移动通信第2章课件

第二章移动通信电波传播环境与传播预测模型,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,2.1.1电波传播的基本特性,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,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。,2.1.2电波传播特性的研究,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,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,2.3.1反射,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）,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）,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,2.3.2绕射,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,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。,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,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m4，标准差8dB是合理的,2.5移动无线信道及特性参数,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,衰落信道的建模与仿真,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,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,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,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,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。,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激响应和传递函数得到多径信道的特性,2.5.3多径信道的信道模型,推导冲激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。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。,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,在相位中不可忽略,数量级小可忽略,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,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,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,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,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,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(),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BsBc,平坦衰落,频选衰落,码间干扰,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,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,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,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TsTc,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,空间选择性衰落,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,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02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，随机相位（02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,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02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29瑞利分布的概率分布密度,莱斯分布,环境条件,莱斯因子,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,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,2.5.6多径衰落信道的分类,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,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,衰落深度,衰落速率,电平通过率,衰落持续时间,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。,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211电平通过率和平均衰落持续时间,2.5.8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,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,对于以第n个角度到达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和场强分量，即其中，是本地场（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215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,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具有0平均和等方差，且不相关接收的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,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。,Jakes仿真器模型,图2-12Jakes仿真器模型,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,2.6.1室外传播模型,Hata模型,CCIR模型,LEE模型,COST231Walfisch-Ikegami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,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(a)考虑两种情况：a.电波被阻挡，为负，为正，接收功率（w）衰减系数b.为正，为负，计算单个刃形边的衍射损耗Lr(b),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,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,是由于建筑物引起的损耗。其值可以这样得到首先按图2-19所示计算从基站到A点的穿过街区的总的阻挡长度Ba+b+c，再根据B查找曲线图2-20，可得值。,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）设计可以计算基站发射天线高于、等于或低于周围建筑物等不同情况的路径损耗两种情况视距传播情况，路径损耗非视距传播情况，路径损耗式中L0由空间损耗L1由沿屋顶下沿最近的衍射引起的衰落损耗L2沿屋顶的多重衍射（除了最近的衍射）,COST231Walfisch-Ikegami模型各参数意义,1式中w接收机所在的街道宽度（m）,hR建筑物的平均高度（m）hR，hm接收天线的高度其中街区轴线于连结发射机和接收机天线的夹角2式中上面各式中，hB发射天线高度，b相邻行建筑物中心距离,室外传播模型的使用,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）,d1,宏蜂窝模型,d5,d5,有实测数据并得到LEE模型参数和距离衰减因子,d1,微蜂窝模型,有实测数据,LEE模型,WIM模型,LEE模型,WIM模型,CCIR模型,Hata模型,传播模型的使用及评价,参数易获得，模型易使用但未考虑建筑物的高度和密度、街道的分布和走向等重要因素的影响，预测值和实际值的误差较大,用于建筑物高度近似一致的郊区和城区环境发射天线可以高于、等于或低于周围建筑物,适用于有测试数据时。主要参数易于根据测量值调整，准确性高。算法简单，计算速度快,考虑了建筑物密度的影响，引入参数B（被建筑物覆盖区域的百分），且易获得,传播模型,2.6.2室内传播模型,显著特点,影响因素,对数距离路径损耗模型Ericsson多重断点模型,对数距离路径损耗模型室内路径损耗遵从公式式中，依赖于周围环境和建筑物类型，是标准偏差为的正态随机变量Ericsson多重断点模型有四个断点，考虑路径损耗的上下边界未考虑对数正态阴影部分,图2.17多重断点室内路径损耗模型,衰减因子模型,应用适用于建筑物内的传播预测。包含了建筑物类型影响以及阻挡物引起的变化，灵活性强。衰减因子模型同层建筑物其中表示同层测试的指数值多层建筑物其中表示基于测试的多楼层路径损耗指数室内路径损耗等于自由空间损耗加上附加损耗因子，并且随着距离成指数增长修改（）式得其中为信道衰减常数，单位为dB/m,传播模型校正,目的使传播模型适应新的无线传播环境步骤数据准备设计方案，进行车载路测，并记录收集本地的测试信号的场强数据。路测数据后处理对车载测试数据进行后处理，得到可用于传播模型校正的本地路径损耗数据。模型校正根据后处理得到的路径损耗数据，校正原有的传播模型中各个数的系数，使模型的预测值和实测值的误差最小举例说明,现网路测数据的传播模型校正,图2.18传播模型校正的步骤,数据准备电子地图与基站数据,电子地图包括地形高度、地物信息等对电波传播有影响的地理信息用于确定测试路径，是进行传播模型校正的必备工具基站数据如果路径损耗的采集采取的是现网路测的方法，还需要得到现网基站数据和天线数据基站数据用于锁定导频PN和导频