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1、第二章第二章移移 动动 通通 信信移动通信电波与传播预测模型移动通信电波与传播预测模型主要内容主要内容2.1概述概述2.2自由空间的电波传播自由空间的电波传播2.3三种基本电波传播机制三种基本电波传播机制2.4阴影衰落的基本特性阴影衰落的基本特性2.5移动无线信道及特性参数移动无线信道及特性参数2.6电波传播损耗预测模型电波传播损耗预测模型2.1 概述概述v 为什么研究无线信道的电波传播特性？为什么研究无线信道的电波传播特性？2.1. 2.1. 概述概述信道信道hsrv通信的目的：传递信息通信的目的：传递信息通过通过r r推断出推断出s sv 白高斯噪声的定义和特点白高斯噪声的定义和特点定义：
2、定义：u如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，如果一个噪声，它的幅度分布服从高斯分布，而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为而它的功率谱密度又是均匀分布的，则称它为高斯白噪声高斯白噪声为什么叫为什么叫“白白”u由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合由于白光是由各种频率（颜色）的单色光混合而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性而成，因而此信号的这种具有平坦功率谱的性质被称作是质被称作是“白色的白色的”，此信号也因此被称作，此信号也因此被称作白噪声白噪声2.1. 2.1. 概述概述电磁波的产生电磁波的产生电磁波电磁波v电磁波电磁波变化的电场和变化的磁场交替产生，由变化的电场和变化的磁场交替
3、产生，由近及远地传播。这种近及远地传播。这种变化的电磁场变化的电磁场在空在空间以一定的速度向远处传播的过程叫做间以一定的速度向远处传播的过程叫做电磁波。电磁波。6图图2.1 变化的电磁场变化的电磁场7散射体散射体典型的移动信道电波传播方式典型的移动信道电波传播方式 1.直射波直射波(最强最强)3.绕射波绕射波(次强次强)2.反射波反射波(次强次强)4.散射波散射波(最弱最弱)2.1. 2.1. 概述概述视距信道v移动信道下的电波传播机制移动信道下的电波传播机制82.1. 2.1. 概述概述v信道按是否存在视距分类信道按是否存在视距分类视距信道：视距信道：u直射传播（直射传播（LOSLOS：Li
4、ght-Of-SightLight-Of-Sight），），如卫星传播信道如卫星传播信道非视距信道：非视距信道：u非直射传播（非直射传播（Non-LOSNon-LOS）：绕射、散射、）：绕射、散射、反射反射2.2 自由空间的电波自由空间的电波传播传播10回顾回顾v各向同性天线各向同性天线没有体积、不存在损耗的点源辐射器。其方没有体积、不存在损耗的点源辐射器。其方向图为球体，在各个方向具有相同的辐射强向图为球体，在各个方向具有相同的辐射强度度v天线增益天线增益 方向性天线在某方向的某位置达到方向性天线在某方向的某位置达到 辐射场强辐射场强UmUm所用的发射功率为所用的发射功率为P Pt t， 而
5、均匀辐射的点源天线所需的功率而均匀辐射的点源天线所需的功率 为为P P0 0，则，则11v发射天线为各向均匀辐射发射天线为各向均匀辐射时时，以发射源为中心，以发射源为中心，d为半径的为半径的球面上单位面积的功率为：球面上单位面积的功率为：v如天线具有方向性（发射天线如天线具有方向性（发射天线增益为增益为G GT T），在主波束方向通），在主波束方向通过单位面积的功率为：过单位面积的功率为：Frris自由空间模型自由空间模型(FriisH.T.,Proc.IRE,1946)12v主波束方向通过单位面积的功率主波束方向通过单位面积的功率v接收天线有效面积接收天线有效面积A AR R : :抛物面天
6、线，假定天线口面场具有抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布等相、等幅分布11v则接收天线所截获的功率为则接收天线所截获的功率为1DipakL.SenguptaValdis，应用电磁学与电磁兼容，应用电磁学与电磁兼容13v传播损耗，也称为路径损耗传播损耗，也称为路径损耗当当GtGt = = GrGr=1=1时，自由空间的传播损耗为时，自由空间的传播损耗为 将f 的单位改为MHz，d 的单位为改Km，取对数14当当GtGt ，Gr Gr 非非1 1时，自由空间的传播损耗为时，自由空间的传播损耗为举例举例PT=10W；GR=GT=7(dBi)； f =1910MHz，D=500m问：问：Ld
7、B=?PR=?u LdB=32.45+20lg1910(MHz)+20lg0.5(km)-GR(dB)-GT (dB)=32.45+65.62-6-7-7=78.07(dB)2.2 2.2 自由空间的电波传播自由空间的电波传播15u(2)PR的计算的计算PR=PT/(10(L_dB/10)=PT/(107.807)=10(W)/(107.807)=156(nW)2.2 2.2 自由空间的电波传播自由空间的电波传播16uW和和dBm的转换的转换都是功率单位都是功率单位折算为折算为dB更利于计算更利于计算u例：例：2.2 2.2 自由空间的电波传播自由空间的电波传播17课堂练习课堂练习,发射功率为
8、发射功率为PT =10mW，接收灵，接收灵敏度为敏度为PR=10nW，求，求LdB2.2 2.2 自由空间的电波传播自由空间的电波传播18v非理想自由空间的传输损耗非理想自由空间的传输损耗路径损耗指数：路径损耗指数：u实测表明，在发射功率，天线参数和工实测表明，在发射功率，天线参数和工作频率给定的条件下，平均路径损耗作频率给定的条件下，平均路径损耗d0为靠近发端的参考点距发端的距离，为靠近发端的参考点距发端的距离，该处的损耗可以由实测获取该处的损耗可以由实测获取n为路径损耗指数，取决于传播环境为路径损耗指数，取决于传播环境参考点也必须在天线的远场参考点也必须在天线的远场19v典型环境的路径损耗
9、指数典型环境的路径损耗指数典型取值：典型取值：42.2 2.2 自由空间的电波传播自由空间的电波传播传播环境传播环境路径损耗指数，路径损耗指数，n自由空间自由空间2市区蜂窝通信市区蜂窝通信2.7-3.5有传播阴影的市区蜂窝有传播阴影的市区蜂窝通信通信3-52.3 三种基本电波传播机制三种基本电波传播机制212.3.1 2.3.1 反射与多径信号反射与多径信号v反射反射:当电磁波遇到比波长大得多的物体时发生反射，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、建筑物和墙壁表面反射发生于地球表面、建筑物和墙壁表面反射系数：反射系数：u工作频率工作频率150MHz(2m)时，时，1反射
10、系数为反射系数为-1反射波场强的幅度等于入射波场强的幅反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差为度，而相差为180222.3.1 2.3.1 反射与多径信号反射与多径信号v推广到多径情况推广到多径情况多径数量很大时，必须用统计方法计算接收功多径数量很大时，必须用统计方法计算接收功率率 232.3.2 2.3.2 绕射绕射v绕射绕射(diffraction) (diffraction) ：当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。挡时，发生绕射。 v惠更斯惠更斯. .菲涅尔原理菲涅尔原理行进中的波前行进中的波前( (面）上的每一点
11、都可以作为产生次面）上的每一点都可以作为产生次级波的点源级波的点源 绕射由次级波进入阴影绕射由次级波进入阴影 区域而形成区域而形成绕射波场强为围绕阻挡绕射波场强为围绕阻挡 物所有次级波的矢量和物所有次级波的矢量和波长越长，F1越大，绕射能力越强。2.3.2 2.3.2 绕射绕射v波波长长越越长长/ /频频率率越越低低，电电波波传传播播的的主主要要通通道道的的横横截面积越大，绕射能力越强。截面积越大，绕射能力越强。lxx11时，莱斯分布将向高斯分布趋近，时，莱斯分布将向高斯分布趋近，衰落越轻。衰落越轻。502.5.4 2.5.4 多径信道主要参数、多径衰落信道分类多径信道主要参数、多径衰落信道分
12、类1 1 时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽2 2 频率色散系数和相干时间频率色散系数和相干时间3 3 角度色散参数和相关距离角度色散参数和相关距离511,1,时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽v时域上分析时域上分析时延扩展时延扩展u最大传输时延和最小传输时延的差值最大传输时延和最小传输时延的差值u最后一个可分辨的时延信号与最早的时延最后一个可分辨的时延信号与最早的时延信号到达时间的差值；信号到达时间的差值；发送脉冲信号发送脉冲信号接收多个脉冲信号接收多个脉冲信号52/42平均时延：归一化时延谱曲线平均时延：归一化时延谱曲线的数学期望的数学期望均方值时延扩展均方值时延扩展
13、1,1,时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽53v举例，两径信道举例，两径信道(0,0+T)，每径功率，每径功率(2/3P,1/3P)，求平均附加时延和求平均附加时延和rms时延扩展时延扩展P(）0 0+T2/3P1/3P541,1,时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽v频率选择性衰落与平坦衰落频率选择性衰落与平坦衰落发送信号的码元周期发送信号的码元周期T TS S与信道时延扩展与信道时延扩展信号带宽信号带宽B BS S和相干带宽和相干带宽B BC C平坦衰落信道（非弥散信道）平坦衰落信道（非弥散信道）BS551,1,时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽频率选择性衰落频
14、率选择性衰落u信号中不同频率分量通过多径信道后，信号中不同频率分量通过多径信道后，所受衰落是否相同所受衰落是否相同, , 依赖于信号带宽与依赖于信号带宽与相干带宽相干带宽BSBC并且并且TS56v相关带宽相关带宽两径模型两径模型为分析简便为分析简便u第一径的信号为第一径的信号为Si(t)u第二径的信号为第二径的信号为rSi(t)ej(t)，r为常数为常数等效网络的传递函数等效网络的传递函数57v信道的幅频特性为信道的幅频特性为581,1,时间色散参数和相关带宽时间色散参数和相关带宽v实际系统中实际系统中多径数目较多多径数目较多信道参数随时间随机变化信道参数随时间随机变化很难准确给出相关带宽大小
15、很难准确给出相关带宽大小v工程近似工程近似59v频域上分析频域上分析移动台的相对运动造成的多普勒扩展现象移动台的相对运动造成的多普勒扩展现象v时间选择性衰落：时间选择性衰落：信号在不同的时间衰落特性不一样。信号在不同的时间衰落特性不一样。多普勒扩展现象多普勒扩展现象多普勒频移多普勒频移相关时间相关时间Tc2.频率色散系数和相干时间频率色散系数和相干时间602.2.频率色散系数和相干时间频率色散系数和相干时间v 典型多普勒扩展典型多普勒扩展 如果在如果在0,2pi 0,2pi 内的入内的入射角均匀分布射角均匀分布 ClarkeClarke模型模型612.2.频率色散系数和相干时间频率色散系数和相
16、干时间v相干时间相干时间相干时间间隔内，信道相干时间间隔内，信道特性不发生明显的变化特性不发生明显的变化反映了信道衰落的时间反映了信道衰落的时间节拍节拍 通过分析接收信号包通过分析接收信号包络的时域相关系数得络的时域相关系数得到到工程近似工程近似相干时间长相干时间短622.2.频率色散系数和相干时间频率色散系数和相干时间v举例举例 系统带宽系统带宽100KHz100KHz，符号周期，符号周期10us10us，经过，经过最大多径时延为最大多径时延为 5us5us，最大多普勒频移，最大多普勒频移为为1Hz1Hz的信道，请估计信道衰落的特点的信道，请估计信道衰落的特点信道对信号的衰落特征是频率非选择
17、性、信道对信号的衰落特征是频率非选择性、时域非选择性衰落时域非选择性衰落632.2.频率色散系数和相干时间频率色散系数和相干时间v课堂练习课堂练习系统带宽系统带宽100KHz100KHz2MHz2MHz，符号周期，符号周期10us10us0.5us0.5us，经过最大多径时延为，经过最大多径时延为 5us5us，最大多普勒频移为，最大多普勒频移为1Hz1Hz的信道，请估计的信道，请估计信道衰落的特点信道衰落的特点信道对信号的衰落特征是频率选择性、信道对信号的衰落特征是频率选择性、时域非选择性衰落时域非选择性衰落643 3，角度色散参数和相关距离，角度色散参数和相关距离(1/3)(1/3)基于角
18、度扩展基于角度扩展低空间角度扩展低空间角度扩展高角度扩展高角度扩展空间选择性衰落空间选择性衰落空间独立性衰落空间独立性衰落v 空域上分析（空间选择性衰落）空域上分析（空间选择性衰落）653 3，角度色散参数和相关距离，角度色散参数和相关距离(2/3)(2/3)v空间选择性衰落：空间选择性衰落：由角度色散即空间相关性产生（多天线情况下存由角度色散即空间相关性产生（多天线情况下存在）在）v角度扩展与传播环境中的散射体分布有关。角度扩展与传播环境中的散射体分布有关。散射体越多，角度扩展越大散射体越多，角度扩展越大 ；散射体越少，角度扩展越小散射体越少，角度扩展越小 。信道独立信道独立同时出现深同时出
19、现深衰落的概率衰落的概率降低降低663 3，角度色散参数和相关距离，角度色散参数和相关距离(3/3)(3/3)v相关距离：相关距离：信道冲激响应保持一定相关性信道冲激响应保持一定相关性的距离的距离672.5.4 2.5.4 多径信道主要参数多径信道主要参数&2.5.6&2.5.6多径衰落信道分类多径衰落信道分类v多径信道影响的表现和本质：多径信道影响的表现和本质：时域时域u时延扩展：时延扩展：多条不同传播路径的信号到达接收多条不同传播路径的信号到达接收点的时间不同。定义时延扩展为点的时间不同。定义时延扩展为 。u相关带宽：相关带宽：当信号带宽大于相关带宽时，该信当信号带宽大于相关带宽时，该信号
20、在信道中传输则会产生频率选择性号在信道中传输则会产生频率选择性衰落。衰落。Bc1/ 682.5.4 2.5.4 多径信道主要参数多径信道主要参数&2.5.6&2.5.6多径衰落信道分类多径衰落信道分类频域频域u多普勒扩展：多普勒扩展：由于移动用户高速运动而引起的传播频率由于移动用户高速运动而引起的传播频率的扩散，的扩散，fmu相干时间：相干时间：当信号码元周期大于相干时间时，发生时当信号码元周期大于相干时间时，发生时间选择性衰落。间选择性衰落。Tc 1/fm692.5.4 2.5.4 多径信道主要参数多径信道主要参数&2.5.6&2.5.6多径衰落信道分类多径衰落信道分类空域空域u角度扩展角度
21、扩展由于信号散射引起的空间上的由于信号散射引起的空间上的角度扩展角度扩展u相关距离相关距离多天线信道冲激相应具有较小相关多天线信道冲激相应具有较小相关度，空间选择性衰落度，空间选择性衰落v了解多径信道能有效帮助系统设计：了解多径信道能有效帮助系统设计：利用相关区域内的相关性，提高导频图案的利用相关区域内的相关性，提高导频图案的有效性有效性u下图颜色相同的部分表示处于相干时间下图颜色相同的部分表示处于相干时间/ /带宽以内带宽以内u 图图1 1的导频至少是图的导频至少是图2 2的的4 4倍倍ft A3 A1A2A4ft A1图图1 1，信道变化快，信道变化快图图2 2，信道变化慢，信道变化慢v了
22、解多径信道能有效帮助系统设计了解多径信道能有效帮助系统设计：利用相关区域间的不相关性，获取增益利用相关区域间的不相关性，获取增益ft A1 A1 A1 A1 A1移动通信系统的典型信道模型：移动通信系统的典型信道模型：COST207信道模型信道模型技术规范技术规范COST207,Digitallandmobileradiocommunications,OfficeforOfficialPublicationsoftheEuropeanCommunities,Finalreport,Luxembourg,1989.为开发及测试为开发及测试GSM技术技术推出推出包含包含四种典型场景四种典型场景郊区
23、、典型城区、恶劣城区及丘陵地形郊区、典型城区、恶劣城区及丘陵地形(详细详细参数见后续页参数见后续页)参考参考(关于关于COST207的介绍来源的介绍来源)：M.Patzold,MobileRadioChannels,(2ndEdition),Wiley出版出版,2011年年移动通信系统的典型信道移动通信系统的典型信道模型模型v3GPPLTE信道模型信道模型技术规范技术规范u3GPPTS36.104:“EvolvedUniversalTerrestrialRadioAccess(E-UTRA);BaseStation(BS)radiotransmissionandreception“为开发及测试
24、第为开发及测试第4代移动通信技术推出代移动通信技术推出3种典型多径信道参数种典型多径信道参数u扩展步行扩展步行A模型、扩展车载模型、扩展车载A模型、扩模型、扩展典型城区模型展典型城区模型74v移动信道的特点和实质。移动信道的特点和实质。移动信道下的电波传播机制（直射波、移动信道下的电波传播机制（直射波、反射波、绕射波、散射波）反射波、绕射波、散射波）移动信道三大衰落（频率选择性衰落、移动信道三大衰落（频率选择性衰落、时间选择性衰落、空间选择性衰落）时间选择性衰落、空间选择性衰落）移动信道三大效应（阴影效应、多径移动信道三大效应（阴影效应、多径效应、多普勒效应）效应、多普勒效应）小结小结75小结小结v多径衰落的基本特性多径衰落的基本特性多谱勒频移多谱勒频移时延扩展时延扩展相干时间和相干带宽相干时间和相干带宽瑞利和莱斯衰落分布瑞利和莱斯衰落分布v如何描述、度量多径衰落如何描述、度量多径衰落电平通过率电平通过率衰落持续时间衰落持续时间衰落深度衰落深度
