移動(dòng)通信原西安交大本詳解演示文稿

移動(dòng)通信原西安交大版本詳解演示文稿第一頁，共四十七頁。優(yōu)選移動(dòng)通信原西安交大版本第二頁，共四十七頁。本次課教學(xué)目的：理解移動(dòng)通信的電波傳播特性掌握移動(dòng)信道的衰落特性掌握多徑衰落特性第2章移動(dòng)信道第三頁，共四十七頁。概述（1）為何要研究傳播特性發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的傳播路徑非常復(fù)雜接收天線將接收從多條路徑傳來的信號(hào)移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)周圍環(huán)境的變化傳播特性直接關(guān)系到以下因素天線高度的確定預(yù)測(cè)信號(hào)的覆蓋范圍為實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)可靠的通信需采用何種抗衰落技術(shù)……第四頁，共四十七頁。概述（2）研究傳播特性的基本方法理論分析

即用電磁場(chǎng)理論或統(tǒng)計(jì)理論分析電波在移動(dòng)環(huán)境中的傳播特性，并用各種模型來描述移動(dòng)信道?，F(xiàn)場(chǎng)電波傳播實(shí)測(cè)

即在不同的傳播環(huán)境中，做電波傳播試驗(yàn)。測(cè)試參數(shù)包括接收信號(hào)幅度、時(shí)延以及其它反映信道特征的參數(shù)。計(jì)算機(jī)模擬

即利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的計(jì)算能力，快速靈活地模擬各種移動(dòng)環(huán)境。該方法可彌補(bǔ)前兩種方法的不足。第五頁，共四十七頁。概述（3）一般的三級(jí)模型路徑損耗長程范圍內(nèi)平均信號(hào)電平取決于發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間的距離陰影短程范圍內(nèi)平均信號(hào)電平在50100波長距離內(nèi)平均得到由地形或人造障礙引起多徑衰落來自不同方向不同長度路徑信號(hào)引起的干擾信號(hào)包絡(luò)在幾個(gè)波長間距內(nèi)的變化幅度可達(dá)30dB第六頁，共四十七頁。據(jù)信道特性參數(shù)隨時(shí)間變化的快慢，通常又分為：恒參信道：傳輸特性隨時(shí)間變化速度極慢，或者說在足夠長的時(shí)間內(nèi)，其參數(shù)基本不變。變參信道：傳輸特性隨時(shí)間的變化較快。

2.1電波傳播特性第七頁，共四十七頁。2.1.1無線電波的傳播機(jī)制自由空間（無阻擋物）：視距傳播LOS(line-of-sight)存在阻擋物（多條路徑）:反射：當(dāng)電磁波遇到比波長大得多的物體時(shí)，會(huì)發(fā)生反射繞射：當(dāng)接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的無線路徑被尖利的邊緣阻擋時(shí)，會(huì)發(fā)生繞射散射：當(dāng)波穿行的介質(zhì)中存在小于波長的物體并且單位體積內(nèi)阻擋體的個(gè)數(shù)非常巨大時(shí)，會(huì)發(fā)生散射。2.1電波傳播特性第八頁，共四十七頁。自由空間傳播模型

自由空間均勻無損耗的無限大空間。各向同性。電導(dǎo)率為0，相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率為1。傳播損耗本質(zhì)：球面波在傳播過程中，隨著傳播距離增大，電波能量在擴(kuò)散過程中所引起的球面波擴(kuò)散損耗。接收天線所捕獲的信號(hào)功率是發(fā)射天線輻射功率的很小部分。2.1.2直射波第九頁，共四十七頁。自由空間傳播模型

模型適用范圍接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間是完全無阻隔的視距路徑LOS。僅當(dāng)視距大于發(fā)射天線遠(yuǎn)場(chǎng)距離時(shí)適用。遠(yuǎn)場(chǎng)距離df=2D2/λ（D為天線的最大物理線性尺寸）距發(fā)射機(jī)d處天線的接收功率數(shù)學(xué)表達(dá)式（Friis公式）（2.1）

其中，L是與傳播無關(guān)的系統(tǒng)損耗因子；λ為波長。第十頁，共四十七頁。自由空間傳播模型自由空間傳播模型

距發(fā)射機(jī)d處天線的接收功率物理意義

—與d2成反比→距離越遠(yuǎn)，衰減越大。

—與λ2成正比（與f2成反比）→頻率越高，衰減越大。

—綜合損耗L(L>=1)通常歸因于傳輸線衰減、濾波損耗和天線損耗，L＝1則表明系統(tǒng)硬件中無損耗。第十一頁，共四十七頁。自由空間傳播模型自由空間傳播模型路徑損耗表示信號(hào)衰減，單位為dB的正值。為有效發(fā)射功率和接收功率之間的差值，如下表示：第十二頁，共四十七頁。2.1.3大氣中的電波傳播1、大氣折射

低層大氣并不是均勻介質(zhì)－折射與吸收大氣折射對(duì)電波傳播的影響，在工程上通常用“地球等效半徑”來表征。實(shí)際半徑是6370km,等效地球半徑為8500km。第十三頁，共四十七頁。2.1.3大氣中的電波傳播2、視線傳播極限距離

第十四頁，共四十七頁。2.1.4障礙物的影響與繞射損耗繞射使得無線電信號(hào)可以傳播到阻擋物后面。繞射可用惠更斯原理解釋波前上的所有點(diǎn)可作為產(chǎn)生次級(jí)波的點(diǎn)源，這些次級(jí)波組合起來形成傳播方向上新的波前。當(dāng)電波到達(dá)阻擋物的邊緣時(shí)，由次級(jí)波的傳播進(jìn)入陰影區(qū)。x表示障礙物頂點(diǎn)至直射線的距離，稱為菲涅爾余隙。規(guī)定阻擋時(shí)余隙為負(fù)，無阻擋時(shí)余隙為正。

第十五頁，共四十七頁。菲涅爾區(qū)指從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)的次級(jí)波路徑長度比總的視距長度大nλ/2的連續(xù)區(qū)域（即圖中的圓環(huán)）。菲涅爾區(qū)中相鄰的同心圓之間的路徑差為λ/2，則兩條路徑的相位差為。從連續(xù)費(fèi)涅爾區(qū)傳播出去的次級(jí)波對(duì)總的接收信號(hào)交替產(chǎn)生增加和減小合成信號(hào)的作用。

第n個(gè)費(fèi)涅爾區(qū)同心的半徑可用以下公式表示:2.1.4障礙物的影響與繞射損耗第十六頁，共四十七頁。2.1.4障礙物的影響與繞射損耗x/r1＞0.5時(shí)附加損耗為0dB。X<0時(shí)損耗急劇增加。X=0時(shí)TR射線從障礙物頂點(diǎn)擦過，損耗為6dB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)各處的菲涅爾區(qū)余隙x/r1＞0.5第十七頁，共四十七頁。2.1.5反射波反射波：第十八頁，共四十七頁。2.1.5反射波（2）地面反射模型（雙線或兩徑傳播模型）：

視距和地面反射的路徑差Δ為：當(dāng)T－R距離d遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于ht+hr時(shí)，上式可使用泰勒級(jí)數(shù)進(jìn)行近似簡化：

第十九頁，共四十七頁。2.1.5反射波接收功率為：

適用條件：當(dāng)距離很大時(shí)，接收功率隨距離成4次方衰減。對(duì)較大的d值，接收功率和路徑損耗與頻率無關(guān)。第二十頁，共四十七頁。2.1.6散射實(shí)際移動(dòng)環(huán)境中，接收信號(hào)比單獨(dú)繞射和反射模型預(yù)測(cè)的要強(qiáng)，這是因?yàn)楫?dāng)電波遇到粗糙表面時(shí)，發(fā)生散射作用，這就給接收機(jī)提供了額外的能量。預(yù)測(cè)接收點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)是研究傳播模型的主要目的，通過以上的學(xué)習(xí)，同學(xué)們可以對(duì)預(yù)測(cè)接收點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)有定性（非定量）的分析。第二十一頁，共四十七頁。2.2移動(dòng)信道的衰落特性2.2.1概述

移動(dòng)信信道的時(shí)變特性

自由空間傳播損耗與彌散

陰影衰落系統(tǒng)設(shè)計(jì)

多徑衰落抗衰落技術(shù)第二十二頁，共四十七頁。陰影衰落：起伏地形、建筑物、植被（高大的樹林）的阻擋，移動(dòng)臺(tái)通過陰影區(qū)時(shí)會(huì)引起陰影衰落特點(diǎn):長期衰落（大尺度衰落）,與無線電傳播地形和地物的分布、高度有關(guān)慢衰落的衰落速率與頻率無關(guān)，這一點(diǎn)與快衰落不同

慢衰落的深度，取決于信號(hào)頻率與障礙物的狀況。

2.2.1移動(dòng)信道的衰落特性第二十三頁，共四十七頁。慢衰落的局部均值近似服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布。其標(biāo)準(zhǔn)偏差郊區(qū)比市區(qū)大；且隨著工作頻率的升高而增大。2.2.1移動(dòng)信道的衰落特性第二十四頁，共四十七頁。多普勒頻移成因：路程差造成的接收信號(hào)相位變化值，進(jìn)而產(chǎn)生多普勒頻移。后果：信號(hào)經(jīng)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機(jī)信號(hào)的多普勒擴(kuò)展，進(jìn)而增加信號(hào)帶寬。數(shù)學(xué)推導(dǎo)2.2.2移動(dòng)信道的衰落特性第二十五頁，共四十七頁。2.2.3衰落信號(hào)幅度的特征量工程實(shí)用中，常常用一些特征量表示衰落信號(hào)的幅度特點(diǎn)。衰落率：信號(hào)包絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)以正斜率通過中值電平的次數(shù)。電平通過率：信號(hào)包絡(luò)在單位時(shí)間內(nèi)以正斜率通過某規(guī)定電平R的平均次數(shù)。衰落持續(xù)時(shí)間：信號(hào)包絡(luò)低于某個(gè)給定電平值的概率與該電平值所對(duì)應(yīng)的電平通過率之比。第二十六頁，共四十七頁。1、衰落率衰落率與發(fā)射頻率、移動(dòng)臺(tái)行進(jìn)速度、方向及多徑傳播的路徑數(shù)有關(guān)。測(cè)試結(jié)果表明，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)的行進(jìn)方向朝著或背著電波傳播方向時(shí)，衰落最快。衰落深度與衰落速率密切相關(guān)。深度衰落發(fā)生的次數(shù)較少，淺度衰落發(fā)生得相當(dāng)頻繁。第二十七頁，共四十七頁。2、電平通過率衰減20dB概率為1%，衰減30dB和40dB的概率分別為0.1%和0.01%。第二十八頁，共四十七頁。3、衰落持續(xù)時(shí)間由于每次衰落的持續(xù)時(shí)間也是隨機(jī)的，所以只能給出平均衰落持續(xù)時(shí)間。(如上圖tA)接收信號(hào)電平低于接收機(jī)門限電平時(shí)，就可能造成語音中斷或誤比特率突然增大。第二十九頁，共四十七頁。移動(dòng)信道是彌散信道。多徑傳播是陸地移動(dòng)通信的主要特征。近端區(qū)域?qū)Χ鄰接绊懘笮〕叨人ヂ涑梢颍河赏粋鬏斝盘?hào)沿兩個(gè)或多個(gè)路徑傳播，以微小的時(shí)間差到達(dá)接收機(jī)的信號(hào)相互干涉所引起的。

效應(yīng)短距或短時(shí)傳播后信號(hào)強(qiáng)度的急速變化。不同多徑信號(hào)上，存在時(shí)變的多普勒頻移。多徑傳播時(shí)延引起的擴(kuò)展（回音）。2.2.4多徑衰落第三十頁，共四十七頁。下圖示意了Rayleigh概率密度函數(shù)。相應(yīng)的Rayleigh累積分布函數(shù)(CDF)如圖所示。2.2.4多徑衰落第三十一頁，共四十七頁。多徑衰落電波通過移動(dòng)信道后，信號(hào)在時(shí)域上、頻域上和空間（角度）上都產(chǎn)生彌散，本來分開的波形在時(shí)間上或頻譜上或空間上會(huì)產(chǎn)生交疊，使信號(hào)產(chǎn)生衰落失真。

當(dāng)信號(hào)帶寬大于相關(guān)帶寬時(shí)就會(huì)發(fā)生頻率選擇性衰落--相關(guān)頻率。多普勒效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致發(fā)送信號(hào)在傳輸過程中，信道特性發(fā)生變化，產(chǎn)生所謂的時(shí)間選擇性衰落—相干時(shí)間?？沼蛏喜ㄊ慕嵌葦U(kuò)散造成了同一時(shí)間、不同地點(diǎn)的信號(hào)衰落起伏不一樣，即所謂的空間選擇性—相干距離。時(shí)延擴(kuò)展和相關(guān)頻率、多普勒擴(kuò)展和相關(guān)時(shí)間、角度擴(kuò)展和相干距離的關(guān)系？

第三十二頁，共四十七頁。功率時(shí)延分布（PDP，PowerDelayProfile）描述信道在時(shí)間上的色散；多普勒功率譜密度（DPSD，DopplerPowerSpreadDensity）：描述信道在頻率上的色散；功率角度譜（PAS，PowerAzimuthSpectrum）：描述信道在角度上的色散。2.3多徑衰落

（描述多徑衰落信道的主要參數(shù)）第三十三頁，共四十七頁。2.3.1時(shí)延擴(kuò)展與相干帶寬時(shí)間色散(TimeDispersionParameters)

定義：因多徑傳播造成信號(hào)時(shí)間擴(kuò)散的現(xiàn)象。成因：發(fā)射信號(hào)經(jīng)過不同路徑到達(dá)接收點(diǎn)的時(shí)間各不相同。例子說明，以發(fā)射單脈沖為例。

時(shí)變多徑信道響應(yīng)示例(a)N=3(b)N=4(c)N=5第三十四頁，共四十七頁。2.3.1時(shí)延擴(kuò)展與相干帶寬時(shí)間色散(TimeDispersionParameters)

不同時(shí)間發(fā)送的脈沖信號(hào)經(jīng)歷不同時(shí)延情況如下

第三十五頁，共四十七頁。描述時(shí)間色散的重要參數(shù)平均附加時(shí)延rms時(shí)延擴(kuò)展最大附加時(shí)延(XdB)多徑能量從初值衰落到低于最大能量處XdB的時(shí)延，即tx-t0（其中 ） 1、時(shí)延擴(kuò)展第三十六頁，共四十七頁。1、時(shí)延擴(kuò)展室內(nèi)功率延時(shí)分布第三十七頁，共四十七頁。描述時(shí)間色散的重要參數(shù)多徑時(shí)間色散參數(shù)典型值（450MHz

900MHz）如下表所示。由表可見：市區(qū)的時(shí)延要比郊區(qū)大，也就是說，從多徑時(shí)間色散考慮，市區(qū)傳播條件更為惡劣。為了避免碼間干擾，如無抗多徑措施，則要求信號(hào)的傳輸速率必須比1/στ低得多。1、時(shí)延擴(kuò)展第三十八頁，共四十七頁。2、相干帶寬舉例說明：雙射線信道雙射線信道的等效網(wǎng)絡(luò)框圖接收信號(hào)雙射線信道的等效傳遞函數(shù)第一射線信號(hào)：Xi(t)，第二射線信號(hào)：aXi(t)第三十九頁，共四十七頁。2、相干帶寬舉例說明：雙射線信道雙射線信道的幅頻特性w1+a1-aA(w,t)(2n+1)π/

st2nπ/

st附加圖3雙射線信道的幅頻特性第四十頁，共四十七頁。2、相干帶寬舉例說明：雙射線信道雙射線信道的信道的幅頻特性由上圖可知，兩個(gè)谷點(diǎn)之間的頻率差為：或：可見：兩相鄰場(chǎng)強(qiáng)為最小的頻率間隔，是與多徑時(shí)延擴(kuò)展成反比的。例2.1第四十一頁，共四十七頁。起因：由時(shí)間色散引起。定義：指某一特定頻率范圍內(nèi)，在該范圍內(nèi)，任兩個(gè)頻率分量有很強(qiáng)的幅度相關(guān)性，即所有頻率分量幾乎具有相同的增益及線性相位。定量表達(dá)式:如果相干帶寬定義為頻率相關(guān)系數(shù)大于0.9的某特定帶寬，則相干帶寬近似為：如果將定義放寬至相關(guān)函數(shù)值大于0.5，則相干帶寬近似為：2、相干帶寬第四十二頁，共四十七頁。2、相干帶寬信號(hào)帶寬遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于相干帶寬的情況如圖所示，通過圖的動(dòng)態(tài)變化我們可以看出：1）在信號(hào)帶寬范圍內(nèi)，各頻點(diǎn)的幅度有基本相同的增益，也就是說，發(fā)送信號(hào)的頻譜基本保持不變；2）信道的增益是隨著時(shí)間變化的，也就是接收端信號(hào)的功率是不斷變化的，這種信號(hào)忽大忽不小的變化就是衰落。第四十三頁，共四十七頁。2、相干帶寬所傳輸?shù)男盘?hào)帶寬大于相干帶寬,