第2章移动通信电波传播与传播模型预测

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1、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 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 信道的分类信道的分类v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

2、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v大尺度衰落与小尺度衰落 衰落特性的算式描述衰落特性的算式描述v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。大尺度衰落小尺度衰落接收功率图21 无线信道中的大尺度和小尺度衰落 tv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v应用成果传播预测模型的建立为实现信道仿真提供基础v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

3、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 自由空间的电波传播v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 v接收功率 式中，Pt为发射功率，以球面波辐射 , ,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。 自由空间的电波传播v接收换算v自由空间的传播损耗 当Gt=Gr=1时， 分贝式 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反射理想介质表面的反射1

4、 1极化特性2 2多径信号3 3 理想介质表面的反射v如果电磁波传输到理想介质表面， 则能量都将反射回来v反射系数（R）入射波与反射波的比值表面光滑的反射入射角(垂直极化）(水平极化）其中，为介电常数，为电导率，为波长。 极 化 特 性v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v电磁波的极化形式 线极化、圆极化和椭圆极化v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） 极 化 特 性v极化反射系数 对于地面反射，当工作频率高于150MHz（ ）时， ，算得 v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

5、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地面二次效应可忽略可忽略直射波反射波地表面波可忽略图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Cqqqv两径传播模型 接收信号功率简化后简化后 多 径 信 号v多径传播模型 其中，其中，N N为路径数。当为路径数。当N N很大时，无法用公式准确计很大时，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号的功率 绕 射惠更斯菲惠更斯菲涅尔原理涅尔原理菲涅尔区菲涅尔区基尔霍基尔霍夫公式夫公式 惠更斯菲涅尔原理图2-3 对惠更斯菲涅尔原理说明v原理

6、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。v说明 在P点处的次级波前中， 只有夹角为（即 ） 的次级波前能到达接收点R每个点均有其对应的角， 将在0到180之间变化越大，到达接收点辐射能量越大 TRP” PPd扩展波前次级波前q 菲涅尔区 基尔霍夫公式 v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图2-4 菲涅尔区截面 TRP”

7、PPd次级波前菲涅尔区的进一步解释v满足以下条件的所有点Q的集合称为第n菲涅尔区：第n菲涅尔区半径v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 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。 v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。 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粗糙表面下的反射场强粗糙表面下的反射场强散射损耗系数：

8、散射损耗系数： 式中，式中， 为表面高度为表面高度h h的标准差，的标准差，h h是具有局部是具有局部平均值的高斯分布的随机变量。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：用粗糙表面的修正反射系数表示反射场强： 阴影衰落的基本特性v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v特点 衰落与传播地形和 地物分布、高度有关v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 ， 由于阴影产生的对数损耗（dB），服从零平均和标准偏差dB的对数正态分布 m 路径损耗指数实验数据表明

9、m4，标准差8dB，是合理的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无线信道多径衰落的基本特性v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 多径衰落的基本特性v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

10、同，导致接收信号包含发送脉冲及其各个延时信号 多 普 勒 频 移入射电波v原因移动时会引起多普勒（Doppler）频率漂移v表达式多普勒频移最大多普勒(Doppler)频移 多 普 勒 频 移v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。多径信道的信道模型v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

11、分析滤波器的冲击相应和传递函数得到多径信道的特性v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 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。 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。 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在相位中不可忽略数量级小可忽略设路径的到达方向和移动台运动方向之间的夹角为路径的变化量输出复包络 再考虑多普勒效应简化得 其中， 为最大多普勒频移。（）（）多径信道的冲击响应v多径

12、和多普勒效应对传输信号的影响令 v 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v 在任何时刻t，随机相位 都可产生对 的影响，引起多径衰落。多径延迟影响多普勒效应影响多径信道的冲击响应v 冲击响应 由（）式得 冲击响应式中， 、 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性，信道冲击响应可以简化为此冲击响应完全描述了信道特性，相位此冲击响应完全描述了信道特性，相位 服从服从 的均匀的均匀分布分布描述多径信道的主要参数v

13、 由于多径环境和移动台运动等影响因素，使得移动信道对传输信号在时间、频率和角度上造成了色散。v 通常用功率在时间、频率以及角度上的分布来描述这种色散功率延迟分布PDP时间色散多普勒功率谱密度DPSD角度谱PAP频率色散角度色散PDP，Power-Delay-ProfileDPSP，Doppler-Power-Spectral-DensityPAP，Power-Azimuth-Spectrum 时 间 色 散v 时间色散参数 平均附加延时 rms时延扩展 最大附加延时扩展(XdB) v 相关带宽 多径衰落下，频率间隔靠得很近的两个衰落信号存在不同时延，可使两个信号变得相关。这一频率间隔称为“相干

14、” 或“相关”带宽（Bc）从时延扩展角度说明从包络相关性角度说明多径衰落的分类及判定v功率延迟分布（PDP） 基于固定时延参考 的附加时延 的函数，通过对本地瞬时功率延迟分布取平均得到市区环境中近似为指数分布式中，T是常数，为多径时延的平均值 时间色散参数v时间色散特性参数平均附加延时 rms时延扩展其中 时间色散参数 t0dB -XdB D 典型的归一化时延扩展谱最大附加延时扩展(XdB) 多径能量从初值衰落到低于最大能量(XdB)处的时延，图中， 为归一化的最大附加延时扩展(XdB)； 为归一化平均附加延时； 为归一化rms时延扩展。从时延扩展角度说明相关带宽v两径情况 接收信号 等效网络

15、传递函数 信道的幅频特性通过两径信道的接收信号幅频特性 r )(tD S 当 时，信号同相叠加，出现峰点 当 时，信号反相相减，出现谷点 相邻两个谷点的 ,两相邻场强为最小值的频率间隔与两径时延 成反比 r+1r-1w)(2tnDp )()12(tnD+p A(,t)从时延扩展角度说明相关带宽v多径情况 v 应为rms时延扩展v 是随时间变化的，可由大量实测数据经过统计处理计算出来 v v 说明相关带宽是信道本身的特性参数，与信号无关从包络相关性角度 推导相关带宽设两个信号的包络为 和 ，频率差为 ，则包络相关系数 此处，相关函数 若信号衰落符合瑞利分布，则 式中， 为零阶Bessel函数，

16、为最大多普勒频移。不失一般性，可令 ，简化后通常，根据包络的相关系数 来测度相关带宽代入得 相关带宽 () 衰落的分类及判定v v判定 由信道和信号两方面决定分类 不同频率分量的衰落 信号波形频率选择性衰落 不一致 失真非频率选择性衰落（平坦衰落） 相关的 一致的 不失真数字通信系统信号带宽小于信道相关带宽BsBc平坦衰落频选衰落码间干扰 频 率 色 散频率色散参数是用多普勒扩展来描述的，而相关时间是与多普勒扩展相对应的参数v时变特性原因 移动台运动或信道路径中的物体运动用多普勒扩展和相关时间来描述v多普勒扩展 （功率谱）v相关时间 相关时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值，即在此间隔内信道特性没有明显的变化。表征了时变信道对信号的衰落节拍 多普勒扩展v 典型(CLASS)多普勒扩展（适用于室外传播信道） 假设接收信号由N个经过多普勒频移的平面波合成， b为平均功率 ， 表示在角度 内的入射功率， 表示接收天线增益，入射波在 内的功率接收频率用 表示功率谱，则式中 多普勒扩展功率谱fcS ( f )fc - fm fc + fm 对b归一化，并设 =1， ， 得 典型的多普