第2章移动通信电波传播与传播模型预测

哈尔滨工业大学（威海）第二章移动通信电波传播与传播预测模型哈尔滨工业大学（威海）目录概述自由空间的电波传播三种基本电波的传播机制阴影衰落的基本特性移动无线信道及特性参数电波传播损耗预测模型哈尔滨工业大学（威海）电波传播的基本特性移动通信信道衰落的表现无线电波传播方式衰落原因复杂的无线电波传播环境传播损耗和弥散阴影衰落多径衰落多普勒频移基站天线、移动用户天线和两付天线之间的传播路径直射、反射、绕射和散射以及它们的合成移动信道基本特性衰落特性哈尔滨工业大学（威海）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{短期快衰落长期慢衰落小尺度衰落大尺度衰落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哈尔滨工业大学（威海）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。(t)rm(t)r(t)0大尺度衰落小尺度衰落(t)r0m(t)接收功率图2－1无线信道中的大尺度和小尺度衰落t哈尔滨工业大学（威海）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，来建立预测模型电波传播特性的研究哈尔滨工业大学（威海）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。4GAr2rttrrGPdAP24哈尔滨工业大学（威海）自由空间的电波传播接收换算自由空间的传播损耗当Gt=Gr=1时，分贝式rtPPL24dL32.4520log()20log()LfMhzdkm()10log()rrPdBmPmW()10log()rrPdBWPW哈尔滨工业大学（威海）3种基本电波的传播机制基本电波的传播机制反射阻挡体比传输波长大的多的物体产生多径衰落的主要因素绕射散射阻挡体为尖利边缘产生于粗糙表面、小物体或其它不规则物体哈尔滨工业大学（威海）反射理想介质表面的反射1极化特性2多径信号3哈尔滨工业大学（威海）理想介质表面的反射zzRsinsin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12112表面光滑的反射入射角12020cosz20cosz(垂直极化）(水平极化）600j其中，ε为介电常数，σ为电导率，λ为波长。哈尔滨工业大学（威海）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）哈尔滨工业大学（威海）极化特性m21()()1vhRR垂直极化反射系数水平极化反射系数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哈尔滨工业大学（威海）2tr2tr....Ae)R1(Re1GGd4PP直射波2tr2trRe1GGd4PPl2()lACCBAB图2-2两径传播模型多径信号直射波反射波发射天线接收天线CmhbhABd两径传播模型接收信号功率简化后哈尔滨工业大学（威海）2i1N1iitr2tr)jexp(R1GGd4PP多径信号多径传播模型其中，N为路径数。当N很大时，无法用公式准确计算出接收信号的功率，必须用统计的方法计算接收信号的功率哈尔滨工业大学（威海）绕射惠更斯－菲涅尔原理菲涅尔区基尔霍夫公式哈尔滨工业大学（威海）惠更斯－菲涅尔原理'TPR图2-3对惠更斯－菲涅尔原理说明原理波在传播过程中，行进中的波前（面）上的每一点，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（面）。绕射由次级波的传播进入阴影区而形成。阴影区绕射波场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和。说明在P’点处的次级波前中，只有夹角为θ（即）的次级波前能到达接收点R每个点均有其对应的θ角，θ将在0º到180º之间变化θ越大，到达接收点辐射能量越大TRP”P’Pd扩展波前次级波前3/2d哈尔滨工业大学（威海）菲涅尔区基尔霍夫公式菲涅尔区从发射点到接收点次级波路径长度比直接路径长度大的连续区域接收点信号的合成•n为奇数时，两信号抵消•n为偶数时，两信号叠加菲涅尔区同心半径1212nnddrdd图2-4菲涅尔区截面TRP”P’Pd次级波前3/2d2/2d/2d1r2r/2n哈尔滨工业大学（威海）菲涅尔区的进一步解释满足以下条件的所有点Q的集合称为第n菲涅尔区：2TRQRTQnTRd1d2dnFPQ哈尔滨工业大学（威海）第n菲涅尔区半径第n菲涅尔区边界上的某个点P到TR连线的距离叫第n菲涅尔区半径nF211221211TPdFdFdnn222222211PRdFdFdnnTPRTR2nP121FndddnFn哈尔滨工业大学（威海）菲涅尔区基尔霍夫公式第一菲涅尔区半径（n=1）特点•在接收点处第一菲涅尔区的场强是全部场强的一半•发射机和接收机的距离略大于第一菲涅尔区，则大部分能量可以达到接收机。基尔霍夫公式从波前点到空间任何一点的场强式中，E是波面场强，是与波面正交的场强导数。14jkrjkrsRssEeeEEdsnrrnsEn哈尔滨工业大学（威海）散射散射无线电波遇到粗糙表面时，反射能量散布于所有方向表面粗糙大于h表面光滑小于hcc8sincih表面光滑度的判定表面平整度的参数高度平面上最大的突起高度h{2sinexp8hisroughsh粗糙表面下的反射场强散射损耗系数：式中，为表面高度h的标准差，h是具有局部平均值的高斯分布的随机变量。用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强：哈尔滨工业大学（威海）阴影衰落的基本特性10(,)10mlrr10log(,)10loglrmr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，是合理的哈尔滨工业大学（威海）移动无线信道及特性参数描述多径信道的主要参数Text多径信道的统计分析多径衰落信道的分类多径衰落的基本特性Text多普勒频移多径信道的信道模型衰落特性的特征量衰落信道的建模与仿真无线信道无线信道无线信道哈尔滨工业大学（威海）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哈尔滨工业大学（威海）多径衰落的基本特性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哈尔滨工业大学（威海）多普勒频移cosdvfmvf入射电波原因移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移表达式多普勒频移最大多普勒(Doppler)频移哈尔滨工业大学（威海）多普勒频移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。哈尔滨工业大学（威海）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哈尔滨工业大学（威海）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。()Re()exp(2)cxtstjft()Reexp2Reexp2iiiiiciiiiicixxxytaxtastjftcccxxastjftcia哈尔滨工业大学（威海）只考虑多径效应设则式中为时延。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)cytrtjft()exp2exp2iiiiciiiixxrtajstajfstciixc()rt哈尔滨工业大学（威海）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()exp2iiiiiixxxxrtajstci设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为cosiixvt路径的变化量输出复包络cosexp2exp2cosiiiiiixxvtvajjtstcc哈尔滨工业大学（威海）再考虑多普勒效应简化得其中，为最大多普勒频移。()exp2cosexp2cosexp2cos2exp22cosiiiiiiimiiiimiciiiiicimiixxvrtajtstcxajftstajftfstastjfftmf（＊）哈尔滨工业大学（威海）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（实际迟延减去所有分量取平均的迟延），它随时间变化在任何时刻t，随机相位都可产生对的影响，引起多径衰落。,()22cosicimiciDitfftt多径延迟影响多普勒效应影响()it()rti哈尔滨工业大学（威海）多径信道的冲击响应冲击响应由（＊）式得()()()(,)ijtiiirtastestht()(,)ijtiiihtae()()ijtiiihae冲击响应iai()it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