移动信道的电报传播与干扰课件

移移动动通通信信电波传播特性电波传播特性电波传播机理：直射、反射、绕射和散射路径损耗、多径损耗、阴影效应6/16/20241电波传播特性电波传播机理：直射、反射、绕射和散射8/9/20移移动动通通信信自由空间传播损耗自由空间传播损耗-直射波直射波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。自由空间传播损耗与传播距离和工作频率有关：6/16/20242自由空间传播损耗-直射波所谓自由空间传播系指天线周围为无限大移移动动通通信信自由空间传播损耗自由空间传播损耗-直射波直射波 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，则距辐射源d米单位面积上的电波功率密度S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，即各向同性接收天线的有效面积接收天线上获得的功率为6/16/20243自由空间传播损耗-直射波 各向同性天线(亦称全向天线或无方移移动动通通信信自由空间传播损耗自由空间传播损耗-直射波直射波由上式可见，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。6/16/20244自由空间传播损耗-直射波由上式可见，自由空间传播损耗Lfs可移移动动通通信信自由空间传播损耗自由空间传播损耗-直射波直射波式中，d的单位为km，频率单位以MHz计。传播距离d越远，自由空间传播损耗Lfs越大，距离d增加一倍，损耗Lfs增加6dB；工作频率f越高，自由空间传播损耗Lfs越大，频率f提高一倍，损耗Lfs增加6dB；6/16/20245自由空间传播损耗-直射波式中，d的单位为km，频率单位以MH移移动动通通信信电波的视距传播电波的视距传播自发射天线顶点A到切点C的距离d1为 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=8 500km,故 式中，ht、hr的单位是m,d的单位是km。6/16/20246电波的视距传播自发射天线顶点A到切点C的距离d1为 由切点C移移动动通通信信电波的三种基本传播机制电波的三种基本传播机制-反射波反射波6/16/20247电波的三种基本传播机制-反射波8/9/20237移移动动通通信信 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。6/16/20248 通常，在考虑地面对电波的反射时，按平面波处理移移动动通通信信式中，d=d1+d2。式中，2/称为传播相移常数。由路径差d引起的附加相移为 这时接收场强E可表示为 6/16/20249式中，d=d1+d2。式中，2/称为传播相移常数。由移移动动通通信信电波的三种基本传播机制电波的三种基本传播机制-绕射波绕射波菲涅尔余隙菲涅尔区：当电波传播的波振面的半径变化时，具有相同相位特性的环形带构成的空间区域式中d单位km单位mm，x单位m障碍物与余隙(a)负余隙；(b)正余隙 6/16/202410电波的三种基本传播机制-绕射波菲涅尔余隙障碍物与余隙(a)移移动动通通信信电波的三种基本传播机制电波的三种基本传播机制-绕射波绕射波当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 dB6/16/202411电波的三种基本传播机制-绕射波当x/x10.5 时，附加损移移动动通通信信 例例 设图中所示的传播路径中，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。解解 先求出自由空间传播的损耗Lfs为 由图表查得附加损耗(x/x1-1)为17dB,所以电波传播的损耗L为 求第一菲涅尔区半径x1为6/16/202412 例 设图中所示的传播路径中，菲涅尔余隙x=-82m,d移移动动通通信信电波的三种基本传播机制电波的三种基本传播机制-散射波散射波电波在传播过程中遇到障碍物表面粗糙或者体积小但数目多时,会在其表面发生散射,形成散射波。散射波可能散布于许多方向,因而电波的能量也被分散于多个方向。6/16/202413电波的三种基本传播机制-散射波电波在传播过程中遇到障碍物表面移移动动通通信信第第2章章 移动信道的电报传播与干扰移动信道的电报传播与干扰1.电波传播特性2.移动信道的特征3.阴影效应4.地形地物对电波传播的影响5.噪声与干扰6/16/202414第2章 移动信道的电报传播与干扰电波传播特性8/9/2023移移动动通通信信传播路径传播路径-多径衰落多径衰落假设反射系数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 6/16/202415传播路径-多径衰落假设反射系数R=-1(镜面反射)，则合成移移动动通通信信多普勒频移多普勒频移移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为多普勒效应。由此引起的附加频移称为多普勒频移运动方向入射电波6/16/202416多普勒频移移动台在运动中通信时，接收信号频率会发生变化，称为移移动动通通信信信号衰落信号衰落移动通信接收点所接收到的信号场强是随机起伏变化的，这种随机起伏变化称为衰落随机量的研究通常采用统计分析法6/16/202417信号衰落移动通信接收点所接收到的信号场强是随机起伏变化的，这移移动动通通信信多径效应与瑞利衰落多径效应与瑞利衰落假设：1.发射机、接收机没有直射通路2.大量反射波存在，到达接收天线方向角随机，相位随机均匀分布3.反射波的幅度和相位都是统计独立的结论接收信号的相位服从02接收信号包络服从瑞利分布理论上可以推出：存在占支配地位分量的大量随机变量之和服从莱斯分布6/16/202418多径效应与瑞利衰落假设：8/9/202318移移动动通通信信多径衰落的时域特征多径衰落的时域特征时延扩展时延扩展时延扩展，导致码间串扰时延扩展可以通过实测信号统计平均的方法来分析，得到时延谱曲线6/16/202419多径衰落的时域特征时延扩展时延扩展，导致码间串扰8/9/移移动动通通信信时延扩展的典型实测数据时延扩展的典型实测数据6/16/202420时延扩展的典型实测数据8/9/202320移移动动通通信信多径衰落的频域特征多径衰落的频域特征相关带宽相关带宽频率选择性衰落衰落与频率有关非频率选择性衰落，即平坦衰落相关带宽信号带宽（码元速率低）小于相关带宽时，发生平坦衰落；信号带宽（码元速率高）大于相关带宽时，发生频率选择性衰落实际应用中，常用最大时延Tm的倒数规定相关带宽。即6/16/202421多径衰落的频域特征相关带宽频率选择性衰落8/9/2023移移动动通通信信第第2章章 移动信道的电报传播与干扰移动信道的电报传播与干扰1.电波传播特性2.移动信道的特征3.阴影效应4.地形地物对电波传播的影响5.噪声与干扰6/16/202422第2章 移动信道的电报传播与干扰电波传播特性8/9/2023移移动动通通信信阴影效应阴影效应移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线处场强中值的变化，从而引起衰落，这种衰落称为阴影衰落这种衰落的变化速率较为缓慢，又称为慢衰落慢衰落的速率主要取决于传播环境，即移动台周围地形以及移动台移动的速度，而与频率无关。慢衰落的深度取决于信号与障碍物的状况。频率高的信号容易穿透建筑物，而频率低的信号具有较强的绕射能力6/16/202423阴影效应移动台在运动中通过不同障碍物的阴影时，就构成接收天线移移动动通通信信第第2章章 移动信道的电报传播与干扰移动信道的电报传播与干扰1.电波传播特性2.移动信道的特征3.阴影效应4.地形地物对电波传播的影响5.噪声与干扰6/16/202424第2章 移动信道的电报传播与干扰电波传播特性8/9/2023移移动动通通信信地形特征地形特征地形波动高度地形波动高度地形波动高度 描述了电波传播路径中地形变化的程度。定义为沿通信方向，距接收地点10km范围内，10%高度线和90%高度线之高度差。6/16/202425地形特征地形波动高度地形波动高度 描述了电波传播路径中移移动动通通信信若基站天线顶点的海拔高度为hts，从天线设置地点开始，沿着电波传播方向的3km到15km之内的地面平均海拔高度为hga，则定义基站天线的有效高度为 若传播距离不到15km,hga是3km到实际距离之间的平均海拔高度。移动台天线的有效高度hm总是指天线在当地地面上的高度。地形特征地形特征天线有效高度天线有效高度6/16/202426若基站天线顶点的海拔高度为hts，从天线设置地点开始，沿着电移移动动通通信信地形分类地形分类为了计算移动信道中信号电场强度中值(或传播损耗中值)，可将地形分为两大类，即中等起伏地形和不规则地形，并以中等起伏地形作传播基准。所谓中等起伏地形是指在传播径的地形剖面图上，地面起伏高度不超过20m，且起伏缓慢，峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度。其它地形如丘陵、孤立山岳、斜坡和水陆混合地形等统称为不规则地形。6/16/202427地形分类为了计算移动信道中信号电场强度中值(或传播损耗中值)移移动动通通信信传播环境分类传播环境分类不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不同可分为三类地区：1.开阔地。在电波传播的路径上无高大树木、建筑物等障碍物，呈开阔状地面，如农田、荒野、广场、沙漠和戈壁滩等；2.郊区。在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密，例如，有少量的低层房屋或小树林等；3.市区。有较密集的建筑物和高层楼房。6/16/202428传播环境分类不同地物环境其传播条件不同，按照地物的密集程度不移移动动通通信信电波传播模型电波传播模型基于理论和测试结果统计的近似计算在计算各种地形、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。基本中值与频率距离的关系自由空间传播损耗基础为0dB的相对值6/16/202429电波传播模型基于理论和测试结果统计的近似计算基本中值与频率距移移动动通通信信基站天线、移动台天线的高度增益基站天线、移动台天线的高度增益6/16/202430基站天线、移动台天线的高度增益8/9/202330移移动动通通信信郊区、开阔地的损耗中值郊区、开阔地的损耗中值6/16/202431郊区、开阔地的损耗中值8/9/202331移移动动通通信信丘陵地的修正因子丘陵地的修正因子顶部与谷底的微小修正6/16/202432丘陵地的修正因子顶部与谷底的微小修正8/9/202332移移动动通通信信孤立山岳的修正因子孤立山岳的修正因子6/16/202433孤立山岳的修正因子8/9/202333移移动动通通信信斜坡地、水陆混合地修正因子斜坡地、水陆混合地修正因子450MHz和900MHz6/16/202434斜坡地、水陆混合地修正因子450MHz和900MHz8/9/移移动动通通信信任意地形地区的传播损耗的中值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 6/16/202435任意地形地区的传播损耗的中值 1.中等起伏移移动动通通信信式中：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中值，它可由图 求出。6/16/202436式中：8/9/202336移移动动通通信信 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，其值可由图求。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，可由图求得。6/16/202437 Hb(hb,d)是基站天线高度增益因子，它移移动动通通信信 2.任意地形地区接收信号的功率中值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 6/16/202438 2.任意地形地区接收信号的功率中值PPC移移动动通通信信式中：Kmr郊区修正因子，可由图 求得；Qo、Qr开阔地或准开阔地修正因子，可由图 求得；Kh、Khf丘陵地修正因子及微小修正值，可由图 求得；Kjs孤立山岳修正因子，可由图 求得；Ksp斜坡地形修正因子，可由图 求得；KS水陆混合路径修正因子，可由图 求得 6/16/202439式中：8/9/202339移移动动通通信信 根据地形地区的不同情况，确定KT包含的修正因子，例如传播路径是开阔地上斜坡地形，那么KT=Qo+Ksp，其余各 项 为 零；又 如 传 播 路 径 是 郊 区 和 丘 陵 地，则KT=Kmr+Kh+Khf。其它情况类推。任意地形地区的传播损耗中值式中，LT为中等起伏地市区传播损耗中值，即 6/16/202440 根据地形地区的不同情况，确定KT包含的修正因移移动动通通信信第第2章章 移动信道的电报传播与干扰移动信道的电报传播与干扰1.电波传播特性2.移动信道的特征3.阴影效应4.地形地物对电波传播的影响5.噪声与干扰6/16/202441第2章 移动信道的电报传播与干扰电波传播特性8/9/2023移移动动通通信信噪声的分类与特性噪声的分类与特性内部噪声外部噪声人为噪声6/16/202442噪声的分类与特性内部噪声8/9/202342移移动动通通信信内部噪声内部噪声内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。不能预测的噪声统称为随机噪声。自然噪声及人为噪声为外部噪声，它们也属于随机噪声。依据噪声特征又可分为脉冲噪声和起伏噪声。脉冲噪声是在时间上无规则的突发噪声，汽车发动机所产生的点火噪声，这种噪声的主要特点是其突发的脉冲幅度较大，而持续时间较短；从频谱上看，脉冲噪声通常有较宽频带；热噪声、散弹噪声及宇宙噪声是典型的起伏噪声。6/16/202443内部噪声内部噪声是系统设备本身产生的各种噪声。8/9/202移移动动通通信信外部噪声外部噪声在移动信道中，外部噪声(亦称环境噪声)的影响较大，外部噪声分为六种：大气噪声；太阳噪声；银河噪声；郊区人为噪声；市区人为噪声；典型接收机的内部噪声。其中，前五种均为外部噪声。有时将太阳噪声和银河噪声统称为宇宙噪声。6/16/202444外部噪声在移动信道中，外部噪声(亦称环境噪声)的影响较大，8移移动动通通信信各种噪声功率与频率的关系N0=KT0BN，K波兹曼常数（1.38*10-23J/K），T0参考绝对温度（290K）,BN接收机有效噪声带宽6/16/202445各种噪声功率与频率的关系N0=KT0BN，8/9/20234移移动动通通信信人为噪声人为噪声所谓人为噪声，是指各种电气装置中电流或电压发生急剧变化而形成的电磁辐射，诸如电动机、电焊机、高频电气装置、电气开关等所产生的火花放电形成的电磁辐射。几种典型环境的人为噪声系数平均值6/16/202446人为噪声所谓人为噪声，是指各种电气装置中电流或电压发生急剧变移移动动通通信信环境噪声和多径传播对话音质量的综合影响环境噪声和多径传播对话音质量的综合影响6/16/202447环境噪声和多径传播对话音质量的综合影响8/9/202347移移动动通通信信干扰干扰临道干扰相邻的或邻近频道的信号相互干扰。同频干扰同载频电台之间的干扰互调干扰6/16/202448干扰临道干扰8/9/202348移移动动通通信信临道干扰临道干扰增加电台距离提高接收机的中频选择性以及优选接收机指标限制发射信号带宽移动台功率方面，满足通信距离要求下尽量小功率其他：天线定向波束等6/16/202449临道干扰增加电台距离8/9/202349移移动动通通信信同频道再用距离同频道再用距离 为了提高频率利用率，在满足一定通信质量的条件下，允许使用相同频道的无线区之间的最小距离为同频道再用的最小安全距离，简称同频道再用距离或共道再用距离。所谓“安全”系指接收机输入端的有用信号与同频道干扰的比值要大于射频防护比。假定各基站与各移动台的设备参数相同，地形条件也是理想的。这样，同频道再用距离只与以下诸因素有关：1.调制制度。2.电波传播特性。1.光滑地平面，d以km计，ht、hr以m计3.基站覆盖范围或小区半径r0。4.通信工作方式。5.要求的可靠通信概率。6/16/202450同频道再用距离 为了提高频率利用率，在满足一定通信质量的条移移动动通通信信同频道再用距离示意图6/16/202451同频道再用距离示意图8/9/202351移移动动通通信信 假设基站A和B使用相同的频道，移动台M正在接收基站A发射的信号，由于基站天线高度大于移动台天线高度，因此当移动台M处于小区的边沿时，易于受到基站B发射的同频道干扰。假若输入到移动台接收机的有用信号与同频道干扰之比等于射频防护比，则A、B两基站之间的距离即为同频道再用距离，记作D。由图可见：式中，DI为同频道干扰源至被干扰接收机的距离，DS为有用信号的传播距离，即为小区半径r0。6/16/202452 假设基站A和B使用相同的频道，移动台M正在接收移移动动通通信信通常，定义同频道再用系数为 可得同频道再用系数 设干扰信号和有用信号的传播损耗中值分别用LI和LS表示6/16/202453通常，定义同频道再用系数为 可得同频道再用系数 移移动动通通信信所以传播损耗之差为 设A基站和B基站的发射功率均为PT，则移动台M接收机的输入信号功率和共频道干扰功率分别为：6/16/202454所以传播损耗之差为 设A基站和B基站的发射功率均为PT，则移移移动动通通信信若取射频防护比为8dB，可求得若考虑到快衰落及慢衰落，式中S/I将大于8dB。理论分析和实验表明，按无线区内可靠通信概率为90%考虑，S/I约需25dB，这样可得 6/16/202455若取射频防护比为8dB，可求得若考虑到快衰落及慢衰落，式中