第二章_移动通信电波传播环境与传播预测模型.ppt

第二章移动通信电波传播与传播预测模型 MobileCommunicationTheory 目录 MobileCommunicationTheory 2 1 1电波传播的基本特性 基站天线 移动用户天线和两付天线之间的传播路径 传播损耗和弥散阴影衰落多径衰落多普勒频移 直射 反射 绕射和散射以及它们的合成 复杂的无线电波传播环境 MobileCommunicationTheory 信道的分类 信道的分类大尺度衰落根据不同距离内信号强度变化的快慢分为 小尺度衰落长期慢衰落根据信号与信道变化快慢程度的比较分为 短期快衰落 大尺度衰落与小尺度衰落 MobileCommunicationTheory 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 表示尺度衰落 r0 t 表示小尺度衰落 MobileCommunicationTheory 2 1 2电波传播特性的研究 MobileCommunicationTheory 2 2自由空间的电波传播 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 分贝表示 MobileCommunicationTheory 2 33种基本电波传播机制 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 产生于粗糙表面 小物体或其它不规则物体 阻挡体为尖利边缘 基本电波传播机制 MobileCommunicationTheory 2 3 1反射 MobileCommunicationTheory 理想介质表面反射 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 垂直极化 水平极化 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 2 3 1多径信号 两径传播模型接收信号功率简化后相位差多径传播模型其中 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 直射波 反射波 地表面波可忽略 地面二次效应可忽略 MobileCommunicationTheory 2 3 2绕射 MobileCommunicationTheory 惠更斯 菲涅尔原理 原理波前 面 上每点产生的次级波组合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场强为围绕阻挡物所有次级波的矢量和说明任一P 点 只有夹角为 即 的次级波前能到达接收点R 在0 到180 之间变化到达接收点辐射能量与 成正比 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 2 3 3散射 粗糙表面 反射能量于所有方向 表面光滑度的判定 粗糙表面下的反射场强 MobileCommunicationTheory 2 4阴影衰落的基本特性 阴影衰落 慢衰落 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特点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移动用户和基站的距离 由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 MobileCommunicationTheory 2 5多径传播模型 多径信道的统计分析 多径衰落信道的分类 衰落特性的特征量 多径衰落的基本特性 多普勒频移 多径信道的信道模型 描述多径信道的主要参数 MobileCommunicationTheory 2 5 1多径衰落的基本特性 幅度衰落幅度随移动台移动距离的变动而衰落空间角度模拟系统主要考虑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 MobileCommunicationTheory 2 5 1多径衰落的基本特性 时延扩展脉冲宽度扩展时间角度数字系统主要考虑原因信号传播路径不同 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 MobileCommunicationTheory 2 5 2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 MobileCommunicationTheory 2 5 2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 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 MobileCommunicationTheory 2 5 3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 MobileCommunicationTheory 2 5 3多径信道的信道模型 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 MobileCommunicationTheory 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 又因为所以式中为时延 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 MobileCommunicationTheory 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简化得 其中 为最大多普勒频移 在相位中不可忽略 数量级小可忽略 MobileCommunicationTheory 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 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 多径延迟影响 多普勒效应影响 MobileCommunicationTheory 2 5 4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 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 时间色散参数 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特性参数平均附加延时rms时延扩展其中最大附加延时扩展 XdB 高于某特定门限的多径分量的时间范围 即多径能量从初值衰落到低于最大能量 XdB 处的时延图2 8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 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 判定由信道和信号两方面决定 衰落的分类及判定 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 MobileCommunicationTheory 频率色散 用多普勒扩展来描述 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 相关时间信道冲激响应应维持不变的时间间隔的统计平均值表征了时变信道对信号的衰落节拍 MobileCommunicationTheory 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 用表示功率谱 则典型的多普勒功率谱由图可见 由于多普勒效应 接收信号的功率谱展宽到和范围平坦 FLAT 多普勒扩展 适用于室内传播信道 平坦的多普勒功率谱 MobileCommunicationTheory 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 0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28页曾推出包络相关系数令 0 5推出 MobileCommunicationTheory 时间选择性衰落 时间选择性衰落是由多普勒效应引起的 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 常规定为上页两式的几何平均作为经验关系 码元间隔大于信道相关时间Ts Tc 时选衰落 误码 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 相关距离与空间选择性衰落 相关距离Dc 空间选择性衰落 MobileCommunicationTheory 2 5 5多径信道的统计分析 瑞利分布 莱斯分布 Nakagami m分布 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 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 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 随机相位 0 2 均匀分布 又可表示为其中Tc Ts的性质相互正交的同频分量高斯随机过程概率密度x Tc或Ts统计独立联合概率密度零均值 等方差 不相关是关于的总体平均 0 MobileCommunicationTheory 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对 积分对r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 图2 9瑞利分布的概率分布密度 MobileCommunicationTheory 莱斯分布 环境条件 莱斯因子 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory Nakagami m分布 概率密度函数式中为 的实数 为伽马函数当时 有式中 为信号的平均功率形状因子意义参数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较大时 接近高斯分布 MobileCommunicationTheory 2 5 6多径衰落信道的分类 MobileCommunicationTheory 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 平坦衰落和频率选择性衰落 MobileCommunicationTheory 快衰信道和慢衰信道 Tc为信道相关时间BD为多普勒扩展 MobileCommunicationTheory 衰落特性的特征量 衰落深度 衰落速率 电平通过率 衰落持续时间 MobileCommunicationTheory 衰落速率和衰落深度 衰落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 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 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 MobileCommunicationTheory 2 6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 为网络覆盖的研究以及整个网络设计提供基础 方法分析测试数据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确定传播环境的主要因素地形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 MobileCommunicationTheory 2 6 1室外传播模型 MobileCommunicationTheory Okumura Hata模型 路径损耗计算的经验公式式中 工作频率 MHz