無線移動(dòng)通信信道課件

移動(dòng)通信技術(shù)陽旭艷移動(dòng)通信技術(shù)陽旭艷22023/9/13無線電波頻譜劃分波段波段波長范圍3-30Hz極長波（EFL，極低頻）10e5～10e4km30-300Hz特長波（SLF，特低頻）10e4～10e3km300-3000Hz超長波（ULF，超低頻）10e3～10e2km3-30KHz甚長波（VLF，甚低頻）10e2～10km30-300KHz長波（LF，低頻）10～1km300-3000KHz中波（MF，中頻）10e3～10e2m3-30MHz短波（HF，高頻）10e2～10m30-300MHz超短波（VHF，甚高頻）10～1m300-3000MHz分米波（UHF，超高頻）10e2～10cm3-30GHz厘米波（SHF，特高頻）10～1cm30-300GHz毫米波（EHF，極高頻）10～1mm300-3000GHz亞毫米波（超極高頻）1～0.1mm2無線電波頻譜劃分波段波段波長范圍3-30Hz極長波（EF32023/9/133.1概述移動(dòng)通信信道:基站天線、移動(dòng)用戶天線和兩付天線之間的傳播路徑

無線電波傳播方式:直射、反射、繞射和散射以及它們的合成衰落:接收端信號幅度的隨機(jī)起伏變化現(xiàn)象。電波傳播的基本特性即移動(dòng)信道的基本特性——衰落特性衰落的原因:復(fù)雜的無線電波傳播環(huán)境衰落的表現(xiàn)傳播損耗和彌散陰影衰落多徑衰落多普勒頻移研究無線移動(dòng)通信信道的基本方法：

理論分析。用電磁場理論和統(tǒng)計(jì)理論分析電波在移動(dòng)環(huán)境中的傳播特性，并用數(shù)學(xué)模型來描述移動(dòng)信道。現(xiàn)場電波實(shí)測。在不同的傳播環(huán)境中，做電波實(shí)測實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證和校正理論分析結(jié)果。直射波及地面反射波（最一般的傳播形式）對流層反射波（傳播具有很大的隨機(jī)性）山體繞射波（陰影區(qū)域信號來源）電離層反射波（超視距通訊途徑）發(fā)射數(shù)據(jù)接收數(shù)據(jù)33.1概述直射波及地面反射波對流層反射波山體繞射42023/9/13傳播途徑直射波及地面反射波（最一般的傳播形式）對流層反射波（傳播具有很大的隨機(jī)性）山體繞射波（陰影區(qū)域信號來源）電離層反射波（超視距通訊途徑）4傳播途徑直射波及地面反射波對流層反射波山體繞射波電離層反射52023/9/13直射：自由空間傳播；反射：在電波傳播的路徑上有一個(gè)體積遠(yuǎn)大于電波波長的物體，電波不能繞射過該物體；繞射：在發(fā)射機(jī)與接收機(jī)之間有邊緣光滑且不規(guī)則的阻擋物體，該物體的尺寸與電波波長接近，電波可以從該物體的邊緣繞射過去；衍射：當(dāng)電磁波的傳播路由上存在小于波長的物體、并且單位體積內(nèi)這種障礙物體的數(shù)目非常巨大時(shí)，發(fā)生衍射。衍射發(fā)生在粗糙表面、小物體或其它不規(guī)則物體，如：樹葉、街道標(biāo)志和燈柱等傳播途徑幾乎任何一次通信的過程，都是這多種傳播方式的組合5直射：自由空間傳播；傳播途徑幾乎任何一次通信的過程，都是這62023/9/13阻擋體反射（引起多徑衰落）比傳輸波長大的多的物體繞射尖利邊緣散射粗糙表面3.2自由空間的無線電傳播三種基本電波的傳播機(jī)制6阻擋體反射比傳輸波長72023/9/13傳播環(huán)境①建筑物反射波②繞射波③直達(dá)波④地面反射波7傳播環(huán)境①建筑物反射波82023/9/13無線電波傳播受地形結(jié)構(gòu)和人為環(huán)境的影響，無線傳播環(huán)境直接決定傳播模型的選取。影響環(huán)境的主要因素：自然地形（高山、丘陵、平原、水域）人工建筑的數(shù)量、分布、材料特性該區(qū)域植被特征天氣狀況自然和人為的電磁噪聲狀況傳播環(huán)境8無線電波傳播受地形結(jié)構(gòu)和人為環(huán)境的影響，無線傳播環(huán)境直接決92023/9/13傳播環(huán)境地形結(jié)構(gòu)開闊區(qū)平滑地形丘陵地形山區(qū)人為環(huán)境市區(qū)郊區(qū)準(zhǔn)郊區(qū)鄉(xiāng)村地區(qū)9傳播環(huán)境地形結(jié)構(gòu)人為環(huán)境102023/9/13信號衰落距離(m)接收功率(dBm)102030-20-40-60慢衰落快衰落慢衰落在幾十個(gè)波長的長度上呈現(xiàn)比較慢的變化趨勢、快衰落則是疊加在其上的快變化成分10信號衰落距離(m)接收功率(dBm)102030-20-112023/9/132.5移動(dòng)通信信道的三大損耗2.5.1路徑損耗—俗稱路損2.5.2慢衰落損耗—俗稱慢衰2.5.3快衰落損耗—俗稱快衰112.5移動(dòng)通信信道的三大損耗2.5.1路徑損耗—122023/9/133.2自由空間的無線電傳播

自由空間傳播是指在理想的、均勻的、各向同性的介質(zhì)中傳播，電波傳播不發(fā)生反射、繞射、散射和吸收現(xiàn)象，只存在由電磁波能量擴(kuò)散而引起的傳播損耗。若以分貝表示，則有123.2自由空間的無線電傳播自由空間傳播132023/9/13傳播損耗準(zhǔn)平滑地形及不規(guī)則地形傳播損耗準(zhǔn)平滑地形:表面起伏平緩，起伏高度小于等于20米的地形不規(guī)則地形:除了準(zhǔn)平滑地形之外的其余地形，可按狀態(tài)分為：丘陵地形、孤立山岳、傾斜地形、水陸混合地形等RTTR13傳播損耗準(zhǔn)平滑地形及不規(guī)則地形傳播損耗RTTR142023/9/13

3.2.1理想介質(zhì)表面的反射反射：當(dāng)電波傳播過程中遇到兩種不同介質(zhì)的光滑界面時(shí)，會(huì)發(fā)生反射。反射系數(shù)（R）入射波與反射波的比值θ為入射角式中

(垂直極化）（水平極化）

而 其中，ε為介電常數(shù)，σ為電導(dǎo)率，λ為波長。143.2.1理想介質(zhì)表面的反射反射：當(dāng)電波傳播過程中遇到152023/9/13傳播損耗繞射損耗特點(diǎn)電磁波在繞射點(diǎn)四處擴(kuò)散繞射波覆蓋除障礙物外的所有方向擴(kuò)散損耗最為嚴(yán)重計(jì)算公式復(fù)雜，隨不同繞射常數(shù)變化TR15傳播損耗繞射損耗TR162023/9/13傳播損耗穿透損耗室內(nèi)信號取決于建筑物的穿透損耗室內(nèi)窗口處與室內(nèi)中部信號差別較大建筑物材質(zhì)對穿透損耗影響較大電磁波的入射角對穿透損耗影響較大TRXdBmWdBm穿透損耗=X-W=BdB電磁波穿透墻體的反射和折射16傳播損耗穿透損耗TRXdBmWdBm穿透損耗=X-W=B172023/9/13傳播損耗建筑物穿透損耗物體阻擋/穿透損耗為：隔墻阻擋：5～20dB樓層阻擋：＞20dB室內(nèi)損耗值是樓層高度的函數(shù)，-1.9dB/層家具和其它障礙物的阻擋：2～15dB厚玻璃：6～10dB火車車廂的穿透損耗為：15～30dB電梯的穿透損耗：30dB左右茂密樹葉損耗：10dB17傳播損耗建筑物穿透損耗182023/9/13傳播損耗反射損耗地面性質(zhì)水面稻田田野城市、山地、森林等效地面反射系數(shù)0.9～10.6～0.80.3～0.50.1～0.2反射損耗（dB）0～12～46～1014～2018傳播損耗反射損耗地面性質(zhì)水面稻田田野城市、山地、森林等效192023/9/133.5電波傳播損耗預(yù)測模型在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，當(dāng)移動(dòng)臺和基站的距離逐漸增加時(shí)，所收到的信號會(huì)越來越弱，原因是發(fā)生了路徑損耗，路徑損耗不僅與載頻頻率、傳播距離有關(guān)，而且還與傳播地形和地貌有關(guān)。自由空間是指相對介電常數(shù)和相對導(dǎo)磁率均為一個(gè)均勻介質(zhì)所存在的空間，它是一個(gè)理想的無限大的空間，是為了簡化問題的研究而提出的一種科學(xué)的抽象，在自由空間的傳播衰落可不考慮其它衰落因素，僅考慮因能量的擴(kuò)散而引起的損耗。然而在實(shí)際上電波還要受到諸如平地面的吸收、反射和曲率地面的繞射以及地面上的覆蓋物等傳輸損耗的影響，因而需要采取更為復(fù)雜的傳輸模型。193.5電波傳播損耗預(yù)測模型在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，當(dāng)移動(dòng)臺202023/9/13中興通訊NC教育管理中心移動(dòng)傳播的衰落陰影效應(yīng)：它是由于電波傳播路徑上的障礙物的阻擋而產(chǎn)生的損耗。當(dāng)電波傳播路徑上遇到高大建筑物、樹林、地形起伏等障礙物的阻擋，就會(huì)產(chǎn)生電磁場的陰影。當(dāng)移動(dòng)臺通過不同障礙物阻擋所造成的電磁場陰影時(shí)，就會(huì)使接收場強(qiáng)的中值發(fā)生變化陰影衰落（慢衰落）：當(dāng)移動(dòng)臺通過不同障礙物阻擋所造成的電磁場陰影時(shí)，其局部中值電平隨地點(diǎn)、時(shí)間以及移動(dòng)臺速度做比較平緩的變化，稱為慢衰落。服從對數(shù)正態(tài)分布，是由于地形地貌引起的衰落20中興通訊NC教育管理中心移動(dòng)傳播的衰落212023/9/13中興通訊NC教育管理中心移動(dòng)傳播的衰落多徑傳播：收發(fā)之間是非視距無線傳播路徑，無線電波通過反射、繞射和散射等傳播途徑建立收發(fā)的無線鏈路，在接收端，平面波將從各個(gè)不同方向并以不同的延遲時(shí)間到達(dá)，這種特性稱為多徑傳播，即通過多條傳播路徑到來的平面波在接收天線處進(jìn)行矢量疊加產(chǎn)生一個(gè)合成接收信號多徑衰落：由于多徑傳播引起的衰落。接收處合成波的幅度和相位隨移動(dòng)臺的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生很大的起伏變化，通常把這種現(xiàn)象稱為多徑衰落或快衰落。服從瑞利分布21中興通訊NC教育管理中心移動(dòng)傳播的衰落222023/9/13信號衰落抗快衰落措施－分集時(shí)間分集符號交織、檢錯(cuò)、糾錯(cuò)編碼空間分集采用主、分集天線接收。主、分集天線的接收信號不具有同時(shí)衰減的特性?；窘邮諜C(jī)對一定時(shí)間范圍內(nèi)不同時(shí)延信號的均衡能力也是一種空間分集的形式。頻率分集

GSM通信采用跳頻22信號衰落抗快衰落措施－分集232023/9/132.6移動(dòng)通信的四大效應(yīng)2.6.1陰影效應(yīng)—陽光不能普照2.6.2遠(yuǎn)近效應(yīng)—CMDA特有的效應(yīng)2.6.3多徑效應(yīng)—路太多也非好事2.6.4多普勒效應(yīng)—你跑的太快了，我跟不上232.6移動(dòng)通信的四大效應(yīng)2.6.1陰影效應(yīng)—陽光242023/9/13陰影效應(yīng)—陽光不能普照移動(dòng)通信中建筑物等的阻擋所引起的陰影效應(yīng)。24陰影效應(yīng)—陽光不能普照移動(dòng)通信中建筑物等的阻擋所引起的陰252023/9/13遠(yuǎn)近效應(yīng)—CMDA特有的效應(yīng)CDMA中離基站距離較近的小區(qū)中心，用戶接收到的基站信號就比較強(qiáng)。25遠(yuǎn)近效應(yīng)—CMDA特有的效應(yīng)CDMA中離基站距離較近的小262023/9/13多徑效應(yīng)—路太多也非好事通過不同的路徑到達(dá)接收端的信號，無論是在信號的幅度，還是在到達(dá)接收端的時(shí)間以及載波相位上都不盡相同。26多徑效應(yīng)—路太多也非好事通過不同的路徑到達(dá)接收端的信號，272023/9/13多普勒效應(yīng)—你跑的太快了，我跟不上移動(dòng)臺的運(yùn)動(dòng)速度太快了，所引起的頻率擴(kuò)散的效應(yīng)就是多普勒頻移。27多普勒效應(yīng)—你跑的太快了，我跟不上移動(dòng)臺的運(yùn)動(dòng)速度太快了282023/9/13中興通訊NC教育管理中心多普勒頻移多普勒頻移：由于波源和接收者之間存在著相互運(yùn)動(dòng)而造成接收者接收到的頻率和波源發(fā)出的頻率之間發(fā)生變化快速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)臺會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移現(xiàn)象，這是因?yàn)樵谝苿?dòng)臺高速運(yùn)動(dòng)時(shí)接收和發(fā)送信號將導(dǎo)致信號頻率發(fā)生偏移而引起的干擾。接收機(jī)收到的信號頻率將與發(fā)射機(jī)發(fā)出的信號頻率之間產(chǎn)生一個(gè)差值28中興通訊NC教育管理中心多普勒頻移292023/9/13多普勒頻移以固定速度v運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)臺，所接收的載波發(fā)生的多普勒頻移為：是第n條路徑上的平面波的多普勒頻移是最大多普勒頻移是載波頻率29多普勒頻移以固定速度v運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)臺，所接收的載波發(fā)生的多302023/9/13中興通訊NC教育管理中心多普勒頻移f收＝c±v／λ＝f發(fā)±v／λ＝f發(fā)±f移

f發(fā)——發(fā)射機(jī)發(fā)出信號頻率

f收——接收機(jī)接收信號頻率

v——發(fā)射機(jī)與接收機(jī)相對運(yùn)動(dòng)速度

λ——信號波長

c——電磁波傳播速度，3×108米／秒

f移——多普勒頻移當(dāng)接收機(jī)與發(fā)射機(jī)之間以每秒一個(gè)波長的速度做相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，所產(chǎn)生的多普勒頻移為多少？f移＝v／λ，所以產(chǎn)生的多普勒頻移為1Hz30中興通訊NC教育管理中心多普勒頻移f收＝c±v／λ＝f發(fā)312023/9/133.5電波傳播損耗預(yù)測模型目的掌握基站周圍所有地點(diǎn)處接收信號的平均強(qiáng)度及變化特點(diǎn)，以便為網(wǎng)絡(luò)覆蓋的研究以及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。方法根據(jù)測試數(shù)據(jù)分析歸納出基于不同環(huán)境的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在此基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行校正，使其更加接近實(shí)際，更準(zhǔn)確．確定傳播環(huán)境的主要因素自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）人工建筑的數(shù)量、高度、分布和材料特性該地區(qū)的植被特征天氣狀況自然和人為的電磁噪聲狀況系統(tǒng)的工作頻率和移動(dòng)臺運(yùn)動(dòng)等因素本節(jié)內(nèi)容室外傳播模型室內(nèi)傳播模型傳播模型校正313.5電波傳播損耗預(yù)測模型目的322023/9/13室外傳播模型常用的幾種室外電波傳播損耗預(yù)測模型Okumura模型和Okumura-Hata模型

廣泛使用的一種適用于宏蜂窩的中值路徑損耗預(yù)測的傳播模型。COST231Hata模型CCIR模型LEE模型COST231Walfisch-Ikegami模型32室外傳播模型常用的幾種室外電波傳播損耗預(yù)測模型332023/9/13準(zhǔn)平滑地形表面起伏平緩，起伏高度小于等于20米的地形不規(guī)則地形除了準(zhǔn)平滑地形之外的其余地形，可按狀態(tài)分為：丘陵地形、孤立山岳、傾斜地形、水陸混合地形等RTTR地形分類33準(zhǔn)平滑地形RTTR地形分類342023/9/13根據(jù)地物分布的稠密程度，可將地物分成下列三類：(1)開闊地在電波傳播的方向上無高大樹木、建筑物等障礙物，地面呈開闊狀態(tài)．一般定義為在電波傳播方向300一400m以內(nèi)無障礙物的開闊原野為開闊地。(2)郊區(qū)地移動(dòng)臺附近處有障礙物但不稠密的地區(qū)，如樹木、房屋稀少的田園地帶和郊區(qū)公路網(wǎng)地區(qū)等。(3)市區(qū)指有兩層以上建筑物的稠密地區(qū)，如城市區(qū)、大的街道以及建筑物和茂盛而稠密的高大樹木混雜的地區(qū)等。對于建筑物及隧道內(nèi)部的場強(qiáng)分布要另外加以考慮。地物分類34根據(jù)地物分布的稠密程度，可將地物分成下列三類：地物分類352023/9/13一、Okumura模型和Okumura-Hata模型適用范圍： 頻率范圍f:

150~1500MHz

基站天線高度hb:

30~200m

移動(dòng)臺高度hm:

1~10m

距離d:

1~20km宏蜂窩模型基站天線高度高于周圍建筑物1km以內(nèi)預(yù)測不適用頻率超過1500MHz以上時(shí)不適用35一、Okumura模型和Okumura-Hata模型適用362023/9/13Okumura模型其中，Lbs-----自由空間傳播損耗；Am(f,d)----準(zhǔn)平滑地形大城市基本衰耗中值，查圖１；Hb(hb,d)----基站天線高度增益因子，查圖2；Hm(hm,f)----移動(dòng)臺天線高度增益因子，查圖3。市區(qū)準(zhǔn)平滑地形傳播損耗中值：圖１36Okumura模型其中，市區(qū)準(zhǔn)平滑地形傳播損耗中值：圖１372023/9/13Okumura模型天線高度修正因子圖２圖337Okumura模型天線高度修正因子圖２圖3382023/9/13在計(jì)算任意地形、地物的情況下的電波傳播衰耗中值時(shí)，可用下式：

式中，為準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)衰耗中值，為地形、地物修正因子。

任意地形、地物的傳播損耗中值Okumura模型其中，Kmr——郊區(qū)修正因子，Qo、Qr——開闊地或準(zhǔn)開闊地修正因子，Kh、Khf——丘陵地修正因子及微小修正值；Kjs——孤立山岳修正因子；Ksp——斜坡地形修正因子；KS——水陸混合路徑修正因子38在計(jì)算任意地形、地物的情況下的電波傳播衰耗中值時(shí)，可用下392023/9/1339402023/9/1340412023/9/1341422023/9/1342432023/9/13圖2－16水陸混合地形示意圖43圖2－16水陸混合地形示意圖442023/9/13圖2－17水陸混合地形修正值曲線圖44圖2－17水陸混合地形修正值曲線圖452023/9/1345462023/9/132462472023/9/13孤立山川地形的修正因子在使用450MHz，900MHz頻段，山岳高度H=110-350m時(shí)，基本衰耗中值與實(shí)測的衰耗中值的差值，并歸一化為H=200m時(shí)的值，即孤立山岳修正因子kjs。kjs亦為增益因子。

當(dāng)山岳高度不等于200m時(shí)，查得的kjs值還需乘以一個(gè)系數(shù)

d1:發(fā)射臺至山頂?shù)乃骄嚯x；

d2：山頂至移動(dòng)臺的水平距離；47孤立山川地形的修正因子在使用450MHz，900MHz頻482023/9/13計(jì)算方法⑴計(jì)算自由空間的傳播衰耗

⑵計(jì)算準(zhǔn)平滑地形市區(qū)的信號中值

⑶計(jì)算任意地形地物情況下的信號中值

式中：

Kmr：郊區(qū)修正因子；

Q0，Qr：開闊區(qū)，準(zhǔn)開闊區(qū)修正因子；

Kh，Khf：丘陵地形修正因子及丘陵地微小修正值；

Kjs：孤立山丘地形修正因子；

Ksp：斜坡地形修正因子；

Ks：水路混合地形修正因子

根據(jù)實(shí)際的地形地物情況，KT因子可能只有其中的某幾項(xiàng)或?yàn)榱恪?8計(jì)算方法⑴計(jì)算自由空間的傳播衰耗492023/9/13例１某一移動(dòng)信道，工作頻段為450MHz，基站天線高度為50m，天線增益為6dB，移動(dòng)臺天線高度為3m，天線增益為0dB；在市區(qū)工作，傳播路徑為準(zhǔn)平滑地，通信距離為10km。試求：

(1)傳播路徑損耗中值；

(2)若基站發(fā)射機(jī)送至天線的信號功率為10W，求移動(dòng)臺天線得到的信號功率中值。例題49例１某一移動(dòng)信道，工作頻段為450M502023/9/13解(1)根據(jù)已知條件，KT=0,分別計(jì)算如下：自由空間傳播損耗由圖1,2,3查得(2)市區(qū)準(zhǔn)平滑地形接收信號的功率中值50解(1)根據(jù)已知條件，KT=0,分別計(jì)512023/9/13例2若上題改為郊區(qū)工作，傳播路徑是正斜坡，且θm=15mrad,其它條件不變。再求傳播路徑損耗中值及接收信號功率中值。解：51例2若上題改為郊區(qū)工作，傳播路徑是正斜坡，且θm=522023/9/13Okumura-Hata模型路徑損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式式中—工作頻率（MHz）

—基站天線有效高度（m)—移動(dòng)臺天線有效高度（m)

d—基站天線和移動(dòng)臺天線之間的水平距離（km）

—有效天線修正因子，是移動(dòng)臺天線有效高度的函數(shù)

—小區(qū)類型校正因子

—地形校正因子，反映一些重要的地形環(huán)境因素對路徑損耗的影響52Okumura-Hata模型路徑損耗計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式532023/9/13例１：某一移動(dòng)通信系統(tǒng)組網(wǎng)，傳播環(huán)境為準(zhǔn)平滑地形，城市，工作頻段為450MHz，基站天線高度為30m，移動(dòng)臺天線高度為1.5m，通信距離為10km，試預(yù)測基站與移動(dòng)臺之間的路徑傳播損耗中值。解：方法１－－Okumura模型第一步，計(jì)算自由空間損耗LbsLbs＝32.45+20lgd+20lgf=32.45+20lg10+20lg450=105.5dB第二步，由圖１查出：Am（