4-无线电波传播特性.

第四章无线电波传播特性华北电力大学电子系赵建立[e-mail]2011年主要内容无线电波传播特性分析移动无线信道及特性参数移动环境下的信道分析其他无线信道4.1无线电波传播特性移动通信环境下场强变化剧烈场强变化的平均值随距离增加而衰减场强特性曲线的中值呈慢速变化---长期慢衰落（大尺度路径损耗传播模型）由移动通信信道路径上的固定障碍物（建筑物、山丘、树林等）的阴影引起的。场强特性曲线的瞬时值呈快速变化---短期快衰落（小尺度多径衰落传播模型）由收发信双方的相对运动和环境地点的变化而产生。大尺度衰落与小尺度衰落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。大尺度衰落小尺度衰落图4－1无线信道中的大尺度和小尺度衰落(t)rm(t)r(t)0接收功率(t)r0m(t)信道的分类信道的分类根据不同距离内信号强度变化的快慢分为{根据信号与信道变化快慢程度的比较分为{大尺度衰落小尺度衰落（主要特征是多径）描述长距离上信号强度的缓慢变化短距离上信号强度的快速波动原因信道路径上固定障碍物的阴影移动台运动和地点的变化影响业务覆盖区域信号传输质量大尺度衰落与小尺度衰落短期快衰落长期慢衰落小尺度衰落大尺度衰落多径传播陆地室外移动信道的主要特征是多径传播。传播过程中会遇到很多建筑物，树木和以及起伏的地形，会引起能量的吸收和穿透以及电波的反射，散射及绕射等，这样，移动信道是充满了反射波的传播环境。在移动传播环境中，到达移动台天线的信号不是单一路径来的，而是许多路径来的众多反射波的合成。由于电波通过各个路径的距离不同，因而个路径来的反射波到达时间不同，相位也就不同。不同相位的多个信号在接收端迭加，有时同相迭加而加强，有时反向迭加而减弱。这样，接收信号的幅度将急剧变化，即产生了衰落。这种衰落是由多径引起的，所以称为多径衰落。多径传播模型无线电传播特性的研究考虑问题衰落的物理机制功率的路径损耗接收信号的变化和分布特性应用成果传播预测模型的建立为实现信道仿真提供基础基本方法理论分析方法（如射线跟踪法）应用电磁传播理论分析电波在移动环境中的传播特性来建立预测模型现场测试方法（如冲激响应法）在不同的传播环境中做电波实测实验，通过对测试数据进行统计分析，来建立预测模型4.2电波的传播方式阻挡体反射（引起多径衰落）比传输波长大的多的物体绕射尖利边缘散射粗糙表面自由空间的电波传播自由空间的传播损耗在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，只存在电磁波能量扩散而引起的传播损耗接收功率式中，Pt为发射功率，以球面波辐射，，λ为工作波长，Gt，Gr分别表示发射天线和接收天线增益，d为发射天线和接收天线间的距离。自由空间的传播损耗当Gt=Gr=1时，分贝式接收换算4GAr2rrtPPL24dLdfLlog20log2045.32()10log()rrPdBmPmW()10log()rrPdBWPWttrrGPdAP24反射理想介质表面的反射极化特性多径信号两径传播模型多径传播模型理想介质表面的反射如果电磁波传输到理想介质表面，则能量都将反射回来反射系数（R）入射波与反射波的比值入射角θ式中(垂直极化）（水平极化）而其中，ε为介电常数，σ为电导率，λ为波长。020cosz20cosz600jzzRsinsin极化特性极化：电磁波在传播过程中，其电场矢量的方向和幅度随时间变化的状态。电磁波的极化形式：线极化、圆极化和椭圆极化。线极化的两种特殊情况水平极化（电场方向平行于地面）垂直极化（电场方向垂直于地面）极化反射系数：对于地面反射，当工作频率高于150MHz（）时，，算得应用接收天线的极化方式同被接收的电磁波的极化形式一致时，才能有效地接收到信号，否则将产生极化失配不同极化形式的天线也可以互相配合使用m21()()1vhRR垂直极化反射系数水平极化反射系数2tr2tr....Ae)R1(Re1GGd4PP直射波2tr2trRe1GGd4PPl2()lACCBAB2i1N1iitr2tr)jexp(R1GGd4PPACBhmhbd直射波反射波图4-2两径传播模型发射天线接收天线多径信号两径传播模型多径传播模型移动通信环境的场强测试曲线阴影衰落的基本特性阴影衰落（慢衰落）移动无线通信信道传播环境中的地形起伏、建筑物及其它障碍物对电波传播路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应特点衰落与传播地形和地物分布、高度有关表达式传播路径损耗和阴影衰落分贝式式中,r移动用户和基站之间的距离ζ由于阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏差σdB的对数正态分布m路径损耗指数实验数据表明m＝4，标准差σ＝8dB，是合理的10(,)10mlrr10log(,)10loglrmr4.2移动无线信道及特性参数多径衰落的基本特性多普勒频移多径信道的信道模型描述多径信道的主要参数多径信道的统计分析多径衰落信道的分类衰落特性的特征量1、多径衰落的基本特性幅度衰落接收信号的幅度将随着移动台移动距离的变动而衰落空间角度模拟通信系统的主要考虑对象原因本地反射物所引起的多径效应表现为快衰落地形变化引起的衰落以及空间扩散损耗表现为慢衰落时延扩展接收信号中脉冲的宽度扩展时间角度数字通信系统的主要考虑对象原因信号的传播路径不同，所以到达接收端的时间也就不同，导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号。2、多普勒频移原因移动体在x轴上以速度v移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移表达式多普勒频移cosα式中v移动速度λ波长vα入射波与移动台移动方向之间的夹角＝最大多普勒(Doppler)频移说明多普勒频移与移动台运动的方向、速度以及无线电波入射方向之间的夹角有关：若移动台朝向入射波方向运动，则多普勒频移为正（接收信号频率上升）；反之若移动台背向入射波方向运动，则多普勒频移为负（接收信号频率下降）。信号经过不同方向传播，其多径分量造成接收机信号的多普勒扩散，因而增加了信号带宽。vfdvmf入射电波3、多径信道的信道模型原理多径信道对无线信号的影响表现为多径衰落特性。将信道看成作用于信号上的一个滤波器，可通过分析滤波器的冲击相应和传递函数得到多径信道的特性推导冲击响应只考虑多径效应再考虑多普勒效应多径和多普勒效应对传输信号的影响多径信道的冲击响应只考虑多径效应传输信号假设第i径的路径长度为xi、衰落系数（或反射系数）为接收信号式中，c为光速；为波长。又因为所以式中为时延。实质上是接收信号的复包络模型，是衰落、相移和时延都不同的各个路径的总和。()Re()exp(2)cxtstjft()Reexp2Reexp2iiiiiciiiiicixxxytaxtastjftcccxxastjftcia()Re()exp(2)cytrtjft()exp2exp2iiiiciiiixxrtajstajfstciixc()rt再考虑多普勒效应考虑移动台移动时，导致各径产生多普勒效应设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为路径的变化量输出复包络简化得（＊）其中，为最大多普勒频移。icosiixvt()exp2cosexp2exp2cosiiiiiiiiiiiixxxxrtajstcxxvtvajjtstcc()exp2cosexp2cosexp2cos2exp22cosiiiiiiimiiiimiciiiiicimiixxvrtajtstcxajftstajftfstastjfftmf多径信道的冲击响应多径和多普勒效应对传输信号的影响令式中代表第i条路径到达接收机的信号分量的增量延迟在任何时刻t，随机相位都可产生对的影响，引起多径衰落。冲击响应由（＊）式得冲击响应式中，、表示第i个分量的实际幅度和增量延迟；相位包含了在第i个增量延迟内一个多径分量所有的相移；为单位冲击函数。如果假设信道冲激响应至少在一小段时间间隔或距离具有不变性，信道冲击响应可以简化为此冲击响应完全描述了信道特性，相位服从的均匀分布,()22cosicimiciDitfftt()()()(,)ijtiiirtastestht()(,)ijtiiihtae多径延迟影响多普勒效应影响i()it()rtiai()it()()ijtiiihaei0,24、描述多径信道的主要参数由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道对传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色散多径信道的主要参数定量描述这些色散时常用的一些特定参数功率延迟分布PDP时间色散多普勒功率谱密度DPSD角度谱PAP频率色散角度色散功率延迟分布（PDP）基于固定时延参考的附加时延的函数，通过对本地瞬时功率延迟分布取平均得到市区环境中近似为指数分布式中，T是常数，为多径时延的平均值时间色散特性参数平均附加延时rms时延扩展其中最大附加延时扩展(XdB)高于某特定门限的多径分量的时间范围，即多径能量从初值衰落到低于最大能量(XdB)处的时延图2-5中，为归一化的最大附加延时扩展(XdB)；为归一化平均附加延时；为归一化rms时延扩展1TPeT功率时延0dB-XdBmmTP图2-5典型的归一化时延扩展谱22kkkkkkkkkkaPaP22E22222kkkkkkkkkkaPEaP0mTm时间色散参数从时延扩展角度说明相关带宽两径情况接收信号等效网络传递函数信道的幅频特性当时，信号同相叠加，出现峰点当时，信号反相相减，出现谷点相邻两个谷点的,两相邻场强为最小值的频率间隔与两径时延成反比多径情况应为rms时延扩展是随时间变化的，可由大量实测数据经过统计处理计算出来说明相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关()0()()(1)jtirtxtre()2tn()(21)tn)(t12()cBt()0()(,)1()jteirtHjtrextr2)(t()ixt0()rt(,)cHjt(,)1cos()sin()Atrtjrt图2-6两径信道模型图2-7通过两径信道的接收信号幅频特性)(t()t()tA(ω,t))(2tn)()12(tn1+r1-r从包络相关性角度推导相关带宽设两个信号的包络为和，频率差为，则包络相关系数此处，相关函数若信号衰落符合瑞利分布，则式中，为零阶Bessel函数，为最大多普勒频移。不失一般性，可令，简化后通常，根据包络的相关系数来测度相关带宽代入得相关带宽(＊)1222221122(,)(,)rrRfrrfrrrr121212120(,),(