【正文】 1 第三章 移動(dòng)信道的傳播特性 電波 傳播特性 及其研究概述 自由空間的 電波傳播 三種基本的電波 傳播機(jī)制 （反射、繞射、散射） 陰影衰落 的基本特性 移動(dòng)無(wú)線信道及 特性參數(shù) 電波傳播損耗 預(yù)測(cè)模型 2 1 概述 （ 1）電波傳播的基本特性 電波傳播的基本特性 —— 衰落特性。衰落特性也是移動(dòng)信道的基本特性。 衰落的原因 復(fù)雜的無(wú)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 3 1 概述 （ 2）衰落的分類(lèi) 衰落的分類(lèi) 根據(jù)不同距離內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度變化的快慢分為 { 根據(jù)信號(hào)與信道變化快慢程度的比較分為 { 短期快衰落長(zhǎng) 期慢衰落小尺度衰落大尺度衰落 大尺度衰落 小尺度衰落（主要特征是多徑） 描述 長(zhǎng)距離 （ 幾百或幾千米 ） 上信號(hào)強(qiáng)度的緩慢變化 短距離 （ 幾個(gè)波長(zhǎng) ） 或短時(shí)間（ 幾秒 ） 內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度的快速波動(dòng) 原因 信道路徑上固定障礙物的陰影 移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)和地點(diǎn)的變化 影響 業(yè)務(wù)覆蓋區(qū)域 信號(hào)傳輸質(zhì)量 大尺度衰落與小尺度衰落 4 1 概述 （ 3）衰落特性的算式描述 衰落特性的算式描述 式中 ， r(t)表示信道的衰落因子； m(t)表示大尺度衰落；r0(t)表示小尺度衰落 。 0( ) ( ) ( )r t m t r t??大尺度衰落 小尺度衰落 (t)r0m(t)接收功率 圖 2－ 1 無(wú)線信道中的大尺度和小尺度衰落 t 5 研究對(duì)象 (內(nèi)容 ) 衰落的物理機(jī)制 功率的路徑損耗 接收信號(hào)的變化和分布特性 目的 建立傳播預(yù)測(cè)模型 為實(shí)現(xiàn)信道仿真提供基礎(chǔ) 基本方法 理論分析方法 （如射線跟蹤法） 應(yīng)用電磁傳播理論分析電波在移動(dòng)環(huán)境中的傳播特性來(lái)建立預(yù)測(cè)模型。 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法 （如沖激響應(yīng)法） 在不同的傳播環(huán)境中做電波實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，來(lái)建立預(yù)測(cè)模型。 1 概述 （ 4）電波傳播特性的研究 6 2 自由空間的電波傳播 自由空間的傳播損耗的概念 在理想 、 均勻 、 各向同性的介質(zhì)中傳播 ， 只存在電磁波能量擴(kuò)散而引起的傳播損耗 。 ttrr GPdAP24 ??自由空間的傳播損耗 接收功率 式中， Pt為發(fā)射功率，以球面波輻射 , Ar是接收天線的有效面積 ,λ為工作波長(zhǎng)， Gt， Gr分別表示發(fā)射天線和接收天線增益， d為發(fā)射天線和接收天線間的距離。 傳播損耗 當(dāng) Gt=Gr=1時(shí)： 用分貝表示： 接收電平 : ??4GA r2r ?? ? 24Ld???trL P P?? ? 10 l g 32 .4 5 20 l g 20 l gdBL L f d? ? ? ?( ) 1 0 l g ( )rrP d B m P m W? ( ) 10 l g ( )rrdBW P W?7 3 電波的三種基本傳播機(jī)制 阻擋體 反射 比傳輸波長(zhǎng)大得多的物體 繞射 尖利邊緣 散射 粗糙表面 8 3 電波的三種基本傳播機(jī)制 (1) 反射 理想介質(zhì)表面的反射 極化特性 多徑信號(hào) 兩徑傳播模型 多徑傳播模型 9 反射 （ 1） 理想介質(zhì)表面的反射 如果電磁波傳輸?shù)嚼硐虢橘|(zhì)表面，則能量都將反射回來(lái) 反射系數(shù) R：入射波與反射波的場(chǎng)強(qiáng)比值 式中， (垂直極化 ) 或 (水平極化 ) 其中， θ 入射角， ε和 σ分別 為反射媒質(zhì)的介電常數(shù)和電導(dǎo)率， λ為波長(zhǎng)。 200c osz ? ? ????? 20 c o s??z???? 600 j??zzR?????s i ns i n10 反射 （ 2） 極 化 特 性 極化 電磁波在傳播過(guò)程中，其電場(chǎng)矢量的方向和幅度隨時(shí)間變化的狀態(tài) 電磁波的極化形式 線極化、圓極化和橢圓極化 線極化的兩種特殊情況 ? 水平極化（電場(chǎng)方向平行于地面） ? 垂直極化（電場(chǎng)方向垂直于地面） 極化反射系數(shù) 對(duì)于地面反射，當(dāng)工作頻率高于 150MHz（ ）時(shí)， ，算得 應(yīng)用 ? 接收天線的極化方式同被接收的電磁波的極化形式一致 時(shí)，才能有效地接收到信號(hào)，否則將產(chǎn)生極化失配 ? 不同極化形式的天線也可以互相配合使用 m2?? ??1?( ) ( ) 1vhRR ? ? ?垂 直 極 化 反 射 系 數(shù) 水 平 極 化 反 射 系 數(shù)11 兩徑傳播模型 接收信號(hào)功率 簡(jiǎn)化后 其中，相位差 ， 多徑傳播模型 其中， N為路徑數(shù)。當(dāng) N很大時(shí)，無(wú)法用公式準(zhǔn)確計(jì)算出接收信號(hào)的功率，必須用統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算接收信號(hào)的功率 12 211 e . . . .4 jjr t r tP P G G R R ed??? ? ?? ? ???? ? ? ?????直射波 2 21 R e4 jr t r tP P G Gd?? ? ? ?????????2 l????? ? ()l AC C B AB? ? ? ?22 111 e x p ( )4 Nr t r t i iiP P G G R jd?? ????? ? ? ? ????? ?直射波 反射波 圖 22 兩徑傳播模型 發(fā)射天線 接收天線 反射 （ 3） 多 徑 信 號(hào) 12 3 電波的三種基本傳播機(jī)制 (2) 繞射 惠更斯－菲涅爾 原理 菲涅爾區(qū) 基爾霍夫公式 13 繞射 （ 1）惠更斯－菲涅爾原理 原理 波在傳播過(guò)程中，行進(jìn)中的波前（面）上的每一點(diǎn)，都可作為產(chǎn)生次級(jí)波的點(diǎn)源，這些次級(jí)波組合起來(lái)形成傳播方向上新的波前（面）。 繞射由次級(jí)波的傳播進(jìn)入陰影區(qū)而形成。陰影區(qū)繞射波場(chǎng)強(qiáng)為圍繞阻擋物所有次級(jí)波的矢量和。 說(shuō)明 在 P’點(diǎn)處的次級(jí)波前中， 只有夾角為 θ（即 ） 的次級(jí)波前能到達(dá)接收點(diǎn) R 每個(gè)點(diǎn)均有其對(duì)應(yīng)的 θ角， θ將在 0186。到 180186。之間變化 θ越大， 到達(dá)接收點(diǎn)輻射能量越大 39。TP R?T9 0RP ” P ’ Pd擴(kuò) 展 波 前次 級(jí) 波 前2 / 2d ??/2d ???惠更斯－菲涅爾原理 14 T9 0Rd 22 / 2d ?? /2d ??d 13P39。PP 3r 2r1r3 / 2d ?? /2dn ??nP繞射 （ 2）菲涅爾區(qū) 基爾霍夫公式 菲涅爾區(qū) 從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)次級(jí)波路徑長(zhǎng)度比直接路徑長(zhǎng)度大 nλ/2的連續(xù)區(qū)域 接收點(diǎn)信號(hào)的合成 ?n為奇數(shù)時(shí)，兩信號(hào)抵消 ?n為偶數(shù)時(shí)，兩信號(hào)疊加 菲涅爾區(qū)同心圓半徑 第一菲涅爾區(qū)半徑（ n=1）特點(diǎn) ?在接收點(diǎn)處第一菲涅爾區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)是全部場(chǎng)強(qiáng)的一半 ?發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的距離略大于第一菲涅爾區(qū)，則大部分能量可以達(dá)到接收機(jī)。 基爾霍夫公式 空間任何一點(diǎn) R的場(chǎng)強(qiáng) ER: 式中， S是包圍 R點(diǎn)的任意封閉曲面， Es是波面場(chǎng)強(qiáng)， 是與波面正交的場(chǎng)強(qiáng)導(dǎo)數(shù)。 r是點(diǎn)光源到曲面 S上任一點(diǎn)的距離 1212nn d drdd???14j k r j k rsRssEeeE E d sn r r n??????? ????????????????sEn??15 3 電波的三種基本傳播機(jī)制 (3) 散 射 起因 無(wú)線電波遇到粗糙表面時(shí)，反射能量散布于所有方向 表面光滑度的判定 表面平整度的參考高度 hc: 平面上最大的突起高度 h{ 粗糙表面下的反射場(chǎng)強(qiáng) 散射損耗系數(shù) 式中， 為表面高度 h的標(biāo)準(zhǔn)差， h是具有局部平均值的高斯分布的隨機(jī)變量。 用粗糙表面的修正反射系數(shù) 求解反射場(chǎng)強(qiáng) 表面粗糙大于h表面光滑小于hcc??8 sinc ih???2sine x p 8 his ? ? ????????? ????????ro ug h sRR??h?16 4 陰影衰落的基本特性 陰影衰落（慢衰落） 移動(dòng)無(wú)線通信信道傳播環(huán)境中的地形起伏、建筑物及其它障礙物對(duì)電波傳播路徑的阻擋而形成的電磁場(chǎng)陰影效應(yīng) 特點(diǎn) 衰落與傳播地形和地物分布、高度有關(guān) 表達(dá)式 傳播路徑損耗和陰影衰落 分貝式 式中 , r 移動(dòng)用戶和基站之間的距離 ζ 由于陰影產(chǎn)生的對(duì)數(shù)損耗（ dB），服從均值為 0和標(biāo)準(zhǔn)偏差為 σdB的正態(tài)分布 m 路徑損耗指數(shù) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明 m＝ 4，標(biāo)準(zhǔn)差 σ＝ 8dB，是合理的 10( , ) 1 0ml r r?? ??10 l og ( , ) 10 l ogl r m r????17 5 移動(dòng)無(wú)線信道及特性參數(shù) 多徑衰落的 基本特性 多普勒頻移 多徑信道的 信道模型 多徑信道的 描述 多徑信道的 統(tǒng)計(jì)分析 多徑衰落信道的 分類(lèi) 衰落特性的 特征量 衰落信道的 建模與仿真 18 (1) 多徑衰落的基本特性 從空間角度 —— 幅度衰落 接收信號(hào)的幅度將隨著移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)距離的變動(dòng)而衰落 模擬通信系統(tǒng)的主要考慮對(duì)象 原因 ? 本地反射物所引起的多徑效應(yīng)表現(xiàn)為快衰落 ? 地形變化引起的衰落以及空間擴(kuò)散損耗表現(xiàn)為慢衰落 從時(shí)間角度 —— 時(shí)延擴(kuò)展 接收信號(hào)中脈沖的寬度擴(kuò)展 數(shù)字通信系統(tǒng)的主要考慮對(duì)象 原因 信號(hào)的傳播路徑不同，所以到達(dá)接收端的時(shí)間也就不同，導(dǎo)致接收信號(hào)包含發(fā)送脈沖及其各個(gè)延時(shí)信號(hào) 19 (2) 多 普 勒 頻 移 原因 移動(dòng)體在 x軸上以速度 v移動(dòng)時(shí)會(huì)引起多普勒（ Doppler）頻率漂移 表達(dá)式 多普勒頻移 式中 v：移動(dòng)速度 λ： 波長(zhǎng) v x α： 入射波與移動(dòng)臺(tái)移動(dòng)方向之間的夾角 ：最大多普勒 (Doppler)頻移 說(shuō)明 ? 多普勒頻移與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向、速度以及電波入射方向之間的夾角有關(guān)： 若移動(dòng)臺(tái)朝向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則多普勒頻移為正 (接收信號(hào) 頻率上升 )；若移動(dòng)臺(tái)背向入射波方向運(yùn)動(dòng)，則多普勒頻移為負(fù) (接收信號(hào)頻率下降 )。 ? 信號(hào)經(jīng)過(guò)不同方向傳播，其多徑分量造成接收機(jī)信號(hào)的多普勒擴(kuò)散，因而增加了信號(hào)帶寬。 ?c o sd vf ???mv f? ?入射電波 20 (3) 多徑信道的信道模型 原理 多徑信道對(duì)無(wú)線信號(hào)的影響表現(xiàn)為多徑衰落特性。 將信道看成作用于信號(hào)上的一個(gè)濾波器，可通過(guò)分析濾波器的沖激響應(yīng)和傳遞函數(shù)得到多徑信道的特性 推導(dǎo)沖激響應(yīng) 只考慮多徑效應(yīng) 再考慮多普勒效應(yīng) 多徑和多普勒效應(yīng)對(duì)傳輸信號(hào)的影響 多徑信道的沖激響應(yīng) 21 (I)