移動(dòng)信道傳播特性

1、1華南農(nóng)業(yè)大學(xué)華南農(nóng)業(yè)大學(xué)胡潔胡潔2影響電磁波傳播的三種基本傳播機(jī)制：影響電磁波傳播的三種基本傳播機(jī)制：3.1 VHF3.1 VHF、UHFUHF電波傳播特性電波傳播特性 3電波的三種基本傳播機(jī)制阻擋體阻擋體 反射反射( )比傳輸波長(zhǎng)大得多的物體比傳輸波長(zhǎng)大得多的物體 繞射繞射()尖利邊緣尖利邊緣 散射散射()粗糙表面粗糙表面3.1 VHF3.1 VHF、UHFUHF電波傳播特性電波傳播特性 453.1.2 3.1.2 直射波直射波 圖：直射波(Direct transmission)624dGGPPRTTR 直射波傳播可按自由空間傳播來考慮。所謂自由空間，通常指不存在電波的反射、折射、繞射等

2、現(xiàn)象，而且電波傳播速率等于真空中光速c的空間。 自由空間傳播模型用于預(yù)測(cè)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是完全無阻擋的視距路徑（line of sight:LOS）時(shí)的接收信號(hào)場(chǎng)強(qiáng).自由空間自由空間(free space )傳播方程傳播方程3.1.2 3.1.2 直射波直射波 7可見，當(dāng)收、發(fā)天線增益為0dB，即當(dāng)GR=GT=1時(shí)，自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗(Propagation Loss in free space)(Propagation Loss in free space)：24dPPLRTfs以dB計(jì)， 得 24101)(dgdBLfs)(4201)(dBdgdB或 )(201)(2014

3、4.32)(zfsMHgfkmgddBL式中，d d的單位為的單位為kmkm，頻率單位以，頻率單位以MHzMHz計(jì)計(jì)。 (3-13)3.1.2 3.1.2 直射波直射波 8TransmitterReceiverl電磁波在繞射點(diǎn)四處擴(kuò)散l繞射波覆蓋所有方向l擴(kuò)散損耗最為嚴(yán)重l計(jì)算公式復(fù)雜，隨不同繞射常數(shù)變化3.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 93.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 圖 3 3 障礙物與余隙 (a) 負(fù)余隙； (b) 正余隙 x表示障礙物頂點(diǎn)P至直射線TR的距離，稱為菲涅爾余隙菲涅爾余隙Fresnel clearan

4、ceFresnel clearance 。規(guī)定阻擋時(shí)余隙為負(fù)，無阻擋時(shí)余隙為正.10菲涅爾區(qū)(Fresnel Zone)l在發(fā)射器和接收器的直線上多大空間的障礙物要被清除l第一菲涅爾區(qū)的半徑:The first Fresnel zone radius DSSDR3.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 11由障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙的關(guān)系如圖 3 - 4 所示。圖圖 3 3 4 4 繞射損耗與余隙關(guān)系繞射損耗與余隙關(guān)系圖中，縱坐標(biāo)為繞圖中，縱坐標(biāo)為繞射引起的附加損耗，射引起的附加損耗，即相對(duì)于自由空間即相對(duì)于自由空間傳播的分貝數(shù)。橫傳播的分貝數(shù)。橫坐標(biāo)為坐標(biāo)

5、為x/x1, xx/x1, x是是菲菲涅爾余隙涅爾余隙，x1x1是是第第一菲涅爾區(qū)半徑一菲涅爾區(qū)半徑3.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 12 由圖由圖3 - 4 3 - 4 可見，當(dāng)可見，當(dāng)x x/ /x x1 10.5 0.5 時(shí)，附加損耗約時(shí)，附加損耗約為為0dB0dB， 即障礙物對(duì)直射波傳播基本上沒有影響。為即障礙物對(duì)直射波傳播基本上沒有影響。為此，在選擇天線高度時(shí)，根據(jù)地形盡可能使服務(wù)區(qū)內(nèi)此，在選擇天線高度時(shí)，根據(jù)地形盡可能使服務(wù)區(qū)內(nèi)各處的菲涅爾余隙各處的菲涅爾余隙x x0.50.5x x1 1; ; 當(dāng)當(dāng)x x0 0，即直射線低于，即直射線低于障礙物

6、頂點(diǎn)時(shí)，損耗急劇增加；當(dāng)障礙物頂點(diǎn)時(shí)，損耗急劇增加；當(dāng)x x=0=0時(shí)，即時(shí)，即TRTR直射線直射線從障礙物頂點(diǎn)擦過時(shí)，附加損耗約為從障礙物頂點(diǎn)擦過時(shí)，附加損耗約為 6 dB6 dB。 3.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 13由圖由圖 3 - 4 3 - 4 查得附加損耗查得附加損耗( (x x/ /x x1 1-1)-1)為為17dB, 17dB, 所以電波傳播的損所以電波傳播的損耗耗L L為為 例例 3 3 1 1 設(shè)圖設(shè)圖 3 - 3(3 - 3(a a) )所示的傳播路徑中，所示的傳播路徑中， 菲涅菲涅爾余隙爾余隙x=-82m, x=-82m, d d

7、1 1=5km, =5km, d d2 2=10km, =10km, 工作頻率為工作頻率為150MHz150MHz。試。試求出電波傳播損耗。求出電波傳播損耗。 解解 先由式先由式(3 - 13)(3 - 13)求出自由空間傳播的損耗求出自由空間傳播的損耗L Lfsfs為為 dBggLfs5 .99150201)105(20144.32由式由式(3 - 21)(3 - 21)求第一菲涅爾區(qū)半徑求第一菲涅爾區(qū)半徑x1x1為為 mddddx7 .811015101105234321211dBLLfs5 .116173.1.4 3.1.4 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 143.2 3.

8、2 移動(dòng)信道的特征移動(dòng)信道的特征 3.2.1 3.2.1 傳播路徑與信號(hào)衰落傳播路徑與信號(hào)衰落(Propagation Path and Signal Fading )(Propagation Path and Signal Fading ) 圖 3 6 移動(dòng)信道的傳播路徑 dd1d2hmhb15假設(shè)反射系數(shù)R=-1(鏡面反射)， 則合成場(chǎng)強(qiáng)E為 )1 (2102221djdjeaeaEE式中，E0是直射波場(chǎng)強(qiáng)，是工作波長(zhǎng)，1和2分別是地面反射波和散射波相對(duì)于直射波的衰減系數(shù)，而 dddddd22113.2.1 3.2.1 傳播路徑與信號(hào)衰落傳播路徑與信號(hào)衰落 16圖 3 7 典型信號(hào)衰落特性

9、 3.2.1 3.2.1 傳播路徑與信號(hào)衰落傳播路徑與信號(hào)衰落 17實(shí)線所示為短期衰落實(shí)線所示為短期衰落(Short-time Fade)(Short-time Fade)或叫快衰落（或叫快衰落（Fast Fast FadeFade）：）：是指接收信號(hào)的是指接收信號(hào)的瞬時(shí)值瞬時(shí)值。短期衰落是由移動(dòng)臺(tái)周圍（半。短期衰落是由移動(dòng)臺(tái)周圍（半徑徑50-10050-100波長(zhǎng)內(nèi)）的散射體（例如建筑物和構(gòu)筑物）或自然障礙波長(zhǎng)內(nèi)）的散射體（例如建筑物和構(gòu)筑物）或自然障礙物（例如樹林）對(duì)電波的反射在接收天線上造成多徑波干涉的結(jié)物（例如樹林）對(duì)電波的反射在接收天線上造成多徑波干涉的結(jié)果。所以，短期衰落有時(shí)稱為果

10、。所以，短期衰落有時(shí)稱為多徑衰落多徑衰落(multipath fading)(multipath fading)。場(chǎng)。場(chǎng)強(qiáng)起伏可達(dá)強(qiáng)起伏可達(dá)20-30dB20-30dB，甚至達(dá)到，甚至達(dá)到40dB40dB。虛線所示為長(zhǎng)期衰落（虛線所示為長(zhǎng)期衰落（Long-time FadeLong-time Fade）或慢衰落（）或慢衰落（Slow Slow FadeFade）：是指接收信號(hào)的平均值或是指接收信號(hào)的平均值或包絡(luò)（包絡(luò)（envelopeenvelope）。這個(gè)平均。這個(gè)平均值又稱為本地均值或小段中值，是由傳播路徑上的地形和人為環(huán)值又稱為本地均值或小段中值，是由傳播路徑上的地形和人為環(huán)境結(jié)構(gòu)的變化

11、而造成的境結(jié)構(gòu)的變化而造成的。3.2.1 3.2.1 傳播路徑與信號(hào)衰落傳播路徑與信號(hào)衰落 18圖 3-8 移動(dòng)臺(tái)接收N條路徑信號(hào) 3.2.2 3.2.2 多徑效應(yīng)與瑞利衰落多徑效應(yīng)與瑞利衰落 19lDopplerDoppler效應(yīng)的例子：火車經(jīng)過你的身邊（波源效應(yīng)的例子：火車經(jīng)過你的身邊（波源在移動(dòng)）在移動(dòng)）3.2.2 3.2.2 多徑效應(yīng)與瑞利衰落多徑效應(yīng)與瑞利衰落 當(dāng)接收體與聲源相互靠近時(shí)，接收頻率f大于發(fā)射頻率f即：f0當(dāng)接收體與聲源相互遠(yuǎn)離時(shí)，接收頻率f小于發(fā)射頻率 即： f0Rayleigh Rayleigh 分布分布：3.2.2 3.2.2 多徑效應(yīng)與瑞利衰落多徑效應(yīng)與瑞利衰落

12、253. 12)()(0drrprrEm20222)()(drrprrE均值均值：均方值均方值：26萊斯（萊斯（RiceRice）分布）分布-環(huán)境條件環(huán)境條件l直射系統(tǒng)直射系統(tǒng)中，接收信號(hào)中有視距信號(hào)中，接收信號(hào)中有視距信號(hào)(LOS)LOS)成為主導(dǎo)分量，成為主導(dǎo)分量，同時(shí)還有不同角度隨機(jī)到達(dá)的多徑分量疊加于其上同時(shí)還有不同角度隨機(jī)到達(dá)的多徑分量疊加于其上l或者或者非直射系統(tǒng)非直射系統(tǒng)中，源自某一個(gè)散射體路徑的信號(hào)功率特中，源自某一個(gè)散射體路徑的信號(hào)功率特別強(qiáng)別強(qiáng)3.2.2 3.2.2 多徑效應(yīng)與瑞利衰落多徑效應(yīng)與瑞利衰落 When LOS component present, Rice di

13、stribution is used27l萊斯分布概率密度函數(shù)萊斯分布概率密度函數(shù) I I0 0( () )是是0 0階第一類修正貝塞爾函數(shù)階第一類修正貝塞爾函數(shù)強(qiáng)直射波的存在使接收信號(hào)包絡(luò)從瑞利變?yōu)閺?qiáng)直射波的存在使接收信號(hào)包絡(luò)從瑞利變?yōu)槿R斯分布萊斯分布當(dāng)直射波進(jìn)一步增強(qiáng)萊斯分布趨進(jìn)當(dāng)直射波進(jìn)一步增強(qiáng)萊斯分布趨進(jìn)高斯分布高斯分布22()22022( )(0,0)rArAp reIAr瑞利分布瑞利分布 萊斯分布萊斯分布 高斯分布高斯分布3.2.2 3.2.2 多徑效應(yīng)與瑞利衰落多徑效應(yīng)與瑞利衰落 28 根據(jù)發(fā)送信號(hào)與信道變化快慢程度發(fā)送信號(hào)與信道變化快慢程度的比較，信道可分為快衰落信道（fast

14、 fading channel）和慢衰落信道（slow fading channel）. 在快衰落信道中，信道沖激響應(yīng)在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)變化很快. 在慢衰落信道中，信道沖激響應(yīng)在一個(gè)符號(hào)周期內(nèi)基本無變化。3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備 29 慢衰落由移動(dòng)通信路徑上的固定障礙物的陰影效應(yīng)引起。 陰影衰落（shadow fade）的速度與地形地貌、用戶的移動(dòng)速度有關(guān)，與載波頻率無關(guān) 陰影衰落的深度（intensity）與載波頻率有關(guān)，高頻信號(hào)的繞射能力不如低頻強(qiáng)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布（Lognormal distribution ）051015202530354000.0

15、50.10.150.20.250.30.353.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備 30多徑效應(yīng)（多徑效應(yīng)（multipath effect）：同一信號(hào)沿著兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播）：同一信號(hào)沿著兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播多普勒頻移（多普勒頻移（doppler shift）：移動(dòng)臺(tái)與基站之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或環(huán)境）：移動(dòng)臺(tái)與基站之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)或環(huán)境物體相對(duì)于基站和移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)物體相對(duì)于基站和移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng) 場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)隨機(jī)快速起伏場(chǎng)強(qiáng)信號(hào)隨機(jī)快速起伏 信道時(shí)變引起的多普勒頻移，隨機(jī)調(diào)頻信道時(shí)變引起的多普勒頻移，隨機(jī)調(diào)頻 多徑引起的延時(shí)擴(kuò)展多徑引起的延時(shí)擴(kuò)展v 移動(dòng)信道的系統(tǒng)特性表征移動(dòng)信道的系

16、統(tǒng)特性表征瑞利（瑞利（Rayleigh）分布）分布萊斯（萊斯（Rice）分布）分布 Nakagamim 分布分布3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備 31路徑損耗、快衰落和慢衰落3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備 32 為了防止因衰落為了防止因衰落( (包括快衰落和慢衰落包括快衰落和慢衰落) )引起引起的通信中斷，在信道設(shè)計(jì)中，的通信中斷，在信道設(shè)計(jì)中， 必須使信號(hào)的電平必須使信號(hào)的電平留有足夠的余量，以使中斷率（掉話率）留有足夠的余量，以使中斷率（掉話率）R R小于規(guī)小于規(guī)定指標(biāo)。這種電平余量稱為定指標(biāo)。這種電平余量稱為衰落儲(chǔ)備（衰落

17、儲(chǔ)備（fading fading marginmargin）。 衰落儲(chǔ)備的大小決定于地形、地物、工作頻衰落儲(chǔ)備的大小決定于地形、地物、工作頻率和要求的通信可靠性指標(biāo)。通信可靠性也稱作率和要求的通信可靠性指標(biāo)。通信可靠性也稱作可通率，并用可通率，并用T T表示，它與中斷率的關(guān)系是表示，它與中斷率的關(guān)系是T T=1-=1-R R。 3.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備 33區(qū)域類型接收機(jī)最小可用電平(dBm)手機(jī)靈敏度(dBm)快衰落保護(hù)余量(dB)慢衰落保護(hù)余量(dB)穿透損耗余量(dB)干擾噪聲保護(hù)余量(dB)環(huán)境噪聲保護(hù)余量(dB)人體損耗(dB)密集市區(qū)-70-

18、1023320213一般市區(qū)-76-1023215213市郊-82-1023210113農(nóng)村-93-10232133.2.3 3.2.3 慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備慢衰落特性和衰落儲(chǔ)備 表：接收機(jī)最小可用電平表：接收機(jī)最小可用電平接收機(jī)最小可用電平接收機(jī)最小可用電平=手機(jī)靈敏度手機(jī)靈敏度+衰落余量衰落余量+干擾余量干擾余量343.2.4 3.2.4 多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬 1. 多徑時(shí)散多徑時(shí)散 （Multipath time dispersion ） 假設(shè)基站發(fā)射一個(gè)極短的脈沖信號(hào)Si(t)=a0(t)，經(jīng)過多徑信道后，移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)呈現(xiàn)為一串脈沖， 結(jié)果使脈沖寬度被展寬了。這種因多

19、徑傳播造成信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散的現(xiàn)象，稱為多徑時(shí)散多徑時(shí)散。 35時(shí)間接收信號(hào)強(qiáng)度發(fā)射信號(hào)圖 3 14 多徑時(shí)散示例 3.2.4 3.2.4 多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬 36圖圖 3-15 時(shí)變多徑信道響應(yīng)示例時(shí)變多徑信道響應(yīng)示例 (a) N=3; (b) N=4; (c) N=5 t = t0t1t1+11t1+12t=t0+t2t2+22 t2+23t2+21t3t3+34t=t0+（a）（b）（c）3.2.4 3.2.4 多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬 37圖 3 16 多徑時(shí)延信號(hào)包絡(luò) 接收到的信號(hào)為N個(gè)不同路徑傳來的信號(hào)之和，即NiiiittSatS10)()(ai是第i條路

20、徑的衰減系數(shù),i(t)為第i條路徑的相對(duì)延時(shí)差3.2.4 3.2.4 多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬 38表 3 1 多徑時(shí)散參數(shù)典型值 表示多徑時(shí)散散布的程度。越大，時(shí)延擴(kuò)展越嚴(yán)重；越小，時(shí)延擴(kuò)展越輕。 時(shí)延擴(kuò)展時(shí)延擴(kuò)展( Delay spread )：3.2.4 3.2.4 多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬 020)( )(dtttEdtttE其中最大時(shí)延最大時(shí)延 是以包絡(luò)電平下降30dB時(shí)測(cè)定的時(shí)延值max39多徑時(shí)散的相關(guān)帶寬（多徑時(shí)散的相關(guān)帶寬（coherence bandwidth）21cB 例如，例如，=3s, =3s, B Bc c=1/(2=1/(2)=53kHz)

21、=53kHz。此時(shí)傳輸信。此時(shí)傳輸信號(hào)的帶寬應(yīng)小于號(hào)的帶寬應(yīng)小于B Bc c=53kHz=53kHz。 為時(shí)延擴(kuò)展，為時(shí)延擴(kuò)展，B Bc c為多徑時(shí)散的相關(guān)帶寬。若所傳輸?shù)臑槎鄰綍r(shí)散的相關(guān)帶寬。若所傳輸?shù)男盘?hào)帶寬較寬，以至與信號(hào)帶寬較寬，以至與B Bc c可比擬時(shí)，則所傳輸?shù)男盘?hào)將可比擬時(shí)，則所傳輸?shù)男盘?hào)將產(chǎn)生明顯的畸變（產(chǎn)生明顯的畸變（distortiondistortion）。）。 3.2.4 3.2.4 多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬 40頻率選擇性衰落頻率選擇性衰落(frequency selective fading)：在不同頻率衰落特性不一樣信號(hào)帶寬超出相關(guān)帶寬信號(hào)帶寬超出相

22、關(guān)帶寬，會(huì)導(dǎo)致頻率選擇性衰落；接收信號(hào)就會(huì)產(chǎn)生失真，它在時(shí)域表現(xiàn)為接收信號(hào)的碼間干擾（intersymbol interference）3.2.4 3.2.4 多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬 41 補(bǔ)充：相干時(shí)間（補(bǔ)充：相干時(shí)間（coherence time）l多普勒頻移計(jì)算：l相干時(shí)間計(jì)算： /vfmmcmcmcfTfTfT423. 0169,1或，或3.2.4 3.2.4 多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬 42符號(hào)周期（符號(hào)周期（symbol period）小于相干時(shí)間，）小于相干時(shí)間，產(chǎn)生慢衰落產(chǎn)生慢衰落符號(hào)周期（符號(hào)周期（symbol period）超出相干時(shí)間）超出相干時(shí)間

23、，產(chǎn)生快衰落產(chǎn)生快衰落 3.2.4 3.2.4 多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬 43基于多徑時(shí)延擴(kuò)散平衰落（flat fading）信號(hào)帶寬相干帶寬1.時(shí)延擴(kuò)散相干帶寬1.時(shí)延擴(kuò)散符號(hào)周期基于多普勒擴(kuò)散 快衰落 多普勒頻移大相干時(shí)間符號(hào)周期1.信道變化慢于基帶信號(hào)的變化衰落信道的分類衰落信道的分類3.2.4 3.2.4 多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬多徑時(shí)散與相關(guān)帶寬 44Signal propagationPropagation in free space always like light (straight line)Receiving power proportional to 1/d in