无线传播环境

•第2章 • 无线传播环境• 无线信道基本传播特性2.1无线信号的大尺度传播特性2.2无线信号的小尺度传播特性2.3小 结 2.4• 本章内容 •  无线信道基本传播特性 •  无线信号的大尺度传播特性 •  无线信号的小尺度传播特性• 本章重点 •  电磁信号基本传播机制 •  多径传播与多普勒频移 •  统计多径信道模型• 学习本章目的和要求 •  了解无线信道基本传播特性 •  掌握无线信号的大尺度传播特性 •  了解多径传播与多普勒频移的基本特 性2.1 无线信道基本传播特性• 无线信道定义为基站天线与移动台 天线之间的电磁传播路径，包括发射与 接收天线本身以及两付天线之间的传播 介质，在移动通信中传播介质通常为大 气• 总体来讲，无线传播路径分为视距传 播（Line-of-sight，LOS）和非视距传播（ Non-line-of-sight，NLOS） – 2.1.1 自由空间传播模型 • 自由空间传播模型通常可以用于预 测传播路径上无任何遮挡与反射物的 LOS信号传播条件下的接收信号强度。

• 自由空间传播模型假设发射天线和 接收天线都放置在均匀无限大的传播空 间中，且接收天线处于发射天线辐射的 远场区域，即在此远场区域中的任意一 点电场方向、磁场方向和电磁波传播方 向两两互相垂直• 设d为发送天线与接收天线间的距离 ，那么，接收信号的功率Pr(d)可以用如 下公式表达• 式中：Pt是发射功率；Gt是发射天 线增益；Gr是接收天线增益；L是与无线 传播无关的系统损耗因子（L≥1）；是 波长• 发射和接收天线的增益都是天线本身 的设计参数，通常与天线的大小、天线单 元的间距与相位设计，以及发送和接收天 线之间的连线与天线主瓣之间的夹角有关 – 2.1.2 电磁信号基本传播方式 • 在实际移动通信传播环境中，反射 、绕射和散射是无线信号三种主要的传 播方式 – （1）反射： • 当电磁波遇到比波长大得多的物体 时发生反射，反射发生于地球表面、建 筑物和墙壁表面– （2）绕射： • 当接收机和发射机之间的无线路径 被尖利的边缘阻挡时发生绕射– （3）散射： • 当波穿行的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，发生散射。

• 1．信号的反射 • 2．信号的绕射 • 3．信号的散射2.2 无线信号的大尺度传播特性• 在无线通信中，将由发射与接收天 线间距、收发天线之间的地形、建筑物 、植被等导致的信号功率衰减称为无线 信号的大尺度传播特性• 大尺度传播特性主要包括路径损耗和 阴影衰落路径损耗主要是由收发天线间 距、传播信号载频和地形因素导致；而阴 影衰落主要是由于建筑物或地形遮挡导致 某些区域接收信号突然下降 • 确定某一特定地区的大尺度传播环 境的主要因素有： – （1）自然地形（高山、丘陵、平原、水域等）； – （2）人工建筑的数量、高度、分布和材料特性；– （3）该地区的植被特征； – （4）天气状况； – （5）自然和人为的电磁噪声状况• 通常，在无线网络规划中对大尺度 传播特性采取经验模型与确定模型相结 合的方法• 所谓经验模型就是根据大量实地测 试的结果进行统计建模分析得到的近似 计算公式，而确定模型是在获得网络规 划场景中具体传播环境参数后直接用电 磁传播理论对大尺度传播特性进行计算 ，常用的计算方法有射线跟踪法、几何 绕射法等。

• 以下是本书中所用到的主要参数的 定义： • hm—移动台天线高度； • rm—移动台到最近的建筑物之间的 距离； • h0—建筑物的典型高度（一般取平 均高度）； • hb—基站天线高度；• d —基站到移动台之间的距离（m ）； • D = d103 —基站到移动台之间的 距离（km）； • f —载波频率（Hz）； • fc = f106 —载波频率（MHz）； •  —自由空间中波长（m）– 2.2.1 路径损耗与阴影衰落 • 1．路径损耗 • 路径损耗（单位dB）通常可以表达 为• 2．阴影衰落 • 在实际传播环境中，即使两个移动 台与基站之间的路径损耗相同，其各自 的能量衰减也可能有很大差异，而这一 差异就是由阴影衰落引起的 • 式中：X服从均值为0、方差为的 正态分布，根据系统所处的不同传播环 境而不同，多是根据实地测量数据而确 定，其典型值为5dB～10dB。

– 2.2.2 常用室外传播预测模型 • 1．宏蜂窝的传播模型 • 宏蜂窝小区（macro cell）的覆盖半 径大多为1km～25km，多用于解决大面 积的覆盖问题 – （1）奥村模型（Okumura-Hata Model） • Okumura模型为预测城区信号时使 用最广泛的模型应用频率在150MHz～ 1 920MHz之间（可扩展到3 000MHz） ，距离为1km～100km之间，天线高度 在30m～1 000m之间• 该种模型的主要缺点是对城区和郊 区快速变化的反应较慢预测和测试的 路径损耗偏差为10dB～14dB • 这种方法包括按照地形地貌将预测 区域分为不同的类别：即开阔地、郊区 和城区 – （2）COST 231-Hata模型 • 该模型是针对中小城市的，适用于 工作频率在1 500MHz～2 000MHz之间 ，hb在30m～200m之间，hm在1m～ 10m之间，d在1km～20km之间• 2．微蜂窝的传播模型 • 微蜂窝小区（micro cell）是在宏蜂 窝小区的基础上发展起来的一门技术， 它的覆盖半径大约为30m～300m。

在微 蜂窝中，基站天线的高度通常与街道的 灯柱等高，一般在地平面以上3m～6m• 此时，其主要传播机制是自由空间传 播加上小区覆盖范围内的多次反射和散射 ，以及建筑物的侧面和屋顶的绕射影响 • 经验模型——双斜率经验模型（Dual-Slope Empirical Model）– 2.2.3 常用室内传播预测模型 • 研究室内电波传播，建立有实用意 义的室内电波传播模型，可以为室内无 线通信系统的设计提供最佳网站配置的 依据 • 室内无线信道有两个方面不同于传 统的移动无线信道——覆盖距离更小， 环境的变动更大室内的电波传播不受 气候因素（如雨、雪和云等）的影响， 但要受建筑物的大小、形态、结构、房 间布局及室内陈设的影响，最重要的是 建筑材料的影响 • 室内无线传播同室外具有同样的方式 ：反射、绕射和散射 • 一般来说，室内信道分为视距（LOS ）或阻挡（OBS）两种，并随着环境杂乱 程度而变化 • 1．分隔损耗（同楼层） • 2．楼层间分隔损耗 • 3．对数距离路径损耗模型 • 4．Ericsson多重断点模型距离（m）路径损耗下限 (dB)路径损耗上限 (dB)1＜r＜1030+20logr30+40logr10≤r＜2020+30logr40+30logr20≤r＜4019+60logr1+60logr40≤r115+120logr95+120logr表2-1Ericsson室内传播模型• 5．衰减因子模型 • 6．建筑物信号穿透损耗– 2.2.4 传播模型的校准 • 较准确的传播模型使得对基站的覆 盖范围和网络的覆盖状况的预测变得更 加精准有效。

通常情况下的传播模型都 是在经验模型基础上根据实测数据进行 矫正得出的结果 • 1．实地传播损耗的测量 • 2．测量数据的处理与传播模型的矫正2.3 无线信号的小尺度传播特 性 • 由于无线信号反射、绕射和散射特 性的综合作用，从发射天线到接收天线 的传播路径不只一条，即一个发送信号 经过传播环境会在接收端产生多个不同 接收信号，这些信号以不同的到达强度 、不同的到达时间到达接收天线• 这种现象成为无线信号的多径传播， 每一条传播路径成为多径信号的一径• 多径传播往往导致以下现象的出现 ： – （1）移动台的接收信号在一小段时间内快速变化，这 一变化通常成为多径衰落；– （2）由每条径上信号多普勒频移导致的对接收信号的 随机调频； – （3）由于多径信号先后到达导致的接收信号在时间上 的扩展– 2.3.1 多径传播与多普勒频移 • 在移动环境中，由于移动台的运动 接收信号会发生频率偏移，称为多普勒 频移 • 图2-1 瑞利衰落信号的功率谱（车速50km/h）图2-2 瑞利衰落信号的功率谱（车速1km/h）– 2.3.2 无线多径信道的主要技术参数与分 类 • 1．无线多径信道的主要技术参数– （1）时延扩展 • 在多径传播环境下，由于传播路径 的差异将导致多径信号以不同的时间到 达接收端。

• 如果发射端发送的只是一个单脉冲 信号，那么，接收端收到的将是多个具 有不同时延的脉冲的叠加显而易见， 从时间域来看，接收信号出现了所谓的 时延扩展• 时延扩展对数字信号的传输有重要影 响时延扩展与信道的电波传播环境密切 相关，不同时间、地域和用户情况的信道 ，其时延扩展量有着显著的差异 图2-3 典型的时延谱– （2）相关带宽和频率选择性衰落 • 从频域来看，时延扩展可以导致频 率选择性衰落 • 在图2-4中，根据知道的矢量相加的 三角形法则，容易理解，粗黑线代表的 矢量正是反映信道特性的矢量K(t)，其长 度正反映了信道的衰减特性 图2-4 多径接收信号的矢量示意图 图2-5 多径信道的频域响应示意图– （3）相干时间和时间选择性衰落 • 在前面已经指出，当移动台在传播 径向移动时将使接收到的信号产生多普 勒频移，从而使接收信号的功率谱展宽 • 当运动方向与径向一致时，有最大 的多普勒频移fm而相干时间Tc定义为 多普勒频谱扩展宽度FD的倒数，即 Tc=1/FD该参数表示由多普勒效应导 致的信号衰落的衰落速度。

这类衰落是 在特定时间段发生的，因而被称为时间 选择性衰落• 2．无线多径信道的分类 • 上面详细讨论了多径传播产生的时 域扩展和多普勒效应导致的频域扩展 无论时域或频域中的扩展都意味着弥散 ，即本来分开的波形或频谱出现了交叠 • 出现了交叠的信道成为弥散信道根 据数字信号的码速率、带宽和多谱勒频展 、时延扩展的关系，衰落信道可以分为以 下四类– （1）非弥散信道，即平坦衰落(Flat Fading) – （2）时间弥散信道，即频率选择性衰落 – （3）频率弥散信道，即时间选择性衰落 – （4）时间－频率弥散信道，即时间选择性衰落和频率 选择性衰落同时存在 图2-6 发送符号周期图2-7 发送基带信号带宽– 。