移动通信第3章.ppt

1 移动通信原理 教师 龚萍pgong 2 第三章电波传播和移动信道传输特性的研究 无线电波传播特性分析 自由空间传播 陆地传播机制 移动环境下的信道分析 移动无线传播环境概述 大尺度多径衰落模型 小尺度路径损耗模型 3 概要 无线电波传播特性分析自由空间传播 陆地传播机制 移动环境下的信道分析 移动无线传播环境 大尺度多径衰落模型 小尺度路径损耗模型 4 相关知识 无线电波的本质 无线电波属于电磁波 电磁波是变化着的电场和磁场共同产生的 光也是一定波长的电磁波 所有电磁波在真空都以一种速度传播 光速 c 299792450米 秒 在真空中 電磁波的傳播速度 c 波長和頻率 有以下的简单关系 波長 x 頻率 c 5 相关知识 无线频谱 电磁波按频率或波长可划分为无线电波 红外线 可见光 紫外线 X射线和伽马射线 无线电波指从几赫兹到3000GHz范围内的电磁波 而其中30MHz到3GHz之间的频段比较适合移动通信 无线频谱是非常宝贵的资源 在通信中 我们对频率使用有很严格的限制 国际上采用了比较统一的标准 比如移动通信就划分了一定的频率范围 每一个 连续的 频率范围我们称为频段 其他的频段用于卫星通信 微波通信等等 6 自由空间传播 1 什么叫自由空间 无任何衰减 无任何阻挡 无任何多径的传播空间 无线电波在自由空间传播时 其单位面积中的能量会因为扩散而减少 这种减少 称为自由空间的传播损耗 如图所示 发射功率为PT 发射天线为各向均匀辐射 则以发射源为中心 d为半径的球面上单位面积的功率为 S PT 4 d2 PT d 7 自由空间传播 2 由于天线有方向性 设发射天线增益为GT 则接收点的电波功率密度 设接收天线的有效接收面积为 则其中Gr为接收天线增益 为自由空间波长 接收天线处的功率为 8 自由空间传播 3 使用近地距离的参考距离在室内环境典型值取为1m 室外环境取为100m或1km 9 自由空间损耗及其分贝数表示令 Pr PT GrGT LS 其中LS定义为自由空间传播损耗则 LS 4 d 2 4 fd c 2分贝化后得到 10 功率单位 无线信号的相对强度用分贝 db 来衡量 分贝是一个用10为底的对数表示的比值的单位 设P为系统中某一点的功率 为参考点的功率 则用db表示的功率比值由来计算 由于1db是一个比值或相对单位 db值本身并不确定测量参数的绝对值 而db的导出单位则可表示绝对值 有分贝瓦 dBW 相对于1W的分贝数 和分贝毫瓦 dBm 相对于1mW的分贝数 两个常用单位 例如 GSM手机的最大发射功率2W换成分贝值为33dBm 手机接收到的信号强度 40dBm为0 0001mW 70dBm为0 0000001mW 11 例1 如果发射机发射50瓦的功率 将其换算成 a dBm和 b dBW 如果该发射机为单位增益天线 并且载频为900MHz 求出 c 在自由空间中距天线100m处接受功率为多少dBm d 10km处Pr为多少 假定接收天线为单位增益 解 已知 发射功率 Pt 50W载频 fc 900MHz 则发射功率 a b c 则100m处接受功率为 12 即 d 10km处功率为 使用近地距离公式确定10km处的接收功率 dBm 其中 100m d 10km 13 概要 电波传播机制分析 自由空间传播陆地传播机制 移动环境下的信道分析 移动无线传播环境 大尺度多径衰落模型 小尺度路径损耗模型 14 实际空间传播 15 传播路径 若从移动信道中的电磁波传播上看主要可分为 直射波 视距传播 反射波 绕射波另外 还有穿透建筑物的传播以及空气中离子受激后二次发射的漫反射产生的散射波 但是它们相对于直射波 反射波 绕射波都比较弱 发射天线 接收天线 直射波 反射波 地表面波 16 反射 Reflection 当电磁波遇到比波长大得多的物体时 发生反射 反射发生在地球表面 建筑物和墙壁表面 17 绕射 Diffraction 当发射机和接收机之间的传播路由被尖锐的边缘阻挡时 发生绕射 18 散射 Scattering 当电磁波的传播路由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 散射发生在粗糙表面 小物体或其它不规则物体 如 树叶 街道标志和灯柱等 19 概要 无线电波传播特性分析 自由空间传播 陆地传播机制 移动环境下的信道分析移动无线传播环境 大尺度模型分析 小尺度模型分析 20 复杂的移动通信信道 首先 传播环境十分复杂 传播机理多种多样 几乎包括了电波传播的所有过程 如 直射 绕射 反射 散射 其次 由于用户台的移动性 传播参数随时变化 引起接收场强的快速波动 因此 接收信号中存在三类损耗和四种效应 21 接收信号中的三类损耗与四种效应 具有三类不同层次的损耗 路径传播损耗 慢衰落 损耗 快衰落 损耗 四种主要效应 阴影效应 多径效应 多普勒效应 远近效应 22 传播信号的表示 由前面的定性分析可得到传播的总损耗分别由大范围 大尺度 公里量级 的路径衰耗 中范围 中尺度 数百波长量级 的阴影效应和小范围 小尺度 数十波长以下 的快衰落共同决定 它可表示为 其中 表示大范围的路径衰耗 表示中范围的阴影效应损耗 表示小范围内的快衰落损耗 通常 使用大尺度模型和小尺度模型来分析移动信道传播特性 23 两种传播模型 大尺度模型和小尺度模型 24 二种传播模型 续 大尺度路径损耗传播模型描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化 用于预测平均场强并估计无线覆盖范围 小尺度多径衰落传播模型描述移动台在极小范围内移动时 短距离或短时间上接收场强的快速变化 用于确定移动通信系统应该采取的技术措施 25 概要 无线电波传播特性分析 自由空间传播 陆地传播机制 移动环境下的信道分析 移动无线传播环境大尺度模型分析 小尺度模型分析 26 大尺度模型 描述发射机和接收机之间长距离上平均场强的变化 用于预测平均场强并估计无线覆盖范围 27 对数距离路径衰减规律 基于理论和测试的传播模型指出 无论室内或室外信道 平均接收信号的功率 dB 随距离的对数衰减 这种模型已被广泛地使用 对任意T R距离 平均大尺度路径损耗表示为 其中 n为路径损耗指数 表明路径损耗距离增长的速率 n在不同环境下的取值如下表所示 28 不同环境下路径损耗指数 29 阴影衰落 产生的原因 阴影效应 由位于电波传播路经上的障碍物的阻挡而产生的损耗 特点 衰落速率与与地形地貌 用户移动的速度有关 而与工作频率无关 大气折射 大气介电常数的变化 时变 统计特性 分布特性 对数正态分布其中 为0均值 标准差为的高斯分布随机变量位置函数时间函数 联合分布 30 无线传播模型 传播模型是小区规划的基础 根据具体的使用环境 选用对应的传播模型 传播模型校正 CW测试 利用数字地图等进行校正 31 大尺度模型 室外模型 Okumura 奥村 模型 适用频率范围150MHz 3GHz 距离1 100km 基站天线高度30 200m 预测城区信号时使用最广泛的模型 在日本已经成为系统规划的标准 开发了一套在特定条件下自由空间中值损耗的曲线 缺点 对城区和郊区的快速变化反应较慢 和实际情况偏差约10 14dB 32 大尺度模型 室外模型 续 Hata模型 适用频率范围150MHz 1 5GHz 根据Okumura曲线图所作的经验公式 以市区传播损耗为标准 并对其它地区进行修正 市区路径损耗的标准公式 在1km以上的情况下 预测结果和Okumura模型非常接近 缺点 适用于大区制移动系统 不适用于小区半径为1km的个人通信系统 其它模型 Hata模型的PCS扩展 WalfishBertoni模型 LEE微蜂窝模型 33 Okumura模型 其中 和由预测曲线查得Okumura Hata模型公式 34 COST 231 Hata模型公式 35 大尺度模型 室内模型 一般说明室内传播特点 覆盖距离更小 环境变化更大受到影响的因素很多 如 门窗是开还是关 天线放置的位置 人员的分布情况 室内信道可以分为视距 LOS 和阻挡 OBS 两种 分隔损耗同楼层的分隔损耗给出不同频段 不同材料不同分隔方式的损耗值 如 混凝土墙在1300MHz的损耗为8 15dB 楼层间的分隔损耗和建筑物的材料 类型 层数 窗户及频段有关 一层的衰减要大 而五 六层以上的衰减很小 36 室内路径损耗公式 对数距离路径损耗模型 37 例 使用Okumura模型求解d 50km 100m 10m 郊区环境下的路径损耗 已知发射机的发射功率为1kW 载频为900MHz 求接收功率 假定接收机天线为单位增益 解 自由空间路径损耗可由公式计算 由Okumura曲线可得 和 38 而可得 则可得总的中值路径损耗为 125 5dB 43dB 6 dB 10 46dB 9dB 155 04dB因此 接受功率中值为 60dBm 155 04dB 0dB 95 04dBm 39 概要 无线电波传播特性分析 自由空间传播 陆地传播机制 移动环境下的信道分析 移动无线传播环境 大尺度多径衰落模型小尺度路径损耗模型 40 小尺度衰落模型 小尺度传播的主要效应 多径效应 多普勒效应 小尺度衰落模型分析 存在的衰落及统计分布 时延扩展及相干带宽 多普勒频移及相干时间 移动信道分类 41 多径效应 定义 由于移动信道中直射 反射和折射现象的同时存在 使得发射信号通过不同的传播路径 形成幅度 相位及到达时间相互区别的多个信号而到达接收台 并且不同多径成分的相位 幅度等都是随机 独立变化的 多径效应引起的问题 额外的路径损耗 突发性误码 严重的码间干扰 42 小尺度衰落及分布 Rayleigh衰落 Rice衰落 43 Ricean分布与Rayleigh分布的关系 44 瑞利 Rayleigh 衰落 1 设无直射波的N个路径信号的幅值和到达接收天线的方位角是随机的且统计独立发送信号为 接收信号为 令 则 x和y是独立随机变量之和 根据中心极限定律 x和y趋于正态分布 45 瑞利 Rayleigh 衰落 2 x和y是高斯过程 即其概率密度公式为 式中 为信号的平均功率 t x或y r t 的包络为而由于x和y是统计独立的 则x和y的联合概率密度为把p x y 变成p r 则 46 瑞利 Rayleigh 衰落 3 从而 角度的分布为即在0 内均匀分布 信号包络的分布密度为即信号包络服从瑞利分布 其中是包络检波之前所接收的电压信号的均方根值 r是幅度值 47 莱斯 Rician 衰落 指含有一个强直射波 LOS 的N个路径传播时 若每条路径的信号幅度为高斯分布 相位在0 2 为均匀分布 则合成信号包络分布为莱斯分布 48 移动多径信道的参数 时延扩展和相干带宽 描述信道时间弥散特性 多普勒扩展和相干时间 描述信道时变 频率扩展 特性 发送信号特性 如带宽 符号间隔等 和信道特性 rms时延 多普勒扩展 决定了信号将经历不同类型的衰落 49 时延扩展 多径时散 在多径传播条件下 当发射端发送一个极窄的脉冲信号时 经过多条不同的传播路径后 接收端信号则为一串脉冲组成 可能是离散的 也可能联成一片 即其中 N 和都是随机变化的 这样 信号在时间轴上被 展宽 了 因此称这种现象为时延扩展 timedelayspread 50 描述多径时延的统计参数 最大时延扩展 平均时延 时延扩展 51 典型的时延谱典型的归一化时延谱通常功率延迟分布来源于本地连续冲激响应的测量值取短时或空间平均 52 最大时延扩展 dB 归一化时延曲线比直达功率下降XdB 通常取30dB 时所对应的时延差 相对第一个到达的信号时间 在不存在直达信号的情况下 可以将多径信号中具有最强功率的那一径作为比较基准 平均时延其中 t为相对时延值 p t 为归一化的时延强度 它是不同时延信号分量具有的平均功率 53 rms RootMeanSquare 时延扩展 其中 是多径信道时延特性的统计描述 表示时延扩展的严重程度 值越大 时延扩展越严重 反之 时延扩展越轻微 54 P t 多径时延谱 即信道输出的平均功率关于时延的函数 在数字传输中 由于时延扩展 接收信号中的一个码元波形会扩展到其他码元周期中去 即造成码间干扰 ISI 为了避免码间干扰 如无抗干扰措施 如均衡等 应使码元周期大于多径效应引起的时延扩展 即T 或者等效地说码元速率小于1 55 例 计算下图所给出的多径分布的平均附加时延和rms时延扩展 设信道相干带宽对应的相关系数取50 则该系统在不使用均衡器的条件下对AMPS或GSM业务是否合适 解 可得给信号的平均附加时延为 56 而 所以rms时延扩展为 对应相干系数相干带宽为 因为Bc大于30kHz 所以AMPS不需均衡器就能正常工作 而GSM所需的200kHz带宽超过了Bc 所以GSM需要均衡器才能正常工作 57 时延统计特性 多径信号到达时刻的分布指数分布 对于有近距离散射体 中距离高大建筑和远山的环境等间隔分布 简化模型 GSM05 05建议 多径信号到达数目的分布 泊松分布 58 典型时延 f 450 800MHz 59 频率选择性衰落与平坦衰落 实际测量数据表明 信号通过移动信道时 不同频率分量上的场强有较大的变化差异 即遭受的衰落可能有所不同 根据衰落与频率的关系 可将衰落分为两种 频率选择性衰落与非频率选择性衰落 平坦衰落 相应地 可将信道分为频率选择性衰落信道与平坦衰落信道 信号会发生哪种衰落 要由信号和信道两方面因素决定 60 平坦衰落信道特性 信号中各频率分量的衰落状况与频率无关 即信号经过传输后 各频率分量所遭受的衰落具有一致性 即相关性 因而衰落信号的波形不失真 61 频率选择性衰落信道特性 传输信道对信号中不同频率成分有不同的随机的响应 使不同频率的信号分量的衰落不一致 所以衰落信号波形将失真 62 相关带宽 1 就移动信道而言 存在一个相关带宽 当信号带宽远小于信道相关带宽时 为平坦衰落信道 当信号带宽大于信道相关带宽时 为频率选择性衰落信道 相关带宽表征的是信号中两个频率分量基本相关的频率间隔 它是信道本身的特性参数 与信号无关 相关带宽的取值视系统实际要求而定 通常都是根据特定多径系统而得到的统计测量值 63 相关带宽 2 这里我们考虑频率分别为和的两个信号的包络的相关性 即由两信号的相关系数得出 设这两个信号的包络为和 频率差为 则其包络相关系数为 若信号服从瑞利分布 且由于这里讨论的是频率域的相关性 可设 则可得到由上式可知 当信号频率间隔增加时 相关系数减小 也就是信号的不一致性增加 64 如定义为频率相关函数大于0 5的某特定带宽 则相关带宽近似为 如定义为频率相关函数大于0 9的某特定带宽 则相关带宽近似为 65 多普勒频移 当移动台以恒定速率v 沿着与入射波成角的方向运动时 形成的接收信号相位变化值为 由此可得出频率变化值 即多普勒频移为 其中 为最大多普勒频移假设发射频率为 则接收频率变化为 66 xY 67 68 例 若一发射机发射载频为1850MHz 一辆汽车以每小时60英里 60mph 速度运动 计算在以下情况下接收机载波频率 a 汽车沿直线朝向发射机运动 b 汽车沿直线背向发射机运动 c 汽车运动方向与入射波方向成直角解 已知载频fc 185