1、1,移 动 通 信 Mobile Communications,华南农业大学 胡洁,2,影响电磁波传播的三种基本传播机制：反射 、绕射、散射,3.1 VHF、UHF电波传播特性,3,电磁波的传播方式,传播路径：直射波视距传播反射波地表面波 移动信道：多径衰落,3.1 VHF、UHF电波传播特性,4,直射波传播可按自由空间传播来考虑。所谓自由空间，严格地说应指真空但通常把满足一定条件的理想空间视为自由空间。不存在电波的反射、折射、绕射等现象，而且电波传播速率等于真空中光速c的空间。自由空间传播模型用于预测接收机和发射机之间是完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强.,自由空间传播方程,3.1.2 直
2、射波,5,可见，当收、发天线增益为0dB，即当GR=GT=1时，自由空间传播损耗Lfs可定义为,以dB计， 得,或,式中，d的单位为km，频率单位以MHz计。,(3-13),3.1.2 直射波,6,3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗,图 3 3 障碍物与余隙,(a) 负余隙； (b) 正余隙,x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，无阻挡时余隙为正.,7,由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图 3 - 4 所示。,图 3 4 绕射损耗与余隙关系,图中，纵坐标为绕射引起的附加损耗，即相对于自由空间传播的分贝数。横坐标为x/x1, x是菲涅尔余隙，x1是第一
3、菲涅尔区半径:,3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗,8,由图3 - 4 可见，当x/x10.5 时，附加损耗约为0dB， 即障碍物对直射波传播基本上没有影响。为此，在选择天线高度时，根据地形尽可能使服务区内各处的菲涅尔余隙x0.5x1; 当x0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；当x=0时，即TR直射线从障碍物顶点擦过时，附加损耗约为 6 dB。,3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗,9,由图 3 - 4 查得附加损耗(x/x1-1)为17dB, 所以电波传播的损耗L为,例 3 1 设图 3 - 3(a)所示的传播路径中， 菲涅尔余隙x=-82m, d1=5km, d2=10km, 工作频
4、率为150MHz。试求出电波传播损耗。解 先由式(3 - 13)求出自由空间传播的损耗Lfs为,由式(3 - 21)求第一菲涅尔区半径x1为,3.1.4 障碍物的影响与绕射损耗,10,3.2 移动信道的特征,3.2.1 传播路径与信号衰落,图 3 6 移动信道的传播路径,11,假设反射系数R=-1(镜面反射)， 则合成场强E为,式中，E0是直射波场强，是工作波长，1和2分别是地面反射波和散射波相对于直射波的衰减系数，而,3.2.1 传播路径与信号衰落,12,图 3 7 典型信号衰落特性,3.2.1 传播路径与信号衰落,13,3.2.2 多径效应与瑞利衰落,图 3-8 移动台接收N条路径信号,1
5、4,X和Y点的路径差：,接收信号相位变化值：,频率变化值（多普勒频移）：,3.2.2 多径效应与瑞利衰落,多普勒频移,远端信号源,15,假设基站发射的信号为,式中，0为载波角频率，0为载波初相。经反射(或散射)到达接收天线的第i个信号Si(t)，其振幅为i, 相移为i。 假设Si(t)与移动台运动方向之间的夹角为i, 其多普勒频移值为,因此S i(t)可写成,3.2.2 多径效应与瑞利衰落,16,推导得到多径传播的包络概率密度函数p(r)为,多径传播的相位概率密度函数p()为,(3-44),多径衰落的信号包络服从瑞利分布， 故把这种多径衰落称为瑞利衰落。,3.2.2 多径效应与瑞利衰落,多径合
6、成信号：,17,图 3 9 瑞利分布的概率密度,r0,Rayleigh 分布：,3.2.2 多径效应与瑞利衰落,均值：,均方值：,18,根据发送信号与信道变化快慢程度的比较，信道可分为快衰落信道和慢衰落信道。在快衰落信道中，信道冲激响应在一个符号周期内变化很快。在慢衰落信道中，信道冲激响应在一个符号周期内基本无变化。,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备,慢衰落与快衰落,19,产生原因慢衰落由移动通信路径上的固定障碍物的阴影效应引起。阴影衰落的速度与地形地貌、用户的移动速度有关，与载波频率无关阴影衰落的深度与载波频率有关，高频信号的绕射能力不如低频强 移动信道的系统特性表征服从对数正态分布,移动环
7、境的衰落特性-慢衰落,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备,20,移动环境的衰落特性-快衰落,产生原因多径效应：同一信号沿着两个或多个路径传播多普勒频移：移动台与基站之间的相对运动环境物体相对于基站和移动台在运动 对系统性能的影响场强信号随机快速起伏信道时变引起的多普勒频移，随机调频多径引起的延时扩展 移动信道的系统特性表征瑞利（Rayleigh）分布莱斯（Ricean）分布Nakagamim 分布,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备,21,Rician分布,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备,22,路径损耗、快衰落和慢衰落,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备,23,为了防止因衰落(包括快衰落和慢衰落)
8、引起的通信中断，在信道设计中， 必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。衰落储备的大小决定于地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标。通信可靠性也称作可通率，并用T表示，它与中断率的关系是T=1-R。,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备,24,3.2.3 慢衰落特性和衰落储备,表：接收机最小可用电平,25,3.2.4 多径时散与相关带宽,1. 多径时散,假设基站发射一个极短的脉冲信号Si(t)=a0(t)，经过多径信道后，移动台接收信号呈现为一串脉冲， 结果使脉冲宽度被展宽了。这种因多径传播造成信号时间扩散的现象，称为多径时散。,26,图 3 14
9、多径时散示例,3.2.4 多径时散与相关带宽,27,图 3-15 时变多径信道响应示例,(a) N=3; (b) N=4; (c) N=5,3.2.4 多径时散与相关带宽,28,图 3 16 多径时延信号包络,接收到的信号为N个不同路径传来的信号之和，即,ai是第i条路径的衰减系数,i(t)为第i条路径的相对延时差,3.2.4 多径时散与相关带宽,29,表 3 1 多径时散参数典型值,表示多径时散散布的程度。越大，时延扩展越严重；越小，时延扩展越轻。,时延扩展：,3.2.4 多径时散与相关带宽,最大时延 是以包络电平下降30dB时测定的时延值,30,多径时散的相关带宽,例如，=3s, Bc=1
10、/(2)=53kHz。此时传输信号的带宽应小于Bc=53kHz。,为时延扩展，Bc为多径时散的相关带宽。若所传输的信号带宽较宽，以至与Bc可比拟时，则所传输的信号将产生明显的畸变。,3.2.4 多径时散与相关带宽,31,频率选择性衰落：信号带宽超出相关带宽，会导致频率选择性衰落,3.2.4 多径时散与相关带宽,32,3.3.3 中等起伏地形上传播损耗的中值,1. 市区传播损耗的中值,在计算各种地形、地物上的传播损耗时，均以中等起伏地上市区的损耗中值或场强中值作为基准，因而把它称作基准中值或基本中值。,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,33,图 3 23 中等起伏地上市区基本损耗中值,3.3
11、陆地移动通信系统的传输损耗,34,如果基站天线的高度不是200m, 则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子Hb(hb, d)表示。图 3 - 24(a)给出了不同通信距离d时，Hb(hb, d)与hb的关系。显然，当hb200m时，Hb(hb, d)0dB；反之，当hb200m时， Hb(hb, d)0 dB。同理，当移动台天线高度不是3m时，需用移动台天线高度增益因子Hm(hm, f)加以修正，参见图 3 - 24(b)。当hm3m时，Hm(hm, f)0dB； 反之，当hm3m时，Hm(hm, f)0dB。,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,35,图 3 24 天线高度增益因子,3.3
12、陆地移动通信系统的传输损耗,36,图 3 24 天线高度增益因子,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,37,3.3.5 任意地形地区的传播损耗的中值,1. 中等起伏地市区中接收信号的功率中值PP中等起伏地市区接收信号的功率中值PP(不考虑街道走向)可由下式确定：,式中，P0为自由空间传播条件下的接收信号的功率，即,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,38,PT发射机送至天线的发射功率；工作波长；d收发天线间的距离；Gb基站天线增益；Gm移动台天线增益。Am(f, d)是中等起伏地市区的基本损耗中值，即假定自由空间损耗为0 dB，基站天线高度为200m, 移动台天线高度为3 m的情况下得到的损耗
13、中值，它可由图 3-23 求出。,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,39,Hb(hb, d)是基站天线高度增益因子，它是以基站天线高度200m为基准得到的相对增益，其值可由图3-24(a)求出。Hm(hm, f)是移动天线高度增益因子，它是以移动台天线高度3m为基准得到的相对增益，可由图324(b)求得。,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,40,2. 任意地形地区接收信号的功率中值PPC任意地形地区接收信号的功率中值是以中等起伏地市区接收信号的功率中值PP为基础，加上地形地区修正因子KT，即,地形地区修正因子KT一般可写成,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,41,式中： Kmr郊区修正因
14、子，可由图 3 - 26 求得； Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，可由图 3-27 求得； Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值，可由图 3- 28求得； Kjs孤立山岳修正因子，可由图 3 - 29 求得； Ksp斜坡地形修正因子，可由图 3 - 30 求得； KS水陆混合路径修正因子，可由图 3 - 31 求得,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,42,任意地形地区的传播损耗中值,其中，LT为中等起伏地市区传播损耗中值,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,43,例 3-2 某一移动信道，工作频段为450MHz，基站天线高度为50m，天线增益为6dB，移动台天线高度为3m，天线增益为
15、0dB；在市区工作，传播路径为中等起伏地，通信距离为 10km。试求：(1) 传播路径损耗中值；(2) 若基站发射机送至天线的信号功率为 10W，求移动台天线得到的信号功率中值。,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,44,解(1) 根据已知条件，KT=0, LA=LT，可分别计算如下：由式(3 - 13)可得自由空间传播损耗,由图 3 - 23 查得市区基本损耗中值,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,45,(2) 中等起伏地市区中接收信号的功率中值,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,46,例 3 3 若上题改为郊区工作，传播路径是正斜坡，且m=15mrad, 其它条件不变。再求传播路径损耗中值及接收信号功率中值。,3.3 陆地移动通信系统的传输损耗,47,WCDMA链路预算实例,48,WCDMA链路预算实例,49,练习：,若一发射机发射载频为1850 MHz，一辆汽车以每小 时60km/h速度运动，计算在以下情况下接收机载波 频率： (a)汽车沿直线朝向发射机运动 (b)汽车沿直线背向发射机运动 (c)汽车运动方向与入射波方向成直角,
