移動(dòng)環(huán)境下的電波傳輸

內(nèi)容概述移動(dòng)環(huán)境下電波傳輸?shù)幕痉绞揭苿?dòng)環(huán)境下電波傳輸?shù)幕拘?yīng)1第一頁，共五十六頁。為什么研究移動(dòng)環(huán)境電波傳播？建立無線移動(dòng)信道模型，預(yù)測接收信號(hào)場強(qiáng)；組網(wǎng)規(guī)劃、基站選址、無線覆蓋預(yù)測；抗多徑、抗干擾、抗衰落技術(shù)；2第二頁，共五十六頁。移動(dòng)信道的特點(diǎn)移動(dòng)通信信道的主要三個(gè)特點(diǎn)：傳播的開放性傳播環(huán)境的復(fù)雜性與多樣性通信用戶的隨機(jī)移動(dòng)性3第三頁，共五十六頁。移動(dòng)環(huán)境下電波傳輸?shù)幕痉绞?)直射波

2)反射波

3)繞射波4)穿透建筑物的傳播

5)漫反射產(chǎn)生的散射波

從移動(dòng)信道中的電磁波傳播方式上看可分為：4第四頁，共五十六頁。直射波——視距傳播（LOS）自由空間功率通量密度（W/m2），表示通過單位球表面積的輻射功率：式中Gt

發(fā)射機(jī)天線增益。5第五頁，共五十六頁。直射波——視距傳播（LOS）在電磁波覆蓋區(qū)域范圍內(nèi)，接收機(jī)天線“捕獲”功率通量的一小部分。天線孔徑Ae，直觀地為垂直于通量的等效天線面積：式中Gr接收機(jī)天線增益。6第六頁，共五十六頁。直射波——視距傳播（LOS）接收功率(Pr)=功率通量密度(Pd)×Ae

/LPt為發(fā)射機(jī)輸出功率Gt

和Gr為天線增益λ

為載波波長L為饋線損耗7第七頁，共五十六頁。自由空間傳播模型路徑損耗，指發(fā)射器和接收器之間由傳播環(huán)境引入的功率損耗的量，一般由dB（分貝）表示：其中，d以km為單位，f以MHz為單位8第八頁，共五十六頁。反射良導(dǎo)體反射無衰減。絕緣體只反射入射波能量的一部分：“Grazing角”，100%反射直角入射，100%透射反射造成180°相移不同頻率電磁波的色散9第九頁，共五十六頁。反射波的疊加——干涉綠色信號(hào)比藍(lán)色信號(hào)到達(dá)紅接收點(diǎn)的傳輸距離長1/2λ。對(duì)2GHz信號(hào)，λ(波長)=15cm10第十頁，共五十六頁。菲涅爾區(qū)直射波與反射波的相位差介于和的區(qū)域稱為第n菲涅耳區(qū)：恒時(shí)延橢圓軌跡的邊界。相鄰菲涅爾區(qū)之間的相位差為180°：11第十一頁，共五十六頁。地面反射

若地面反射屬于第一菲涅爾區(qū)，路徑時(shí)延造成的相移<180°反射造成的附加相移為180°地面反射路徑惡化了LOS傳播12第十二頁，共五十六頁。兩徑地面反射傳播模型413第十三頁，共五十六頁。兩徑地面反射傳播模型路徑損耗：14第十四頁，共五十六頁。多徑傳播模型考慮N條路徑時(shí)，可推廣為：多徑數(shù)目很大時(shí)，只能應(yīng)用統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算或進(jìn)行仿真。15第十五頁，共五十六頁。繞射（衍射）機(jī)理當(dāng)波撞擊在障礙物邊緣時(shí)發(fā)生繞射。繞射波場強(qiáng)為圍繞阻擋物的所有次級(jí)波的矢量和；若無LOS，繞射可幫助覆蓋。16第十六頁，共五十六頁。繞射分析---菲涅爾區(qū)幾何特征菲涅爾區(qū)表示從發(fā)射機(jī)到接收機(jī)次級(jí)波路徑長度比總的視距路徑長度大nλ/2的連續(xù)區(qū)域。假設(shè)h<<d1、d2，并且h>>λ、α和β很小，則菲涅爾區(qū)同心圓半徑rn為：17第十七頁，共五十六頁。繞射分析---菲涅爾余隙X為正X為負(fù)18第十八頁，共五十六頁。繞射分析---菲涅爾區(qū)幾何特征例：設(shè)在圖1.3.4(a)所示的傳播路徑中，菲涅爾余隙x=-82m,d1=5km,d2=10km,工作頻率為150MHz，試求電波傳輸損耗。自由空間損耗：第一菲涅爾區(qū)半徑：查得附加損耗為17dB，傳輸損耗為：19第十九頁，共五十六頁。移動(dòng)環(huán)境下電波傳播的四種效應(yīng)多徑衰落陰影衰落多徑時(shí)延擴(kuò)展多普勒頻率擴(kuò)展20第二十頁，共五十六頁。多徑衰落多徑效應(yīng)：信號(hào)在傳播過程中，受地物、地貌等諸多因素的影響，使接收機(jī)收到經(jīng)反射、衍射和散射等多條路徑到達(dá)的電磁波，這種現(xiàn)象就是多徑效應(yīng)。多徑衰落：由移動(dòng)體周圍的局部散射體引起的多徑傳播，這些不同路徑到達(dá)的電磁波相位不一致且具有時(shí)變性，導(dǎo)致合成的接收信號(hào)呈衰落狀態(tài)，稱為多徑衰落。21第二十一頁，共五十六頁。多徑衰落22第二十二頁，共五十六頁。多徑衰落發(fā)送信號(hào)：接收信號(hào)：令則假定N個(gè)路徑信號(hào)的幅值和到達(dá)接收天線的方位角是隨機(jī)的，且統(tǒng)計(jì)獨(dú)立，則X和Y是N個(gè)獨(dú)立隨機(jī)變量之和。根據(jù)中心極限定律，X和Y趨于正態(tài)分布。23第二十三頁，共五十六頁。推論1：在無直射波的N個(gè)路徑中，合成信號(hào)的復(fù)包絡(luò)服從瑞利分布：多徑衰落模型—瑞利（Rayleigh）分布24第二十四頁，共五十六頁。多徑衰落模型—瑞利（Rayleigh）分布推論2：多徑信號(hào)的相位服從均勻分布：為信號(hào)包絡(luò)的時(shí)間平均功率，累積分布函數(shù)：均值：方差：中值：25第二十五頁，共五十六頁。多徑衰落模型——萊斯（Rician）分布含有一個(gè)強(qiáng)直射波的N個(gè)路徑，則合成信號(hào)包絡(luò)分布為萊斯分布：26第二十六頁，共五十六頁。多徑衰落模型——萊斯（Rician）分布A是直射波的幅度是零階第一類修正貝塞爾函數(shù)定義萊斯因子K：，瑞利分布，高斯分布27第二十七頁，共五十六頁。多徑衰落模型——Nakagami分布多徑信號(hào)并不一定具有獨(dú)立性，此時(shí)Nakagami分布能提供更好的與實(shí)際測試的匹配度：m：形狀因子，表示衰落的嚴(yán)重程度；m=1，瑞利分布；m=0.5，單邊高斯分布；，近似萊斯分布。28第二十八頁，共五十六頁。多徑衰落的特征量衰落率電平通過率平均衰落持續(xù)時(shí)間29第二十九頁，共五十六頁。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)。多徑衰落又稱快衰落30第三十頁，共五十六頁。電平通過率信號(hào)包絡(luò)單位時(shí)間內(nèi)以正斜率通過某一規(guī)定電平A的平均次數(shù)。其中，31第三十一頁，共五十六頁。電平通過率例.設(shè)移動(dòng)臺(tái)車速為60km/h，工作頻率為1000MHz，求對(duì)于信號(hào)均方值電平的電平通過率。電平相對(duì)值：最大多普勒頻移：電平通過率：32第三十二頁，共五十六頁。平均衰落持續(xù)時(shí)間信號(hào)包絡(luò)低于給定電平值的概率與該電平所對(duì)應(yīng)的電平通過率之比。對(duì)于瑞利衰落，33第三十三頁，共五十六頁。平均衰落時(shí)間例.設(shè)移動(dòng)臺(tái)車速為24km/h，工作頻率為850MHz，已知接收信號(hào)包絡(luò)服從瑞利分布。求接收信號(hào)包絡(luò)低于中值電平的平均衰落時(shí)間。平均衰落時(shí)間：最大多普勒頻移：電平相對(duì)值：34第三十四頁，共五十六頁。陰影衰落產(chǎn)生原因：障礙物阻擋，移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入陰影區(qū)大氣折射，大氣介電常數(shù)的變化統(tǒng)計(jì)特性–對(duì)數(shù)正態(tài)分布(r是信號(hào)強(qiáng)度的dB值)：位置函數(shù)：時(shí)間函數(shù)：聯(lián)合分布：35第三十五頁，共五十六頁。對(duì)數(shù)正態(tài)分布36第三十六頁，共五十六頁。陰影衰落的標(biāo)準(zhǔn)偏差頻率/MHz準(zhǔn)平坦地形不規(guī)則地形，城市區(qū)郊區(qū)50150300503.5-5.54-789101509111345067.51115189006.58141824表1、標(biāo)準(zhǔn)偏差（dB）37第三十七頁，共五十六頁。慢衰落與快衰落的合成效果38第三十八頁，共五十六頁。移動(dòng)環(huán)境下場強(qiáng)測試曲線39第三十九頁，共五十六頁。接收信號(hào)統(tǒng)計(jì)分析移動(dòng)通信環(huán)境下場強(qiáng)變化劇烈場強(qiáng)變化的平均值隨距離增加而迅速衰減（路徑損耗）場強(qiáng)變化的中值呈慢速變化---慢衰落（陰影衰落）場強(qiáng)變化的瞬時(shí)值（幾個(gè)波長范圍內(nèi)）呈快速變化---快衰落（多徑衰落）40第四十頁，共五十六頁。衰落的影響場強(qiáng)影響信號(hào)質(zhì)量，相位影響信號(hào)帶寬慢衰落影響覆蓋，快衰落產(chǎn)生突發(fā)錯(cuò)誤例：基站覆蓋范圍的估算41第四十一頁，共五十六頁。多徑時(shí)延擴(kuò)展三徑時(shí)延擴(kuò)展：多徑時(shí)延擴(kuò)展：多徑時(shí)延擴(kuò)展：多徑信號(hào)傳播路徑不同引起的時(shí)延散布；42第四十二頁，共五十六頁。多徑時(shí)延擴(kuò)展特征值平均時(shí)延：時(shí)延擴(kuò)展：最大時(shí)延擴(kuò)展（-30dB值）瑞利信道下的多徑時(shí)延擴(kuò)展服從負(fù)指數(shù)分布。43第四十三頁，共五十六頁。典型的多徑時(shí)延44第四十四頁，共五十六頁。時(shí)延擴(kuò)展可理解為接收脈沖最大時(shí)延和最小時(shí)延的差值。若發(fā)送的窄脈沖寬度為T，則接收信號(hào)寬度為T+時(shí)延擴(kuò)展會(huì)引起數(shù)字信號(hào)的碼間串?dāng)_。應(yīng)使碼元速率：多徑時(shí)延擴(kuò)展的影響45第四十五頁，共五十六頁。時(shí)延擴(kuò)展與相關(guān)帶寬時(shí)域上，時(shí)延擴(kuò)展導(dǎo)致碼間串?dāng)_；頻域上，時(shí)延擴(kuò)展導(dǎo)致頻率選擇性衰落。相關(guān)帶寬：理論上：實(shí)際應(yīng)用中：46第四十六頁，共五十六頁。時(shí)延擴(kuò)展與相關(guān)帶寬多徑擴(kuò)展和相關(guān)帶寬的關(guān)系：47第四十七頁，共五十六頁。時(shí)延擴(kuò)展與相關(guān)帶寬

：頻率選擇性衰落，碼間串?dāng)_，信號(hào)失真；：平坦衰落信道，無碼間串?dāng)_；相關(guān)帶寬是對(duì)移動(dòng)信道具有一定帶寬信號(hào)的傳輸能力的統(tǒng)計(jì)度量。48第四十八頁，共五十六頁?；仡欕姴▊鬏?shù)娜N方式電波傳輸?shù)乃姆N效應(yīng)49第四十九頁，共五十六頁。多普勒效應(yīng)移動(dòng)臺(tái)在運(yùn)動(dòng)中通信時(shí)，接收信號(hào)的頻率會(huì)發(fā)生變化，其變化程度與用戶運(yùn)動(dòng)速度成正比，稱為多普勒效應(yīng)。由此引起的附加頻移稱為多普勒頻移。50第五十頁，共五十六頁。多普勒效應(yīng)最大多普勒頻移：多普勒頻移：移動(dòng)臺(tái)朝向入射波方向，多普勒頻移為正；移動(dòng)臺(tái)背向入射波方向，多普勒頻移為負(fù)。成因：相位的線性變化導(dǎo)致頻率變化，只對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的通信產(chǎn)生影響。應(yīng)用：天體測距、超音速飛行…。51第五十一頁，共五十六頁。多普勒頻率擴(kuò)展多徑傳播下，存在很多條到達(dá)方向不相同的子徑信號(hào)，這些子徑信號(hào)的多普勒頻移均不相同，從而形成信號(hào)頻率的擴(kuò)展，稱為多普勒頻率擴(kuò)展。52第五十二頁，共五十六頁。多普勒頻譜當(dāng)多徑電波與移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向夾角在[0~2π]內(nèi)服從均勻分布時(shí)，多普勒擴(kuò)展的功率譜為：53第五十三頁，共五十六頁。頻率擴(kuò)展與相干時(shí)間時(shí)域上，頻率擴(kuò)展導(dǎo)致時(shí)間選擇性衰落相干時(shí)間：當(dāng)發(fā)送信號(hào)的持續(xù)時(shí)間Ts>Tc則會(huì)