移动信道的传播特性.pptx

2 3小结 2 2小尺度衰落 2 1大尺度衰落 第2章移动信道的传播特性 VHF 30 300兆赫 MHz UHF 300 3000兆赫 MHz 无线通信广泛使用VHF UHF频段 SHF 3 30 GHz 第二章移动信道的传播特性 阴影效应接收信号除其瞬时电平产生深度且快速的衰落之外 其局部中值也是变化的 这是由于移动无线信道传播环境中的地形起伏 建筑物及其他障碍物对电波传播路径的遮挡而形成的电磁场阴影效应而造成的 称为阴影衰落 大尺度衰落 慢衰落 第2章移动信道的传播特性 2 1大尺度衰落1 一般路径损耗模型 自由空间传播损耗 无线电波从发射机天线发出 可以沿着不同的途径和方式到达接收天线 图2 1电波传播典型路径 第2章移动信道的传播特性 直射波 也称为视距传播 LOS 地面反射波 地表面波 除此之外 在移动信道中 电波遇到各种障碍物时会发生反射 绕射和散射现象 2 直射直射波传播可按自由空间传播来考虑 自由空间传播是理想的传播条件 满足如下条件的电波可视作在自由空间传播 地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质 媒质的相对介电常数 r和相对导磁率 r都等于1 传播路径上没有障碍物阻挡 到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计 第2章移动信道的传播特性 由电磁场理论可知 若各向同性天线 亦称全向天线或无方向性天线 的辐射功率为PTW 则距辐射源d 单位m 处的电场有效值Eo为 磁场有效值H0为 第2章移动信道的传播特性 单位面积上的电波功率密度S为 若用发射天线增益为GT的方向性天线取代各向同性天线 第2章移动信道的传播特性 接收天线获取的电波功率 PR SARAR与GR关系为 2 4 为各向同性天线的有效面积 可以得到 Friis公式 第2章移动信道的传播特性 当GR GT 1时 自由空间传播损耗Lfs为以dB计 得 或 第2章移动信道的传播特性 引入随着环境而改变的路径损耗指数n 2 6 可以修正自由空间路径损耗模型 对数距离路径损耗模型 d0 参考距离 n 2对应自由空间情况 2 奥村模型 Okumura Okumura模型是通过广泛实验得到的应用于移动通信系统的信道模型 为了计算移动信道中信号电场强度中值 或传播损耗中值 可将地形和地物进行了分类 并以中等起伏地形市区作传播基准 其他地形地物在此基础上修正 第二章移动信道的传播特性 地形 地物分类 1 地形的分类与定义 为了计算移动信道中信号电场强度中值 或传播损耗中值 可将地形分为两大类 即中等起伏地形和不规则地形 并以中等起伏地形作传播基准 地面起伏高度不超过20m 且起伏缓慢 峰点与谷点之间的水平距离大于起伏高度 中等起伏地形 第二章移动信道的传播特性 图2 35地形起伏高度 h 地形起伏高度 h定义为沿传播方向 在传播路径的地形剖面图上 距接收地点10km范围内 10 高度线和90 高度线的高度差 第二章移动信道的传播特性 图2 36基站天线有效高度hb 第二章移动信道的传播特性 2 地物 或地区 分类 开阔地 在电波传播的路径上无高大树木 建筑物等障碍物 呈开阔状地面 郊区 在靠近移动台近处有些障碍物但不稠密 市区 有较密集的建筑物和高层楼房 第二章移动信道的传播特性 3 中等起伏地形上传播损耗的中值 1 市区传播损耗的中值 在估算各种地形地物上的传播损耗时 均以中等起伏地面上市区的损耗中值或场强中值作为基准 因而把它称作基准中值或基本中值 第二章移动信道的传播特性 图2 37中等起伏地上市区基本损耗中值 第二章移动信道的传播特性 如果基站天线的高度不是200m 则损耗中值的差异用基站天线高度增益因子Hb hb d 表示 同理 当移动台天线高度不是3m时 需用移动台天线高度增益因子Hm hm f 加以修正 第二章移动信道的传播特性 图2 38天线高度增益因子 第二章移动信道的传播特性 此外 市区的场强中值还与街道走向 相对于电波传播方向 有关 纵向路线 与电波传播方向相平行 的损耗中值明显小于横向路线 与传播方向相垂直 的损耗中值 第二章移动信道的传播特性 图2 39街道走向修正曲线 第二章移动信道的传播特性 2 郊区和开阔地损耗的中值 郊区的建筑物一般是分散 低矮的 故电波传播条件优于市区 郊区场强中值与基准场强中值之差称为郊区修正因子 记作Kmr 第二章移动信道的传播特性 图2 40郊区修正因子 图2 41开阔地 准开阔地修正因子 第二章移动信道的传播特性 4 不规则地形上传播损耗的中值 1 丘陵地的修正因子 对于地形起伏达数次以上的情况 丘陵地的地形参数用地形起伏高度 h表征 第二章移动信道的传播特性 随着丘陵地起伏高度 h的增大 由于屏蔽影响的增大 传播损耗随之增大 因而场强中值随之减小 丘陵地平均修正因子Kh此外 在丘陵地中 场强中值在起伏地的顶部与谷部必然有较大差异 需要对场强中值进一步加以修正 丘陵地微小修正因子Khf 第二章移动信道的传播特性 图2 42丘陵地场强中值修正因子 第二章移动信道的传播特性 2 孤立山岳修正因子Kjs 当电波传播路径上有近似刃形的单独山岳时 求山背后的电场强度 从相应的自由空间场强中减去刃峰绕射损耗即可 但对天线高度较低的陆上移动台来说 还必须考虑障碍物的阴影效应和屏蔽吸收等附加损耗 由于附加损耗不易计算 故仍采用统计方法给出修正因子Kjs曲线 第二章移动信道的传播特性 图2 43孤立山岳修正因子Kjs 第二章移动信道的传播特性 3 斜波地形修正因子Ksp 斜坡地形系指在5 10km范围内的倾斜地形 若在电波传播方向上 地形逐渐升高 称为正斜坡 倾角为 m 反之为负斜坡 倾角为 m 第二章移动信道的传播特性 图2 44斜坡地形修正因子Ksp 第二章移动信道的传播特性 4 水陆混合路径修正因子Ks 在传播路径中如遇有湖泊或其他水域 接收信号的场强往往比全是陆地时要高 为估算水陆混合路径情况下的场强中值 用水面距离dSR与全程距离d的比值作为地形参数 此外 水陆混合路径修正因子Ks的大小还与水面所处的位置有关 第二章移动信道的传播特性 图2 45水陆混合路径修正因子 第二章移动信道的传播特性 5 任意地形地区的传播损耗的中值 1 中等起伏的市区传播损耗中值LT 第二章移动信道的传播特性 2 中等起伏的市区中接收信号的功率中值PP中等起伏的市区接收信号的功率中值PP 不考虑街道走向 可由下式确定 第二章移动信道的传播特性 P0 自由空间传播条件下的接收信号的功率 PT 发射机送至天线的发射功率 工作波长 d 收发天线间的距离 Gb 基站天线增益 Gm 移动台天线增益 Am f d 中等起伏的市区的基本损耗中值 Hb hb d 基站天线高度增益因子Hm hm f 移动台天线高度增益因子 第二章移动信道的传播特性 1 任意地形地区的传播损耗中值 LT为中等起伏的市区传播损耗中值 2 任意地形地区接收信号的功率中值Ppc 第二章移动信道的传播特性 2 任意地形地区接收信号的功率中值 第二章移动信道的传播特性 地形地物修正因子KT一般可写成 Kmr 郊区修正因子 Q0 Qr 开阔地或准开阔地修正因子 Kh Khf 丘陵地修正因子及微小修正因子 Kjs 孤立山岳修正因子 Ksp 斜坡地形修正因子 Ks 水陆混合路径修正因子 第二章移动信道的传播特性 例 某一移动信道 工作频段为450MHz 基站天线高度为50m 天线增益为6dB 移动台天线高度为3m 天线增益为0dB 在市区工作 传播路径为中等起伏地形 通信距离为l0km 试求 1 传播路径损耗中值 2 基站发射机送至天线的信号功率为10W 求移动台天线得到的信号功率中值 解 1 根据巳知条件 KT 0 LA LT 第二章移动信道的传播特性 自由空间传播损耗 32 44 20lgf 20lgd 32 44 20lg450 20lg10 105 5dB 市区基本损耗中值 基站天线高度增益因子 移动台天线高度增益因子 第二章移动信道的传播特性 传播路径损耗中值 中等起伏的市区中接收信号的功率中值 第二章移动信道的传播特性 若上题改为郊区工作 传播路径是正斜坡 且 其他条件不变 再求传播路径损耗中值及接收信号功率中值 解 LA LT KT 由上例已求得 地形地区修正因子KT只需考虑郊区修正因子和斜坡修正因子 查表得 12 5dB 第二章移动信道的传播特性 3dB 所以传播路径损耗中值 接收信号功率中值 或 第二章移动信道的传播特性 3 Hata模型 Hata模型适用的频率范围为150 1500MHz 与Okumura处理方法一样 以市区传播损耗为基准 其他地形地物在此基础上进行修正 市区的中值路径损耗的标准公式为 CCIR采纳的建议 单位为dB 第二章移动信道的传播特性 是移动台接收机的有效天线高度的修正因子 取决于所处传播环境 在Hata模型中 郊区修正因子的公式为 第二章移动信道的传播特性 郊区路径损耗为 开阔的农村地带的修正因子的公式为 开阔的农村地带路径损耗为 第二章移动信道的传播特性 4 COST 231 Walfish Ikegami模型 欧洲研究委员会COST 231在Walfish和Ikegami分别提出的模型的基础上 对实测数据加以完善而提出了COST 231 Walfish Ikegami模型 COST 231适用于微小区的工程设计 该模型中的主要参数有 建筑物高度hroof m 道路宽度w m 建筑物的间隔b m 第二章移动信道的传播特性 图2 46COST 231 Walfish Ikegami模型中的参数定义 第二章移动信道的传播特性 该模型适用的范围 频率f 800 2000MHz 距离d 0 02 5km 基站天线高度hb 4 50m 移动台天线高度hm 1 3mCOST 231 Walfish Ikegami模型根据传播路径是视距和非视距分别给出了无线链路的基本传输损耗 第二章移动信道的传播特性 2 非视距传播的基本传输损耗非视距传播的路径损耗的计算公式为 为自由空间传播损耗 1 视距传播的基本传输损耗视距传播路的径损耗计算公式为 第二章移动信道的传播特性 为连排房屋建筑引起的多重屏障的绕射损耗 计算公式为 和表示由于基站天线高度降低而增加的路径损耗 Kd和Kf为Lmsd与距离d和频率f相关的修正因子 第二章移动信道的传播特性 hb hb hroof 第二章移动信道的传播特性 Lrts为从屋顶到街道的绕射和散射损耗 式中 w为街道宽度 单位为m 为建筑物屋顶的高度与移动台天线高度之差 Lori为街道取向因子 第二章移动信道的传播特性 COST 231推荐使用下述默认值 b 20 50m w b 2 90 第二章移动信道的传播特性 图2 47COST 231 Walfish Ikegami模型和Hata模型的比较 5 Motley Keenan模型 6 射线追踪模型 Okumura COST231和Hata模型 是通过对大量测试数据进行统计和拟合 得到的图表或公式 经验性模型统计地考虑所有的环境影响 但并不能很准确地反映城区建筑物对于传播模型的影响 射线追踪技术是光学的射线技术在电磁计算领域中的应用 能够准确地考虑到电磁波的各种传播途径 包括直射 反射 绕射 透射等 并考虑到影响电波传播的各种因素 从而针对不同的具体场景做准确的预测 射线跟踪模型一般基于射线跟踪或射线发射两项或其中一项的射线路径搜索技术 射线跟踪是基于镜像的电磁理论 它考虑所有的物体作为潜在的发射物并且计算发射源像的位置 射线经过路径按照接收机 发射机和相关的像的位置构成 射线发射是从发射机发射出很多角度离散的测试射线 射线传播时 受当前环境的物体影响而产生功率损耗 当射线功率下降到预先设置值以下时 射线终止传播 Volcano模型WaveSight模型WinProp模型都可以集成在多种网络规划软件中 中兴通讯在香港的LTE网络规划项目中 考虑到香港地区复杂的无线传播环境 为了进行精确的网络规划 获得准确的预测结果 使用了Volcano射线追踪模型 Volcano是由法国Siradel公司开发的包含了射线追踪技术的传播模型 根据天线高度和电波的主要传播方式定义为3种传播场景 宏蜂窝 Macrocell 发射天线高于周围建筑物微蜂窝 Microcell 发射天线低于周围建筑物Mini蜂窝 Minicell 发射天线介于两者之间 射线跟踪模型需要高精度 至少5m精度 含3D建筑物信息的数字地图 预测的准确性与数字地图的精确性以及站点工程参数 天线位置 天线高度 方向角 下倾角等 设置的准确性密切相关 在使用了高精度的3D地图的基础上 还需要进行大量的传播特性测试和模型校正 使得模型的预测结果更准确 Winprop模型是德国AWE公司开发的一种高性能的传播模型 同时支持室内微蜂窝和室外宏蜂窝的高精度预测 采用射线追踪模型仿真时 需要耗费的计算时间较长 可能是普通经验模型的几倍 几十倍 在实际网络规划中 是否采用高精度射线追踪模型要根据项目的实际需求决定 此外 高精度射线追踪模型的准确性是建立在高精度的电子地图及准确的站点信息基础上的 缺乏这些先决条件就无法达到应有的仿真效果 第二章移动信道的传播特性 2 2小尺度衰落1 传播路径与信号衰落假设反射系数R 1 镜面反射 则合成场强E为 移动信道的传播路径 直射波与地面反射波的合成场强将随反射系数以及路径差的变化而变化 有时会同相相加 有时会反相抵消 这就造成了合成波的衰落现象 R 越接近于1 衰落就越严重 第二章移动信道的传播特性 典型信号衰落特性 第二章移动信道的传播特性 衰落 是由多径传播的同一信号的接收所产生的 根据这些到达信号相位的不同 合成信号相消或者相长 根据这些到达信号相位的不同 合成信号相消或者相长 即使只经过很短的距离 观测到的接收信号的幅值也会有非常大的不同 小尺度衰落 第二章移动信道的传播特性 图2 12fc 2 5GHz时相长干扰 上图 和相消干扰 下图 的相位差变化不到0 1ns 相应的距离3cm 路损和阴影衰落不变 第二章移动信道的传播特性 多径时散 多径效应在时域上将导致接收信号波形被展宽 图2 15多径色散 2 时间色散 频率选择性衰落 图2 16时变多径信道响应示例 第二章移动信道的传播特性 第二章移动信道的传播特性 时间色散参数平均附加时延 定义为E 的一阶矩 时延扩展 为E 的均方根 第二章移动信道的传播特性 第二章移动信道的传播特性 频率选择性衰落与相关带宽相干带宽Bc是一频率范围的统计度量值 在此频率范围内 信道可认为是平坦的 即此范围内所有频率分量具有近似相等的增益和线性相位 第二章移动信道的传播特性 两径信道图2 19两径信道模型 r 1 两路径信道的等效网络传递函数 第二章移动信道的传播特性 第二章移动信道的传播特性 图2 29平坦衰落信道特性 第二章移动信道的传播特性 图2 30频率选择性信道特性 2 频率色散 时间选择性衰落 第二章移动信道的传播特性 由于移动台的高速移动而产生的传播信号频率的扩散 称为多普勒效应 第二章移动信道的传播特性 图2 13多普勒效应 两处接收信号的路程差 由路程差引起的相位差 引起的频率变化 第二章移动信道的传播特性 图2 14多径与多普勒频移 接收信号频率升高 接收信号频率降低 第二章移动信道的传播特性 相干时间 相干时间用来表征信道频率色散对应的时域时变特性 相干时间是信道冲激响应维持不变的时间间隔的统计平均值 时间选择性衰落对数字信号误码有明显的影响 为了减少这种影响 要求基带信号的符号周期要远小于信道的相干时间 时间选择性衰落 快衰落 和时间平坦衰落 慢衰落 信道的时变性通过相干时间Tc和多普勒扩展Bd来表征 符号间隔Ts 带宽Bs 1 Ts Ts Tc Bs Bd 信号经历快衰落 称信道为快衰落信道 反之 为慢衰落信道 第二章移动信道的传播特性 移动通信中 由于基站和移动台周围散射环境不同 从而产生了角度色散 使得位于不同位置的天线经历的衰落不同 即产生了空间选择性衰落 角度扩展角度扩展 rms是用来表征空间选择性衰落的重要参数 3 角度色散 空间选择性衰落 第二章移动信道的传播特性 相关距离相关距离Dc是指信道冲激响应保证一定相关度的空间距离 随着角度扩展的增加 相关距离减少 反之亦然 估计相关距离的一个经验公式为Dc 2 rms 第二章移动信道的传播特性 2 多径效应移动信道由于多径传播和移动台运动导致小尺度衰落的产生 其主要效应表现为 信号强度随距离 或时间 在短距离内 或短时间间隔内 发生急剧变化 多径信号不同的多普勒频移引起随机频率调制 或频率色散 多径传播不同时延引起的时间弥散 不同到达角引起角度色散 第二章移动信道的传播特性 1 多径信道的冲激响应模型时不变性冲激响应信道可表示为 工程上可用抽头延迟线实现 第二章移动信道的传播特性 2 多径信道的主要参数 3对 时间色散参数和相关带宽 用功率延迟谱描述时延扩展 相干带宽Bc频率色散参数和相干时间 用多普勒功率谱密度描述多普勒扩展Bd 相干时间Tc角度色散参数和相关距离 用角度谱描述角度扩展 rms 相关距离Dc 第二章移动信道的传播特性 3 多径接收信号统计特性移动无线信道接收端的信号是来自不同传播路径信号之和 由于移动信道是典型的随参信道 这样接收信号将不是确定和可预见的 而是具有很强的随机性 属于时变信号 第二章移动信道的传播特性 瑞利分布设基站发射的信号为则第i条路径接收信号 第二章移动信道的传播特性 接收信号为令则接收信号s t 可写成 第二章移动信道的传播特性 x和y都是独立随机变量之和 根据概率论中心极限定理 假设 由于x和和y相互独立 因而其联合概率密度函数p x y 可写为 第二章移动信道的传播特性 将其变换到极坐标系 r x rcos y rsin 相应的雅克比行列式为接收信号的联合概率密度函数为 第二章移动信道的传播特性 对 积分 可求得包络概率密度函数p r 为 同理 对r积分可求得相位概率密度函数p 为 多径衰落信号的包络服从瑞利分布 故把这种多径衰落称为瑞利衰落 相位服从0 2 间的均匀分布 第二章移动信道的传播特性 均值 均方值 第二章移动信道的传播特性 图2 27瑞利衰落的累积分布 第二章移动信道的传播特性 b 莱斯分布 当接收信号中有主导信号分量时 比如视距传播的信号到达时 视距信号将成为接收信号中的主导分量 而其他不同角度到达的多径分量将叠加在这个主导信号分量上