电子科技大学《移动通信原理》第二章移动通信电波传播与传播预测模型.ppt

第一章内容回顾,移动通信的分类及应用系统 移动通信的特点和工作方式 移动通信的发展,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,1,什么是无线通信信道（链路）？,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,2,图2.1 无线通信链路,无线通信链路：从发射机到接收机的整个通信路径链路。,移动无线信道的特点(1),移动无线信道是最为复杂的一种无线信道 移动无线信道的特点 传播的开放性 接收点地理环境的复杂性和多样性 通信用户的随机移动性 移动通信系统的性能主要受到移动信道的制约 有效性 可靠性 安全性,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,3,信道函数,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,4,信道,s(t),r(t),10-3,10-3,不同无线信道下的性能,高斯白噪声信道传输性能,慢瑞利衰落信道传输性能,7dB,24dB,第二章 移动通信电波传播 与传播预测模型,程郁凡 通信抗干扰技术国家级重点实验室,第二章内容,2.1 无线电波传播概述 2.2 自由空间的电波传播 2.3 三种基本电波传播机制 2.4 路径损耗模型 2.5 多径衰落信道及特性参数 2.6 多径衰落信道的统计模型,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,7,2.1 无线电波传播概述,2.1.1 电磁波的产生 2.1.2 无线电波频段划分 2.1.3 无线电波传播方式,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,8,参考书籍：移动通信无线电波传播 作者：吴志忠,2.1.1 电磁波的产生(1),电磁场 如果在空间某区域中有周期性变化的电场，那么这个变化的电场就在它周围空间产生周期性变化的磁场；这个变化的磁场又在它周围空间产生新的周期性变化的电场 变化的电场和变化的磁场是相互联系着的，形成不可分割的统一体，这就是电磁场。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,9,2.1.1 电磁波的产生(2),电磁波 变化的电场和变化的磁场交替产生，由近及远地传播。这种变化的电磁场在空间以一定的速度向远处传播的过程叫做电磁波。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,10,图2.2 变化的电磁场,2.1.2 无线电波频段划分,11,图2.3 电磁波谱,图2.4 无线电波频段,2.1.3 无线电波传播方式,无线电波传播基本概念 无线电波传播主要方式 地波传播 对流层电波传播 天波传播 卫星通信,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,12,无线电波传播基本概念,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,13,无线电波传播 发射源所发射的无线电波通过自然条件下的媒质到达接收天线的过程称为无线电波传播。,图2.5 无线电波传播,研究传播过程中电磁波与媒质的相互作用 传播机理、信道模式 传播环境与建模 传播效应,传输媒质对电磁波的影响,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,14,图2.6 传输媒质对电磁波的影响,传输媒质对电磁波的影响,无线电波传播地波传播,地波传播电波沿着地球表面传播,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,15,图2.7 地波传播,特点 优点：信号稳定，不受气象条件、昼夜及季节变化的影响； 缺点：地面对电波吸收严重，衰减随着频率的升高而增大。 用途：地波导航、标时台、远程通信、广播,出现情况： 天线低架于地面上； 最大辐射方向沿地球表面； 频率：中、长波以下的频率。,地波传播影响因素,地波传播影响因素地质磁电特性 相对介电常数： 电导率： 相对复介电常数： 电磁波在自由空间中的波长：,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,16,表2.1 地面特性表,地面媒质的电特性,常用相对复介电常数来表示媒质的电特性 良导体： 电介质： 半电介质：两者相差不大,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,17,表2.2 地面媒质的电特性,传播特性,地面波的传播特性 地表具有半导电特性，电波被吸收。地层电导率越大，频率越低，地面对电波的吸收越小。 在不平坦地面的绕射传播条件 只有当波长超过障碍物或与障碍物相当时，才具有绕射作用。 地波传播方式适合长波、超长波波段，沿海面传播比路面要远。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,18,典型应用(1),低频地波导航系统 罗兰C导航系统(Loran- Long Range Navigation ) 一种远程脉冲-相位双曲线无线电导航系统（100kHz，可实现2000km导航），陆、海、空导航定位系统,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,19,图2.8 罗兰C导航仪,典型应用(2),高频(HF)地波超视距雷达 海洋监测技术，频率：330MHz，作用距离可达300km。 可跟踪、监视舰船等。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,20,图2.9 高频地波超视距雷达,高频地波雷达系统,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,21,图2.10 美国雷声公司制作的高频地波雷达系统,无线电波传播对流层电波传播,对流层电波传播影响因素 对流层的弯曲传播 对流层电波传播机制,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,22,对流层电波传播基本概念,2019年6月,23,对流层电波传播无线电波在对流层的传播,对流层,图2.11 大气层的分布,90%水汽质量 75%大气质量,对流层电波传播影响因素,对流层电波传播影响因素 气体分子与水汽凝聚物 具有吸收作用 云、雾、雨等对电波的散射 大气折射率 电波折射，电波弯曲传播,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,24,图2.12 大气吸收衰减,弯曲传播,对流层的弯曲传播 大气折射率n随着海拔高度增高而减小,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,25,大气折射指数,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,26,大气折射率n ： 对流层中r 非常接近于1，例如靠近地球表面处 定义大气折射指数N ： N 单位 p为大气总压强，e是水汽压强，T为绝对温度(K)。,等效地球半径,由于大气折射，电波轨迹为曲线 计算公式都是假设直线传播，假设与实际不符，为了仍然能用公式，需修正 等效地球半径 传播射线被拉直后，射线到地球的距离仍相等，此时的地球半径为等效地球半径。,2019年6月,27,：射线曲率半径,图2.14 等效地球半径,等效地球半径因子,等效地球半径因子K,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,28,R : 地球半径(6370km) Re = KR : 等效地球半径,图2.15 大气层中无线电波射线的弯曲和K值,=R, K=,= , K=1,K=4/3,0, 0K1,最常发生,0,0R,对流层电波传播机制,对流层电波传播机制 对流层视距传播 直射波传播 对流层散射传播 米波与分米波的超地平通信 大气波导传播 米波、厘米波 大气折射率梯度满足一定条件,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,29,对流层视距传播,对流层视距传播 处于对流层内直射波的传播方式 射线传播方向与水平线几乎平行 频段：30MHz40GHz 地波衰减大 天波不被反射 视距传播的特点 距离短（50km） 传播效应 折射、吸收、衰落 反射、散射等,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,30,图2.16 微波接力通信,对流层散射传播,散射 当电磁波的传播路径上存在小于波长的物体，并且单位体积内这种障碍物体的数目非常巨大时，发生散射（乱反射）。 对流层散射传播 利用大气层的不均匀性对无线电波的散射作用而实现超视距传播。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,31,图2.17 对流层散射的超视距传播,不均匀大气,对流层散射传播特点,频率：30MHz10GHz 对流层适应此频段，对其他频段散射作用弱。 优点： 不受电离层的影响（与短波天波通信相比）不用经常变换频率 所需中继站少（与微波接力通信相比）（距离100500公里） 传输容量大 不怕高山、湖海和沙漠等自然 障碍。 缺点 传输损耗大、衰落较剧烈,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,32,对流层散射通信应用,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,33,表2.3 美军典型数字对流层散射机调制解调器参数表,大气波导传播(1),概念： 在一定气象条件下，由于大气折射率梯度的变化，使在近地层传播的电磁波的轨迹弯向地面，射线的真实曲率大于地球曲率时，电磁波被部分陷获在一定厚度的大气层内，无线电波能量好像被限制在最大弯曲高度和地球表面之间或由它们组成的波导中传播。又称大气波导传播。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,34,K=,K=1,K=4/3,K1,图2.18 大气波导传播,大气波导传播(2),原因 大气层存在逆温 湿度随高度锐减 易于出现大气波导现象的天气现象 海平面海水的蒸发 陆地上的夜间辐射 频段 300MHz30GHz 特点 超视距 不是时时可用,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,35,无线电波传播天波传播,电离层概况 电离层的成分 电离层的分层 电离层的吸收 电离层的反射 无线电波在电离层中的传播 长波和超长波 中波 短波,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,36,天波传播,天波传播无线电波向天空辐射，由电离层反射到接收点。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,37,电离层,图2.19 天波传播,电离层概况,电离层,2%大气质量,38,电离层的成分,电离层： 60km到1000km的区域 自由电子、正离子、负离子、中性分子和原子等组成的等离子体。 电离源 太阳辐射的紫外线、X射线、高能带电微粒流 为数众多的微流星 其它星球辐射的电磁波以及宇宙射线等 只占全部大气质量的2左右，但因存在大量带电粒子，所以对电波传播有极大影响 具有多变特性。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,39,电离层的分层,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,40,图2.20 电离层中典型的电子浓度高度分布,吸收层,反射层,电离层的吸收损耗,吸收的原因 受电场作用的电子与其它粒子相碰撞时，就将从电波得到的动能传递给中性分子或离子，转化为热能，这种现象称为电离层对电波的吸收。 电离层吸收基本规律 与气体密度、电离层电子密度和电波频率有关 吸收主要集中在D层 气体密度越大，吸收越大 电子密度越大，吸收越大 电波频率越低，吸收越大 所以短波天波工作时，在能反射回来的前提下，尽量选择较高的工作频率。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,41,电离层可以看作是相对介电常数为r的电介质 f : 频率；N: 电子密度 折射率n:,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,42,图2.21 电磁波在电离层中的弯曲传播,电离层的反射,电离层的反射特点,在入射角一定的情况下： 电波频率越低，越易反射 电波频率越低，反射的位置越低,2019年6月,43,图2.22 电磁波在电离层中的弯曲传播,平面分层的Snell折射定理,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,44,图2.23 平面分层的折射,球面分层的Snell折射定理,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,45,图2.24 0与0之间的几何关系,最高可用频率,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,46,MUF：Maximum Usable Frequency,最高可用频率与临界频率,当电波频率超过最高可用频率fMUF时，无线电波在电离层中不发生反射，而是穿出电离层。 当电波频率小于或等于临界频率fc时，任意仰角的电波都能从电离层反射到地面。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,47,R：地球半径 h：电离层离地面的高度 ：发射仰角,2019年6月,48,图2.25 fMUF随时间变化曲线,最佳工作频率,MUF：Maximum Usable Frequency FOT：Frequency of Optimum Traffic,无线电波在电离层中的传播,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,49,图2.26 长、中、短波从不同高度反射,超长波和长波的电波传播,超长波和长波传播机制(300kHz) 地波传播和地电离层波导传播。 传播特点 频率低，可被电离层D层下边界反射。不穿透电离层，地面和电离层的吸收损耗很小。 对于超长波，通常认为在地面电离层组成的波导中传播。 远距离通信（几千公里）。 缺点 频率低，信息容量小，天线很难布置。 应用： 远距离导航,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,50,中波电波传播,中波电波传播机制（300kHz3MHz） 地波传播和天波传播。 传播特点 白天地波传播为主，但受地面吸收衰减影响；可在E层被反射，但在D层受到较强的吸收，传播距离不远； 晚上服务范围比白天大，因为夜间D层消失，吸收减小，比白天增加了电离层传播； 通信距离较远（几百公里） 应用 无线电导航，语音调幅广播,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,51,短波电波传播(1),短波电波传播机制（3MHz30MHz） 地波传播和天波传播，以天波传播为主。 传播特点 传播距离远：几百几万km(一跳或多跳反射)； 能以较小的功率实现远距离的传播； 白天和夜间要更换频率； 设备简单、成本低、便于移动。 缺点 严重的衰落、信号不稳定； 电台过分拥挤并互相干扰。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,52,短波电波传播(2),应用 各种距离的定点通信 国际通信及广播 船岸间的航海移动通信 飞机地面间的航空移动通信,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,53,图2.27 宝丽2050短波电台,卫星通信(1),卫星通信：地球上的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的空间微波通信。,2019年6月,54,图2.28 卫星移动通信系统的基本网络结构,轨道高度：500几万公里,卫星通信(2),适用频段：140GHz 传播特点 覆盖面积大，通信距离远（几万公里） 传输频带宽，通信容量大 通信稳定性好，质量高 传播时延大 路径损耗大 存在日凌中断、星蚀和雨衰现象。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,55,无线电波传播方式小结,地波传播：超长波、长波、中波,视距传播：VHF及以上,大气波导传播：UHF, SHF,对流层散射传播：VHF,UHF, SHF,天波传播：短波,星地通信：LKa,电离层波导传播：超长波、长波,星际通信：Ka及以上,本章研究重点陆地移动通信无线电波传播 视距传播：视距范围之内的无线电波传播 频段：30MHz10GHz,陆地移动信道的电波传播机制,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,57,基站,散射,阴影衰落,散射,直射,反射,移动终端（手机）,衍(绕)射,直射波（最强） 反射波（次强） 绕射波（次强） 散射波（最弱）,图2.29 陆地移动信道的电波传播机制,陆地移动信道的电波传播机制,直射： 是指视距范围内无遮挡的传播。直射波传播的信号最强。可按自由空间传播来考虑。 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。反射波的信号强度仅次于直射波。 绕射： 收发之间的传输路径被尖利的边缘阻挡时发生绕射，信号能量绕过障碍物传播，绕射波信号强度与反射波相当。 散射： 当电波传播遇到小于信号波长的障碍物或粗糙表面时引起的漫反射后到达接收点的传播机制，散射波信号强度最弱。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,58,大尺度路径损耗和小尺度衰落(1),大尺度路径损耗 用于描述发射机与接收机之间的长距离（几百或几千米）上信号强度的变化。 小尺度衰落 用于描述发射机与接收机之间的短距离（几个波长）或短时间（秒级）内信号强度的快速变化。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,59,小尺度衰落r0(t),大尺度路径损耗m(t),图2.30 衰减区域,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,60,大尺度路径损耗和小尺度衰落(2),自由空间传播损耗,大尺度路径损耗,大尺度路径损耗+小尺度衰落,图2.31 大尺度路径损耗和小尺度衰落,第二章内容,2.1 无线电波传播概述 2.2 自由空间的电波传播 2.3 三种基本电波传播机制 2.4 路径损耗模型 2.5 多径衰落信道及特性参数 2.6 多径衰落信道的统计模型,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,61,大尺度路径损耗,小尺度衰落,2.2 自由空间的电波传播,基本概念 自由空间： 充满均匀、线性、各向同性理想机制的无限大空间。 电波直线传播 自由空间传播损耗：电波通过自由空间介质传播时所生的损耗 理想传播条件，电波在自由空间传播时，不存在电波的反射、折射、绕射、吸收等现象。 其单位面积中的能量会因为扩散而减少，而接收天线只能接收到部分面积上的能量。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,62,前提条件,前提： 发射天线远离地球，或没有阻挡物,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,63,(,a,),(,b,),(,c,),图2.32 近似于自由空间传播的传播机制,天线基础知识(1),各向同性辐射：没有体积、不存在损耗的点源均匀辐射器。其方向图为球体，在各个方向具有相同的辐射强度。 天线增益：方向性天线在某方向的某位置达到辐射场强 所用的发射功率为 ，而各向同性辐射的点源天线所需的功率为 ，则天线增益为 有效辐射： 相对于各向同性辐射器的有效辐射功率,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,64,EIRP：Effective Isotropic Radiated Power,图2.33 各向同性与有效辐射,天线基础知识(2),天线增益G与天线有效面积Ae的关系： 抛物面天线，假定天线口面场具有等相、等幅分布1,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,65,1 天线 ：（美）克劳斯，（美）马赫夫克,EIRP,例2.1 各向同性辐射器和方向性天线的EIRP,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,66,图2.34 两种方式下获得的相同EIRP,收发参数,参数 发射天线增益： 接收天线增益： 发射功率： 接收功率： 收发距离： 天线的有效面积：,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,67,图2.35 各向同性辐射接收,接收功率密度,各向同性辐射接收功率密度 发射天线为各向均匀辐射时，以发射源为中心，d为半径的球面上单位面积的功率为,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,68,方向性天线下的接收功率 密度 如天线具有方向性（发射天线增益为 ），在主波束方向通过单位面积的功率为：,图2.36 接收功率,接收功率(1),接收天线所截取的功率,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,69,Ls：自由空间传播损耗,接收功率(2),自由空间传播模型适合远场条件 选择一个参考距离d0作为接收功率的参考点。 选择依据：在远场，同时小于通信距离。 宏蜂窝：选择d0 为1km 微蜂窝：选择d0 为100m或1m,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,70,d0：参考距离，D：天线的最大尺寸,自由空间的传播损耗,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,71,自由空间的传播损耗 Ls 用dB描述： 代入c： 将f 的单位改为MHz，d 的单位为改km，取对数,链路损耗(1),2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,72,图2.37 链路损耗,Lt：发端线路损耗 Lr：收端线路损耗,链路损耗(2),不考虑收发线路损耗时（ Lt = Lr = 0dB） 用对数表示： 考虑收发线路损耗，总链路损耗为：,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,73,链路损耗(3),2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,74,功率的转换 都是功率单位 折算成dB更利于计算 例：,例题,例2.2 Pt = 10W = 40dBm；Gr = Gt = 7dBi； f = 1910MHz， d = 500m ，问：Ls(dB)=? Pr=?,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,75,课堂练习,课堂练习 发射功率为Pt =10mW ，发射/接收天线增益Gr = Gt = 9dBi，工作频率f = 1910MHz (20log1910=65.62dB)，接收灵敏度为Pr =10-7mW，问：接收机距离发射机最远多远时能正常工作？此时的链路损耗为多少？ 接收信号功率必须大于等于接收灵敏度时才能正常工作，当等于接收灵敏度时的通信距离为最远距离。 1) 链路损耗 L：,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,76,课堂练习,2) 最远传输距离d：,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,77,第二章内容,2.1 无线电波传播概述 2.2 自由空间的电波传播 2.3 三种基本电波传播机制 2.4 路径损耗模型 2.5 多径衰落信道及特性参数 2.6 多径衰落信道的统计模型,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,78,大尺度路径损耗,小尺度衰落,2.3 三种基本电波传播机制,2.3.1 反射 2.3.2 绕射 2.3.3 散射,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,79,2.3.1 反射,反射(reflection) 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。 反射系数 反射波与入射波振幅的比值 当 1很小时， 反射波场强的幅度等于入射波场强的幅度，而相差为180,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,80,图2.38 平滑表面的反射,1: 掠角； : 相对复介电常数,双线地面反射模型(1),2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,81,图2.39 双线地面反射模型,ht: 发天线高度 hr: 收天线高度 d: 射路径距离 d :反射路径距离 d: 收发距离 R: 地面反射系数,反射成分,双线地面反射模型(2),2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,82,图2.40 路径差的映像方法,泰勒级数展开,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,83,双线地面反射模型(3),假定地面全反射，,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,84,双线地面反射模型(4),自由空间传播损耗 双线地面反射路径损耗,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,85,2.3.2 绕射,绕射(diffraction) 当接收机和发射机之间的无线路径被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。 次级波进入阴影区域而形成。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,86,图2.41 绕射,惠更斯.菲涅耳原理,惠更斯.菲涅耳原理 行进中的波前（面）上的每一点，都可作为产生次级波的点源 空间任一点的场等于（包围波源的任一封闭面上）各次级波源在该点所产生场的叠加。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,87,次级波前,扩展波前,图2.42 惠更斯-菲涅耳原理,第一菲涅耳区,路径长度为(d+ /2)的内圆,菲涅耳区,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,88,图2.43 菲涅耳半径,由于路径相差半波长 奇数项拆成两项,电波主要通过第一菲涅耳区传播至观察点,第一菲涅耳半径,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,89,第一菲涅耳半径,图2.44 第一菲涅耳半径,绕射损耗(1),对次级波的阻挡产生了绕射损耗。 障碍物不阻挡第一菲涅耳区，绕射损耗最小。 经验表明，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。 第一菲涅耳区绕射功率损耗：与自由空间相比低5 至25dB。 频率越低，绕射能力越强。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,90,图2.45 绕射模型,绕射损耗(2),2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,91,5,0,-5,-10,-15,-20,-25,-30,-3,-2,-1,0,1,2,3,4,5,图2.46 刃形绕射增益,例题,例2.3假设=1/3m，d1=1km，d2=1km和(a)h=25m,(b)h=0m,(c)h=-25m。对每一种情况，求解阻挡体顶部所在的菲涅耳区。 解：设直射与绕射路径之差为，则 (a)当h=25m时,2019年6月,92,例题,(b)当h=0时，障碍物顶部位于第一个菲涅耳区中间。衰减约6dB。 (c)当h=-25m时，为负值，阻挡体低于视距高度，绕射损耗可忽略不计。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,93,当h=25m时，完全阻挡了前3个菲涅耳区，损耗约22dB。,2.3.3 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，方向无规则的改变。 散射波产生于粗糙表面、小物体或不规则物体； 树叶、街道标志和灯柱等会引发散射； 若平面上的最大突起高度h小于hc，则认为表面光滑，反之则认为粗糙。 粗糙表面的反射系数修正：,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,94,小结自由空间的电波传播,自由空间： 充满均匀、线性、各向同性理想机制的无限大空间。 自由空间传播损耗： 电波通过自由空间介质传播时所生的损耗,95,小结反射,反射波成分,直射波 成分,双线地面反射模型,96,小结绕射,绕射(diffraction) 波长越大，绕射能力越强 电波主要通过第一菲涅耳区传播至观察点,h：障碍物顶到直射路径的距离,97,第二章内容,2.1 无线电波传播概述 2.2 自由空间的电波传播 2.3 三种基本电波传播机制 2.4 路径损耗模型 2.5 多径衰落信道及特性参数 2.6 多径衰落信道的统计模型,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,98,大尺度路径损耗,小尺度衰落,2.4 路径损耗模型,2.4.1 对数距离路径损耗模型 2.4.2 室外传播模型 2.4.3 室内传播模型,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,99,2.4.1 对数距离路径损耗模型,平均接收信号功率随距离的对数衰减 自由空间的电波传播 远场双线地面反射,d0：参考距离,100,对数距离路径损耗模型,n：路径损耗指数，与传播环境有关。d0：参考距离,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,101,对数距离路径损耗修正模型大尺度路径损耗通用模型(1),实际上，上式代表的是平均路径损耗 对任意的d值，特定位置的路径损耗为随机对数正态分布，均值为 ，标准差为 (dB) 。 主要参数: 参考距离d0, 路径损耗指数n, 标准差, 为0均值，标准差为 dB的高斯分布随机变量，单位为dB。,102,对数距离路径损耗修正模型大尺度路径损耗通用模型(2),2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,103, 为0均值，标准差为 dB的高斯分布随机变量，单位为dB。,图2.47 对数距离路径损耗,阴影衰落,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,104,什么是阴影衰落？ 由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路径的阻挡而形成的电磁场阴影效应。,阴影衰落导致接收信号较小,典型环境的路径损耗指数,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,105,LOS：Line-Of-Sight,表2.4 路径损耗指数,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,106,表2.5 对数损耗的标准偏差dB,注：h为地形波动高度,典型环境的路径损耗标准差,2.4.2 室外传播模型,常用的室外传播模型 Okumura-Hata模型 COST-231 Hata模型 CCIR模型 LEE模型 COST 231 WI模型 主要影响参数： 频率、收发距离、天线有效高度、传播环境修正值，建筑物密度,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,107,2.4.3 室内传播模型,室内无线信道特点 覆盖距离更小 环境的变动更大 距离短，更接近“近场” 门的开关和天线安装等对室内信号场强的影响非常大 室内路径损耗 同楼层的分隔损耗 楼层间的分隔损耗,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,108,主要室内传播模型,对数距离路径损耗模型 衰减因子模型（穿过多个 楼层的传播）,FAF：Floor Attenuation Factor，楼层衰减因子,：同楼层平均路径损耗指数，测试典型值：1.63.3,：多楼层平均路径损耗指数，测试典型值：4.15.3,109,60GHz室内传播测量,路径损耗指数小于自由空间传播（ 2）。 与传播环境与天线配置有关。,图2.48 60GHz信号室内传播测量,110,第二章内容,2.1 无线电波传播概述 2.2 自由空间的电波传播 2.3 三种基本电波传播机制 2.4 路径损耗模型 2.5 多径衰落信道及特性参数 2.6 多径衰落信道的统计模型,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,111,大尺度路径损耗,小尺度衰落,大尺度路径损耗和小尺度衰落(1),大尺度路径损耗 用于描述发射机与接收机之间的长距离（几百或几千米）上信号强度的变化。 小尺度衰落 用于描述发射机与接收机之间的短距离（几个波长）或短时间（秒级）内信号强度的快速变化。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,112,小尺度衰落r0(t),大尺度路径损耗m(t),2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,113,大尺度路径损耗和小尺度衰落(2),自由空间传播损耗,大尺度路径损耗,大尺度路径损耗+小尺度衰落,2.5 多径衰落信道及特性参数,2.5.1 多径衰落的基本特性 2.5.2 多普勒频移 2.5.3 多径信道的信道模型 2.5.4 描述多径信道的主要参数 2.5.5 多径衰落信道的分类 2.5.6 多径信道的统计分析 2.5.7 多径衰落信道建模与仿真,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,114,2.5.1 多径衰落的基本特性,是一种小尺度衰落： 反映了微观小范围内（波长量级）接收电平的均值变化而产生的损耗。 产生原因： 发射的电波经历了不同路径，导致传播时间和相位均不相同 合成的接收信号幅度在较短时间内急剧变化，产生了衰落,2019年6月,115,多径衰落现象,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,116,116,图2.49 多径衰落现象,2.5.2 多普勒频移,由于接收机和发射机之间的相对运动而引起接收信号频率与发送频率不同，产生了偏移。 v：移动台的移动速度 （米/秒） ：入射波与移动台 移动方向的夹角； d：运动距离； 假设发送源S与移动台距离 很远，即在一小段d内， 可假设X与Y处的相同,图2.50 多普勒频移示意图,117,多普勒频移,由于移动带来的电磁波路径差： 路径差带来的相位差： 该相位差对应了频率的变化 （多普勒频移）： 最大多普勒频移-,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,118,多普勒效应特点,当移动台朝向入射波方向运动时，多普勒频移为正。 当移动台背向入射波方向运动时，多普勒频移为负。 信号经过不同方向传播，每个多径分量与入射波的夹角不同，其多普勒频移不同，造成接收信号的多普勒扩展，因而增加了信号带宽。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,119,例题,例2.4若载波频率为800MHz，移动台速度为60km/h，移动台沿电波传播方向运动，求1)最大多谱勒频移；2）夹角为60度时的多普勒频移。 解：1）最大多普勒频移为： 2）夹角为60度时的多普勒频移为：,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,120,2.5.3 多径信道的信道模型,原理： 将信道看成作用于信号上的滤波器，可以通过分析滤波器的冲激响应和传递函数得到多径信道的特性,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,121,信道,s(t),r(t),多径信道的信道模型,只考虑多径的影响 设基带发射信号复包络为s(t)，则射频发射信号为： 经过多径信道，设每条径的路径长度为xi(t)，衰落系数为i(t) ，则收到的信号为：,fc为载频,可分辨多径数目,每径衰落系数,每径时延,122,再考虑多普勒效应 设第i径信道信号与运动方向夹角为，速度为v，则路径的变化量为,123,124,125,多径无线信道的时变离散冲激响应函数,126,2.5.4 描述多径信道的主要参数,时间色散参数和相干带宽 频率色散系数和相干时间 角度色散参数和相干距离,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,127,时间色散参数和相干带宽,功率延迟分布 在某一时刻，瞬时接收功率是时延的函数 对一小段时间的瞬时功率延迟分布求平均，得到功率延迟分布：,图2.51 功率延迟分布示意图,时间色散,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,129,接收多个脉冲信号,发送脉冲信号,图2.52 时间色散示意图,t,从时域分析衰落，用时延扩展来描述时间色散 最大附加时延扩展Tm：多条不同传播路径的信号到达接收点的时间不同，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 。 平均附加时延 ：功率延迟分布的一阶矩,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,130,时间色散参数(1),时间色散参数(2),均方根(RMS)时延扩展 ：功率延迟分布的标准差 最为常用的时延扩展参数,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,131,RMS-root mean square,典型的时延扩展,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,132,表2.6 典型的时延扩展,相干带宽,信道相干带宽Bc指的是在一特定频率范围，在该范围内，两个频率分量有很强的幅度相关性。 相关系数为0.9时， Bc 近似为： 相关系数为0.5时， Bc 近似为：,傅氏变换,133,平坦衰落和频率选择性衰落(1),主要参数 信号码元周期Ts和信道RMS时延扩展 信号的带宽Bs 和信道相干带宽Bc 平坦衰落（频率非选择性衰落）,134,平坦衰落和频率选择性衰落(2),频率选择性衰落,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,135,例题,例2.5计算下图所给出的多径分布的RMS时延扩展，设信道相干带宽的相关系数取50%，若信号带宽为200kHz，若没有均衡器，该系统能否正常工作？ 解：求出时延扩展：,136,得RMS时延扩展： 计算相关系数为0.5时的信道相干带宽 属于频率选择性衰落信道，不使用均衡器系统无法正常工作。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,137,频率色散系数和相干时间,从频域分析衰落，用多普勒扩展来描述频率色散 移动台的相对运动造成的多普勒扩展现象 典型多普勒扩展 如果在0,2 内的入射角均匀分布 多普勒功率谱（Jakes）,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,138,频谱展宽,傅氏变换,138,相干时间(1),表征时变信道影响信号衰落的衰落节拍，信道随这个节拍在时域上对信号有不同的选择性。 相干时间间隔内，信道特性不发生明显的变化。 通过分析接收信号包络的时域相关系数得到。 时间相关系数0.5时， Tc近似为： 工程常用：,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,139,相干时间(2),以速度v行进/2所需要的时间T0： 信道相干时间 运动距离每发生/2的改变，就会发生时间上的衰落。Tc反映了信道衰落的时间节拍。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,140,相干时间(3),2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,141,图2.53 信号衰落变化,时间非选择性衰落,主要参数 信号码元周期Ts和信道相干时间Tc 信号码元速率Rs 和最大多普勒频移fm 时间非选择性衰落（慢衰落或准静态）,图2.54 时间非选择性衰落信道特性,142,时间选择性衰落,时间选择性衰落（快衰落）,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,143,图2.55 时间选择性衰落信道特性,例题,例2.6 系统带宽400kHz，符号周期10us，经过RMS时延扩展为2us，最大多普勒频移为40Hz的信道，请估计信道衰落的特点 解：信道相干带宽： 信道相干时间 对该系统，信道呈现频率选择性衰落、时间非选择性衰落特征。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,144,角度色散系数和相干距离,从空域分析衰落，用角度扩展来描述 多径信号到达天线阵列的到达角度的展宽。 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 ； 散射体越少，角度扩展越小 。,145,角度扩展,空间非选择性衰落,空间选择性衰落,图2.56 角度扩展示意图,146,相干距离,相干距离Dc 信道冲激响应保证一定相关性的空间距离。 满足包络采样信号基本相等条件的最远的两个接收机A、B间距。,图2.57 相干距离示意图,147,角度扩展引起空间选择性衰落,图2.58 空间选择性衰落,148,空间选择性衰落,信道独立 同时出现深衰落的概率降低,图2.59 空间选择性衰落,149,2.5.5 多径衰落信道的分类,时延扩展 信道相干带宽Bc 多普勒频展fm 信道相干时间Tc 角度扩展 d 信道相干距离Dc 根据四个参量：信号带宽Bs，信道相干带宽Bc，信号码元周期Ts，信道相干时间Tc的关系可将信道分为四类,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,150,多径衰落信道,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,151,表2.7 多径衰落信道,不同信道条件对系统性能影响,好的信道,差的信道,极差的信道,152,2.5.6 多径信道的统计分析,分析经过多径信道的接收信号的包络统计特性 设高斯随机变量x1， x2相互独立，若 如果x1, x2都是零均值的，则r 服从瑞利分布。 如果x1, x2都是非零均值的，则r 服从莱斯分布。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,153,瑞利衰落分布,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,154,瑞利衰落分布的数学描述(1),假设 没有直射波信号 存在丰富的反射波 各反射波的幅度和相位相互统计独立 上述假设在离基站较远，反射物较多的区域适用 本质： 发射信号经历N条独立的衰落路径（没有强信号）到达接收端，接收的合成信号包络服从瑞利分布。,2019年6月,第二章 移动通信电波传播与传播预测模型,155,瑞利衰落分布的数学描述(2),相互独立的的随机变量， 0到2内均匀分布,相互独立的衰落系数,156,中心极限定理： 大量相互独立同分布的变量的和服从高斯分布,157,由雅各比行列式 可求出新坐标系下的联合概率表示： 对积分可得：,158,对r积分可得：,159,瑞利分布的概率密度函数,发射信号经历无直射路径的N条独立的衰落路径，接收的合成信号包络服从瑞利分布衰落。,图2.60 瑞利分布概率密度函数(pdf),PDF: Probability Density Function,160,莱斯衰落分布,2019年6月,第二章 移动通