卫星移动通信信道特性分析(精)
移动信道的传播特性
AR
2 4
GR
式中， λ2/4π为各向同性天线的有效面积。
• 由式(3 - 6)至式(3 - 8)可得
PR
PT
GT
GR
4d
2
(3 - 9)
当收、 发天线增益为0dB， 即当GR=GT=1时， 接收 天线上获得的功率为
PR
PT
4d
2
(3 - 10)
• 由上式可见， 自由空间传播损耗Lfs可定义为
x R
d2 h2
(a)
T d1
d2
R
x
h2
h1
P
(b)
• 图 3 - 3 障碍物与余隙 • (a) 负余隙； (b) 正余隙
•
由图 3 - 4 可见， 当x/x1＞0.5 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x＞0.5x1; 当x＜0， 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 6dB。
d a b c (d1 d2 )2 (ht hr )2 (d1 d2 )2 (ht hr )2
d
1
ht
hr
2
1
ht
hr
2
d
d
(3 - 27)
式中， d=d1+d2。
•
通常(ht+hr)<<d, 故上式中每个根号均可用二项式定理展开，
并且只取展开式中的前两项。 例如：
第3章 移动信道的传播特性
• 3.1 无线电波传播特性 • 3.2 移动信道的特征 • 3.3 陆地移动信道的传输损耗 • 3.4 移动信道的传播模型 • 思考题与习题
移动通信-第5讲-移动信道3
移动通信-第5讲-移动信道3移动通信第 5 讲移动信道 3在移动通信的广袤世界中，移动信道无疑是其中至关重要的一环。
今天，咱们就来深入探讨一下移动信道中的一些关键要点。
首先，咱们得明白移动信道的特点。
它可不是个“安分守己”的家伙，充满了变化和不确定性。
信号在其中传输时，会遭遇各种各样的干扰和衰减，就像在充满迷雾和陷阱的道路上前行。
其中一个关键因素就是多径传播。
想象一下，信号从发射端出发，就像一个勇敢的探险家，试图到达接收端。
但它可不是走的直线，而是会因为建筑物、山脉、树木等障碍物的阻挡，被迫“绕路”，形成多条不同的路径。
这些路径的长度不同，到达接收端的时间也就有先有后。
这就导致了信号的叠加和相互干扰，使接收端收到的信号变得复杂而不稳定。
再来说说多普勒效应。
当移动台在移动时，比如咱们拿着手机在快速行走或者乘坐汽车，接收信号的频率会发生变化。
这就好比一辆鸣笛的汽车向你驶来，声音会变尖锐；而当它远离你时，声音又会变得低沉。
在移动通信中，多普勒效应会影响信号的质量和传输速率。
信号在移动信道中的衰减也是个大问题。
自由空间传播损耗是不可避免的，随着距离的增加，信号强度会逐渐减弱。
此外，还有阴影衰落，这是由于大型障碍物阻挡造成的信号强度的缓慢变化。
还有小尺度衰落，它会在短距离内或短时间内使信号强度发生快速波动。
那面对这些挑战，咱们有什么应对之策呢？在技术方面，分集接收是个常用的办法。
它就像是多派几个“侦察兵”出去，从不同的路径接收信号，然后把它们整合起来。
这样，即使某一条路径上的信号受到了严重干扰，还有其他路径的信号可以作为补充，提高接收的可靠性。
均衡技术也能派上用场。
它通过对接收信号进行处理，消除多径传播带来的符号间干扰，让信号变得更加清晰可辨。
智能天线技术更是一大创新。
它可以根据信号的来向，调整天线的方向和波束形状，增强有用信号的接收，同时抑制干扰信号。
编码和调制技术也在不断发展。
通过更高效的编码方式和调制方法，提高信号的抗干扰能力和传输效率。
第3章 卫星信道特性及链路设计 电子科技大学汇总
低仰角跟踪和通信 对流层：低仰角和10GHz
以上频率 电离层：10GHz以下频率 卫星移动业务
精确的定时、定位
（二）自由空间传播损耗
图1 给定的天线面积在不同距离上接收辐射能量
Pr
'
Pt
4 d
2
(1)
自由空间传播损耗计算
电波从点源全向天线发出后在自由空间传播，能量将扩散到一个球面 上。如用定向天线，电波将向某一方向会聚，在此方向上获得增益，那 么到达接收点的信号功率为：
Gr
kBT
N KT B 228.6 10lg 260 10lg(20103) 161.5(dBW)
C / N [C]N 153.4+161.5 8.1(dB)
例3、某C频段（频率为6.1GHz）地球站的天线增益为54 dBi，发射功率为 100 W。卫星接收天线增益为26 dBi，与地球站的距离为37500 km。 转发器等效噪声温度为500K，带宽为36 MHz，增益为110 dB。计 算：（1）链路传输损耗（含2 dB附加损耗）；（2）转发器输入噪 声功率；（3）转发器输入C / N；（4）转发器输出（信号）功率。
EIRP=P×G，或 EIRP(dBW)= P(dBW)+G(dB)
• 噪声温度（Te） 定义：将噪声系数折合为电阻元件在相当于某温 度下的热噪声，温度以绝对温度K计。噪声温度 （Te）与噪声系数(NF）的关系为： NF=10lg(1+Te/290)dB
• 品质因素（G/Te） 定义：天线增益与噪声温度的比值。
图2 自由空间传播损耗与传播路径长度的关系
（三）链路附加损耗
大气吸收损耗 雨衰和云雾的影响 大气折射的影响 电离层闪烁和多径
1. 大气吸收损耗
移动通信信道研究报告
移动通信信道研究报告1 移动通信信道概述信道是发送端和接收端之间的传播媒介的总称，它是任何一个通信系统所不可或却的组成部分。
在无线移动通信系统中，由基站到移动台的无线连接称为前向链路（Forward Link）或下行链路（Downlink），由移动台到基站的无线连接成为反向链路（Reverse Link）或上行链路（Uplink）。
移动通信与固定通信的不同在于通信时电台所处的环境是移动的，因此移动通信信道是影响无线通信系统性能的一个基本因素。
发射机与接收机之间的传播路径非常复杂，从简单的视距传播到各种复杂的具有各种各样障碍物的发射、折射和散射的路径，无线信道的传播特性具有极大的随机性。
同时，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，而且移动台相对于发射台移动的速度和方向也对接收信号有很大的影响。
因此模拟无线信道一直是移动无线设计的一个难点，对移动信道的研究只能在统计意义上来进行。
复杂、恶劣的传播环境是移动信道最主要的特征，这是由在移动中进行无线通信这一方式本身所决定的。
对于移动通信来说，恶劣的通信信道是不可回避的问题。
与其它通信信道相比，无线移动信道是最复杂的一种。
在移动无线信道中，信号强度的骤然降低即所谓的衰落是经常发生的，衰落深度可达30dB。
一辆快速行驶车辆上的移动台的接收信号在一秒钟之内的显著衰落可达数十次。
这种衰落现象严重恶化接收信号的质量，影响通信的可靠性。
要在这样的传播条件下保持可以接受的传输质量，就必须采用各种技术措施来抵消衰落的不利影响[1]。
各种抗衰落技术都是针对移动通信的信道特点而产生的，包括分集、扩频、均衡、交织和纠错编码等。
另外，信号的传输方式，如调制方式，对信道的衰落也要有一定的适应能力。
由于适于无线通信的频段仅限UHF和VHF，所以可用的通道容量是极其有限的。
为满足用户需求量的增加，只能在有限的已有频段中采取有效措施充分利用频率，如窄带化、缩小频带间隔、频道重复利用等方法来解决。
移动通信-第3章-移动信道的传播特性
sin z R sin z
垂直极化波 水平极化波
T
c cos z c
2
a ht d1 o
c R θ b θ d2 hr
z c cos
2
式中， c是反射媒质的等效复介电常数，它与反射媒质的相对介电常数r 、电 导率和工作波长有关: c = r– j60
• 绕射损耗：与LOS的路径差导致相移，从而引起传播损耗
2(d1 d 2 ) 2d1d 2 vh d1d 2 (d1 d 2 )
– 绕射损耗可用菲涅尔区解释
第一费涅尔区
15
3.1.9 费涅尔区
• 费涅尔区：从发射机到接收机次级波路径比LOS路径长n/2的连续
区域，是以T&R点为焦点的一簇椭球 。费涅尔区在障碍物处横截面半 径xn为：
反射波 地表面波
• 在移动信道中：
接收天线
8
3.1.2 多径传输信道模型
• 产生多径的原因：直射、反射、散射、绕射
d2 hb
d hm θ
θ
d1
9
3.1.3 产生多径的原因
• 直射：自由空间传播（LOS） • 反射：当电波信号传播碰撞到大大于信号波长的障碍物时发生反射 • 散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长障碍物且障碍物的个数
1
移动通信
通信工程学院
2
第3章 移动信道的传播特性
3.0 研究无线信道的意义和斱法 3.1 VHF/UHF电波传播特性分析 3.2 移动信道的特征 3.3 陆地移动信道的场强估算 3.4 移动信道的传播模型
3
3.0.1 信道的分类
任何一个通信系统，信道是必丌可少的组成部分 • 按传输媒质分
移动通信的概念,信道特性共30页
移动通信的概念,信道特性
6、法律的基础有两个，而且只有两个……公平和实用。——伯克 7、有两种和平的暴力，那就是法律和礼节。——歌德
8、法律就是秩序，有好的法律才有好的秩序。——亚里士多德 9、上帝把法律和公平凑合在一起，可是人类却把它拆开。——查·科尔顿 10、一切法律都是无用的，因为好人用不着它们，而坏人又不会因为它们而变得规矩起来。——德谟耶克斯
Hale Waihona Puke 谢谢11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
卫星信道模型总结
0.7
,r 0 ,r 0
瑞利分布包络的概率密度曲线图
0.6
0.5
0.4
0.3 0.2 0.1 0 0
1
2
3
4 5 6 接收信号包络r
7
8
9
10
图 3 Rayleigh 模型的概率密度函数曲线图
15
图 5 Lognormal 分布的概率密度函数曲线
3.4 Nakagami 分布 Nakagami 分布是一种广义的 Rayleigh 分布，用于刻画无线传播环境中的 分簇散射现象。随着形状因子 m 的变化，Nakagami 分布涵盖了单边 Gaussian
分布、Rayleigh 分布和 Rician 分布，即：当 m=1/2 时，Nakagami 分布就变成了 单边高斯分布；当 m=1 时，Nakagami 分布就变成了 Rayleigh 分布；当 m>1 时，Nakagami 分布就和 Rician 分布很接近。 Nakagami 分布的概率密度函数为：
Corazza模 型 概 率 密 度 函 数 曲 线 图
0.5 0.45 0.4 0.35
概 率 密 度 函 数 pdf
0.3 0.25 0.2 0.15 0.1 0.05 0
0
1
2
3
4 5 6 接 收 信 号 包 络 r(v)
7
8
9
10
图 9 Corazza 模型信号包络概率密度函数曲线图
4.4 Abdi 模型 Abdi 模型认为阴影莱斯模型中直射分量的功率是伽玛随机过程，我们知道 伽玛随机变量的平方根服从 Nakagami 分布，也就是阴影莱斯模型中直射信号 包络服从 Nakagami 分布。Abdi 模型将接收信号表示为：
移动通信第2章移动信道无线传输特性
· 对于垂直极化波，有 （2-9） · 对于水平极化波，有 （2-10）
·
0为反射介质的复介电常数，即
（2-11）
2．并假 设一定的简化条件，接收天线B处的总场 强为
（2-12）
· 是反射路径与直射路径的相位差， 它与两者路径差的关系为
sin 1 n21 sin 2
（2-19）
· 当电磁波从真空射入某种介质时，所 得到的折射率称为该介质的绝对折射率， 或简称为折射率。
· 可以推出
sin 1 n2 n21 sin 2 n1
· 则有
（2-20）
n1 sin 1 n2 sin 2
（2-21）
· 在不考虑传导电流和介质磁化的情况 下，可以推出介质的折射率n与相对介电常 数r的关系为 （2-22） n
· 在实际中大气最典型的折射出现在电 波的水平传播中。
· 此时，并考虑到，经过推导可以得到 电波沿曲线传播时传播曲线的曲率为
1 dn dh
（2-25）
· 根据几何学原理，如果两组曲线的曲 率之差相等，则它们之间的距离相等。
· 也就是说，当下列方程式满足时，图 2-7中的（a）和（b）等效，即 1 1 1 1 （2-26） R0 Re e
（1）无折射 （2）负折射 （3）正折射
① 标准大气折射 ② 临界折射 ③ 超折射
3．视距传播的极限距离
· 设发射和接收天线A和B的高度分别为h1 和h2，其连线与地面相切于C点。 · 切点到两个天线的距离分别为d1和d2。
· 由于Re>>h1，Re>>h2，可以推出
（2-30）
· 则可以得到A和B的距离为
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收稿日期 :2003-09-10 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 /个人移动卫星通信电波传播特性研究 0(60172006
作者简介 :1. 符世钢 (1979- , 男 , 云南安宁人 , 云南大学信息学院通信与信息系统专业在读硕士研究生 , 主要从事
移动通信关键技术研究 ; 2. 任友俊 (1973- , 男 , 云南宣威人 , 曲靖师范学院计科系讲师 、 工学硕士 , 主要从事网络通信及其编程研究 ; 3. 申东娅 (1965- , 女 , 云南昆明人 , 云南大学信息学院副教授 , 主要从事移动通 信研究 .
卫星 移 动 通 信 信 道 特性 分 析 符 世 钢 1, 任 友 俊 2, 申 东 娅 3 (1. 3. 云南 大学 信息学院 , 云南 昆明 650091; 2. 曲靖师范学院 计科系 , 云南 曲靖 655000
摘 要 :卫星移动通信作为地面移动通信的补充 , 是实 现全球个人 通信的必 不可少的手 段之一 , 同时 也 是目前发展最迅速的通信技术之一 . 卫星移动通信具有 卫星固定业务和移动通信双重特点 , 其电波传输距 离 远 , 经历的环境特殊 , 导致其信道特性远比地面系统复杂 . 因此 , 研究其信道特性是设计出高效实用的通信 系 统的关键环节 . 本文对其信道特性进行了具体 深入的分析 , 并对某些衰减因素的解决措施作了简要 探讨 .
关键词 :卫星移动通信 ; 信道特性 ; 传输损耗 ; 多普勒频移 中图分类号 :TN927+123 文献标识码 :A 文 章编号 :1009-8879(2003 06-0071-04 卫星移动通信是指利用卫星实现移动用户 间或移动用户与固定用户间的相互通信 . 近年来 地面蜂窝移动通信系统得到了飞速发展 , 但是它 的覆盖范围有限 , 仅能为人口集中的城市及其附 近地区提供服务 . 为了获得全球范围的无缝覆盖 , 实现名符其实的全球个人通信 , 不得不引入卫星 移动通信来作为地面移动通信的补充 . 卫星移动 通信具有覆盖面积大、 业务范围广、 适用于各种地 理条件等优点 , 在过去二三十年中发展十分迅速 , 成为极具竞争力的通信手段之一 .
与地面移动通信系统不同 , 卫星移动通信系 统的电波传播要经过漫长的距离 , 其间要受到多 种因素的干扰 . 这大大增加了接收信号的波动性 , 成为保证通信质量的最大障碍 . 为此 , 研究信道特 性成为设计通信系统的首要任务 . 本文将对其进 行具体分析 .
1 传输损耗 卫星移动通信中电波传播要经过对流层 (含 云层和雨层 、 平流层直至外层空间 , 传输损耗大 致为自由空间传输损耗与大气损耗之和 . 111 自由空间传输损耗
在整个卫星无线路径中自由空间 (近于真空 状态 占了绝大部分 , 因此 , 首先考虑自由空间传 播损耗 . 卫星移动通信系统无线链路与大尺度无 线电波传播模型类似 , 在自由空间模型中 , 接收功 率的衰减为 T-R 距离的幂函数 [1]
. 当发射和接收 天线均具有单位增益时 , 自由空间路径损耗为 :L f =10lg( K 2=20lg(3@108 d f (db (1 当 d 取 km 、 f 取 GHz 为单位时 , 可简化为下式 : L f =92145+20lgd +10lg f (db (2 112 大气层损耗 大气层在卫星无线路径中所占比例不大 , 但 却是最不稳定的区域 , 其损耗是卫星移动通信最 具特色的信道特 征之一 . 伴随着天气的变化 , 降 雨、 降雪、 云、 雾等都不可避免地对穿透其中的电 波产生损耗 , 个别极恶劣的天气甚至会造成通信 信号的中断 . 由于各种客观条件的限制 , 目前对其 损耗只能通过实际观测积累数据并由此总结出一 些经验公式 .
在各种天气引起的损耗因素中 , 降雨损耗所 占的比例最大且具有代表性 . 在雨中传播的电波 会受到雨滴的吸收和散射影响而产生衰落 . 此时 引入降雨衰减系数的概念 , 即由降雨雨滴引起的 每单位路径上的衰减 R , R 如下式所示 :
第 22卷 第 6期 2003年 11月 曲 靖 师 范 学 院 学 报 JOURNAL OF QUJING TEACHERS COLLE GE Vol. 22 No. 6Nov. 2003 R =41343@103Q +]0n(r 8(r , K d r (db/km (3 上式中 n(r d r 是单位体积中半径在 r 和 (r + d r 之间的雨滴数目 , 它取决 于降雨强度 ; 8(r, K 是半径为 r 的雨滴对电波为 K 的衰减截面 , 它 取决于工作频率 . 值得注意的是 , 当电波波长远大 于雨滴的直径时 , 降雨损耗中雨滴的吸收起主要 作用 ; 而当雨滴的直径增加或波长缩短时 , 散射作 用就会增大 [2].
理论上用降雨衰减系数与电波穿透的雨区路 径相乘即可得总的降雨损耗 . 但实际上降雨衰减 系数在电波传播路径上的不同点各不相同 , 给计 算带来了极大的困难 , 为此需要对二者进行转换 . 此时引入了降雨强度 P 的概念 , 即单位时间的降 雨量 , P 如下式所示 : P =Q +]0n(r (3r 3 Q v(r d r (4 式中 , Q 是水的密度 , v(r 是地面处半径为 r 的雨滴的下落速度 .
在计算卫星通信传播路径上的降雨损耗时 , 必须知道降雨区域的等效路径长度 D (B , 其基 本定义如下 :
D(B =当仰角为 B 时传播路径上产生的总降雨 衰减 /对应于地球站所在地降雨强度的单位距离 降雨衰减系数 (5 在 1~50GHz 的频段内 , 可以认为降雨衰减大致 与降雨强度成正比 , 因此借助于降雨强度的概念 , (5 式可近似表示为 :
D(B = +] R (r d r R (0 (km (6 这就是说 , 所谓降雨地区的等效路径长度 , 就是把 电波传播路径上不同点的不同降雨强度折算成地 球站所在地的降雨强度时得到的等效路径长度 . 从 (5 式可以看 出 , 可以用地球站所在地的降雨 衰减系数与等效路径长度相乘 , 来得到仰角为 B 的传播路径上产生的总的降雨损耗 , 这将极大地 方便我们进行计算和预测 .
但是 , 在具体计 算 D(B 时 , 既不可 能测定 Q +]0R (r d r , 又不可能计算出时刻都在变化着的 等效路径长度的瞬时值 , 所以 , 一般都是使用等效 路径长度的统计值 . 它定义为 :某一仰角的传播路 , 概率的降雨衰减量 (db , 与同一时期内测得的、 同 一时间概率的降雨衰减系数之比 (db/km .
2折射 、 闪烁 、 法拉第旋转 除了大气层中的传输损耗外 , 大气层中的不 规则特性也会对无线电波产生衰减 . 此外 , 当电波 通过电离层这一极其特殊的环境时 , 也会发生特 殊的变化 . 211大气折射 无线电波穿透大气层时要发生折射 , 大气折 射率随着高度增加、 大气密度减小而减小 . 于是 , 从地球站看卫星 , 电波射线传播路径产生向上凸 出的弯曲 , 致使该路径的仰角比真实仰角偏高 , 且 还因传播途中大气折射率的变化而随时变化 . 大 气折射率的这一变化对穿透其中的电波起到一个 凹 透镜的作用 , 从而使电波的聚束失散而引起散 焦损耗 , 这种损耗与频率无关 . 此外 , 对流层的扰 动引起大气折射率发生起伏 , 使得电波向各个方 向上散射 , 导致了波前到达大天线口面时其幅度 和相位分布不规则 . 这种损耗称为漫射损耗或散 射损耗 . 散焦衰减和散射衰减通常都很小 , 但它们 与大气层的天气状况无关而经常存在 , 因此在设 计卫星移动通信系统 , 特别是低仰角系统时必须 加以考虑 .
212闪烁 闪烁按其 成因可分为大 气闪烁和电 离层闪 烁 . 21211大气闪烁 由于大气折射率的不规则变化引起的信号强 度的起伏现象 , 称之为大气闪烁 . 这类闪烁的周期 约为几十秒 . 2~10GHz 的大气闪烁是由于大气的 不规则引起的电波的多径散射和收敛 . 测量表明 , 标准大气中的信号强度为高斯分布 . 如直径为 30米的天线在仰角为 5b 的情况下 , 信号强度的起伏 幅度为 016分贝 .
21212电离层闪烁 电离层中自由电子并非均匀分布 , 而是呈层 式分布 , 此外 , 自由电子在电离层中不断地发生随 时游动 . 电离层结构的这种不均匀性和时变性造 成穿透其中的无线电波在振幅、 相位、 到达角、 极 化状态等方面发生短周期的不规则变化 , 这种现 象称为 /电离层闪烁 0. 它与卫星移动通信系统的
# 72 #曲 靖 师 范 学 院 学 报 第 22卷 时间等有关 , 尤其与地磁纬度和当地时间有关 [3]. 在地磁赤道附近及高纬度地区 (尤其地磁 65b 以 上 电离层闪烁极其明显和频繁 . 时间上 , 在太阳 活动较强的年份闪烁频度会明显增大 , 甚至在白 天也能观测到闪烁 .
电离层闪烁涉及到的频域很宽 , 这使得通常 采用的频率分集、 极化分集、 扩展频谱等抗衰落措 施往往行不通 . 例如在 UHF 频段 , 3db 相关带宽超 过 100MHz, 如要使用频率分集 , 则需要频率间隔 大于 100MHz, 这在实现上存在很大困难 . 此外 , 电 离层闪烁涉及的地域也很广阔 , 且电离层中不规 则区域会发生漂移从而引起所涉及的地域发生变 化 , 这些特点使得采用空间分集的抗衰落方法也 变得不现实 . 目前解决电离层闪烁的有效办法是 时间分集和编码分集 , 也可采用增加储备余量的 方法来减小其造成的影响 .
213法拉第旋转 由于地球磁场的影响 , 电离层中等离子体媒 质呈现出各向异性特性 . 卫星移动通信中电波广 泛采用线极化和圆极化的形式 . 一个线极化波可 以看成是等振幅的左旋和右旋两个圆极化波的合 成 , 在属于磁性等离子媒质的电离层中传播时 , 由 于其各向异性特性 , 这两者的相速不同 , 致使两个 圆极化波之间的相位差发生变化 . 当它们通过电 离层后 , 重新合成的线极化波的极化面相对于入 射波方向产生缓慢的旋转 , 称为法拉第旋转 [4]. 旋 转角度 H 的大小与电波频率、 地球磁场强度、 等离 子体的电子密度、 传播路径长度等有关 , 其计算可 以使用下式 :
H =21365@104 f 2L NB cos A d L (弧度 (7 式中 f 为频率 , N 是电子密度 , B 是地球磁场 的磁能量密度 , A 是传播路径与地球磁场的夹角 , L 是在电离层中传播路径的长度 .