chapt-2移动信道的电波传播与干扰.pdf

移动通信2013/5/17 1第 2章 移动信道的电波传播与干扰1. 电波传播特性2. 移动信道的特征3. 阴影效应4. 地形地物对电波传播的影响5. 噪声与干扰移动通信2013/5/17 2电波传播特性• 电波传播机理：直射、反射、绕射和散射• 路径损耗、多径损耗、阴影效应阴影 效应路径 损耗多径 衰落移动 电台发射 台穿透 损耗移动通信2013/5/17 3自由空间传播损耗 -直射波• 所谓自由空间传播系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，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射• 实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数 ε 和相对导磁率 μ 都等于 1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波可视作在自由空间传播• 自由空间传播损耗与传播距离和工作频率有关：)(201)(20144.32)]([ zfs MHgfkmgddBL 移动通信2013/5/17 4自由空间传播损耗 -直射波各向同性天线 (亦称全向天线或无方向性天线 )的辐射功率为 PT， 则距辐射源 d米)/(4 22 mWdPS T)(201)(20144.32)]([ zfs MHgfkmgddBL 单位面积上的电波功率密度 S为接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即各向同性接收天线的有效面积接收天线上获得的功率为RR SAP 42RA24 dPP TR 移动通信2013/5/17 5自由空间传播损耗 -直射波由上式可见，自由空间传播损耗 Lfs可定义为24 dPPLRTfs以 dB计， 得24101)]([  dgdBLfs )(4201)( dBdgdB 或)(201)(20144.32)]([ zfs MHgfkmgddBL 式中， d的单位为 km，频率单位以 MHz计。

移动通信2013/5/17 6自由空间传播损耗 -直射波)(201)(20144.32)]([ zfs MHgfkmgddBL 式中， d的单位为 km，频率单位以 MHz计• 传播距离 d越远，自由空间传播损耗 Lfs越大，距离 d增加一倍，损耗 Lfs增加 6dB；• 工作频率 f越高，自由空间传播损耗 Lfs越大，频率 f提高一倍，损耗 Lfs增加 6dB；移动通信2013/5/17 7电波的视距传播h tR eoAd1Cd2 Bhr自发射天线顶点 A到切点 C的距离 d1为te hRd 21 由切点 C到接收天线顶点 B的距离 d2为re hRd 22 )(221 rte hhRddd 在标准大气折射情况下， Re=8 500km, 故)(12.4 rt hhd 式中， ht、 hr的单位是 m, d的单位是 km移动通信2013/5/17 8电波的三种基本传播机制 -反射波Taθ θobcRhrd1d2ht移动通信2013/5/17 9通常 ， 在考虑地面对电波的反射时 ， 按平面波处理 ，即电波在反射点的反射角等于入射角 不同界面的反射特性用反射系数 R表征 ， 它定义为反射波场强与入射波场强的比值 ， R可表示为jeRR 式中 ， |R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比 ，Φ 代表反射波相对于入射波的相移 。

Taθ θobcRhrd1d2ht移动通信2013/5/17 102 2 2 21 2 1 22222( ) ( ) ( ) ( )[ 1 1 ) ]11{[ 1 ] [ 1 ] }222t r t rt r t rt r t rtrd a b c d d h h d d h hh h h hdddh h h hdddhhd                                   式中， d=d1+d2d  2式中， 2π/λ称为传播相移常数由路径差 Δd引起的附加相移 Δφ为)(00 )1()Re1(   jj eREEE这时接收场强 E可表示为移动通信2013/5/17 11电波的三种基本传播机制 -绕射波• 菲涅尔余隙• 菲涅尔区：– 当电波传播的波振面的半径变化时，具有相同相位特性的环形带构成的空间区域式中 d单位 kmλ 单位 mm， x单位 m障碍物与余隙(a) 负余隙；(b) 正余隙21211 ddddx移动通信2013/5/17 12电波的三种基本传播机制 -绕射波• 当 x/x1＞ 0.5 时，附加损耗约为 0dB， 即障碍物对直射波传播基本上没有影响。

为此，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余隙 x＞0.5x1; • 当 x＜ 0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；• 当 x=0时，即 TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为 6 dB移动通信2013/5/17 13例 设图中所示的传播路径中 ， 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 dBggL fs 5.99150201)105(20144.32][ 解 先求出自由空间传播的损耗 Lfs为mdd ddx 7.811015 1011052 34321211 由图表查得附加损耗 (x/x1≈-1)为 17dB, 所以电波传播的损耗 L为dBLL fs 5.11617][][ 求第一菲涅尔区半径 x1为移动通信2013/5/17 14电波的三种基本传播机制 -散射波• 电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时 , 会在其表面发生散射 , 形成散射波 散射波可能散布于许多方向 , 因而电波的能量也被分散于多个方向移动通信2013/5/17 15第 2章 移动信道的电报传播与干扰1. 电波传播特性2. 移动信道的特征3. 阴影效应4. 地形地物对电波传播的影响5. 噪声与干扰移动通信2013/5/17 16传播路径 -多径衰落dθ θd1d2hmhb假设反射系数 R=-1(镜面反射 )， 则合成场强 E为)1( 2102221djdj eaeaEE   式中 ， E0是直射波场强 ， λ是工作波长 ， α1和 α2分别是地面反射波和散射波相对于直射波的衰减系数 ， 而dddddd  2211 ;移动通信2013/5/17 17多普勒频移• 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最大多普勒频移mmdffvf c o sc o s 运动方向入射电波移动通信2013/5/17 18信号衰落• 移动通信接收点所接收到的信号场强是随机起伏变化的，这种随机起伏变化称为衰落• 随机量的研究通常采用统计分析法移动通信2013/5/17 19多径效应与瑞利衰落假设：1. 发射机、接收机没有直射通路2. 大量反射波存在，到达接收天线方向角随机，相位随机均匀分布3. 反射波的幅度和相位都是统计独立的结论• 接收信号的相位服从 0~2π• 接收信号包络服从瑞利分布理论上可以推出：存在占支配地位分量的大量随机变量之和服从莱斯分布移动通信2013/5/17 20多径衰落的时域特征 —— 时延扩展• 时延扩展，导致 码间串扰• 时延扩展可以通过实测信号统计平均的方法来分析，得到时延谱曲线t = t0 t 1 t 1 + τ 11 t 1 + τ 12t = t0+ αt2t2+ τ22 t2+ τ23t2+ τ21t3t3+ τ34t = t0+ β（ a ）（ b ）（ c ）移动通信2013/5/17 21时延扩展的典型实测数据移动通信2013/5/17 22多径衰落的频域特征 —— 相关带宽• 频率选择性衰落– 衰落与频率有关• 非频率选择性衰落，即平坦衰落• 相关带宽– 信号带宽（码元速率低）小于相关带宽时，发生平坦衰落；信号带宽（码元速率高）大于相关带宽时，发生频率选择性衰落– 实际应用中，常用最大时延 Tm的倒数规定相关带宽。

即mc TB1移动通信2013/5/17 23第 2章 移动信道的电报传播与干扰1. 电波传播特性2. 移动信道的特征3. 阴影效应4. 地形地物对电波传播的影响5. 噪声与干扰移动通信2013/5/17 24阴影效应• 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，这种衰落称为阴影衰落• 这种衰落的变化速率较为缓慢，又称为慢衰落• 慢衰落的速率主要取决于传播环境，即移动台周围地形以及移动台移动的速度，而与频率无关• 慢衰落的深度取决于信号与障碍物的状况频率高的信号容易穿透建筑物，而频率低的信号具有较强的绕射能力移动通信2013/5/17 25第 2章 移动信道的电报传播与干扰1. 电波传播特性2. 移动信道的特征3. 阴影效应4. 地形地物对电波传播的影响5. 噪声与干扰移动通信2013/5/17 26地形特征 —— 地形波动高度• 地形波动高度 描述了电波传播路径中地形变化的程度– 定义为沿通信方向，距接收地点 10km范围内， 10%高度线和 90%高度线之高度差hh移动通信2013/5/17 27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 为gatsb hhh 若传播距离不到 15km, hga是 3km到实际距离之间的平均海拔高度 。

移动台天线的有效高度 hm总是指天线在当地地面上的高度 地形特征 —— 天线有效高度移动通信2013/5/17 28地形分类• 为了计算移动信道中信号电场强度中值 (或传播损耗中值 )， 可将地形分为两大类，即中等起伏地形和不规则地形， 并以中等起伏地形作传播基准• 所谓 中等起伏地形 是指在传播径的地形剖面图上，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• 其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形移动通信2013/5/17 29传播环境分类不同地物环境其传播条件不同 ， 按照地物的密集程度不同可分为三类地区：1. 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 ， 如农田 、 荒野 、 广场 、 沙漠和戈壁滩等；2. 郊区 在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密 ， 例如 ， 有少量的低层房屋或小树林等；3. 市区 有较密集的建筑物和高层楼房 移动通信2013/5/17 30电波传播模型• 基于理论和测试结果统计的近似计算• 在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称作基准中值或基本中值。

基本中值与频率距离的关系自由空间传播损耗基础为 0dB的相对值移动通信2013/5/17 31基站天线、移动台天线的高度增益移动通信2013/5/17 32郊区、开阔地的损耗中值移动通信2013/5/17 33丘陵地的修正因子顶部与谷底的微小修正移动通信2013/5/17 34孤立山岳的修正因子移动通信2013/5/17 35斜坡地、水陆混合地修正因子450MHz和 900MH。