移动通信第2章节移动通信信道课件.ppt

第二章 移动通信电波与传播预测模型,三明学院数学与信息工程学院 2013年3月,《现代移动通信》,第二章 移动通信电波与传播预测模型,2,学习重点和要求,理解电波传播的基本特性 了解3种电波传播的机制 掌握自由空间和阴影衰落概念 掌握多径信道模型的原理和多径信道的参数 理解无线信道中信号经历多径衰落的基本特性，掌握多径传播与快衰落、阴影衰落、时延扩展与相干带宽的关系 掌握描述信道衰落特性的特征量,第二章 移动通信电波与传播预测模型,3,主要内容,2.1概述 电波传播的基本特性 电波传播特性的研究 2.2自由空间的电波传播 2.3 3种基本电波传播机制 反射与多径信号 绕射 散射,第二章 移动通信电波与传播预测模型,4,2.4 阴影衰落的基本特性 2.5 移动无线信道及特性参数 多径衰落的基本特性 多普勒频移 多径信道的信道模型 描述无线信道的主要参数 多径信道的统计分析 多径信道的分类 衰落特性的特征量,主要内容,第二章 移动通信电波与传播预测模型,5,主要内容,2.6 电波传播损耗预测模型 室外传播模型 室内传播模型 传播模型校正,第二章 移动通信电波与传播预测模型,6,2.1概述 2.2自由空间的电波传播 2.3 3种基本电波传播机制 2.4 阴影衰落的基本特性 2.5 移动无线信道及特性参数 2.6 电波传播损耗预测模型,主要内容,第二章 移动通信电波与传播预测模型,7,2.1 概述,主要内容,第二章 移动通信电波与传播预测模型,8,电波传播的基本特性 某个特定频段和特定环境中的传播机制 大尺度衰落（路径损耗） 小尺度衰落（幅度、相位、功率分布等） 如何研究无线移动通信信道？ 理论分析：用数学模型描述 现场电波实测：实验测量、验证、校正,2.1 概述,第二章 移动通信电波与传播预测模型,9,2.1 概述,某个特定频段和特定环境中的传播机制 极低频：典型应用为对潜通信，地下通信，地下遥感，电离层与磁层研究。

超低频：典型应用为地质结构（包括孕震效应）探测，电离层与磁层研究，对潜通信，地震电磁辐射前兆检测 甚低频：典型应用为Omega(美)、α（俄）超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测第二章 移动通信电波与传播预测模型,10,2.1 概述,低频：典型应用为LoranC（美）及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播 中频：用于广播、通信、导航（机场着陆系统）采用多元天线可实现较好的方向性，但是天线结构庞大 高频：用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地-空通信 特高频（分米波）：用于电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通信 超高频（厘米波）：用于多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道 极高频（毫米波）：用于短距离通信，雷达，卫星遥感此波段及以上波段的系统设备和技术有待进一步发展第二章 移动通信电波与传播预测模型,11,2.1 概述,第二章 移动通信电波与传播预测模型,12,2.1 概述,2.1.1 电波传播的基本特性 按视距分类 视距信道：直射传播（LOS：Light-Of-Sight），如卫星传播信道 非视距信道：非直射传播（Non-LOS）：绕射、散射、反射 按不同距离内信号强度变化的快慢分类 大尺度衰落 小尺度衰落 按信号与信道变化快慢程度的比较分类 长期慢衰落 短期快衰落,第二章 移动通信电波与传播预测模型,13,2.1 概述,直射传播：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。

直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗:,其中,d为距离(km), f为工作频率(MHz)第二章 移动通信电波与传播预测模型,14,2.1 概述,,反射(reflection) ：当电磁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 散射(scattering) ：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，发生散射散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体 绕射(diffraction) ：当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射第二章 移动通信电波与传播预测模型,15,图2-1 典型的移动信道电波传播方式,,,1.直射波(最强),3.绕射波(次强),2.反射波(次强),4.散射波(最弱),散射体,,,2.1 概述,第二章 移动通信电波与传播预测模型,16,2.1 概述,大尺度衰落：用于描述发射机与接收机之间的长距离（几百或几千米）或长时间上信号强度的慢速变化，又叫做长期慢衰落 小尺度衰落：用于描述发射机与接收机之间的短距离（几个波长）或短时间（秒级）内信号强度的快速变化，又叫做短期快衰落。

两种衰落并非独立，同时存在与无线信道中,第二章 移动通信电波与传播预测模型,17,2.1 概述,无线移动通信信道的基本概念 r(t)=m(t)×r0(t) 长期慢衰落：m(t) 路径损耗：自由空间损耗 由信道路径上的固定障碍物的阴影产生，∝ d-n 短期快衰落：r0(t) 由移动台的运动和环境变化产生,第二章 移动通信电波与传播预测模型,18,2.1 概述,长期慢衰落和短期快衰落,移动台相对位移（距离）,移动台运动的小区域,基站发射天线,实线：短期快衰落 虚线：长期慢衰落,r0(t),,m(t),,2.1 概述,第二章 移动通信电波与传播预测模型,20,2.2 自由空间的电波传播,第二章 移动通信电波与传播预测模型,21,2.2 自由空间的无线电传播,自由空间电波传播 在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，无反射、折射、绕射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散引起的传播损耗 预备知识 天线的方向性 天线的方向性功率增益 天线的有效面积与功率增益的关系,第二章 移动通信电波与传播预测模型,22,2.2 自由空间的无线电传播,前提：发射天线远离地球，或没有阻挡物； 设： 在接收天线方向，具有增益Gt;在发射天线方向，接收天线的增益为Gr; 发射功率为Pt； 接收天线与发射天线的距离为d；,第二章 移动通信电波与传播预测模型,23,2.2 自由空间的无线电传播,接收天线接收到的信号功率 Frris自由空间模型(Friis H.T.,Proc. IRE,1946) Ar=l2Gt/(4p)为天线接收的有效面积。

传播损耗为L=Pt/Pr,第二章 移动通信电波与传播预测模型,24,2.2 自由空间的无线电传播,传播损耗，也称为路径损耗 当Gt = Gr=1时，自由空间的传播损耗为 L=(4pd /l)2 L(dB)=32.44+20lgf+20lgd 注意： 1) f的单位为MHz，d的单位为Km; 2) d需要满足d D (D为天线最大物理直线尺寸)和dl;,第二章 移动通信电波与传播预测模型,25,2.3 3种基本电波传播机制,第二章 移动通信电波与传播预测模型,26,2.3 3种基本电波传播机制,2.3.1 反射与多径信号 反射,反射系数：,第二章 移动通信电波与传播预测模型,27,两径传播模型 L= PT/PR= (4dp/l)2/(GtGr),,,,,R是地面反射系数 取决于介电常数和波长,,,,d,2.3 3种基本电波传播机制,第二章 移动通信电波与传播预测模型,28,2.3 3种基本电波传播机制,推广到多径情况 多径数量很大时，必须用统计方法计算接收功率 两径传播模型适用于开阔地区移动信道,第二章 移动通信电波与传播预测模型,29,2.3 3种基本电波传播机制,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，发生散射。

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、街道标志和灯柱等会引发散射第二章 移动通信电波与传播预测模型,30,2.4 阴影衰落的基本特性,第二章 移动通信电波与传播预测模型,31,2.4 阴影衰落的基本特性,什么是阴影衰落？ 由移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波路径的阻挡而形成的电磁场半盲区（长期慢衰落 / 大尺度衰落 /阴影效应）,,,阴影衰落过大，无法接收信号,第二章 移动通信电波与传播预测模型,32,2.4 阴影衰落的基本特性,传播损耗受阴影衰落影响，可表示为 写为对数形式时表示为 服从均值为0，方差为 的对数正态分布m为路径损耗指数,,第二章 移动通信电波与传播预测模型,33,2.4 阴影衰落的基本特性,阴影损耗的标准偏差 特点： 电平起伏相对缓慢 衰落与地形、地物的分布和高度有关,,,第二章 移动通信电波与传播预测模型,34,2.5 移动无线信道及特性参数,第二章 移动通信电波与传播预测模型,35,2.5 移动无线信道及特性参数,时域（时间色散）：多径效应引起信号的时延扩展，接收信号的信号分量被展宽 相关带宽与信号带宽: 频率选择性衰落与频率平坦性衰落 频域（频率色散）：多谱勒效应引起频域扩展，接收信号产生多谱勒频展。

相关时间与信号的数据字符周期：时间选择性衰落和时间平坦性衰落 空域（角度色散）：角度扩展引起空间相关性，接收信号产生空间选择性衰落 空间强相关信道及独立衰落信道,第二章 移动通信电波与传播预测模型,36,2.5 移动无线信道及特性参数,2.5.1 多径衰落的基本特性,第二章 移动通信电波与传播预测模型,37,2.5 移动无线信道及特性参数,多径衰落 在移动通信环境中，发射的电波经历了不同路径； 导致传播时间和相位均不相同 接收信号的幅度在较短时间内急剧变化，产生了衰落第二章 移动通信电波与传播预测模型,38,2.5 移动无线信道及特性参数,多径衰落现象,,,,,,,,,,,,,,,,,第二章 移动通信电波与传播预测模型,39,2.5 移动无线信道及特性参数,2.5.2 多普勒频移 多谱勒效应：移动台在移动中通信，接收信号频率会发生变化的现象 多谱勒频移(Doppler Frequency Shift)与移动速度、方向,第二章 移动通信电波与传播预测模型,40,,2.5 移动无线信道及特性参数,第二章 移动通信电波与传播预测模型,41,2.5 移动无线信道及特性参数,多谱勒效应的解释 相位发生随机变化，即随机调频信号 多径信道中，一个单频信号f扩展为f＋fd，导致频谱扩展。

多谱勒效应主要影响接收机的误码性能,第二章 移动通信电波与传播预测模型,42,2.5 移动无线信道及特性参数,2.5.3 多径信道模型,假设输入信号为 多径环境下的接收信号,可分辨多径数目,每径衰落系数,每径时延,每径相移,第二章 移动通信电波与传播预测模型,43,基于时延扩展,2.5 移动无线信道及特性参数,2.5.4 多径信道主要参数&2.5.6多径衰落信道分类 时域上分析（频率选择性衰落）,第二章 移动通信电波与传播预测模型,44,2.5 移动无线信道及特性参数,时延扩展 在一串接收脉冲中，最大传输时延和最小传输时延的差值，记为△ 时延扩展程度∝△，引起码间串扰 第二章 移动通信电波与传播预测模型,45,2.5 移动无线信道及特性参数,相关带宽 信号中不同频率分量通过多径信道后，所受衰落是否相同依赖于信号带宽与相干带宽； 信号带宽 相干带宽：频率选择性衰落 信号带宽 相干带宽：非频率选择性衰落 两径信号(频率差为s)的包络相关系数 相干带宽BC＝1/(2πΔ),,第二章 移动通信电波与传播预测模型,46,2.5 移动无线信道及特性参数,频率选择性衰落,BS BC ( TS Δ),所传输的信号带宽大于相干带宽,则所传输的信号将产生明显的畸变如图所示。

通过图的动态变化，我们可以看出： 在信号带宽范围内，对不同的频率成份有了不同的响应，也就是说对信号的频率具有了选择性，信号发生了失真；,2.5 移动无线信道及特性参数,第二章 移动通信电波与传播预测模型,48,2.5 。