[信息与通信]第3章 移动信道的传播特性1.ppt
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1、第3章 移动信道的传播特性,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 3.4 移动信道的传播模型 思考题与习题,引言,三种研究无线移动通信信道的基本方法: 理论分析:用电磁场理论和统计理论分析电波在移动环境中的传播特性,并用数学模型来描述移动信道。 现场电波实测:在不同的传播环境中,做电波实测实验,验证和校正理论分析结果。 计算机模拟:灵活快速地模拟各种移动环境。,注:VHF(30-300MHZ)、UHF(300-3000MHZ),引言,无线信道的电波传播环境 地貌 人工建筑 气候特征 电磁干扰情况 通信体移动速度情况 使用的频段,多径传播 阴影效应 地
2、形、地貌 反射 信号的相互干扰,无线信道的特点,3.1.1 电波传播方式 3.1.2 直射波 3.1.3 大气中的电波传播 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗 3.1.5 反射波,3.1 无线电波传播特性,3.1.1 电波传播方式,移动通信常用频段为 150MHz (VHF) 450MHz、900MHz、1.8GHZ、2.4GHz等(UHF) 该频段频率高,地表波传输损耗大;电波穿透电离层反射;主要传播方式为直线传播(与光线传播方式一样),包括直射、反射及散射。,3.1.1 电波传播方式 续,图3-1 典型的传播通路,从发射天线直接到达接收天线的电波称为直射波,它是VHF和UHF频段的主要传播
3、方式; 的电波经过地面反射到达接收机,称为地面反射波; 的电波沿地球表面传播, 称为地表面波。,3.1.2 直射波,直射波按自由空间传播考虑:只有能量扩散,没有其它损耗。,3.1.2 直射波 续,单位面积上的电波功率密度S为 :,接收天线的有效面积,讨论:(1) d,导致能量扩散,则 Lfs , (2) f,导致接收天线有效面积减小,则Lfs ,自由空间传播损耗Lfs:,3.1.2 直射波 续,3.1.3 大气中的电波传播,大气折射 实际电磁波在大气中传播会发生折射弯曲,可实现超视线传播 大气折射的结果:相当于地球半径R增大为等效半径 Re=8500km (R=6400km),3.1.3 大气
4、中的电波传播 续,地面直射波视线传播极限距离,3.1.3 大气中的电波传播 续,无论如何提高PT 、GT 及GR,地面直射波受地球曲率的遮挡,传播距离也是有限的,如图3-2所示。 直射波传播极限距离d:,3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗,图 3 - 3 障碍物与余隙 (a) 负余隙; (b) 正余隙,x1为 菲涅尔半径,x 为菲涅尔余隙,3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗 续,绕射引起的附加损耗,3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗 续,讨论 选择基站天线高度时,根据地形尽可能使服务区内各处的余隙X/X10.5,此时附加损耗约为0dB, 即障碍物对直射波传播基本没影响。 当x=0时,即TR直射
5、线从障碍物顶点擦过时, 附加损耗约为 6dB。 当x0,即直射线低于障碍物顶点时,损耗急剧增加;,由图 3 - 4 查得附加损耗(x/x1-1)为16.5dB, 因此电波传播的损耗L为 L = Lfs+16.5 = 116.0dB,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。 解: 先求出自由空间传播的损耗Lfs为,Lfs = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB 第一菲涅尔区半径:,分析:电波传播损耗 L = Lfs+实际地形地物引起的
6、附加损耗,3.2 移动信道的特征,3.2.1 传播路径与信号衰落 3.2.2 多径效应与瑞利衰落 3.2.3 慢衰落特性与衰落储备 3.2.4 多径时散与相关带宽,3.2.1 传播路径与信号衰落,3.2.1 传播路径与信号衰落 续,在移动通信中,散射体的运动和移动台的运动对接收信号的影响是一致的。如果移动台与附近的散射体始终保持静止,则所接收到的信号包络保持不变;如果二者存在相对运动,则接收信号包络有起伏变化。 由于地物(如建筑物和其它障碍物)的反射作用,接收信号场强矢量合成的结果形成驻波分布,即在不同地点的信号场强不同。当移动台在驻波场中运动时,接收场强出现快速、大幅度的周期性变化,称为多径
7、快衰落,也称小区间瞬时值变动。 MS的接收信号 S = Si ,i=1,2 ,就会产生快衰落。,3.2.2 多径效应与瑞利衰落,图 3 8 移动台接收N条路径信号,在障碍物均匀的城市街道或森林中,在接收信号中没有视距传播的直达波时,信号包络起伏近似于瑞利分布,多径快衰落称为瑞利衰落。,3.2.2 多径效应与瑞利衰落 续,到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和,如图 3 - 8 所示。设基站发射的信号为,假设N个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立,则接收信号为,假设 ,为接收信号包络的时间平均功率 ,且p(x)和p(y)均值为零, 则,用极坐标 (r, )表示:,式中:
8、,3.2.2 多径效应与瑞利衰落 续,概率密度函数服从正态分布,对积分, 可求得包络概率密度函数p(r)为,r0,接收信号包络服从瑞利分布。 同理, 对r积分可求得相位概率密度函数p()为,02,接收信号相位服从均匀分布。,图 3 - 9 瑞利分布的概率密度,当r=时,p(r)为最大值,表示r在值出现的概率最大,当r=1.177时,衰落信号的包络有50%的概率大于1.177 ,信号包络r低于某一指定值k的概率为,3.2.2 多径效应与瑞利衰落 续,信号包络r低于某一指定值R的概率为,当接收信号中有视距传播的直达波信号时,视距信号成为主接收信号分量,同时还有不同角度随机到达的多径分量迭加在这个主
9、信号分量上,这时的接收信号就呈现为莱斯分布,甚至高斯分布。 但当主信号减弱达到与其他多径信号分量的功率一样即没有视距信号时,混合信号的包络又服从瑞利分布。 注意:莱斯分布适用于一条路径明显强于其它多径的情况,但并不意味着这条径就是直射径。,3.2.2 多径效应与瑞利衰落 续,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备 续,慢衰落(阴影衰落):MS移动时,由于移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡,形成电磁场阴影效应,引起接收信号电平中值存在周期为秒级的慢衰落。 特点:衰落与无线电传播地形和地物的分布、高度有关。,3.2.3 慢衰落特
10、性和衰落储备 续,阴影衰落一般表示为电波传播距离r的m次幂与表示阴影损耗的正态对数分量的乘积。移动用户和基站之间的距离为r时,传播路径损耗和阴影衰落: : 阴影产生的对数损耗(dB),服从均值为零和标准偏差为dB的对数正态分布。又称慢衰落服从对数正态分布。,衰落储备:为防止衰落引起通信中断,必须提高PT或GTGR,使接收信号电平PR留有足够余量使中断率低于规定的指标,这部分余量称为衰落储备量。,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备 续,图3-9 衰落储备示意图,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备 续,3.2.4 多径时散与相关带宽,图3-10 多径时散示意图,图 3 - 11 时变多径信道响应示例
11、(a) N=3; (b) N=4; (c) N=5,3.2.4 多径时散与相关带宽 续,多径时散(时延散布, 简称时散) :因多径传播造成信号时间扩散的现象, 称为多径时散。 多径时散的后果:在数字传输中,由于多径传播时延不同造成接收数字信号波形展宽,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, 增大误码率 。 为了避免码间串扰: 使码元周期大于多径引起的时延扩展 或者使信号传输速率低于时延扩展的倒数。,归一化时延信号的包络E(t):将移动通信中接收机接收到的多径的时延信号强度进行归一化。 见下图,3.2.4 多径时散与相关带宽 续,时延扩展:最大传输时延和最小传输时延的差值
12、,即最后一个可分辨的时延信号与第一个时延信号到达时间的差值,实际上就是脉冲展宽的时间。 表示时延扩展的程度。,图 3 - 12 多径时延信号强度,3.2.4 多径时散与相关带宽 续,平均多径时延,(时延均值),时延扩展:,(时延标准偏差,即E(t)的均方根),最大时延:强度下降30dB时的时延值,3.2.4 多径时散与相关带宽 续,表 3 - 1 多径时散参数典型值(450MHz/900MHz),3.2.4 多径时散与相关带宽 续,例:若时延扩展为1s,则请问在无抗多径措施的情况下,为了避免码间干扰,信号的传输速率应满足什么条件?,解: 因为=1s 为了避免码间干扰,码间隔 Ts2 又因为 码
13、速率fs=1/Ts 故1/fs 2 即fs 1/(2)=500Kbps,3.2.4 多径时散与相关带宽 续,多径时散在频域上导致频率选择性衰落:信道对不同频率成分有不同响应。 若信号带宽过大,就会引起严重失真。,3.2.4 多径时散与相关带宽 续,图 3 - 14 双射线信道等效网络,上图所示的双射线信道等效网络的传递函数为,3.2.4 多径时散与相关带宽 续,幅频特性不平坦,在一些频率有衰落(频率选择性衰落)。,相邻两个频率衰落点的频差满足,信道幅频特性:,称为:相关带宽 记作:Bc,角频率差,即:,若所传输的信号带宽 (Hz)较宽,大于BC 时,信号将产生明显畸变。为避免畸变应选取信号带宽
14、,实际情况远比这复杂。对角调信号,相关带宽工程估算式为 式中,为时延扩展。,例: =3s时,角度调制信号的相关带宽为多少?传输信号的带宽应该在什么范围才不会产生频率选择性衰落以致有明显的畸变? 解:Bc= 1/(2 )=53kHz 传输信号的带宽应小于53KHz。,3.3.1接收机输入电压、功率和接收机灵敏度的关系 3.3.2地形地物分类 3.3.3中等起伏地形上传播损耗的中值 3.3.4不规则地形上传播损耗的中值 3.3.5任意地形地区的传播损耗中值,3.3 陆地移动信道的传输损耗,3.3.1 接收机输入电压、 功率的关系,接收机输入电压的定义: 若Ri=Rs,则接收机输入端的端电压U=Us
15、/2,相应的输入功率P=U2s/4R是接收机最大输入功率,称为 额定输入功率。,图 3 - 15 接收机输入电压的定义,3.3.1 接收机输入电压、 功率的关系,电压的单位: dBV,以1V作基准,求得的电压的dB值 dBV,以1V作基准,求得的电压的dB值 推导过程如下:,式中, Us以V计。,.,Us的单位以v计,功率的单位: dBw,以1w作基准,求得的功率的dB值 dBmV,以1mW作基准,求得的功率的dB值 推导过程如下:,3.3.1 接收机输入电压、 功率的关系,.,单位以w计,3.3.1 接收机输入电压、 功率的关系,例:设射频信号功率P=2W,试将其换算为dBw和dBmw 。
16、解:,P=2W =10lg(2W) =3dBW P=2W =10lg(2*103mW)=32dBmw 或利用式子 得:PdBm=2+30 dBm =32dBm,接收机灵敏度与最小输入信号功率 接收机灵敏度:指无外界噪声和干扰,在规定的标准测试条件下,接收机解调输出达到规定的话音质量时,接收机天线输入端所需的最小信号电压Us/2 或最小信号功率Pr min 。 Pr min=10lgUs2/(4R),3.3.1 接收机输入电压、 功率与接收机灵敏度的关系,例:设接收机输入电阻为50欧,无外界噪声和干扰时,接收机解调输出达到规定的话音质量时,接收机天线输入端的最小信号功率为-113dBm, 求接收
17、机灵敏度为多少微伏。 解:由接收功率的公式得: Pr min=10lgUs2/(4R) 即 -113 dBm =20lg Us- 10lg(4R) -113 -30 = (UsdBv-120)-23 得Us=0dBv =1v 所以接收机灵敏度Us/2=0.5v,3.3.1 接收机输入电压、 功率与场强的关系,dBw,dBv,+50,+40,+30,+20,-80,-100,-90,-110,发射功率,CDU,接头损耗,馈线损耗,天线增益,接收灵敏度,快衰落余量,接头、馈线损耗,路径损耗: 30-(-123)=153dB,覆盖边缘余量,接收机灵敏度在无线链路的功率计算中的应用,1w,0dB,天线
18、端发射信号功率?:1w 合计30dBm,-108dBm,3dB,4dB,18dB,接收天线增益,分集增益,4dB,接收最小信号电平? -108+3+4-18-4 = -123dBm,发:,收:,返回,无线链路的发射/接收功率的计算,具体分析数字 频率 (MHz): 1800 系统: GSM1800 发射端: MS 发射功率 W 1.00 dBm 30.00 K CDU dB 0.00 L 馈线和接头损耗 dB 0.00 N 发射天线增益 dBi 0.00 O EIRP(有效全向辐射功率) dBm 30.00 P=K-N+O 接收端: BTS 接收灵敏度 dBm -108.00 A 快衰落保护余
19、量 dB 3.00 B 馈线和接头损耗 dB 4.00 C 接收天线增益 dBi 18.00 D 分集增益 dB 4.00 E 接收最小信号电平 dBm -123.00 F=A+B+C-D-E 路径损耗(l链路预算值) dB 153.00 Q=P-F .,正常值: 140150 dB,+50,+40,+30,+20,-80,-100,-90,-110,发射功率,CDU,接头损耗,馈线损耗,天线增益,接收灵敏度,快衰落余量,接头、馈线损耗,路径损耗: 56-(-97)=153dB,覆盖边缘余量,接收机灵敏度在无线链路的功率计算中的应用,40w,即46dBm,天线端发射信号功率?: 46-5-3+
20、18= 56dBm,-100dBm,3dB,0dB,0dB,接收天线增益,分集增益,0dB,接收最小信号电平? -100+3+0-0-0 = -97dBm,5dB,3dB,18dB,收:,发:,无线链路的发射/接收功率的计算,具体分析数字 频率 (MHz): 1800 系统: GSM1800 发射端: BTS 发射功率 W 40.00 dBm 46.00 K CDU dB 5.00 L 馈线和接头损耗 dB 3.00 N 发射天线增益 dBi 18.00 O EIRP(有效全向辐射功率 dBm 56.00 P=K+L-N+O 接收端: MS 接收灵敏度 dBm -100.00 A 快衰落保护余
21、量 dB 3.00 B 馈线和接头损耗 dB 0.00 C 接收天线增益 dBi 0.00 D 分集增益 dB 0.00 E 接收最小信号电平 dBm -97.00 F=A+B+C-D-E 路径损耗(l链路预算值) dB 153.00 Q=P-F,正常值: 140150 dB,馈线,信号在馈线里传输的损耗: 导体的电阻性损耗 绝缘材料的介质损耗 这两种损耗随馈线长度的增加和工作频率的提高而增加。因此,应合理布局尽量缩短馈线长度。 馈线的作用: 将发射机发出的信号功率以最小的损耗传送到发射天线的输入端 或将天线接收到的信号以最小的损耗传送到接收机输入端,图16 移动基站,馈线:连接天线和发射机输
22、出端(或接收机输入端)的电缆称为传输线或馈线。,地形分类 中等起伏地(准平坦地形):地面起伏不大(高度差20米),且起伏缓慢(峰点与谷点之间水平距离大于起伏高度)。,3.3.2 地形、地物分类,图3-18 中等起伏地,不规则地形 丘陵、孤立山岳、斜坡及水陆混合等地形。 天线高度 若基站天线顶点的海拔高度为hts, 从天线设置地点开始,沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度为hga, 则定义基站天线的有效高度hb为hb = hts-hga,图 3 - 19 基站天线有效高度(hb),地物(或地区)分类 开阔地:广场、农田、荒野等 郊区: 有少量低层房屋或小树林 市区: 有较密集
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- 信息与通信 信息与通信第3章 移动信道的传播特性1 信息 通信 移动 信道 传播 特性
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