[工学]第2章无线传播与移动信道tell.doc

第2章无线传播与移动信道通信的3项基本指标:n 有效性：是指在占有尽可能少的信道资源，如频段、时隙和功率等的条件下尽可能多地传送信源的信息，是通信的数量上的指标。n 可靠性：主要是指在传输过程中抵抗各类客观自然干扰的能力，但是在特殊的军事通信中，它还包含抵抗人为设置干扰的能力。n 安全性：主要是指在传输中的安全保密性能，即收端防窃听、发端防伪造和篡改等的能力。信道分类：按传输媒质分为Ø 有线信道：有线信道包括架空明线、电缆及光纤；Ø 无线信道。无线信道中有中、长波地表面波传播，短波电离层反射传播，超短波和微波直射传播以及各种散射传播。根据信道特性参数随外界各种因素的影响而变化的情况，信道又分为Ø 恒参信道：恒参信道是指其传输特性的变化量极其微小。且变化速度极慢，或者说，在足够长的时间内，其参数基本不变；Ø 变参信道：变参信道是指传输特性随时间的变化较快。移动信道为典型的变参信道。移动信道的特点：是一个非常复杂的动态信道，取决于用户所在地环境条件的客观存在，其信道参数是时变的。移动通信中，移动台是处在运动状态之中的，电波传播的条件随着移动而发生较大的变化，接收信号的场强起伏也很大，可达几十分贝，极易出现严重的衰落现象。移动通信场强实测记录(f=160 MHz)各类新技术解决的问题：针对移动信道的动态时变特性，为解决移动通信中的有效性、可靠性和安全性的基本指标而设计的。（可给个示例?）移动信道一般分析方法：不能简单地应用固定点无线通信的电波传播模式，而必须根据移动通信的特点，按照不同的传播环境和地形特征，运用统计分析结合实际测量的方法，找到移动条件下的传播规律，以获得准确预测接收信号场强的方法。先决条件：分析移动信道的特点。移动通信占用频率：l 150 MHz(VHF)： 30MHz300MHz（含300MHz）=甚高频，l 450 MHz、900 MHz(UHF)频段：300MHz3000MHz=超高频，又称分米波。1G,2G 对应频段=？补充：3G for TD-SCDMA根据国家无委最新的频谱规划，TD-SCDMA系统可以使用如下频段：1.9GHz（1） 19001920 MHz： 上/下行共用20102025 MHz： 上/下行共用（2） 18501910 MHz： 上/下行共用19301990 MHz： 上/下行共用（3） 19101930 MHz： 上/下行共用（4） 18801900 MHz： 上/下行共用23002400 MHz： 上/下行共用说明： a.频段（2）、（3）用在ITU定义的区域2，此类频段的分配属研究阶段。 b.其他频段由相关主管部门确定。 c.频段（4）为中国分配的TDD的扩展频段。2.1移动信道的特点2.1.1移动通信信道的3个主要特点如图判断特点=？分析移动信道的特点传播的开放性、接收环境的复杂性和通信用户的随机移动性1.传播的开放性一切无线信道都是基于电磁波在空间的传播来实现开放式信息传输的。2.接收环境的复杂性是指接收点地理环境的复杂性与多样性。一般可将接收点地理环境划分为下列3类典型区域：² 高楼林立的城市繁华区，² 以一般性建筑物为主体的近郊区² 以山丘、湖泊、平原为主的农村及远郊区。3.通信用户的随机移动性移动通信主要包含下列3种类型：² 准静态的室内用户通信² 慢速步行用户通信² 高速车载用户通信。2.1.2移动通信信道中的电磁波传播移动信道的传播路径移动信道的传播路径: 移动台接收N条路径信号从移动通信信道中的电磁波传播上看，可分为： (1)直射波：是指在视距覆盖区内无遮挡的传播。它是超短波、微波的主要传输方式，经直射波传播的信号最强。 (2)反射波：是指从不同建筑物或其它反射体反射后到达接收点的传播信号。其信号强度较直射波弱,近距离的多普勒效应。(3)绕射波：从较大的建筑物与山丘绕射后到达接收点的传播信号。但是，它需要满足电波产生绕射的条件，其信号强度较直射波弱。(4)其它：穿透建筑物的传播及空气中离子受激后,二次发射的漫反射产生的散射波，但是它们相对于直射波、反射波、绕射波都比较弱。Pt=1w,Pr=?简化分析图：典型的传播通路发射机天线发出的无线电波，通过不同的路径到达接收机，当频率f>30MHz时，典型的传播通路如上图所示。有3种，直射波：直接到达接收天线的电波称为直射波，它是VHF和UHF频段的主要传播方式；地面反射波：经过地面反射到达接收机的电波称为地面反射波；地表面波：沿地球表面传播的电波，称为地表面波，由于地表面波的损耗随频率升高而急剧增大，传播距离迅速减小，简化分析过程：在VHF和UHF频段的地表面波的传播可以忽略不计。除此之外，在移动信道中，电波遇到各种障碍物时会发生反射和散射现象，它对直射波会引起干涉，即产生多径衰落现象。传播一般性分析计算（补充）(1)自由空间的传播损耗分析图如下：可现补以天线为收发点的传输示意图自由空间传播损耗直射波传播可按自由空间传播来考虑。自由空间是一个理想的空间，在自由空间中，电波沿直线传播，不发生反射、折射、绕射、散射和吸收等现象。已知：在上图所示的自由空间中，设在原点0有一辐射源，均匀地向各方向辐射，辐射功率为PT。经辐射后，能量均匀地分布在以0点为球心，d为半径的球面上。求解：接收天线的接收功率=？过程简述：已知球面的表面积为4d2，因此，在球面单位面积上的功率应为PT4d2。若接收天线所能接收的有效面积取为A=24，则接收功率为 传播损耗：定义为发射功率与接收功率的比值。自由空间传播损耗Lbs,为*3st若以dB表示，则有式中，f为波长换算的相应的工作频率(MHz)，d为收发间距离(km)。分析及讨论：由上式可以看出，自由空间传播损耗只与工作频率，和传播距离d有关。当工作频率提高一倍，或者说工作波长减小一半时，电波在自由空间的传播损耗就增加6dB。同样，当传播距离加大一倍时，传播损耗也增加6dB。(2）大气折射及地球等效半径：n 大气折射：在实际的移动信道中，电波在低层大气中传播，而低层大气并不是均匀介质，它的温度、湿度以及气压均随时间和空间而变化，因此会产生折射及吸收现象。在VHF、UHF频段，折射现象尤为突出，它将直接影响视线传播的极限距离。根据折射定律，电波传播速度v与大气折射率n成反比,大气对电波的折射: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，因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dndh。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。补图示意类型n 地球等效半径 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Ro(6370Km)变成了等效半径Re，Re与R之间的关系为式中，k称作地球等效半径系数。 当dndh<O时，表示大气折射率n随着高度升高而减少，因而k>l，Re>R0。在标准大气折射情况下，即当dndh-4×10-8(m-1)时，等效地球半径系数k=43，地球等效半径Re=8500 km。大气折射对传播的影响：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和直射波同时存在，所以也会产生多径衰落。n 视线传播极限距离 视线传播的极限距离可由下图计算。天线高度分别为ht和hr，两个天线顶点的连线AB与地面相切于c点。示意图： 视线传播的极限距离由于地球等效半径Re远远大于天线高度，因此，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为所以，视线传播的极限距离为在标准大气折射情况下，Re=8500 km，故式中，ht、hr的单位是m，d的单位是km。n 障碍物的影响与绕射损耗有限空间Ø 绕射损耗: 实际情况中，电波在直射传播中存在各种障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗.Ø 菲涅尔余隙: 障碍物顶点P至直射线TR的距离.分析绕射引起的附加损耗：绕射引起的附加损耗即相对于自由空间传播的分贝数。规定:阻挡时余隙为负，如下图(a)所示；示意图： 障碍物与余隙的关系 (a)负余隙；无阻挡时余隙为正如下图(b)所示。示意图： 障碍物与余隙的关系 (a)负余隙； (b)正余隙；菲涅尔余隙的计算：x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，它由下列关系式求得分析过程：设障碍物与发射点和接收点的相对位置如下图所示。图中，x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离(菲涅尔余隙)。由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如下图(c)所示。图中，纵坐标为绕射引起的附加损耗。示意图： 障碍物、余隙、绕射损耗与菲涅尔余隙的关系 (c)绕射损耗与余隙关系由上图可见：（a）当x/x1>0.5时，附加损耗约为0 dB，即障碍物对直射波传播基本上没有影响。(b) 当x<0，即直射线低于障碍物顶点时，损耗急剧增加；(c) 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 dB。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x>0.5 x1。 例：设在上图(a)所示的传播路径中，菲涅尔余隙x1=-82 m，d1=5 km，d2=10 km，工作频率为150 MHz。试求电波传播损耗。 解: 先求出自由空间传播损耗： Lbs=32.45+20lg(5+10)+20lgl50=99.5 dB求第一菲涅尔区半径： x1=81.7m由上图 (c)查得附加损耗（x/x1-1）为17dB，所以电波传播的损耗为 L=Lbs+17=116.5 dB针对实际接收情况中的多数2.1.3接收信号中的3类损耗与4种效应基本情况：传播方式：反射、绕射和散射。主要特征：n 强烈的绕射损耗：大多数蜂窝无线系统运作在城区，发射机和接收机之间无直接视距路径，而且高层建筑产生了强烈的绕射损耗。n 多路径反射：由于不同物体的多路径反射，经过不同长度路径的电磁波相互作用引起多径损耗，n 电磁波强度的衰减：随着发射机和接收机之间距离的不断增加而引起电磁波强度的衰减。研究方法：预测平均场强.对传播模型的研究，传统上集中于给定范围内平均接收场强的预测、特定位置附近场强的变化。对于预测平均场强并用于估计无线覆盖范围的传播模型，有n 大尺度传播模型：描述的是发射机与接收机之间(T-R)长距离(几百米或几千米)上的场强变化。当移动台远离发射机时，当地平均接收场强逐渐减弱，该平均接收场强由大尺度传播模型预测。n 中尺度衰减模型：描述中范围(中尺度、数百波长量级)的阴影效应。n 小尺度衰减模型：描述短距离(几个波长)或短时间(秒级)内的接收场强的快速波动的传播模型。当接收机移动距离与波长相当时，其接收场强可以发生3或4个数量级(30dB或40dB)的变化。*4st在移动信道的3个主要特点及传播的3种主要类型作用下，接收点的信号出现的特点如下示。1.信号强度随距离变化而减小。具有3类不同层次的损耗 (1)路径传播损耗：一般称为衰耗，是指电波在空间传播所产生的损耗。它反映出传播在宏观大范围(千米量级)的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。路径损耗在固定的有线通信中也存在，一般比这里的空间传播衰耗值要小一些。（典型值=？） (2)慢衰落损耗：它主要是指电磁波在传播路径上受到建筑物等的阻挡所产生阴影效应而产生的损耗，反映了在中等范围内(数百波长量级)的接收信号电平平均值起伏变化的趋势。这类损耗一般为无线传播所特有，且一般从统计规律上看遵从对数正态分布，其变化率比传送信息率慢，故又称为慢衰落。(3)快衰落损耗：它是反映微观小范围(数十波长以下量级)接收电平平均值的起伏变化趋势。其电平幅度分布一般遵从瑞利(Rayleigh)分布、莱斯(Rice)分布和纳卡伽米(Nakagami)分布，其变化速率比慢衰落快，故又称为快衰落。进一步分为：Ø 空间选择性快衰落Ø 频率选择性快衰落Ø 时间选择性快衰落注：这里的选择性是指在不同的空间、不同的频率和不同的时间，其衰落特性是不一样的。以上给个曲线图说明？2. 信号强度减小呈现一定规律性。具有4种主要效应 (1)阴影效应：由于大型建筑物和其它物体的阻挡，在电波传播的接收区域中产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影。光波的波长较短，阴影可见，电磁波波长较长，阴影不可见，但是接收终端(如手机)与专用仪表可以测试出来。(2)远近效应：由于接收用户的随机移动性，移动用户与基站之间的距离也在随机变化，若各移动用户发射信号的功率一样，那么到达基站时信号的强弱将不同，离基站近者信号强，离基站远者信号弱。通信系统中的非线性将进一步加重信号强弱的不平衡性，甚至出现以强压弱的现象，并使弱者即离基站较远的用户产生掉话(通信中断)现象，通常称这一现象为远近效应。 (3)多径效应：由于接收者所处地理环境的复杂性，使得接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同建筑物反射及绕射过来的多条不同路径信号，而且它们到达时的信号强度、到达时间及到达时的载波相位都不一样。所接收到的信号是上述各路径信号的矢量之和，也就是说，各路径之间可能产生自干扰，称这类自干扰为多径干扰或多径效应。这类多径干扰是非常复杂的，有时根本收不到主径直射波，收到的是一些连续反射波等。 (4)多普勒效应：它是由于接收用户处于高速移动中，比如车载通信时传播频率的扩散而引起的，其扩散程度与用户运动速度成正比。这一现象只产生在高速(70kmh)车载通信时，而对于通常慢速移动的步行和准静态的室内通信则不予考虑。（给个示例或图？）以上给个示意图说明？2.2 三类主要快衰落 快衰落对移动通信的影响：快衰落引起的时变特性最难克服。（给个示例或图）2.2.1空间选择性衰落 所谓空间选择性衰落，是指在不同的地点与空间位置衰落特性不一样。如下图示(1)信道输入射频：单频等幅载波。角度域：在角上送入一个脉冲式的点波束。(2)信道输出时空域：在不同接收点S1，S2，S3，时域上衰落特性是不一样的，即同一时间、不同地点(空间)衰落起伏是不一样的，这样，从空域上看，其信号包络的起伏周期为T1。角度域：在原来角度上的点波束产生了扩散，其扩散宽度为 (3)结论 由于开放型的时变信道使天线的点波束产生了扩散而引起了空间选择性衰落，其衰落周期，其中为波长。空间选择性衰落，通常又称为平坦瑞利衰落。这里的平坦特性是指在时域、频域中不存在选择性衰落。（如何与下图联系或印证?）图2.1空间选择性衰落信道原理图explain?2.2.2频率选择性衰落 所谓频率选择性衰落，是指在不同频段上衰落特性不一样。如图2.2所示。图2.2 频率选择性衰落信道原理图 (1)信道输入 频域：白色等幅频谱。 时域：在t0时刻输入一个脉冲。(2)信道输出频域：衰落起伏的有色谱。时域：在t0+t瞬间，脉冲在时域产生了扩散，其扩散宽度为L/2。其中，t为绝对时延。(3)结论由于信道在时域的时延扩散，引起了在频域的频率选择性衰落，且其衰落周期，即与时域中的时延扩散程度成正比。2.2.3 时间选择性衰落 所谓时间选择性衰落，是指在不同的时间衰落特性是不一样的。如图2.3所示。图2.3 时间选择性衰落信道原理图? (1)信道输入 时域：单频等幅载波。 频域：在单一频率f0上单根谱线(脉冲)。 (2)信道输出 时域：包络起伏不平。 频域：以f0+f为中心产生频率扩散，其宽度为B。其中，f为绝对多普勒频移，B为相对值。 (3)结论 由于用户的高速移动在频域引起多普勒频移，在相应的时域其波形产生时间选择性衰落。其衰落周期为。2.2.4 实际移动通信中3类选择性衰落产生的条件实际移动通信中，3类选择性衰落都存在，如图2.4所示的示意图表示。图2.4 3类多径干扰示意图根据其产生的条件大致可以划分为以下3类，与基站远近，计及天线方向性图，与MS移动 (1)第一类多径干扰：是由于快速移动用户附近的物体的反射而形成的干扰信号，其特点是由于用户的快速移动，在信号的频域上产生了多普勒(Doppler)频移扩散，从而引起信号在时域上时间选择性衰落。(原理=？) (2)第二类多径干扰：用户信号由于远处的高大建筑物或山丘的反射而形成的干扰信号。其特点是传送的信号在空间与时间上产生了扩散。空域上波束角度的扩散将引起接收点信号产生空间选择性衰落，时域上的扩散将引起接收点信号产生频率选择性衰落。 (3)第三类多径干扰：是由于接收信号受基站附近建筑物和其他物体的反射而引起的干扰。其特点是严重影响到达天线的信号入射角分布，从而引起信号在空间的选择性衰落。解释机理=？电波传播在空间角度、时间与频率所产生的典型扩散值见表2.1。条件：在第二代移动通信中某种典型地理环境。表2 1 典型环境下的典型扩散值地理环境角度扩散时延扩散多普勒频率扩散室 内360°0.1s5Hz农 村1°0.1s190Hz都 市20°5s120Hz丘 陵30°20s190Hz小 区120°0.2s10Hz（上述值的意义或实际应用价值=频率扩散区间B，时间相关区间；，时间扩散区间L，频率相关区间；角度扩散区间，空间相关区间；=20°=ok）传播衰耗的描述参数（补）2.3 传播类型与信道模型的定量分析目的：试图从定量的观点对传播模型与信道模型做进一步的深入分析。2.3.1 传播损耗的初步定量分析一般性定量分析：从总体上对传播损耗做初步的定量分析。传播的总损耗分别由大范围(大尺度、千米量级)的路径衰耗、中范围(中尺度、数百波长量级)的阴影效应和小范围(小尺度、数十波长以下量级)的快衰落共同决定。它可表示为式中，表示大范围的路径衰耗，n25.5；表示中范围的阴影效应损耗；Kd(t)表示小范围内的快衰落损耗。2.3.2 大范围的传播衰耗的定量分析移动通信信道传播损耗涉及因素：主要决定于传播的环境与条件。传播损耗不仅决定于传播距离，而且还与传播中的地形、地貌、传播的载波频率，以及发、收天线高度等密切相关。解决问题：定量计算。现状：要想从理论角度给出一个确切、完整的公式很困难。分析思路：（补->浅谈？）衰落储备: 为了防止因衰落(包括快衰落和慢衰落)引起的通信中断。在信道设计中，必须使信号的电平留有足够的余量，以使中断率R小于规定指标。这种电平余量称为衰落储备。 衰落储备的大小决定于地形、地物、工作频率和要求的通信可靠性指标。通信可靠性也称作可通率，并用T表示，它与中断率的关系是T=1-R。 下图示出了可通率T分别为90、95和99的三组曲线，根据地形、地物、工作频率和可通率要求，由此图可查得必须的衰落储备量。例如：f=450 MHz，市区工作，要求T=99，则由图可查得此时必须的衰落储备约为22.5 dB。附图：衰落储备量工程实际应用：多采用一些经验公式与模型，基本上能满足工程上的估算要求。 下面将给出几类在不同环境与条件下经常使用的著名经验公式与模型。 1. 奥村-哈塔(Okumura-Hata)模型 Ø 特点：这是一种在移动通信中使用最频繁，也是最有效的模型。Ø 研究过程：1) 基于奥村在广泛测量城镇与郊区的无线电传播损耗以后，制成的很多可用于规划蜂窝系统的有用经验曲线与图表；2) 哈塔(Hata)后来将奥村这些经验曲线与图表提炼成更加便于工程上使用的经验公式，Ø 从而使这一经验模型与公式广为使用。使用的主要环境与条件为：² 适用于小城镇与郊区的准平坦地区；² 应用频率为150MHzfc1500MHz；² 有效距离为lkmd20km；² 发射(基站)天线有效高度hb为30200m；² 接收(移动台)天线有效高度hm为110m。 Ø 哈塔给出的传播平均衰耗的基本公式为(2.3.2)式中:L50(市区)(dB)为市区路径平均损耗，且以dB表示；fc为载波频率(MHz)；hb为基站天线有效高度(m)；hm为移动台天线的有效高度(m)；(hm)为移动天线的校正因子(dB)；->经验公式d为移动台与基站之间的距离(km)；K为使用地区环境修正系数(dB)。->经验公式以上给个示意图说明一下参数？¨ 关于校正因子(hm)的讨论： 对于中小城市移动天线校正因子为 对于大城市 关于修正因子K：对于市区 K=O对于郊区 对于农村地区 2. Hata模型向个人通信PCS系统的扩展 Ø 改进点：应用频率提高到2GHz频段Ø 研究过程：欧洲科学技术研究协会(EURO-COST)组成COST-231工作组开发Hata模型对PCS的扩展，提出将Hata模型扩展至2GHz频段.Ø 模型公式如下 (2.3.8)式中，(hm)取值参见式(2.3.3)、式(2.3.4)和式(2.3.5)；而 Ø 使用的主要环境与条件为：² fc=15002000MHz；² hb=30200m；² hm为110m；² d为120km。注：PCS： Personal Communication System 3. Walfisch-Ikegami模型(WIM)Ø 改进点：考虑来自街道宽度、街道绕射和散射等带来的影响 其示意图如图2.5所示。（来源=？）图2.5 Walfisch-Ikegami传播模型Ø 应用范围：这一模型主要用于欧洲GSM系统，而且也应用于美国的一些传播模型中。这一模型包含3个部分：自由空间损耗、屋脊到街道的绕射和散射损耗、多次屏蔽损耗、树木和树叶引入的附加损耗。Ø 增计参数：在无线路径上建筑物之间的距离b;街道宽度w ;相对于街道的入射角;Ø 模型内容（表达式）：或式中，Lf为自由空间损耗；Lrts为屋脊到街道的绕射与散射损耗；Lms为多次屏蔽损耗；Lt为树木、树叶引入的附加损耗。 (1)自由空间损耗的计算 (2)屋脊到街道的绕射与散射损耗的计算 式中，w为街道宽度(m)；hm=hr-hm(m)，hr为建筑物高度，hm为移动台高度； 而为相对于街道的入射角。如何理解该含义？ (3)多次屏蔽损耗计算式中:b为在无线路径上建筑物之间的距离平均？或最大？Ø 应用Walfisch-Ikegami模型的有效参数范围为：800MHzfc2000MHz;4mhb50m；1mhm3m；0.02kmd5km;b2050m；w=b/2；90°。 (4)树木造成的衰落校正因子 Weissberger给出一种修正指数延迟模型。它可用于计算温和气候下具有浓密、干燥树叶的树木所造成的附加损耗。即式中，Lt为树木损耗(dB)；fc为载频(GHz)；df为树木高度(m)。 对于900MHz频段，上述公式可简化为 一般性结论： Lt损耗在有树叶与没有树叶时相差35dB。Ø 模型横向比较（Walfisch-Ikegami模型与Hata模型路径损耗的比较）：1) 两者损耗一般要相差1316dB：由于Hata模型未考虑来自街道宽度、街道绕射和散射等带来的影响，2) Walfisch-Ikegarmi模型要比Hata模型更精确，但也就更复杂。3) 两者具体差值可用表2.2或图2.6表示。表2.2 Walfisch-Ikegami 模型和Hata模型比较距离(km)路径损耗(dB)Hata模型Walfisch-Ikegami 模型 1 126.16 139.45 2 136.77 150.89 3 142.97 157.58 4 147.37 162.33 5 150.79 166.01图2.6 Walfisch-Ikegami和Hata模型路径损耗与距离d的关系图 (注：表2.2与图2.6摘自第三代移动通信系统原理与工程设计，P187188)*5st4.室内传播模型特点：覆盖范围小，环境变化大，且受建筑物材料结构、建筑物类型和建筑物布局影响。损耗简述：从电波传播的机理上看，它与室外基本上是一样的。有电波的直射、反射、绕射、散射和穿透。不过具体的条件可能存在较大的差异，比如室内是否开门，天线安装在什么位置、高度等。研究情况：室内无线传播是一个较新的研究领域，国外也是20世纪80年代才开始进行较系统的研究的，美国Bell实验室和英国电信等率先对大量家用和办公室建筑物周围及内部的路径损耗进行了仔细的研究。研究方法=？一般说来，室内信道也分为视距(LOS)和阻挡(OBS)两种，并且随着环境杂乱程度而不断变化。注：LOS：Line of Sight 室内传播损耗的计算：由于与楼层间、楼层内建筑物材料类型、结构等密切相关，各国与各地区均有所不同，此处略讲。2.3.3 中、小范围的传播损耗的定量分析即定量分析3类快衰落和慢衰落的成因、规律和克服方法。基本思路： 移动信道实质上可以看作在时域、频域和空域上的一个三维动态随机函数，解决问题：如何寻找一个有效分析与描述这类三维动态随机函数的方法。使用手段：线性时变分析方法和广义平稳随机过程的分析方法。快衰落的统计特性：包括信号包络统计特性和瞬时幅度特性两方面。1) 快衰落信号包络统计特性快衰信号包络统计特性分析针对远离基站、靠近基站进行.n 远离基站快衰落信号包络统计特性是指在无直射波的N个路径传播时，接收信号的包络统计特性。分析图图3-8移动台接收N条路径信号在陆地移动通信中，移动台往往受到各种障碍物和其它移动体的影响，以致到达移动台的信号是来自不同传播路径的信号之和，如图3-8所示。n 假设基站发射的信号为式中，0为载波角频率，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。n 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(可补计算图，see P105 fig 4.1)源信号SvdY 频率变化值多普勒频移式中，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 令(3-36) (3-37)则S(t)可写成(3-38)n 分析推导：1) 由于x和y都是独立随机变量之和，因而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上的取值概率分别为p(x)dx、p(y)dy，2) 由于它们相互独立，所以在面积dx*dy中的取值概率为式中，p(x，y)为随机变量z和y的联合概率密度函数。 假设x2=y2=2，且p(x)和p(y)均值为零，则 3) 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dr*d中的取值概率为得联合概率密度函数为(3-43)n 结论对积分，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(3-45)n 结论讨论Ø 由式(3-44)可知，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。 由式(3-44)不难得出瑞利衰落信号的如下一些特征：均值(3-46)均方值(3-47) 瑞利分布的概率密度函数p(r)与r的关系如图3-9所示。Ø 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)不难求得图3-9瑞利分布的概率密度(3-48)当时，有(3-49)Ø 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的中值，记作rmid。 信号包络低于的概率为同理，信号包络r低于某一指定值k的概率为n 实际应用：按照这样的办法，可以指定一任意电平来计算信号包络r大于或小于指定电平r0的概率，结果见图3-10。图中，横坐标是以rmid进行归一化，并以分贝表示的电平值，即20 lg r0rmid。纵坐标是包络电平大于(左)和小于(右)横坐标的概率。n 一般性结论：通过上述分析和大量实测表明，多径效应使接收信号包络变化接近瑞利分布。在典型移动信道中，衰落深度达30dB左右，衰落速率(它等于每秒钟信号包络经过中值电平次数的一半)约3040次秒。图3-10瑞利衰落的累积分布*ignore below若每条路径的信号幅度为高斯分布，相位在02内为均匀分布，则合成信号的包络分布为瑞利(Raleigh)分布(可参见图2-7(a)，且有如下概率密度函数(Probability Density Function)表达式；(2.3.17)图2-7(a) 远离基站情况下的概率密度函数而合成信号的相位分布为均匀分布，即(2.3.18)合成信号包络的累积概率分布(Cumulative Probability Distribution)为(2.3.19)一阶矩(均值)为二阶矩为 利用式(2.3.19)表示的信号包络的累积分布，可定义信号包络样本区间的中值(场强中值)是满足下式的rm值，即(2.3.20)可求得rm=1.177。*ignore below endn 靠近基站l 基本情况：移动台靠近基站的情况下，快衰落信号包络统计特性是指在含有一个强直射波的N个路径传播时，接收信号的包络统计特性。若每条路径的信号幅度为高斯分布，相位在02内为均匀分布，则合成信号的包络分布为莱斯(Rice)分布(可参见图2-7(b)，图2-7(b) 靠近基站情况下的概率密度函数注：图中的0=/；为直射波幅度。且有如下概率密度函数表达式： 式中，r为衰落信号包络；为直射波幅度：Io(·)为零阶贝塞尔函数；*ignore begin当时，式(2.3.21)可简化为*ignore endl 简单分析：Ø 当很大，即直射波很强时，r，则式(2.3.21)近似高斯分布?；Ø 当O，即无直射波时，则式(2.3.21)近似为瑞利Rayleigh分布。(2)快衰落瞬时幅度特性。 图2-8 电平通过率和平均衰落持续时间快衰落瞬时幅度特性可用电平通过率(Level Crossing Rate)、衰落速率(Fading Rate)、衰落深度(Deep of Fading)和衰落持续时间