1、第三章 移動信道的傳播特性 目錄目錄 3.1 電波傳播特性電波傳播特性 3.2 移動信道的特征移動信道的特征 3.3 陸地移動信道的傳輸損耗陸地移動信道的傳輸損耗 3.4 噪聲與干擾噪聲與干擾 3.1 電波傳播特性 1電波傳播特性電波傳播特性 1. 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 2. 陰影衰落陰影衰落 3. 多徑衰落多徑衰落 4. 存在多普勒效應存在多普勒效應 3.1 電波傳播特性電波傳播特性 3.1 電波傳播特性 二二. 自由空間傳播損耗自由空間傳播損耗 對于移動通信系統而言，自由空間傳播損耗對于移動通信系統而言，自由空間傳播損耗Lfs 與傳播距離與傳播距離d和工作頻率和工作頻率f有關，

2、可定義為：有關，可定義為： 式中：式中：d為距離，其單位為為距離，其單位為km； f為頻率，單位為為頻率，單位為Mhz。 )(lg20)(lg2044.32)(LMHzfkmddB fs 結論：傳播距離結論：傳播距離d越遠，自由空間傳播損耗越遠，自由空間傳播損耗Lfs越大；當越大；當 傳播距離傳播距離d加大一倍，自由空間傳播損耗加大一倍，自由空間傳播損耗Lfs就增加就增加6dB； 工作頻率工作頻率f越高，自由空間傳播損耗越高，自由空間傳播損耗Lfs越大，當工作頻率越大，當工作頻率 f提高一倍，自由空間傳播損耗提高一倍，自由空間傳播損耗Lfs就增大就增大6dB。 3.1 電波傳播特性 三三. 電

3、波的三種基本傳播機制電波的三種基本傳播機制 1. 直射波：沿直線傳播到達接收天線。直射波：沿直線傳播到達接收天線。 2. 反射波：發生于地球表面、建筑物和墻壁，電波傳播反射波：發生于地球表面、建筑物和墻壁，電波傳播 遇到比波長大得多的物體時發生反射。遇到比波長大得多的物體時發生反射。 3. 繞射波：當接收機和發射機之間的無線路徑被尖利的繞射波：當接收機和發射機之間的無線路徑被尖利的 邊緣阻擋時發生繞射。繞射使得無線電信號繞地球表邊緣阻擋時發生繞射。繞射使得無線電信號繞地球表 面傳播，能夠傳播到阻擋物后面。面傳播，能夠傳播到阻擋物后面。 4. 散射波：當電波穿行的介質中存在小于波長的物體并散射波

4、：當電波穿行的介質中存在小于波長的物體并 且單位體積內阻擋體的個數非常巨大時，發生散射。且單位體積內阻擋體的個數非常巨大時，發生散射。 四四. 大氣中的電波傳播大氣中的電波傳播 3.1 電波傳播特性 1. 大氣折射大氣折射 大氣折射對電波傳播的影響，大氣折射對電波傳播的影響， 在工程上通常用在工程上通常用 “地球等效半徑地球等效半徑”來表征，來表征， 即認為電波依然按直線方即認為電波依然按直線方 向行進，向行進， 只是地球的實際半徑只是地球的實際半徑R0(6.37106m)變成變成 了等效半徑了等效半徑Re， Re與與R0之間的關系為：之間的關系為： dh dn R R R k e 0 0 1

5、 1 式中，式中， k稱作地球等效半徑系數。稱作地球等效半徑系數。 2. 視距傳播距離視距傳播距離 ht R e o A d1 C d2 B h r teh Rd2 1 reh Rd 2 )(2 21rte hhRddd 3.1 電波傳播特性 在標準大氣折射情況下， Re=8500km, 故 rt hhd12. 4 3.1 電波傳播特性 3. 障礙物的影響與繞射損耗障礙物的影響與繞射損耗 電波的直射路徑上存在各種障礙物， 由障礙物引起 的附加傳播損耗稱為繞射損耗。 圖中， x表示障礙物頂點P至直射線TR的距離， 稱為 菲涅爾余隙。 規定阻擋時余隙為負無阻擋時余隙為正。 d 1 P TR RT

6、d 1 d 2 d 2 h 2 h 1 h 1 x x P h 2 (a )(b ) 由障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙的關系如圖 26 24 22 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 2 4 繞射損耗 / dB 2.52.01.51.00.50.501.0 1.5 2.0 2.5 x / x1 3.1 電波傳播特性 21 21 1 dd dd x d 1 P TR RT d 1 d 2 d 2 h 2 h 1 h 1 x x P h 2 (a)(b) 3.1 電波傳播特性 例 3 - 1 ：設圖 3 - 3(a)所示的傳播路徑中， 菲涅爾余隙 x=-82m, d1=5km

7、, d2=10km, 工作頻率為150MHz。 試 求出電波傳播損耗。 Lfs = 32.44+20lg(5+10)+20lg 150 = 99.5dB 由式由式(3 - 21)求第一菲涅爾區半徑求第一菲涅爾區半徑x1為為 ： m dd dd x7 .81 1015 10101052 3 33 21 21 1 由圖由圖 3 - 4 查得附加損耗查得附加損耗(x/x1-1)為為16.5dB, 因此電波因此電波 傳播的損耗傳播的損耗L為：為：L = Lfs+16.5 = 116.0dB 解：解： 先由式先由式(3 - 13)求出自由空間傳播的損耗求出自由空間傳播的損耗Lfs為：為： 3.1 電波傳

8、播特性 4. 反射波反射波 由發射點T發出的電波分別經過直射線(TR)與地面反 射路徑(ToR)到達接收點R，接收場強E可表示為： )1 ()1 ( )( 00 jj eREReEE |R|為反射點上反射波場強與入射波場強的振幅比，為反射點上反射波場強與入射波場強的振幅比， 代表反射波相對于入射波的相移。代表反射波相對于入射波的相移。 R為反射系數，為反射系數，為路徑差引起的相移為路徑差引起的相移 。 T a o b c R hr d1d2 ht 3.2 移動信道的特征 一一. 傳播路徑傳播路徑 3.2 移動信道的特征移動信道的特征 接收信號的場強由幾種電波的矢量合成。接收信號的場強由幾種電波

9、的矢量合成。 3.2 移動信道的特征 二二. 信號衰落信號衰落 移動通信接收點所接收到的信號場強是隨機起伏變化移動通信接收點所接收到的信號場強是隨機起伏變化 的，這種隨機起伏變化稱為衰落。的，這種隨機起伏變化稱為衰落。 y x Si(t) 基站天線 i 在陸地移動通信中，在陸地移動通信中， 移動臺往往受到各種障礙物和其移動臺往往受到各種障礙物和其 它移動體的影響，它移動體的影響， 以致到達移動臺的信號是來自不同傳播以致到達移動臺的信號是來自不同傳播 路徑的信號之和。路徑的信號之和。 多徑衰落信號包絡服從瑞利分布，是快衰落，局部中多徑衰落信號包絡服從瑞利分布，是快衰落，局部中 值也在變化，其造成

10、的衰落是慢衰落。值也在變化，其造成的衰落是慢衰落。 3.2 移動信道的特征 0 1 0.20.40.6 234 0.81.0 5 t / s d / m 相對于中值電平 / dB 30 20 10 0 10 還有一種隨時間變化的慢衰落，還有一種隨時間變化的慢衰落， 它也服從對數正態分它也服從對數正態分 布。布。 這是由于大氣折射率的平緩變化，這是由于大氣折射率的平緩變化， 使得同一地點處所使得同一地點處所 收到的信號中值電平隨時間作慢變化，收到的信號中值電平隨時間作慢變化， 這種因氣象條件造這種因氣象條件造 成的慢衰落其變化速度更緩慢成的慢衰落其變化速度更緩慢(其衰落周期常以小時甚至天其衰落周

11、期常以小時甚至天 為量級計為量級計)， 因此常可忽略不計。因此常可忽略不計。 3.2 移動信道的特征 三三. 多徑時散與相關帶寬多徑時散與相關帶寬 3.2 移動信道的特征 假設基站發射假設基站發射 一個極短的脈沖信一個極短的脈沖信 號，經過多徑信道號，經過多徑信道 后，后， 移動臺接收信移動臺接收信 號呈現為一串脈沖，號呈現為一串脈沖， 結果使脈沖寬度被結果使脈沖寬度被 展寬了。展寬了。 這種因多這種因多 徑傳播造成信號時徑傳播造成信號時 間擴散的現象，間擴散的現象， 稱稱 為多徑時散。為多徑時散。 t1t111 t112 t t0 t2t222 t223 t221 t3 t334 t t0

12、t t0 (a) (b) (c) 1. 多徑時散多徑時散 3.2 移動信道的特征 實際上，實際上， 各個脈沖幅度是隨機變化的，各個脈沖幅度是隨機變化的， 它們在時間上可以它們在時間上可以 互不交疊，互不交疊， 也可以相互交疊，也可以相互交疊， 甚至隨移動臺周圍散射體數目的甚至隨移動臺周圍散射體數目的 增加，增加， 所接收到的一串離散脈沖將會變成有一定寬度的連續信所接收到的一串離散脈沖將會變成有一定寬度的連續信 號脈沖。號脈沖。 根據統計測試結果，根據統計測試結果， 移動通信中接收移動通信中接收機接收到多徑的機接收到多徑的 時延信號強度大致如圖時延信號強度大致如圖 3 - 16 所示。所示。 0

13、 o max 0 dB 30 dB 相對強度 / dB t(相對時延時間) E(t) 圖中，圖中， t是相對時延值；是相對時延值； E(t)為歸一化的時延強度曲線，為歸一化的時延強度曲線， 它它 是以不同時延信號強度所構成的時延譜，是以不同時延信號強度所構成的時延譜， 也有人稱之為多徑散也有人稱之為多徑散 布譜。布譜。 3.2 移動信道的特征 E(t)的一階矩為平均多徑時延的一階矩為平均多徑時延 ； E(t)的均方根為多徑的均方根為多徑 時延散布時延散布(簡稱時散簡稱時散)， 常稱作常稱作時延擴展時延擴展， 記作記作。 可按以下可按以下 公式計算公式計算 和和： 0 2 2 0 )( )( d

14、ttEt dtttE 一般一般情況下，市區的時延比郊區大，說明市區的傳播條情況下，市區的時延比郊區大，說明市區的傳播條 件更惡劣些。為了避免碼間干擾，要求信號的傳輸速率必件更惡劣些。為了避免碼間干擾，要求信號的傳輸速率必 須比須比1/低得多。低得多。 2. 相關帶寬相關帶寬 3.2 移動信道的特征 從頻域觀點而言，從頻域觀點而言， 多徑時散現象將導致頻率選擇性衰多徑時散現象將導致頻率選擇性衰 落，落， 即信道對不同頻率成分有不同的響應。即信道對不同頻率成分有不同的響應。 若信號帶寬過若信號帶寬過 大，大， 就會引起嚴重的失真。就會引起嚴重的失真。 1 r 1 r A(, t) )( 2 t n

15、 )( ) 12( t n 兩相鄰場強為最小值得頻率間隔是與相對多徑時延差兩相鄰場強為最小值得頻率間隔是與相對多徑時延差 成反比，通常稱為多徑時散的相關帶寬。若所傳輸的信號成反比，通常稱為多徑時散的相關帶寬。若所傳輸的信號 帶寬較寬，與多徑時散的相關帶寬帶寬較寬，與多徑時散的相關帶寬Bc接近，則所傳輸的接近，則所傳輸的 信號會發生明顯畸變。信號會發生明顯畸變。 3.2 移動信道的特征 工程上，工程上， 對于角度調制信號，對于角度調制信號， 相關帶寬可按下式估算：相關帶寬可按下式估算： 2 1 c B 式中，式中， 為時延擴展。為時延擴展。 3.3 陸地移動信道的傳輸損耗 一一. 地形、地物對電

16、波傳播的影響地形、地物對電波傳播的影響 1. 地形的分類與定義地形的分類與定義 a 中等起伏地形中等起伏地形：指傳播路徑的地形剖面圖：指傳播路徑的地形剖面圖 上，地面起伏高度不超過上，地面起伏高度不超過20m，且起伏緩慢，且起伏緩慢， 峰點與谷點之間的水平距離大于起伏高度。峰點與谷點之間的水平距離大于起伏高度。 b 不規則地形不規則地形：形如丘陵、孤立山岳、斜破：形如丘陵、孤立山岳、斜破 和水綠混合地形等統稱為不規則地形。和水綠混合地形等統稱為不規則地形。 3.3 陸地移動信道的傳輸損耗 3.3 陸地移動信道的傳輸損耗 2. 地物（或地區）分類地物（或地區）分類 不同地物環境其傳播環境條件不同

17、，按照地物不同地物環境其傳播環境條件不同，按照地物 的密集程度不同可分為三類地區：的密集程度不同可分為三類地區： a 開闊地開闊地：在電波傳播的路徑上無高大樹木、：在電波傳播的路徑上無高大樹木、 建筑物，呈開闊狀地面，或在建筑物，呈開闊狀地面，或在400m內沒有內沒有 任何阻擋物的場地。任何阻擋物的場地。 b 郊區郊區：在靠近移動臺近處有些障礙物但不：在靠近移動臺近處有些障礙物但不 稠密。稠密。 c 市區市區：由較密集的建筑物和高層樓房。：由較密集的建筑物和高層樓房。 3.3 陸地移動信道的傳輸損耗 二二. 電波傳播損耗的估算電波傳播損耗的估算 思想：以中等起伏地市區的傳播損耗為基準，思想：以

18、中等起伏地市區的傳播損耗為基準， 任意地形地物壞境的傳播損耗根據具體的地形地任意地形地物壞境的傳播損耗根據具體的地形地 物環境，以相應的地形地物壞境的修正因子加以物環境，以相應的地形地物壞境的修正因子加以 修正。修正。 TTA KLL 1) 中等起伏地形上傳播損耗的中值中等起伏地形上傳播損耗的中值 A）市區傳播損耗的中值）市區傳播損耗的中值 ),(),(),(fhHdhHdfALL mmbbmfsT 用相應的市區傳播損耗中值減去修正因子。用相應的市區傳播損耗中值減去修正因子。 Lfs：自由空間傳播損耗；：自由空間傳播損耗；Am(f,d)：中等起伏地上市區的基本損耗中值；：中等起伏地上市區的基本

19、損耗中值； 在基準天線高度情況下測得的以自由空間的傳播損耗為在基準天線高度情況下測得的以自由空間的傳播損耗為0dB的相對值的相對值. 基準天線高度基準天線高度: hb200m，hm3m， Hb(hb,d)：基站天線高度增益因子；：基站天線高度增益因子；Hm(hm,f)：移動臺天線高度增益因子；：移動臺天線高度增益因子； B）郊區和開闊地損耗的中值）郊區和開闊地損耗的中值 3.3 陸地移動信道的傳輸損耗 2）任意地形上傳播損耗的中值）任意地形上傳播損耗的中值 任意地形地區接收信號的功率中值是以中等起伏地市區傳播任意地形地區接收信號的功率中值是以中等起伏地市區傳播 損耗損耗LT為基為基礎，減去地形

20、地區修正因子礎，減去地形地區修正因子KT， （式中，（式中， LT為中等起伏地市區傳播損耗中值）為中等起伏地市區傳播損耗中值） TTA KLL 地形地區修正因子地形地區修正因子KT一般可寫成：一般可寫成： sspjshfhromrT kKKKKQQKK （式中：（式中： Kmr郊區修正因子，可由圖郊區修正因子，可由圖 3 - 26 求得；求得； Qo、Qr開闊地或準開闊地修正因子，可由圖開闊地或準開闊地修正因子，可由圖 3-27 求得；求得； Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值，可由圖丘陵地修正因子及微小修正值，可由圖 3- 28求得；求得； Kjs孤立山岳修正因子，可由圖孤立山岳修正因子

21、，可由圖 3 - 29 求得；求得； Ksp斜坡地形修正因子，可由圖斜坡地形修正因子，可由圖 3 - 30 求得；求得； KS水陸混合路徑修正因子，可由圖水陸混合路徑修正因子，可由圖 3 - 31 求得求得 ） 1）中等起伏地市區中接收信號的功率中值）中等起伏地市區中接收信號的功率中值Pp 3.3 陸地移動信道的傳輸損耗 4. 接收信號功率的估算接收信號功率的估算 ),(),(),( 0 fhHdhHdfAPP mmbbmP 式中：式中： P0為自由空間傳播條件下的接收信號的功率，即為自由空間傳播條件下的接收信號的功率，即 mbT GG d PP 2 0 4 （PT發射機送至天線的發射功率；發

22、射機送至天線的發射功率；工作波長；工作波長； d收發天線間的距離；收發天線間的距離； Gb基站天線增益；基站天線增益；Gm移動臺天線增益。）移動臺天線增益。） Am(f, d)是中等起伏地市區的基本損耗中值，即假定自由空間損耗為是中等起伏地市區的基本損耗中值，即假定自由空間損耗為0 dB， 基站天線高度為基站天線高度為200m, 移動臺天線高度為移動臺天線高度為3 m的情況下得到的損耗中值，的情況下得到的損耗中值， 它可它可由圖由圖 3-23 求出。求出。 Hb(hb, d)是基站天線高度增益因子，它是以基站天線高度是基站天線高度增益因子，它是以基站天線高度200m為基準得到為基準得到 的相對

23、增益，其值可由圖的相對增益，其值可由圖3-24(a)求出。求出。 Hm(hm, f)是移動天線高度增益因子，它是以移動臺天線高度是移動天線高度增益因子，它是以移動臺天線高度3m為為基準得基準得 到的相對增益，可由圖到的相對增益，可由圖324(b)求得求得 2）任意地形地區接收信號的功率中值）任意地形地區接收信號的功率中值Ppc 3.3 陸地移動信道的傳輸損耗 任意地形地區接收信號的功率中值是以中等起伏地市區接任意地形地區接收信號的功率中值是以中等起伏地市區接 收信號的功率中值收信號的功率中值PP為基為基礎，加上地形地區修正因子礎，加上地形地區修正因子KT，即，即 TPPC KPP 地形地區修正

24、因子地形地區修正因子KT一般可寫成一般可寫成 sspjshfhromrT kKKKKQQKK （式中：（式中： Kmr郊區修正因子，可由圖郊區修正因子，可由圖 3 - 26 求得；求得； Qo、Qr開闊地或準開闊地修正因子，可由圖開闊地或準開闊地修正因子，可由圖 3-27 求得；求得； Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值，可由圖丘陵地修正因子及微小修正值，可由圖 3- 28求得；求得； Kjs孤立山岳修正因子，可由圖孤立山岳修正因子，可由圖 3 - 29 求得；求得； Ksp斜坡地形修正因子，可由圖斜坡地形修正因子，可由圖 3 - 30 求得；求得； KS水陸混合路徑修正因子，可由圖水陸混

25、合路徑修正因子，可由圖 3 - 31 求得求得 ） 3.3 陸地移動信道的傳輸損耗 GSM900MHz： Hata-Okumura（奧村）電波傳播衰減計算模式（奧村）電波傳播衰減計算模式 特點：以平坦地形大城市區的中值場強或路徑損耗作特點：以平坦地形大城市區的中值場強或路徑損耗作 為參考，對其他傳播環境和地形條件等因素分別以校正為參考，對其他傳播環境和地形條件等因素分別以校正 因子的形式進行修正。因子的形式進行修正。 GSM1800MHz： Cost-231-Walfish-Ikegami電波傳播衰減計算模式電波傳播衰減計算模式 特點：從對眾多城市的電波實測中得出的一種小區域特點：從對眾多城市的電波實測中得出的一種小區域 覆蓋范圍內的電波損耗模式。覆蓋范圍內的電波損耗模式。 電波傳播損耗預測模型：電波傳播損耗預測模型： 3.4 噪聲與干擾 一一. 噪聲的分類與特性噪聲的分類與特性 3.4 噪聲與干擾噪聲與干擾 1)內部噪聲內部噪聲 2)自然噪聲自然噪聲 3)人為噪聲人為噪聲 1) 大氣噪聲大氣噪聲 2) 太陽噪聲太陽噪聲 3) 銀河噪聲銀河噪聲 4) 郊區人為噪聲郊區人為噪聲 5) 市區人為噪聲市區人為噪聲 6) 典型接收機的典型接收機的 內部噪聲內部噪聲 外部噪聲外部噪聲 3.4 噪聲與干擾 二二. 干擾干擾 1. 鄰道干擾鄰道干擾 相鄰的或鄰近頻道的信號