3-1、无线移动通信信道.ppt

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1、移移 动动 通通 信信 原原 理理第三章第三章 无线移动通信信道无线移动通信信道移移 动动 通通 信信 原原 理理了解电磁波的传播特性了解电磁波的传播特性掌握计算路径损耗的方法掌握计算路径损耗的方法了解各个传播模型的分类及工作环境了解各个传播模型的分类及工作环境学习完本课程，您需要：学习完本课程，您需要：第三章第三章 无线移动通信信道无线移动通信信道2移移 动动 通通 信信 原原 理理3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 VHFVHFVHFVHF、UHFUHFUHFUHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性频段的电波传播特性频段的电波传播特性 3.3 3.3 阴影效应阴影效应阴影效应阴影效应

2、 3.4 3.4 3.4 3.4 移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性3.5 3.5 3.5 3.5 多普勒频移多普勒频移多普勒频移多普勒频移 3.6 3.6 3.6 3.6 电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 3移移 动动 通通 信信 原原 理理无线移动信道是一种很不良好很不良好的信道。视距、衰落、多径和随机变化是移动信道的基本特征。载有信息的无线电波在无线移动信道中的传播损耗，不但会随传播距离的增加，电波的损耗随传播距离而

3、增大；同时会产生阴影效应和多径传播，使电波的包络产生大幅度起伏且随机变化，这就是电波的衰落。3.1 3.1 概概 述述 4移移 动动 通通 信信 原原 理理 衰落既有慢衰落，同时产生快衰落；多径时延扩展，使信道对信号产生频率选择性衰落，使信号发生波形畸变而引起符号间干扰（ISI）。多普勒效应在移动通信中普遍存在。多普勒效应使信道对信号产生随机调频和频谱扩展，对信号产生时间选择性衰落，使数字信号误码性能变坏。3.1 3.1 概概 述述 5移移 动动 通通 信信 原原 理理 对接收点信号场强的预测估算，是通信工程设计中的重要环节。由于信道传播特性的随机变化，不可能用一两个公式对其进行计算；必须依据

4、实际环境，选用不同的数学模型进行预测估算，再经实际电测才能确定。3.1 3.1 概概 述述 6移移 动动 通通 信信 原原 理理3.1 3.1 概概 述述 绝对功率的dB表示：dBm射频信号的绝对功率常用dBm、dBW表示，它与mW、W的换算关系如下：例如信号功率为x W，利用dBm表示时其大小为：例如：1W等于30dBm，等于0dBW。功率单位简介功率单位简介功率单位简介功率单位简介功率单位简介功率单位简介7移移 动动 通通 信信 原原 理理功率单位简介功率单位简介功率单位简介功率单位简介功率单位简介功率单位简介3.1 3.1 概概 述述 相对功率的dB表示：dBc射频信号的相对功率常用dB

5、和dBc两种形式表示，其区别在于：dB是任意两个功率的比值的对数表示形式，而dBc是某一频点输出功率和载频输出功率的比值的对数表示形式天线和天线增益天线增益一般由dBi或dBd表示。dBi是指天线相对于无方向天线的功率能量密度之比，dBd是指相对于半波振子Dipole的功率能量密度之比，半波振子的增益为2.15dBi，因此0dBd=2.15dBi8移移 动动 通通 信信 原原 理理3.2 VHF3.2 VHF、UHFUHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 当前陆地移动通信主要使用的频段为VHF和UHF，即150MHz，450MHz、900MHz和1 800MHz。移动通信中的传播方式主要有

6、直射波、反射波、地表面波等传播方式，由于地表面波的传播损耗随着频率的增高而增大，传播距离有限。9移移 动动 通通 信信 原原 理理3.2 VHF3.2 VHF、UHFUHF频段的电波传播特性频段的电波传播特性 图图3-1 3-1 典型的移动信道电波传播路径典型的移动信道电波传播路径10移移 动动 通通 信信 原原 理理3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件。电波在自由空间传播时，可以认为是直射波传播，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产

7、生反射或散射。11移移 动动 通通 信信 原原 理理 虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。减，这是由于辐射能量的扩散而引起的。3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式12移移 动动 通通 信信 原原 理理自由空间传播损耗公式自由空间传播损耗公式自由空间传播损耗公式自由空间传播

8、损耗公式式中，式中，d是距离的千米数，是距离的千米数，f是频率的兆赫数。是频率的兆赫数。以以dB计，得计，得3.2.1 3.2.1 3.2.1 3.2.1 自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式自由空间电波传播方式由上式可见，自由空间中电波传播损耗（亦称衰减）只与工作频率f和传播距离d有关，当f或d增大一倍时，Lbs将分别增加6dB。13移移 动动 通通 信信 原原 理理3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离 由于地球是球形的，凸起的地表面会挡住视线。视线所能到达的最远距离称为视线距离d0图

9、图3-2 3-2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离14移移 动动 通通 信信 原原 理理已知地球半径为R=6370km，设发射天线和接收天线高度分别为hT和hR（单位为m），理论上可得视距传播的极限距离d0为由此可见，视距决定于收、发天线的高度。天线架设越高，视线距离越远。3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离 15移移 动动 通通 信信 原原 理理3.2.2 3.2.2 3.2.2 3.2.2 视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离视距传播的极限距离 实际上，当考虑了空气的不均匀性对电波传播

10、轨迹的影响后，在标准大气折射情况下，等效地球半径R=8 500km，可得修正后的视距传播的极限距离d0为 16移移 动动 通通 信信 原原 理理3.2.3 3.2.3 3.2.3 3.2.3 绕射损耗绕射损耗绕射损耗绕射损耗 在实际情况下，除了考虑在自由空间中的视距传输损耗外，还应考虑各种障碍物对电波传输所引起的损耗。通常将这种损耗称为绕射损耗。17移移 动动 通通 信信 原原 理理3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 反射波反射波反射波反射波 电波在传输过程中，遇到两种不同介质的光滑界面时，会发生反射现象。图3-3所示为从发射天线到接收天线的电波由反射波和直射波组成的情况。图图3-

11、3 反射波和直射波反射波和直射波18移移 动动 通通 信信 原原 理理在移动通信系统中，影响传播的三种最基本的传播机制为反射、绕射和散射反射、绕射和散射。当电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。当发射机和接收机之间不存在视距路径，围绕阻挡体也产生波的弯曲。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、街道标志和灯柱等都会发生散射。3.2.4 3.2.4 3.2.4 3.2.4 反射波反射波反射波反射波 19移移 动动 通通 信信 原原 理理3.3 3.3 阴阴 影影 效效 应应 当电波在传播路径上遇到起伏地形、建筑物、植被（高大的

12、树林）等障碍物的阻挡时，会产生电磁场的阴影。移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，称为阴影衰落。20移移 动动 通通 信信 原原 理理由于这种衰落的变化速率较慢，又称为慢衰落。慢衰落是以较大的空间尺度来度量的衰落。慢衰落速率主要决定于传播环境，即移动台周围地形，包括山丘起伏，建筑物的分布与高度，街道走向，基站天线的位置与高度，移动台行进速度等，而与频率无关。3.3 3.3 阴阴 影影 效效 应应 21移移 动动 通通 信信 原原 理理3.3 3.3 阴阴 影影 效效 应应 慢衰落的深度，即接收信号局部中值电平变化的幅度取决于信号频率与障碍物状况。频

13、率较高的信号比频率较低的信号容易穿透建筑物，而频率较低的信号比频率较高的信号更具有较强的绕射能力。慢衰落的特性是与环境特征密切相关的，可用电场实测的方法找出其统计规律。22移移 动动 通通 信信 原原 理理陆地移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到各种建筑物、树木、植被以及起伏的地形，会引起电波的反射，如右图所示。3.4 3.4 移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性 23移移 动动 通通 信信 原原 理理这样，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而各条反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收

14、端叠加，有时同相叠加而增强，有时反相叠加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由于多径现象所引起的，称为多径衰落。3.4 移动信道的多径传播特性移动信道的多径传播特性24移移 动动 通通 信信 原原 理理3.5 3.5 多普勒频移多普勒频移 当移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移（Doppler Shift），可用下式表示 25移移 动动 通通 信信 原原 理理式中，是入射电波与移动台运动方向的夹角（见下图），v是运动速度，是波长。式中，与入射角度无关，是fD的最大值，称为最大多普勒频移。3.5 3.5 多普勒

15、频移多普勒频移 26移移 动动 通通 信信 原原 理理3.6 3.6 3.6 3.6 电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 设计无线通信系统时，首要的问题是在给定条件下如何算出接收信号的场强，或接收信号中值。这些给定条件包括发射机天线高度、位置、工作频率、接收天线高度、收发信机之间距离等。这就是电波传播的路径损耗预测问题，又称为信号中值预测。这里的信号中值是长区间中值。27移移 动动 通通 信信 原原 理理3.6 3.6 3.6 3.6 电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波

16、传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测电波传播损耗预测模型与中值路径损耗预测 3.6.1地形环境分类3.6.2Okumura模型3.6.3Hata模型与传播损耗的经验公式*3.6.4Hata模型扩展*3.6.5COST-231模型*3.6.6微蜂窝系统的覆盖区预测模式28移移 动动 通通 信信 原原 理理（1 1 1 1）地形特征定义）地形特征定义）地形特征定义）地形特征定义图图 地形波动高度地形波动高度D Dh h3.6.1 3.6.1 3.6.1 3.6.1 地形环境分类地形环境分类地形环境分类地形环境分类29移移 动动 通通 信信 原原 理理 图图 基站

17、天线有效高度基站天线有效高度（1 1 1 1）地形特征定义）地形特征定义）地形特征定义）地形特征定义3.6.1 3.6.1 3.6.1 3.6.1 地形环境分类地形环境分类地形环境分类地形环境分类30移移 动动 通通 信信 原原 理理3.6.1 3.6.1 3.6.1 3.6.1 地形环境分类地形环境分类地形环境分类地形环境分类（2 2 2 2）地形分类）地形分类）地形分类）地形分类实际地形虽然千差万别，但从电波传播的角度考虑，可分为两大类，即准平坦地形和不规则地形。31移移 动动 通通 信信 原原 理理3.6.1 3.6.1 3.6.1 3.6.1 地形环境分类地形环境分类地形环境分类地形环

18、境分类（3 3 3 3）传播环境分类）传播环境分类）传播环境分类）传播环境分类 开阔地区 郊区 中小城市地区 大城市地区32移移 动动 通通 信信 原原 理理3.6.2 Okumura3.6.2 Okumura3.6.2 Okumura3.6.2 Okumura模型模型模型模型 Okumura模型提供的数据较齐全，应用较广泛，适用于VHF和UHF频段。该模型的特点是：以准平坦地形大城市地区的场强中值路径损耗作为基准，对于不同的传播环境和地形条件等因素用校正因子加以修正。33移移 动动 通通 信信 原原 理理（1）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗Okumur

19、a模型中准平坦地形大城市地区的中值路径损耗（dB）由下式给出LT=Lbs+Am(f,d)Hb(hb,d)Hm(hm,f)3.6.2 Okumura3.6.2 Okumura3.6.2 Okumura3.6.2 Okumura模型模型模型模型 34移移 动动 通通 信信 原原 理理（1 1 1 1）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗式中，Lbs为自由空间路径损耗，由上式给出；Am(f，d)为在大城市地区当基站天线高度hb=200m、移动台天线高度hm=3m时相对于自由空间的中值损耗，又称基

20、本中值损耗；Hb(hb，d)为基站天线高度增益因子（dB），即实际基站天线高度相对于以标准天线高度hb=200m的增益，为距离的函数；Hm(hm，f)为移动台天线高度增益因子（dB），即实际移动台天线高度相对于以标准天线高度hm=3m的增益为频率的函数。35移移 动动 通通 信信 原原 理理图图 准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗准平坦地形市区相对于自由空间的基本中值损耗（1 1 1 1）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗）准平坦地形大城市地区的中值路径损耗36移移 动动 通通 信信 原原 理理（2 2）不规则地形

21、及不同环境中的中值路径损耗）不规则地形及不同环境中的中值路径损耗 以准平坦地形中的中值路径损耗作为基础，针对不同传播环境和不规则地形中的各种因素，用修正因子加以修正，就可得到不规则地形及不同环境中的中值路径损耗。37移移 动动 通通 信信 原原 理理3.6.3 3.6.3 3.6.3 3.6.3 HataHataHataHata模型与传播损耗的经验公式模型与传播损耗的经验公式模型与传播损耗的经验公式模型与传播损耗的经验公式 Hata根据Okumura模型中的各种图表曲线归纳出一个经验公式，称为Hata模型。这种模型仍然保留了Okumura模型的风格，以市区传播损耗为标准，其他地区在此基础上进行

22、修正。38移移 动动 通通 信信 原原 理理3.6.4 3.6.4 3.6.4 3.6.4 HataHataHataHata模型扩展模型扩展模型扩展模型扩展 欧洲科学与技术研究协会（EURO-COST）的COST-231工作委员会对Hata模型进行了扩展，使它适用于PCS系统，适用频率达到2GHz。39移移 动动 通通 信信 原原 理理3.6.5 COST-2313.6.5 COST-2313.6.5 COST-2313.6.5 COST-231模型模型模型模型 COST-231工作委员会在Walfishi模型和Ikegami模型的基础上，根据实测数据加以完善而提出COST-231模型。这种模

23、型考虑到了自由空间损耗、沿传播路径的绕射损耗和移动台周围建筑屋顶之间的损耗。40移移 动动 通通 信信 原原 理理3.6.6 3.6.6 3.6.6 3.6.6 微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式 在大蜂窝和小蜂窝中，基站天线都安装在高于屋顶的位置，这时传播路径损耗主要由移动台附近的屋顶绕射和散射波决定，即主要射线是在屋顶之上传播。Okumura-Hata模型适用于基站天线高度高于其周围屋顶的宏蜂窝系统，而不适用于基站天线高度低于屋顶的微蜂窝系统作传播预测。41移移 动动 通通 信信 原原 理理在微蜂窝系统中，基站天线高度通

24、常低于屋顶，电波传播由其周围建筑物的绕射和散射决定，即主要射线传播是在类似于槽形波导的街道峡谷中进行。COST-231-Walfish-Ikegami模型可用于宏蜂窝及微蜂窝作传播损耗预测。但是，在基站天线高度大致与其附近的屋顶高度同一水平时，屋顶高度的微小变化将引起路径损耗的急剧变化，这时容易造成预测误差。所以，在这种情况下使用COST-231-Walfish-Ikegami模型要特别小心。3.6.6 3.6.6 3.6.6 3.6.6 微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式 42移移 动动 通通 信信 原原 理理在做微蜂窝覆

25、盖区预测时，必须有详细的街道及建筑物的数据，不能采用统计近似值。市区环境的特性用下列参数表示，这些参数的定义见图2-21（a）和（b）。3.6.6 3.6.6 3.6.6 3.6.6 微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式 43移移 动动 通通 信信 原原 理理图图 环境参数的定义环境参数的定义3.6.6 3.6.6 3.6.6 3.6.6 微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式微蜂窝系统的覆盖区预测模式 44移移 动动 通通 信信 原原 理理课后练习题课后练习题1、计算：1W=（）dBm

26、;2W=（）dBm;4W=（）dBm;8W=（）dBm 10W=（）dBm;20W=（）dBm;40W=（）dBm;80W=（）dBm 20dBm=（）W;30dBm=（）W;40dBm=（）W 23dBm=（）W;27dBm=（）W;43dBm=（）W 10倍=（）dB；100倍=（）dB；1000倍=（）dB；2倍=（）dB；4倍=（）dB；8倍=（）dB；1/10倍=（）dB；1/100倍=（）dB；1/1000倍=（）dB；45移移 动动 通通 信信 原原 理理2、简述长期慢衰落与短期快衰落的概念。3、若载波频率为f0=800MHz，移动台速度v=60km/h，求最大多普勒频移4、设基

27、站天线高度为40m，发射频率为900MHz，移动台天线高度为2m，通信距离为15km，利用Okumura-Hata模型分别求出城市、郊区和乡村的路径损耗（忽略地形校正因子）5、已知面积为500平方千米的某地区内，均匀分布了100000移动通信用户。已知条件：（1）该地区的呼损率为5，单用户忙时话务量为0.025Erl，并且单个基站的业务信道（话音信道）数量为20；（2）已知基站发射功率为2W，要求终端的最低接收电平为80dBm，工作频率为1000MHz，传播模型为自由空间损耗公式。试从容量及覆盖两个角度来考虑，计算实现该地区的覆盖需要多少基站。课后练习题课后练习题46移移 动动 通通 信信 原原 理理47