移动通信第2课

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1、移动通信第移动通信第 2 2 课课本文由 sunyisd 贡献pdf 文档可能在 WAP 端浏览体验不佳。建议您优先选择 TXT，或下载源文件到本机查看。移动通信第二课移动环境下的电波传播内容概述无线电波传播方式 移动信道的多径传播 移动信道：大、小尺度 模型陆地移动通信的场 强估算对数距离路径损耗模 型 路径损耗实验图表计 算法 室外传播模型 室内传播模型无线电波传播特性分析自由空间的电波传播 移动环境的三种基本传 播机制反射 绕射 散射几种典型的衰落分布为什么研究移动环境电波传播？研究无线移动信道模型，预测接收信号场强：衰减、吸收、折射、散射、绕射 移动环境复杂 自然和人为无线电干扰 接收

2、信号场强情况如何？信号带宽的增加：GSM 的均衡 CDMA 的多径合并 开发时域多径资源智能天线的引入：开发空域多径资源无线电波无线电发射包括的电磁场：电场分量 1/d3 感应场分量 1/d2 辐射场分量 1/d辐射场具有 E 和 B 分量：在距离 d = EB 处的场强 1/d2 以发射机为球心的表面区域无线电波传播方式传播路径直射波视距传播 反射波 地表面波移动信道多径衰落无线电波的多径传输移动环境下的多径衰落一般直觉影响接收信号强度的两个因素：距离 路径衰减 多径 相位差绿色信号比蓝色信号到达红接收点的 传输距离长 1/2 。 对 2.4 GHz 信号， (波长) =12.5cm 。产生

3、多径的原因自由空间传播（LOS） 。 反射：当电波信号传播碰撞到大大地大于信号 波长的障碍物时发生反射。导体与绝缘体材料（折射）散射：当电波信号传播碰撞到小于信号波长障 碍物或 facets 时发生散射。“混乱” 相对波长较小绕射：信号能量绕过障碍物传播的机制称为绕 射。费涅尔区如何研究多径信道？从接收信号的角度进行统计分析：接收信号的幅度变化及分布 接收信号的到达角分布从多径的数学表达式角度分析：研究多径中每径幅度的分布 研究每径的到达角和分布 研究每径的时延特性及分布从模型的角度。模型是特定的尺度不同：大尺度（数米范围内的平均值） 小尺度（在波长量级范围内的测量值）环境特征不同：室外、室内

4、、陆地、海洋、空间、等等。应用区域不同：宏蜂窝（2km） 、微蜂窝（500m） 、微微 蜂窝。大尺度传播模型大尺度模型预测距离 的电波传 播行为：距离和主要环境特征的函数，粗略地认 为与频率无关； 当距离减小到一定程度时，模型就不成 立了； 用于无线系统覆盖和粗略的容量规划建 模。小尺度传播模型小尺度（衰落）模型描述信号在 尺度内的变化：多径效应（相位抵消）为主，路径 损耗（大尺度）可认为是常数； 与载波频率和信号带宽有关； 着眼于“衰落”建模：在短距离或数 个波长范围内信号快速变化。内容概述无线电波传播方式 移动信道的多径传播 移动信道：大、小尺度 模型陆地移动通信的场 强估算对数距离路径损

5、耗模 型 路径损耗实验图表计 算法 室外传播模型 室内传播模型无线电波传播特性分析自由空间的电波传播 移动环境的三种基本传 播机制反射 绕射 散射几种典型的衰落分布自由空间电波传播模型 1自由空间功率通量密度（W/m2）：通过球表面积的辐射功率：Pt G t Pd = 2 4 d式中 Gt 发射机天线增益。在此覆盖区域范围内，接收机天线“捕获” 此通量的一小部分。自由空间电波传播模型 2在距离 d 处，接收信号功率为：Pt Pr (d ) = K 2 Watts d式中，Pt 为发射机输出功率，单位 Watts 常数 K 取决于天线增益，系统损耗因子，和 载波波长。自由空间电波传播模型 3Fr

6、aunhofer 距离：d 2D 2/ 天线增益和天线孔径：Ae 为 Gr 接收机天线增益，与 Ae 有关。天线孔径，直观地为垂直于通量的天线面积4 Ae G= 2 G Ae = 42接收功率 (Pr) = 功率通量密度 (Pd) Ae自由空间电波传播模型 41 Pt Gt G r Pr ( d ) = 2 Watts 2 d (4 ) L式中：L 为系统损耗因子 Pt 为发射机输出功率 Gt 和 Gr 为天线增益 为载波波长2自由空间电波传播模型 52 PL(dB ) = 10 log 2 2 (4 ) d 假设 d 处于远场（Fraunhofer region）df D 且 df ，其中

7、2D 2 df =D 为天线最大直线长度 为载波波长无干扰，无阻挡。反射良导体反射无衰减。 绝缘体只反射入射波 能量的一部分：“Grazing 角” ， 100% 反射 直角入射，100% 透射 r t反射造成 180 相移反射系数反射系数：水平极化波 垂直极化波Rh( = sin + (sin c cos 2 2 cRv = c sin + ( c cos )2 c sin ( c cos ) 22 1 1 2) cos )1 12 2当 f 150MHz 时，地面的 Rv = Rh = -1地面反射直觉：地面阻挡属于第一费涅尔区。剩余时延造成的相移 、 和 很小，则费涅尔区同心圆半径 rn

8、 为：nd1d 2 rn = (d1 + d 2 )T hT-hR d1hobs-hR d2R一般来说，当阻挡体不阻挡第一费涅尔区时绕射损耗最小，绕射的 影响可以忽略不计。经验表面，在视距微波链路设计时，只要 55 的第一费涅尔区无阻挡，其它费涅尔区的情况基本不影响绕射 损耗。刃形绕射传播模型假设 h 、 和 很小，则费 涅尔-基尔霍夫绕射参数 v 为：2(d1 + d 2 ) 2d1d 2 v=h = d1d 2 (d1 + d 2 )刃形绕射波场强 Ed 为：(1 + j ) exp jt 2 dt Ed = F (v ) = E0 2 v 2()其中：E0 为自由空间场强，F (v) 为

9、费涅尔数。 对比自由空间，刃形绕射增益为： Gd = 20 log F (v )传播到阴影区的信号功率绕射传播功率是多少?第一费涅尔区：与自由空间相比低 5 至 25 dB0 -10 -20 dB -30 -40 -50 -60LOS0o 90 180oObstructionTip of Shadow1st费涅尔区2nd散射机理在实际移动无线环境中，接收信号比单独 绕射和反射模型预测的要强，这是因为当 电波遇到粗糙表面时，反射能量由于散射 而散布于所有方向，给接收机提供了额外 的能量。 临近的金属物体（街头标志等）都会产生 散射：通常采用统计模型。 若平面上的最大突起高度 h 小于 hc，则

10、认为表面光滑，反之则认为粗糙。散射因子 粗糙表面临界高度为 hc (, 入射角)：hc = 8 sin( i散射损耗因子用高斯分布来建模。 h sin i 2 h sin i 2 s = exp 8 I 0 8 h hc 的时反射场强： rough = s 大型障碍物分析模型：辐射横截面（RCS）为 接收的散射功率密度与输入给散射物的功率密 度之比。PR (dBm)= PT (dBm)+GT (dBi) + 20 log( ) + RCS dB m 2 30 log(4 ) 20 log(dT ) 20 log(d R )移动环境下电波传播的几种效应空间传播路径损耗（Path loss） 。

11、阴影效应：由地形结构引起，表现为 慢衰落。 多径效应：由移动体周围的局部散射 体引起的多径传播，表现为快衰落。 多普勒效应：由于移动体的运动速度 和方向引起多径条件下多普勒频谱展 宽。移动环境下场强测试曲线接收信号的统计分析接收信号统计分析结果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 慢衰落。 场强特性曲线的瞬时值（几个波 长范围内）呈快速变化快衰落慢衰落正态分布快衰落（小尺度）产生的原因：多径效应 多普勒效应三种典型情况：只有多径效应（移动台固定周围物体移动） 只有多普勒效应 多径多普勒快衰落瞬时幅度特性电平通过率（Level Cros

12、sing Rate）：指在单位时间内信号电平以正斜率通过某一给定电平 A 的次数衰落速率：指单位时间内信号以正斜率通过中值电平的次 数。 衰落深度：指信号的 有效值(均方根值)与 最小值之间的差值。 衰落持续时间及其 分布：指信号电平低于某 一电平（门限电平） 的持续时间。多径衰落模型 瑞利（Rayleigh）分布指在无直射波的 N 个路径中，若每条路径的 信号幅度均为高斯分布、相位均为 02 均 匀分布，则合成信号包络分布为瑞利分布：为什么是瑞利分布？设 N 个路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机 的，且统计独立。发送信号为 接收信号为 令 则x 和 y 是 N 个独立随机变量之和。根

13、据中心极限定 律，x 和 y 趋于正态分布，因此合信号复包络为瑞利分布。多径衰落模型 莱斯（Rician）分布指含有一个强直射波的 N 个路径，传播 时若每条路径的信号幅度均为高斯分布、 相位在 02 为均匀分布，则合成信号 包络分布为莱斯分布：多径衰落模型 Nakagami 分布M=1，瑞利分布； M=0.5，单边指数分布； ，莱斯分布。内容概述无线电波传播方式 移动信道的多径传播 移动信道：大、小尺度 模型陆地移动通信的场 强估算对数距离路径损耗模 型 路径损耗实验图表计 算法 室外传播模型 室内传播模型无线电波传播特性分析自由空间的电波传播 移动环境的三种基本传 播机制反射 绕射 散射几

14、种典型的衰落分布对数距离路径损耗模型计入其它环境因素的对数距离路径损耗 模型： PL(d)dB = PL(d0) + 10n log(d/d0)在远场选择 d0 测量 PL(d0) 或计算自由空间损耗 测量并根据经验得到 n不同环境下路径损耗指数 n环境 自由空间 闹市区 闹市阴影区 室内 LOS 室内无 LOS 被工厂阻挡 2 2.73.5 35 1.61.8 46 23 指数 n对数阴影模型当障碍物阻挡收发信机间的 LOS 时发生阴影。 可用一简单的统计模型说明不可预测的“阴 影” 。 在对数距离 PL 公式中，增加一个 0-均值高斯 随机变量： PL(d)dB = PL(d0) + 10

15、n log(d/d0) + X 式中：X 为一零均值高斯随机变量（dB） 和 n 根据测量数据，基于线性递归法使测量值 与估计值的均方误差最小计算得到。 Markov 模型可用于表示空间相关性。电波传播路径地形分类移动通信环境分类按照地物的密集程度分为： 开阔地环境：在电波传播路径上无高大树木、 建筑物等障碍物，呈开阔状地面。 郊区环境平坦地形：在移动台附近有些障碍 物，但稠密建筑物多为 12 层楼房。 城市环境：有较稠密的建筑物和高层楼房。大都市高楼大厦稠密建筑区 中等稠密建筑区：多为 28 层建筑，间或 40 层高 楼 中小建筑区：多为 25 层建筑，间或 20 层高楼 平房建筑区：多为

16、24 层建筑传播路径损耗实验图表计算法LT = L fs + Am ( f , d ) H b ( hb , d ) H m ( hm , f ) KT自由空 间损耗 中等起伏地区 基本衰耗中值 基台天线 移动台天线 高度因子 高度因子 地形地物 修正因子 4d 2f：载波频率； hb：基台天线高度； d：传输距离； hm：移动台天线高度。中等起伏市区中值损耗开阔地、准开阔地修正因子郊区修正因子水陆混合路径修正因子基站天线有效高度基站天线高度增益因子移动台天线高度增益因子Hata 模型Hata 模型源自 Okumura（奥村）模型与 Hata 公式。 适用于频率 1001500MHz，传播距离在 120km 的城市场强预测。Walfisch-Ikegami 模型