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1、第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性3.1无线电波传播特性无线电波传播特性3.2移动信道的特征移动信道的特征3.3陆地移动信道的传输损耗陆地移动信道的传输损耗3.4移动信道的传播模型移动信道的传播模型思考题与习题思考题与习题第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 概述概述o无线信道研究的重要性无线信道研究的重要性o无线信道的研究方法无线信道的研究方法o无线信道的研究目的无线信道的研究目的第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 1.电磁场和电磁波电磁场和电磁波oo电磁波在传播中携带有能量，可以作为信
2、息的载体，这就电磁波在传播中携带有能量，可以作为信息的载体，这就电磁波在传播中携带有能量，可以作为信息的载体，这就电磁波在传播中携带有能量，可以作为信息的载体，这就为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。为无线电通信、广播、电视、遥感等技术开阔了道路。oo电磁波不需要依靠介质传送（这一点非常重要！），各种电磁波不需要依靠介质传送（这一点非常重要！），各种电磁波不需要依靠介质传送（这一点非常重要！），各种电磁波不需要依靠介质传送（这一点非常重要！），各种电磁波在真空中的传输速度是固定的，速度为
3、光速。电磁波在真空中的传输速度是固定的，速度为光速。电磁波在真空中的传输速度是固定的，速度为光速。电磁波在真空中的传输速度是固定的，速度为光速。oo光波本身就是电磁波，无线电波也具有和光波同样的特性，光波本身就是电磁波，无线电波也具有和光波同样的特性，光波本身就是电磁波，无线电波也具有和光波同样的特性，光波本身就是电磁波，无线电波也具有和光波同样的特性，比如当它通过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、比如当它通过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、比如当它通过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、比如当它通过不同介质时，也会发生折射、反射、绕射、散射和吸收等现象。散射和吸收等现象。散射和吸
4、收等现象。散射和吸收等现象。oo电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互电磁波为横波，电磁波的磁场、电场及其行进方向三者互相垂直。相垂直。相垂直。相垂直。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 oo如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是如果把每个波段的频率由低至高依次排列的话，它们是工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可
5、见光、紫外工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外工频电磁波、无线电波、微波、红外线、可见光、紫外线、线、线、线、X X射线及射线及射线及射线及 射线。射线。射线。射线。1.电磁场和电磁波电磁场和电磁波第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 频段名称频段名称频率范围频率范围波段名称波段名称波长范围波长范围极低频（极低频（ELF）330Hz极长波极长波108107m（10010Mm）超低频（超低频（SLF）30300Hz超长波超长波107106m（101Mm）特低频（特低频（ULF）3003000Hz特长波特长波106105m（1000100Km）甚低频（甚低频（VLF）3
6、30KHz甚长波甚长波105104m（10010Km）低频（低频（LF）30300KHz长波长波104103m（101Km）中频（中频（MF）3003000KHz中波中波103102m（1000100m）高频（高频（HF）330MHz短波短波10210m（10010m）甚高频（甚高频（VHF）30300MHz超短波（米波）超短波（米波）101m特高频（特高频（UHF）3003000MHz微微波波分米波分米波10.1m超高频（超高频（SHF）330GHz厘米波厘米波101cm极高频（极高频（EHF）30300GHz毫米波毫米波101mm至高频（至高频（THF）3003000GHz亚毫米波亚毫米波
7、10.1mm10010000THz光波光波310-3310-5mm第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 oo无线通信中经常会提到无线通信中经常会提到无线通信中经常会提到无线通信中经常会提到“射频射频射频射频”，射频就是射频电流，简称射频就是射频电流，简称射频就是射频电流，简称射频就是射频电流，简称RFRF，它是一种高频交流变化电磁波的简称。，它是一种高频交流变化电磁波的简称。，它是一种高频交流变化电磁波的简称。，它是一种高频交流变化电磁波的简称。oo在电磁波频率低于在电磁波频率低于在电磁波频率低于在电磁波频率低于100KHz100KHz时，电磁波会被地表吸收，不能时，电磁波会被
8、地表吸收，不能时，电磁波会被地表吸收，不能时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输形成有效的传输形成有效的传输形成有效的传输。oo但电磁波频率高于但电磁波频率高于但电磁波频率高于但电磁波频率高于100KHz100KHz时，电磁波可以在空气中传播，时，电磁波可以在空气中传播，时，电磁波可以在空气中传播，时，电磁波可以在空气中传播，形成远距离传输能力，无线通信就是采用射频传输方式的。形成远距离传输能力，无线通信就是采用射频传输方式的。形成远距离传输能力，无线通信就是采用射频传输方式的。形成远距离传输能力，无线通信就是采用射频传输方式的。oo我们我们我们我们有时也有时也有时也有时也把具有远距离传输
9、能力的高频电磁波称为射频信把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频信把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频信把具有远距离传输能力的高频电磁波称为射频信号。号。号。号。1.电磁场和电磁波电磁场和电磁波第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o电磁波的传播主要有以下特性，这些特性与电磁波的传播主要有以下特性，这些特性与无线通信密切相关。无线通信密切相关。n n趋肤效应趋肤效应趋肤效应趋肤效应n n自由空间损耗自由空间损耗自由空间损耗自由空间损耗n n吸收吸收吸收吸收n n反射反射反射反射1.电磁场和电磁波电磁场和电磁波第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 2.无线信
10、道研究的重要性无线信道研究的重要性o无线电波传播特性直接关系到通信设备的性无线电波传播特性直接关系到通信设备的性能，天线高度的确定，通信距离的估算。能，天线高度的确定，通信距离的估算。o多径多径、时变、衰落、时变、衰落第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 11193.无线信道的研究方法无线信道的研究方法o理论分析理论分析o实测法实测法o模拟法模拟法第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 4.无线信道的研究目的无线信道的研究目的o最终要解决：最终要解决：o无线信号在移动信道中可能发生的变化及发无线信号在移动信道中可能发生的变化及发生变化的原因，从而找出措施来克服这些
11、不生变化的原因，从而找出措施来克服这些不利影响。利影响。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.1.1 3.1.1 电波的传播方式电波的传播方式图图3-1 典型的电波传播通路典型的电波传播通路第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.1.2 3.1.2 直射波直射波o移动通信移动通信系统的无线传播系统的无线传播主要主要是利用了电磁波是利用了电磁波的的直直射射波波和和反射波反射波。o在设计移动通信系统在设计移动通信系统或对移动通信系统的覆盖进行分析或对移动通信系统的覆盖进行分析时，时，研究研究电磁波的传播是非常重要的，这主要电磁波的传播是非常重要的，这主要有有以
12、下以下两个原因两个原因：o第一，第一，用于用于计算不同覆盖小区的计算不同覆盖小区的信号强度。信号强度。在大多数情况下，在大多数情况下，每每个个覆盖区域从几百米到几公里，覆盖区域从几百米到几公里，覆盖信号包括直达波和反射波。覆盖信号包括直达波和反射波。o第二，第二，用于用于计算相同和相邻信道之间的干扰。计算相同和相邻信道之间的干扰。移动通信系统由于移动通信系统由于采用频率复用技术，同频和邻频干扰是必须解决的问题。采用频率复用技术，同频和邻频干扰是必须解决的问题。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.1.2 3.1.2 直射波直射波o电磁波在真空中的传播称为自由空间传播。直射波
13、可电磁波在真空中的传播称为自由空间传播。直射波可近似按自由空间传播来考虑。近似按自由空间传播来考虑。o自由空间的传播衰耗自由空间的传播衰耗Lfs定义为：定义为：(式3-1)式中，式中，是电磁波的波长，是电磁波的波长，d d是收发天线间距离。是收发天线间距离。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o直射波的传播途径如图直射波的传播途径如图3-1中路径中路径2所示。所示。直射波传播距离一般限于视距范围。直射波传播距离一般限于视距范围。o在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波和微波通信就是利用直射波传播的。和微波通信就是利用直射波传播的。3.1.
14、2 直射波直射波第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗o研究传播损耗，首先要研究两个天线在自由空间（各向同研究传播损耗，首先要研究两个天线在自由空间（各向同性、无吸收、电导率为零）的均匀介质条件下的特性。性、无吸收、电导率为零）的均匀介质条件下的特性。3.1.2 直射波直射波o在研究电磁波传播时，收信机接收的信号电平是一个主要特在研究电磁波传播时，收信机接收的信号电平是一个主要特性。由于传播路径和地形干扰，传播信号会减小，这种信号性。由于传播路径和地形干扰，传播信号会减小，这种信号强度的减小称为传播损耗。强
15、度的减小称为传播损耗。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 二、自由空间的传播衰耗二、自由空间的传播衰耗o什么是自由空间：无源、理想、均匀、线性、什么是自由空间：无源、理想、均匀、线性、各向同性。各向同性。o自由空间是指相对介电常数和导磁率为自由空间是指相对介电常数和导磁率为1的均的均匀介质所存在的空间匀介质所存在的空间,该空间具有各向同性、该空间具有各向同性、电导率为零的特点电导率为零的特点,它是一种理想的传播环境。它是一种理想的传播环境。电波在自由空间传播时与在真空中传播一样电波在自由空间传播时与在真空中传播一样,只有直线传播的扩散损耗。只有直线传播的扩散损耗。o电波沿直线
16、传播，不被吸收，不反射、折射、电波沿直线传播，不被吸收，不反射、折射、绕射、散射（能量无损失）绕射、散射（能量无损失）第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗自由空间的传播损耗o传播损耗传播损耗Lo是指发信天线的辐射功率是指发信天线的辐射功率Pt与收信机输入功率与收信机输入功率Pr之比，即：之比，即：（式3-8）o自由空间传播损耗是指收、发天线都是各向同性辐射器时，自由空间传播损耗是指收、发天线都是各向同性辐射器时，两者之间的传播损耗。两者之间的传播损耗。3.1.2 直射波直射波第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播
17、特性 o电波由各向同性发信天线辐射后，经传播距离电波由各向同性发信天线辐射后，经传播距离d到达信到达信点，由式（点，由式（3-2）可计算其功率密度）可计算其功率密度S值。值。o收信天线接收的功率为：收信天线接收的功率为：（式3-9）o式中式中A为收信天线的有效面积。对于各向同性收信天线为收信天线的有效面积。对于各向同性收信天线来说，来说，（式3-10）o式中式中为工作波长（为工作波长（m）。）。3.1.2 直射波直射波第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o自由空间的传播衰耗（发散衰耗）自由空间的传播衰耗（发散衰耗）:o发射点处的发射功率：发射点处的发射功率：PT o接收机输入
18、功率接收机输入功率 o传播衰耗传播衰耗 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o由式（由式（3-1）可得自由空间传播损耗为：）可得自由空间传播损耗为：（式3-11）o该式若以该式若以dB表示，则：表示，则：（式3-12）o式中，式中，f为工作频率为工作频率（MHz），），d为传播距离为传播距离（Km）。）。3.1.2 直射波直射波第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o按上式画出频率为按上式画出频率为150MHz、450MHz和和900MHz的自由的自由空间传播损耗空间传播损耗Lo与距离与距离d的关系，如图的关系，如图3-3所示：所示：图图3-3 3-3 自由空
19、间自由空间第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o 由于横坐标采用对数尺度，故损耗（由于横坐标采用对数尺度，故损耗（dB）与距离呈）与距离呈现直线关系。现直线关系。o同时，由（式同时，由（式3-12）可，自由空间的电波传播损耗）可，自由空间的电波传播损耗只与工作频率只与工作频率f和传播距离和传播距离d有关。有关。o由（式由（式3-12）可推算出，在该公式的适用范围内，）可推算出，在该公式的适用范围内，若将若将f或或d增大一倍，则损耗将分别增加增大一倍，则损耗将分别增加6dB。3.1.2 直射波直射波第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 大气折射大气折射o在不考虑
20、传导电流和介质磁化的情况下，介质折射率在不考虑传导电流和介质磁化的情况下，介质折射率n与相对介电系数与相对介电系数r的关系为：的关系为：（式3-13）o众所周知，大气的相对介电系数众所周知，大气的相对介电系数r不是恒定的，它与不是恒定的，它与温度、湿度和气压有关。因此，大气高度不同，温度、湿度和气压有关。因此，大气高度不同，r也也不同，即不同，即dn/dh也是不同的。也是不同的。3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o根据折射定律，设根据折射定律，设c为光速，则电波传播速度为光速，则电波传播速度v与大与大气折射率气折射率n成反比，即：
21、成反比，即：（式3-14）o这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现这种由大气折射率引起电波传播方向发生弯曲的现象，称为大气对电波的折射。象，称为大气对电波的折射。3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o我们用我们用“地球等效半径地球等效半径”来表征大气折射对电波传播的来表征大气折射对电波传播的影响，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实影响，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径际半径Ro（6.37106m）变成了等效半径）变成了等效半径Re，Re与与Ro之之间的关系为：间的关系为：（式3-15）o式中，式中，k称
22、作地球等效半径系数。称作地球等效半径系数。3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o显然（式显然（式3-15）中，若当）中，若当dn/dh1，ReRo。o在标准大气折射情况下，即当在标准大气折射情况下，即当dn/dh410-8（1/m），等），等效地球半径系数效地球半径系数k=4/3，等效地球半径，等效地球半径Re=8500km。3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 视距传播视距传播o视距传播的极限距离视距传播的极限距离可由图可由图3-4计算：计算：图图3-4 3-4 视距离传
23、播极限距离视距离传播极限距离3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o设发射与接收天线的高度分别为设发射与接收天线的高度分别为ht和和hr，两个天线顶点的连，两个天线顶点的连线线AB与地面相切于与地面相切于C点。点。o由于地球等效半径由于地球等效半径Re远远大于天线高度，不难证明，自发远远大于天线高度，不难证明，自发射天线顶点射天线顶点A到切点到切点C的距离的距离d1为：为：（式3-16）3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o同理，由切点同理，由切点C到接收天线顶到接收天线顶
24、点点B的距离的距离d2为：为：（式3-17）o可见，视线传播的极限距离可见，视线传播的极限距离d为：为：（式3-18）3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o在标准大气折射情况下，在标准大气折射情况下，Re=8500km，故：，故：（式2-19）o式中，式中，ht和和hr的单位是的单位是m，d的单位是的单位是km。3.1.3 大气中的电波传输大气中的电波传输第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.1.4 3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗障碍物的影响与绕射损耗o绕射损耗：绕射损耗：n电波在直射传播的路径上可能存在山丘
25、、建筑等障碍电波在直射传播的路径上可能存在山丘、建筑等障碍物，这些障碍物会引起除了自由空间传播损耗外的附物，这些障碍物会引起除了自由空间传播损耗外的附加损耗，这种附加损耗称为绕射损耗。加损耗，这种附加损耗称为绕射损耗。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 设障碍物与发射点设障碍物与发射点T T、接收点、接收点R R的相对位置如图的相对位置如图2-52-5所示。图中所示。图中x x表示障碍物顶点表示障碍物顶点P P至连线至连线TRTR的距离，的距离，在传播理论中称作费涅尔余隙。在传播理论中称作费涅尔余隙。图图3-5 3-5 障碍物与余隙障碍物与余隙 第第3 3章章 移动信道的传播
26、特性移动信道的传播特性 o 由费涅尔绕射理论可得障碍物引起的绕射损耗与由费涅尔绕射理论可得障碍物引起的绕射损耗与费涅尔余隙的关系如图费涅尔余隙的关系如图2-62-6所示：所示：图图2-6 2-6 绕射损耗与余隙关系绕射损耗与余隙关系第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o图中横坐标为图中横坐标为x/x1x/x1，其中，其中x1x1称为费涅尔半径，称为费涅尔半径，o并由下式（并由下式（2-202-20）求得：）求得：（式3-20）式中式中d1d1、d2d2如图如图2-62-6所示，所示，为电波波长。为电波波长。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 2.1.5 2.
27、1.5 反射波反射波o不同界面的反射特性用反射系数不同界面的反射特性用反射系数R R表征，它定义为反表征，它定义为反射波场强与入射波场强的比值，射波场强与入射波场强的比值，R R可表示为：可表示为：（式2-21）o式中式中RR为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比值，比值，代表反射波相对于入射波的相移。代表反射波相对于入射波的相移。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-5反射波与直射波第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o实际的反射路径、直射路径的电波相位差实际的反射路径、直射路径的电波相位差可由可由两者间的路径差
28、计算而得：两者间的路径差计算而得：（式2-22）o式中，式中，2/2/称为相移常数，决定于工作波长，称为相移常数，决定于工作波长，dd为为两路径的差值。两路径的差值。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 3.2 移动信道特征建筑物反射波建筑物反射波绕射波绕射波直达波直达波地面反射波地面反射波在在UHF频段，频段，从发射机到从发射机到接收机的电接收机的电磁波的主要磁波的主要传播模式是传播模式是从建筑物平从建筑物平面反射或从面反射或从人工、自然人工、自然物体绕射物体绕射第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 快衰落快衰落o在一个典型的无线移动通信环境中，由于接收机与发
29、射机之间的在一个典型的无线移动通信环境中，由于接收机与发射机之间的直达路径很可能被建筑物或其它物体所阻碍，所以在无线基站与直达路径很可能被建筑物或其它物体所阻碍，所以在无线基站与移动台之间的通信不都是通过直达路径而是还通过许多其它路径移动台之间的通信不都是通过直达路径而是还通过许多其它路径完成的。在微波频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模完成的。在微波频段，从发射机到接收机的电磁波的主要传播模式是散射，即从建筑物平面或从人工自然物体的反射。式是散射，即从建筑物平面或从人工自然物体的反射。o到达接收机的所有信号分量合成产生一个合成波，它的信号的强到达接收机的所有信号分量合成产生一个合成波，
30、它的信号的强度根据各分量的相对变化而增加或减小。合成场强在移动几个车度根据各分量的相对变化而增加或减小。合成场强在移动几个车身长的距离中可能会有身长的距离中可能会有20-30dB20-30dB（100-1000100-1000倍）的衰落，其最大值倍）的衰落，其最大值和最小值发生的位置大约相差和最小值发生的位置大约相差1/41/4波长。大量传播路径的存在就产波长。大量传播路径的存在就产生了所谓的多径现象，合成波的幅度和相位随移动台的运动产生生了所谓的多径现象，合成波的幅度和相位随移动台的运动产生很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快衰落，多径很大的起伏变化，通常把这种现象称为多径衰落或快
31、衰落，多径衰落在性质上属于一种快速变化衰落在性质上属于一种快速变化。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 慢衰落慢衰落o大量研究结果表明，移动台接收的信号场强中值随着地区位大量研究结果表明，移动台接收的信号场强中值随着地区位置改变出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落。它置改变出现较慢的变化，这种变化称为慢衰落。它主要主要是由是由阴影效应引起的，所以也称作阴影衰落。电波传播路径上遇阴影效应引起的，所以也称作阴影衰落。电波传播路径上遇有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡就会产生电有高大建筑物、树林、地形起伏等障碍物的阻挡就会产生电磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电
32、磁场磁场的阴影。当移动台通过不同障碍物阻挡所造成的电磁场阴影时，接收场强中值就会变化，变化的大小取决于障碍物阴影时，接收场强中值就会变化，变化的大小取决于障碍物状况和工作频率，变化速率不仅和障碍物有关，而且与移动状况和工作频率，变化速率不仅和障碍物有关，而且与移动台的速度有关。台的速度有关。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 无线移动通信信道无线移动通信信道o可以由长期慢衰落和短期快衰落来表征。可以由长期慢衰落和短期快衰落来表征。o两种衰落都与接收机天线的位移有关。两种
33、衰落都与接收机天线的位移有关。o接收机接收的信号：接收机接收的信号：r(t)m(t)ro(t)n m(t)：长期慢衰落，即本地平均或对数正态衰落分量。：长期慢衰落，即本地平均或对数正态衰落分量。n ro(t)：短期快衰落，即多径或瑞利衰落分量。：短期快衰落，即多径或瑞利衰落分量。o阴影效应阴影效应长期慢衰落（宏观中值变化）长期慢衰落（宏观中值变化）提高通信可靠概率提高通信可靠概率o多径传播多径传播短期快衰落（微观）短期快衰落（微观）功率储备功率储备恶化量恶化量第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图38移动台接收N条路径信号3.2.2多径效应与瑞利衰落多径效应与瑞利衰落o在陆地
34、移动通信中，在陆地移动通信中，移动台往往受到各种障碍物和其移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响，它移动体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和，传播路径的信号之和，如图如图 3-8 所示。所示。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图38移动台接收N条路径信号第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o多普勒效应：多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移动中比如它是由于接收用户处于高速移动中比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只
35、产生在高速用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速(70km/h)车载通信时，而对于通常慢速移动的车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信，则不予考虑。步行和准静态的室内通信，则不予考虑。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 (3-32)o假设基站发射的信号为假设基站发射的信号为o式中，式中，w w0为载波角频率，为载波角频率，0为载波初相为载波初相o经反射经反射(或散射或散射)到达接收天线的第到达接收天线的第i个信号为个信号为Si(t)，其振幅其振幅为为i,相移为相移为i。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 (3-33)o式中，式中，v为车速，
36、为车速，l l为波长，为波长，fm为为q qi=0时的最大多普勒时的最大多普勒频移，频移，因此因此Si(t)可写成可写成(3-34)o假设假设Si(t)与移动台运动方向之间的夹角为与移动台运动方向之间的夹角为q qi,其多普勒频其多普勒频移值为移值为o经反射经反射(或散射或散射)到达接收天线的第到达接收天线的第i个信号为个信号为Si(t)，其振幅其振幅为为a ai,相移为相移为f fi。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 快衰落满足瑞利分布快衰落满足瑞利分布第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 包络统计特性包络统计特性瑞利（瑞利（Rayleigh）衰落）衰落指
37、在无直射波的指在无直射波的N个路径传播是，若每条路径的信号的幅个路径传播是，若每条路径的信号的幅度为高斯分布，相位在度为高斯分布，相位在02p p为均匀的合成信号包络分布。为均匀的合成信号包络分布。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-9瑞利分布的概率密度第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 当r=时，p(r)为最大值，表示r在值出现的可能性最大。由式(3-44)不难求得(3-48)当r=1.177时，有(3-49)第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 信号包络低于的概率为同理，信号包络r低于某一指定值k的概率为(3-50)第第3 3章章
38、移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-10瑞利衰落的累积分布第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 包络统计特性包络统计特性瑞利（瑞利（Rayleigh）衰落）衰落指在无直射波的指在无直射波的N个路径传播是，若每条路径的信号的幅个路径传播是，若每条路径的信号的幅度为高斯分布，相位在度为高斯分布，相位在02p p为均匀的合成信号包络分布。为均匀的合成信号包络分布。莱斯（莱斯（Rician）分布）分布指含有一个强直射波的指含有一个强直射波的N个路径传播时，若每条路径的信个路径传播时，若每条路径的信号幅度为高斯分布，相位在号幅度为高斯分布，相位在02p p为均匀的合成信号包络分为
39、均匀的合成信号包络分布。布。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o尽管瑞利和莱斯分布确实能够在很多情况下对信号通尽管瑞利和莱斯分布确实能够在很多情况下对信号通过衰落信道后的包络进行很好的建模，然而，在实际过衰落信道后的包络进行很好的建模，然而，在实际的无线环境测试中，发现的无线环境测试中，发现Nakagami分布提供了更好分布提供了更好的与实际测试的匹配度。与莱斯分布比较，的与实际测试的匹配度。与莱斯分布比较，Nakagami分布并不需要假设直射条件。分布并不需要假设直射条件。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 Nakagami分布分布m=1，瑞利分布，瑞利
40、分布m=0.5，单边指数分布，单边指数分布莱斯分布莱斯分布第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 衰落特性的数字特征衰落特性的数字特征瞬时幅度特性瞬时幅度特性多径移动会产生严重衰落多径移动会产生严重衰落平平1、电平通过率电平通过率2、衰落深度衰落深度反映衰落偏离中值的程度。反映衰落偏离中值的程度。3、衰落速率衰落速率4、衰落持续时间衰落持续时间及其分布及其分布第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 阴影衰落（慢衰落）阴影衰落（慢衰落）o定义：阴影衰落是长期衰落（大尺度衰落）。定义：阴影衰落是长期衰落（大尺度衰落）。o是移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物是移
41、动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其他障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场及其他障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应。阴影效应。o阴影衰落的信号电平起伏是相对缓慢的，又称慢衰落。阴影衰落的信号电平起伏是相对缓慢的，又称慢衰落。o特点：特点：o衰落和无线电传播地形和地物的分布、高度有关。衰落和无线电传播地形和地物的分布、高度有关。o衰落速率与工作频率无关衰落速率与工作频率无关3.2.3慢衰落特性和衰落储备慢衰落特性和衰落储备第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 慢衰落慢衰落满足高斯分布（正态分布）满足高斯分布（正态分布）第第3 3章章 移动信道的传播特性
42、移动信道的传播特性 o在移动信道中，由大量统计测试表明：在移动信道中，由大量统计测试表明：信号电平发生快衰信号电平发生快衰落的同时，其局部中值电平还随地点、时间以及移动台速落的同时，其局部中值电平还随地点、时间以及移动台速度作比较平缓的变化，其衰落周期以秒级计，称作慢衰落度作比较平缓的变化，其衰落周期以秒级计，称作慢衰落或长期衰落。或长期衰落。o慢衰落近似服从对数正态分布。慢衰落近似服从对数正态分布。o所谓对数正态分布，所谓对数正态分布，是指以分贝数表示的信号电平为正态是指以分贝数表示的信号电平为正态分布。分布。o此外，此外，还有一种随时间变化的慢衰落，还有一种随时间变化的慢衰落，它也服从对数
43、正它也服从对数正态分布。态分布。这是由于大气折射率的平缓变化，这是由于大气折射率的平缓变化，使得同一地使得同一地点处所收到的信号中值电平随时间作慢变化，点处所收到的信号中值电平随时间作慢变化，这种因气象这种因气象条件造成的慢衰落其变化速度更缓慢条件造成的慢衰落其变化速度更缓慢(其衰落周期常以小时其衰落周期常以小时甚至天为量级计甚至天为量级计)，因此常可忽略不计。因此常可忽略不计。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o统计特性统计特性o局部均值：近似服从对数正态分布局部均值：近似服从对数正态分布第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-11信号慢衰落特性曲线(
44、a)市区；(b)郊区第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-12慢衰落中值标准偏差第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-13衰落储备量第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-13示出了可通率T分别为90%、95%和99%的三组曲线，根据地形、地物、工作频率和可通率要求，由此图可查得必须的衰落储备量。例如：f=450MHz，市区工作，要求T=99%，则由图可查得此时必须的衰落储备约为22.5dB。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o移动无线信道是弥散信道。移动无线信道是弥散信道。o电波通过移动无线信道后，信号在时域
45、上或在频电波通过移动无线信道后，信号在时域上或在频域上都会产生弥散，使本来分开的波形资时间上域上都会产生弥散，使本来分开的波形资时间上或在频谱上产生交叠，产生衰落失真。或在频谱上产生交叠，产生衰落失真。o多径效应在时域上引起信号的时延扩展。多径效应在时域上引起信号的时延扩展。o多普勒效应在频率上引起频谱扩展。多普勒效应在频率上引起频谱扩展。3.2.4多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 1.多径时散多径时散o多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽，多径效应在时域上将造成数字信号波形的展宽，为了说明为了说明它对移动通信的影响，它对移动通信的影
46、响，首先看一个简单的例子首先看一个简单的例子(参见图参见图3-14)。3.2.4多径时散与相关带宽多径时散与相关带宽第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-14多径时散示例第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o假设基站发射一个极短的脉冲信号假设基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0d d(t)，经过多经过多径信道后，径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲，移动台接收信号呈现为一串脉冲，结果使结果使脉冲宽度被展宽了。脉冲宽度被展宽了。o这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时称为多径时散。散。o必须指出，必须
47、指出，多径性质是随时间而变化的。多径性质是随时间而变化的。o如果进行多次发送脉冲试验，如果进行多次发送脉冲试验，则接收到的脉冲序列是变则接收到的脉冲序列是变化的，化的，如图如图3-15所示。所示。它包括脉冲数目它包括脉冲数目N的变化、的变化、脉冲大小的变化及脉冲延时差的变化。脉冲大小的变化及脉冲延时差的变化。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-15时变多径信道响应示例(a)N=3;(b)N=4;(c)N=5第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o一般情况下，一般情况下，接收到的信号为接收到的信号为N个不同路径传来的信号个不同路径传来的信号之和，之和，即即
48、(3-51)o式中，式中，ai是第是第i条路径的衰减系数；条路径的衰减系数；t ti(t)为第为第i条路径条路径的相对延时差。的相对延时差。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o实际上，情况比图实际上，情况比图3-15要复杂得多，各个脉冲幅度是要复杂得多，各个脉冲幅度是随机变化的，它们在时间上可以互不交叠，也可以相互随机变化的，它们在时间上可以互不交叠，也可以相互交叠，交叠，甚至随移动台周围散射体数目的增加，所接收到甚至随移动台周围散射体数目的增加，所接收到的一串离散脉冲将会变成有一定宽度的连续信号脉冲。的一串离散脉冲将会变成有一定宽度的连续信号脉冲。o根据统计测试结果，移动
49、通信中接收机接收到多径的时根据统计测试结果，移动通信中接收机接收到多径的时延信号强度大致如图延信号强度大致如图3-16所示。所示。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 图3-16多径时延信号强度o图中，图中，t是相对时延值；是相对时延值；E(t)为归一化的时延强度曲线，为归一化的时延强度曲线，它是以不同时延信号强度所构成的时延谱，也有人称之为它是以不同时延信号强度所构成的时延谱，也有人称之为多径散布谱。多径散布谱。o图中，图中，t=0表示表示E(t)的前沿。的前沿。E(t)的一阶矩为平均多径时延的一阶矩为平均多径时延；E(t)的均方根为多径时延散布的均方根为多径时延散布(简称时
50、散简称时散)，常称作时延常称作时延扩展，扩展，记作记作。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 (3-52)(3-53)o式中，式中，表示多径时延散布的程度。表示多径时延散布的程度。越大，时延扩展越大，时延扩展越严重；越严重；越小，时延扩展越轻。越小，时延扩展越轻。o最大时延最大时延t tmax是当强度下降是当强度下降30dB时测定的时延值，如图时测定的时延值，如图3-16所示。所示。第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 表表3-1多径时散参数典型值多径时散参数典型值第第3 3章章 移动信道的传播特性移动信道的传播特性 o频率选择衰落频率选择衰落是指信号中各分量的