多径信道.pptx

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第3章移动信道的传播特性,移动通信面临的问题与分析,第3章移动信道的传播特性,移动通信要解决终端的移动性问题（必须采用无线电波进行传播）信号传输问题：

多径信道，信号衰减和衰落信号干扰问题：

邻道，同信道，多径，互调频谱资源问题：

（用户容量，业务容量）安全保密问题：

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第3章移动信道的传播特性,为什么研究无线信道,是移动通信信号处理技术的分析基础是现代移动通信要解决的主要问题信号带宽的增加GSM的均衡WCDMA的多径合并开发时域多径资源智能天线的引入开发空域多径资源,第3章移动信道的传播特性,多径产生的机理,反射：

Reflection当信号与较大尺寸的物体信号作用上，如物体尺寸远大于信号波长，则产生反射现象。

散射：

ScatteringWhentheobjectorfacetsontheobjectaresmallerthanthesignalwavelength衍射：

DiffractionThemechanismthatallowsSignalenergytopropagatearoundobjectsiscalleddiffraction,第3章移动信道的传播特性,如何研究多径（研究方法）,从接收信号的角度，进行统计分析接收信号的幅度变化及分布接收信号的到达角分布从多径的物理概念/数学的角度分析研究多径中每径幅度的分布研究每径的到达角和分布研究每径的时延特性及分布从模型的角度,第3章移动信道的传播特性,第3章移动信道的传播特性,无线电波传播特性移动信道的特征陆地移动信道的传输损耗移动信道的传播模型思考题与习题,第3章移动信道的传播特性,3.1无线电波传播特性,3.1.1电波传播方式发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率f30MHz时，典型的传播通路如图3-1所示。

图31典型的传播通路,第3章移动信道的传播特性,3.1.2直射波直射波传播可按自由空间传播来考虑。

所谓自由空间传播系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，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射。

实际情况下，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对导磁率都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这样情况下，电波可视作在自由空间传播。

第3章移动信道的传播特性当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。

由电磁场理论可知，若各向同性天线（亦称全向天线或无方向性天线）的辐射功率为PT瓦时，则距辐射源d米处的电场强度有效值E0为,磁场强度有效值H0为,单位面积上的电波功率密度S为,第3章移动信道的传播特性若用天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线，则上述公式应改写为:

接收天线获取的电波功率等于该点的电波功率密度乘以接收天线的有效面积，即,第3章移动信道的传播特性式中，AR为接收天线的有效面积，它与接收天线增益GR满足下列关系,式中，2/4为各向同性天线的有效面积。

当收、发天线增益为0dB，即当GR=GT=1时，接收天线上获得的功率为,第3章移动信道的传播特性,由上式可见，自由空间传播损耗Lfs可定义为,以dB计，得,或,（3-13）式中，d的单位为km，频率单位以MHz计。

第3章移动信道的传播特性,大气中的电波传播大气折射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r的关系为,众所周知，大气的相对介电系数与温度、湿度和气压有关。

大气高度不同，r也不同，即dn/dh是不同的。

根据折射定律，电波传播速度v与大气折射率n成反比，即式中，c为光速。

第3章移动信道的传播特性当一束电波通过折射率随高度变化的大气层时，由于不同高度上的电波传播速度不同，从而使电波射束发生弯曲，弯曲的方向和程度取决于大气折射率的垂直梯度dn/dh。

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。

大气折射对电波传播的影响，在工程上通常用“地球等效半径”来表征，即认为电波依然按直线方向行进，只是地球的实际半径R0（6.37106m）变成了等效半径Re,Re与R0之间的关系为式中，k称作地球等效半径系数。

第3章移动信道的传播特性,当dn/dh0时，表示大气折射率n随着高度升高而减少。

因而k1,ReR0。

在标准大气折射情况下，即当dn/dh-410-8（l/m），等效地球半径系数k=4/3，等效地球半径Re=8500km。

由上可知，大气折射有利于超视距的传播，但在视线距离内，因为由折射现象所产生的折射波会同直射波同时存在，从而也会产生多径衰落。

第3章移动信道的传播特性2.视线传播极限距离,图32,视线传播极限距离,第3章移动信道的传播特性自发射天线顶点A到切点C的距离d1为,同理，由切点C到接收天线顶点B的距离d2为,在标准大气折射情况下，Re=8500km,故,式中，ht、hr的单位是m,d的单位是km。

第3章移动信道的传播特性,3.1.4障碍物的影响与绕射损耗,图33障碍物与余隙（a）负余隙；（b）正余隙,第3章移动信道的传播特性图中，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，如图3-3（a）所示；无阻挡时余隙为正，如图3-3（b）所示。

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,其中x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，它由下列关系式可求得：

（3-21）,第3章移动信道的传播特性,图34绕射损耗与余隙关系,第3章移动信道的传播特性,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6dB。

第3章移动信道的传播特性例31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,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,第3章移动信道的传播特性,3.1.5反射波,图35反射波与直射波,第3章移动信道的传播特性,通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理，即电波在反射点的反射角等于入射角。

不同界面的反射特性用反射系数R表征，它定义为反射波场强与入射波场强的比值，R可表示为,式中，|R|为反射点上反射波场强与入射波场强的振幅比，代表反射波相对于入射波的相移。

第3章移动信道的传播特性对于水平极化波和垂直极化波的反射系数Rh和Rv分别由下列公式计算：

（3-23）,（3-24）式中，c是反射媒质的等效复介电常数，它与反射媒质的相对介电常数r、电导率和工作波长有关，即,第3章移动信道的传播特性对于地面反射，当工作频率高于150MHz（2m）时，1，由式（3-23）和式（3-24）可得,即反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差为180。

式中，d=d1+d2。

第3章移动信道的传播特性通常（ht+hr）d,故上式中每个根号均可用二项式定理展开，并且只取展开式中的前两项。

例如：

由路径差d引起的附加相移为式中，2/称为传播相移常数。

这时接收场强E可表示为,第3章移动信道的传播特性,由上式可见，直射波与地面反射波的合成场强将随反射系数以及路径差的变化而变化，有时会同相相加，有时会反相抵消，这就造成了合成波的衰落现象。

|R|越接近于1，衰落就越严重。

所以，在固定地址通信中，选择站址时应力图减弱地面反射，或调整天线的位置或高度，使地面反射区离开光滑界面。

第3章移动信道的传播特性,3.2移动信道的特征,第3章移动信道的传播特性移动环境的实测接收信号,第3章移动信道的传播特性,3.2移动信道的特征,3.2.1传播路径与信号衰落,图36移动信道的传播路径,第3章移动信道的传播特性,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,第3章移动信道的传播特性,图37典型信号衰落特性,相对于中值电平/dB,第3章移动信道的传播特性,移动环境的场强特性,大尺度衰落,小尺度衰落移动通信环境下场强变化剧烈场强变化的平均值随距离增加而衰减场强特性曲线的中值呈慢速变化-慢衰落场强特性曲线的瞬时值呈快速变化-快衰落,第3章移动信道的传播特性,产生接收信号变化的原因,空间传播损耗-Pathloss阴影效应，由地形结构引起，表现为慢衰落。

多径效应，由移动体周围的局部散射体引起的多径传播，表现为快衰落。

多普勒效应，由于移动体的运动速度和方向引起，多径条件下，引起多普勒频谱展宽。

第3章移动信道的传播特性,快衰落产生的原因,多径效应多普勒效应,第3章移动信道的传播特性快衰落的瞬时幅度特性,电平通过率（LevelCrossingRate）指在单位时间内信号电平以正斜率通过某一给定电平A的次数。

衰落速率:

指单位时间内信号以负斜率通过中值电平的次数。

衰落深度:

指信号的有效值（均方根值）与最小值之间的差值。

衰落持续时间及其分布指信号电平低于某一电平（门限电平）的持续时间。

第3章移动信道的传播特性,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,第3章移动信道的传播特性,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个信号为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,其多普勒频移值为式中，v为车速，为波长，fm为i=0时的最大多普勒频移，因此Si（t）可写成,第3章移动信道的传播特性假设N个信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且满足统计独立，则接收信号为,则S（t）可写成,第3章移动信道的传播特性由于x和y都是独立随机变量之和，根据概率的中心极限定理，大量独立随机变量之和的分布趋向正态分布，即有概率密度函数为：

式中，x、y分别为随机变量x和y的标准偏差。

x、y在区间dx、dy上取值概率分别为p（x）dx、p（y）dy，由于它们相互独立，所以在面积dxdy中的取值概率为式中，p（x,y）为随机变量x和y的联合概率密度函数。

第3章移动信道的传播特性假设，且p（x）和p（y）均值为零，则,通常，二维分布的概率密度函数使用极坐标系（r,）表示比较方便。

此时，接收天线处的信号振幅为r,相位为，对应于直角坐标系为：

在面积drd中的取值概率为,第3章移动信道的传播特性,得联合概率密度函数为,对积分，可求得包络概率密度函数p（r）为（3-44）同理，对r积分可求得相位概率密度函数p（）为,第3章移动信道的传播特性,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。

均值,均方值,第3章移动信道的传播特性,图39瑞利分布的概率密度,当,时，有,第3章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,第3章移动信道的传播特性上式表明，衰落信号的包络有50%概率大于1.177。

这里的概率即是指任意一个足够长的观察时间内，有50%时间信号包络大于1.177。

因此，1.177常称为包络r的