移动通信_第二章_移动通信电波传播与传播预测模型.ppt

第二章移动通信电波与传播预测模型,授课教师：唐万斌NationalKeyLaboratoryofCommunications,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina2011年9月,移动通信,第二章移动通信电波与传播预测模型,2,学习重点和要求,理解电波传播的基本特性了解3种电波传播的机制掌握自由空间和阴影衰落概念掌握多径信道模型的原理和多径信道的参数理解无线信道中信号经历多径衰落的基本特性，掌握多径传播与快衰落、阴影衰落、时延扩展与相干带宽的关系掌握描述信道衰落特性的特征量,第二章移动通信电波与传播预测模型,3,参考书籍,杨大成等编著，移动通信传播环境：理论基础、分析方法和建模技术，机械工业出版社，2003年8月第1版；T.S.Rappaport,WirelessCommunicationsPrinciplesandPractice,2ndEdition,PrenticeHall,2001.G.L.Stber,PrinciplesofMobileCommunication,2ndEdition,KluwerAcademciPubblishers,2000.郭梯云、杨家玮、李建东，数字移动通信，人民邮电出版社，1996年3月。,第二章移动通信电波与传播预测模型,4,主要内容,2.1概述电波传播的基本特性电波传播特性的研究2.2自由空间的电波传播2.33种基本电波传播机制反射与多径信号绕射散射,第二章移动通信电波与传播预测模型,5,2.4阴影衰落的基本特性2.5移动无线信道及特性参数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无线信道的主要参数多径信道的统计分析多径信道的分类衰落特性的特征量衰落信道的建模与仿真,主要内容,第二章移动通信电波与传播预测模型,6,主要内容,2.6电波传播损耗预测模型室外传播模型室内传播模型传播模型校正,第二章移动通信电波与传播预测模型,7,2.1概述2.2自由空间的电波传播2.33种基本电波传播机制2.4阴影衰落的基本特性2.5移动无线信道及特性参数2.6电波传播损耗预测模型,主要内容,第二章移动通信电波与传播预测模型,8,2.1概述,主要内容,第二章移动通信电波与传播预测模型,9,电波传播特性的研究研究开发移动通信系统某个特定频段和特定环境中的传播机制大尺度衰落（路径损耗）小尺度衰落（幅度、相位、功率分布等）如何研究无线移动通信信道？理论分析：用数学模型描述现场电波实测：实验测量、验证、校正,2.1概述,第二章移动通信电波与传播预测模型,10,2.1概述,某个特定频段和特定环境中的传播机制极低频：典型应用为对潜通信，地下通信，地下遥感，电离层与磁层研究。超低频：典型应用为地质结构（包括孕震效应）探测，电离层与磁层研究，对潜通信，地震电磁辐射前兆检测。甚低频：典型应用为Omega(美)、（俄）超远程及水下相位差导航系统，全球电报通信及对潜指挥通信，时间频率标准传递，地质探测。,第二章移动通信电波与传播预测模型,11,2.1概述,低频：典型应用为LoranC（美）及我国长河二号远程脉冲相位差导航系统，时间频率标准传递，远程通信广播。中频：用于广播、通信、导航（机场着陆系统）。采用多元天线可实现较好的方向性，但是天线结构庞大。高频：用于远距离通信广播，超视距天波及地波雷达，超视距地-空通信。特高频（分米波）：用于电视广播，飞机导航、着陆，警戒雷达，卫星导航，卫星跟踪、数传及指令网，蜂窝无线电通信。超高频（厘米波）：用于多路语音与电视信道，雷达，卫星遥感，固定及移动卫星信道。极高频（毫米波）：用于短距离通信，雷达，卫星遥感。此波段及以上波段的系统设备和技术有待进一步发展。,第二章移动通信电波与传播预测模型,12,2.1概述,第二章移动通信电波与传播预测模型,13,2.1概述,2.1.1电波传播的基本特性按视距分类视距信道：直射传播（LOS：Light-Of-Sight），如卫星传播信道非视距信道：非直射传播（Non-LOS）：绕射、散射、反射按不同距离内信号强度变化的快慢分类大尺度衰落小尺度衰落按信号与信道变化快慢程度的比较分类长期慢衰落短期快衰落,第二章移动通信电波与传播预测模型,14,2.1概述,直射传播：在自由空间中,电波沿直线传播而不被吸收,也不发生反射、折射和散射等现象而直接到达接收点的传播方式。直射波传播损耗可看成自由空间的电波传播损耗:,其中,d为距离(km),f为工作频率(MHz)。,第二章移动通信电波与传播预测模型,15,2.1概述,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。散射(scattering)：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。散射波产生于粗糙表面、小物体或其他不规则物体。绕射(diffraction)：当接收机和发射机之间的无线传播被尖锐的边缘阻挡时，发生绕射。,第二章移动通信电波与传播预测模型,16,图2-1典型的移动信道电波传播方式,1.直射波(最强),3.绕射波(次强),2.反射波(次强),4.散射波(最弱),散射体,2.1概述,第二章移动通信电波与传播预测模型,17,2.1概述,大尺度衰落：用于描述发射机与接收机之间的长距离（几百或几千米）或长时间上信号强度的变化，又叫做长期慢衰落。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，又叫做短期快衰落。两种衰落并非独立，同时存在与无线信道中,第二章移动通信电波与传播预测模型,18,2.1概述,无线移动通信信道的基本概念r(t)=m(t)r0(t)长期慢衰落：m(t)路径损耗：自由空间损耗由信道路径上的固定障碍物的阴影产生，d-n短期快衰落：r0(t)由移动台的运动和环境变化产生,第二章移动通信电波与传播预测模型,19,2.1概述,长期慢衰落和短期快衰落,移动台相对位移（距离）,移动台运动的小区域,基站发射天线,实线：短期快衰落虚线：长期慢衰落,r0(t),m(t),2.1概述,第二章移动通信电波与传播预测模型,21,2.2自由空间的电波传播,第二章移动通信电波与传播预测模型,22,2.2自由空间的无线电传播,自由空间电波传播在理想的、均匀的、各向同性的介质中传播，无反射、折射、绕射、散射和吸收现象，只存在电磁波能量扩散引起的传播损耗预备知识天线的方向性天线的方向性功率增益天线的有效面积与功率增益的关系,第二章移动通信电波与传播预测模型,23,2.2自由空间的无线电传播,前提：发射天线远离地球，或没有阻挡物；设：在接收天线方向，具有增益Gt;在发射天线方向，接收天线的增益为Gr;发射功率为Pt；接收天线与发射天线的距离为d；,第二章移动通信电波与传播预测模型,24,2.2自由空间的无线电传播,接收天线接收到的信号功率Frris自由空间模型(FriisH.T.,Proc.IRE,1946)Ar=l2Gt/(4p)为天线接收的有效面积。传播损耗为L=Pt/Pr,第二章移动通信电波与传播预测模型,25,2.2自由空间的无线电传播,传播损耗，也称为路径损耗当Gt=Gr=1时，自由空间的传播损耗为L=(4pd/l)2L(dB)=32.45+20lgf+20lgd注意：1)f的单位为MHz，d的单位为Km;2)d需要满足dD(D为天线最大物理直线尺寸)和dl;,第二章移动通信电波与传播预测模型,26,2.33种基本电波传播机制,第二章移动通信电波与传播预测模型,27,2.33种基本电波传播机制,2.3.1反射与多径信号反射,发射系数：,第二章移动通信电波与传播预测模型,28,典型介质的介电常数和电导率,2.33种基本电波传播机制,第二章移动通信电波与传播预测模型,29,两径传播模型L=PT/PR=(4dp/l)2/(GtGr),R是地面反射系数取决于介电常数和波长,d,2.33种基本电波传播机制,第二章移动通信电波与传播预测模型,30,2.33种基本电波传播机制,推广到多径情况多径数量很大时，必须用统计方法计算接收功率两径传播模型适用于开阔地区移动信道,第二章移动通信电波与传播预测模型,31,2.33种基本电波传播机制,2.3.2绕射惠更斯.菲涅尔原理空间A处有一球面波源，为了讨论它的辐射场的大小，根据惠更斯-菲涅尔原理，可以做一个与之同心、半径为R的球面，P点与A点相距d=R+r0，为了计算方便起见，我们将球面S分成许多环形带Nn(n=1,2,3,:)，并使相邻两带的边缘到观察点的距离相差半个波长（物理学上称这种环带为菲涅尔带（FesnelZone）,第二章移动通信电波与传播预测模型,32,2.33种基本电波传播机制,在这种情况下，相邻两带的对应部分的惠更斯源在P点的辐射将有/2的波程差，因而具有180的相位差，起着互相削弱的作用。可以证明，当r0时，各带的面积大致相等。设第n个菲涅尔半波带在P点产生的场强振幅为En(n=1,2,3,:)，由于每个菲涅尔半波带的辐射路径不一样，因此有以下的关系式,第二章移动通信电波与传播预测模型,33,从平均角度而言，相邻两带对P点的贡献反相，于是P点的合成场振幅为,如果将上式的奇数项拆成两部分，即En=En/2+En/2，可以重新写为,2.33种基本电波传播机制,第二章移动通信电波与传播预测模型,34,2.33种基本电波传播机制,如果总带数足够大，利用上式的结论，可以认为上式给我们一个重要的启示，尽管在自由空间从波源A辐射到观察点P的电波，从波动光学的观点看,可以认为是通过许多菲涅尔区传播的，但起最重要作用的是第一菲涅尔区。作为粗略近似，只要保证第一菲涅尔区的一半不被地形地物遮挡，就能得到自由空间传播时的场强。所以在实际的通信系统设计中，对第一菲涅尔区的尺寸非常关注，下面我们就来求出第一菲涅尔区半径。,第二章移动通信电波与传播预测模型,35,2.33种基本电波传播机制,令第一菲涅尔区的半径为F1，则根据第一菲涅尔区半径的定义,通常d1F1,d2F1，因此将上式作一级近似，可得,第二章移动通信电波与传播预测模型,36,显然，该半径在路径的中央d1=d2=d/2处达到最大值实际上，划分菲涅尔半波带的球面是任意选取的，因此当球面半径R变化时，尽管各菲涅尔区的尺寸也在变化，但是它们的几何定义不变。而它们的几何定义恰恰就是以A、P两点为焦点的椭圆定义。,2.33种基本电波传播机制,第二章移动通信电波与传播预测模型,37,如图所示，如果考虑到以传播路径为轴线的旋转对称性，不同位置的同一菲涅尔半波带的外围轮廓线应是一个以收、发两点为焦点的旋转椭球。我们称第一菲涅尔椭球为电波传播的主要通道。,2.33种基本电波传播机制,第二章移动通信电波与传播预测模型,38,2.33种基本电波传播机制,即使在地面上的障碍物遮住收、发两点间的几何射线的情况下，由于电波传播的主要通道未被全部遮挡住，因此接收点仍然可以收到信号，此种现象被称为电波绕射。在地面上的障碍物高度一定的情况下，波长越长，电波传播的主要通道的横截面积越大，相对遮挡面积就越小，接收点的场强就越大，因此频率越低，绕射能力越强。,第二章移动通信电波与传播预测模型,39,2.33种基本电波传播机制,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。散射波产生于粗糙表面，小物体或其他不规则物体。在实际的通信系统中，树叶、街道标志和灯柱等会引发散射。,第二章移动通信电波与传播预测模型,40,2.4阴影衰落的基本特性,第二章移动通信电波与传播预测模型,41,2.4阴影衰落的基本特性,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半盲区（长期慢衰落/大尺度衰落/阴影效应）,阴影衰落过大，无法接收信号,第二章移动通信电波与传播预测模型,42,2.4阴影衰落的基本特性,传播损耗受阴影衰落影响，可表示为写为对数形式时表示为服从均值为0，方差为的对数正态分布。m为路径损耗指数,第二章移动通信电波与传播预测模型,43,2.4阴影衰落的基本特性,阴影损耗的标准偏差特点：电平起伏相对缓慢衰落与地形、地物的分布和高度有关,第二章移动通信电波与传播预测模型,44,2.5移动无线信道及特性参数,第二章移动通信电波与传播预测模型,45,2.5移动无线信道及特性参数,时域（时间色散）：多径效应引起信号的时延扩展，接收信号的信号分量被展宽。相关带宽与信号带宽:频率选择性衰落与频率平坦性衰落频域（频率色散）：多谱勒效应引起频域扩展，接收信号产生多谱勒频展。相关时间与信号的数据字符周期：时间选择性衰落和时间平坦性衰落空域（角度色散）：角度扩展引起空间相关性，接收信号产生空间选择性衰落空间强相关信道及独立衰落信道,第二章移动通信电波与传播预测模型,46,2.5移动无线信道及特性参数,2.5.1多径衰落的基本特性,第二章移动通信电波与传播预测模型,47,2.5移动无线信道及特性参数,多径衰落在移动通信环境中，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。接收信号的幅度在较短时间内急剧变化，产生了衰落。,第二章移动通信电波与传播预测模型,48,2.5移动无线信道及特性参数,多径衰落现象,第二章移动通信电波与传播预测模型,49,2.5移动无线信道及特性参数,2.5.3多径信道模型,假设输入信号为多径环境下的接收信号,可分辨多径数目,每径衰落系数,每径时延,每径相移,第二章移动通信电波与传播预测模型,50,2.5移动无线信道及特性参数,信道冲激响应函数接收信号,第二章移动通信电波与传播预测模型,51,2.5移动无线信道及特性参数,第二章移动通信电波与传播预测模型,52,2.5移动无线信道及特性参数,2.5.2多普勒频移多谱勒效应：移动台在移动中通信，接收信号频率会发生变化的现象。多谱勒频移(DopplerFrequencyShift)与移动速度、方向,第二章移动通信电波与传播预测模型,53,2.5移动无线信道及特性参数,第二章移动通信电波与传播预测模型,54,2.5移动无线信道及特性参数,多谱勒效应的解释相位发生随机变化，即随机调频信号多径信道中，一个单频信号f扩展为ffd，导致频谱扩展。相关时间Tcoh=1/fm，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。时间选择性衰落。多谱勒效应主要影响接收机的误码性能,第二章移动通信电波与传播预测模型,55,2.5移动无线信道及特性参数,多普勒功率谱（经典谱）,图2-4多普勒扩展功率谱（经典谱）,第二章移动通信电波与传播预测模型,56,基于时延扩展,2.5移动无线信道及特性参数,2.5.4多径信道主要参数s：r的方差；I0():0阶第一类修正贝塞尔函数。,第二章移动通信电波与传播预测模型,80,2.5移动无线信道及特性参数,K=A2/2s2定义主信号功率与多径分量方差之比，称为莱斯因子。A0时，K-dB,莱斯分布变为瑞利分布。A2/2s21时，莱斯分布将向高斯分布趋近。,第二章移动通信电波与传播预测模型,81,2.5移动无线信道及特性参数,莱斯(Rician)衰落分布：,概率密度函数,概率分布函数,第二章移动通信电波与传播预测模型,82,2.5移动无线信道及特性参数,Nakagami-m分布Nakagami-m分布对于无线信道的描述具有很好的适应性，常见的Rayleigh衰落、Ricean衰落都可以用其来描述。m越小，信道特性越恶劣；m越大，信道特性越好,第二章移动通信电波与传播预测模型,83,2.5移动无线信道及特性参数,若信号包络r服从Nakagami-m分布，则其概率密度函数为,第二章移动通信电波与传播预测模型,84,2.5移动无线信道及特性参数,Nakagami-m分布和其他分布的联系和Rayleigh分布的关系（M=1）此时Nakagami-m分布即成为Rayleigh分布,第二章移动通信电波与传播预测模型,85,2.5移动无线信道及特性参数,和Ricean分布的关系（M1）和Gaussian分布的关系(当m较大时，Nakagami-m分布接近于Gaussian分布),第二章移动通信电波与传播预测模型,86,3.4.6衰落特性的度量,2.5.7衰落特性的特征量衰落包络与时间的关系衰落率衰落深度电平通过率衰落持续时间,第二章移动通信电波与传播预测模型,87,3.4.6衰落特性的度量,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。平均衰落率：A2v/l运动速率v(km/h),f(MHz),A(Hz)衰落率与频率、移动台运动速度和方向以及多径传播路径有关：移动台行进方向朝向或背着电波传播方向时，衰落最快。频率越高，速度越快，平均衰落率的值越大。衰落深度信号有效值与该次衰落的信号最小值的差值,第二章移动通信电波与传播预测模型,88,电平通过率LCR(LevelCrossRate)即信号包络单位时间内通过某一规定电平值的平均次数衰落率是LCR的一个特例,瑞利分布,3.4.6衰落特性的度量,第二章移动通信电波与传播预测模型,89,3.4.6衰落特性的度量,衰落持续时间即信号包络低于某个给定电平值的概率与该电平对应的电平通过率之比。ADF(AverageDurationofFades)tR=P(rR)/NR瑞利衰落图3.12中衰落持续时间为t1+t2+t3+t4，平均衰落持续时间为tR=(t1+t2+t3+t4)/4,第二章移动通信电波与传播预测模型,90,3.4.6衰落特性的度量,图3.12中衰落持续时间为t1+t2+t3+t4，平均衰落持续时间为tR=(t1+t2+t3+t4)/4,第二章移动通信电波与传播预测模型,91,3.4.6衰落特性的度量,衰落持续时间工程意义当接手信号电平低于接收机门限电平时，就可能导致语音中断或者误比特率突然增大。了解接收信号低于某个门限的持续时间的统计规律，就可以判定语音受影响的程度，以及在数字通信中是否会发生突发性错误和突发错误的长度。,对于设计纠错控制编码和分集方案十分有用！,第二章移动通信电波与传播预测模型,92,3.4.7衰落信道建模与仿真(了解),信道建模（如何体现空、时、频三维特性）时间维：建立具有多普勒频谱特性的单径（平坦）衰落频率维：建立多径衰落空间维：建立多天线、多通道衰落,第二章移动通信电波与传播预测模型,93,3.4.7衰落信道建模与仿真(了解),时间维：产生单径的时间连续的衰落（具有多普勒频率特性）,第二章移动通信电波与传播预测模型,94,3.4.7衰落信道建模与仿真(了解),第二章移动通信电波与传播预测模型,95,3.4.7衰落信道建模与仿真(了解),频率维：建立多径模型,第二章移动通信电波与传播预测模型,96,3.4.7衰落信道建模与仿真(了解),空间维：建立多入多出的空间信道,第二章移动通信电波与传播预测模型,97,3.4.7衰落信道建模与仿真(了解),仿真结果,第二章移动通信电波与传播预测模型,98,3.4.7衰落信道建模与仿真(了解),第二章移动通信电波与传播预测模型,99,3.5电波传播损耗预测模型(自学),3.6电波传播损耗预测模型用途:无线网络工程设计中，计算无线路径的传播损耗，确定无线蜂窝小区的服务覆盖区域。常用的电波传播损耗预测模型Okumura-Hata模型COST-231Hata模型CCIR模型LEE模型COST231Walfisch-Ikegami（WIM）模型,Okumura-Hata模型,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，即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基站天线和移动台天线之间的水平距离（km）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,路径损耗计算的经验公式式中大城市中心校正因子两种Hata模型的主要区别频率衰减系数不同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,LEE模型,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,传播模型的适用范围,传播模型的应用方法,基站和移动台之间水平距离d（km）,