移动信号的传播特性

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１.市区传播损耗的中值 影响传播损耗的因素有：传播距离d、工作 频率f、基站天线高度hb和移动台天线高度hm。
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图３－１０
中等起伏地上市区基本损耗中值
２．郊区和开阔地损耗的中值 郊区的电波传播条件优于市区，因此郊区 场强中值大于市区场强中值，郊区的传播 损耗中值比市区传播损耗中值要小。 修正因子：场强中值与基准中值之差。
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Φ
频率选择性衰落 一个信号中包含的不同频率分量在信道的传输 过程中表现出的衰落特性不一样，从而引起频 率选择性衰落。
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时间选择性衰落 用户的快速移动在频域上产生多普勒效应而引 起频率扩散，从而引起时间选择性衰落 。
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y θi S i(t) x
基站天线
图３－７
移动台接收N条路径信号
－空间选择性衰落 －频率选择性衰落 －时间选择性衰落
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空间选择性衰落 角度展宽：多径信号到达天线阵列的到达角度 的展宽。 角度展宽给出信号的主要能量的范围，产生空 间选择性衰落。
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•瑞利衰落和莱斯衰落 由于信号进行多径传播达到接收点处的场强来 自不同传播的路径，各条路径延时时间是不同 的，而各个方向分量波的叠加形成了不同相位 的到达信号，从而形成信号快衰落称为瑞利衰 落。 瑞利衰落是莱斯衰落的特殊形式，如果多径中 存在一条直射主径，则接收到的信号包络服从 莱斯分布，这样的衰落就是莱斯衰落。
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图３－１１
开阔地、准开阔地修正因子
•任意地形地区的传播损耗的中值 原则：根据地形的具体情况应用不同的参 数，如增益因子、郊区修正因子、丘陵地 的修正因子、孤立山岳修正因子、斜坡地 形修正因子、水陆混合路径修正因子等。
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１．中等起伏地市区中接收信号的功率中值Pp
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hb hts hga
图３－９
基站天线有效高度
－基站天线的有效高度 hb=hts-hga 式中，hts 为基站天线顶点的海拔高度； hga 为 从天线设置地点开始，沿着电波传播方向的3 km到15 km之内的地面平均海拔高度。
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－考察基站天线有效高度的原因： 考虑到无线覆盖的均匀性，避免一个地区所设 的基站间的高度差过大(大于10米)时，网络的 性能变差。因为当覆盖控制难度较大时，容易 造成很强的站间干扰。
d的单位为km，频率单位是MHz。 此时，接收电平为
PR = PT + GT + GR − Lft − Lfr − Lbt − Lbr − Lfs
式中，Lft 、Lfr 分别为发送端、接收端天线馈 线系统损耗；Lbt 、Lbr 分别为发送端、接收端 分路系统损耗，PT、PR的单位是dBm，其余的 是dB。
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３.快衰落损耗 主要是由于多径传播而产生的衰落。 移动通信中，沿着不同的路径，经过了不同的 距离的信号到达接收端后叠加形成了不同相位 的到达信号，合成的信号幅度快速的起伏变化， 其变化率比慢衰落快。 由于快衰落表示信号的短期变化，所以又称短 期衰落(short term fading)。
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•大气中的电波传播 １.大气折射 折射定律：电波传播速度v与大气折射率n 成反比，式中c为光速
c v= 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。由大气折 射率引起电波传播方向发生弯曲的现象， 称为大气对电波的折射。
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Pp = P 0 − Am( f , d ) + Hb(hb, d ) + Hm(hm, f )
式中，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；Hb(hb, d)是基站天线高度增益因 子；Hm(hm, f)是移动台天线高度增益因子。
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•反射波 形成的原因：电波传播过程中遇到两种不同介 质的光滑界面时，如果界面尺寸比电波波长大 得多时，就会产生镜面反射。
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图３-６ 平坦地形对电波的反射
在接收点产生的合成场强为：
E = E 0 1 + ϕ 2 + 2ϕ cos[ ϕ + ( 2π / λ )∆r ]
式中，E0为自由空间传播时的场强有效值；∆r 为反射波与直射波的行程差。ϕ为反射系数，ϕ 值与地面条件有关。 衰落因子：
A
ht
d1
C
d2
B
hr
Re
o
图３－３
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视线传播极限距离
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天线顶点A到切点C的距离d1为
d1 ≈ 2 Re ht
切点C到天线顶点B的距离d2为
d 2 ≈ 2 Re hr
因此，视线传播的极限距离d为
d = d1 + d 2 = 2 Re ( ht + hr )
式中，ht、hr的单位是m，d的单位是km，Re为 地球等效半径。
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例题： 发 送 站 和 接 收 站 的 距 离 为 50km ， 发 信 功 率 PT=5W ， 工 作 频 率 f=1.8GHz ， 天 线 增 益 为 GT=GR=39dB，馈线和分路系统损耗LT=LR=3dB， 求自由空间传播条件下的收信电平及功率？
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x1 =
λd1d 2
d1 + d 2
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P T T d1 h1 x d2 h2 R h1 d1 x P d2 R h2
(a)
(b)
图３－４
(a)负余隙 (b)正余隙
当 x/x1>0.7 时 ， 附 加 损 耗为0 dB，障碍物对直 射波传播基本上没有影 响。
图３－５
绕射损耗与余隙的关系
PR = SAR
λ PR = PT GT GR 4πd
λ AR = GR 4π
2
2
当收、发天线增益为0dB时，即GR=GT=1时， 接收功率为 2
λ PR = PT 4πd
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自由空间的传播损耗Lfs为
Fra Baidu bibliotek
Lfs = 32.44 + 20 lg d + 20 lg f
1 Bc = 2π∆
式中，∆为时延扩展。
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当一个传输信号的频谱宽于Bc时，传输信号的 频谱将受到畸变，致使某些分量被衰落－－频 率选择性衰落。 因此，为了减小频率选择性衰落，传输信号的 频带必须小于多径传输信道的相关带宽。工程 设计中，通常选择信号带宽为相关带宽的 1/5～1/3。
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t = t0
（a）
t 1 t 1+τ
11t 1+τ 12
t=t 0+α （b）
t2 t 2+τ
t 2+τ
21
22 t 2+τ 23
t=t 0+β （c）
图３－８
t3 t 3+τ
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时变多径信道响应示例
(a) N=3; (b) N=4; (c) N=5
•相关带宽 两个相邻场强为最小值的频率间隔Bc与相 对多径时延差∆(t)成反比， Bc=1/∆(t) 。 对于角调制信号来说，假设多径传播时的 最大时延差为∆(t)µs，则相邻两个零点间的 频率间隔为
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空间选择性衰落用相干距离∆R描述:
∆R =
λ
式中，λ为波长， Φ为天线扩散角。 相关距离：两根天线上的信道响应应保持强相 关时的最大空间距离。 相关距离越短，角度扩展越大；相关距离越长， 角度扩展越小。 接收天线距离小于相关距离，信号的相关性很 好，信道呈平坦性衰落；大于相关距离，信号 的相关性变差，信道呈空间选择性衰落；
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２.地物(或地区)分类 按地物的密集程度不同分为： 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。 郊区：在靠近移动台近处有些障碍物但不 稠密。 市区：有较密集的建筑物和高层楼房。
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•中等起伏地形上传播损耗的中值 基准中值(或基本中值)：在计算传播损耗时， 作为基准的中等起伏地上市区的损耗中值或 场强中值。
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四、陆地移动信道的场强估算 •地形、地物分类 １.地形的分类与定义 中等起伏地形：指的是在传输路径的地 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。 不规则地形：除中等起伏地形之外的其 他地形，如丘陵、孤立山岳、斜坡和水 陆混合地形等地形的统称。
等效地球半径：为了使得电波轨迹与地面之间 的高度差保持不变，仍然将电波射线看成是直 线，以等效地球半径Re代替实际地球半径R0。 两者关系如下：
dn/dh为折射率梯度。
Re 1 k= = R0 1+ R dn 0 dh
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图3-２ 不同大气折射的电波传播轨迹
2.视线传播极限距离
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•慢衰落特性和衰落储备 慢衰落：信号起伏时间长的衰落，是近似 服从对数正态分布的。 为了防止因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，以使中断率小于规定指标。这种电平 余量称为衰落储备。
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•多径时散与相关带宽 多径时散：因为多径传播造成信号时间扩散 的现象，即因为不同路径的时延差。 现象：一个极短的脉冲信号经过多径传输后， 在接收端会产生一串脉冲，从而使脉冲宽度 被展宽了。 多径性质随时间变化而变化的，它所带来的 脉冲数目、脉冲大小和脉冲延时差的变化是 随机的。
发
天线 射
① ②
③
图３－１
频率大于30MHz的电波的传播通路
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1直射波：从发射天线直接到达接收天线的电 波 2地面反射波：经过地面发射达到接收机的电 波 3地表面波：沿地球表面传播的电波
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•直射波 自由空间传播：指天线周围为无限大的真空时 的电波传播，是理想的传播条件。 在此状态下，无反射、折射、绕射、散射和吸 收，但是衰减依然存在。
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在采用全向天线时，假设接收天线和发射天线 之间的距离为d，发射天线的发射功率为PT 瓦， 接收处的电场强度有效值为E0，则有 磁场强度有效值H0为
30 PT E0 = (V / m ) d
30 PT H0 = ( A / m) 120πd
单位面积上的电波功率密度S为
PT S= (W / m 2 ) 4πd 2
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在采用天线增益为GT的方向性天线时
30 PT GT E0 = (V / m ) d 30 PT GT H0 = ( A / m) 120πd
PT GT S= (W / m 2 ) 4πd 2
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假设接收天线的接收功率为PR，接收天线的有 效面积AR，则有
第三章 移动信道的传播特性
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一、信道的分类 •按信道特性参数随外界各种因素影响变化 的快慢分 －恒参信道：在足够长的时间内，其参 数基本不变 －变参信道：传输特性随时间的变化极 快，又叫time-variant channel。
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二、无线电波传播特性 •电波的传播方式
接收 天线
V = E / E0
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三、移动信道的特性 •移动信道的主要特点 －传播的开放性 －接收点地理环境的复杂性和多样性(城 市中心繁华区、近郊小城镇区、农村及 远郊区) －通信用户的随机移动性(慢速步行、高 速车载)
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•移动通信系统中信号的损耗 １.路径传播损耗 见电波在自由空间的传播部分 ２.慢衰落损耗 是由于在电波传播路径上受到建筑物及山 丘等的阻挡所产生的阴影效应而产生的损 耗。 由于慢衰落表示接收信号的长期变化，因 此又叫做长期衰落(long term fading)。 慢衰落损耗近似服从对数正态分布。
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•障碍物的影响与绕射损耗 绕射损耗：由于电波的直射路径上存在各种障 碍物而引起的附加传播损耗。
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菲涅尔余隙：障碍物顶点至发送天线和接收天 线直线间的距离。未受阻挡视通时为正，阻挡 时为负。 假设x1是第一菲涅尔区在某一点横截面的半径， 则有