移动信道是一种很不良好很不良好的信道。视距、衰落、多径和随机变化是移动信道的基本特征。 无线移动信道是指基站天线、移动用户天线和两副天线之间的传播路径 载有信息的无线电波在无线移动信道中的传播损耗，不但会随传播距离的增加而增大；同时会产生阴影效应和多径传播，使电波的包络产生大幅度起伏且随机变化，这就是电波的衰落。5l衰落既有慢衰落，

2、同时产生快衰落；l多径时延扩展（多径效应），使信道对信号产生频率选择性衰落，使信号发生波形畸变而引起符号间干扰(ISI)l 多普勒效应(由移动台运动引起)在移动通信中普遍存在。多普勒效应使信道对信号产生随机调频和频谱扩展，对信号产生时间选择性衰落，使数字信号误码性能变坏。6 对接收点信号场强的预测估算，是通信工程设计中的重要环节。由于移动信道传播特性的随机变化，不可能用一两个公式对其进行计算；必须依据实际环境，选用不同的数学模型进行预测估算，再经实际电测才能确定。3.1 3.1 概概 述述 73.1 3.1 概概 述述 绝对功率的dB表示：dBm射频（RF）信号的绝对功率常用dBm、dBW表示

3、，它与mW、W的换算关系如下：例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大小为：例如：1W等于30dBm，等于0dBW。 pdBm 10 logloglogX 1000mW1mW pdBW 10logloglogX W 1W 83.1 3.1 概概 述述 相对功率的dB表示：dBc射频信号的相对功率常用dB和dBc两种形式表示，其区别在于：dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式 天线和天线增益天线增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子Dipole 的功率能量密度之比，半

4、波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi9 当前陆地移动通信主要使用的频段为VHF(30 300MHz)和UHF(3003000MHz)，即150MHz，450MHz、900MHz和1 800MHz。 移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波、地表面波等传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，且传播距离有限。 10 图图3-1 3-1 典型的移动信道电波传播路径典型的移动信道电波传播路径11 自由空间电波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，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。12

5、l 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产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，能量仍会受到衰电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于减，这是由于辐射辐射能量的扩散而引起的。能量的扩散而引起的。13式中，式中，d是距离的千米数，是距离的千米数，f是频率的兆赫数。是频率的兆赫数。以以dB计，得计，得 由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时，Lbs将分别增加6dB。 14 由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。 视线所能

6、到达的最远距离称为视线距离d0图图3-2 3-2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离 15 已知地球半径为R= 6 370km，设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR（单位为m），理论上可得视距传播的极限距离d0为 由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，视线距离越远。 16 实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播轨迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球半径R=8 500km，可得修正后的视距传播的极限距离d0为 17 在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗，通常将这种损耗称为绕射损耗 电波传播的损耗的计算 =自由空间

7、传播的损耗+绕射损耗 18 电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会发生反射现象。 图3-3所示为从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的二径传播模型。图图3-3 反射波和直射波反射波和直射波19 在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射反射、绕射和散射。 当电波遇到比波长大得多的物体时发生反射，反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。 当发射机和接收机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波的弯曲，称为绕射。 散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等都会发生散射。20 当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑

8、物、植被（高大的树林）等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。 移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，接收信号强度就下降，构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，称为阴影衰落21 由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落（长期衰落）。 慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落，属于大尺度衰落。 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，而与频率无关。 22 慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况。 频率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信号比频率较高的信

9、号更具有较强的绕射能力。 慢衰落的特性是与环境特征密切相关的，可用电场实测的方法找出其统计规律。 23 陆地移动信道的主要特征是多径传播。 传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起电波的反射，如右图所示。 24 这样，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条反射波到达时间不同，相位也就不同。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。这种衰落是由于多径现象所引起的，称为多径衰落(快衰落：时域扩展)。 25图 多径时散示例多径效应在

10、时域上将造成数字信号波形的展宽，为了说明它对移动通信的影响， 首先看一个简单的例子26 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。多径效应27 一般情况下， 接收到的信号为N个不同路径传来的信号之和， 即)()(10ttSatSiNiii式中， ai是第i条路径的衰减系数；i(t)为第i条路径的相对延时差。 28 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移（Doppler Shift），

11、造成多普勒频展，多普勒频移可用下式表示 29 式中，是入射电波与移动台运动方向的夹角（见下图），v是运动速度，是波长。 式中， 与入射角度无关，是fD的最大值，称为最大多普勒频移。 mfv30 多径效应导致信号时域展宽；频率选择性衰落(信号中不同频率分量衰落不一致，引起信号波形失真) 多普勒效应导致信号频域展宽；时间选择性衰落 信号在时域或频域的展宽，使得本来分开的波形在时间上或在频谱上会产生交叠，使信号产生衰落失真31)e1)()()(j0tirtStS3.6 3.6 相关带宽相关带宽 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

12、引起严重的失真。为了说明这一问题，先讨论两条射线的情况，即如图所示的双射线信道。为分析简便，不计信道的固定衰减，用“1”表示第一条射线，信号为Si(t); 用“2”表示另一条射线，其信号为rSi(t)ej(t)，这里r为一比例常数。 于是， 接收信号为两者之和，即32双射线信道等效网络 33双射线信道等效网络的传递函数为 )(01)()(),(tjieretStStH信道的幅频特性为 )(sin)(cos1),(tjrtrtA由上式可知， 当(t)=2n时(n为整数)， 双径信号同相叠加， 信号出现峰点； 而当(t)=(2n+1)时， 双径信号反相相消， 信号出现谷点。 根据式画出的幅频特性如

13、图所示。34双射线信道的幅频特性35由图可见， 其相邻两个谷点的相位差为 则 )(12)(2tBtc或 =(t) = 2由此可见，两相邻场强为最小值的频率间隔是与相对多径时延差(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。 3621cB式中， 为时延扩展。 实际上， 移动信道中的传播路径通常不止两条， 而是多条， 且由于移动台处于运动状态， 相对多径时延差(t)也是随时间而变化的， 因而合成信号振幅的谷点和峰点在频率轴上的位置也将随时间而变化， 使信道的传递函数呈现复杂情况， 这就很难准确地分析相关带宽的大小。 工

14、程上， 对于角度调制信号， 相关带宽可按下式估算：37根据衰落与频率的关系，将衰落分为两种：频率选择性衰落和非频率选择性衰落，后者又称为平坦衰落 频率选择性衰落是指传输信道对信号不同的频率成分有不同的随机响应，信号中不同频率分量衰落不一致，引起信号波形失真 非频率选择性衰落是指信号经过传输信道后，各频率分量的衰落是相关的具有一致性，衰落波形不失真38是否发生频率选择性衰落或非频率选择性衰落要由信道和信号两方面来决定，对于移动信道来说，存在一个固有的相关带宽 当信号带宽小于相关带宽时，发生非频率选择性衰落（平坦衰落），波形不失真 当信号的带宽大于相关带宽时，发生频率选择性衰落，引起波形失真，造成

15、码间干扰393.7 衰落特性的特征量衰落特性的特征量40 设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强，或接收信号中值。 这些给定条件包括发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线高度、收发信机之间距离等。 这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。 采用电波传播损耗预测模型计算无线路径的传播损耗，确定无线蜂窝小区的服务覆盖区 41研究无线移动通信信道的基本方法 理论分析 电磁场理论和统计理论分析+数学模型 现场电波实测 计算机模拟42对无线电波传播特性的研究，将导致以下两种应用成果 电波传播损耗预测模型的建立 在设计无线移动通信网络时，很好的掌握在基站周围所有

16、地点处接收信号的平均强度及其变化特点，以便为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础 为实现信道仿真提供基础43 3.8.1 地形、地物分类 3.8.2 中等起伏地形上传播损耗的中值 3.8.3 任意地形地区的传播损耗的中值 3.8.4 电波传播损耗预测模型 3.8.5 微蜂窝系统的覆盖区预测模式443.8.1 地形、地形、 地物分类地物分类 1. 地形的分类与定义地形的分类与定义 为了计算移动信道中信号电场强度中值(或传播损耗中值)， 可将地形分为两大类， 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。45基站天线有效高度(hb)46hb = hts-hga 移动台天线的有效高度hm总是指天线在当地地面的高度 由于天线架设在高度不同地形上， 天线的有效高度是不一样的。 (例如，把20m的天线架设在地面上和架设在几十层的高楼顶上， 通信效果自然不同。)因此， 必须合理规定天线的有效高度， 其