第2章移动通信电波传播与传播模型预测.ppt

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 大尺度衰落与小尺度衰落 衰落特性的算式描述 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2 1无线信道中的大尺度和小尺度衰落 t 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应用成果传播预测模型的建立为实现信道仿真提供基础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 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 接收换算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 如果电磁波传输到理想介质表面 则能量都将反射回来反射系数 R 入射波与反射波的比值 入射角 其中 为介电常数 为电导率 为波长 极化特性 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电磁波的极化形式线极化 圆极化和椭圆极化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 极化反射系数对于地面反射 当工作频率高于150MHz 时 算得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 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 两径传播模型接收信号功率 简化后 多径信号 多径传播模型 其中 N为路径数 当N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号的功率 绕射 惠更斯 菲涅尔原理 图2 3对惠更斯 菲涅尔原理说明 原理波在传播过程中 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 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 菲涅尔区基尔霍夫公式 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 菲涅尔区的进一步解释 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 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 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 阴影衰落的基本特性 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特点衰落与传播地形和地物分布 高度有关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m 4 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 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 多径衰落的基本特性 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 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 原因移动时会引起多普勒 Doppler 频率漂移表达式多普勒频移最大多普勒 Doppler 频移 多普勒频移 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 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 可通过分析滤波器的冲击相应和传递函数得到多径信道的特性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 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 多径和多普勒效应对传输信号的影响令式中代表第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 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 相位服从的均匀分布 描述多径信道的主要参数 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 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 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 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 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 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 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 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 两径情况接收信号等效网络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 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 从时延扩展角度说明相关带宽 多径情况应为rms时延扩展是随时间变化的 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 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 判定由信道和信号两方面决定 数字通信系统 信号带宽小于信道相关带宽Bs Bc 信号带宽远大于信道相关带宽Bs Bc 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多普勒扩展 功率谱 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 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 对b归一化 并设 1 得典型的多普勒功率谱 平坦 FLAT 多普勒扩展 适用于室内传播信道 由图可见 由于多普勒效应 接收信号的功率谱展宽到和范围 推导相关时间 从多普勒扩展角度时间相关函数与多普勒功率谱之间是傅立叶变换关系所以多普勒扩展的倒数就是对信道相关时间的度量 即此时入射波与移动台移动方向之间的夹角式中为多普勒扩展 有时也用表示 即多普勒频移 从包络相关性角度通常将信号包络相关度为0 5时的时间间隔定义为相关时间 包络相关系数令 0 5推出 时间选择性衰落 时间选择性衰落是由多普勒效应引起的 并且发生在传输波形的特定时间段上 即信道在时域具有选择性要保证信号经过信道不会在时间轴上产生失真 就必须保证传输符号速率远大于相关时间的倒数在现代数字通信中 常规定 码元间隔大于信道相关时间Ts Tc 时选衰落 误码 角度色散 原因移动台和基站周围的散射环境不同 使得多天线系统中不同位置的天线经历的衰落不同参数角度扩展相关距离空间选择性衰落 角度扩展 角度功率谱 PAS 信号功率谱密度在角度上的分布 一般为均匀分布 截短高斯分布和截短拉普拉斯分布角度扩展等于功率角度谱的二阶中心矩的平方根 即式中意义描述了功率谱在空间上的色散程度 角度扩展在之间分布 角度扩展越大 表明散射环境越强 信号在空间的色散度越高 相关距离与空间选择性衰落 相关距离Dc信道冲激响应保证一定相关度的空间距离空间选择性衰落 天线空间距离大于相关距离 Dc 天线空间距离远小于相关距离 Dc 空选衰落 非空选衰落 多径信道的统计分析 主要讨论多径信道的包络统计特性 接收信号的包络根据不同的无线环境一般服从 瑞利分布 环境条件通常在离基站较远 反射物较多的地区符合 如下图 发射机和接收机之间没有直射波路径存在大量反射波 到达接收天线的方向角随机且0 2 均匀分布各反射波的幅度和相位都统计独立场强分量Tc Ts接收信号的幅度相位分布 Play 场强分量Tc Ts 推导设发射信号是垂直极化 并且只考虑垂直波时 场强为式中 多普勒频率漂移 为随机相位 0 2 均匀分布 又可表示为其中 场强分量Tc Ts Tc Ts的性质相互正交的同频分量高斯随机过程概率密度统计独立联合概率密度具有0平均 等方差 不相关 接收信号的幅度相位分布 直角坐标极坐标则由雅各比行列式所以 接收信号的幅度相位分布 对r积分对 积分可见 包络r服从瑞利分布 在0 2 内服从均匀分布瑞利分布的均值瑞利分布的方差满足的值称为信号包络样本区间的中值 瑞利分布的概率分布密度 莱斯分布 莱斯分布的环境条件 直射系统中 接收信号中有视距信号成为主导分量 同时还有不同角度随机到达的多径分量迭加于其上非直射系统中 源自某一个散射体路径的信号功率特别强 Play 莱斯分布的概率密度函数 概率密度函数式中 A是主信号的峰值I0 是0阶第一类修正贝塞尔函数莱斯因子K主信号的功率与多径分量方差之比 分贝式 意义完全决定了莱斯的分布 当 莱斯分布变为瑞利分布强直射波的存在使接收信号包络从瑞利变为莱斯分布当直射波进一步增强 莱斯分布将趋进高斯分布 瑞利分布莱斯分布高斯分布 图2 10莱斯分布的概率密度函数 Nakagami m分布 说明Nakagami m分布由Nakagami在20世纪40年代提出 通过基于场测试的实验方法 用曲线拟合 达到近似分布 研究表明 该分布对于无线信道的描述具有很好的适应性 概率密度函数式中为多径散射场的平均功率 是Nakagami m分布的形状因子 它描述由于散射过程和多径干涉过程造成的传播场的衰落程度 为伽马函数 当时 有式中 为信号的平均功率 Nakagami m分布 形状因子Nakagami m分布可以用m 一般称为形状因子 和莱斯因子K之间的关系来近似确定意义参数m取不同值时对应不同分布 更具广泛性 当m 1时 成为瑞利分布当m 1 2 Nakagami分布就成了单边高斯分布 当m 1 近似为莱斯分布 多径衰落信道的分类 依据时间色散 频率色散还是角度色散进行分类 标量信道 时 频 矢量信道 时 频 空 平坦衰落和频率选择性衰落 Ts为信号周期 信号带宽Bs的倒数 是信道的时延扩展 Bc为相关带宽通常若 可认为该信道是频率选择性的 快衰信道和慢衰信道 Tc为信道相关时间Bd为多普勒扩展 衰落特性的特征量 衰落速率和衰落深度 衰落速率信号包络在单位时间内以正斜率通过中值电平的次数 即包络衰落的速率与发射频率 移动台行进速度和方向以及多径传播的路径数有关平均衰落率衰落深度信号有效值与该次衰落的信号最小值的差值 电平通过率 单位时间内信号包络以正斜率通过某一规定电平值R的平均次数意义描述衰落次数的统计规律 深度衰落发生的次数较少 而浅度衰落发生得相当频繁表达式式中为信号包络r对时间的导函数平均电平通过率由于电平通过率是随机变量 通常用平均电平通过率来描述 对于瑞利分布可得式中fm为最大多谱勒频率 其中信号平均功率 为信号有效值 衰落持续时间 信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平所对应的电平通过率之比表达式意义描述了衰落次数的统计规律平均衰落持续时间衰落是随机发生的 只能给出平均衰落持续时间 对于瑞利衰落 可得 电平通过率和平均衰落持续时间图示 图2 11电平通过率和平均衰落持续时间 负斜率 正斜率 1 2 3 4 R T 0 T 衰落信道的建模与仿真简介 Clarke信道模型说明了基于散射时移动台接收信号的场强的统计特性 包络服从瑞利分布 相位服从 0 2 的均匀分布环境假设有一台具有垂直极化的固定发射机 入射到移动天线的电磁场由N个具有任意载频相位 入射方位角和相等的平均幅度的平面波组成推导统计特性Jakes仿真模拟均匀介质散射环境中平坦衰落信道的复低通包络 方法用有限个 10个 低频振荡器近似构建一种可分析模型推导接收波形表达式及仿真模型 Clarke信道模型推导接收场强统计特性1 对于以第n个以角度到达x轴的入射波多普勒频移为到达移动台的垂直极化平面波存在电场E和磁场H的场强分量 即 其中 是本地平均E场 假设为恒定值 的实数幅度 表示不同电波幅度的实数随机变量 为自由空间的固定阻抗 第n个到达分量的随机相位对场强归一化 有 图2 15入射角到达平面示意图 Clarke信道模型推导接收场强统计特性2 由于多普勒频移相对于载波很小若N足够大 三种场分量可用窄带高斯随机过程表示 设相位角在服从均匀分布 则E场可用同相和正交分量表示式中 代表同相分量和正交分量 Clarke信道模型推导接收场强统计特性2 根据中心极限定理 都是高斯随机过程 具有0平均 等方差 不相关的特点 是关于的总体平均 接收的E场的包络为包络服从瑞利分布式中 Jakes仿真推导接收波形表达式 依据Clarke模型 接收端波形可表示为经历了N条路径的一系列平面波的叠加其中 不同路径的附加相移是相互独立的随机变量 且在服从均匀分布 将标准化 功率归一化 得 式中 Jakes仿真推导接收波形表达式 假设平面波的N个入射角在均匀分布 则模型中参数代入可得 Jakes仿真器模型 描述平坦衰落的随机信号可以用N个相互独立的随机变量 表示 所以可以用N个低频振荡器生成 图2 12Jakes仿真器模型 电波传播损耗预测模型 目的掌握基站周围所有地点处接收信号的平均强度及变化特点 以便为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础 方法根据测试数据分析归纳出基于不同环境的经验模型 在此基础上对模型进行校正 使其更加接近实际 更准确确定传播环境的主要因素自然地形 高山 丘陵 平原 水域等 人工建筑的数量 高度 分布和材料特性该地区的植被特征天气状况自然和人为的电磁噪声状况系统的工作频率和移动台运动等因素本节内容室外传播模型室内传播模型传播模型校正 室外传播模型 Hata模型 CCIR模型 LEE模型 COST231Walfisch Ikegami模型 Okumura Hata模型COST231Hata模型 Okumura Hata模型 适用频率范围150 1500MHz 路径损耗计算的经验公式式中 工作频率 MHz 基站天线有效高度 m 定义为基站天线实际海拔高度与基站沿传播方向实际距离内的平均地面海波高度之差 移动台天线有效高度 m 定义为移动台天线高出地表的高度d 基站天线和移动台天线之间的水平距离 km Okumura Hata模型 有效天线修正因子 是覆盖区大小的函数 小区类型校正因子 地形校正因子 反映一些重要的地形环境因素对路径损耗的影响 COST 231Hata模型 频率扩展到1 5 2G的Hata模型扩展版本 路径损耗计算的经验公式式中 大城市中心校正因子 COST 231Hata模型 两种Hata模型的主要区别Okumura Hata模型适用于准平坦地形宏蜂窝 适用频率范围150MHz 1500MHz 主要用于900MHz 30m 200m lm 10m lkm d 20km COST231 Hata模型适用于城市地貌及郊区的无线网络规划 一般用于宏蜂窝基站 1500MHz 2000MHz 可用于1800MHz的载频 30m 200m lm 10m 1km d 20km 频率衰减系数不同COST 231Hata模型频率衰减因子为33 9Okumura Hata模型的频率衰减因子为26 16COST 231Hata模型还增加了一个大城市中心衰减 大城市中心地区路径损耗增加3dB CCIR模型 给出了反映自由空间路径损耗和由地形引入的路径损耗联合效果的经验公式校正因子右图给出了Hata和CCIR路径损耗公式的对比 由图可见 路径损耗随建筑物密度而增大 图2 14Hata和CCIR路径损耗公式的对比 LEE模型 W C Y Lee于1982年提出LEE模型 LEE模型的基本思路是先把城市当成平坦的 只考虑人为建筑物的影响 在此基础上再把地形地貌的影响加进来 优点模型中的主要参数易于根据测量值调整 适合本地无线传播环境 准确性高路径损耗预测算法简单 计算速度快应用无线通信系统分类LEE宏蜂窝模型LEE微蜂窝模型 LEE宏蜂窝模型 决定移动台接收信号大小的因素人为建筑物地形地貌基本思路先把城市当成平坦的 只考虑人为建筑物的影响 在此基础上再把地形地貌的影响加进来地形地貌影响的三种情况无阻挡有阻挡水面反射 人为建筑物对接收信号的影响 LEE宏蜂窝模型建立在对大量的场强测量数据分析的基础上 使用了统一的路径损耗公式式中 Pr为接收功率 d为收发天线之间的水平距离 为距离衰减因子 Pr1为在特定城市中 当实测使用的基站天线为半波长天线 高为x米 发射功率为y瓦时 1公里处的接收功率 0为修正因子 实际使用中当基站天线和上述标准天线不同时进行修正 式中 ht Pt Gt分别是实际基站天线高度 基站发射功率和基站天线增益 htREF PtREF GtREF分别是测量Pr1和 时的基站天线高度 基站发射功率和基站天线增益 人为建筑物对接收信号的影响 当载频为900MHz 发送天线高度为30m 接收天线高度为3m时 在不同的地形下 参考接收功率Pr1和距离衰减因子 的取值 无阻挡的情况 考虑地形影响 采用有效天线高度计算 式中 天线有效高度 天线实际高度若 是一个增益若 是一个损耗 式中 有阻挡的情况1 式中代表由于山坡等地形阻挡物引起的衍射损耗 计算单个刃形边的衍射损耗如下 和如图所示 并定义一个无量纲的参数考虑两种情况 电波被阻挡 为负 为正 接收功率 w 衰减系数为正 为负 图2 14山坡等地形阻挡物引起的衍射损耗 有阻挡的情况2 计算单个刃形边的衍射损耗Lr 水面反射 其中 由于移动无线通信环境引起的衰减因子 基站发射功率 分别为基站和移动台的天线增益 LEE微蜂窝模型1 小区路径损耗预测公式为是基站天线有效高度 距离基站处的直射波路径损耗 是一个双斜率模型的理论值为其中为菲涅尔区的距离 LEE微蜂窝模型2 是由于建筑物引起的损耗 其值可以这样得到首先按图2 15所示计算从基站到A点的穿过街区的总的阻挡长度B a b c 再根据B查找曲线图2 16 可得值 图2 15计算街区建筑物引入的损耗 图2 16微小区参数 COST231Walfisch Ikegami模型 应用用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境常用于移动通信系统 GSM PCS DECT DCS