移动通信电波传播理论与模型

1第2章移动通信电波传播理论与模型2主要内容2.1概述2.2自由空间的电波传播2.3基本电波传播机制2.4移动无线信道及特性参数2.5电波传播损耗预测模型32.1概述移动通信的首要问题就是研究电波的传播特性，从某种意义上说就是研究移动信道特性。移动信道的基本特性就是衰落特性，衰落特性取决于无线电波的传播环境，不同的传播环境，其传播特性也不尽相同。而传播环境的复杂导致了移动信道特性的复杂。4发射机天线发出的无线电波，可依不同的路径到达接收机，当频率f＞30MHz时，典型的传播通路如图所示。沿路径①从发射天线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；沿路径②的电波经过地面反射到达接收机，称为地面反射波；路径③的电波沿地球表面传播，称为地表面波。56当传播空间存在阻挡物时，无线电波在此环境下传播表现出的几种主要传播方式为：直射、反射、绕射和散射，以及它们的合成。无线电波通过时变信道，在这种传播环境下表现出的4种主要效应为：多径效应、多普勒效应、阴影效应和远近效应。7多径效应是由于地理环境的影响，接收到的信号不仅有直射波的主径信号，还有从不同物体反射及绕射过来的多条不同路径信号，并且它们到达时的信号强度、到达时间以及到达的载波相位都不一样。接收到的信号是各路径信号的矢量和。多普勒效应是由于移动台在电波传播方向上的运动，导致接收信号在频域的扩散，将会产生附加的调频噪声，出现接收信号的失真。8阴影效应是由于地形起伏、大型建筑物和其他障碍物的阻挡，在电波传播的接收区域内产生传播半盲区，类似于太阳光受阻挡后产生的阴影。远近效应是由于接收用户的随机移动性，移动台与基站之间的距离随机发生变化，假设移动台发射信号的功率相等，那么到达基站时的信号强度将会不同，离基站远的信号弱，离基站近的信号强。9移动通信的传输衰落有两种衰落模式：大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落模型主要表征了由于移动台经过了较大距离的运动而引起的平均接收功率的衰减，描述了发射机和接收机之间长距离（几百或几千米）上的信号强度的变化。小尺度衰落是指由于发射机和接收机之间的空间区域内很小的变化（几个波长），而导致信号的幅度和相位较大变化的现象，描述了短距离或短时间内信号强度的快速变化，主要特征是多径。10112.2自由空间的电波传播自由空间传播是指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想的传播条件。电波在自由空间传播时，虽然不发生反射、折射、绕射、散射和吸收等现象，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由电磁波能量扩散而引起的传播损耗。当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ε和相对导磁率μ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。12在自由空间中，假设发射点的发射功率，以球面波辐射，接收的功率为，则有式中，，为工作波长；，分别表示发射天线和接收天线增益；为发射天线和接收天线之间的距离。tPrP24rrttAPPGd24rrGAtGrGd13)m/V(30T0dPE虽然电波在自由空间里传播不受阻挡，不产生反射、折射、绕射、散射和吸收，但是，当电波经过一段路径传播之后，能量仍会受到衰减，这是由辐射能量的扩散而引起的。由电磁场理论可知，若各向同性天线(亦称全向天线或无方向性天线)的辐射功率为PT瓦，则距辐射源dm处的电场强度有效值E0为14磁场强度有效值H0为)/(120300mAdPHT(3-2)单位面积上的电波功率密度S为)/(422mWdPST(3-3)15若用发射天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线，则上述公式应改写为)/(4)/(12030)/(30200mWdGPSmAdGPHmVdGPETTTTTT(3-4)(3-5)(3-6)16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PR=SAR式中，AR为接收天线的有效面积，它与接收天线增益GR满足下列关系：RRGA42式中，λ2/4π为各向同性天线的有效面积。1724dGGPPRTTR(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24dPPTR(3-10)由上面几式可得：18自由空间的传播损耗定义为trPLP1trGG24dL0[]32.4420lg20lgdBLfd0fd为工作频率，单位为MHz；为收发天线之间的距离，单位为km。24410lg()20lg()dBddLdBdB192.3基本电波传播机制2.3.1反射2.3.2绕射2.3.3散射20反射发生在当电磁波遇到比波长大得多的物体时，主要发生于地球表面、建筑物和墙壁表面。电磁波在不同性质的介质交界处，会有一部分发生反射，一部分通过。反射波的电场强度取决于菲涅尔（Fresnel）反射系数。反射系数与材料、入射波的极性、入射角和频率有关。反射是产生多径衰落的主要因素，其信号强度较直射波弱。21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，ψ代表反射波相对于入射波的相移。R=|R|e-jψ22图3-5反射波与直射波23对于水平极化波和垂直极化波的反射系数Rh和Rv分别由下列公式计算：2/122/122/122/12)cos(sin)cos(sin)cos(sin)cos(sinccccvccjhhReRR(3-23)(3-24)式中，εc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εr、电导率δ和工作波长λ有关，即60jrc(3-25)24对于地面反射，当工作频率高于150MHz(λ＜2m)时，θ＜1°，由式(3-23)和式(3-24)可得即反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差为180°。Rv=Rh=-1(3-26)25由发射点T发出的电波分别经过直射线(TR)与地面反射路径(ToR)到达接收点R，由于两者的路径不同，从而会产生附加相移。由上图可知，反射波与直射波的路径差为222221222111)()()()(dhhdhhdhhddhhddcbadrtrtrtrt式中，d=d1+d2。26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：222111dhhdhhrtrt由此可得到dhhdrt2(3-28)27d2式中，2π/λ称为传播相移常数。这时接收场强E可表示为)e1()e1()(j0j0REREE由路径差Δd引起的附加相移Δφ为注：直射波与地面反射波的合成场强将随反射系数以及路径差的变化儿变化，有时会反相抵消，有时会同向相加，造成合成波的衰落现象。28绕射波是指从较大的建筑物或山丘绕射后到达接收点的传播信号，它需要满足电波产生绕射的条件，其信号强度较直射波弱。29绕射发生在当接收机和发射机之间的无线路径被尖利边缘阻挡时，由阻挡表面产生的二次波散布于空间，即波在传播的过程中，行进中的波前上的每一个点，都可作为产生次级波的点源，这些次级波组合起来形成传播方向上新的波前。另外，当发射机和接收机之间不存在视距路径时（LOS，lineofsight，指移动台可以看见基站天线；NLOS，非视距是指移动台看不见基站天线），围绕阻挡体也会产生波的弯曲。30障碍物的影响与绕射损耗在实际情况下，电波的直射路径上存在各种障碍物，由障碍物引起的附加传播损耗称为绕射损耗。设障碍物与发射点和接收点的相对位置如图所示。图中，x表示障碍物顶点P至直射线TR的距离，称为菲涅尔余隙。规定阻挡时余隙为负，如图(a)所示；无阻挡时余隙为正，如图(b)所示。由障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙的关系如图3-4所示。图中，纵坐标为绕射引起的附加损耗，即相对于自由空间传播损耗的分贝数。横坐标为x/x1,其中x1是第一菲涅尔区在P点横截面的半径，它由下列关系式可求得：21211ddddx(3-21)31图3-3障碍物与余隙(a)负余隙；(b)正余隙32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。注：第一菲涅尔区半径在d/2处为最大值，绕射损耗影响最大。33例3-1设图3-3(a)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。先由式(3-13)求出自由空间传播的损耗Lfs为［Lfs］=32.44+20lg(5+10)+20lg150=99.5dB由式(3-21)求第一菲涅尔区半径x1为mddddx7.8110151010105233321211式中，λ=c/f,c为光速，f为频率。34由图3-4查得附加损耗(x/x1≈-1)为16.5dB,因此电波传播的损耗L为［L］=［Lfs］+16.5=116.0dB35图3–4绕射损耗与余隙关系36散射发生在介质中存在小于波长的物体并且单位体积内阻挡体的个数非常巨大时。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体，反射能量由于散射而散布于所有方向。37i当入射角为时，则表面平整度的参数高度为：i8sinmih如果表面上最大的突起高度小于，认为该表面是光滑的；反之则认为该表面是粗糙的。计算粗糙表面的反射时需要乘以散射损耗系数，表示减弱的反射场mhs2sinexp8hish是表面高度的标准差382.4.1多径衰落信道2.4.2多径信道模型2.4.3多径信道的主要参数2.4移动无线信道及特性参数39移动无线信道的主要特征是多径传播。多径传播是由于无线传播环境的影响，由发射点出发的电波可能会经过多条路径到达接收点，所获信号是多个路径来的多个信号的叠加。yxSi(t)i图2-4移动台接收多条路径信号示意图40假设基站发射的信号为：0000expstjt41424344454647482.4.1多径衰落信道重要结论：一个均值为0、方差为的平稳高斯窄带过程，它的包络的一维概率密度服从瑞利分布，相位的一维概率密度分布是均匀分布。2r/o1p(r)2/1e1图2-5瑞利分布的概率密度函数491．时间选择性衰落时间选择性衰落是指在不同的时间，信道衰落特性不一样，这种衰落会造成信号的失真。图2-6时间选择性衰落示意图50512．空间选择性衰落空间选择性衰落是指在不同的地点衰落特性不一样,通常又称为平坦瑞利衰落，这里的平坦是指在时域和频域中不存在选择性衰落。52533．频率选择性衰落频率选择性衰落是指在不同频段上衰落特性不一样。图2-7频率选择性衰落示意图5455562.4.2多径信道模型设传输信号为0()Reexp2xtstjft接收到多条路径的信号可表示为0()Reexp2iiiiiiidddRtaxtastjftcc57经推导可以得出接收信号的包络为0()Reexp2Rtrtjft0()exp2exp2iiiiiiiiddrtajstajfstc58viicosiidvt假设移动台以速度运动