第二章移动通信信道(一)

2.2
大尺度传播模型 –大气折射
d1 d2
2、视线传播极限距离
d1 2 Re ht
d 2 2 Re hr
A
C
B
d d1 d 2 2 Re
d 4.12

ht hr

Re
o

ht hr

2.2
大尺度传播模型 –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不同环境而 不一样。 绕射——需附加绕射损耗(p.17-18) 反射、散射——最简单的例子双线模型
自由空间传播损耗： [Ls]=32.44+20lgd+20lgf
2.2
大尺度传播模型 –大气中
1、大气折射
–低层大气并不是均匀介质－折射与吸收
–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。 –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。 –实际半径是6370km,等效地球半径为8500km。
x / x1
x/x1＞0.5时附加损耗为 0dB。 x/x1<0时 损耗急剧增 加。 x/x1=0时 TR射线从障 碍物顶点擦过，损耗为 6dB。 在选择天线高度时，根 据地形尽可能使服务区 内各处的菲涅尔区余隙 x/x1＞0.5 x1即为r1 r1 d d
1 2
d1 d 2
2.2
大尺度传播模型 –非自由空间
菲涅尔区中相邻的同心圆之间的路径差为λ/2，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 加和减小合成信号的作用。
第n个费涅尔区同心的半径可用以下公式表示:

rn
nd1 d 2 d1 d 2
2.2
大尺度传播模型 –非自由空间
-4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 -2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

移动信道中无线传播分类
大尺度路径损耗
描述收发信机之间长距离上的场强变化，其传 播模型用于预测无线覆盖范围。 不同环境使用不同的传播模型。
小尺度衰落
描述收发信机之间短距离或短时间 内接收信号快速波动的传播模型
第二章
移动通信信道
2.1 概述 2.2 大尺度传播特性 2.3 小尺度传播特性
2.2

自由空间传播损耗与弥散
阴影衰落 – 系统设计
多径衰落 – 抗衰落技术
2.3 小尺度衰落---多径传播特性
多径传播是陆地移动通信系统的主要特征。
小尺度衰落的定义：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


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。 小尺度衰落效应 短距或短时传播后信号强度的急速变化。 不同多径信号上，存在时变的多普勒频移。 多径传播时延引起的扩展（回音）。
T
绕射损耗：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 的附加传播损耗。 x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 阻挡时余隙为正。
h1
d1
d2
R h2
x
P
( b)
2.2
大尺度传播模型 –非自由空间
T h R

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 nλ/2的连续区域（即图中的圆环）。
—与λ2成正比（与f2成反比）→频率越高，衰减越大。
—综合损耗L(L>=1)通常归因于传输线衰减、滤波损耗和
天线损耗，L＝1则表明系统硬件中无损耗。
2. 2 大尺度传播模型 –自由空间
自由空间传播模型
–路径损耗
表示信号衰减，单位为dB的正值。
为有效发射功率和接收功率之间的差值，如下表示：
Pt Gt Gr 2 PL(dB) 10log Pt 10log Pr 10log 10log[ ] 2 2 Pr (4 ) d

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 –自由空间
–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LOS 。
仅当视距大于发射天线远场距离时适用。
–距发射机d处天线的接收功率
数学表达式（ Friis公式）
2 P G G Pr (d ) t t 2 r 2 (4 ) d L

自由空间（无阻挡物）：视距传播LOS (line-of-sight) 存在阻挡物（多条路径）:

反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，会发生反射 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

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
研究传播特性的基本方法 –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。
–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。
–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。
2.3 小尺度衰落---多径传播特性
多普勒频移

数学公式

由路程差造成的接收信号相位变化值为：


2l


2vt

cos
由此可得出频率变化值，即多普勒频移fd为：
1 v fd cos 2 t

S(源)
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。
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。
0.6065/σ
P(r)
0
σ
2σ
3σ
4σ
5σ
接收信号包络电压 r(V) Rayleigh 概率密度函数 ( Pdf)
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：
（2-9）
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；λ为波长。
2. 2 大尺度传播模型 –自由空间
自由空间传播模型
–距发射机d处天线的接收功率
物理意义
—与d2成反比→距离越远，衰减越大。
反射波：当电波传播中遇到两种不同介质的光滑界面
时，如果尺寸比电波波大大得多时会产生镜面反射。
l
T(发射机 ) Ei ELOS ETOT=ELOS +Eg R( 接收机 ) Er=Eg θi θ
0
ht
l
hr
d
2.2
大尺度传播模型 –非自由空间
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Δ为：
d
l
d
ht hr

接收功率随T-R之间距离的4次方而衰减。
l
接收信号的强度可以通过增加天线高度而增加。
路径损耗为：
PL(dB) = 40logd – (10logGt+10logGr+20loghr+20loght)
PL(dB) = 40logd – K
2.5
大尺度传播模型 –特点
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。不同环境传播模型 不同(p36-44)
2.3 小尺度衰落---多径传播特性
多普勒频移
影响小尺度衰落的因素
–多径传播 –移动台的运动速度 –环境物体的运动速度 –信号的传输带宽
y
i
S i (t ) x
基站天线
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 机信号的多普勒扩展，进而增加信号带宽。
2.3 小尺度衰落---多径传播特性
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。 基站天线通常高30 m，可达90 m；移动台天线通 常为2～3 m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。
d '' d ' (ht hr ) 2 d 2 (ht hr ) 2 d 2
当T－R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：
2ht hr d d d
'' '
2.2
大尺度传播模型 –非自由空间
接收功率近似公式：
2 2