第3章-移动通信的电波传播PPT课件.ppt

第3章 移动通信的电波传播 第3章 移动通信的电波传播 3.1 VHF、 UHF频段的电波传播特性 3.2 电波传播特性的估算（工程计算） 2021/8/311第3章 移动通信的电波传播 3.1 VHF、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150 MHz、450 MHz、900 MHz、1800 MHz移动通信中的传播方式主要有直射波、反射波和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，因此在分析移动通信信道时， 主要考虑直射波和反射波的影响 图3-1表示出了典型的移动信道电波传播路径 2021/8/312第3章 移动通信的电波传播 图3-1 典型的移动信道电波传播路径 2021/8/313第3章 移动通信的电波传播 3.1.1 直射波 在自由空间中, 电波沿直线传播而不被吸收, 也不发生反射、 折射和散射等现象而直接到达接收点的传播方式称为直射波传播直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗Lbs, Lbs的表示式为 式中, d为距离(km), f为工作频率(MHz) 2021/8/314第3章 移动通信的电波传播 3.1.2 视距传播的极限距离 图3-2 视距传播的极限距离 2021/8/315第3章 移动通信的电波传播 已知地球半径为R=6370 km, 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 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=8500 km, 可得修正后的视距传播的极限距离d0为 2021/8/316第3章 移动通信的电波传播 3.1.3绕射损耗 在移动通信中，通信的地形环境十分复杂，很难对各种地形引起的电波损耗做出准确的定量计算，只能作出一些定性分析，采用工程估算的方法在实际情况下，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设障碍物与发射点、接收点的相对位置如图3-3所示，图中x表示障碍物顶点P至直线AB之间的垂直距离，在传播理论中x称为菲涅尔余隙 2021/8/317第3章 移动通信的电波传播 图3-3 菲涅尔余隙（a） 负余隙; （b）正余隙 2021/8/318第3章 移动通信的电波传播 根据菲涅尔绕射理论，可得到障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图3-4 所示图中, 横坐标为x/x1，x1称菲涅尔半径（第一菲涅尔半径），且有 由图3-4可见，当横坐标x/x10.5时，则障碍物对直射波的传播基本上没有影响当x=0时，TR直射线从障碍物顶点擦过时，绕射损耗约为6 dB；当x0时，TR直射线低于障碍物顶点，损耗急剧增加。

（3-4）2021/8/319第3章 移动通信的电波传播 图3-4 绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系 2021/8/3110第3章 移动通信的电波传播 3.1.4 反射波 图3-5 反射波和直射波 2021/8/3111第3章 移动通信的电波传播 反射波与直射波的行距差为 由于直射波和反射波的起始相位是一致的，因此两路信号到达接收天线的时间差换算成相位差0为 再加上地面反射时大都要发生一次反相， 实际的两路电波相位差为 (3-5)(3-6)(3-7)2021/8/3112第3章 移动通信的电波传播 正态分布2021/8/3113第3章 移动通信的电波传播 3.1.5 多径效应与瑞利型(衰落特性) 设发射机发A cosct后, 接收机接收端收到的合成信号为 式中: Ri(t)为第i条路径的接收信号；i(t)为第i条路径的传输时间；i(t)为第i条路径的相位滞后，i(t)=-ci(t) 经大量观察表明，Ri(t)和i(t)随时间的变化与发射信号的载频周期相比，通常要缓慢得多，所以，Ri(t)和i(t)可以认为是缓慢变化的随机过程，故式（3-8)可以写成 （3-9）(3-8)2021/8/3114第3章 移动通信的电波传播 设: 则式（3-9）可写成 式中: U(t)为合成波R(t)的包络； (t)为合成波R(t)的相位。

(3-10)2021/8/3115第3章 移动通信的电波传播 由于Ri(t)和i(t)随时间的变化与发射信号的载频周期相比，是缓慢变化的，因此xc（t）、xs（t）及包络U(t)、相位(t)也是缓慢变化的通常，U(t)满足瑞利分布，相位(t)满足均匀分布， R(t)可视为一个窄带过程假设噪声为高斯白噪声，为噪声方差，r为接收信号的损失幅度，则包络概率密度函数p(r)和相位概率密度函数p()分别为： 2021/8/3116第3章 移动通信的电波传播 0r+ 02 (3-11)(3-12)2021/8/3117第3章 移动通信的电波传播 3.1.6 莱斯（Riceam）衰落分布 在移动通信中，如果存在一个起支配作用的直达波（未受衰落影响），这时，接收端接收信号的包络为莱斯（Riceam）分布如果你有一个复数的随机变量，它的实部和虚部互相独立、且都服从均值为零的正态分布，那么这个复数随机变量的模(即绝对值)服从瑞利分布如果实部和虚部中至少有一个均值不为零，则这个复数随机变量的模服从莱斯 (Rice) 分布在无线通信中，电波往往经过多条路径到达接收机收到的信号是多个信号的迭加根据大数定理，多个互相独立的随机变量之和趋於正态分布。

所以收到的复数信号的幅度服从瑞利或莱斯分布2021/8/3118第3章 移动通信的电波传播 http:/2021/8/3119第3章 移动通信的电波传播 总结 1、衰落 fading 无线信号衰落的定义是因随参信道引起的接收信号相位、幅度的随机变化 衰落信道作为无线/移动通信中的环境条件，对通信系统的影响非常显著甚至是具有决定性的作用 对不同衰落曲线进行仿真是在各种环境中评估接收机性能的基本要求2021/8/3120第3章 移动通信的电波传播 2、衰落的分类 快衰落 慢衰落 通常指的是信号相对于一个符号时间而言的变化的快慢2021/8/3121第3章 移动通信的电波传播 3、衰落的成因 多径因素：使得接收信号包络呈现小尺度衰落 多普勒因素： 多径因素 + 多普勒因素2021/8/3122第3章 移动通信的电波传播 4、衰落信道的统计特性（三个重要的概率分布问题）高斯分布 Gaussian Distribution 瑞利分布 Rayleigh Distribution 常见的用于描述平坦衰落信号的一种衰落类型莱斯分布 是由于在瑞利衰落分布的基础上，存在一条直射路径的影响而造成的 对数正态分布 Suzuki分布 2021/8/3123第3章 移动通信的电波传播 5、信道模型的分析和设计方法 根据信道在室内还是室外，移动还是不移动，视距还是非视距，有无障碍物各种情况综合考虑，可提出不同的信道模型。

不同的信道模型可以由实际测量得到，也可以根据基本信道模型进行综合分析得到2021/8/3124第3章 移动通信的电波传播 总结 瑞利衰落信道是一种无线电信号传播环境的统计模型这种模型假设信号通过无线信道之后，其信号幅度是随机的，即“衰落”，并且其包络服从瑞利分布 这一信道模型能够描述由电离层和对流层反射的短波信道，以及建筑物密集的城市环境 瑞利衰落只适用于从发射机到接收机不存在直射信号的情况，否则应使用莱斯衰落信道作为信道模型2021/8/3125第3章 移动通信的电波传播 如果你有一个复数的随机变量，它的实部和虚部互相独立、且都服从均值为零的正态分布，那么这个复数随机变量的模(即绝对值)服从瑞利分布 如果实部和虚部中至少有一个均值不为零，则这个复数随机变量的模服从莱斯 (Rice) 分布 在无线通信中，电波往往经过多条路径到达接收机收到的信号是多个信号的迭加根据大数定理，多个互相独立的随机变量之和趋於正态分布所以收到的复数信号的幅度服从瑞利或莱斯分布2021/8/3126第3章 移动通信的电波传播 接下来学习 3.2 电波传播特性的估算（工程计算） 引言：在进行系统设计时，需要掌握在基站周围所有地点处接收信号的平均强度及其变化特点，这就是传播预测问题。

人们根据对信道传播特性的研究提出了许多传播预测模型来进行预测大多数预测模型是建立在实验基础上的，还有的模型是建立在实验与理论结合基础上的，也有少数建立在纯理论基础上的模型 3.2.1 Egli John J.场强计算公式 3.2.2 奥村(Okumura)模型2021/8/3127第3章 移动通信的电波传播 3.2 电波传播特性的估算（工程计算） 3.2.1 Egli John J.场强计算公式 在实际中，由于移动通信的移动台在不停地运动计算绕射损耗中的x、x1的数值处于变化中，因而使用公式计算不平坦地区场强时遇到较大的麻烦 Egli John J.提出一种经验模型，并根据此模型提出经验修正公式，认为不平坦地区的场强等于平面大地反射公式算出的场强加上一个修正值，其修正值为 式中, f为工作频率，以MHz为单位 (3-14)2021/8/3128第3章 移动通信的电波传播 这样，不平坦地区的场强公式为 或者说，不平坦地带传播衰减 如果hT、hR采用米(m)表示，d用公里(km)表示，f用MHz表示， 则不平坦地区的传播衰耗LA为 (3-15)(3-16)(3-17)2021/8/3129第3章 移动通信的电波传播 3.2.2 奥村(Okumura)模型 OM模型适用的范围：频率为1501500 MHz，基地站天线高度为30200 m，移动台天线高度为110 m，传播距离为120 km。

2021/8/3130第3章 移动通信的电波传播 1. 市区传播衰耗中值 (3-18) 图3-6表明了基本衰耗中值Am(f, d)与工作频率、通信距离的关系可以看出随着工作频率的升高或通信距离的增大，传播衰耗都会增加图中，纵坐标以分贝计量，这是在基地站天线有效高度hb=200 m，移动台天线高度hm=3 m，以自由空间传播衰耗为基准(0 dB)， 求得的衰耗中值的修正值Am(f, d) 换言之， 由曲线上查得的基本衰耗中值Am(f, d)加上自由空间的传播衰耗Lbs才是实际路径衰耗LT， 即 2021/8/3131第3章 移动通信的电波传播 图3-6 大城市准平滑地形基本衰耗中值Am(f, d) 2021/8/3132第3章 移动通信的电波传播 例3-1 当d=10 km, hb=200 m, hm=3 m, f=900 MHz时，由式（-）可求得自由空间的传播衰耗中值Lbs为 查图3-6可求得Am(f, d)，即 利用式(3-18)就可以计算出城市街道地区准平滑地形的传播衰耗中值为 2021/8/3133第3章 移动通信的电波传播 图3-7 基地站天线高度增益因子Hb(hb,d) 2021/8/3134第3章 移动通信的电波传播 图3-8 移动台天线高度增益因子Hm(hm, f) 2021/8/3135第3章 移动通信的电波传播 在考虑基站天线高度因子与移动台天线高度因子的情况下，式（3-18）所示市区准平滑地形的路径传播衰耗中值应为注意符号！ 2021/8/3136第3章 移动通信的电波传播 例3-2 在前面计算城市地区准平滑地形的路径衰耗中值的例子中，当hb=200 m, hm=3 m, d=10 km, f=900 MHz时，计算得LT=141.5 dB。

若将基地站天线高度改为hb=50 m, 移动台天线高度改为hm=2 m, 利用图3-7、图3-8 可以对路径传播衰耗中值重新进行修正 2021/8/3137第3章 移动通信的电波传播 查图3-7得 查图3-8得 修正后的路径衰耗中值LT为 2021/8/3138第3章 移动通信的电波传播 图3-9 郊区修正因子Kmr 2021/8/3139第3章 移动通。