3-1、无线移动通信信道

移动通信原理第三章无线移动通信信道移动通信原理2•了解电磁波的传播特性•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学习完本课程，您需要：第三章无线移动通信信道移动通信原理33.1概述3.2VHF、UHF频段的电波传播特性3.3阴影效应3.4移动信道的多径传播特性3.5多普勒频移3.6电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测移动通信原理4无线移动信道是一种很不良好的信道。视距、衰落、多径和随机变化是移动信道的基本特征。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，电波的损耗随传播距离而增大；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。3.1概述移动通信原理5衰落既有慢衰落，同时产生快衰落；多径时延扩展，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）。多普勒效应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。3.1概述移动通信原理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概述移动通信原理73.1概述•绝对功率的dB表示：dBm射频信号的绝对功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下：例如信号功率为xW，利用dBm表示时其大小为：例如：1W等于30dBm，等于0dBW。pdBm10logloglogX1000mW1mWpdBW10logloglogXW1W功率单位简介移动通信原理8功率单位简介3.1概述•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，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi移动通信原理93.2VHF、UHF频段的电波传播特性•当前陆地移动通信主要使用的频段为VHF和UHF，即150MHz，450MHz、900MHz和1800MHz。•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，传播距离有限。移动通信原理103.2VHF、UHF频段的电波传播特性图3-1典型的移动信道电波传播路径移动通信原理113.2.1自由空间电波传播方式•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。移动通信原理12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，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。3.2.1自由空间电波传播方式移动通信原理13自由空间传播损耗公式[Lbs](dB)=32.45+20lgd+20lgf（2-13）式中，d是距离的千米数，f是频率的兆赫数。以dB计，得3.2.1自由空间电波传播方式•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。移动通信原理143.2.2视距传播的极限距离•由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。•视线所能到达的最远距离称为视线距离d0图3-2视距传播的极限距离移动通信原理15•已知地球半径为R=6370km，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。3.2.2视距传播的极限距离移动通信原理163.2.2视距传播的极限距离•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=8500km，可得修正后的视距传播的极限距离d0为移动通信原理173.2.3绕射损耗•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。移动通信原理183.2.4反射波•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情况。图3-3反射波和直射波移动通信原理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。•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。•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。3.2.4反射波移动通信原理203.3阴影效应•当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、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，就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。移动通信原理21•由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。•慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落。•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。3.3阴影效应移动通信原理223.3阴影效应•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。移动通信原理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。3.4移动信道的多径传播特性移动通信原理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。3.4移动信道的多径传播特性移动通信原理253.5多普勒频移•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（DopplerShift），可用下式表示移动通信原理26•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。mfv3.5多普勒频移移动通信原理273.6电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测•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。这里的信号中值是长区间中值。移动通信原理283.6电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测•3.6.1地形环境分类•3.6.2Okumura模型•3.6.3Hata模型与传播损耗的经验公式•*3.6.4Hata模型扩展•*3.6.5COST-231模型•*3.6.6微蜂窝系统的覆盖区预测模式移动通信原理29（1）地形特征定义图地形波动高度Dh3.6.1地形环境分类移动通信原理30图基站天线有效高度（1）地形特征定义3.6.1地形环境分类移动通信原理313.6.1地形环境分类（2）地形分类•实际地形虽然千差万别，但从电波传播的角度考虑，可分为两大类，即准平坦地形和不规则地形。移动通信原理323.6.1地形环境分类（3）传播环境分类•①开阔地区•②郊区•③中小城市地区•④大城市地区移动通信原理333.6.2Okumura模型•Okumura模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于VHF和UHF频段。•该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。移动通信原理34（1）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗•Okumura模型中准平坦地形大城市地区的中值路径损耗（dB）由下式给出LT=Lbs+Am(f,d)−Hb(hb,d)−Hm(hm,f)3.6.2Okumura模型移动通信原理35（1）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗•式中，Lbs为自由空间路径损耗，由上式给出；Am(f，d)为在大城市地区当基站天线高度hb=200m、移动台天线高度hm=3m时相对于自由空间的中值损耗，又称基本中值损耗；Hb(hb，d)为基站天线高度增益因子（dB），即实际基站天线高度相对于以标准天线高度hb=200m的增益，为距离的函数；Hm(hm，f)为移动台天线高度增益因子（dB），即实际移动台天线高度相对于以标准天线高度hm=3m的增益为频率的函数。移动通信原理36图准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗（1）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗移动通信原理37（2）不规则地形及不同环境中的中值路径损耗•以准平坦地形中的中值路径损耗作为基础，针对不同传播环境和不规则地形中的各种因素，用修正因子加以修正，就可得到不规则地形及不同环境中的中值路径损耗。移动通信原理383.6.3Hata模型与传播损耗的经验公式•Hata根据Okumura模型中的各种图表曲线归纳出一个经验公式，称为Hata模型。•这种模型仍然保留了Okumura模型的风格，以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行修正。移动通信原理393.6.4Hata模型扩展•欧洲科学与技术研究协会（EURO-COST）的COST-231工作委员会对Hata模型进行了扩展，使它适用于PCS系统，适用频率达到2GHz。移动通信原理403.6.5COST-231模型•COST-231工作委员会在Walfishi模型和Ikegami模型的基础上，根据实测数据加以完善而提出COST-231模型。•这种模型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗和移动台周围建筑屋顶之间的损耗。移动通信原理413.6.6微蜂窝系统的覆盖区预测模式•在大蜂窝和小蜂窝中，基站天线都安装在高于屋顶的位置，这时传播路径损耗主要由移动台附近的屋顶绕射和散射波决定，即主要射线是在屋顶之上传播。•Okumura-Hata模型适用于基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，而不适用于基站天线高度低于屋顶的微蜂窝系统作传播预测。移动通信原理42•在微蜂窝系统中，基站天线高度通常低于屋顶，电波传播由其周围建筑物的绕射和散射决定，即主要射线传播是在类似于槽形波导的街道峡谷中进行。•COST-231-Walfish-Ikegami模型可用于宏蜂窝及微蜂窝作传播损耗预测。•但是，在基站天线高度大致与其附近的屋顶高度同一水平时，屋顶高度的微小变化将引起路径损耗的急剧变化，这时容易造成预测误差。•所以，在这种情况下使用COST-231-Walfish-Ikegami模型要特别小心。3.6.6微蜂窝系统的覆盖区预测模式移动通信原理43•在做微蜂窝覆盖区预测时，必须有详细的街道及建筑物的数据，不能采用统计近似值。•市区环境的特性用下列参数表示，这些参数的定义见图2-21（a）和（b）。3.6.6微蜂窝系统的覆盖区预测模式移动通信原理44图环境参数的定义3.6.6微蜂窝系统的覆盖区预测模式移动通信原理45课后练习题1、计算：①1W=（）dBm;2W=（）dBm;4W=（）