第二章移动通信信道一.ppt

第二章移动通信信道一现在学习的是第1页，共32页第二章第二章 移动通信信道移动通信信道2.12.1 概述概述2.22.2大尺度传播特性大尺度传播特性2.32.3小尺度传播特性小尺度传播特性现在学习的是第2页，共32页n无线电波的传播机制无线电波的传播机制 n自由空间（无阻挡物）：视距传播LOS(line-of-sight)n存在阻挡物（多条路径）:n反射：反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，会发生反射n绕射：绕射：当接收机和发射机之间的无线路径被尖利的边缘阻挡时，会发生绕射n散射：散射：当波穿行的介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时，会发生散射。2.1 概述概述现在学习的是第3页，共32页2.1 概述概述n研究传播特性的基本方法研究传播特性的基本方法 n理论分析即用电磁场理论或统计理论分析电波在移动环境中的传播特性，并用各种模型来描述移动信道。n现场电波传播实测即在不同的传播环境中，做电波传播试验。测试参数包括接收信号幅度、时延以及其它反映信道特征的参数。n计算机模拟即利用计算机强大的计算能力，快速灵活地模拟各种移动环境。该方法可弥补前两种方法的不足。现在学习的是第4页，共32页2.1 概述概述n无线信道对传输信号作用的三级模型无线信道对传输信号作用的三级模型 n路径损耗路径损耗n长程范围(公里)内平均信号电平n取决于发射机与接收机之间的距离n阴影效应阴影效应n短程范围内平均信号电平n在50100波长距离内平均得到n由地形或人造障碍引起n多径衰落多径衰落n来自不同方向不同长度路径信号引起的干扰n信号包络在几个波长间距内的变化幅度可达30dB小小尺尺度度衰衰落落大大尺尺度度衰衰落落现在学习的是第5页，共32页移动信道中无线传播分类移动信道中无线传播分类 大尺度路径损耗大尺度路径损耗 描述收发信机之间描述收发信机之间描述收发信机之间描述收发信机之间长距离长距离上的场强变化，其上的场强变化，其上的场强变化，其上的场强变化，其传播模传播模传播模传播模型型型型用于用于用于用于预测无线覆盖范围。预测无线覆盖范围。预测无线覆盖范围。预测无线覆盖范围。不同环境使用不同的传播模型。不同环境使用不同的传播模型。不同环境使用不同的传播模型。不同环境使用不同的传播模型。描述收发信机之间描述收发信机之间短距离短距离或或短时间短时间内内接收信号快速波动的传播模型接收信号快速波动的传播模型 小尺度衰落小尺度衰落现在学习的是第6页，共32页第二章第二章 移动通信信道移动通信信道2.12.1概述概述2.22.2大尺度传播特性大尺度传播特性2.32.3 小尺度传播特性小尺度传播特性现在学习的是第7页，共32页2.2 2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型qq 何为传播模型？何为传播模型？何为传播模型？何为传播模型？qq电波传播损耗电波传播损耗电波传播损耗电波传播损耗预测模型预测模型预测模型预测模型qq作用作用作用作用预测接收信号的中值场强预测接收信号的中值场强预测接收信号的中值场强预测接收信号的中值场强(信号覆盖范围信号覆盖范围信号覆盖范围信号覆盖范围)qq影响因素影响因素影响因素影响因素qq地形环境特征地形环境特征地形环境特征地形环境特征（地形地貌、建筑物高度和密度、街道分布）（地形地貌、建筑物高度和密度、街道分布）（地形地貌、建筑物高度和密度、街道分布）（地形地貌、建筑物高度和密度、街道分布）qq信号传播参数信号传播参数信号传播参数信号传播参数（信号频率、天线高度等）（信号频率、天线高度等）（信号频率、天线高度等）（信号频率、天线高度等）现在学习的是第8页，共32页2.2 2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型qq传播模型类型传播模型类型qq自由空间传播模型（自由空间传播模型（视距传播视距传播直射波，直射波，介电系数为介电系数为1 1的均匀无吸收媒质的均匀无吸收媒质）qq非自由空间传播模型（非自由空间传播模型（有阻挡有阻挡反射波、反射波、绕射波、散射波绕射波、散射波）现在学习的是第9页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 自由空间自由空间n自由空间传播模型自由空间传播模型 n自由空间n均匀无损耗的无限大空间。n各向同性。n电导率为0，相对介电常数和相对磁导率为1。n传播损耗n本质：本质：球面波在传播过程中，随着传播距离增大，电波能量在扩散过程中所引起的球面波扩散损耗。n接收天线所捕获的信号功率是发射天线辐射功率的很小部分。2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 自由空间自由空间现在学习的是第10页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 自由空间自由空间 模型适用范围模型适用范围模型适用范围模型适用范围接收机和发射机之间是完全无阻隔的视距路径接收机和发射机之间是完全无阻隔的视距路径LOSLOS。仅当视距大于发射天线远场距离时适用。仅当视距大于发射天线远场距离时适用。距发射机距发射机距发射机距发射机d处天线的接收功率处天线的接收功率处天线的接收功率处天线的接收功率数学表达式（数学表达式（FriisFriis公式）公式）其中，Pt为发射功率，亦称有效发射功率；Pr(d)是接收功率，为T-R距离的幂函数；Gt是发射天线增益；Gr是接收天线增益；d是T-R间距离；L是与传播无关的系统损耗因子；为波长。（2-9）现在学习的是第11页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 自由空间自由空间自由空间传播模型自由空间传播模型 距发射机距发射机d d处天线的接收功率处天线的接收功率物理意义物理意义物理意义物理意义与与d d2 2成反比成反比距离越远，衰减越大。距离越远，衰减越大。与与 2 2成正比（与成正比（与f f2 2成反比）成反比）频率越高，衰减越大。频率越高，衰减越大。综合损耗综合损耗L(L=1)L(L=1)通常归因于传输线衰减、滤波损耗和通常归因于传输线衰减、滤波损耗和天线损耗，天线损耗，L L1 1则表明系统硬件中无损耗。则表明系统硬件中无损耗。现在学习的是第12页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 自由空间自由空间自由空间传播模型自由空间传播模型自由空间传播模型自由空间传播模型 路径损耗路径损耗表示信号衰减，单位为表示信号衰减，单位为dBdB的正值。的正值。为有效发射功率和接收功率之间的差值，如下表示：为有效发射功率和接收功率之间的差值，如下表示：自由空间传播损耗：自由空间传播损耗：Ls=32.44+20lgd+20lgfLs=32.44+20lgd+20lgf现在学习的是第13页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 大气中大气中1、大气折射、大气折射 n低层大气并不是均匀介质折射与吸收n当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲。n大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，也就是认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径变成了等效半径。n实际半径是6370km,等效地球半径为8500km。现在学习的是第14页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 大气折射大气折射2、视线传播极限距离、视线传播极限距离 现在学习的是第15页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 非自由空间非自由空间非自由空间下，收发信机之间有障碍物，到达接收非自由空间下，收发信机之间有障碍物，到达接收非自由空间下，收发信机之间有障碍物，到达接收非自由空间下，收发信机之间有障碍物，到达接收机的信号将受到反射、绕射、散射等多种因素影响，机的信号将受到反射、绕射、散射等多种因素影响，机的信号将受到反射、绕射、散射等多种因素影响，机的信号将受到反射、绕射、散射等多种因素影响，则信号的传播模型随则信号的传播模型随则信号的传播模型随则信号的传播模型随不同环境而不一样。不同环境而不一样。绕射绕射需附加需附加需附加需附加绕射损耗绕射损耗绕射损耗绕射损耗(p.17-18)反射、散射反射、散射反射、散射反射、散射最简单的例子最简单的例子最简单的例子最简单的例子双线模型双线模型双线模型双线模型现在学习的是第16页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 非自由空间非自由空间绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物后绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物后绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物后绕射使得无线电信号可以传播到阻挡物后面。面。面。面。绕射可用惠更斯原理解释绕射可用惠更斯原理解释绕射可用惠更斯原理解释绕射可用惠更斯原理解释 波前上的所有点可作为产生次级波的点源，这些次级波前上的所有点可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。波组合起来形成传播方向上新的波前。当电波到达阻挡物的边缘时，由次级波的传当电波到达阻挡物的边缘时，由次级波的传播进入阴影区。播进入阴影区。绕射损耗：绕射损耗：绕射损耗：绕射损耗：在实际情况下，电波的直射路径上在实际情况下，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存在各种障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗。损耗。x x表示障碍物顶点至直射线的距离，称为菲涅表示障碍物顶点至直射线的距离，称为菲涅表示障碍物顶点至直射线的距离，称为菲涅表示障碍物顶点至直射线的距离，称为菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，无阻挡时余尔余隙。规定阻挡时余隙为负，无阻挡时余尔余隙。规定阻挡时余隙为负，无阻挡时余尔余隙。规定阻挡时余隙为负，无阻挡时余隙为正。隙为正。隙为正。隙为正。2.2.1 绕射绕射现在学习的是第17页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 非自由空间非自由空间 菲涅尔区菲涅尔区指从发射机到接收机的次级波路径长度比总的视距长度大指从发射机到接收机的次级波路径长度比总的视距长度大n/2n/2的的连续区域（即图中的圆环）。连续区域（即图中的圆环）。菲涅尔区中相邻的同心圆之间的路径差为菲涅尔区中相邻的同心圆之间的路径差为/2/2，则两条路径的相位差为则两条路径的相位差为。从连续费涅尔区传播出去的次级波对总的接收信号交替产生增加和从连续费涅尔区传播出去的次级波对总的接收信号交替产生增加和减小合成信号的作用减小合成信号的作用。第第n n个费涅尔区同心的半径可用以下公式表示个费涅尔区同心的半径可用以下公式表示:现在学习的是第18页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 非自由空间非自由空间x/x1x/x10.50.5时附加损耗为时附加损耗为0dB0dB。x/x10 x/x10时损耗急剧增加。时损耗急剧增加。x/x1=0 x/x1=0时时TRTR射线从障碍射线从障碍物顶点擦过，损耗为物顶点擦过，损耗为6dB6dB。在选择天线高度时，根据地在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的形尽可能使服务区内各处的菲涅尔区余隙菲涅尔区余隙x/x1x/x10.50.5x1x1即为即为r1r1现在学习的是第19页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 非自由空间非自由空间反射波：反射波：反射波：反射波：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面时，如果尺寸比电波波大大得多时会产生镜面反射。尺寸比电波波大大得多时会产生镜面反射。0 0hrhtdELOSEiEr=EgT()R()ETOT=ELOS+Eg0 0hrhtdELOSEiEr=EgT(发射机发射机)R(接收机接收机ETOT=ELOS+Egi i0 0hrhtdELOSEiEr=EgT()R(ETOT=ELOS+Egl ll l现在学习的是第20页，共32页2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 非自由空间非自由空间地面反射模型（双线或两径传播模型）：地面反射模型（双线或两径传播模型）：视距和地面反射的路径差为：当TR距离d远远大于ht+hr时，上式可使用泰勒级数进行近似简化：现在学习的是第21页，共32页接收功率接收功率近似公式：近似公式：n接收功率随接收功率随T-R之间距离的之间距离的4次方而衰减。次方而衰减。n接收信号的强度可以通过接收信号的强度可以通过增加天线高度增加天线高度而增加。而增加。2.2 大尺度传播模型大尺度传播模型 非自由空间非自由空间PL(dB)=40logd (10logGt+10logGr+20loghr+20loght)rtt422rtdhhGGPrp=KPtd4路径损耗路径损耗为：为：PL(dB)=40logd K现在学习的是第22页，共32页n实际移动环境中，接收信号比单独反射和绕射模型预测实际移动环境中，接收信号比单独反射和绕射模型预测的要复杂，这是因为当电波遇到粗糙表面时，发生散射的要复杂，这是因为当电波遇到粗糙表面时，发生散射作用，这就给接收机提供了额外的能量。大多数情况都作用，这就给接收机提供了额外的能量。大多数情况都是空间传播损耗、反射、绕射、散射等多种因素的综合。是空间传播损耗、反射、绕射、散射等多种因素的综合。不同环境传播模型不同不同环境传播模型不同(p36-44)(p36-44)n预测接收点的信号场强，即预测接收点的信号场强，即预测无线信号的覆盖范围预测无线信号的覆盖范围，是研究传播模型的主要目的是研究传播模型的主要目的n接收信号的概率密度函数呈接收信号的概率密度函数呈对数正态对数正态分布分布2.5 大尺度传播模型大尺度传播模型 特点特点现在学习的是第23页，共32页第二章第二章 移动通信信道移动通信信道2.12.1概述概述2.22.2大尺度传播特性大尺度传播特性2.32.3小尺度传播特性小尺度传播特性现在学习的是第24页，共32页2.3 小尺度衰落小尺度衰落-多径传播特性多径传播特性2.3.1 概述概述1、移动信道的时变特性、移动信道的时变特性 无线电信号通过移动信道时会遭受来自不同途径的衰减损耗。n自由空间传播损耗与弥散自由空间传播损耗与弥散n阴影衰落阴影衰落n系统设计n多径衰落多径衰落n抗衰落技术现在学习的是第25页，共32页n小尺度衰落的小尺度衰落的定义定义：描述无线信号在短时间或短距离传播时幅度描述无线信号在短时间或短距离传播时幅度的瞬时变化，以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计的瞬时变化，以致大尺度路径损耗的影响可以忽略不计n小尺度衰落的成因：小尺度衰落的成因：由同一传输信号沿两个或多个路径传播，以微小的时间差到达接收机的信号相互干涉所引起的。n小尺度衰落效应小尺度衰落效应n短距或短时传播后信号强度的急速变化。n不同多径信号上，存在时变的多普勒频移。n多径传播时延引起的扩展（回音）。2.3 小尺度衰落小尺度衰落-多径传播特性多径传播特性多径传播是陆地移动通信系统的主要特征。多径传播是陆地移动通信系统的主要特征。现在学习的是第26页，共32页通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台通常在移动通信系统中，基站用固定的高天线，移动台用接近地面的低天线。用接近地面的低天线。基站天线通常高基站天线通常高30 m，可达，可达90 m90 m；移动台天线通常；移动台天线通常为为2 23 m3 m以下。以下。移动台周围的区域称为近端区域，该区域内的物体造成的反射是造成多径效应的主要原因。离移动台较远的区域称为远端区域，在远端区域，只有高层建筑、较高的山峰等的反射才能对该移动台构成多径。2.3 小尺度衰落小尺度衰落-多径传播特性多径传播特性现在学习的是第27页，共32页 影响小尺度衰落的因素影响小尺度衰落的因素 多径传播多径传播 移动台的运动速度移动台的运动速度 环境物体的运动速度环境物体的运动速度 信号的传输带宽信号的传输带宽 多普勒频移多普勒频移 成因：路程差造成的接收信号相位变化值，进而产生成因：路程差造成的接收信号相位变化值，进而产生多普勒频移。多普勒频移。后果：信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机后果：信号经不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩展，进而增加信号带宽。信号的多普勒扩展，进而增加信号带宽。2.3 小尺度衰落小尺度衰落-多径传播特性多径传播特性多普勒频移多普勒频移多普勒频移多普勒频移现在学习的是第28页，共32页 n数学公式数学公式n由路程差造成的接收信号相位变化值为：n由此可得出频率变化值，即多普勒频移fd为：n含义：含义：多普勒频移与移动台运动速度及移动台运动方向与无线电波入射方向之间的夹角有关。2.3 小尺度衰落小尺度衰落-多径传播特性多径传播特性多普勒频移多普勒频移现在学习的是第29页，共32页2.2.3多径接收信号的统计特性多径接收信号的统计特性n瑞利分布瑞利分布假设条件假设条件 n在发信机与收信机之间没有直射波通路；在发信机与收信机之间没有直射波通路；n有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随机的，相位也是随有大量反射波存在，且到达接收天线的方向角是随机的，相位也是随机的，且在机的，且在02内均匀分布：内均匀分布：n各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。各个反射波的幅度和相位都是统计独立的。n离基站较远，反射物较多离基站较远，反射物较多n莱斯分布莱斯分布-当存在一个主要的静态当存在一个主要的静态(非衰落非衰落)信号分量时，如视信号分量时，如视距传播，小尺度衰落的包络分布服从距传播，小尺度衰落的包络分布服从Ricean分布。当主要分量分布。当主要分量减弱后，减弱后，Ricean分布就转变为分布就转变为Rayleigh分布。分布。现在学习的是第30页，共32页瑞利分布图6示意了Rayleigh概率密度函数。相应的Rayleigh累积分布函数(CDF)如图所示。RayleighRayleigh 概率密度函数概率密度函数(PdfPdf)P(r)023450.6065/接收信号包络电压r(V)RayleighRayleigh 概率密度函数概率密度函数(PdfPdf)023450.6065/接收信号包络电压023450.6065/接收信号包络电压现在学习的是第31页，共32页2、莱斯分布（Ricean）当存在一个主要的静态(非衰落)信号分量时，如视距传播，小尺度衰落的包络分布服从Ricean分布。当主要分量减弱后，Ricean分布就转变为Rayleigh分布。Ricean分布为：现在学习的是第32页，共32页