第2章1现代无线通信原理无线信道

第二章无线信道201403252.1电磁波传播机制2.2自由空间传播模型2.3大尺度衰落模型2.4小尺度衰落与多径效应2.5多径信道的统计模型2.1电磁波传播机制2.1.1电磁波传播机制概述移动无线传播面临的是随时变化的、复杂的环境。首先，传播环境十分复杂，传播机理多种多样。几乎包括了电波传播的所有过程，如：直射、绕射、反射、散射。其次，由于用户台的移动性，传播参数随时变化，引起接收场强的快速波动。为此，提出大尺度传播模型和小尺度传播模型。2.1.1电磁波传播机制概述(1/4)电波传播分为5种形式：1.直射：自由空间传播2.反射：当电磁波遇到比波长大得多的物体时，发生反射。反射发生在地球表面、建筑物和墙壁表面。3.折射：4.绕射：当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。2.1.1电磁波传播机制概述(2/4)5.散射：当电磁波的传播路由上存在小于波长的物体、并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射。散射发生在粗糙表面、小物体或其它不规则物体，如：树叶、街道标志和灯柱等。移动通信中，1和5项可以合并考虑，不考虑折射。电波传播损耗习惯分为：1.传播路径损耗2.阴影衰落3.多径衰落2.1.1电磁波传播机制概述(3/4)•就电波传播而言，发射机同接收机间最简单的方式是自由空间传播。一种是直射波；另一种方式是地面反射波。直射波和反射波叠加的结果可能使信号加强，也可能使信号减弱，即所谓的多径效应。•绕射波是建筑物内部等阴影区域信号的主要电波来源。绕射波的强度受传播环境影响很大，且频率越高，绕射信号越弱。2.1.1电磁波传播机制概述(4/4)•对流层反射波产生于对流层。对流层是异类介质，由于天气情况而随时间变化。它的反射系数随高度增加而减少。这种缓慢变化的反射系数使电波弯曲。对流层方式应用于波长小于10米（即频率大于30MHz）的无线通信中。•电离层反射传播：当电波波长小于1米（频率大于300MHz）时，电离层是反射体。从电离层反射的电波可能有一个或多个跳跃，因此这种传播用于长距离通信。同对流层一样，电离层也具有连续波动的特性。2.1.2电磁波传播环境电波传播受地形结构和人为环境的影响，无线传播环境直接决定传播模型的选取。影响环境的主要因素：•自然地形（高山、丘陵、平原、水域）•人工建筑的数量、分布、材料特性•该区域植被特征•天气状况•自然和人为的电磁噪声状况2.1.2电磁波传播环境无线电波受地形和人为环境的影响很大，高山、丘陵等自然地形，和人工建筑等都影响电波的传播特性，除此之外天气和时间因素也是影响电波传播的因素。例如，晚上电离层相对稳定，所以短波电台收音效果好就是一个示例。2.1.3地形分类(1/2)准平滑地形表面起伏平缓，起伏高度小于等于20米的地形。不规则地形除了准平滑地形之外的其余地形，可按状态分为：丘陵地形、孤立山岳、倾斜地形、水陆混合地形等。RTTR2.1.3地形分类(2/2)•“准平滑地形”指表面起伏平缓，起伏高度小于等于20米的地形，平均表面高度差别不大。•Okumura传播模型将起伏高度定义为距离移动台天线前方10公里内地形起伏10%与90%的差。•CCIR定义为收信机前方10～50公里处地形高度超过90%与超过10%的差。•除此以外的其它地形统称为“不规则地形”2.1.4反射(1/3)2.1.4反射(2/3)2.1.4反射(3/3)2.1.5绕射2.1.5绕射2.2自由空间传播模型(1/8)什么叫自由空间？自由空间是指充满均匀、线性、各向同性理想介质的无限大空间，是一种理想情况。如卫星的电波传播就很接近自由空间的传播条件无任何衰减、无任何阻挡、无任何多径的传播空间。无线电波在自由空间传播时，其单位面积中的能量会因为扩散而减少。这种减少，称为自由空间的传播损耗。2.2自由空间传播模型(2/8)PTd球面上的功率流：如图所示，发射功率为PT，发射天线为各向均匀辐射，则以发射源为中心，d为半径的球面上单位面积的功率为：S＝PT/4d22.2自由空间传播模型(3/8)由于天线有方向性（设发射天线增益为GT），故在主波束方向通过单位面积的功率为：S=GTPT/4d2设接收天线的有效面积为A，则接收天线所截获的功率为：Pr=SA=AGTPT/4d2对于抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布，则天线的有效面积为：A=Gr2/4其中Gr为接收天线增益，为自由空间波长。2.2自由空间传播模型(4/8)代入Pr公式。得到：Pr=GrGTPT(/4d)2令：Pr/PT=GrGT/LS其中LS定义为自由空间传播损耗。则：LS=(4d/)2=(4fd/c)2以分贝数表示：LS=92.4+20lgf(GHz)+20lgd(km)dB2.2自由空间传播模型(5/8)用于预测收发信机之间完全无阻挡的视距路径时的接收信号场强：202()10log10log()(4)tfrPPLdBdddpd2:2fffdDDdDd式中为天线的最大物理尺寸且和()32.4520log20log::PLdBdfdkmfMHz式中：2.2自由空间传播模型(6/8)从上面的公式可看出，距离每增加一倍，损耗增加6dB。如果频率每增加一倍，如上面例子所以1900MHz的损耗也比900MHz多损耗了6个dB。自由空间传播模型适用于具有各向同性传播介质（如真空）的无线环境，是理论模型。该环境在现实中并不存在，但空气介质近似于各向同性介质。2.2自由空间传播模型(7/8)d处自由空间中接收功率为：000()(),nrrdpdpdddd0:1,1001:2dmmkmnn参考距离，如室内典型取值室外环境为或路径指数2.2自由空间传播模型(8/8)2.3大尺度衰落模型2.3.1大尺度衰落模型概述发射机tn,1接收机tk,1tn,3tn,2tk,2tk,3tk,4一条子路径LOSpathk路径nd(t)VmR(t)qn2.3.1大尺度衰落模型概述大尺度衰落模型:T-R之间大距离主要传播机制:反射信号强度衰减随传播距离而成阴影分布对数正态阴影模型围绕一均值缓慢变化2.3.2大尺度衰落模型分类自由空间传播地面反射(双线)刃形绕射室外传播模型室内传播模型2.3.3地面反射(双线)模型(1/2)d地面双射反射模型))(cos()1())(cos(),(),(),(0000cdtddEcdtddEtdEtdEtdEccgLOSTOTT（发送机）R（接收机）hththrht-hrht+hrElosEgdd2.3.3地面反射(双线)模型(2/2))log20log20log10log10(log40)(41cos'',22)()('''42222002222rtrtttrttfTOTedrTOTrtrtrthhGGddBpLdhhGGPREAppddEcdtdEdhhdhhdhhddqq2.3.4刃形绕射模型模型(1/6)•电磁波在绕射点四处扩散•绕射波覆盖除障碍物外的所有方向•扩散损耗最为严重•计算公式复杂，随不同绕射常数变化绕射损耗TR2.3.4刃形绕射模型模型(2/6)在分析山区或者城市中摩天大楼密布的密集市区的传输损耗时，通常还要分析绕射损耗和穿透损耗。绕射损耗是对障碍物高度和天线高度的一种测量。障碍物高度必须同传播波长比较。同一障碍物高度对长波长产生的绕射损耗小于短波长。绕射损耗是电磁波在绕射点四处扩散，绕射波覆盖除障碍物外的所有方向，这种扩散损耗最为严重，其计算公式复杂，随不同绕射常数变化。2.3.4刃形绕射模型模型(3/6)2.3.4刃形绕射模型模型(4/6)ABhd1d2负高度模式正高度模式ABhd1d2βαγ)(2)(22)(221212121212121212ddddddddhvddddhddddh2.3.4刃形绕射模型模型(5/6)Figure4.12IllustrationofFresnelzonesfordifferentknife-edgediffractionscenarios.2.3.4刃形绕射模型模型(６/６)2.3.5多重刃形绕射模型模型阻档体Bβγα等效于单个刃形的布灵顿结构2.3.6运用路损模型进行链路预算设计1/2XddndPLXdPLdBdPL)log(10)()(])[(00•平均大尺度路径损耗:•对数正态阴影分布:00log10)()(ddndPLdBPLXσ为0均值,标准偏差为σ的高斯分布随机变量•接收功率:])[(])[(])[(dBdPLdBmdPdBmdPtr2.3.6运用路损模型进行链路预算设计2/2))2)((1(21))((])([dPerfdPQdPPrrrr)](1[21)exp(21)(2azerfdxaxzQzdxdpxdpPrrr)2))((exp(21))((22接收信号电平超过某一特定值的概率：2.3.7常用室外传播模型概述—20140401自由空间传播模型平坦地形传播模型Okumura(奥村)/Hata模型COST231-Hata模型LEE模型COST231Walfish-Ikegami模型2.3.8平坦地形传播模型(1/2)n=4路径损耗斜率hb：基站天线高度hm：移动台高度L0：与频率有关的参数基站天线高度增加一倍，可补偿6dB的路径损耗RTPloss=L0+10nlgd-20lghb-20lghm2.3.8平坦地形传播模型(2/2)平坦地形传播模型，除考虑频率和距离因素外，还把移动台和基站的高度因素考虑在内。2.3.9Okumura-Hata模型(1/3)适用范围：频率范围f:150～1500MHz基站天线高度Hb:30～200m移动台高度Hm:1～10m距离d:1～20km宏蜂窝模型基站天线高度高于周围建筑物1km以内预测不适用频率超过1500MHz以上时不适用2.3.9Okumura-Hata模型(2/3)Okumura－Hata模型是规划软件通常采用的传播模型，适用于1500MHz以下的大于1公里范围的宏小区。20世纪60年代，奥村等人在东京近郊利用宽范围的频率，几种固定台高度，几种移动台高度，以及在各种各样不规则地形和环境地物条件下测量信号强度，形成一系列曲线，然后对这些曲线进行拟合建立模型，从而得到了传播模型的经验公式。该模型已经在世界范围内广泛使用，利用修正因子可使它适用于东京以外的地区。2.3.9Okumura-Hata模型(3/3)Lu=69.55+26.16logf-13.82loghb+(44.9-6.55loghb)logd-a(Hm)•市区（中、小城市）：a(Hm)=[1.1*log(f)-0.7]*Hm-[1.56*log(f)-0.8]•市区（大城市）：a(Hm)=8.29*[log(1.54*Hm)]2-1.1（f≤300MHz）a(Hm)=3.2*[log(11.75*Hm)]2-4.97（f≥300MHz）•郊区：Lsu(dB)=Lu-2*[log(f/28)]2-5.4•农村(准开阔地)：Lrqo(dB)=Lu-4.78*[log(f)]2+18.33*log(f)-35.9•农村(开阔地)：Lro(dB)=Lu-4.78*[log(f)]2+18.33*log(f)-40.942.3.10COST231-Hata模型(1/3)适用范围：频率范围f：1500~2000MHz基站天线高度Hb：30~200m移动台高度Hm：1~10m距离d：1~20kmCOST231-Hata模型是根据奥村－hata模型进行一定的修改得到的。2.3.10COST231-Hata模型(2/3)宏蜂窝模型基站天线高度高于周围建筑物1km以内预测不适用频率超过2000M