移动信道课件.ppt

第2章 移动信道2.1 引言 2.2 无线电波基本传输特性2.3 移动信道的多径传播特性2.4 多径衰落的时域和频域特征2.5 阴影效应2.6 电波传播损耗预测模型与中值路径损耗模型2.1 引言引言 n移动信道的衰落特性取决于无线电波传播环境不同的环境，其传播特性也不尽相同n复杂、恶劣的传播条件是移动信道的特征，这是由在运动中进行无线通信这一方式本身所决定的n对移动信道进行研究的基本方法有三种：理论分析、现场电波传播实测、移动信道的计算机模拟移动信道是连接发射机和接收机的媒介，其特性决定了信息论的容量，也决定了移动系统的表现所以，理解移动信道是非常必要的本章将回答传播的电磁现象传播的电磁现象，以及他们如何影响每一个多径分量多径分量（MultiPathComponent,MPC)分析信道参数的统计规律，即不关心功率或场强如何被特定的多径分量影响，而在于描述信道参数到达某个值得概率信道参数到达某个值得概率本章最后给出链路计算链路计算的原理和方法 n移动环境中电波传播特性研究的结果往往用下述两种方式给出：q对移动环境中电波传播特性给出某种统计描述q建立电波传播模型n为解决移动通信系统的设计问题，必须搞清三个问题：q无线电信号在移动信道中可能发性的变化以及发生这些变化的原因。

q对于特定的无线传输技术，这些变化对传输质量和系统性能有什么影响q有哪些方法或技术可供用来克服这些不利影响2.2 无线电波基本传播特性无线电波基本传播特性 n一、无线电波传播方式无线电波传播方式 无线电波从发射机天线发出，可以沿着不同的途径和方式到达接收机天线主要电波传播方式有地面波传播、天波传播、直射波传播以及地面反射波，见下图1）地面波传播 电波沿着地球表面传播的方式，要求天线的最大辐射方向沿地面，采用垂直极化地面波的传播损耗随着频率升高急剧增加，传播距离迅速减小，在VHF和UHF频段，可以忽略（2）天波传播 从天线发射向高空的电波在电离层内被连续折射而返回地面到达接收天线的传播方式，以短波为主，可数千公里远距离传播电离层特性的随机变化，天波信号的衰落现象比较严重（3）直射波传播从发射天线发出的电波直接到达在视距内的接收天线的传播方式，又称视距传播，为VHF和UHF频段的主要传播方式（4）地面反射波 从发射天线发出经过地面反射到达接收天线的电波在视距传播中，直射波与地面反射波之间的干涉构成对信号传播的主要影响，从而也成为地面移动通信中影响信号传播的重要因素二、自由空间电波传播自由空间电波传播- -发射天线和一个接受天线存在发射天线和一个接受天线存在于自由空间中于自由空间中 自由空间是满足下述条件的一种理想空间。

均匀无损耗的无限大空间；各向同性； 电导率为零，相对介电常数和相对磁导率恒为1，即介电常数和磁导率分别等于真空介电常数和真空磁导率自由空间是电波传播的最简化模型 在这种理想空间中，不存在电波的反射、折射、绕射、色散和吸收等现象，而且电波传播速率等于真空中光速c 在现实环境中，电波传播总要受到传播介质或障碍物的影响，程度因具体传播环境不同而不同如果传播介质与障碍物对电波传播影响的程度小到可以忽略，则这种条件下的电波传播可认为是自由空间传播自由空间的传播损耗 示意图自由空间的传播损耗n在自由空间传播条件下，接收信号功率Pr可用下式计算： 为发射天线的增益 qr是接收天线增益，是波长，d为传播距离上式Friis定律，第二项也称“自由空间损耗因子”n在工程上，通常用传输损耗来表示电波通过传输媒质时的功率损耗将发送功率Pt与接收功率Pr之比定义为传输损耗，或称系统损耗可得出传输损耗Ls的表达式为：n损耗常用分贝表示由上式可得式中，距离d 以km为单位，频率f 以MHz为单位也可表示为：自由空间路径损耗nLbs定义为自由空间路径损耗，有时又称为自由空间基本传输损耗，它表示自由空间中两个理想点源天线（增益系数G=1的天线）之间的传输损耗。

应该指出，Lbs与收、发天线增益无关，仅与频率和距离有关Lbs反映的确实是传输信道的特征自由空间损耗是扩散损耗n自由空间是不吸收电磁能量的理想介质这里所谓的自由空间传输损耗是指球面波在传播过程中，随着传播距离增大，电磁能量在扩散过程中引起的球面波扩散损耗实际上，接收天线所捕获的信号功率仅仅是发射天线辐射功率的很小一部分，而大部分能量都散失掉了，自由空间损耗正反映了这一点n当f或d扩大一倍时，Lbs均增加6dB三、三、 平滑表面反射平滑表面反射 （1）反射系数：入射波与其反射波的复振幅比值称为反射系数n反射系数与入射角，电波极化方式和反射介质的特性有关用公式表示为：其中反射介质的复介电常数表1 典型介电常数和电导率 介质介电常数(F/m)电导率(S/m)铜15.8*107海水804淡水800.001郊区地面140.01市区地面30.0001地面（平均）150.005典型地面传播两径模型 在简化条件下，地面电波传播的典型模型是一个两径模型：由基站天线与移动台天线之间的直射波和两者之间经过地面的反射波组成当传播路径远大于天线高度时，并假设一定的简化条件，接收天线B处的总场强为 这里， 是反射路径与直射路径的相位差，它与两者路径差的关系为反射公式当 时，可以推出近似公式 该公式称为反射公式，可用于典型地面传播环境中的场强计算。

上式可以写成 其物理意义是，相对于自由空间单径传播的场强 ，两径模型的场强 E 相当与乘了一个衰减因子A 四、光滑球面上电波传播（地球上的两径模型） n地球是一个球面体当基站天线较高、覆盖范围较大时，对于地面反射波应该考虑球面的影响n此时，将两径模型的反射面由平面变成球面更接近实际传播环境求解的思路是将球面等效成光滑平面，并应用前面的结论，如图所示n应用平面大地反射公式得到接收天线处场强为n实 际 情 况 是 地 球 半 径 很 大 ， 经 简 化 可 以 推 导 出 五、大气中电波传播（“标准大气”）n假设电波沿直线传播，在均匀大气中是正确的而实际无线信道，电波是在对流层中传播大气的温度、湿度和压力都随着地区和高度的不同而变化，因此是不均匀的，会使电波产生折射、散射以及吸收的现象，（1） 折射的基本概念n当电磁波从一种介质射入另一种介质时，传播方向会发生变化，这就是所谓折射现象，如图所示其中 是入射波与反射面法线间的夹角，称为入射角； 是折射波与法线间的夹角，称为折射角折射现象折射率n折射定律表明，入射角的正弦与折射角的正弦成比例，即有 比例因子 与介质有关，称为介质2对介质1的相对折射率。

当电磁波从真空射入某种介质时，所得到的折射率称为该介质的绝对折射率，或简称为折射率大气折射指数n大气折射率n通常很接近与1为了方便，工程上引入大气折射指数N与大气温度、压强和水蒸气压强的关系为 式中，T为绝对温度，单位卡尔文；e为水蒸气压强，单位毫巴；P为大气压强，单位毫巴2）大气折射 在大气对流层中，当高度不同时，参数T，e和P都会变化，因而大气折射率也随高度变化这就导致电波在对流层中传播时会不断发生折射，从而传输轨迹弯曲，这种现象称为大气折射 当天线较高，电波覆盖面积较大时，计算电波传播问题就不能忽略大气折射的影响工程上用等效的方法来处理，即将电波弯曲传播等效成直线传播这就需要引入等效地球半径的概念 大气折射率的变化对雷达定位、多普勒测速和红外光传输的有重要影响17世纪物理学家卡西尼建立了大气折射理论吗9世纪ARAGO对大气折射率进行了测量；1981年Jones发现除了温度和气压，二氧化碳对折射率的影响，82年Matsumito指出水汽对近红外波段的吸收导致反常的折射效应，1994年，Birch对大气折射率公式进行多次修正，之后Rueger对可见光波段和近红外波段计算公式进行了修正和化简大气折射示意图 q设想将对流层大气分成许多很薄的与地球同心的球层，层高为h，如图所示。

电波从A点由下层射入相邻的上层，入射角为由于高度不同，折射率发生变化，分别为n和n + n，并引起折射，折射角为 + q 求电波传播曲线在A点处的曲率半径设电波在上一层中传播到B点，作A点和B点的法线交于O 点当AB长度趋近于零时，O A的极限位置就是A点的曲率半径q应用折射定理，并考虑简化 条件，可以得到其中分母是折射率n随高度变化的梯度等效地球半径n电波在以等效地球半径Re为半径的球面上空沿直线传播与电波在实际地球上空沿曲线传播等效，如图所示所谓等效就是直线传播轨迹上任一点到等效地面的距离与曲线传播轨迹上的相应点到实际地面的距离相等根据几何学原理，如果两组曲线的曲率之差相等，则它们之间的距离相等，可得等效地球半径系数n定义K为等效地球半径系数等效地球半径与实际地球半径的关系为可以看出，等效地球半径系数与大气折射率随高度变化的梯度 有关大气折射的类型大气折射的类型n无折射无折射：大气是均匀的，电波沿直线传播，n负负折折射射：大气折射率随着高度的增加而增加，电波传播向上弯曲，n正正折折射射：大气折射率随着高度的增加而减少，电波传播向下弯曲正折射分为三种情况：（i）标准大气折射标准大气折射： ,在标准大气折射下的等效地球半径 。

ii）临界折射;（iii）超折射(3)视距传播的极限距离 n由于地球表面的弯曲，视线传播有一个极限距离并且，视线传播是一种远距离传播，必须考虑大气折射应该采用等效地球半径n可以得到A和B的距离为在标准大气折射的情况下，Re=8500Km，上式化简得到视距传播的极限距离为式中，h1和h2的单位是米，d的单位是千米六、 粗糙不平坦地面上电波传播 n以上讨论，将地面假设为光滑的，对电波的反射是理想的镜面反射实际传播环境中地面都是起伏不平的镜面反射仅在一定条件下存在n工程中要解决的问题是，在什么条件下，可以认为地面会引起理想的镜面反射；在什么条件下必须将地面看为是粗糙不平坦的n这个问题与多种因素有关，其中主要是工作频率和地面起伏程度粗糙地面简化模型 n假设有如图中所示的由两个平行面构成的地面，高度差为h现在分析两条平行的射线分别经过地面凹底部分反射和凸起部分反射后的行程差所谓行程差就是射线从波阵面A到波阵面B所经过的路径这里，还假设电波为平面波，入射角为n瑞利准则，可以得出光滑地面应该满足的条件是 n可以推出 七、障碍物的影响及绕射损耗 在实际陆地无线通信中，发射与接收之间的传播路径上，往往有山丘、建筑物、树木等障碍物存在。

此时，电波根据绕射原理越过障碍物的，由此而引起的损耗称为绕射损耗1）电波传播的费涅尔区 绕射损耗与电波传播费涅尔区的概念紧密相关由于波动特性，电波从发射端到接收端传播时的能量传送是分布在一定空间内的费涅尔提出一种简单的方法给出了这种传输空间区域的分布特性费涅尔区的概念 发射点天线T，接收天线R，发射波球面传播第一费涅尔区n费涅尔区是以收发天线为焦点的椭圆绕长轴旋转而构成的椭球体所占的空间（对第一费涅尔区而言），或者相邻椭球体之差所占的空间（对其他费涅尔区而言）所谓第费涅尔区就是以上 时所构成的费涅尔区n第费涅尔区 分布在收发天线的轴线上，是能量传送的主要空间区域理论分析表明，通过第费涅尔区到达接收天线的电磁波能量约占该天线接收到的总能量的12如果在这个区域内有障碍物存在，将会对电波传播产生较大的影响2）刃形障碍物的绕射 n当障碍物的宽度与其高度相比较很小，称为刃形障碍物对于刃形障碍物，可以不考虑宽度对电波传播的影响下图为刃形障碍物对电波传播影响的示意图n为了衡量障碍物对传播通路影响的程度，定义一个费涅尔余隙费涅尔余隙的概念如图中所示，障碍物定顶点P到发射端与接受端的连线TR的距离x称为费涅尔余隙。

当障碍物阻挡视通时，规定余隙为负；不阻挡视通时，规定余隙为正费涅尔余隙第一费涅尔区半径n由上图可以推导出，对于第一费涅尔区，n1，其半径为 式中，d的单位是km，的单位是mm，的单位是m在工程上，根据障碍物的费涅尔余隙与第一费涅尔区在障碍物处。